Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Hrátky s enzymem rubisco

Ekologicko-evoluční „myšlení“
 |  9. 4. 2009
 |  Vesmír 88, 221, 2009/4

Enzym rubisco, který stojí na počátku fotosyntetického příjmu oxidu uhličitého rostlinami, se pomalu dostává do obecného povědomí. Hlavním důvodem je nejspíše skutečnost, že byl „nominován“ na nejrozšířenější bílkovinu na Zemi (Vesmír 83, 130, 2004/3). Protože je velký, pomalý a vazbu oxidu uhličitého soupeřivě ohrožuje kyslík, musí ho být v listech velké množství (až polovina všech bílkovin). Vytvořit jeho rychlejší a pro CO2 specifičtější formu je tedy pro molekulární biology velkou výzvou. Dlouholetý výzkum na tomto poli však odkrývá některé nepřekonatelné překážky. Mechanizmus jeho reakční katalýzy totiž umožňuje jen „něco za něco“, nikoliv kompletní zdokonalení všech jeho vlastností (což se z filozofie fungování světa dalo samozřejmě očekávat). Hlavním takovým kompromisem je vztah rychlosti katalýzy (kolik molekul CO2 dokáže jeden komplex rubisco za sekundu zpracovat) a CO2 specifity (jak ochotně enzym váže CO2 oproti kyslíku při jejich stálém poměru). Buď bude enzym rychlejší, ale bude si více plést CO2 s O2, nebo bude CO2 rozpoznávat spolehlivěji, ale reakce poběží pomaleji (pro dosažení stejné rychlosti fotosyntézy bude muset rostlina vytvořit více rubisco).

Vypadá to jako z bláta do louže, ale není tomu tak. Výhodnost různé polohy na tomto dvourozměrném kontinuu totiž záleží na různých podmínkách prostředí, zejména na koncentraci CO2. Pokud je ho ve vzduchu (nebo ve vodě) hodně, vyplatí se rychlý enzym s malou specifitou a naopak. A opravdu, když vědci porovnávali tyto vlastnosti u rubisco z různých rostlin C3 (druhů, které nemají mechanizmus koncentrování CO2), zjistili, že poměr dvou parametrů (rychlost versus specifita) je u různých rostlin velmi podobný a výhodný pro koncentraci CO2 ve vzduchu asi 0,02 %. To je hodnota blízká našemu odhadu průměrné koncentrace CO2 během celých čtvrtohor. Dnešní koncentrace CO2 je však téměř dvojnásobná. Protože k vzrůstu minimálně o 0,01 % došlo jen od začátku průmyslové revoluce, zdá se, že se rostliny nestačily během evolučně extrémně krátké doby (půldruhého století) ještě přizpůsobit. Dnešním „poměrům“ by tedy odpovídalo rubisco o něco rychlejší a méně specifické. To může být šance pro genové inženýry jak bez porušení zákonů fyziky a chemie adaptovat rubisco dnešním poměrům.

Tomu, že jde v tomto směru o enzym velmi přizpůsobivý, nasvědčuje i situace u rostlin C4 (druhů, které umějí koncentrovat CO2 poblíž rubisco). Jejich forma enzymu je mnohem rychlejší, ale k CO2 v porovnání s O2 méně příchylná – přesně jak odpovídá zmíněné logice. Další myšlenka zvýšení účinnosti využívání rubisco (a tedy i fotosyntézy) počítá s jiným rubisco v horních a jiným ve spodních listech rostlinného zápoje. Nahoře svítí více sluníčka, a proto se tam vyplatí rychlejší forma i za cenu vázání části kyslíku. Spodní patra jsou zastíněna (fotosyntéza je tedy pomalejší), a enzym většinou nepracuje naplno. Je tedy výhodnější, aby byl co nespecifičtější vůči CO2 (pomalost nevadí). Zvláštní je, že toto zdvojení rostliny „nenapadlo“, když duplikace genů a vytváření různých izoforem enzymů v různých částech těla (nebo v různý čas) jsou v přírodě běžné.

Vidíme, že ekologicko-evoluční přístup umožňuje „vymyslet“ zlepšení i tam, kde se termodynamická omezení zdají nanejvýše svazující. Je však nutno připomenout: i když se tato zlepšení podaří uskutečnit, nemusí to ještě znamenat zvýšení sklizně „vylepšených“ odrůd. Zvýšená rychlost fotosyntézy je totiž jen jedním z řady předpokladů nutných k zvýšení produkce námi požadované komodity, tedy např. zrna hlíz a podobně, viz též Vesmír 84, 156, 2005/3. (Plant, Cell and Environment 29, 315–330, 2006)

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Biochemie
RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Jiří Kubásek

RNDr. Jiří Kubásek (*1979) vystudoval Biologickou fakultu Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Na Přírodovědecké fakultě JU se jako doktorand zabýval fyziologií fotosyntézy, rostlinami C4 a mechorosty. Krátce se živil jako statistik v komerční firmě, nyní pracuje v Centru výzkumu globální změny AV ČR.

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné