fisiologia vegetal aspectos basicos

5/28/2018 Fisiologia Vegetal Aspectos Basicos

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Reduca(Biologa). Serie Fisiologa Vegetal. 2 (3): 1-47, 2009.ISSN: 1989-3620

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Fotosntesis: Aspectos Bsicos

Elena Prez-Urria Carril

Facultad de Ciencias Biolgicas. Universidad Complutense de [email protected]

Resumen: La fotosntesis es un proceso fsico-qumico por el cual plantas, algas,bacterias fotosintticas y algunos protistas como diatomeas utilizan la energa de la luzsolar para sintetizar compuestos orgnicos. Se trata de un proceso fundamental para lavida sobre la tierra y tiene un profundo impacto sobre la atmsfera y el clima

terrestres: cada ao los organismos con capacidad fotosinttica convierten encarbohidratos ms del 10% del dixido de carbono atmosfrico. El conocimiento bsicode este proceso es esencial para entender las relaciones entre los seres vivos y laatmsfera as como el balance de la vida sobre la tierra.

Palabras clave: Fotosntesis. Organismos fotosintticos. Cloroplastos. Membranas.Pigmentos fotosintticos. Luz solar. Energa solar. Absorcin de luz. ATP. NADPH.Sacarosa. Almidn. CO2. O2. C4. CAM.

EL SIGNIFICADO DE LA FOTOSNTESIS

Se define fotosntesis como un proceso fsico-qumico por el cual las plantas, lasalgas y las bacterias fotosintticas utilizan la energa de la luz solar para sintetizarcompuestos orgnicos.

En plantas, algas y en algunos tipos de bacterias fotosintticas el procesoconlleva la liberacin de oxgeno molecular y la utilizacin de dixido de carbonoatmosfrico para la sntesis de compuestos orgnicos. A este proceso se le denominafotosntesis oxignica.

Sin embargo, algunos tipos de bacterias utilizan la energa de la luz para formarcompuestos orgnicos pero no producen oxgeno. En este caso se habla de fotosntesisanoxignica.

El conocimiento de este proceso es esencial para entender las relaciones de losseres vivos y la atmsfera, y para entender el balance de la vida sobre la tierra, dado elprofundo impacto que tiene sobre la atmsfera y el clima terrestres. Esto significa queel aumento de la concentracin de dixido de carbono atmosfrico generado por laactividad humana, tiene un gran impacto sobre la fotosntesis.

Desde el punto de vista evolutivo, la aparicin de la fotosntesis oxignica supusouna verdadera revolucin para la vida sobre la tierra: cambi la atmsfera terrestre


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enriquecindola, hecho que posibilit la aparicin de organismos que utilizan eloxgeno para vivir.

Qu aprender sobre fotosntesis? Naturalmente, todo. Pero en cualquier

proceso y etapa educativa, todo no se aprende de inmediato. Quiz la verdaderanovedad e innovacin en un proceso de aprendizaje consista en entender, paraempezar, de dnde salen las cosas y qu significan.

Todos los organismos vivos se agrupan en tres grandes grupos o dominios:Archaea, Bacteria y Eucarya, teniendo todos ellos un antecesor comn. Cuandohablamos de fotosntesis hablamos de los organismos que realizan este proceso, esdecir, organismos fotosintetizadores, y pertenecen al dominio Bacteria (son lasbacterias fotosintticas) y al dominio Eucarya (algas, plantas y algunos protistas)). Sinos fijamos en ellos, comprobamos que la aparicin y el desarrollo de la fotosntesis

est ntimamente ligado al desarrollo de la vida sobre la tierra (Fig.1).

Figura 1. Origen de la fotosntesis y organismos con capacidad fotosinttica.

