Rubisco, najważniejszy enzym na Ziemi. Czy pomoże nam uratować planetę?

26/07/202413/11/2024 Marcin Czerwiński2 komentarze

Ten wpis dedykuję pamięci mojego Taty, Witolda Czerwińskiego, miłośnika gór, badacza roślin i autora podręcznika „Fizjologia Roślin” (pierwsze wydanie: PWN 1976).

Fotosynteza i asymilacja

Słońce jest źródłem energii dla wszystkich organizmów. Te, które mają zdolność do fotosyntezy (jak rośliny i niektóre bakterie) wykorzystują światło słoneczne jak źródło energii dla procesów życiowych. Nazywamy je organizmami samożywnymi. Inne organizmy uzyskują energię w wyniku zjadania innych organizmów, w tym zdolnych do fotosyntezy (jak np. rośliny). Czym jest fotosynteza? Jest to proces wytwarzania związków organicznych w komórkach zawierających chlorofil (lub bakteriochlorofil) przy wykorzystaniu energii światła. Fotosynteza zachodzi w dwóch etapach: faza jasna polega na absorpcji światła w kompleksach białek zwanych fotosystemami. Energia światła pochłonięta przez fotosystemy zostaje zamieniona na energię wiązań chemicznych w postaci ATP i NADPH. Jednocześnie woda zostaje rozłożona do jonów H⁺ i cząsteczkowego tlenu. W fazie ciemnej (zwanej też fazą przemiany substancji) energia ATP i NADPH zostaje wykorzystana do syntezy związków organicznych. Są to węglowodany (głównie glukoza, skrobia i sacharoza). Obie te fazy zachodzą jednocześnie. Tak więc fotosynteza polega na przemianie dwutlenku węgla i wody w węglowodany oraz tlen. W roślinach proces ten zachodzi w wyspecjalizowanych organellach zwanych chloroplastami (Ryc. 1).

Ryc. 1. Fotosynteza i mechanizm działania Rubisco. Energia światła zostaje zaabsorbowana w chloroplastach przez fotosystemy I i II z wytworzeniem ATP i NADPH oraz tlenu jako produktu ubocznego (faza jasna fotosyntezy). ATP i NADPH służą jako źródło energii w fazie ciemnej (niezależnej od światła), gdzie Rubisco katalizuje przyłączenie CO₂ do rybulozo-1,5-bisfosforanu (RuBP) z wytworzeniem 2-fosfoglicerynianu (3PG), który zostaje przekształcony w aldehyd 3-fosfoglicerynowy (G3P) w ramach cyklu Calvina. Rubisco wiąże też O₂w procesie nazywanym fotooddychaniem. Według: Y.J.Bhat et al., Fr. Mol.Biosci. 2017, 4:20. Licencja CC BY 4.0.

Jakie organizmy wykorzystują fotosyntezę? Jest to większość roślin (wyjątkiem są rośliny pasożytnicze i saprofityczne), a także niektóre protisty oraz część archeonów i bakterii. Jak pisał Piotr Gąsiorowski, wśród tych ostatnich największe znaczenie mają sinice, ponieważ to ich przodkowie zaczęli wykorzystywać energię światła słonecznego ok. 2 miliardy lat temu.

Z energii światła słonecznego mogą też korzystać inne organizmy, które same fotosyntezy nie przeprowadzają, ale współpracują z sinicami w ramach symbiozy.

Ja jednak chciałbym się skupić na enzymie, dzięki któremu przemiana energii światła w związki organiczne jest w ogóle możliwa. Tym enzymem jest karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu znana pod akronimem Rubisco.

Rubisco: główne białko na Ziemi?

Asymilacja CO₂, czyli jego przyłączanie do rybulozo-1,5-bisforanu, ma miejsce w procesie zwanym cyklem Calvina-Bensona-Basshama lub w skrócie cyklem Calvina. Cykl składa się z trzech etapów, przy czym wiązanie CO₂zachodzi w pierwszym etapie. Kluczowym reagentem jest rybulozo-1,5-bisfosforan, który jest rybulozą z dwoma cząsteczkami fosforanów. Wszyscy chyba słyszeli o rybozie, która jest pięciowęglowym cukrem wchodzącym w skład kwasu rybonukleinowego (RNA). Rybuloza ma podobną budowę, z tym że grupa C=O znajduje się między innymi atomami węgla, a nie na skraju cząsteczki. Jest to więc grupa ketonowa, a nie aldehydowa i dlatego rybuloza jest ketozą, a ryboza aldozą. Na podobnej zasadzie glukoza jest aldozą, a fruktoza ketozą.

Przyłączenie dwutlenku węgla do rybulozo-1,5-bisfosforanu powoduje powstanie nietrwałej cząsteczki 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitolu, która natychmiast rozpada się na dwie cząsteczki 3-fosfoglicerynianu. Rybuloza ma pięć atomów węgla, 3-fosfoglicerynian trzy, tak więc po przyłączeniu jednego atomu węgla do pięciowęglowej cząsteczki powstają dwie cząsteczki trójwęglowe. 3-fosfoglicerynian ulega redukcji do aldehydu 3-fosfoglicerynowego, przy czym energia w postaci ATP i elektrony (transportowane przez NADPH) pochodzą z „fazy jasnej” cyklu Calvina-Bensona-Basshama. Aldehyd 3-fosfoglicerynowy może być następnie przekształcony w glukozę i stać się początkiem syntezy skrobi lub sacharozy. Część aldehydu 3-fosfoglicerynowego zostaje przekształcona w rybulozo-1,5-bisfosforan w skomplikowanym procesie obejmującym cząsteczki 3-, 4-, 5- i 7-węglowe i nazywanym tasowaniem cukrów (sugar shuffle). Taki rybulozo-1,5-bisfosforan może przyłączać kolejne cząsteczki CO₂. Wymaga to pięciu cząsteczek aldehydu 3-fosfoglicerynowego, czyli tylko jedna cząsteczka tego związku na sześć wytworzonych może być wykorzystana do produkcji węglowodanów. (Ryc. 2). Sumaryczne równanie reakcji cyklu Calvina-Bensona-Basshama jest następujące:

6CO₂ + 18ATP + 12NADPH → C₆H₁₂O₆ + 18ADP+ 18P_i + 12NADP⁺ + 6H₂O

Ryc. 2. Reakcje cyklu Calvina-Bensona-Basshama. Otrzymane za pomocą BioRender.com.

Cała ta skomplikowana operacja jest katalizowana przez jeden enzym, karboksylazę/oksygenazę rybulozo-1,5-bisfosforanu czyli Rubisco. Nazwę tę wymyślił David Elsenberg w 1979 r., co było akronimem nazwy ribulose bisphosphate carboxylase-oxygenase, a także żartobliwym odniesieniem do producenta ciastek i słonych przekąsek Nabisco (National Biscuit Company, obecnie własność amerykańskiego koncernu Mondelēz International). Rubisco składa się z 8 identycznych dużych podjednostek, kodowanych przez genom chloroplastu, oraz z 8 małych podjednostek, kodowanych przez genom jądrowy (Ryc. 3). Do jego aktywności niezbędne są jony Mg²⁺. Rubisco ma liczne zalety (przede wszystkim zdolność do wiązania CO₂), ale ma też wady. Jedną z nich jest niewielka szybkość działania. Rubisco jest w stanie przyłączyć maksymalnie 3 cząsteczki CO₂na sekundę, co znaczy, że jest bardzo wolnym enzymem. Inne enzymy przetwarzają przeciętnie co najmniej 100 cząsteczek na sekundę, a rekordzistką jest katalaza, która rozkłada nadtlenek wodoru do wody i tlenu: ta jest w stanie rozłożyć 40 milionów cząsteczek na sekundę.

Ryc. 3. Struktura Rubisco. Duże podjednostki oznaczono jako L_A – L_H , małe podjednostki jako S_A – S_H. Pokazano miejsca aktywne ze związaną cząsteczką 1,5-bisfosfo-2-karboksy-3-ketoarabitolu (która natychmiast się rozpada). Według: Studer RA et al., PNAS USA 2014, 111:2223-2228. Licencja CC BY 4.0.

Rubisco pracuje więc bardzo wolno nawet w optymalnych warunkach, ale jego rzeczywista wydajność jest znacznie niższa. Obliczenia przeprowadzone dla całej Ziemi wykazują, że enzym zawarty w roślinach morskich przyłącza średnio 0,6 cząsteczki CO₂ na sekundę, a enzym roślin lądowych 0,03 cząsteczki, co stanowi ok. 1% jego teoretycznej wydajności. Dlaczego tak mało? Są dwie przyczyny. Po pierwsze, aktywność enzymu ściśle zależy od stężenia ATP i NADPH, a te powstają tylko w świetle dziennym. W nocy Rubisco nie pracuje. Jeżeli światła jest mało, jak np. w poszyciu gęstego lasu albo w pochmurne dni, wydajność Rubisco też jest niska.

Po drugie, aktywność Rubisco ściśle zależy od temperatury, której optimum to 25^oC. Każdy stopień powyżej lub poniżej tej wielkości oznacza obniżenie aktywności enzymu.

Dlatego każda roślina potrzebuje dużej ilości cząsteczek tego enzymu. Jego zawartość w liściach może wynosić od 2% w liściach drzew do 16% w roślinach zielnych. W mikroalgach Rubisco może stanowić nawet 50% suchej masy. Aby przeżyć, rośliny muszą syntetyzować znaczne ilości tego enzymu, co stanowi dla nich znaczne obciążenie, ponieważ synteza białek jest bardzo kosztowna pod względem energetycznym. Całkowita masa tego enzymu we wszystkich organizmach fotosyntetyzujących na Ziemi jest szacowana na 0,7 Gt na lądzie i 0,03 Gt w oceanach (czyli odpowiednio 700 i 30 milionów ton), tak więc Rubisco jest prawdopodobnie najliczniej występującym białkiem na Ziemi.

Fotooddychanie: główny hamulcowy fotosyntezy?

Druga i nawet chyba większa wada Rubisco to jego zdolność do przyłączania tlenu zamiast dwutlenku węgla. Zjawisko to nazywane jest fotooddychaniem: enzym przyłącza do cząsteczki rybulozo-1,5-bisfosforanu nie dwutlenek węgla, a tlen (stąd nazwa: karboksylaza/oksygenaza). Zamiast dwóch trójwęglowych cząsteczek 3-fosfoglicerynianu powstaje jedna dwuwęglowa cząsteczka 2-fosfoglikolanu i jedna (trójwęglowa) 3-fosfoglicerynianiu. Z 3-fosfoglicerynianem nie ma problemu, bo podobnie jak w przypadku przyłączenia CO₂ może służyć do produkcji węglowodanów. Ale 2-fosfoglikolan jest toksyczny dla roślin i musi być przetworzony w węglowodany w ramach skomplikowanego szlaku metabolicznego, w który zaangażowane są oprócz chloroplastów także inne organella: peroksysomy i mitochondria. Proces ten wymaga ATP, a jednym z produktów jest dwutlenek węgla. Jest to więc ewidentna niedoskonałość katalityczna, bo na ogół powstanie CO₂ wiąże się z produkcją ATP. Tak jest np. w czasie oddychania komórkowego, kiedy komórki produkują dwutlenek węgla, ale powstaje też ATP. W przypadku fotooddychania jest inaczej, i jest to prawdopodobnie pozostałość z okresu, kiedy stężenie tlenu w atmosferze było jeszcze bardzo niskie. Nie było więc presji selekcyjnej, aby uczynić enzym wiążący CO₂ bardziej selektywnym. Dziś stężenie tlenu w atmosferze wynosi 21%, a stężenie CO₂ 0,04%. Tak więc na jedną cząsteczkę CO₂ przypada ponad 500 cząsteczek tlenu. Nic dziwnego, że Rubisco, które niewiele zmieniło się od czasów kiedy stężenie tlenu wynosiło poniżej 1%, ma problemy z wyborem „właściwej” cząsteczki.

