リブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ
リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（RubisCO）は、植物をはじめとする光合成生物や一部の化学合成独立栄養細菌において、炭素固定の中心的役割を担う酵素です。特に光合成の初期段階であるカルビン・ベンソン回路において、大気中の二酸化炭素（CO2）を有機物として取り込む唯一の酵素反応を触媒します（EC番号 4.1.1.39）。その量は膨大で、地球上で最も多く存在するタンパク質ともいわれ、例えばホウレンソウの葉の可溶性タンパク質の5〜10%を占めます。
正式にはリブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼと呼ばれますが、この酵素はリブロース1,5-ビスリン酸（RuBP）にCO2を結合させるカルボキシラーゼ活性だけでなく、酸素（O2）を結合させるオキシゲナーゼ活性も持ち合わせています。この二つの反応はRuBPを基質として競合するため、「カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ」と併記されるのが一般的です。長い名称から、RubisCO（ルビスコ）と略称されることがほとんどです。他に、RuBPカルボキシラーゼなどの別名もあります。
RubisCOは主に以下の二つの反応を触媒します。
1. カルボキシラーゼ反応:
RuBP（炭素5個）にCO2（炭素1個）と水が結合し、2分子の3-ホスホグリセリン酸（それぞれ炭素3個）を生成します。この反応は光合成における炭素固定の第一段階であり、不可逆的に進行します。補因子としてマグネシウムイオン（Mg2+）が必須です。カルビン・ベンソン回路はこのRubisCOによる炭素固定反応によって開始され、その速度が全体の調節に大きく関わっています。
この反応はいくつかのステップを経て進行します。まずRuBPが酵素上でエンジオール型中間体になります。次に、活性中心に結合したCO2（基質とは別の分子）がMg2+と複合体を形成し、酵素が活性化されます。この活性型酵素上で、エンジオール型中間体に基質となるCO2が付加して中間生成物を経て、最終的に加水分解により2分子の3-ホスホグリセリン酸が生成します。驚くべきことに、RubisCOは酵素としての触媒速度（分子活性）が非常に遅く、1分子の酵素が1秒間に処理できるCO2分子はわずか3つ程度です。
2. オキシゲナーゼ反応:
RuBPにO2が結合し、1分子の3-ホスホグリコール酸と1分子の3-ホスホグリセリン酸を生成します。この反応自体ではCO2は直接生成しませんが、生成した3-ホスホグリコール酸はペルオキシソームやミトコンドリアでの代謝経路を経てCO2を放出します。これは光合成中にCO2をロスする「光呼吸」と呼ばれる現象の主要な原因であり、植物の生育速度を低下させる要因となります。
オキシゲナーゼ反応のステップはカルボキシラーゼ反応と類似しており、RuBPがエンジオール型中間体になる過程、Mg2+との複合体形成など共通点が多く見られます。このような類似性が、両反応が競合する要因の一つと考えられています。
RubisCOがオキシゲナーゼ活性を持つようになった背景には、地球の大気組成の変化が関与していると考えられています。初期の地球大気はCO2濃度が高くO2濃度が低かったためこの欠点は問題になりませんでしたが、植物の進化によりO2濃度が上昇しCO2濃度が低下したことで、オキシゲナーゼ活性が顕在化し、光呼吸という形で植物の成長を妨げるようになりました。RubisCOのカルボキシラーゼ活性とオキシゲナーゼ活性の相対的な強さは、大気中のCO2濃度とO2濃度の比率に影響されます。
RubisCOの活性は、光条件によって間接的に制御されています。光が当たると葉緑体内のチラコイド膜でプロトンの輸送が起こり、ストロマのpHが上昇して弱アルカリ性になります。ストロマに存在するRubisCOは、このpH上昇や、同時にストロマに輸送されるMg2+によって活性化されます。また、重炭酸イオン（HCO3-）の濃度上昇による活性の向上（アロステリック効果）や、RubisCO活性化酵素による制御も受けます。夜間に蓄積する2-カルボキシアラビニトール一リン酸のような阻害物質の存在量も活性調節に関わっています。これらの要因が光の有無によって変化することで、RubisCOの炭酸固定活性が調節されています。