Las cosas no siempre han sido como nosotros las conocemos; la evolucin de latierra, la evolucin de la atmsfera primitiva, la evolucin de los metabolismosprimitivos, constituye un entramado de acontecimientos que conduce hasta unasbacterias fotosintetizadotas, no las primeras bacterias y tampoco la primera

fotosntesis, que realizan fotosntesis liberando oxgeno a la atmsfera, incrementandosu concentracin y posibilitando la gran explosin de los hetertrofos. Se puede decir


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que la caracterstica principal de la atmsfera durante el Arqueozoico que dur hastahace 2500 millones de aos, era que el aire a penas contena trazas de oxgeno. Perohubo vida antes. Y hay acuerdo en que el aire que respiramos actualmente, con un21% de oxgeno, es producto de la actividad biolgica de la tierra y muy diferente a

como debi ser la atmsfera de la tierra primitiva. Si aceptamos como verdaderos losmicrofsiles de cianobacterias encontrados en rocas australianas de hace unos 3500millones de aos, esto indicara que desde ese momento haba organismos,cianobacterias, liberando oxgeno a la atmsfera mediante fotosntesis, aunque segnlas evidencias no se produjo un aumento apreciable del mismo hasta hace unos 2500millones de aos.

Antes de existir oxgeno en la atmsfera, el ambiente de las primeras formas devida era anaerobio. Estos primeros organismos no tenan capacidad para sintetizar suspropios nutrientes orgnicos y tomaban del medio lo que ya estaba sintetizado. Eran

hetertrofos. Estos hetertrofos primitivos seguan alimentndose del medio, pero elmedio iba cambiando: la tierra se iba enfriando, iba disminuyendo la radiacinultravioleta que alcanzaba la superficie terrestre, etc. Y en este escenario se produjoun cambio que consisti en ser capaz de sintetizar las molculas energticas. Entonceslos organismos se hacen auttrofos. En todo caso, estamos hablando de nutricin, esdecir, de los componentes necesarios para la supervivencia, o lo que es lo mismo, defuentes de carbono, nitrgeno, hidrgeno y energa. Y dependiendo de cules sonestas fuentes, denominamos a los distintos organismos (Fig. 2).

Figura 2. Relacin entre fotosntesis y nutricin. Tipos de nutricin, fuentes de energa y de carbono.


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Para los organismos primitivos que vivan en anaerobiosis el oxgeno era unveneno como lo es hoy para los anaerobios estrictos. Pero los organismos encontraronla forma de neutralizar este efecto a travs de molculas tales como la superxidodismutasa o los derivados de isoprenoides y porfirinas. La porfirina es un tetrapirrol al

que se une covalentemente un tomo metlico y dependiendo de cul sea ste, seforman molculas funcionalmente distintas: si se trata de hierro, se forman citocromosrelacionados con la respiracin anaerobia; si se une magnesio, se forman clorofila ybacterioclorofila, molculas capaces de absorber luz e indispensables para lafotosntesis. De manera que una molcula que, en principio, pareca destinada a laproteccin frente a la toxicidad del oxgeno, evolucion para permitir un procesoqumico que liberar toneladas de oxgeno a la atmsfera.

Sabiendo que el proceso fotosinttico puede ser anoxignico y oxignico, enbacterias el primero y en cianobacterias, algas y plantas el segundo, consideremos los

elementos que intervienen en el proceso (Fig. 3):

Figura 3. Elementos bsicos de la fotosntesis anoxignica y oxignica.

Para que el proceso fotosinttico ocurra, para que se inicie la fase fotoqumica(conversin de la energa de la luz en energa qumica), lo primero que tienen que

hacer los organismos es captar la luz. Las molculas que intervienen en ello son lospigmentos fotosintticos, los cuales se organizan, se colocan, en una membrana: la


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membrana plasmtica en bacterias, y la membrana tilacoidal de los cloroplastos decianobacterias, algas y plantas.

CAPTACIN DE LUZ Y TRANSPORTE FOTOSINTTICO DE ELECTRONES

Todos los organismos con capacidad fotosinttica contienen uno o mspigmentos capaces de absorber radiacin visible que desencadena las reaccionesfotoqumicas de la fotosntesis. Estos pigmentos se pueden extraer de los organismosque los contienen con alcohol o con disolventes orgnicos (recordemos su naturalezaqumica).

Pero las propiedades de los pigmentos fotosintticos in vivo, es decir, en lostilacoides en el caso de plantas (recordemos su localizacin en otros organismos

fotosintticos), difieren de sus caractersticas en solucin quedando este hechoreflejado en los espectros de absorcin. Por ejemplo, la clorofila a extrada con ter(por tanto en solucin en ter) presenta un nico mximo a 660nm en la zona del rojo.Sin embargo, en tilacoides se detectan tres mximos de absorcin debidos a chl a parade 673, 680 y 700 nm.Cmo puede explicarse este hecho si en los tilacoides existeuna sola clase de chl a?