Innym negatywnym skutkiem fotooddychania jest powstawanie glicyny jako produktu pośredniego w procesie utylizacji 2-fosfoglikolanu. Glicyna zostaje rozłożona z odłączeniem kationu amonowego (NH₄⁺). Utrata azotu w postaci jonów amonowych jest zjawiskiem niekorzystnym dla roślin, które nie potrafią samodzielnie przyswajać azotu z powietrza (gdzie występuje w postaci N₂). Odzyskiwanie utraconego NH₄⁺ jest jednak procesem wymagającym ATP, a to przekłada się na wyższy koszt energetyczny fotooddychania.

Ryc. 4. Fotooddychanie. Według: Wikipedia, Yikrazuul. Licencja CC BY 3.0.

Nawet w optymalnej temperaturze 25^oC, Rubisco przyłącza jedną cząsteczkę tlenu na trzy cząsteczki przyłączonego dwutlenku węgla. Oznacza to, że fotooddychanie obniża wydajność fotosyntezy o 25% nawet jeżeli warunki są optymalne. Jeżeli temperatura przekracza 30^oC, to fotooddychanie zaczyna przeważać nad fotosyntezą. Wtedy produkcja CO₂ jest wyższa niż jego pochłanianie.

Rubisco i izotopy węgla

Węgiel ma masę atomową 12, ale w przyrodzie występuję też jego stabilny izotop o masie 13, który stanowi ok. 1,1% całego węgla. Rubisco rozróżnia te dwa izotopy i wiąże ¹²CO₂ nieco bardziej wydajnie niż ¹³CO₂. W zależności od typu metabolizmu (są trzy typy asymilacji CO₂ o nazwach C3, C4 i CAM, o czym w następnym odcinku), przewaga izotopu ¹²C nad ¹³C może wynosić od 1 do 3,5%. Dlatego tkanki roślin zawierają więcej ¹²C, niżby to wynikało z zawartości tego izotopu w atmosferze. A jak wygląda zawartość dwutlenku węgla z tymi izotopami w powietrzu? Wszyscy wiemy, że zawartość CO₂ w atmosferze rośnie od ok. 160 lat w związku ze spalaniem paliw kopalnych, które są szczątkami dawno rosnących na Ziemi roślin. Jednocześnie stężenie dwutlenku węgla zawierającego izotop ¹³C spada. Jest to jeszcze jeden dowód na to, że dwutlenek węgla uwalniany do atmosfery w wyniku spalania ropy i węgla pochodzi z paliw kopalnych, czyli z roślin, które kiedyś go zaabsorbowały (Ryc. 5).

Ryc. 5. Stężenie CO₂ (kolor niebieski) i ¹³CO₂ (kolor czerwony) w atmosferze w latach 1850-2010. Źródło: Liu B. et al., Biogeosciences 2021, 18: 4389–4429. Licencja CC BY 4.0.

Czy możemy pozbyć się fotooddychania?

Ocieplenie klimatu spowodowane spalaniem paliw kopalnych stanowi coraz większy problem dla ludzi na całym świecie. Nie zanosi się jednak, żeby ludzkość była w stanie obniżyć produkcję gazów cieplarnianych (w tym dwutlenku węgla) w dającej się przewidzieć przyszłości. Istnieją techniczne możliwości wychwytywania i magazynowania tego gazu, ale nie wyszły one poza stadia prób pilotowych. Tak więc na razie za ponad 99% dwutlenku węgla usuwanego z atmosfery odpowiadają rośliny, a konkretnie jeden roślinny enzym, czyli Rubisco. Jak starałem się wyjaśnić, nie jest to enzym doskonały. Gdyby udało się zlikwidować jego aktywność związaną z fotooddychaniem, to rośliny związałyby dodatkowo ok. 40 Gt (4000 milionów ton) dwutlenku węgla rocznie. Tyle mniej więcej produkujemy spalając paliwa kopalne. Oczywiście trudno sobie wyobrazić przerobienia wszystkich roślin na Ziemi na metabolizm C4, ale może chociaż te najczęściej występujące, czyli uprawiane w dużych ilościach? Badania nad takimi modyfikacjami prowadzi się w licznych ośrodkach, ale jak dotąd wyniki nie napawają optymizmem. Jest tak dlatego, że fotooddychanie jest ściśle związane z innymi procesami metabolicznymi i jego zahamowanie wpływa negatywnie na wzrost roślin. Ponadto, niektóre związki wytwarzane w tym szlaku pełnią funkcję ochronną i dlatego rośliny, u których ten szlak został zmodyfikowany, są podatne na różne choroby. Tak więc na razie nie ma szans na modyfikację fotooddychania.

Co może polepszyć wiązanie CO₂? Rośliny C4 wytyczają kierunek.

Jak wspomniałem, istnieją trzy rodzaje asymilacji CO₂: C3, w którym dwutlenek węgla jest wiązany do rybulozo-1,5-bisfosforanu, oraz C4 i jego odmiana CAM. W mechanizmach C4 i CAM dwutlenek węgla zostaje najpierw przyłączony do fosfoenolopirogronianu (PEP, 3 atomy węgla) z wytworzeniem szczawiooctanu (4 atomy węgla, stąd nazwa metabolizmu). Podobnie jak w przypadku szlaku C3, ma to miejsce w komórkach mezofilu (miękiszu), który jest główną tkanką liścia. Szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu (4 atomy węgla), a jabłczan zostaje przesłany do komórek pochwy okołowiązkowej, gdzie ulega rozkładowi na pirogronian (3 atomy węgla) i dwutlenek węgla. Umożliwia to bardziej efektywne gromadzenie dwutlenku węgla, bo w pochwie okołowiązkowej jest dużo chloroplastów, a więc i dużo Rubisco. Jest jednak bardziej kosztowny pod względem energetycznym, bo regeneracja fosfoenolopirogronianu wymaga ATP. Dlatego synteza jednej cząsteczki glukozy wymaga w procesie C4 30 cząsteczek ATP wobec 18 w szlaku C3. Ponieważ jednak wiązanie CO₂ jest bardziej wydajne, rośliny C4 rosną szybciej. A dlaczego jest bardziej wydajne, skoro związanie CO₂ wymaga dodatkowego szlaku? Dlatego, że w tym procesie lokalne stężenie CO₂ jest znacznie wyższe: ok. 10 µmol/l CO₂ w roślinach C3 wobec ok. 160 µmol/l CO₂ w roślinie C4. Tak więc można porównać mechanizm C4 do turbodoładowania w silniku spalinowym, z tym że zamiast wyższego stężenia tlenu mamy wyższe stężenie dwutlenku węgla. Rubisco ma więc ułatwione zadanie, bo nie musi znaleźć cząsteczki CO₂ wśród 500 cząsteczek tlenu, ale najwyżej wśród 50. Dzięki temu w roślinach C4 praktycznie nie zachodzi fotooddychanie (Ryc. 6).

