Rubisco, ou la complainte d'une enzyme frustrée

[Josquin]

(Bonjour à tous ! Voici une petite histoire pour un grand problème. Si vous n'aimez pas la littérature, la question est posée en 4 phrases tout en bas.)






Bonjour ! Je me présente : Ribulose bis-phosphate carboxylase, mais vous pouvez m'appeler par mon petit nom "Rubisco".

Je ne suis pas très connue, mais croyez moi, je suis une des enzymes les plus importantes du monde vivant. En effet, voici plusieurs centaines de millions d'années que je fixe sans relâche du CO₂ sous forme de Ribulose, un sucre à l'origine de toute la matière organique. Ainsi, je suis l'enzyme toute-puissante sans qui il n'y aurait pas de photosynthère, et donc la vie sur terre se limiterait à quelques bêtes bactéries chimiolithotrophes.

Je vous sens venir, vous êtes en train de vous dire : "Wow ! ca, ca doit être de l'enzyme ! En plus une enzyme qui contrôle une fonction biologique si importante, et qui marche depuis des centaines de millions d'années au moins, elle a dû avoir tout le temps necessaire pour évoluer à la perfection, pour une photosynthèse parfaite et sans bavure!"

Détrompez-vous, car je suis bien malheureuse quand je compare mon sort à celui d'enzymes vieilles de quelques centaines de milliers d'années seulement, et qui ont su développer une affinité presque fusionnelle avec leur substrat. Elles sont la perfection en matière d'enzyme : un catalyseur efficace et étonnamment selectif et spécifique. Mais moi, je n'ai même pas été fichue en tout ce temps de m'occuper du CO₂ uniquement !

En effet, et c'est là tout le malheur, si je suis capable de fixer le CO₂ sous forme de matière organique, je suis également capable en présence de dioxygène de dégrader cette même matière organique. Imaginez un peu : d'une main, je détruis ce que je construit avec l'autre !!! C'est quand même le comble pour une enzyme !!!

Dans ma détresse et mon désarroi, j'en appelai au Père Créateur. Il me parla en ces termes : "Lorsque je t'ai confié ta mission, le taux de CO₂ atmosphérique était à son maximum. L'affinité que tu pouvais avoir pour le dioxygène était donc bien loin de constituer un obstacle. Les conditions sur terre ont changé par la suite. Allais-je pour autant confier la photosynthèse à une autre ? Non Rubisco, tu as comblé la terre de tes richesses pendant tant de millions d'années ! La vie te doit tant, que tu dois continuer à perpétuer son miracle tant que le monde existera. Ainsi, ce n'est pas à toi de changer, toi l'ancienne, la sage, respectueuse, mais à tes hôtes. Oui, Rubisco, tu resteras ainsi, et ce sont les plantes que tu fais vivre qui s'adapteront à toi. Ainsi soit-il."

Alors, plutôt que de faire évoluer une petite molécule comme moi, Dieu fit évoluer les plantes qui m'utilisait, occasionnant des bizarreries anatomiques et physiologiques hors du commun, et ce, juste pour se plier à mon insolente exception fixiste ! De cette contradiction sont nées les plantes "en C4" et les plantes à "CAM". Elles jouent de mille ruses pour m'assurer la concentration en CO₂ la plus forte, et la concentration en O₂ la plus faible, pour que je puisse travailler dans les meilleures conditions, sans que mes bizarreries soient un obstacle au rendement de la photosynthèse.

Vous qui êtes des scientifiques, éclairez ma lanterne, et je vous en prie, dites-moi pourquoi l'évolution (qui ne m'a pas vraiment épargnée, puisque chaque gène est soumis aux mutations aléatoires et à la sélection naturelle) n'a pas fait de moi la reine de la spécificité enzymatique ! Le temps ne lui a pourtant pas manqué !!! Je me suis laissé dire que la taille de la molécule de CO₂, et les caractéristiques communes avec O₂, ne permettent pas une spécificité parfaite entre enzyme et substrat ! Qu'en pensent vos microscopes et vos équations ?

Prenez tout votre temps, j'ai attendu un milliard d'années, je patienterai bien encore quelques jours ! Merci à tous !

Ribulose bis-phosphate carboxylase, dite Rubisco, fournisseuse officielle de denrées à la vie terrestre






(Pour les fainéants, ma question est la suivante : Rubisco est une des plus vieilles enzymes à la surface de la terre. C'est aussi une des plus importantes. Or son affinité pour l'oxygène limite le rendement de la photosynthèse (par la photorespiration). Comment expliquer que l'évolution, qui a eu tout son temps, n'ait pas aboutit à une enzyme spécifique au CO₂ uniquement, obligeant les organismes à développer des stratégies somme toute assez complexes (plantes en C4, plantes CAM) pour pallier à ce problème ?)