Parte de la energa luminosa absorbida por clorofilas y carotenoides se almacenaal final del proceso fotosinttico como energa qumica. La mayora de los pigmentosactan como una antena (en un complejo antena) captando la luz y transfiriendo la

energa (proceso fsico) al centro de reaccin al que estn asociados y donde setransfieren electrones desde la clorofila a una molcula aceptora de electrones(proceso qumico) (Fig. 4).

Figura 4. Estructura y funcionamiento de los pigmentos antena.


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Se piensa que la energa de excitacin se transfiere desde la clorofila queabsorbe la luz hasta el centro de reaccin por resonancia (recordemos que es unmecanismo de transferencia de energa que no implica radiacin, no requiere contactofsico entre molculas y no implica transferencia de electrones).

Los pigmentos en el complejo antenaestn ordenados de manera que canalizanla energa absorbida hacia el centro de reaccin (CR) (Fig. 5).

Figura 5. Funcionamiento del complejo antena.

En realidad, en todos los eucariotas fotosintticos que contienen clorofilas a y b,stas forman agregados entre s y con protenas integrales de la membrana tilacoidalformando complejos pigmento-protena. En consecuencia podemos decir que elcomplejo antena es por tanto una protena-pigmento transmembrana. Los complejosantena tambin se denominan LHC, del ingls Light Harvesting Complex, o complejocolector o captador de luz. En los procariotas fotosintticos, el lugar de estas

reacciones es la membrana plasmtica o bien membranas derivadas de ella.

Existen dos complejos fotoqumicos denominados fotosistema I (PSI) yfotosistema II (PSII)en los que tienen lugar las reacciones iniciales de almacenamientode energa. Si ambos fotosistemas funcionan en serie se producen dos reaccionesfotoqumicas en serie. El PSIabsorbe luz del rojo lejano de 700nm(longitudes de ondasuperiores a 680 nm), produce un reductor fuerte capaz de reducir NADP+ y unoxidante dbil. El PSIIabsorbe luz del rojo de 680nm, produce un oxidante muy fuertecapaz de oxidar al aguay un reductor ms dbil que el producido por el PSI. La figura 6muestra un esquema de estas propiedades que se conoce como esquema en Z, implica

ambos fotosistemas y explica las reacciones fotoqumicas que ocurren en losorganismos fotosintticos que generan oxgeno (recordemos fotosntesis oxignica y


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fotosntesis anoxignica). Ambos fotosistemas son fsica y qumicamente diferentes,contienen cada uno su complejo antena y su centro de reaccin, y estn unidos poruna cadena de transporte electrnico.

Figura 6. Estructura y reacciones bsicas de los fotosistemas I y II (esquema en z).

Adems de PSII y PSI, englobados en la membrana tilacoidal se encuentran

tambin otros dos complejos proteicos: el complejo citocromo b6fy la ATP sintasa.

Pero antes de analizar cmo funcionan coordinadamente todas estasestructuras, observemos las siguientes figuras (Figs. 7 y 8) para comprender mejor lasacciones luminosas de la fotosntesis.

Figura 7. Comparacin entre rendimiento cuntico y espectro de absorcin en un rango de longitudesde onda entre 400 y 700 nm.


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Figura 8. Efecto de luces R, IR o la combinacin de ambas (R+IR) sobre la velocidad de fotosntesis.

En el grfico de la figura 7 se mide el rendimiento cuntico de la fotosntesisquese define como nmero de productos fotoqumicos nmero total de cuantosabsorbidos.

El oxgeno es un producto fotoqumico.Qu significa un valor de = 0?Cmo se explica la cada del rendimiento cuntico para la luz del rojo lejano? Y

el ligero descenso cerca de los 500nm? Los carotenoides seran eficientes por s solospara dirigir la fotosntesis?

En la figura 8 se mide la velocidad de la fotosntesis cuando se irradia conluz R,RL (rojo lejano) R+RL.A qu conclusin se llega?

Volviendo a los complejos proteicos, son cuatro complejos los que llevan a cabolas reacciones luminosas de la fotosntesis: PSII, complejo citocromo b6f, PSI y ATPsintasa. Veamos de nuevo el esquema en Zcon algo ms de detalle en la figura 9.

La clorofila de los centros de reaccin, como ya sabemos, es una clorofila

especializada que denominamosP680 en el PSIIy P700 en el PSI(haciendo referencia asus caractersticas espectrales). El funcionamiento bsicode todo este conjunto serael siguiente:

El PSII oxida el agua y produce O2liberando protones al lumen tilacoidal El complejo cit b6f recibe electrones del PSII y los cede al PSI. Tambin

transporta protones al lumen desde el estroma El PSI reduce el NAP+ a NADPH en el estroma gracias a la accin de una

ferredoxina (fd) y una flavoprotena ferredoxina-NADP reductasa (FNR) La ATP sintasa produce ATP en el estroma a medida que los protones difunden

a su travs desde el lumen hacia el estroma.


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Figura 9. Complejos proteicos implicados en las reacciones luminosas de la fotosntesis y transferenciade electrones.

La figura 10 muestra los complejos proteicos en la membrana tilacoidal as comola transferencia de protones y electrones que llevan a cabo.

Figura 10. Transferencia de protones y electrones entre fotosistema II, complejo citocromo b6/f,fotosistema I y ATP sintasa.

Consideremos la cadena de transporte que une ambos fotosistemas. El aguaacta como donador primario de electrones y el NADP+ es el ltimo aceptor de


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electrones. El flujo de electrones entre ambos no es directo sino que pasa a travs delostransportadores de e-que son sistemas redox que se interponen por tanto entre elH2O y el NADP

+. En la siguiente tabla (Tabla 1) vemos los mximos de absorbancia dealgunos transportadores en funcin de su estado redox.

Sistema redox Mx.de absorbancia Estado redox

Plastoquinona (Q) 254 ox

NADPH 340 redFerredoxina (Fd) 430 ox

Citocromo f 555 redCitocromo b559 559 red

Feofitina 550 oxP680 680 red

P700 700 red

Tabla 1. Estado redox y mximo de absorbancia de algunos transportadores de electrones de lafotosntesis.

La clorofila excitada del PSII (P680*) transfiere un e- a la feofitina que es unaclorofila en la que el tomo de Mg ha sido sustituido por dos tomo de H. Acontinuacin, la feofitina cede e-de forma secuencial a dos plastoquinonas QA y QB ,molculas de pequeo tamao que estn unidas al centro de reaccin (2e-reducen QBa QB

2-; despus QB2- reducida capta 2 protones del estroma formando

plastohidroquinona reducida QH2).

La QH2transfiere sus electrones al complejo citocromo b6f(2 cit b y un cit f) quees una protena de gran tamao formada por mltiples subunidades con numerososgrupos prostticos. Este complejo contiene adems una protena ferrosulfurada deRieske(su descubridor) en la que dos tomos de Fe estn unidos por dos tomos de S(FeSR). Cuando QH2 cede sus e

-se oxida: transfiere uno de los e- a la FeSRoxidada ydespus lo transfiere al cit f. A continuacin, el cit f transfiere el e a la plastocianina.El otro e-es transferido al cit b liberndose en el proceso 2 protones al lumen.

La plastocianina (PC) es una protena soluble, de pequeo tamao, contiene

cobre, se encuentra en el lumen y transfiere e-

entre el cit b6f y el P700.

En la figura 11 se observa el PSI, de gran tamao y formado por mltiplessubunidades. El complejo antena y P700 estn unidos a 2 protenas: PsaA y PsaB.

La clorofila excitada del PSI (P700*) cede el e-a un primer aceptor Aoque es unaclorofila y el siguiente aceptor A1 es una quinona. A continuacin intervienen tresprotenas ferrosulfuradas asociadas a la membrana que se denominan centrosferrosulfurados FeSX,FeSAy FeSB. Los e

-son transferidos a la ferredoxina soluble (Fd).

Por ltimo, una flavoprotena soluble asociada a la membrana, la ferredoxina-NADP reductasa (FNR), reduce el NADP+ a NADPH. Se completa as el transporte de


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electrones no cclicoque se inicia con la oxidacin del agua y termina en la formacinde NADPH.

Figura 11. Esquema del fotosistema I.

