(Ciencias de Joseleg)(Biología)(Introducción y biología
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fotosíntesis) (Introducción)(Generalidades
de la fotosíntesis)(Física
de la fotosíntesis)(Destino
de los átomos en la fotosíntesis)(Reacciones
de la luz 1, la oxidación del agua)(Reacciones
de la luz 2, Cadena de transporte de electrones y fosforilación)(Introducción
a las reacciones de la oscuridad)(Etapa
de fijación de carbono en las plantas C3)(Etapa
de fijación de carbono en las plantas CAM y C4)(Etapa
de regeneración de la RuBP)(Etapa
de síntesis de carbohidratos)(Evolución
de la fotosíntesis)(Referencias
bibliográficas)(Versión
documento word)
Como hemos visto, las células
fotosintéticas producen O2 (mediante la división de H2O) y el
uso de CO2 para producir 3-fosfoglicerato con un cambio neto
gaseoso durante la fotosíntesis que puede escribirse de la siguiente manera:
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En la oscuridad las plantas
están llevando a cabo la respiración mitocondrial por la oxidación de sustratos
a CO2 y la conversión de O2 a H2O. Además de eso, hay otro proceso en las plantas que,
al igual que la respiración mitocondrial, consume O2 y produce
CO2 y, al igual que la fotosíntesis, es impulsado por la luz. Este proceso
se llama fotorespiración y es una costosa reacción secundaria de la
fotosíntesis. En esta sección describimos este proceso y las estrategias que
usan las plantas para minimizar sus consecuencias metabólicas.
Figura 22. La fotorespiración
es una ruta indeseable tanto para las plantas como para los agricultores, sin
embargo, los defectos intrínsecos de la rubisco hacen que químicamente sea
inevitable.
La enzima rubisco es
un dolor de cabeza, no solo es altamente ineficiente, también posee una
inespecificidad inamovible en el gas que sirve como sustrato de reacción.
Aunque en el contexto de la fotosíntesis siempre se la introduce como la enzima
que fija el dióxido de carbono, resulta que es mucho más ávida por el oxígeno. Sin
embargo, iniciaremos por el principio para entender el problema generado por esta
inespecificidad. Una de las moléculas identificadas por las cromatografías de
Calvin y colaboradores en su trabajo con células de algas fue el compuesto
glicolato, el cuál fue correctamente ignorado en la formulación del modelo de
reacciones del ciclo de Calvin. Mientras que el glicolato no hace parte del
ciclo de Calvin, si es un producto de la reactividad de la enzima rubisco.
Aparentemente solo después de 20 años desde que se
describiera la catálisis del rubisco usando un sustrato de dióxido de carbono
fue descrita la ruta alternativa en la que el rubisco logra catalizar al
oxígeno como sustrato. Esta segunda reacción, el rubisco integra una molécula
de oxígeno molecular a la RuBP sintetizando la 2-fosfoglicolato junto con PGA. El
2-fofoglicolato es subsecuentemente convertido a glicolato mediante una enzima
del estroma. El glicolato sintetizado en el estroma del cloroplasto es
posteriormente transportado al citoplasma, donde el peroxisoma convierte la
molécula de glicolato en moléculas de dióxido de carbono. Esto implica que la
planta empieza a perder biomasa en forma de carbonos. Este proceso se denomina
fotorespiración, debido a que el proceso involucra el consumo de oxígeno y la
producción de dióxido de carbono.
De lo anterior, se puede notar que la fotorespiracion es un
problema para que las plantas puedan adquirir biomasa, debido a la perdida en
forma de dióxido de carbono de sus moléculas RuBP del ciclo de Calvin. De
hecho, la fotorespiración puede causar la pérdida del 50% del carbono fijado por
una planta de cultivo bajo condiciones de cultivo y alta intensidad solar. Como
se podrá esperar, se ha concentrado una gran cantidad de esfuerzo por décadas
para poder impedir la pérdida de eficacia de la fotosíntesis debido a la
fotorespiración. Sin embargo, hasta el día de hoy los esfuerzos han sido en
vano. Al igual que la hemoglobina cuyo defecto hace que acople
irreversiblemente monóxido de carbono creando una asfixia química, la rubisco
en su misma naturaleza catalítica no puede evitar unirse al oxígeno. De hecho,
varios estudios han demostrado que la rubisco es mucho más afín para reaccionar
con el oxígeno que con el dióxido de carbono. Dado que la fotorespiración es una
característica inamovible de los sitos de reacciones de la rubisco, la solución
radica en regular la concentración de oxígeno. Las plantas que crecen en
ambientes cerrados con niveles elevados de dióxido de carbono no presentan
fotorespiración a niveles tan altos, por lo que pueden crecer mucho más rápido.
