Почти весь углерод, из которого построены живые организмы, когда-то прошёл через один фермент — рубиско. Он присоединяет углекислый газ к органической молекуле в первой реакции цикла Кальвина. Рубиско — самый распространённый белок на Земле, и при этом один из самых медленных и неразборчивых ферментов: он путает CO2 с кислородом. В статье разобрано, как устроен и как работает рубиско, почему у него такие недостатки, как растения и водоросли их обходят и что пытаются сделать биоинженеры.
- 1. Название и реакции
- 2. Строение
- 3. Активация
- 4. Два недостатка
- 5. Почему эволюция не исправила рубиско
- 6. Как организмы обходят недостатки
- 7. Попытки улучшить фотосинтез
- 8. Что нужно знать к ЕГЭ
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Название и реакции
Полное название фермента — рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа; «рубиско» — сокращение от английского названия. Название описывает обе реакции фермента.
- Карбоксилирование (полезная реакция). К пятиуглеродному сахару рибулозо-1,5-бисфосфату (РуБФ) присоединяется CO2. Неустойчивое шестиуглеродное соединение распадается на две молекулы трёхуглеродной 3-фосфоглицериновой кислоты (ФГК), которые дальше восстанавливаются в цикле Кальвина:
РуБФ (5 C) + CO2 + H2O → 2 ФГК (3 C)
- Оксигенирование (побочная реакция). Вместо CO2 к РуБФ присоединяется O2. Образуются одна молекула ФГК и одна молекула двууглеродного 2-фосфогликолата:
РуБФ (5 C) + O2 → ФГК (3 C) + 2-фосфогликолат (2 C)
Фосфогликолат клетке не нужен и даже вреден: он подавляет ферменты цикла Кальвина. Его переработка — фотодыхание — идёт в хлоропласте, пероксисоме и митохондрии; из двух молекул фосфогликолата получается одна молекула ФГК, а один атом углерода теряется в виде CO2, кроме того, выделяется аммиак, и на всё это расходуется АТФ (подробнее — в статье «Фотодыхание»).
2. Строение
У растений, водорослей и цианобактерий рубиско — крупный белок массой около 550 кДа, собранный из 16 субъединиц: восьми больших (около 55 кДа) и восьми малых (около 15 кДа). Большие субъединицы образуют центральный цилиндр из четырёх пар, малые сидят на его концах. Активные центры находятся на стыке двух больших субъединиц, их восемь.
Гены двух субъединиц у растений находятся в разных местах клетки:
- ген большой субъединицы (rbcL) — в кольцевой ДНК хлоропласта; белок синтезируется на рибосомах хлоропласта;
- гены малой субъединицы (rbcS) — в ядре; белок синтезируется на рибосомах цитоплазмы с сигнальной последовательностью и переносится в хлоропласт, где сигнальная последовательность отщепляется.
Сборка фермента в строме требует помощи белков-шаперонов. Рубиско — пример того, как работа хлоропласта зависит от согласованной работы двух геномов. Ген rbcL широко используют для определения родства растений: он есть у всех растений и меняется достаточно медленно.
Рубиско составляет до 30–50 % растворимого белка листа. Общая масса рубиско на Земле оценивается примерно в 0,7 млрд тонн — это самый распространённый белок планеты.
Кроме описанной формы (форма I), есть и другие: у некоторых пурпурных бактерий и динофлагеллят рубиско состоит только из двух больших субъединиц (форма II), а у архей встречается форма III, работающая не в цикле Кальвина.
3. Активация
Рубиско работает только в активной форме. Для активации к остатку аминокислоты лизина в активном центре присоединяется молекула CO2 (не та, что будет фиксирована, а дополнительная), а затем ион Mg2+. На свету в строме повышается pH (протоны уходят в люмен тилакоидов) и растёт концентрация Mg2+; оба изменения способствуют активации.
Активный центр легко «засоряется»: в нём прочно связываются молекулы сахарофосфатов, и фермент перестаёт работать. Их удаляет особый белок — активаза рубиско, расходуя АТФ. Активаза чувствительна к нагреванию: при температуре выше 35–40 °C она теряет активность, и это одна из причин падения фотосинтеза в жару.
4. Два недостатка
Медленная работа
Активный центр рубиско растений фиксирует всего 2–5 молекул CO2 в секунду. Для сравнения: каталаза разлагает миллионы молекул пероксида водорода в секунду, карбоангидраза превращает в секунду до миллиона молекул CO2. Медленную работу растения компенсируют количеством фермента — отсюда огромное содержание рубиско в листьях. На его синтез уходит большая доля азота растения, поэтому рубиско одновременно служит и запасом азота: при старении листа его разрушают, а аминокислоты переносят в молодые органы и семена.
