Rubisco -molekylmaskinen bak karbonbalansen
Emily Reeves; 2. oktober 2021. Oversatt herfra

Bilde 1. Grønt blad -ikke rart vannkanalene smiler (?)

Jeg har forklart hvorfor, hvis naturen er designet, at den kan ha optimale grønne energiløsninger. (Se her og her.) Nå vil jeg tilby en illustrasjon.

Handlingen med å fjerne karbon fra atmosfæren og gjøre det til et sukkermolekyl, er muliggjort i planter av en veldig fancy molekylær maskin kalt Rubisco. Til tross for at han er eneste av sitt slag, har Rubisco fått mye hat gjennom årene for å være "treg." Mange enzymer behandler tusen molekyler per sekund, men Rubisco kan bare behandle tre per sekund. På grunn av dette har den blitt kalt "treg" og "notorisk ineffektiv." (Bathellier et al. 2018) Begrunnelse for disse nedsettende adjektivene eksisterer ikke etter min personlige mening fordi, etter omfattende studier i femti år, har ingen vært i stand til å gjøre det bedre. (Bathellier et al. 2018 -lenke) Jeg vil foreslå (Bathellier et al. 2018) at dens treghet kan skyldes kompleksiteten i den kjemiske reaksjonen. Hvis en eller annen funksjon av Rubisco ble forkastet, kan det hende at mekanismen kan forbedres i visse henseender. Imidlertid vil det nesten helt sikkert være avveininger. Så jeg antyder ikke at Rubisco ikke kan optimaliseres for et annet formål, da optimalitet alltid er iboende bundet til å fungere. Men jeg spår at den med tiden vil bli anerkjent for sin optimalitet, gitt de generelle begrensningene i økosystemet.

Glem hva du har hørt, Rubiscos er ganske kult
Det Rubisco faktisk gjør er komplisert. Rubisco tar tak i et CO2 -molekyl (mesteparten av tiden) og fester det til en sukkerkjede. (Bathellier et al. 2018 -lenke) Rubisco tar deretter den forlengede karbonkjeden og klipper den, og produserer dermed to identiske fosfoglyseratmolekyler. (Månedens PDB-101 molekyl -lenke) å lage identiske molekyler er fordelaktig fordi det bare er nødvendig med et enkelt sett med enzymer for resten av banen. I tillegg er fosfoglyserat et veldig kjent molekyl for cellen. De fleste av molekylene vil bli matet tilbake i karbonfikseringssyklusen, men noen av dem vil også bli sifonert for å produsere sukker. Hver matbit du noen gang har tatt er direkte eller indirekte resultatet av dette fantastiske enzymet.

Bare enda en promiskuøs bivirkning?
Jeg (E. Reeves) sa at Rubisco virker på CO2 mesteparten av tiden, fordi det av og til griper O2 i stedet. Dermed har vi kommet til paradokset der O2 konkurrerer med Rubiscos CO2 -bindingssted, og dette har blitt sagt å "sette i gang en bortkastet fotorespirasjonsvei som fører til tap av fast karbon." (Satagopan og Spreitzer 2008 -lenke). (Galmés et al. 2014 -lenke) Andre har gitt bedre tekniske forklaringer, noe som antyder at bindingen av oksygen sannsynligvis er et resultat av et kompromiss mellom kjemiske og metabolske begrensninger:
"Det er mulig at den kjemiske begrensningen pålagt av CO2 -inertness eller knapphet (spesielt i lav CO2 -sammenheng) er slik at den observerte spesifisiteten representerer det beste kompromisset som tillater karboksylering med en fysiologisk akseptabel hastighet. Faktisk antyder en fersk katalytisk undersøkelse av Rubisco fra diatomer, som har karbonkonsentrerende mekanismer, sterkt at når trykket på KC (tilsynelatende Michaelis konstant for CO2) er lettet (dvs. når CO2 ikke er begrensende), er det en alternativ evolusjonær vei til en bedre spesifisitet ved å undertrykke oksygenaseaktivitet, uten å svekke karboksylaseaktivitet.

Bilde 2. Rubisco enzymet har viktig rolle i kretsløpet

Derfor er det veldig sannsynlig at oksygenaseaktiviteten er et resultat av en avveining: den aktive stedstrukturen tilpasser seg for å tillate maksimal enolatvridning og plassering for CO2-reaktivitet (ved den rådende CO2 molfraksjon) selv om O2 også kan reagere; Alternativt kan enzymets aktive sted stille inn strukturen (inkludert MG2+ -koordinering) for dramatisk å redusere sannsynligheten for at enolatet danner en triplett og deretter reagerer med O2, men CO2 -reaktiviteten avtar også. I kinetiske termer påvirker manipulering av oksygenaseaktivitet via geometrien til enolatet overgangs-tilstandene for oksygenering og karboksylering selv og kan følgelig forventes å endre energisperren for CO2 og O2 -tilsetning (og dermed spesifisitet) så vel som 12C/13C -isotopen effekt assosiert med CO2 -tilsetning, som observert eksperimentelt." Bathellier et al. 2018. Uansett har Rubisco intet mindre enn en utrolig design, som validert av dens overflod i økosystemet, ingeniørenes manglende evne til å forbedre den drastisk etter femti+ års studier, og dens evne til å trekke CO2 ut av atmosfæren og balansere atmosfæren. (Bathellier et al. 2018 -lenke)

Tilfeldigheter av darwinisme?
Som jeg (E. Reeves) har antydet, er planter ikoner for bærekraft. De lager kritiske produkter for andre levende organismer mens de bruker avfallsprodukter - hver miljøingeniørs drømmedesign. Er disse økosystem-designene bare tilfeldigheter av darwinisme? Kan vurdering av økosystembegrensninger virkelig skje uten framsyn?
Dette er viktige spørsmål å vurdere. Et annet sentralt spørsmål er: Er det mulig at fordi vi har kalt Rubisco "treg", har vi gått glipp av visdommen i designet? Kanskje prioriterer vi feilaktig effektivitet fremfor bærekraft. Ville dette ha skjedd hvis vi hadde mer respekt for det intelligente designet i naturen for ren, grønn energi?

For referanser, se nederst i originalen.