La ruta del glicolato
convierte dos moléculas de 2-fosfoglicolato en dos moléculas de glicina.
Glicina es en parte convertida en CO2 y NH3 por el complejo de la glicina descarboxilasa, con la
reducción concomitante de NAD a NADH:H y en parte convertido en serina vía hidroximetiltransferasa. La reacción
global se puede representar en la Figura 23.
La serina se convierte en hidroxipiruvato, en glicerato, y
finalmente en 3-fosfoglicerato, que se utiliza para regenerar la ribulosa
1,5-bisfosfato, completando el ciclo largo y caro. La actividad combinada de la
oxidasa de rubisco y la vía de glicolato consume O2
y produce CO2, de ahí el nombre de
fotorespiración. Este camino es quizás mejor llamada el ciclo de carbono
fotosintético oxidativo o ciclo C2. A diferencia de la respiración
mitocondrial, la "fotorrespiración" no conserva la energía y en
realidad puede reducir la formación de biomasa hasta el 50%. Esta ineficiencia
ha llevado a adaptaciones evolutivas en los procesos de asimilación de carbono,
particularmente en plantas que han evolucionado en climas cálidos y producen
oxígeno en cantidades importantes.
Figura 23. Ruta del glicolato
Ya hemos estudiado la primera mitad del ciclo de Calvin con lo
cual se obtiene el precursor de la glucosa o G3P, uno pensaría que ya está todo
dicho y hecho con respecto a la fotosíntesis, pero la verdad es que no tanto.
En 1965, Hugo Kortschak (COOMB, Baldry, & Bucke, 2016; Furbank, 2016; Hibberd & Furbank,
2016)
realizó un procedimiento experimental semejante al que Calvin y colaboradores
habían realizado para el descubrimiento de su emblemático ciclo, pero en esta
ocasión su modelo biológico no fue un alga verde, sino la caña de azúcar.
Figura 24. A la izquierda
tenemos el proceso de una planta C3 en la que el dióxido de carbono fluye por
difusión gaseosa desde el estoma a la célula en fotosíntesis. A la derecha
tenemos una planta C4 en la cual existe una célula de apoyo que secuestra el
dióxido de carbono a la fuerza empleando una proteína de fijado de carbono
diferente a la rubisco, y posteriormente transfiere este dióxido de carbono al
ciclo de Calvin de la célula fotosintética.
Cuando la caña de azúcar era puesta a fijar dióxido de
carbono catorce, se reportó en las cromatografías la presencia de compuestos
orgánicos de cuatro carbonos, en lugar de los típicos tres carbonos que
caracteriza a la fase de carga de energía del ciclo de Calvin. Análisis
posteriores revelaron que estos compuestos de cuatro carbonos “principalmente
malato y oxaloacetato” resultaban de la combinación del dióxido de carbono con
un compuesto llamado fosfofenolpiruvato “PEP” siendo este un segundo mecanismo
independiente al ciclo de Calvin para fijar dióxido de carbono.
El dióxido de carbono se une al fosfofenolpiruvato o PEP
mediante la acción catalítica de la enzima fosfofenolpiruvato carboxilasa,
siendo este el primer paso de la ruta metabólica de las plantas C4, análogo a
la reacción del rubisco en el ciclo de Calvin. Mientras que el producto de las
dos reacciones con rubisco son moléculas de tres carbonos, el producto de la
reacción con la PEP carboxilasa es un compuesto de cuatro carbonos, es por esta
razón que las plantas equipadas con esta ruta metabolica son denominadas
plantas C4. El fosfofenolpiruvato se cliva en el proceso, el piruvato se une al
dióxido de carbono, mientras que el fosfofenol queda anclado para recibir piruvato
que haya sido liberado cuando se completa la ruta metabólica C4.
