La ribulosa-1,5-bisfosfat carboxilasa/oxigenasa, coneguda habitualment amb el sobrenom de RuBisCo, és un enzim (EC 4.1.1.39) que participa en el cicle de Calvin catalitzant el primer pas principal en la fixació del carboni. Aquest procés permet que els àtoms de diòxid de carboni de l'atmosfera passin als organismes en forma de molècules riques en energia com ara la sacarosa. La RuBisCO catalitza tant la carboxilació (amb CO₂) com l'oxigenació (amb O₂) de la ribulosa-1,5-difosfat (RuBP).
La RuBisCO és molt important en termes biològics perquè, com s'ha comentat, és central en la reacció química més comuna que permet l'entrada de carboni inorgànic a la biosfera. Es tracta també de la proteïna més habitual a les fulles, i possiblement és la proteïna més abundant de la Terra. La RuBisCO sempre treballa amb llum, si no no pot funcionar.
Història Durant els anys 1950, es va descobrir formalment la fotorespiració, gràcies als analitzadors infrarojos de gas aplicats als estudis d'intercanvi de gasos en plantes.
A finals dels anys 60, Bill Ogren va provar que existeix una competència entre l'O₂ i el CO₂ a la fotosíntesi, de manera que totes dues molècules competeixen per l'enzim encarregat de fixar el CO₂, que en aquell moment, s'anomenava ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa. Però va ser l'any 1971, que va comprovar, juntament amb el seu estudiant Georges Bowes, que l'enzim també té activitat d'oxigenasa, de manera que va passar a anomenar-se ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa oxigenasa, més comunament coneguda com a RuBisCO. No obstant, actualment hi ha moltes formes diverses d'anomenar-la: Carboxilasa, ribulosa difosfat (9CI); Carboxidismutasa; D-Ribulosa 1,5-bifosfat carboxilasa; D-Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa; D-Ribulosa-1,5-bisfosfat carboxilasa; Difosforibulosa carboxilasa; Ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa; Ribulosa 1,5-bisfosfat carboxilasa-oxigenasa; Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa; Ribulosa 1,5-difosfat carboxilasa/oxigenasa; Ribulosa bifosfat carboxilasa; Ribulosa bisfosfat carboxilasa-oxigenasa; Ribulosa difosfat carboxilasa; Ribulosa difosfat carboxilasa/oxigenasa; RuBP carboxilasa; RuDP carboxilasa; RubPCasa; Nombre CAS: 9027-23-0.
La RuBisCO és un dels enzims més abundants del planeta i també un dels més antics. L'origen d'aquesta proteïna ancestral pot ser de la terra primitiva (4.500 milions d'anys), ja que havien d'existir abans de l'endocitosi dels plàstids.
S'han fet estudis per a determinar l'estructura i funcionament d'una RuBisCO primitiva, i els resultats han sigut que, a baixes concentracions de CO₂ la RuBisCO ancestral tenia una capacitat inferior de funcionament, en comparació amb la RuBisCO actual. Per tant, es pot deduir una evolució de l'enzim, ja que originalment estava adaptada a les altes concentracions de CO₂. Avui en dia, la RuBisCO esta adaptada a les baixes concentracions de CO₂, tot i així no és gaire eficient perquè també realitza la oxigenació. Per tant, la RuBisCO primitiva era més eficient (en aquella època) a causa de les altes concentracions de CO₂ i la mínima presència d'O₂.Shih P, Occhialini A, Cameron J, et al. Biochemical characterization of predicted Precambrian RuBisCO. Nature Communications. 2016;7:10382.
Estructura miniatura|Simetria D4. Subunitats S en les capes inferior i superior. La RuBisCo de les plantes superiors i de la majoria de microorganismes fotosintètics té una estructura quaternària formada per 16 polipèptids (L₈S₈), és a dir, està format de vuit subunitats grans (rbcL) i de vuit subunitats petites (rcbS). En el cas d'alguns bacteris fotosintètics, l'enzim està format per un dímer L₂, on la subunitat L té una homologia de seqüència del 28% i és estructuralment similar a l'enzim L₈S₈.
Els estudis de difracció de raig X demostren que la proteïna té una simetria D4 (simetria d'un prisma quadrat), i que totes les subunitats L i S tenen una estructura tridimensional idèntica. Quatre de les subunitats S (S₄) tapen la part superior del complex, i les altres quatre (S₄) tapen la part inferior.Voet DVoet J.(2006) Bioquímica. 935-936. Madrid. Editorial Médica Panamericana.
