i

Aktuální číslo:

2025/7

Téma měsíce:

Umění

Obálka čísla

Výkonnější enzym rubisco

 |  6. 3. 2023
 |  Vesmír 102, 132, 2023/3

Rubisco neboli ribulózabisfosfátkarboxyláza/oxygenáza je klíčový enzym fotosyntetické fixace oxidu uhličitého. Je lokalizován ve stromatu chloroplastů rostlinných buněk (Vesmír 98, 518, 2019/9) a je patrně nejhojnějším proteinem na Zemi (Vesmír 98, 490, 2019/9). Má nesmírný význam pro výživu lidstva a pro udržování příznivé koncentrace CO2 v atmosféře. I pro člověka je proto žádoucí, aby jeho karboxylační aktivita (vázání CO2) byla co nejvyšší a aktivita oxygenační (vázání kyslíku) co nejnižší. V pradávné geologické minulosti, kdy rubisco vzniklo, však byla atmosféra Země velmi bohatá na CO2 a téměř bez kyslíku. Biosféru tehdy tvořili jen prokaryotičtí anaerobní mikrobi. Někteří z nich uměli anoxygenní fotosyntézu. Jak se rubisco v průběhu evoluce vyvinulo [1]?

Koncentrace kyslíku v zemské atmosféře začala výrazně růst až s rozvojem fotosyntézy prokaryotických cyanobakterií (sinic). To byli předci chloroplastů, kteří se jako první na Zemi naučili oxygenní fotosyntézu. Štěpí při ní vodu, získávají z ní protony potřebné pro tvorbu makroergických látek nutných k fixaci CO2 a uvolňují do atmosféry kyslík (Vesmír 101, 664, 2022/11). Dnešní rubisco funguje jako proteinový komplex čtyř dimerů velkých podjednotek. Každá z nich obsahuje aktivní místo enzymu, které je na obou koncích dimeru překryto malými podjednotkami. Celý mohutný komplex tedy obsahuje osm velkých a osm malých podjednotek.

Luca Schulz se spolupracovníky [2] nyní objasnili, jak asi vypadalo nejstarší rubisco (obr.). K „vzkříšení“ onoho dávného proteinu použili náročnou metodu rekonstrukce genomů. Pomocí modelové bakterie Escherichia coli potom experimentálně ověřili, že byl protein původně tvořen pouze osmi velkými podjednotkami. Malé podjednotky se zřejmě vyvinuly u termofilních anaerobů a staly se součástí rubisca až později. Jejich zapojení stabilizovalo komplex osmi velkých podjednotek a vyloučilo nežádoucí tvorbu vláken z jejich oktamerů. Malé podjednotky také mohou být rezervoárem CO2 pro aktivní místa velkých podjednotek. Připojení malých podjednotek čtyřikrát zvýšilo katalytickou účinnost rubisca a zdvojnásobilo jeho specifitu pro CO2 oproti kyslíku. Stalo se tak před více než 2,4 miliardy let, tedy ještě předtím, než aktivita cyanobakterií zvýšila koncentraci kyslíku v atmosféře. To umožnilo koexistenci rubisca s oxygenní fotosyntézou, a tím i komplexní rozvoj života na Zemi v aerobních podmínkách. Během další evoluce eukaryotických zelených řas a z nich odvozených suchozemských rostlin se gen pro malou podjednotku rubisca přenesl z chloroplastů do buněčného jádra, což od rostlin vyžaduje komplexní koordinaci exprese obou genomů a přesné spojení malých a velkých podjednotek enzymu.

Hlubší pochopení vztahů mezi strukturou a funkcí enzymatického komplexu rubisco může v budoucnosti pomoci zvýšit výnosy kulturních plodin. Mohlo by jít třeba o simultánní nahrazení genů pro velkou i malou podjednotku rubisca s využitím genové transformace chloroplastů. 

[1] Sharwood R. E.: Science, 2022, DOI: 10.1126/science.ade6522.

[2] Schulz L. et al.: Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abq1416.

Ke stažení

RUBRIKA: Glosy

O autorovi

Jaromír Kutík

Doc. RNDr. Jaromír Kutík, CSc., (*1948) vystudoval fyziologii rostlin na Přírodovědecké fakultě UK v Praze. Jako emeritus se na této fakultě věnuje zejména rostlinné cytologii.
Kutík Jaromír

Doporučujeme

Najít své těžiště kontroly

Najít své těžiště kontroly uzamčeno

„Svobodu, nebo smrt je návod, jak vyhrát bitvu, ale zároveň recept na rozchod,“ říká bývalý hlavní armádní psychiatr Jan Vevera. Faktory, které...
Věstonická superstar

Věstonická superstar video

Soška tělnaté ženy z ústředního tábořiště lovců mamutů u dnešních Dolních Věstonic pod Pálavou je jistě nejznámějším archeologickým nálezem...
K čemu je umění?

K čemu je umění? uzamčeno

Petr Tureček  |  7. 7. 2025
Výstižná teorie lidské evoluce by měla nabídnout vysvětlení, proč trávíme tolik času zdánlivě zbytečnými činnostmi. Proč, jako například lvi,...