Механизм работы RuBisCO и проблема кислородации
Ключевой фермент фиксации углерода — рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (RuBisCO) — обладает двойственной природой. Вместо желаемого 3-фосфоглицерата (3PGA) он часто производит 2-фосфогликолат (2PG) из-за своей собственной оксигеназной активности. Это происходит, когда кислород конкурирует с углекислым газом за активный центр фермента.
В классическом цикле фотодыхания две молекулы 2PG перерабатываются обратно в 3PGA. Этот процесс сопряжен с потерей углекислого газа, аммиака и химической энергии. Цикл затрагивает несколько клеточных компартментов: пероксисомы, митохондрии и хлоропласты. В пероксисомах гликолят окисляется до глиоксилата, затем трансаминируется до глицина. В митохондриях две молекулы глицина метаболизируются до серина с выделением CO2 и аммиака.
Серин возвращается в пероксисому, превращается в гидроксипируват, восстанавливается до глицерата и снова входит в хлоропласт для фосфорилирования до 3PGA. Из-за этих потерь энергии и углерода фотодыхание долгое время воспринималось как бесполезный цикл, снижающий эффективность фотосинтеза.
Инженерные подходы к оптимизации
Ученые предпринимали значительные усилия по инженерной доработке RuBisCO для повышения эффективности карбоксилирования. Однако задача осложняется компромиссом между эффективностью карбоксилирования и сродством к углекислому газу. Кроме того, RuBisCO является гетероолигомером, для сборки которого требуются видоспецифичные шапероны и вспомогательные факторы.
Вместо прямой оптимизации биохимических свойств самого RuBisCO многие виды растений эволюционировали механизмы концентрации углерода. Эти механизмы поддерживают высокое локальное соотношение CO2 к O2 вокруг фермента. Инженерная внедрение таких механизмов в культуры, которые не обладали ими изначально, стало одной из стратегий смягчения последствий фотодыхания.
Другой подход — создание метаболических обходных путей. Например, перенос этапа декарбоксилирования из митохондрий в хлоропласты позволяет легче повторно фиксировать CO2. Также исследуется путь тартронил-КоА, который перерабатывает 2PG в 3PGA всего за три шага, минуя энергоемкие этапы классического цикла.
Роль цианобактерий и карбоксисом
Пластиды растений и водорослей произошли от первичного эндосимбиоза эукариотической клетки с цианобактерией. Поэтому цианобактерии имеют RuBisCO типа I, состоящий из восьми малых и восьми больших субъединиц, аналогичный растительному. Этот фермент также склонен к реакции кислородации.
В цианобактериях реакция подавляется высоким локальным соотношением CO2 к O2 внутри карбоксисом — специализированных структур, выполняющих функцию механизма концентрации углерода. Тем не менее, даже низкий уровень кислородации требует наличия пути фотодыхания для метаболизма 2PG. Помимо классического цикла C2, цианобактерии могут напрямую метаболизировать глиоксилат до глицерата или полностью декарбоксилировать его через оксалат и муравьиную кислоту.
Интересно, что инженерная доработка цианобактерий для ассимиляции муравьиной кислоты через серин не привела к улучшению эффективности фиксации углерода. Вместо этого это повлияло на метаболизм C1-единиц и ассимиляцию азота, изменив соотношение углерода к азоту в клетке.
Связь с ассимиляцией азота и серы
Аналогичные связи между фотодыханием, метаболизмом C1-единиц и ассимиляцией азота наблюдаются у растений. Это указывает на метаболическую пользу фотодыхания, которая может объяснять отсутствие необходимости в дальнейшей эволюционной оптимизации карбоксилирования у распространенных C3-растений.
Ассимиляция азота начинается с нитратредуктазы в цитозоле, которой требуется NADH в качестве восстановительного эквивалента. Когда фотодыхание снижает потребность в использовании NADPH в цикле Кальвина-Бенсона-Басса в хлоропласте, больше восстановительных эквивалентов может экспортироваться из хлоропласта через малатный клапан. Это усиливает активность нитратредуктазы.
Фотодыхание также стимулирует ассимиляцию серы. Сульфат активируется АТФ-сульфурилазой до аденозин-5'-фосфосульфата (APS), который затем восстанавливается до сульфита и АМФ. Сульфит восстанавливается до сульфида пластидной сульфитредуктазой. Цистеинсинтаза соединяет сульфид и О-ацетилсерин, образуя цистеин — первое стабильное органическое серосодержащее соединение.
Серинтрансфераза, ацетилирующая серин до О-ацетилсерина, катализирует лимитирующий этап синтеза цистеина. Фотодыхание способствует производству серина, необходимого для этой реакции. Метионин синтезируется из цистеина через гомоцистеин, а метионинсинтаза использует 5-метилтетрагидрофолат в качестве донора метильной группы, связываясь с фотодыханием через метаболизм C1-единиц.
Метаболическая гибкость глицина и серина
Серин и глицин метаболически взаимозаменяемы через фермент серингидроксиметилтрансферазу и 5,10-метилен-тетрагидрофолат. Эта связь позволяет растению гибко перераспределять ресурсы между синтезом аминокислот и восстановительными процессами.
Фотодыхание не просто «сжигает» энергию. Оно обеспечивает клетку предшественниками для синтеза серина и глицина, которые критически важны для формирования белков и других азотсодержащих соединений. Без этого цикла баланс азота и углерода в растении мог бы нарушиться, особенно в условиях стресса или изменяющейся концентрации газов.