Ryc. 6. Porównanie szlaków C3 i C4. Dwutlenek węgla zostaje związany do fosfoenolopirogronianu (PEP). Powstały szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu, który dyfunduje do komórek pochwy okołowiązkowej. Tam po dekarboksylacji uwalnia CO₂, który zasila cykl Calvina. Regeneracja PEP wymaga ATP. Według: Wang C. et al. BMC Systems Biology 2012, 6 (Suppl 2):S9. Licencja CC BY 4.0.

Komórki liści roślin C3 i C4 różnią się pod względem anatomicznym: w roślinach C4 są tylko dwie komórki mezofilu między wiązkami przewodzącymi (żeby umożliwić dyfuzję jabłczanu), w roślinach C3 jest ich więcej. W roślinach C4 komórki pochwy okołowiązkowej są większe i zawierają więcej chloroplastów. Taką budowę liścia nazywa się anatomią typu Kranz (bo po niemiecku Kranz to wieniec, Ryc. 7).

Ryc. 7. Porównanie anatomii liścia rośliny C3 i C4. Według: Cui H. Fr. Plant. Sci. 2021, 12:715391. Licencja CC BY 4.0.

Szlak C4 wyewoluował stosunkowo niedawno, bo pierwsze takie rośliny powstały ok. 35 milionów lat temu. Jednymi z pierwszych organizmów C4 były trawy. Około 30 milionów lat temu umożliwiło to ekspansję trawożernych gatunków ssaków, takich jak antylopy, bydło czy koniowate, co miało wielkie skutki dla ekosystemów Ziemi. Dziś 60% gatunków C4 to trawy, dominujące głównie na stepach i sawannach w ciepłych klimatach. Co ciekawe, badania molekularne wykazują, że szlak C4 wyewoluował niezależnie u co najmniej 66 grup roślin, co jest dobrym przykładem konwergencji, czyli niezależnej ewolucji tej samej cechy. Obecnie znanych jest ok. 8100 gatunków roślin C4, co stanowi mniej niż 2% znanych gatunków roślin (ok. 440 000). Rośliny C4 stanowią ok. 5% biomasy całej Ziemi, ale odpowiadają za wiązanie 23% dwutlenku węgla. W szczególności są to trzy gatunki o dużym znaczeniu gospodarczym: kukurydza (Zea mays), trzcina cukrowa (Sacchatum officinarum) i sorgo dwubarwne (Sorghum bicolor). Szlak C4 jest wykorzystywany także m.in. przez ciborę papirusową (Cyberus papyrus), której w starożytności używano do wyrabiania papirusu.

CAM, czyli kaktus i ananas

Odmianą cyklu C4 jest CAM (Crassulacean acid metabolism, metabolizm kwasowy gruboszowatych), w którym wiązanie dwutlenku węgla przez fosfoenolopirogronian zachodzi w nocy, a jego uwalnianie i wiązanie przez rybulozo-1,5-bisfosforan – w dzień (Ryc. 8). Korzystają z niego przede wszystkim rośliny żyjące w gorącym klimacie. W dzień aparaty szparkowe umożliwiające wymianę gazową są zamknięte, co zmniejsza straty wody w warunkach wysokich temperatur. Do roślin korzystających z metabolizmu CAM należą m.in. kaktusy, skalne rośliny z rodziny gruboszowatych (stąd nazwa), takie jak rozchodnik (Sedum). Z roślin uprawnych najbardziej znany jest ananas jadalny (Ananas comosus) i wanilia płaskolistna (Vanilla planifolia).

Ryc. 8. Porównanie szlaków C3, C4 i CAM. Otrzymane za pomocą BioRender.com.

Ryż C4 i inne projekty

Skoro szlak C4 jest tak wydajny, to może „przerobić” rośliny C3 na C4? Gdyby udało się to zrobić dla roślin uprawianych na dużą skalę, to mielibyśmy jednocześnie wyższe plony i mniej dwutlenku węgla w atmosferze. W przeszłości zdarzyło się już coś podobnego : 10 milionów lat temu stężenie dwutlenku węgla w atmosferze wynosiło 0,8%, i to właśnie ekspansja roślin C4 spowodowała obniżenie jego stężenia do 0,028% na początku ery przemysłowej. Dziś nie mamy już do dyspozycji milionów lat na ograniczenie zmian klimatycznych, ale zawsze możemy taki proces rozpocząć, zgodnie z chińskim przysłowiem: nawet 1000-milowa podróż zaczyna się od pierwszego kroku.

Sprawa nie jest jednak łatwa. Nawet gdyby udało się zwiększyć aktywność Rubisco o 100%, to całkowita wydajność fotosyntezy (a więc i asymilacja dwutlenku węgla) wzrosłaby najwyżej o 10-15%. Wszystko dlatego, że fotosynteza jest bardzo skomplikowanym mechanizmem i nie można jej ulepszyć za pomocą prostych zabiegów.

Najbardziej zaawansowane badania dotyczące wprowadzenia szlaku C4 do roślin C3 dotyczą ryżu (Oriza sativa), który stanowi podstawę wyżywienia dla ponad połowy ludzkości. „Project C4 Rice” otrzymał wsparcie finansowe od Bill and Melinda Gates Foundation i jest realizowany przez konsorcjum jednostek naukowych z Uniwersytetem Oksfordzkim na czele. Zmodyfikowany ryż ma być gotowy w 2030 r., ale na razie wyniki nie są spektakularne. W wyniku włączenia pięciu genów kodujących enzymy szlaku C4 udało się uzyskać „ryż pierwszej generacji”, który jednak wcale nie daje wyższych plonów ani nie wiąże więcej dwutlenku węgla. Wydaje się, że ma to związek z niewystarczająco wydajnym transportem metabolitów w liściu. Konieczna jest więc zmiana budowy liści na „anatomię typu Kranz”, a to wymaga co dodatkowego wprowadzenie co najmniej 20 genów regulujących wielkość i ułożenie komórek w liściu. Wprowadzenie tak dużej liczby genów też nie jest prostą sprawą z tej prostej przyczyny, że każdy gen trzeba wprowadzać oddzielnie i potem czekać aż taka roślina wyrośnie (chociaż pracuje się nad metodami pozwalającymi na wprowadzanie wielu genów jednocześnie).

Gdyby się to wszystko się udało, byłaby to „druga zielona rewolucja” (pierwsza to wprowadzenie nawozów sztucznych i nowoczesnych odmian w drugiej połowie XX wieku). Tylko czy taka zmodyfikowana roślina dalej byłaby ryżem i czy taki „ryż C4” nadawałby się do jedzenia? I jak zareagowaliby ludzie, skoro boją się szczepionek mRNA i telefonii 5G? Nie ma łatwych odpowiedzi na te pytania. Ale prędzej czy później ludzkość będzie musiała się do nich odnieść.

Literatura dodatkowa

Jak zwiększyć wydajność fotosyntezy?

https://postepybiochemii.ptbioch.edu.pl/index.php/PB/article/view/100

Fotosynteza i fotooddychanie

https://www.mdpi.com/2223-7747/10/5/908

Masa Rubisco na Ziemi

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1816654116

Zawartość różnych izotopów węgla w atmosferze

https://bg.copernicus.org/articles/18/4389/2021

Ewolucja Rubisco

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/tpj.14669

Czy da się przerobić rośliny C3 na C4?

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/plb.13446

Kolory jesiennych liści, czyli rzecz o chlorofilach i antocyjanach

11/10/202311/10/2023 Mirosław Dworniczak7 komentarzy

Jesień to niesamowita pora roku dla ludzi fotografujących, ale i dla każdego, kto spaceruje w parkach czy lasach. W miarę jednolite zielone lasy liściaste zaczynają malowniczo zmieniać barwy. Magia? Nie, po prostu chemia.

Zacznijmy jednak od tego, dlaczego liście są przez kilka miesięcy zielone. W komórkach liści znajdują się chloroplasty. Są to organella komórkowe występujące u roślin oraz glonów eukariotycznych, które zawierają niesamowity związek chemiczny – chlorofil.

Chloroplasty w komórkach płaskomerzyka pokrewnego (Plagomnium affine)

źródło: Wikimedia, licencja: GNU FDL

To właśnie on jest odpowiedzialny za kolor liści. W zasadzie nie powinniśmy mówić w tym przypadku o chlorofilu w liczbie pojedynczej, ponieważ jest to cała grupa związków. Mamy więc chlorofil a, chlorofil b (te są właśnie w liściach), ale też są takie, które opisujemy kolejnymi literami, aż do g.

Ich struktura chemiczna jest różna, ale wszystkie są zbudowane na takim samym szkielecie, który nazywamy układem porfirynowym. W centrum tego układu zawsze znajduje się atom (dokładniej jon) magnezu.

Wzór strukturalny chlorofilu a
licencja: domena publiczna

Zwróćcie jednak uwagę na cały wzór strukturalny. Widać tam bardzo szczególny układ wiązań podwójnych, które są rozdzielone wiązaniem pojedynczym. Są one rozmieszczone w całej cząsteczce. Taką szczególną strukturę nazywamy układem sprzężonych wiązań podwójnych. Nie wdając się w szczegóły – im więcej wiązań podwójnych w takiej cząsteczce, tym ciemniejsza będzie jego barwa. Kolor będzie też zależeć od jonu, który znajduje się w samym środku porfiryny. W chlorofilu jest to, jak już wspomniałem, magnez, a np. w hemoglobinie żelazo. Drobna uwaga nomenklaturowa: nazwa chlorofil nie pochodzi od pierwiastka chloru, ale od zielonego koloru tego związku.

Jesienny krajobraz Webster’s Falls, Ontario (Kanada)
licencja: GNU FDL

No i właśnie te chlorofile nadają liściom barwę. Ich podstawowym zadaniem jest przetwarzanie energii słonecznej w chemiczną w procesie fotosyntezy. Esencja życia po prostu. Mam nadzieję, że ktoś z naszych autorów opisze kiedyś proces fotosyntezy, ponieważ jest naprawdę fascynujący.

No ale wracajmy do jesieni. Temperatura spada, dni są coraz krótsze, a więc do liści dociera coraz mniej światła. Procesy fotosyntezy powoli ustają, a więc spowalnia też produkcja chlorofilów, która trwała całą wiosnę i lato. Chlorofile powoli rozpadają się, a wtedy do głosu dochodzą inne barwniki, które cały czas są obecne w liściach, ale ich kolory są do pewnego stopnia stłumione przez zieleń chlorofilu. Są to między innymi karotenoidy (takie jak w marchwi i dyni) czy flawonoidy (w tym przede wszystkim antocyjany). Wszystkie te związki mają różnorodne barwy – od jasnożółtej do ciemnoczerwonej i fioletowej.

Struktura β-karotenu
licencja: domena publiczna

Przykładowy wzór antocyjanu
licencja: domena publiczna

Antocyjany wiosną i latem są obecne w liściach w niewielkich ilościach, ich zwiększona produkcja zaczyna się dopiero na początku jesieni. Wynika to z faktu, że w tym czasie spada zawartość fosforanów w liściach, co powoduje zwiększenie szybkości syntezy czerwonych i fioletowych antocyjanów. Związki te są obecne także w owocach – od jeżyn do śliwek.

