核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,Rubisco)是一种酶(EC 4.1.1.39),以
拟南芥为例,其总分子量约为550kD,由8个
大亚基和8个
小亚基组成,是
光合作用中决定
碳同化速率的
关键酶,同时也是植物
光呼吸的关键酶。
以
拟南芥为例,Rubisco酶含有:8个由质体编码的
大亚基和8个由核编码的
小亚基,其中,大亚基的分子量平均在55 kDa左右,因为其含量丰富,在
免疫印迹分析时,可用丽春红染色的大亚基条带作为内参
蛋白质进行分析,相较于
微管蛋白等其他内参蛋白质,无需使用抗体就可以被观测;小亚基则有四种异构体(RbcS1A,RbcS1B,RbcS2B,RbcS3B),分子量平均在23 kDa左右。其在
光合作用中具有重要的作用,它可以利用太阳能将空气中的
二氧化碳固定起来,形成
碳水化合物,以维持植物体的生命,当然这也是动物的能量来源。
16条
多肽链构成一个酶分子。植物和
藻类的Rubisco 具有大而复杂的结构,其包括一大一小两条蛋白链各 8 个拷贝。许多酶都形成相似的对称复合体。 通常,不同链之间的相互作用被用以在
变构效应中调控酶的活性。然而 Rubisco
活性位点各自独立运作,似乎就像岩石一样死板。实际上,
光合细菌的 Rubisco 比植物的要小些,其仅仅包含两条链,但同样能行使催化功能。 那么,为什么植物的 Rubisco 要如此大而复杂?这可能要归因于植 物 Rubisco 发挥功能时所处的拥挤的环境。 通过将许多多
肽链包装成紧密的复合体 ,蛋白可以减少被自身周围的水分弄湿的表面面积。这可以让更多的多肽链、更多的活性位点被包裹在相同的空间。
Rubisco的活性位点位于一个
镁离子的周围。镁离子上面是一个与Rubisco 催化产物相似的小的糖分子,底部为蛋白链的一段短的延伸片段。实际上, Rubisco 蛋白链是完全缠绕这些分子的。镁离子被三个
氨基酸紧紧托住,其中包括一个具有特异修饰形式的
赖氨酸(链接离子和蛋白的键以向下的黄色线条表示)。一个额外的
二氧化碳分子,镁离子下方的大球体紧紧的附在弯曲的赖氨酸
侧链末端。 在
植物细胞中,这个作为催化剂的二氧化碳分子与
碳固定反应中的二氧化碳分子不同 。 其在白天与Rubisco 结合,开启 Rubisco 的活性;到了晚上便离开,关闭 Rubisco 的活性。 镁离子裸露的位点既可以与带有两个氧原子的 1.5 二磷酸核酮糖结合,也可以与将要加在
糖链上的二氧化碳分子结合。
1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶在生物学上有重要的意义,因为它所催化的反应是无机态的碳进入
生物圈的主要途径。1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶是植物叶片中含量最丰富的蛋白质,也可能是地球上含量最多的蛋白质。鉴于它对生物圈的重要性,人们正在努力改进自然界中的1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶的功能。
Rubisco核酮糖-1,5-二磷酸
羧化酶是光合作用C3
碳反应中重要的羧化酶,也是
光呼吸中不可缺少的
加氧酶。它在光合作用中
卡尔文循环里催化第一个主要的碳固定反应,将大气中游离的二氧化碳转化为生物体内储能分子,比如
蔗糖分子。
1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶可以催化1,5-二磷酸核酮糖与二氧化碳的
羧化反应或与氧气的
氧化反应。同时RuBisCO也能使
RuBP进入光呼吸途径。 同时,它的活性也由光照影响,在暗处,Rubisco的活性受到抑制,这也是为什么在黑暗时,碳反应难以进行的原因。
核酮糖二磷酸羧化酶在植物机体代谢过程中居于中心地位,但它却是效率奇低的操作员。典型的酶分子1秒钟可催化1000个底物分子,但Rubisco每秒钟仅固定3分子C
O2。植物细胞为弥补低效的缺陷而产生大量的Rubisco。此酶约占总
叶绿蛋白的50%。已知生物圈里植物占优势,因此Rubisco是世界上最丰富的酶。 不仅如此,Rubisco也奇缺
专一性。在
肌红蛋白等氧
结合蛋白中,CO2由于体积稍大而易被排除。与氧结合蛋白的高度专一性恰恰相反,在Rubisco中,由于O2和CO2分子在形式和化学特性上的
相似性,O2分子能顺利结合到CO2
结合位点上。此时,羧化酶就会把O2分子连到糖链上,形成错误的
氧化产物。因此,为纠正Rubisco非专一性引起的错误反应,植物细胞必须采取一系列高代价的补救措施,这就
间接影响了Rubisco的催化效率。
是Rubisco中最常见的形式,存在于所有能进行光合作用的
真核生物体、
蓝细菌以及光养和化能自养的
变形菌中。它是由八个大亚基和八个小亚基组成的十六聚体蛋白。
存在于一些
古细菌中(Tabita et al., 2008)。但是在古细菌中存在的编码Rubisco的基因并不能证明
卡尔文循环的存在,因为在这一循环中的其他酶也是必须的。