칼빈 회로에서 핵심 효소인 루비스코의 특징과 한계점이 궁금해요

Question

광합성 암반응에서 이산화탄소를 고정하는 루비스코 효소가 지구상에서 가장 풍부한 단백질인 동시에, 산소와도 결합하여 광호흡이라는 에너지 손실 반응을 일으키는 이유가 궁금합니다. 루비스코 효소의 구조적 특성이 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

루비스코가 가장 풍부한 단백질인 이유는 효율이 낮기 때문입니다 효소 하나가 1초에 이산화탄소를 세 개에서 열개 정도 밖에 고정하지 못해서 식물은 이를 보완하려고 엄청난 양을 만들어 잎 단백질의 상당 부분을 차지하게 됩니다 구조적으로 식물의 경우 큰 소단위체 여덟개와 작은 소단위체 여덟 개가 모인 복합체이고활성 부위에서 마그네슘 이온의 도움을 받아 리볼리스 이인산이라는 오탄당을 반응성 높은 중간체로 만들어 이산화탄소를 붙입니다 문제는 이산화탄소와 산소가 둘다 작고 극성이 없어서 활성 부위가 정확히 구분하기 어렵다는 점인데 루비스코가 진화한 시기에는 대기에 이산화탄소가 많고 산소가 적어서 이 구분 능력이 크게 필요가 없었습니다 그 결과 산소가 결합하면 독성이 있는 포스포글로리콜산이 생기고 이를 처리하는 광호흡 과정에서 에너지가 소모되고 이미 고정한 탄소 일부가 이산화탄소로 다시 방출되어 광합성 효율이 떨어집니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

루비스코는 큰 소단위 8개와 작은 소단위 8개가 모인 분자량 약 55만의 거대한 단백질이에요. 활성 부위는 큰 소단위에 있어요. 마그네슘 이온과 CO₂ 하나가 미리 결합해야 작동해요.

가장 큰 약점은 느린 속도예요. 효소 하나가 1초에 CO₂를 3~10개 정도만 처리해서, 초당 수천 번 일하는 다른 효소들에 비해 매우 느려요. 식물은 이를 양으로 메우려고 잎 속 수용성 단백질의 절반 가까이를 루비스코로 채워요.

루비스코는 기질인 RuBP를 먼저 반응성이 큰 형태(엔다이올)로 바꿔 두는데, 여기에 CO₂와 O₂가 모두 달라붙을 수 있어요. 둘 다 작고 극성이 없는 분자라 활성 부위가 확실히 구별하지 못해요. 루비스코가 처음 생긴 30억여 년 전에는 대기에 산소가 거의 없어서 문제가 되지 않았어요.

산소가 붙으면 쓸모없는 포스포글리콜산이 생기고, 이를 회수하는 광호흡 과정에서 고정했던 탄소 일부가 CO₂로 빠져나가요. 더운 곳에서 자라는 옥수수 같은 C4 식물은 CO₂를 따로 농축해 이 손실을 줄여요 :)