Рибулозо-1,5-бисфосфат карбоксилазата оксигеназа, по-известна като RuBisCO, е ензим, който катализира първата основна стъпка от фиксирането на въглерода в цикъла на Калвин. Фиксирането на въглерода е процес, при който атомите на атмосферния въглероден диоксид стават достъпни за организмите под формата на богати на енергия молекули, като например глюкоза. RuBisCO разделя молекулите 6-C на две равни части. В практиката това означава, че ензимът карбоксилира молекулата рибулозо‑1,5‑бисфосфат (RuBP), като към нея се добавя CO2 и в резултат се образуват две молекули 3‑фосфоглицерат (3‑PGA) — първите стабилни въглеродсъдържащи продукти в цикъла на Калвин.

Структура и каталитична активност

RuBisCO при растенията е голям комплекс, съставен типично от осем големи и осем малки субединици (формула L8S8). Големите субединици (RbcL) носят активния център и се кодират от хлоропластния геном, докато малките субединици (RbcS) се кодират от ядрените гени и регулират функционалната активност и стабилността на комплекса. За да бъде активен, ензимът изисква карбамилиране на определен лизинов остатък и свързване на Mg2+ и RuBP. Каталитичната скорост на RuBisCO при растенията е сравнително ниска (приблизително няколко десетки каталитични цикъла в секунда в зависимост от вида), а ензимът показва и две конкурентни дейности — карбоксилаза (фиксиране на CO2) и оксигеназа (взаимодействие с O2).

Оксигеназна активност и фотоrespирация

Когато RuBisCO каталитично свърже O2 вместо CO2, се образува 2‑фосфогликолат — молекула, която не може директно да влезе в цикъла на Калвин и трябва да бъде рециклирана чрез фотодишане (photorespiration). Този процес води до загуба на фиксиран въглерод и енергия и може да намали ефективността на фотосинтезата, особено при високи температури и при високо съотношение O2/CO2 в атмосферата. Много растения и микроорганизми са развили адаптации, за да минимизират загубите — например C4 и CAM фотосинтезата или използването на клетъчни структури като карбоксисоми при цианобактериите, които концентрират CO2 около RuBisCO.

Локализация и регулация

При висшите растения RuBisCO се намира в стромата на хлоропластите и често представлява голяма част от разтворимите листни протеини. В някои листа RuBisCO може да съставлява до ~50% от разтворимите листни протеини и да представлява около 20–30% от общия листен азот; в други растения стойностите са по-ниски (например 5–9% от общия листен азот). Активността на RuBisCO се регулира чрез карбамилиране, наличието на Mg2+, рН, концентрацията на RuBP и чрез специален помощен протеин — RuBisCO активаза, който използва енергия (ATP) за да изчиства инхибитори от активния център и да поддържа ензима в активна форма.

Екологична и биосферна роля

RuBisCO е изключително важен за биологията и екологията, тъй като катализира основната химична реакция, чрез която неорганичният въглерод постоянно навлиза в биосферата. По тази причина той е един от ключовите ензими, отговорни за глобалната първична продукция и за улавянето на атмосферния CO2. Промените в активността или ефективността на RuBisCO имат потенциал да повлияят на земеделските добиви и на абсорбцията на CO2 в екосистемите, което го прави център на изследвания по отношение на климата и хранителната сигурност.

Генетично инженерство и опити за подобрение

Като се има предвид важната му роля в биосферата, в момента се полагат усилия за генетично инженерство на културни растения, които да съдържат по‑ефективен RuBisCO. Подходите включват:

  • внасяне на RuBisCO от видове с по‑висока каталитична скорост или по‑голяма специфичност към CO2;
  • модифициране на малките субединици (RbcS) за оптимизиране на кинетиката и стабилността;
  • внедряване на CO2‑концентриращи механизми (например карбоксисоми или характеристики на C4 метаболизма) в C3 растения, за да се намали фотоrespирацията;
  • използване на методи на насочена еволюция и протеинова инженерия за подобряване на специфичност/скорост;
  • подобряване на RuBisCO активазата и други регулаторни фактори, които контролират активността при високи температури или стрес.
Тези усилия са технически предизвикателни, тъй като RuBisCO е комплексен ензим, чиито части се кодират и изразяват в различни клетъчни компартменти (хлоропласт/ядро) и често изискват ко‑фактори и специфична клетъчна среда за правилно сглобяване и функциониране.

Бъдещи перспективи

Подобряването на ефективността на RuBisCO или въвеждането на системи, които намаляват загубите от фотодишането, има потенциал да увеличи добивите при основни хранителни култури и да подобри секвестрацията на въглерод в биомаса. Това е активно поле на изследвания в молекулярната биология, физиологията на растенията и синтетичната биология, със значими импликации за адаптация към климатичните промени и глобалната продоволствена сигурност.