Sin embargo, nos queda considerar que el P680*al ceder el e- queda en estado

oxidado pero es vuelto a reducir por un transportador de e-

, generalmentedenominadoYZ, que recibe los e

-de la oxidacin del agua. Este complejo de oxidacindel agua consta de cuatro iones Mn2+ asociados con protenas, se encuentra en ellumen tilacoidal y unido a las subunidades D1y D2del PSII.

La oxidacin de dos molculas de agua genera una molcula de oxgeno, cuatroprotones y cuatro electrones, lo cual implica que el fotosistema II tiene que utilizar laenerga de cuatro fotones para producir una molcula de oxgeno.

Decimos transporte no cclico porque en ciertas condiciones se puede producir

un transporte cclico de electronesalrededor del PSI, a travs del complejo cit b6f yP700. Como veremos ms adelante, este flujo cclico que est acoplado al bombeo deprotones al lumen, puede ser utilizado para sintetizar ATP pero no puede oxidar alagua ni reducir NADP+a NADPH. Este flujo cclico es importante como fuente de ATPen los cloroplastos de plantas C4.

Hemos visto hasta ahora cmo la energa luminosa se utiliza para producirNADPH, el cual ser necesario en el ciclo de Calvin para reducir CO 2 y formarcarbohidratos. A continuacin estudiaremos que la energa luminosa tambin esutilizada para la sntesis de ATP dependiente de luz, proceso conocido como

Fotofosforilacin.


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SNTESIS DE ATP DEPENDIENTE DE LUZ

Hemos visto cmo, en el cloroplasto, la energa luminosa es utilizada para lasntesis de NADPH. Recordemos que como consecuencia del transporte de electrones

que tiene lugar se acumulan protones en el espacio intratilacoidal,en el lumen, debidoa la rotura de molculas de agua (oxidacin de agua a O2) y al transporte de e

-desdePQ hasta PC. Esta situacin provoca un gradiente de concentracin de H+ entre ellumen (ms cido) y el estroma que dirige un flujo de H+ a travs de la membranatilacoidal. Este flujo de H+ libera energa que se utiliza en la sntesis de ATP (en elestroma).

A este proceso de sntesis de ATP dependiente de la luz se le llamafotofosforilacin y requiere, est acoplado, al flujo de electrones, al transporte o flujono cclico de e-. Por este motivo tambin se llama fotofosforilacin no cclica. Decimos

esto porque se pueden dar ciertas condiciones en las que el flujo de e -y la sntesis deATP son independientes. En estas condiciones se habla de flujo de e-desacoplado.

La fotofosforilacin funciona como un mecanismo quimiosmtico que es elmismo en los procesos de membrana de todas las formas de vida. Por ejemplo, lafosforilacin que tiene lugar durante la respiracin aerobia en la mitocondria y enbacterias est dirigida por el mismo mecanismo. El transporte de muchos iones ysolutos a travs de membrana est dirigido tambin por el mismo mecanismoquimiosmtico. Existe una estrecha relacin entre las ATPasas de membrana,quimiosmosis y transporte de solutos a travs de membrana

En este apartado vamos a analizar la sntesis de ATP en el cloroplasto en relacincon la diferencia de H+a ambos lados de la membrana tilacoidal. Ya se ha consideradoque la ATP sintasaes uno de los cuatro complejos proteicos situados en la membranatilacoidal. Su estructura se representa en la figura 12.

Se trata de una enzimaque consta de dos partes: CFo, que es hidrofbica y estunida a la membrana (es una porcin integral de la membrana), y CF1que es la partehidroflica en el estroma que sintetiza ATP. Debemos recordar que la ATP sintasa seencuentra slo en las lamelas del estromay en los bordes de los grana(Fig.13), hecho

directamente relacionado con su funcin.

Es importante observar esta distribucin desigual de los complejos proteicosporque ciertamente los H+ en el lumen deben desplazarse hasta alcanzar la ATPsintasa.

Desde el punto de vista quimiosmtico, ya hemos visto que el flujo de e -generaun transporte de H+que hace que stos se acumulen en el lumen (ms cido, ms H+)hacindose el estroma ms alcalino (menos H+). Esta diferencia de concentracin deprotones es la fuente de energa que se dirige para la sntesis de ATP. La

estequiometra del proceso es de 4H

+

por ATP (4 H

+

transportados por molcula deATP sintetizada).


