Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 491, № 1, стр. 204-207

По хронологическим оценкам первые прокариоты появились на земле около 4 млрд лет назад. Сотни миллионов лет метаболические системы живых организмов формировались на основе фиксации СО₂ за счет энергии хемосинтеза [1]. К моменту освоения световой энергии для превращения СО₂ в углеводы около 3 млрд лет назад, они обладали широкой сетью метаболических путей, в которую его необходимо было встроить. Для осуществления ключевой реакции фиксации СО₂, был рекрутирован фермент катализировавший енолирование 2,3-дикето-5-метилтиопентилфосфата (ДК-МТП-1-Ф), возможно, участвовавший в восстановлении углекислоты у метаногенных бактерий [2, 3]. Но эти функции энзима были открыты позже, нежели присоединение углекислоты к рибулезобисфосфату (РБФ) при фотосинтезе. Поэтому фермент получил название – рибулезо-1,5-бисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа или принятое сокращение – РуБисКО. К настоящему моменту выявлено несколько типов этого энзима и РуБисКО подобных белков (РПБ) [4–6]. Второе название – оксигеназа связано с тем, что кроме ассимиляции углекислоты, этот энзим проводит окисление субстрата, т.е. процесс обратный ассимиляции СО₂, что значительно снижает продуктивность растений [7]. При этом скорость реакции карбоксилирования необычайно низка – от 2 до 8 актов катализа в секунду [8]. Хотя более чем за 3 млрд лет эволюции фотосинтеза был создан значительный аппарат, организующий работу РуБисКО [9]. Поэтому необходимый уровень фиксации углекислоты поддерживается за счет большого числа молекул этого фермента – до 50% растворимого белка в листьях. Поскольку продуктивность растений прямо зависит от эффективности усвоения СО₂, предпринимаются попытки ее повышения [10, 11], или даже освоения принципиально иного пути фиксации СО₂ [12]. При этом значительное внимание уделяется изучению возможного совершенствования кинетических свойств РуБисКО при осуществлении реакции карбоксилирования [8]. Однако, несмотря на широчайший фронт исследований – гены РуБисКО и РПБ к настоящему времени секвенированы более чем у 2000 организмов – мы не имеем законченной картины функционирования этого фермента. И наибольшая проблема связана с реализацией окисления РБФ [8].

Последовательность реакций осуществляемых РуБисКО представлена на рис. 1а. Карбоксилирование РБФ осуществляется в пять этапов (таутомеризация, карбоксилирование, гидратирование, разрыв связи, стереоспецифическое протонирование (СП)). В результате чего образуются две молекулы 3-фосфорноглицериновой кислоты (3ФГК), которые далее могут быть использованы как для ресинтеза РБФ, так и для синтеза фруктозо-6-фосфата и глюкозы в конечной стадии цикла Бенсона–Бассема–Кальвина. В случае оксигеназной реакции образуется одна молекула 3ФГК и одна молекула 2-фосфогликолата (2ФГ). 3ФГК может быть использована, как и получаемая при карбоксилировании, а 2ФГ требует специальной утилизации, поскольку токсичен для хлоропластов [13]. Здесь необходимо подчеркнуть, что в живых системах реакции, катализируемые с использованием енолятных и енаминобразующих переходных форм, не всегда сопровождаются окислением субстрата. Поэтому фотодыхание не может рассматриваться как неизбежное следствие механизма таутомеризации. Встает вопрос – почему оно реализуется у РуБисКО? Ничего определенного по этому поводу пока неизвестно. Возможно, это результат компромисса между химическими и метаболическими императивами и лишь дальнейшие исследования смогут пролить свет на эту проблему [8]. В целом механизм функционирования РуБисКО довольно сложен, и включает, по меньшей мере, три промежуточных и четыре переходных состояния с жесткими стереохимическими ограничениями [14]. При этом несколько важных деталей каталитического процесса остаются неясными. Во-первых, последовательность динамики протонов. Во-вторых, происхождение оксигеназной реакции [8]. В-третьих, причины низкой скорости карбоксилирования и склонность РуБисКО к полифункциональности [6, 8].

Рис. 1.

Схема реакций осуществляемых РуБисКО у фотосинтезирующих организмов (а) и РуБисКО подобными белками у Bacillus subtilis в цепи обмена метионина (б). ГК-МТП-1-Ф – 2-гидрокси-3-кето-5-метилтиопентил-1-фостат. Адаптирован из [13].

Обратим внимание на замечательный факт, что двойные связи, образуемые при таутомеризации под контролем РПБ (эволюционно более ранней функции будущей РуБисКО) у ДК-МТП-1-Ф (B. subtilis) и под контролем РуБисКО у РБФ при фотосинтезе, являются разнонаправленными (рис. 1а, 1б). В первом случае она устанавливается между 1 и 2 атомами углерода, а во втором – между 2 и 3. Почему реализуется столь разные сценарии енолизации остается не ясным. При этом у некоторых живых форм фермент осуществляет реакции с обоими субстратами (ДК-МТП-1-Ф и РБФ) [6, 13].

На этом основании, наше предложение состоит в том, чтобы принципиально изменить механизм протекания реакции карбоксилирования РБФ (рис. 2). С этой целью необходимо добиться установки двойной связи между 1 и 2 атомами углерода при енолировании РБФ, как это осуществляется у ДК-МТП-1-Ф (B. subtilis). Далее необходимо провести присоединение СО₂ к первому атому углерода и образование шестиатомной 2,6-бисфосфоглюконовой кислоты с последующим восстановлением ее до фруктозы или глюкозы. Таким образом, можно избежать фотодыхания и интенсифицировать выход продуктов фотосинтеза. Для оценки реальности создания такого метаболического пути необходимо проведение квантовомеханических расчетов, которые должны показать возможность экспериментального решения данной задачи. Но, не исключено, что какие-либо простейшие фотоавтотрофы используют именно такой путь, поскольку наши знания о механизмах фотосинтеза крайне ограничены.

Рис. 2.

Предлагаемый новый путь карбоксилирования РБФ при фотосинтезе.