【光合作用调节酶RubisCO的研究】
拼译：studies on ribulose bisphosphate carboxy lasel oxygenase
在植物光合作用过程中，CO2被1，5－二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶(即RubisCO，EC 4．1．1．39)在叶片中固定。RubisCO存在于所有绿色组织叶绿体的间质中，含量占叶绿体可溶性蛋白质的50%，故埃利斯(Ellis，1979)认为它是生物圈中最丰富的蛋白质，同时它又是光合作用的关键酶。
1947年，威德曼(Wildman)和邦纳(Bonner)利用超速离心法在叶片提取液中发现并命名了部分Ⅰ蛋白(FIP)。1956年，韦斯巴奇(Weissbach)从叶片中提取并纯化了二磷酸核酮糖羧化酶(RuBPC)，且发现RuBPC就是FIP。以后的研究资料表明该酶同时具有加氧酶的性质，故又重新命名它为二磷酸核酮糖羧化酶／加氧酶。卡尔文(M．Calvin)等首先记载了由RubisCO催化的反应。1957年，巴沙姆(Bassham)和卡尔文报道了在藻类悬浮液中的光合CO2固定的最初产物是3－磷酸甘油酸(PGA)，当时催化CO2固定的酶被称为羧基歧化酶，并证明它与植物叶片提取物的可溶性蛋白超速离心分析时所发现的“部分Ⅰ蛋白”相同。RubisCO催化CO2共价结合到1，5一二磷酸核酮糖(RuBP)上，同时六碳中间物水解形成两分子PGA，其中之一带有来自CO2的碳。当RuBP结合到RubisCO的活性位点上时，它也会受到O2的进攻得到2－磷酸乙醇酸(P-glycolate)和PGA。Pglycolate是导致光呼吸的起始中间物(Bowes等，1971)。羧化和加氧相互竞争。RubisCO的分子量为550000，由16个亚基组成，其中8个大亚基(L)分子量为51000～58000，8个小亚基(S)的为12000～18000。1977年，吉恩森(R．G．Jensen)和巴尔(Bahr)认为，大小亚基形成一个L8S8的结构。这个十六聚体在多种变性条件下会解离成亚基。大亚基含有活性位点，小亚基的确切功能尚未了解。查普曼(Chapman，1987，1988)等和李立人等(1990)对RubisCO四级结构的研究资料表明，每两个大亚基成对交互结合，并沿四重轴排列成一个八聚体(L8)大亚基核，8个小亚基以两个四聚体分别排列在大亚基核两端的大亚基裂隙中间。研究资料表明，高等植物RubisCO的大亚基由叶绿体基因组编码，在叶绿体内70S核糖体上首先合成一个比成熟肽多1000～2000的前体，然后在叶绿体间质中被加工后与小亚基装配为全酶。小亚基由细胞核基因组编码，在细胞质80S核糖体上合成一个比成熟肽多4000～6000的前体，小亚基前体在转运肽引导下通过叶绿体膜输入叶绿体，然后在叶绿体内被蛋白酶水解，切除氨基末端的转运肽后变成成熟的小亚基。1980年，埃利斯(Ellis)等发现，豌豆的完整叶绿体在光照下，其新合成的同位素标记的大亚基与另一个叶绿体间质蛋白结合，形成标记的大亚基－结合蛋白复合物，然后，该标记的大亚基再出现在RubisCO中。这似乎说明这种结合蛋白在叶绿体中起着使大小亚基装配为全酶的作用。在此研究资料的基础上，埃利斯等提出高等植物RubisCO大小亚基合成及装配过程的假设模型。1986年，赫明森(Hemmingsen)首先从豌豆中提纯了RubisCO亚基结合蛋白。1991年，李立人等改进了纯化方法，使收得率提高12倍，这将有利于进一步研究该蛋白的性质与作用机理。1989年，罗伊(Roy)对亚基结合蛋白参与叶绿体中RubisCO的装配的机理提出假设性的模型。1988年，从蚕豆和小麦cDNA文库分离的结合蛋白的α－亚基基因已被赫明森(Hemmingsen)等进行克隆及序列测定，这两种不同植物来源的结合蛋白的α－亚基，与推测的氨基酸序列有80%的同一性。豌豆结合蛋白的α－亚基及β－亚基基因已完成克隆和序列测定(Roy，1989)。为研究RubisCO装配的机理以及通过遗传操作对其结构与功能的影响，一般将RubisCO大小亚基的结构基因在大肠杆菌中表达为有活性的酶。原核生物的大小亚基结构基因均定位在一个DNA分子上，并共同被转录。高等植物的大小亚基基因分别存在于不同的细胞器中，因此装配过程远较原核生物复杂。至90年代，利用表达质粒和噬菌体可使许多作物的RubisCO大小亚基在大肠杆菌中合成。范德维斯(Van der Vies，1986)等认为，合成的水平和次序可用不同的启动子进行调节，从而可选择亚基库的大小和比例以控制装配的最适条件。高等植物大亚基基因克隆在表达质粒和噬菌体中通过Lac或λPL启动子可在大肠杆菌中获得高水平的表达，蛋白量可达大肠杆菌总蛋白量的2%。然而，萨默维尔(Somerville，1986)等的研究资料表明，不论是高水平的或低水平的表达，所产生的大亚基都是不溶解的和无活性的。80年代以来，有人利用改变pH值或离子强度等方法将一些原核生物的RubisCO成功地进行大小亚基的解离和重组。这些实验资料证明，酶的催化部位虽在大亚基上，但小亚基是维持酶活性所不可少的组分(D．B．Jodan等，1985)。然而，高等植物的RubisCO迄今还不能有效地进行大小亚基的重组。1989年，李立人等将结晶纯化的烟草RubisCO进行固定化，并成功地进行子大小亚基的解离和重组。近年来，李立人等对高等植物RubisCO大小亚基的表达也在进行多途经的研究。1956年，卡尔文提出关于结合到RubisCO上的RuBP羧化反应机理。自1987年开始，安德鲁斯(Andrews)、洛雷默(Lorimer)以及乔尔(Johal)等对此也进行了广泛研究。与此相反，对加氧酶的反应机理却知之不多。1987年，伍德罗(Woodrow)和伯雷(Berry)发表了有关植物体内RubisCO活性调节的研究结果。1987年，吉恩森(R．G．Jensen)对RubisCO的激活、抑制、离体叶绿体的CO2固定能力丧失等调节机制进行了综述。RubisCO是一种双功能调节酶，能够调节光合作用和光呼吸作用，从而影响植物产量。有人估计，如果抑制RubisCO的加氧酶活性，或增加羧化酶活性，主要农作物的净光合速率可提高20%～30%，因此，以改善RubisCO活性为目标的遗传工程研究引起人们重视。国内外对RubisCO的结构、功能和遗传信息的定位做了大量工作，并明确了它还是一个极好遗传标记，可用来探讨植物细胞的核质关系，研究自养生物的遗传、进化等重大生物学问题。【参考文献】：1 Jensen R G,Bahr J T. Ann Rer Plant Physioi. 1977,28:379 ～4002 Hemminesen SM,Ellis RJ. Plant Physiol. 1986,80:269～5 李立人，等．中国科学(B辑)，1988，3：264～2706 李立人．生物科学信息，1989，1(1)：12～157 李立人，李粹芳．生物化学与生物物理学报，1989，21：215～2208 李立人，等．植物生理学报，1990，16(3)：293～3009 李立人．植物生理学通讯，1991，27(4)：241～24510 李立人．植物生理学，1992，18(2)：217～223(安徽师范大学生物系吴晓东副教授撰；孙昌璜审)