RubisCOは、陸上植物、藻類、シアノバクテリア、光合成細菌、化学合成独立栄養細菌、一部の古細菌など、幅広い生物に分布しており、その構造や性質によって主にForm I、Form II、Form III、RubisCO-like protein（Form IV）に分類されます。
Form I: 大サブユニット8個と小サブユニット8個からなる大きな複合体（ヘテロ16量体）です。主に酸素発生型の光合成生物（植物、藻類、シアノバクテリアなど）に存在し、比較的高酸素濃度下でのCO2固定に適応しています。
Form II: 大サブユニットに相当するホモ2量体構造をとります。渦鞭毛藻類や一部の光合成細菌などが持ち、Form Iよりも原始的なタイプと考えられています。
Form III: 主に一部の古細菌に見られ、大サブユニットのホモ10量体構造をとるなど、他のFormとは構造やアミノ酸配列の相同性が大きく異なります。
Form IV: RubisCOと類似した構造を持つRubisCO-like proteinで、細菌や古細菌の一部に見られます。RubisCOの触媒に必須なアミノ酸を欠いており、硫黄代謝など新規の機能に関与していることが示唆されています。
RubisCOは地球上で最も多量に存在するタンパク質であることから、古くから構造生物学の研究対象となってきました。X線結晶構造解析などにより、Form I、II、IIIそれぞれの詳細な立体構造が明らかになっています。Form Iでは大サブユニットに触媒部位があり、小サブユニットは活性調節に関わると考えられています。触媒反応の詳細は、活性中心に特定のCO2（基質ではない）が結合してリシン残基がカルバミル化され、これにMg2+が結合することで酵素が活性型となり、基質であるRuBPとCO2（これが炭素固定される）が反応する、という段階を経て進行することが分かっています。
RubisCOは、カルビン・ベンソン回路の律速段階であること、オキシゲナーゼ活性による光呼吸を引き起こすことなど、植物の炭素固定効率を低下させる欠点を抱えています。これらの欠点を克服し、RubisCOの触媒速度やCO2特異性を向上させることは、食糧増産やバイオ燃料生産効率の向上、さらには地球温暖化対策に貢献する可能性を秘めており、世界中で精力的に研究が進められています。遺伝子改変技術などを利用して、より理想的なRubisCOを開発しようとする試みが続けられています。
正式にはリブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼと呼ばれますが、この酵素はリブロース1,5-ビスリン酸（RuBP）にCO2を結合させるカルボキシラーゼ活性だけでなく、酸素（O2）を結合させるオキシゲナーゼ活性も持ち合わせています。この二つの反応はRuBPを基質として競合するため、「カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ」と併記されるのが一般的です。長い名称から、RubisCO（ルビスコ）と略称されることがほとんどです。他に、RuBPカルボキシラーゼなどの別名もあります。
主要な触媒反応
RubisCOは主に以下の二つの反応を触媒します。
1. カルボキシラーゼ反応:
RuBP（炭素5個）にCO2（炭素1個）と水が結合し、2分子の3-ホスホグリセリン酸（それぞれ炭素3個）を生成します。この反応は光合成における炭素固定の第一段階であり、不可逆的に進行します。補因子としてマグネシウムイオン（Mg2+）が必須です。カルビン・ベンソン回路はこのRubisCOによる炭素固定反応によって開始され、その速度が全体の調節に大きく関わっています。
この反応はいくつかのステップを経て進行します。まずRuBPが酵素上でエンジオール型中間体になります。次に、活性中心に結合したCO2（基質とは別の分子）がMg2+と複合体を形成し、酵素が活性化されます。この活性型酵素上で、エンジオール型中間体に基質となるCO2が付加して中間生成物を経て、最終的に加水分解により2分子の3-ホスホグリセリン酸が生成します。驚くべきことに、RubisCOは酵素としての触媒速度（分子活性）が非常に遅く、1分子の酵素が1秒間に処理できるCO2分子はわずか3つ程度です。
2. オキシゲナーゼ反応:
RuBPにO2が結合し、1分子の3-ホスホグリコール酸と1分子の3-ホスホグリセリン酸を生成します。この反応自体ではCO2は直接生成しませんが、生成した3-ホスホグリコール酸はペルオキシソームやミトコンドリアでの代謝経路を経てCO2を放出します。これは光合成中にCO2をロスする「光呼吸」と呼ばれる現象の主要な原因であり、植物の生育速度を低下させる要因となります。
オキシゲナーゼ反応のステップはカルボキシラーゼ反応と類似しており、RuBPがエンジオール型中間体になる過程、Mg2+との複合体形成など共通点が多く見られます。このような類似性が、両反応が競合する要因の一つと考えられています。
RubisCOがオキシゲナーゼ活性を持つようになった背景には、地球の大気組成の変化が関与していると考えられています。初期の地球大気はCO2濃度が高くO2濃度が低かったためこの欠点は問題になりませんでしたが、植物の進化によりO2濃度が上昇しCO2濃度が低下したことで、オキシゲナーゼ活性が顕在化し、光呼吸という形で植物の成長を妨げるようになりました。RubisCOのカルボキシラーゼ活性とオキシゲナーゼ活性の相対的な強さは、大気中のCO2濃度とO2濃度の比率に影響されます。
活性の調節
RubisCOの活性は、光条件によって間接的に制御されています。光が当たると葉緑体内のチラコイド膜でプロトンの輸送が起こり、ストロマのpHが上昇して弱アルカリ性になります。ストロマに存在するRubisCOは、このpH上昇や、同時にストロマに輸送されるMg2+によって活性化されます。また、重炭酸イオン（HCO3-）の濃度上昇による活性の向上（アロステリック効果）や、RubisCO活性化酵素による制御も受けます。夜間に蓄積する2-カルボキシアラビニトール一リン酸のような阻害物質の存在量も活性調節に関わっています。これらの要因が光の有無によって変化することで、RubisCOの炭酸固定活性が調節されています。
多様な存在形態
RubisCOは、陸上植物、藻類、シアノバクテリア、光合成細菌、化学合成独立栄養細菌、一部の古細菌など、幅広い生物に分布しており、その構造や性質によって主にForm I、Form II、Form III、RubisCO-like protein（Form IV）に分類されます。
Form I: 大サブユニット8個と小サブユニット8個からなる大きな複合体（ヘテロ16量体）です。主に酸素発生型の光合成生物（植物、藻類、シアノバクテリアなど）に存在し、比較的高酸素濃度下でのCO2固定に適応しています。
Form II: 大サブユニットに相当するホモ2量体構造をとります。渦鞭毛藻類や一部の光合成細菌などが持ち、Form Iよりも原始的なタイプと考えられています。
Form III: 主に一部の古細菌に見られ、大サブユニットのホモ10量体構造をとるなど、他のFormとは構造やアミノ酸配列の相同性が大きく異なります。
Form IV: RubisCOと類似した構造を持つRubisCO-like proteinで、細菌や古細菌の一部に見られます。RubisCOの触媒に必須なアミノ酸を欠いており、硫黄代謝など新規の機能に関与していることが示唆されています。
立体構造と触媒機構
RubisCOは地球上で最も多量に存在するタンパク質であることから、古くから構造生物学の研究対象となってきました。X線結晶構造解析などにより、Form I、II、IIIそれぞれの詳細な立体構造が明らかになっています。Form Iでは大サブユニットに触媒部位があり、小サブユニットは活性調節に関わると考えられています。触媒反応の詳細は、活性中心に特定のCO2（基質ではない）が結合してリシン残基がカルバミル化され、これにMg2+が結合することで酵素が活性型となり、基質であるRuBPとCO2（これが炭素固定される）が反応する、という段階を経て進行することが分かっています。
機能改良への挑戦
RubisCOは、カルビン・ベンソン回路の律速段階であること、オキシゲナーゼ活性による光呼吸を引き起こすことなど、植物の炭素固定効率を低下させる欠点を抱えています。これらの欠点を克服し、RubisCOの触媒速度やCO2特異性を向上させることは、食糧増産やバイオ燃料生産効率の向上、さらには地球温暖化対策に貢献する可能性を秘めており、世界中で精力的に研究が進められています。遺伝子改変技術などを利用して、より理想的なRubisCOを開発しようとする試みが続けられています。
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