Merci à tous pour votre réponse

Josquin
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[invite38f0db9e]

Salut !
Désolé, je n'ai lu que les 3 premières phrases de ton long discours sur la Rubisco (désolé, j'en ai bavé assez dans mes cours de physiologie végétale pour avoir ne serait-ce que l'envie de relire ça... ). Je pense que tu as la réponse à ta question en ce qui concerne la Rubisco ( Ribulose bis-phosphate carboxylase-OXYGENASE). En effet les plantes C3 sont les précurseurs des C4 et CAM. Si la nature n'a pas évolué dans le sens d'éliminer cette affinité de la Rubisco pour l'oxygène, c'est que cette affinité n'est pas si génante que ça dans l'absolue. C4 et CAM ne sont que des adaptations au milieu. Si les plantes n'ont pas dévellopé d'enzymes spécifiques aux CO2, c'est que ca n'était pas vitale pour leur survie.

C4 (adaptation à la photorespiration) et CAM(adaptation au stress hydrique) ne sont que des adaptations au milieu.

Ma réponse se résume alors ainsi, si les plantes C3 C4 et CAM, conservent la Rubisco comme enzyme principale de leur métabolisme(bien que PEPC soit aussi importante pour les deux autres types de plantes), c'est que la Rubisco reste quand même une enzyme très efficace et qu'elle suffit à leur survie.

D'autres idées me contredisant ou appuyant ma pseudo-théorie ?


Modifié par coco à la demande de l'auteur

[invite781caefd]

je suis aussi perplexe devant le genie biologique de la Rubisco. Aussi j'ai quelques réflexions après avoir mesuré, avec le marquage 18O2, l'énorme perte d'énergie occasionné par la consommation d'oxygène sous lumière chez les plantes C3 et CAM. (la moitié de l'oxygène péniblement dégagée par les chloroplastes pour générer l'énergie chimique de croissance par assimilatioin de CO2).
Vous trouverez ces réflexions sur l'évolution de la Rubisco à <http://photorespiration.fr>
http://photorespiration.fr/the_good_question.html

j'aimerais avoir des réactions et pouvoir discuter de tout cela

[invite781caefd]

je pense que la rubisco a évolué et est devunue indispensable car elle permet aux systèmes physico chimiques de continuer à tourner "à vide" pendant la fermeture des stomates et la carence en CO2. Par exemple les CAM peuvent fonctionner à bilan nul en produisant et réabsorbant de l'oxygène sous lumière intense, pendant des jours et des semaines (6 mois pour une plante de Namibie). Ceci est visible grâce au marquage isotopique 18O2 de l'atmosphère. Tout leurs systèmes biophysique et ensymatique restant en standby prêt à démarer à la moindre pluie.

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite781caefd]

Je re-découvre cette bonne question et je constate qu'elle ne passsionne pas les foules. Mes précédentes réponses continnent une erreur sur le site que je proposais (le www est oublié!). C'est www.photorespiration.fr
Voici une nouvelle réponse, plus détaillée:
Ayant travaillé avec le marqueur stable 18O2 sur la photorespiration, j'ai une hypothèse que j'ai développée dans un papier et dans un site (www.photorespiration.fr). J'ai ré-analysé l'effet de l'évolution sur les 4 paramètres de la rubisco en montrant l'intérêt et l'accroissment d'un facteur "oxygénation capacity" (VOmax/VCmax). En résumé, les 4 paramètres de la rubisco ont été sélectionnés progressivement pour utiliser positivement cette fatalité de compétition O2/CO2.
Les plantes supérieures ont deux stratégies; soit évitement de cette compétition par enrichissement en CO2 interne (surtout les C4)
soit combinaison des paramètres pour que, en cas de fermeture de stomates et extrême limitation en CO2 (manque d'eau) elles soient capables de dériver totalement l'énergie photochimique dans le cycle photorespiratoire. Dans les zones désetiques, seules les C3 et CAM sont pérennes.
J'ai montré que pendant 6 mois, les CAM du désert peuvent survivre ainsi avec un turn over important en O2 et un bilan CO2 presque nul. Après arrosage, en 2 jours elle reprennent un métabolism normal.
Les C4 survivent seulement par leur cycle + court et leur graines.