Jesienny las w górach Adirondack (USA)
licencja: CC BY SA 4.0

Rzecz jasna nie wszystkie liście zmieniają barwy jednocześnie. Jeśli przyjrzymy się drzewom uważniej, zobaczymy liście w różnych stadiach zmiany barw. Te, które są wystawione lepiej na słońce, będą nieco dłużej zielone, inne będą zmieniać kolor szybciej. Zielone liście zżółkną, potem staną się pomarańczowe, czasem czerwone, a na końcu brązowe.

Barwy jesieni w Alpach Japońskich (wyspa Honsiu, Japonia)
licencja: GNU FDL

A nieco później drzewo zacznie się jeszcze bardziej zmieniać, przygotowując się na zimę. Substancje odżywcze oraz woda powoli przestaną dopływać do liści. I wtedy liście uschną i jeszcze bardziej ciemnieją, aż wreszcie zaczną opadać. Przez zimę drzewo będzie korzystać ze zmagazynowanej w postaci węglowodanów energii chemicznej. Tak będzie aż do wiosny, gdy cały cykl zacznie się powtarzać. Drzewo będzie syntetyzować chlorofil, aby znowu magazynować energię do wzrostu.

Na koniec warto dodać, że oczywiście nie wszystkie drzewa zmieniają kolory na zimę. Wszyscy znamy drzewa szpilkowe, takie jak choćby sosna, jodła czy świerk. Są to rośliny zimozielone. Z kolei na takich szerokościach geograficznych, gdzie istnieją tylko niewielkie różnice pomiędzy długością dnia i nocy, drzewa także nie tracą liści w okresie zimowym, choć ulegają one usychaniu i powolnej wymianie.

Tymczasem ruszajcie do parków i lasów napawać się jesiennym kolorytem. Jest pięknie. Przy okazji warto posłuchać cudnego głosu nieodżałowanej Evy Cassidy w evergreenie „Autumn leaves”.

Lektyny, czyli białka wiążące cukry: co nam grozi po zjedzeniu fasoli

15/07/202315/07/2023 Marcin Czerwiński2 komentarze

W poprzednim wpisie napisałem o niebezpieczeństwach związanych z jedzeniem bobu, który zawiera niskocząsteczkowe związki mogące wywołać chorobę zwaną fawizmem. Ale rośliny, zwłaszcza strączkowe, zawierają białka, które mogą spowodować także inne problemy zdrowotne. Tymi białkami są lektyny.

Lektyny i glikokoniugaty

Lektyny są to białka, które mają zdolność wiązania cukrów. Jakich cukrów? Najczęściej obecnych na powierzchni komórek, bo większość komórek bakteryjnych czy eukariotycznych pokryta jest cukrami. Wirusy z osłonką lipidową, które powstały w wyniku „wypączkowania” z błony komórkowej, też mają je na powierzchni. Takie cukry, które mogą być związane z białkami lub lipidami, nazywamy glikokoniugatami. Pełnią one wiele funkcji: u bakterii, archeonów i grzybów wchodzą w skład ściany komórkowej i regulują ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki. U organizmów eukariotycznych zapewniają połączenia między komórkami i ułatwiają komunikację między nimi. Składają się też na tzw. glikokaliks, czyli węglowodanową warstwę pokrywającą powierzchnię błon komórkowych, która chroni komórki przed uszkodzeniem. Proces przyłączania cukrów do białek czy lipidów jest nazywany glikozylacją. Powstają w ten sposób glikolipidy oraz glikoproteiny, które mogą zawierać glikany związane z resztami asparaginy (nazywane N-glikanami) lub z resztami seryny albo treoniny (nazywane O-glikanami). Większość białek wydzielanych przez komórki oraz wchodzących w skład błony komórkowej jest glikozylowana.

W skład glikokoniugatów może wchodzić kilkadziesiąt rodzajów cukrów prostych (monosacharydów) połączonych w złożone struktury. Każda z takich struktur może być swoiście rozpoznawana przez inną lektynę, a obecnie znamy kilkaset lektyn o zbadanej swoistości (Ryc. 1).

Ryc. 1. Glikokoniugaty na powierzchni komórki eukariotycznej: N-glikany, O-glikany i glikolipidy. Źródło: Li Y et al. Fr. Immunol. 2023, 12: 638753. Licencja CC BY 4.0.

Lektyny i ich struktura

Wszystkie lektyny mają zdolność wiązania cukrów. Robią to za pomocą specjalnej kieszeni, to której dany cukier pasuje. Taka kieszeń może być jedna, ale większość lektyn ma je dwa albo cztery. Przykładem może być lektyna z fasoli (Phaseolus vulgaris), o której jeszcze będzie (Ryc. 2). Dzięki temu lektyny mogą powodować aglutynację, czyli zlepianie się krwinek (ponieważ na powierzchni krwinek jest dużo glikokoniugatów, które te lektyny mogą rozpoznawać).

Ryc. 2. Struktura przestrzenna lektyny PHA-L z czerwonej fasoli (Phaseolus vulgaris) i rozpoznawany przez nią oligosacharyd. Widoczne są cztery podjednostki lektyny, każda z nich może związać cukier przedstawiony po prawej stronie. Obecność niektórych cukrów (+/-) nie jest konieczna. Źródło: Wikipedia, domena publiczna. Oligosacharyd narysowany za pomocą BioRender.com.

Trochę historii

Nazwa „lektyna” (z łaciny „lectus” czyli wybrany) została wprowadzona po raz pierwszy w 1954 r. przez Williama Boyda i Elizabeth Shapleigh na określenie roślinnych białek, które mogą swoiście aglutynować czerwone krwinki. Ale pierwsze doniesienie na temat lektyn pochodzi z 1888 r., kiedy Peter Hermann Stilmark przedstawił na uniwersytecie w Dorpacie (obecnie Tartu w Estonii) pracę doktorską pod tytułem: „O rycynie, trującym składniku nasion Ricinus communis i innych nasion roślin z rodziny wilczomleczowatych (Euphorbiaceae)”. Autor wyizolował ten składnik (dziś znany jako rycyna albo lektyna z Ricinus communis, w skrócie RCA) z rącznika pospolitego i wykazał, że ma on zdolność do aglutynacji krwinek czerwonych.