En una célula normal, la molécula de dióxido de carbono
realiza transporte pasivo a través de membrana, es decir, su concentración en
el interior de la célula dependerá mucho de la concentración en el exterior de
la célula. Las plantas C4 evitan esto, una vez que el producto de cuatro
carbonos se ha formado en el exterior de las células fotosintéticas, son
transportados a través del plasmodesmo en la zona cercana a la pared celular.
Allí unas células especializadas desacoplan el producto de cuatro carbonos
transformándolo nuevamente en piruvato libre y en dióxido de carbono gaseoso,
pero en concentraciones elevadas a comparación con el ambiente externo.
Figura 25. En las plantas C4
el dióxido de carbono se fija dos veces, una en el exterior del sistema, y la
segunda en el interior del sistema. Debido a que es una fijación enzimática la
cantidad de dióxido de carbono liberada en el interior del sistema es superior,
potenciando la actividad de la rubisco.
Figura 26. En las plantas C4
hablamos de dos ciclos de reacciones, el externo o de apoyo es de cuatro
carbonos y se encuentra en las células del mesófilo, las cuales se encuentran
en una capa externa de la hoja, mientras que las células fotosintéticas se
encuentran en el interior, recibiendo en dióxido de carbono proporcionado por
el ciclo de 4 carbonos para ingresarlo al ciclo de Calvin.
Una vez allí el dióxido de carbono se difunde más rápido
entre las células fotosintéticas para que la rubisco pueda operar a total
capacidad. La concentración de dióxido de carbono próximo a las células
fotosintéticas en las plantas C4 puede ser con facilidad 100 veces mayor a la
de una planta C3. Decimos a total capacidad debido a que los experimentos que
han intentado probar que las plantas C4 realizan la fotorespiración han
fracasado, en otras palabras, aun si las plantas C4 realizan algo de
fotorespiración “ineficiencia de la enzima rubisco” sus niveles son tan bajos
que actualmente no son medibles.
Cuando una planta es ubicada en una cámara cerrada y su
actividad fotosintética es monitoreada en tiempo real, se encontró que una vez
que esta reduce los niveles de dióxido de carbono a un punto crítico, esta
empieza a fotorespirar. Esto se debe a que la concentración de oxígeno empieza
a ser mayor que la de dióxido de carbono, y la enzima rubisco presenta la falla
catastrófica de generar una desviación del ciclo de Calvin cuando existen altas
concentraciones de oxígeno. Esta desviación conocida como fotorespiración
conlleva a la pérdida de 5 carbonos por oxígeno fijado, en lugar de la ganancia
de un carbono por cada dióxido de carbono fijado.
Es por esta razón que las plantas C3 requieren de ambientes
relativamente pobres en luz o en su defecto de ambientes con niveles de dióxido
de carbono en niveles mínimos necesarios para llevar a cabo su fotosíntesis
normalmente. En las zonas templadas, con la llegada del invierno y menores
cantidades de luz, resulta poco probable que se produzcan grandes cantidades de
oxígeno todo el año, y de este modo las plantas no se autoinhiben. El valor de
la ruta C4 se vuelve aparente en las zonas tropicales donde las tasas de
fotosíntesis son altas y estables durante la mayoría del año. En estos
ambientes, las plantas deben afrontar tres problemas, la desecación por
evaporación, la fotoinhibición y la fotorespiración.
El segundo problema es resuelto mediante el incremento de la
cantidad de carotenoides en las antenas fotosintéticas y al incremento en la
concentración de otros compuestos químicos antioxidantes. El primer y el tercer
problema se resuelven con la ruta C4. La ruta de fijación de carbonos C4 no es
totalmente independiente al ciclo de Calvin, análisis posteriores revelaron que
el destino final del carbono fijado en PEP no era otra que la reacción con
rubisco. En otras palabras, la ruta C4 es solo una actualización sobre la ruta
C3. La PEP carboxilasa se encuentra ubicada en las células del mesófilo mas
externas de la hoja de la planta, por lo que pueden capturar dióxido de carbono
aun cuando el estoma está prácticamente cerrado, impidiendo así la perdida de
agua durante el día.