Неразборчивость
Рубиско присоединяет к РуБФ и CO2, и O2. Сродство к CO2 выше, но кислорода в воздухе (21 %) примерно в 500 раз больше, чем CO2 (0,04 %). У С3-растений при 25 °C примерно на каждые три-четыре реакции карбоксилирования приходится одна реакция оксигенирования. При повышении температуры доля оксигенирования растёт: растворимость CO2 в воде падает быстрее, чем растворимость O2, и сам фермент становится менее разборчивым. В жару и при закрытых устьицах (когда CO2 в листе расходуется, а O2 накапливается) фотодыхание может отнимать до трети фиксированного углерода.
5. Почему эволюция не исправила рубиско
- Фермент возник в мире без кислорода. Рубиско появилась у бактерий более 3 млрд лет назад, когда кислорода в атмосфере почти не было, а CO2 было много. Неразборчивость не была недостатком: присоединять ошибочно было нечего. Когда фотосинтез цианобактерий наполнил атмосферу кислородом, а содержание CO2 снизилось, побочная реакция стала заметной.
- Химия реакции. Обе реакции идут через одно и то же промежуточное соединение — активированную форму РуБФ (ендиол). CO2 и O2 — маленькие молекулы без характерных «зацепок», и активный центр, хорошо принимающий одну, неизбежно принимает и другую.
- Компромисс скорости и точности. Сравнение рубиско разных организмов показало: чем разборчивее фермент, тем он медленнее, и наоборот. У цианобактерий, которые концентрируют CO2 внутри клетки, рубиско быстрая, но неразборчивая. У красных водорослей рубиско очень разборчивая, но медленная. У С3-растений — промежуточная. По-видимому, рубиско каждой группы уже близка к лучшему компромиссу для её условий.
6. Как организмы обходят недостатки
Если фермент нельзя сделать разборчивее, можно создать вокруг него высокую концентрацию CO2. Такие приспособления называют механизмами концентрирования CO2.
| Механизм | У кого | Принцип |
|---|---|---|
| Карбоксисомы | Цианобактерии, часть хемосинтетиков | Рубиско и карбоангидраза упакованы в белковую оболочку; ионы HCO3−, закачанные в клетку, внутри превращаются в CO2 |
| Пиреноиды | Многие водоросли, антоцеротовые мхи | Скопление рубиско в хлоропласте, куда доставляется CO2 (см. статью «Пиреноид») |
| С4-фотосинтез | Кукуруза, сахарный тростник, просо и около 3 % видов цветковых | CO2 сначала фиксирует другой фермент в клетках мезофилла, а затем его освобождают в клетках обкладки пучка рядом с рубиско |
| САМ-фотосинтез | Кактусы, толстянковые, ананас | CO2 поглощается ночью и запасается в яблочной кислоте, днём освобождается при закрытых устьицах (см. «САМ-фотосинтез») |
В С4-пути CO2 (в виде HCO3−) фиксирует фермент ФЕП-карбоксилаза, присоединяя его к фосфоенолпирувату. Этот фермент не реагирует с кислородом, поэтому работает эффективно даже при низкой концентрации CO2. С4-путь открыли в 1960-е годы: в СССР его описал Юрий Карпилов (опыты на кукурузе, 1960), в Австралии — Маршалл Хэтч и Роджер Слэк (1966). С4-фотосинтез возникал в эволюции независимо более 60 раз.
7. Попытки улучшить фотосинтез
Если бы рубиско не теряла энергию на фотодыхание, урожай С3-культур (пшеницы, риса, сои) мог бы заметно вырасти. Поэтому улучшение рубиско и фотодыхания — одна из главных задач биотехнологии растений.
- Замена рубиско. В 2014 году в хлоропласты табака удалось встроить рубиско цианобактерии вместо собственной. Растения росли, но только при повышенной концентрации CO2: быстрой, но неразборчивой рубиско нужен механизм концентрирования.
- Перенос механизмов концентрирования. Пытаются собрать в хлоропластах растений карбоксисомы цианобактерий или пиреноиды водорослей.
- Обходной путь фотодыхания. В 2019 году в хлоропласты табака ввели гены, позволяющие перерабатывать гликолат прямо в хлоропласте, а не через пероксисомы и митохондрии. В полевых опытах биомасса растений увеличилась почти на 40 %.
- Рис с С4-фотосинтезом. Международный проект пытается превратить рис в С4-растение. Задача очень трудная: нужно изменить не только ферменты, но и анатомию листа.
8. Что нужно знать к ЕГЭ
- Рубиско — фермент темновой фазы, работает в строме хлоропласта.
- Он присоединяет CO2 к пятиуглеродному сахару (РуБФ), образуются две молекулы трёхуглеродной ФГК.
- Рубиско может присоединять и кислород — это начало фотодыхания, которое уменьшает продуктивность фотосинтеза.
- С4- и САМ-растения концентрируют CO2 возле рубиско и почти не теряют углерод на фотодыхание.
Повторить фотосинтез — в статье «Фотосинтез: световая и темновая фазы» и в тренажёре по теме 2.4.
