Rubisco是一种催化碳固定的酶，通过卡尔文循环（又称卡尔文–本森–巴沙姆循环）将无机二氧化碳并入有机化合物。它的全称是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，描述了两种相互竞争的反应：向同一种糖磷酸底物中加入二氧化碳或氧。Rubisco在光合作用中居于核心地位，将大气中的碳转化为生物体的物质。它的催化速率相对较慢，而且还会催化加氧反应，因此是影响光合作用效率的重要因素。(arxiv.org)
分布与生物学作用
Rubisco是一种含量极为丰富的蛋白质，存在于植物、藻类、蓝细菌以及其他多种细菌中。在利用卡尔文循环的植物和藻类中，它在叶绿体内发挥作用，但其组织形式因类群而异。一些不进行光合作用的微生物也利用Rubisco，因此拥有这种酶并不一定意味着能够捕获光能。植物大量合成Rubisco，有助于弥补其催化速率有限的不足；这种酶可占叶片蛋白质的相当大一部分。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
Rubisco催化的是碳进入卡尔文循环的反应，而不是直接生成糖。随后，循环中的其他反应将已固定的碳还原，并再生Rubisco的底物。因此，它对光合作用的贡献取决于二氧化碳、底物和能量的协调供应，而不只是酶的含量。(arxiv.org)
羧化与加氧
Rubisco的底物是核酮糖-1,5-二磷酸，通常缩写为RuBP，这是一种带有两个磷酸基团的五碳化合物。在羧化反应中，Rubisco先生成烯二醇负离子中间体，再加入二氧化碳，并将所形成的六碳中间体转化为两分子3-磷酸甘油酸。卡尔文循环后续的反应利用三磷酸腺苷（ATP）和还原力，将这些产物转化为碳水化合物的前体。Rubisco本身在这一催化反应中并不直接消耗ATP。(osti.gov)
另一种情况是，氧与结合在酶上的中间体发生反应。这种加氧反应生成一分子3-磷酸甘油酸和一分子2-磷酸乙醇酸。后者不能直接进入卡尔文循环，必须通过光呼吸进行处理。在植物中，这条回收途径涉及叶绿体、过氧化物酶体和线粒体。它能回收大部分碳，但会消耗能量并释放一部分二氧化碳，因此与仅发生羧化反应相比，净碳同化量会降低。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
两种反应之间的平衡取决于气体浓度和酶的性质。二氧化碳供应不足时，加氧反应相对于羧化反应更占优势。温度升高通常会使光呼吸的相对作用增强，但具体响应取决于Rubisco的类型和生理条件。因此，只有结合反应速率及其所处环境，Rubisco区分这两种气体的能力才具有实际意义。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
分子结构与多样性
常见的植物Rubisco属于Ⅰ型，通常为L₈S₈复合物，由八个大亚基和八个小亚基组成。每个大亚基的分子量约为50–55千道尔顿，每个小亚基约为12–18千道尔顿。催化位点位于成对大亚基之间的界面上。小亚基虽然不提供主要的催化结构，却参与复合物的组装，并影响其催化性质。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在陆生植物中，大亚基基因rbcL位于叶绿体基因组中，而统称为RBCS的小亚基基因则位于细胞核中。小亚基在叶绿体外合成，随后被运入叶绿体，因此这种酶的合成需要不同遗传区室之间的协调。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
其他分子类型进一步丰富了Rubisco的多样性。Ⅱ型没有小亚基，存在于某些细菌和甲藻中。Ⅲ型尤其常见于古菌，可参与核苷酸相关代谢，而非传统的光合卡尔文循环。与之相关的Ⅳ型蛋白质通常称为类Rubisco蛋白：它们与Rubisco具有共同的进化和结构特征，却不能催化Rubisco特有的RuBP羧化反应。因此，在分类上，需要将具有催化功能的Rubisco与执行其他功能的相关蛋白质区分开来。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
组装、活化与调控
植物要生成具有活性的Rubisco，必须借助辅助因子完成蛋白质折叠和组装。伴侣蛋白帮助大亚基折叠，其他因子则引导它们组装成成熟的复合物。这些要求曾长期使植物Rubisco在细菌宿主中的表达变得困难。2017年，研究人员通过共同表达多种叶绿体分子伴侣，在大肠杆菌（Escherichia coli）中成功表达了具有功能的拟南芥（Arabidopsis thaliana）Rubisco。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在催化开始之前，一个特定的赖氨酸残基必须由二氧化碳分子进行氨基甲酰化；该二氧化碳分子并不是作为底物参与反应的二氧化碳。所形成的基团与镁离子配位，从而建立具有催化活性的构型。不过，糖磷酸仍可能占据催化位点并抑制酶的活性。Rubisco活化酶利用ATP驱动的结构重塑来释放这些抑制物，使Rubisco恢复活性。因此，活化酶的作用是维持Rubisco的催化能力，而不是自身执行碳固定。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
碳浓缩与实验性工程改造
生物可以通过改变Rubisco周围的环境，提高其实际工作效率。在C3光合作用中，Rubisco固定碳时不依赖专门的C4浓缩途径。C4光合作用通过分布于不同细胞类型中的反应来浓缩二氧化碳，而景天酸代谢则在时间上将最初的碳吸收与卡尔文循环中的碳同化分开。这两种方式都能增加Rubisco附近的二氧化碳供应，从而减少加氧反应。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
蓝细菌将Rubisco集中在称为羧酶体的蛋白质区室内，并将这一组织方式与无机碳积累相结合。工程研究既探索对酶本身进行改造，也尝试将碳浓缩系统转移到植物中。2018年，研究人员在烟草叶绿体中组装出了含有外源蓝细菌Rubisco的简化羧酶体；这些植物能够在高二氧化碳条件下自养生长。这一成果证明了相关区室能够组装，但并不意味着已实现可在普通大气条件下运行的完整碳浓缩机制。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)