Debido a que la captura de dióxido de carbono se realiza a
nivel enzimático y no por la espera de la lenta difusión del gas desde la
atmosfera al interior de la hoja por medio del estoma, la tasa con que la
rubisco empieza a fijar carbonos es incomparablemente más alta que la que
ocurre con las plantas que únicamente tienen la ruta metabólica C3. Las plantas
que presentan la ruta C4 generalmente son pastos tropicales de crecimiento
rápido y que tienden a almacenar grandes cantidades de carbohidratos en sus
tejidos como la caña de azúcar, el maíz y el sorgo. La ruta metabólica C4 es
más eficiente que la C3 solo en ambientes secos y con grandes cantidades de
luz. Esto es porque la ruta C4 también consume más energía para poder
instaurarse, y esta energía en últimas proviene del Sol. En ambientes templados
con estaciones muy marcadas, las enzimas de la ruta C4 serían inútiles, pues no
hay luz durante una buena parte del año. Esto ha hecho que los pastos
tropicales de crecimiento rápido y de alta producción de azucares se encuentren
limitados biogeograficamente a las regiones tropicales del planeta.
Dado que la ruta C4 se construye sobre la C3, es decir, las
enzimas C4 solo sirven para construir una concentración elevada de dióxido de
carbono en el microambiente fotosintético para que la rubisco opere a total
potencia, la síntesis de carbohidratos en las plantas C4 es exactamente igual
que en las plantas C3, con la diferencia de que la producción de carbohidratos
y de biomasa es en varios ordenes de magnitud, mayor. Actualmente se está
realizando investigación transgénica con el fin de transmitir la maquinaria
molecular de las plantas C4 como el maíz a plantas C3 con el arroz con el fin
de incrementar la productividad de los cultivos sin la necesidad de adicionar
más fertilizantes al suelo, con sus conocidos efectos de eutrofización.
Muchas plantas del desierto como los cactus, poseen una
adaptación bioquímica que les permite sobrevivir en ambientes muy secos y
calientes. Estas plantas son denominadas plantas CAM. Las plantas CAM utilizan
una enzima llamada Carboxilasa de PEP para igual que en las plantas C4. A
diferencia de las plantas C4, las plantas CAM SI llevan a cabo la fijación de
carbono en diferentes tipos del día en lugar de diferentes partes de la planta.
Mientras que en las plantas C3 y C4 el concepto de reacciones de oscuridad es
imposible, ya que ambos procesos están vinculados mediante el proceso de
regulación redox, las plantas CAM si llevan a cabo las reacciones de fijación
de carbono en la oscuridad.
Figura 27. En las plantas CAM
el carbono se fija de manera reversible en la noche gracias al mismo mecanismo
de las plantas C4, pero en lugar de que el carbono se dirija inmediatamente al
ciclo de Calvin, este es almacenado en la vacuola hasta la llegada del día,
entonces si es reconvertido a dióxido de carbono en el interior de la planta,
lo cual permite su ingreso al ciclo de Calvin.
Las plantas CAM fijan carbono durante la noche mediante la
apertura de sus estomas y con el apoyo extra de la carboxilasa de PEP. La
fijación de carbono en la noche NO ingresa directamente en el ciclo de Calvin,
por el contrario, el carbono fijado es almacenado en forma de malato y almacenado
en la vacuola durante la noche. Cuando llega el día y la disponibilidad de ATP
y electrones de alta energía vuelven a estar disponibles, el malato es
liberado, se degrada para liberar el dióxido de carbono y reingresa rápidamente
al ciclo estándar de Calvin. Las plantas CAM segregan sus procesos metabólicos,
en base a las rutas C4 y C3; pero en cualquier momento, el carbono fijado
siempre es reconvertido a dióxido de carbono y luego conducido por la rubisco
al ciclo de Calvin. Por lo anterior se puede decir que la síntesis de
carbohidratos es igual a la de las plantas C3, solo que con eficiencia en
ambientes muy secos como los desiertos.