Rycyna jest silną trucizną: uważa się że śmiertelna dawka dla człowieka wynosi ok. 1 mg/kg masy ciała. Składa się z dwóch podjednostek A i B, przy czym podjednostka B jest właściwą lektyną, która rozpoznaje galaktozę, a podjednostka A jest toksyną usuwającą adeninę z RNA i należy do białek inaktywujących rybosomy. Ponieważ w rybosomach zachodzi synteza białka, podjednostka A rycyny potrafi w krótkim czasie ją zahamować, powodując śmierć komórki. Związanie podjednostki A z receptorem cukrowym na powierzchni komórki powoduje, że rycyna wnika do jej wnętrza. Skutki mogą być fatalne: u człowieka zatrucie rycyną powoduje śmierć w ciągu kilkudziesięciu godzin (Ryc. 3).

Ryc. 3. Rącznik pospolity (Ricinus communis). Źródło: Franz Eugen Köhler, Köhler’s Medizinal-Pflanzen. Domena publiczna.

Olej rycynowy, który uzyskuje się z nasion rącznika w wyniku tłoczenia na zimno, jest znanym od starożytności środkiem o działaniu przeczyszczającym. Olej ten nie jest trujący, ponieważ lektyna się w nim nie rozpuszcza, a ponadto w czasie produkcji olej podgrzewa się do 80°C, co skutecznie deaktywuje lektynę.

Rycyna jest jednak wyjątkiem na tle innych lektyn. Większość z nich ma jedynie zdolność do wiązania cukrów i nie zawiera żadnej toksyny.

Lektyny w królestwie życia

Lektyny występują u wszystkich rodzajów organizmów. Wirusowe lektyny, które w tym przypadku nazywa się hemaglutyninami, służą wirusom do przyłączania się do glikokoniugatów na powierzchni komórki, które infekują. Dużo ostatnio mówi się o wirusach grypy, których szczepy noszą nazwy HXNY, gdzie H oznacza hemaglutyninę, N neuraminidazę, a X i Y to numery oznaczające subtypy tych białek. Hemaglutynina to lektyna, która umożliwia wirusowi przyłączenie się do cukru (w tym przypadku kwasu sjalowego) na powierzchni komórki, a neuraminidaza to enzym powodujący odłączenie się wirusa od tego receptora. Przykładowo, wirus ptasiej grypy H5N1 (ostatnio o nim głośno) to szczep z hemaglutyniną typu 5 i neuraminidazą typu 1.

Podobną funkcję mają lektyny bakteryjne, nazywane adhezynami: umożliwiają bakteriom kontakt z powierzchnią komórek w czasie infekcji. Lektyny występują też powszechnie u zwierząt, gdzie pełnią wiele funkcji, takich jak regulacja adhezji między komórkami, przesyłanie sygnału czy udział w odpowiedzi odpornościowej. U roślin modulują adhezję międzykomórkową i chronią przed patogenami, ale najwięcej lektyn znamy u roślin strączkowych (rodzina bobowatych, Fabaceae). Strączkowe żyją w symbiozie z bakteriami brodawkowatymi z rodzaju Rhizobium, które mają zdolność do wiązania azotu z powietrza i przetwarzaniu go w amoniak (NH₃). W ramach symbiozy bakterie dostarczają roślinom jonów NH₄⁺, a w zamian otrzymują od roślin węglowodany potrzebne do produkcji ATP. Proces wiązania azotu z powietrza jest bowiem bardzo energochłonny: żeby zredukować jedną cząsteczkę N₂ do dwóch cząsteczek NH₃, potrzeba 16 cząsteczek ATP.

Lektyny produkowane przez rośliny strączkowe rozpoznają swoiście glikokoniugaty na powierzchni bakterii. Oddziaływania te są gatunkowo swoiste (to znaczy, rośliny danego gatunku wiążą tylko jeden gatunek bakterii). Znanych jest ponad 60 gatunków bakterii Rhizobium i ponad 19 000 gatunków bobowatych, co daje wyobrażenie o zróżnicowaniu lektyn produkowanych przez rośliny należące do tej rodziny (Ryc. 4).

Ryc. 4. Wiązanie bakterii Rhizobium przez lektyny korzenia rośliny z rodziny bobowatych. Źródło: Ahemad M, Biochem. Mol. Biol. 2013, 1: 53-75. Licencja CC BY 3.0.

Lektyny w żywności

Roślinne lektyny są stosunkowo odporne na działanie enzymów trawiennych w naszym przewodzie pokarmowym, co oznacza, że mogą znaleźć się w naszych jelitach w stanie aktywnym. Mogą się tam związać do komórek i spowodować ich uszkodzenie. Najwięcej lektyn zawierają rośliny strączkowe, i to one są najbardziej niebezpieczne: np. czerwona fasola zawiera do 30 mg lektyn na jeden gram nasion (3% suchej masy). Są to dwie lektyny o nieco różnej swoistości, o nazwach PHA-E i PHA-L. Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy fasoli (Phaseolus vulgaris) i komórek, do których te lektyny się wiążą: erytrocytów i leukocytów. Wiązanie to jest ubocznym skutkiem swoistości lektyn wobec bakterii Rhizobium: przez przypadek na powierzchni naszych komórek są takie same cukry, jak w bakteriach. Biała fasola zawiera ok. 3 razy mniej lektyn niż czerwona, a bób najwyżej 5% tej ilości (Ryc. 5).

Ryc. 5. Nasiona czerwonej fasoli. Źródło: Prathyush Thomas, Wikipedia. Licencja GNU Free Documentation License, Version 1.2.

Zatrucie lektynami

Objawy zatrucia lektynami roślin strączkowych to zawroty głowy, wymioty i biegunka połączone z bólem brzucha. Objawy te na ogół mijają po kilku godzinach i nie stwarzają zagrożenia dla życia. Jak ich uniknąć? Lektyny są wrażliwe na obróbkę termiczną: 10-minutowe gotowanie likwiduje 98% ich aktywności. Amerykańska administracja żywności i leków zaleca 5-godzinne namoczenie fasoli w wodzie i 30-minutowe gotowanie. Pomimo to, zatrucia niedogotowaną fasolą zdarzają się: np. w Chinach fasolą zatruło się w latach 2004-2013 ponad 7000 osób, co stanowiło tam 40% zatruć trującymi roślinami. Gotowanie fasoli w popularnych ostatnio slow-cookerach też może się źle skończyć (dla konsumenta), bo temperatura w nich nie jest wyższa niż 75°C, a to za mało, żeby spowodować deaktywację lektyn.

