i

Aktuální číslo:

2023/3

Téma měsíce:

Růst

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

Čmeláci mají tradice a kulturu

Čmeláci mají tradice a kulturu audiovideo

Jaroslav Petr  |  16. 3. 2023
Vědci byli přesvědčeni, že sociální hmyz, jako jsou včely, mravenci nebo čmeláci, mají většinu svého chování vrozenou. Nyní zjistili, že čmeláci...
Svět, který není

Svět, který není

Ondřej Vrtiška  |  6. 3. 2023
Obrázek šestiprsté ruky na obálce tohoto čísla nenamaloval člověk. Není to ani obtisk skutečné lidské dlaně, které bychom v počítači domalovali...
Velký zázrak a tajemství růstu

Velký zázrak a tajemství růstu

Daniela Zemková  |  6. 3. 2023
Růstový vzorec člověka je jedinečný: mezi období rychlého růstu po narození a v pubertě je vloženo dlouhé období pomalého růstu – naše dětství.

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné