Structure and function of Rubisco

Resumo

A ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco) é a principal enzima que assimila CO₂ na biosfera. Ao mesmo tempo, a Rubisco é um catalisador extremamente ineficiente e sua atividade carboxilase é comprometida por uma atividade oxigenase oposta envolvendo O₂ atmosférico. As deficiências da Rubisco têm implicações para a produtividade das culturas, o uso de nitrogênio e água e para o ciclo global do carbono. Numerosas estruturas cristalográficas de alta resolução de diferentes formas da Rubisco estão agora disponíveis, incluindo estruturas de enzimas mutantes. Esta revisão utiliza as informações fornecidas por essas estruturas em um alinhamento de sequência baseado em estrutura e discute a função da Rubisco no contexto de variações estruturais em todos os níveis — sequência de aminoácidos, dobra, estrutura terciária e quaternária — com uma perspectiva evolutiva e ênfase nas características estruturais da enzima que podem determinar sua função como carboxilase.

Abstract

Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) is the major enzyme assimilating CO2 into the biosphere. At the same time Rubisco is an extremely inefficient catalyst and its carboxylase activity is compromised by an opposing oxygenase activity involving atmospheric O2. The shortcomings of Rubisco have implications for crop yield, nitrogen and water usage, and for the global carbon cycle. Numerous high-resolution crystal structures of different forms of Rubisco are now available, including structures of mutant enzymes. This review uses the information provided in these structures in a structure-based sequence alignment and discusses Rubisco function in the context of structural variations at all levels – amino acid sequence, fold, tertiary and quaternary structure – with an evolutionary perspective and an emphasis on the structural features of the enzyme that may determine its function as a carboxylase.