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Figura 12. Esquema de la ATP sintasa.

Figura 13. Distribucin de los complejos proteicos en los tilacoides.


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El complejo ATP sintasa est altamente regulado para que no se produzcahidrlisis continua de ATP: es inactivo en oscuridad y puede ser activado por ungradiente de protones o por la luz.

Estudiando los requerimientos de NADPH y ATP para la reduccin de CO2 acarbohidratos veremos que el consumo de estos productos ocurre en la proporcin1.5, es decir, ATP / NADPH = 1.5.

El mecanismo de fotofosforilacin (no cclica, acoplada al transporte no cclico dee-) que hemos considerado genera aproximadamente 1mol de ATP por cada mol deNADPH reducido. Qu significa esto desde el punto de vista del requerimiento deATP? Cul es la solucin/respuesta a esta demanda adicional de ATP?

FIJACIN Y REDUCCIN FOTOSINTTICA DE DIXIDO DE CARBONO

En plantas la fijacin y reduccin de dixido de carbono tiene lugar en el estromadel cloroplasto. Hemos considerado dos etapas o fases en la fotosntesis: la fasefotoqumica que como hemos visto conduce a la formacin de ATP yNADPH, y la fasebioqumicaque ahora vamos estudiar, en la que el ATP y el NADPH son utilizados parafijar CO2 atmosfrico y reducirlo para sintetizar carbohidratos (CH2On). Se trata de unconjunto de reacciones que se denominan reacciones del carbono o metabolismo delcarbono en la fotosntesis. En la figura 14 se muestra este planteamiento general.

Figura 14. Metabolismo del carbono en la fotosntesis.

El proceso o ciclo comienza con la fijacin de una molcula de CO2 en unamolcula de ribulosa-1,5-bifosfato, formndose dos molculas de 3-fosfoglicerato. Portanto, la ribulosa-1,5-bifosfato es el aceptor de CO2 y para que el ciclo se completedebe regenerarse al final del mismo. Contemplemos unesquema generalde este cicloque muestra sus 3 etapas fundamentales: carboxilacinde ribulosa 1,5-bifosfato que


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genera 3-fosfoglicerato, reduccin de ste a gliceraldehdo -3-fosfato y, por ltimo,regeneracindel aceptor de CO2, es decir, regeneracin de ribulosa-1,5-bifosfato (Fig.15).

Figura 15. Etapas del ciclo de Calvin.

Vamos a estudiar el ciclo analizando con detalle cada una de estas etapas.Comenzaremos por la fijacin de CO2 por CARBOXILACIN de ribulosa-1,5-bifosfato(Fig.16).

Figura 16. Reaccin de carboxilacin de ribulosa-1,5-bifosfato.

Ribulosa-1,5-difosfato es una molcula de 5C. El 3-fosfoglicerato es una triosa,molcula de 3C. Si nos fijamos en el nmero de tomos de carbono que circulan porel ciclo, observaremos que por cada molcula de CO2 (1C) que se fija en la pentosa

ribulosa-1,5-difosfato (5C), se forman dos molculas de triosa (en total 6C). Asaumenta el contenido de C, de carbohidratos finalmente, en la planta.


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Figura 17. Reacciones del ciclo de Calvin.

3. Para ello se utilizan 6 molculas de NADPH y 9 de ATP (6 en la conversin de 3-fosfoglicerato en 1,3-difosfoglicerato y los otros 3ATP en la regeneracin de las3 molculas de ribulosa-1,5-bifosfato.

4. La sexta molcula de gliceraldehdo-3-fosfato que representa la ganancia netadel ciclo, se utiliza en la sntesis de sacarosa o de almidn.

5. La estequiometra del ciclo se representa por la relacin 1:2:3 (mol CO2fijado:mol NADPH consumido: mol ATP consumido).


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REGULACIN DEL CICLO DE CALVIN

La presencia en el estroma de enzimas que catalizan reacciones contrarias a lasque ocurren en el ciclo de Calvin y los cambios en el flujo de carbono a la luz y la

oscuridad, hacen necesaria la regulacin estricta del ciclo. Esta regulacin consigueque los intermediarios estn presentes a concentraciones adecuadas y que el ciclo sedetenga cuando no sea necesario. Sin un sistema de regulacin, el ciclo de Calvin nomostrara su alta eficacia energtica y se produciran ciclos intiles como el queprovocara la accin simultnea de las enzimas fosfructoquinasa y fructosa-1,6-bifosfato 1-fosfatasa, las cuales actuaran conjuntamente como una ATPasa (Fig. 18).

