El efecto isotópico cinético (EIC) de la ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa ( RuBisCO ) es el fraccionamiento isotópico asociado únicamente con el paso del ciclo de Calvin-Benson en el que una molécula de dióxido de carbono (CO2 ) se une al azúcar de 5 carbonos ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) para producir dos azúcares de 3 carbonos llamados 3-fosfoglicerato (3 PGA). Esta reacción química es catalizada por la enzima RuBisCO, y esta reacción catalizada por enzima crea el efecto isotópico cinético primario de la fotosíntesis . [1] También es en gran medida responsable de las composiciones isotópicas de los organismos fotosintéticos y los heterótrofos que los comen. [2] [3] Comprender el KIE intrínseco de RuBisCO es de interés para los científicos de la tierra , los botánicos y los ecologistas porque esta biofirma isotópica se puede utilizar para reconstruir la evolución de la fotosíntesis y el aumento del oxígeno en el registro geológico , reconstruir relaciones evolutivas pasadas y condiciones ambientales e inferir las relaciones y la productividad de las plantas en entornos modernos. [4] [5] [6]
La fijación de CO2 por RuBisCO es un proceso de varios pasos. Primero, una molécula de CO2 ( que no es la molécula de CO2 que finalmente se fija) se une al grupo ε-amino sin carga de la lisina 201 en el sitio activo para formar un carbamato. [ 7] Este carbamato luego se une al ion magnesio (Mg2 + ) en el sitio activo de RuBisCO . Una molécula de RuBP luego se une al ion Mg2 + . El RuBP unido luego pierde un protón para formar una especie reactiva, enodiolato. [7] El paso limitante de la velocidad del ciclo de Calvin-Benson es la adición de CO2 a esta forma 2,3-enediol de RuBP. [8] [9] [10] Esta es la etapa donde ocurre el KIE intrínseco de Rubisco porque se forma un nuevo enlace CC. La molécula recién formada de 2-carboxi-3-ceto-D-arabinitol 1,5-bisfosfato se hidrata y se escinde para formar dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3 PGA). El 3 PGA se convierte luego en hexosas para ser utilizadas en el metabolismo central del organismo fotosintético. [7]
Las sustituciones isotópicas que pueden ocurrir en esta reacción son para carbono, oxígeno y/o hidrógeno, aunque actualmente solo se observa un efecto isotópico significativo para la sustitución de isótopos de carbono. [11] Los isótopos son átomos que tienen el mismo número de protones pero un número variable de neutrones. Los isótopos "más ligeros" (como el isótopo estable carbono-12 ) tienen una masa total menor, y los isótopos "más pesados" (como el isótopo estable carbono-13 o el isótopo radiactivo carbono-14 ) tienen una masa total mayor. La geoquímica de isótopos estables se ocupa de cómo los procesos químicos y físicos variables enriquecen o agotan preferentemente los isótopos estables. Las enzimas como RuBisCO causan fraccionamiento isotópico porque las moléculas que contienen isótopos más ligeros tienen energías de punto cero (ZPE) más altas, el estado de energía cuántica más bajo posible para una disposición molecular dada. [12] Para esta reacción, el 13 CO 2 tiene una ZPE menor que el 12 CO 2 y se ubica más abajo en el pozo de energía potencial de los reactantes. Cuando las enzimas catalizan reacciones químicas, se selecciona preferentemente el isótopo más ligero porque tiene una energía de activación menor y, por lo tanto, es energéticamente más favorable para superar el estado de transición de alta energía potencial y continuar con la reacción. Aquí, el 12 CO 2 tiene una energía de activación menor, por lo que pasa más 12 CO 2 que 13 CO 2 por la reacción, lo que da como resultado que el producto (3 PGA) sea más ligero.
Los KIE intrínsecos observados de RuBisCO se han correlacionado con dos aspectos de su cinética enzimática : 1) Su "especificidad" para el CO 2 sobre el O 2 , y 2) Su tasa de carboxilación.
La especie reactiva enodiolato también es sensible al oxígeno (O 2 ), lo que resulta en la actividad dual carboxilasa / oxigenasa de RuBisCO. [13] Esta reacción se considera un desperdicio ya que produce productos (3-fosfoglicerato y 2-fosfoglicolato) que deben catabolizarse a través de la fotorrespiración . [14] Este proceso requiere energía y es una oportunidad perdida para la fijación de CO 2 , lo que resulta en la pérdida neta de la eficiencia de fijación de carbono para el organismo. [13] La actividad dual carboxilasa / oxigenasa de RuBisCO se ve exacerbada por el hecho de que O 2 y CO 2 son moléculas pequeñas, relativamente indistinguibles que pueden unirse solo débilmente, si es que lo hacen, en los complejos de Michaelis-Menten. [15] [16] Hay cuatro formas de RuBisCO (Forma I, II, III y IV), siendo la Forma I la forma más abundantemente utilizada. La forma I es utilizada ampliamente por plantas superiores , algas eucariotas , cianobacterias y Pseudomonadota (anteriormente proteobacteria). [13] La forma II también se utiliza, pero de forma mucho menos extendida, y se puede encontrar en algunas especies de Pseudomonadota y en dinoflagelados . [13] Las RuBisCO de diferentes organismos fotosintéticos muestran distintas capacidades para distinguir entre CO 2 y O 2 . Esta propiedad se puede cuantificar y se denomina "especificidad" (S c/o ). Un valor más alto de S c/o significa que la actividad carboxilasa de una RuBisCO es mayor que su actividad oxigenasa.
