Enzima Rubisco

L’enzima chiave del ciclo di Calvin è la rubisco che lavora sul suo substrato inserendo una molecola di anidride carbonica. È un enzima importante e, in termini quantitativi, rappresenta la componente enzimatica maggiormente presente sulla terra.

Strutturalmente l’enzima è costituito da 8 subunità leggere (12-18KDa) e da 8 subunità pesanti (55Kda). I siti catalitici sono localizzati nelle subunità pesanti ma non funzionano contemporaneamente in quanto l’enzima ha nello stesso istante un solo sito attivo funzionante.

La rubisco, dal punto di vista della funzionalità, è finemente regolata da alcuni fattori che sono

-La concentrazione di CO₂, spesso espressa in termini di micromolarità

-La concentrazione di O₂ che è un inibitore competitivo della CO₂

-La concentrazione di alcuni ioni, tra cui il magnesio

Prima di illustrare il funzionamento della CO2 dobbiamo rivedere un concetto chiave per le reazioni enzimatiche che riguarda l’affinità di un enzima nei confronti del proprio substrato. La velocità di produzione di un enzima, ovvero la capacità di fornire un prodotto a partire da uno o più substrati, è in un certo senso dipendente dalla concentrazione del substrato. Per “quantificare” questa affinità si utilizza una costante che è propria di ogni enzima che è la costante di Michaelis-Menten che rappresenta la quantità di substrato necessario perché l’enzima possa funzionare alla sua velocità emimassimale ovvero ad una metà della velocità massimale. Quando in una reazione troviamo che la Km di un enzima, ovvero la costante di Michaelis-Menten per quel determinato enzima, è parti a 0.5mMol vuol dire che l’enzima lavora alla sua velocità emimassimale quando la concentrazione del suo substrato è pari a 0.5mMol. Minore è il valore della Km maggiore sarà l’affinità dell’enzima dei confronti del suo substrato.

Comprendere che un enzima possiede una determinata affinità per il suo substrato è di fondamentale importanza perché rende possibile l’analisi dei casi nei quali c’è un sito attivo, come quello della rubisco, che è affine sia all’ossigeno (O₂) che all’anidride carbonica (CO₂). Come fa l’enzima a determinare quando è necessario carbossilare e quando ossigenare? Per certi versi l’intero sistema fisico-chimico condiziona l’enzima a dirigersi verso l’attività carbossilasica anziché quella ossigenasica perché le concentrazioni dei due gas, e le rispettive costanti di Michaelis-Menten risultano diverse e, come vedremo, l’ossigenazione del ribulosio-1,5-bisfosfato, se non in periodi di stress, porta esclusivamente perdita del carbonio ottenuto dalla anidride carbonica.

Tabella: Valori di Km dell’enzima rubisco

Ad una prima analisi la rubisco risulta essere affine più alla anidride carbonica che all’ossigeno. La concentrazione dei due gas, però, non è eguale nell’atmosfera in quanto l’ossigeno è presente in ragione di circa il 20%, e l’anidride carbonica dello 0,03%. Tenendo conto che, nella pianta a temperatura ambiente, la concentrazione molare della CO₂ è pari a 0.10μM, che è un valore prossimo alla Km della funzionalità carbossilasica, e che la concentrazione molare di O₂ è pari a 260μM, inferiore alla Km della funzionalità ossigenasica, è chiaro che la funzionalità carbossilasica predomina su quella ossigenasica.

L’enzima rubisco, oltre ad avere una diversa affinità per il suo substrato, è ulteriormente modulato dalla concentrazione di CO₂ in quanto la molecola di anidride carbonica può legarsi ad un aminoacido dell’enzima. Nella catena leggera esiste un residuo di lisina (Lys-201) che accetta una molecola di CO₂, la quale non prende parte direttamente alla carbossilazione del ribulosio-1,5-bisfosfato, ed un catione magnesio che legandosi all’aminoacido, formando il complesso Lys-Mg-CO₂, aumentano la velocità carbossilativa.