Subunitat L (rbcL) Aquesta proteïna consta de 475 aminoàcids, i està codificada per l'ADN del cloroplast.1026x1026px|centerLa subunitat consisteix en dos dominis: els residus 1 al 150, formen cinc cadenes β, i els residus 151 a 475 es pleguen en un barril α/β. En la boca del barril de la rbcL és on es troben els llocs catalítics de l'enzim (175 i 294); però hi ha més llocs d'unió per tota la subunitat. Llocs de funció PosicióDescripcióLloc d'unió123SubstratLloc d'unió173SubstratCentre actiu 175Acceptor de protonsLloc d'unió177SubstratUnió metàl·lica201MagnesiUnió metàl·lica203MagnesiUnió metàl·lica204MagnesiCentre actiu294Acceptor de protonsLloc d'unió295SubstratLloc d'unió327SubstratLloc334Estabilitzador d'estat de transicióLloc d'unió379Substrat Els ions de magnesi (Mg2+) s'uneixen al centre actiu, i són molt importants per a l'activitat enzimàtica, ja que provoca la formació de carbamats (grups funcionals). La formació d'aquests carbamats es veu afavorida en un pH alcalí, i alhora, la llum provoca l'augment del pH i de la concentració de Mg2+.
A més, dins del barril α/β també s'hi poden unir inhibidors que actuen com a reguladors enzimàtics.rbcL - Ribulose bisphosphate carboxylase large chain precursor - Spinacia oleracea (Spinach) - rbcL gene & protein [Internet]. Uniprot.org. 2016 [cited 15 October 2016]. Available from: http://www.uniprot.org/uniprot/P00875#structure
Subunitat S (rbcS) Aquesta proteïna consta de 123 aminoàcids, i està codificada per l'ADN del nucli (gen nuclear). center La subunitat consisteix en quatre lamines β antiparal·leles, i dos α-hèlix. S'ha intentat demostrar que la funció de la subunitat S és regulatoria (en analogia amb altres enzims), pero aquests intents no han sigut exitosos, per tant, la seva funció és desconeguda de moment.RBCS - Ribulose bisphosphate carboxylase small chain - Spinacia oleracea (Spinach) - RBCS gene & protein [Internet]. Uniprot.org. 2016 [cited 15 October 2016]. Available from: http://www.uniprot.org/uniprot/P00870
Funcions L'enzim RuBisCO té un doble comportament que justifica el seu nom científic de ribulosa-1,5-bifosfat carboxilasa oxigenasa. Per una part, aquest enzim és el responsable de la fixació del CO₂ atmosfèric a una forma orgànica, el que explica la seva classificació com a carboxilasa. La nomenclatura d'oxigenasa, per altra part, respon a la seva relació amb el procés de la fotorespiració.
En ambdós casos la RuBisCO té com a substrat la ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP), per la qual cosa aquest enzim és capaç de catalitzar tant la carboxilació com l'oxigenació d'aquesta molècula.Andersson, I. and Backlund, A. (2008). Structure and function of Rubisco. Plant Physiology and Biochemistry, 46(3), pp.275-291.
Rubisco com a carboxilasa Participació de la RuBisCO en el cicle de Calvin com a carboxilasa: visió global El Cicle de Calvin i la fixació de CO₂ per la RuBisCO és un procediment propi dels organismes autòtrofs i no només dels organismes fotosintetitzadors típics. Així doncs, aquest procés és dut a terme tant per cianobacteris, algues eucariotes i plantes com per arqueus i bacteris dotats de metabolismes fotosintetitzadors o quimiosintetitzadors diversos.
En el cicle de Calvin podem distingir dues etapes:
Etapa 1 Es tracta de la fase de producció. En ella, gràcies a la RuBisCO, a nou molècules d'ATP i a sis de NADPH, té lloc la reacció de tres molècules de ribulosa-5-fosfat (Ru5P) amb tres molècules de CO₂.
En aquesta etapa es succeeixen reaccions de carboxilació, fosforilació i reducció que donen com a resultat final sis molècules de gliceraldehid-3-fosfat (GAP).