La tasa de carboxilación (V C ) es la tasa a la que RuBisCO fija CO 2 a RuBP en condiciones de saturación del sustrato. [14] Un valor más alto de V C corresponde a una mayor tasa de carboxilación. Esta tasa de carboxilación también se puede representar a través de su constante de Michaelis-Menten K C , con un valor más alto de K C correspondiente a una mayor tasa de carboxilación. V C se representa por V max , y K C se representa como K M en la curva generalizada de Michaelis-Menten. Aunque la tasa de carboxilación varía entre los tipos de RuBisCO, RuBisCO en promedio fija solo tres moléculas de CO 2 por segundo. [17] Esto es notablemente lento en comparación con las tasas catalíticas enzimáticas típicas, que generalmente catalizan reacciones a una velocidad de miles de moléculas por segundo. [17]
Se ha observado entre RuBisCOs naturales que una mayor capacidad para distinguir entre CO 2 y O 2 (valores mayores de S c/o ) se corresponde con una menor tasa de carboxilación (valores menores de V C y K C ). [18] La variación y el equilibrio entre S c/o y K C se ha observado en todos los organismos fotosintéticos, desde bacterias fotosintéticas y algas hasta plantas superiores. [18] Los organismos que utilizan RuBisCOs con altos valores de V C / K C , y bajos valores de S c/o han localizado RuBisCO en áreas dentro de la célula con concentraciones locales artificialmente altas de CO 2 . En las cianobacterias, las concentraciones de CO 2 aumentan utilizando un carboxisoma , un compartimento proteico icosaédrico de unos 100 nm de diámetro que absorbe selectivamente bicarbonato y lo convierte en CO 2 en presencia de RuBisCO. [19] Los organismos sin un CCM, como ciertas plantas, utilizan en cambio RuBisCOs con altos valores de S c/o y bajos valores de V C y K C . [18] Se ha teorizado que los grupos con un CCM han podido maximizar K C a expensas de disminuir S c/o , porque mejorar artificialmente la concentración de CO 2 disminuiría la concentración de O 2 y eliminaría la necesidad de una alta especificidad de CO 2 . Sin embargo, lo opuesto es cierto para los organismos sin un CCM, que deben optimizar S c/o a expensas de K C porque el O 2 está fácilmente presente en la atmósfera.
Este equilibrio entre S c/o y V C o K C observado en los organismos actuales sugiere que RuBisCO ha evolucionado a través del tiempo geológico para optimizarse al máximo en su entorno moderno actual. [11] [18] RuBisCO evolucionó hace más de 2500 millones de años, cuando las concentraciones atmosféricas de CO 2 eran de 300 a 600 veces más altas que las concentraciones actuales, y las concentraciones de oxígeno eran solo del 5 al 18 % de los niveles actuales. [14] Por lo tanto, debido a que el CO 2 era abundante y el O 2 raro, no había necesidad de que la enzima ancestral RuBisCO tuviera una alta especificidad. Esto está respaldado por la caracterización bioquímica de una enzima ancestral RuBisCO, que tiene valores intermedios de V C y S C/O entre los miembros finales extremos. [14]
Se ha teorizado que este equilibrio ecológico se debe a la forma que tiene el 2-carboxi-3-ceto-D-arabinitol 1,5-bisfosfato en su estado de transición transitorio antes de escindirse en dos moléculas de 3PGA. [11] Cuanto más se asemeje la fracción de CO 2 unida a Mg 2+ al grupo carboxilato en el 2-carboxi-3-ceto-D-arabinitol 1,5-bisfosfato, mayor será la diferencia estructural entre los estados de transición de carboxilación y oxigenación. [11] La mayor diferencia estructural permite que RuBisCO distinga mejor entre CO 2 y O 2 , lo que da como resultado valores mayores de S c/o . [11] Sin embargo, esta creciente similitud estructural entre el estado de transición y el estado del producto requiere una fuerte unión en el grupo carboxicetona, y esta unión es tan fuerte que se reduce la velocidad de escisión en dos moléculas de producto 3PGA. [11] Por lo tanto, una mayor especificidad para el CO 2 en comparación con el O 2 requiere una menor tasa general de carboxilación. Esta teoría implica que existe una limitación fisicoquímica en el centro del sitio activo de la Rubisco y puede impedir cualquier intento de diseñar una Rubisco más selectiva y más rápida al mismo tiempo. [11] [18]
Se ha correlacionado positivamente S c/o con la magnitud del fraccionamiento de isótopos de carbono (representado por Δ 13 C), con valores mayores de S c/o correspondientes a valores mayores de Δ 13 C. [11] Se ha teorizado que debido a que aumentar S c/o significa que el estado de transición es más parecido al producto, el enlace O 2 C---C-2 será más corto, lo que dará como resultado una mayor energía potencial general y energía vibracional. [11] Esto crea un estado de transición de mayor energía , lo que hace que sea aún más difícil para 13 CO 2 (más bajo en el pozo de energía potencial que 12 CO 2 ) superar la energía de activación requerida. [11] Los RuBisCO utilizados por diversos organismos fotosintéticos varían ligeramente en su estructura enzimática, y esta estructura enzimática da como resultado diversos estados de transición. Esta diversidad en la estructura enzimática se refleja en los valores Δ 13 C resultantes medidos a partir de diferentes organismos fotosintéticos. Sin embargo, existe una superposición entre los valores de Δ 13 C de diferentes grupos porque los valores de isótopos de carbono medidos son generalmente de todo el organismo, y no solo de su enzima RuBisCO. Muchos otros factores, incluida la tasa de crecimiento y la composición isotópica del sustrato de partida, pueden afectar los valores de isótopos de carbono de todo el organismo y causar la dispersión observada en las mediciones de isótopos C. [20] [21]