Частые ошибки. 1) «Рубиско работает в световой фазе» — в темновой, в строме. 2) «Рубиско синтезирует глюкозу» — она только присоединяет CO2; глюкоза образуется после многих реакций цикла. 3) «Фотодыхание — это обычное дыхание на свету» — это разные процессы: при фотодыхании АТФ не образуется, а расходуется.
9. Для олимпиад
Фактор специфичности
Разборчивость рубиско выражают фактором специфичности — отношением скоростей карбоксилирования и оксигенирования при равных концентрациях CO2 и O2. У цианобактерий он около 40–50, у С3-растений — около 80–100, у некоторых красных водорослей — до 170–240. Отношение реальных скоростей в листе равно фактору специфичности, умноженному на отношение концентраций CO2 и O2 у фермента.
Точка компенсации по CO2
Если поместить растение в закрытую камеру на свету, оно поглощает CO2, пока его концентрация не снизится до значения, при котором фиксация равна выделению при фотодыхании и дыхании. У С3-растений эта точка — около 0,004–0,005 % CO2, у С4-растений — почти ноль. Поэтому в закрытой камере С4-растение «выкачивает» CO2 почти полностью, и соседнее С3-растение в этой камере погибнет.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Где в клетке растения синтезируются большая и малая субъединицы рубиско? Что это говорит о происхождении хлоропластов?
Разбор
1) Большая субъединица кодируется ДНК хлоропласта и синтезируется на рибосомах хлоропласта. 2) Малая кодируется ядерной ДНК, синтезируется на рибосомах цитоплазмы и переносится в хлоропласт. 3) Наличие у хлоропласта своей ДНК и рибосом — свидетельство его происхождения от цианобактерии; перенос части генов в ядро произошёл в ходе эволюции эндосимбионта.
Задание 2
Почему фотодыхание у пшеницы усиливается в жаркий сухой день?
Разбор
1) Для сбережения воды закрываются устьица, CO2 перестаёт поступать в лист, а O2 от фотолиза накапливается. 2) При повышении температуры растворимость CO2 снижается сильнее, чем O2, и рубиско становится менее разборчивой. 3) Отношение O2/CO2 у фермента растёт, и доля реакции с кислородом увеличивается.
Задание 3
Почему в листьях так много рубиско? Какую дополнительную роль играет этот белок?
Разбор
1) Каждый активный центр рубиско работает очень медленно (2–5 реакций в секунду), поэтому нужная скорость фиксации CO2 достигается за счёт большого количества фермента. 2) Рубиско содержит много азота и служит его запасом: при старении листьев белок разрушается, а аминокислоты переносятся в молодые органы и семена.
Задание 4
Почему при повышении концентрации CO2 в теплице урожай пшеницы растёт сильнее, чем урожай кукурузы?
Разбор
1) Пшеница — С3-растение: её рубиско не насыщена CO2 при обычной концентрации, и значительная часть углерода теряется при фотодыхании. 2) Повышение CO2 ускоряет карбоксилирование и подавляет фотодыхание. 3) У кукурузы (С4) CO2 уже сконцентрирован в клетках обкладки, рубиско почти насыщена, и дополнительный CO2 даёт меньший эффект.
Задание 5 (олимпиадное)
Пшеницу и кукурузу поместили в одну закрытую прозрачную камеру на свету. Через несколько дней пшеница погибла. Объясните.
Разбор
1) Растения поглощали CO2, и его концентрация в камере снижалась. 2) У пшеницы (С3) точка компенсации по CO2 около 0,005 %: ниже неё фиксация не покрывает потерь при фотодыхании и дыхании. 3) Кукуруза (С4) благодаря ФЕП-карбоксилазе продолжает фиксировать CO2 почти до нуля и снижает концентрацию ниже точки компенсации пшеницы. 4) Пшеница расходует органические вещества, не восполняя их, и погибает.
Задание 6 (олимпиадное)
Рубиско цианобактерии в хлоропластах табака работала быстрее собственной рубиско табака, но растения росли только при повышенной концентрации CO2. Объясните.
Разбор
1) Рубиско цианобактерий быстрая, но малоразборчивая и имеет низкое сродство к CO2: в клетке цианобактерии она работает внутри карбоксисомы при высокой концентрации CO2. 2) В хлоропласте табака механизма концентрирования нет, концентрация CO2 низкая, и фермент много реагирует с кислородом и работает медленно. 3) При повышенном CO2 снаружи эти недостатки компенсируются. Вывод: для переноса быстрой рубиско нужно переносить и механизм концентрирования CO2.
Литература
- Медведев С. С. Физиология растений. — СПб.: БХВ-Петербург, 2013.
- Tcherkez G. G. B., Farquhar G. D., Andrews T. J. Despite slow catalysis and confused substrate specificity, all ribulose bisphosphate carboxylases may be nearly perfectly optimized // PNAS. 2006. Vol. 103. P. 7246–7251.
- Lin M. T. et al. A faster Rubisco with potential to increase photosynthesis in crops // Nature. 2014. Vol. 513. P. 547–550.
- South P. F. et al. Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field // Science. 2019. Vol. 363. eaat9077.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…