Niektóre lektyny mogą rozpoznawać antygeny grupowe krwi, pisałem o tym w tekście o układzie grupowym ABO. I tak fasola półksiężycowa (Phaesolus lunatus) zawiera lektynę o swoistości anty-A, czarna fasola afrykańska (Griffonia simplicifolia) anty-B, a głąbigroszek szkarłatny (Lotus tetragonolobus, anty-H(O). Obecność lektyn o swoistości grupowej w różnych pokarmach spowodowała powstanie teorii o „diecie zależnej od grup krwi”. Nie ma ona żadnych podstaw naukowych: lektyny o swoistości grupowej są obecne tylko w niektórych pokarmach, które przeważnie gotujemy przed spożyciem.

A co z roślinami, które jednak jemy na surowo? Z rodziny bobowatych jest to np. zielony groszek (Pisum sativum). Zawiera lektynę o dość szerokiej swoistości, ale w nasionach groszku jest jej stosunkowo niewiele. Tak więc możemy jeść groszek na surowo w rozsądnych ilościach bez obawy, że nam zaszkodzi. To samo dotyczy pomidora (Lycopersicon Esculentum), którego owoce (uważane u nas za warzywa) zawierają niewiele lektyn. Co innego liście pomidora, bo te oprócz lektyn zawierają alkaloidy takie jak tomatyna i solanina, które zjedzone w większej ilości mogą być szkodliwe. Alkaloidy te, podobnie jak lektyny, znajdują się też w liściach kuzyna pomidora, czyli ziemniaka (Solanum tuberosum). Dlatego liści ziemniaka lepiej nie jeść (chyba nikt tego nie robi), a bulwy obrobić termicznie, co ułatwia trawienie, a przy okazji deaktywuje lektyny.

Lektyny jako leki?

O zastosowaniu lektyn jako leków (np. przeciwnowotworowych) mówi się od lat, ale jak dotąd wyniki badań klinicznych nie są zbyt zachęcające. Niemniej warto wspomnieć o czosnku (Allium sativum), który zawiera stosunkowo dużo lektyn, bo do 10% suchej masy bulwy. Rozpoznają one glikokoniugaty o wysokiej zawartości mannozy, a takich cukrów jest na naszych komórkach stosunkowo niewiele. Mają je za to często wirusy (np. wirus grypy czy HIV), dlatego są przesłanki, że lektyny z czosnku mogą mieć aktywność przeciwwirusową. To samo dotyczy lektyny z banana (Musa acuminata), która ma podobną swoistość. Wykazano, że lektyna ta hamuje namnażanie wirusa HIV, ale wyniki te uzyskano stosując oczyszczoną lektynę o wysokim stężeniu. Trzeba by zjeść bardzo dużo bananów, żeby uzyskać podobny efekt.

W podsumowaniu: wiele roślin zawiera lektyny, które maja potencjalne zastosowanie jako leki, ale przeważnie jest ich zbyt mało.

Lektyny i alergie

Alergia to patologiczna odpowiedź tkanek na obecność substancji zwanych alergenami, które często same w sobie są nieszkodliwe. Pisała o tym Agnieszka Szuster-Ciesielska. Wiele lektyn może powodować alergie pokarmowe, przy czym najbardziej znana jest lektyna z orzeszków ziemnych (Arachis hypogaea). Ale lektyny mogą wpływać na komórki układu odpornościowego bezpośrednio, wiążąc się do cukrów na powierzchni komórek, co może spowodować ich aktywację. Tak czy inaczej, lepiej unikać roślin zawierających duże ilości lektyn, w tym przede wszystkim czerwonej fasoli na surowo.

Fasola i gazy jelitowe

Po spożyciu fasoli lub innych nasion roślin z rodziny bobowatych często pojawia się problem gazów jelitowych. Skąd się biorą? Nie jest to sprawa lektyn, ale złożonych cukrów o nazwach rafinoza i stachioza, które są obecne w dość dużych ilościach w nasionach fasoli i innych strączkowych (0,2-1% suchej masy). Rafinoza jest trisacharydem i składa się z galaktozy, glukozy i fruktozy, przy czym galaktoza przyłączona jest wiązaniem α1→6 (Ryc. 6). Glukoza i fruktoza połączone są wiązaniem α1↔2β, podobnie jak w sacharozie. Stachioza zawiera jeszcze jedną galaktozę przyłączoną do galaktozy wiązaniem α1→6 , czyli jest tetrasacharydem. Cukry złożone podlegają w naszym układzie pokarmowym hydrolizie w wytworzeniem cukrów prostych, takich jak galaktoza czy glukoza. Produkujemy w tym celu odpowiednie enzymy. Z rafinozą i stachiozą jest problem, bo nasz układ pokarmowy nie wytwarza α-galaktozydazy, czyli enzymu odszczepiającego α-galaktozę. Tak więc oba cukry przechodzą przez nasze jelito cienkie nienaruszone, i dopiero w jelicie grubym degradują je enzymy produkowane przez obecne tam bakterie. Skutek jest taki, że bakterie te (nazywane mikrobiotą) dostają zamiast zwyczajowych resztek naszego pokarmu pełnowartościowe cukry. Wykorzystują je natychmiast do pozyskiwania energii w ramach fermentacji, a produktami ubocznymi są gazy: metan, wodór i dwutlenek węgla. Czy jest na to jakaś rada? Rafinoza i stachioza stosunkowo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Dlatego wodę, w której fasola została namoczona przed gotowaniem, dobrze jest wylać (można to powtórzyć kilka razy). Są też preparaty ograniczające powstawanie gazów, takie jak Espumisan czy Beano. Ten ostatni zawiera enzym trawiący rafinozę i stachiozę, a jego wynalazca jest laureatem alternatywnego Nobla (czyli tzw. Ig Nobla) w 1991 r.