Etapa 2 Es tracta de la fase de recuperació. Aquí els àtoms de carboni dels 5 GAP restants (un d'ells passa a diferents reaccions de biosíntesi) són repartits per una sèrie de reaccions químiques que tenen lloc als cloroplasts i que són molt similars a les reaccions de la via de les pentoses fosfat. Així, a través d'una successió de composts de quatre, cinc i set àtoms de carboni és possible recuperar les tres molècules de Ru5P amb les que va començar el cicle.Jimeno A. Biologia 2, Batxillerat. Barcelona: Grup Promotor; 2009.
La importància biològica de la RuBisCO com a carboxilasa radica essencialment en aquesta primera part del cicle de Calvin i, més concretament, en la reacció de fixació del CO₂ a la ribulosa-1,5-bifosfat, una pentosa activada energèticament.
Participació de la RuBisCO en el cicle de Calvin com a carboxilasa: reacció específica En el procés de carboxilació de la RuBP catalitzat per la RuBisCO s'obté un compost inestable de sis àtoms de carboni, que posteriorment es trencarà donant lloc a dues molècules d'àcid-3-fosfoglicèric (3PG).
Tot seguit, aquests productes seran incorporats a cicles d'obtenció d'energia i matèria orgànica del ésser viu, gràcies a l'entrada de l'àcid-3-fosfoglicèric a la glicòlisi o a reaccions de formació de sucres més complexos.492x492px|Aquesta imatge mostra la reacció de carboxilació de la ribulosa-1,5-bifosfat catalitzada per la RuBisCO. En aquesta reacció es succeixen elements intermedis com l'enolat i el β-cetoàcid . El producte final és un compost inestable de sis àtoms de carboni que s'escindeix en dues molècules de 3PG . |frameDe manera més detallada, la reacció específica de carboxilació de la RuBisCO, pot ésser dividida en diferents etapes: En primer lloc es produeix la fosforilació de la Ru5P mitjançant l'enzim fosforribuloquinasa. En aquesta reacció s'obté com a producte la ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP), que serà la molècula sobre la qual actuarà la RuBisCO.
Un cop formada la RuBP, la RuBisCO produeix la sostracció d'un protó del C3 d'aquesta molècula, reacció que genera un enolat.
Aquest enolat ataca nucleòfilament al CO₂, donant com a resultat a un β-cetoàcid.
Per acabar, el β-cetoàcid obtingut és ràpidament atacat en la seva posició C3 per l'H₂O per donar un adducte, que s'escindeix donant com a producte final dues molècules de 3PG.
Aquest mecanisme específic d'actuació de la RuBisCO no està reconegut científicament, encara que existeixen una sèrie d'evidències que recolzen aquesta hipòtesi: El protó de C3 de la RuBP unida a l'enzim s'intercanvia amb el solvent, un fet compatible amb la possible existència de l'enolat.
El àtoms d'oxigen de C2 i C3 es mantenen units amb els seus respectius àtoms de carboni, el que elimina possibles mecanismes amb participació d'adductes covalents.
La captura de l'intermediari β-cetoàcid mitjançant la reducció del borohidrur i la estreta relació enzimàtica dels seus anàlegs (com CA1P i CABP) donen evidències sòlides sobre l'existència d'aquest intermediari.
En qualsevol cas, la reacció global és altament exergònica (∆Gº= -35,1 Kj /mol) i la major part de tota aquesta força impulsora és proporcionada pel trencament de l'intermediari β-cetoàcid.
Rubisco com a oxigenasa miniatura|620x620px|Reacció d'oxigenació catalitzada per la RuBisCO. La RuBP reacciona amb una molècula d'oxigen per donar com a resultat 3PG i 2PG . Aquest útim producte es transforma en 3PG durant la fotorespiració, a través de la utilització d'energia i poder reductor. Cal destacar per acabar, la gran semblança d'aquest respecte l'anterior. La RuBisCO és també capaç d'utilitzar l'O₂ com a substrat alternatiu al CO₂ a través d'una reacció d'oxigenació. Així doncs, la ribulosa-1,5-bifosfat pot ésser també oxigenada.
En la reacció de la oxigenasa l'O₂ reacciona amb el segon substrat de la RuBisCO (RuBP) per formar àcid-3-fosfoglicèric (3PG) i 2-fosfoglicolat (2PG).Wingler, A., Lea, P., Quick, W. and Leegood, R. (2000). Photorespiration: metabolic pathways and their role in stress protection. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 355(1402), pp.1517-1529.