Figura 18. Reaccin simultnea de las enzimas fosfructoquinasa y fructosa-1,6-bifosfato 1- fosfatasa.

En general, la concentracin de enzimas se regula mediante cambios en laexpresin gnica y en la biosntesis de protenas.En el caso de enzimas presentes en elestroma cloroplstico, su concentracin est regulada por mecanismos que controlanla expresin de los genomas del ncleo celular y del cloroplasto.

La actividad de las enzimas est controlada por mecanismos deactivacin/inactivacin de manera que un mismo enzima puede estar controlado por

ms de un mecanismo diferente. Existen dos mecanismos generales que puedencambiar las propiedades cinticas de los enzimas:

Cambios en la conformacin del enzima, por ejemplo, transformacin deenlaces covalentes (reduccin de disulfuros, carbamilacin de grupos amino),que generan un enzima modificado qumicamente (y en consecuencia suactividad cataltica). La reduccin de grupos disulfuro a grupos tilicos esreversible y puede utilizarse para ello el poder reductor (NADPH)proporcionado por el transporte fotosinttico de electrones. Este procesoparticular se ver impedido por sustancias que interfieren el flujo de electronesdesde el PSII como el herbicida DCMU, un derivado de la urea.


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Cambios en la actividad enzimtica originados por su unin no covalente ametabolitos, o cambios de actividad generados por variaciones en lacomposicin del medio celular, por ejemplo cambios en el estroma debidos a laluz.

En el ciclo de Calvin hay cinco enzimas reguladas por luz:

a) Rubiscob) Gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenada (NADP dependiente)c) Fructosa-1,6-bifosfatasad) Sedoheptulosa-1,7-bifosfatasae) Ribulosa-5-fosfato quinasaExcepto la rubisco, todas las dems presentan uno o ms puentes disulfuro (-S-S-

) y la luz controla su actividad a travs de un sistema ferredoxina-tiorredoxina queimplica transferencia de electrones desde ferredoxina a tiorredoxina, y desde sta a laenzima diana. En oscuridad, los residuos estn en forma oxidada (S-S-) y las enzimasson inactivas. En luz, los grupos S-S- son reducidos al estado sulfidrilo (-SH HS-) demanera que este cambio redox supone la activacin del enzima. Este grupo sulfidrilo (oditiol), que es seal de regulacin de la protena tiorredoxina (protena soluble delestroma), es transmitido a enzimas especficas activndolas. La figura 19 esquematizaeste mecanismo.

Figura 19. Funcionamiento del sistema ferredoxina-tiorredoxina.


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La inactivacin de la enzima diana en oscuridad parece producirse por la rutainversa de reduccin.

Larubiscotambin est regulada por la luzaunque por otro mecanismo. En este

caso, la activacin de rubisco implica la carbamilacin de la enzima que produce uncomplejo carbamato-Mg2+ que implica una lisina del centro activo (Fig. 20). Estaactivacin es favorecida por un aumento de Mg2+y del pH (baja concentracin de H+),por lo que loscambios asociados a la luz depH y Mg2+que se producen en el estromafacilitan la activacin por luz de la rubisco.El CO2implicado en la carbamilacin es otrodistinto del CO2que se fija en ribulosa-1,5-bifosfato.

Figura 20. Regulacin de la enzima rubisco por carbamilacin y unin de magnesio en lisina del centro

activo de la enzima.

TRANSPORTE AL CLOROPLASTO DEL C FIJADO

ElC fijado en forma de triosas-fosfatoen el ciclo de Calvin, es decir, el C fijadofotosintticamente, es exportadodesde el cloroplasto al citoplasma y, de ste, al restode la planta. Pero en la mayor parte de las plantas este transporte se realiza en formade sacarosa la cual no se sintetiza en el cloroplasto ya que en ste no existen lasenzimas necesarias para su sntesis y, adems, la membrana interna cloroplstica es

impermeable a esta sustancia. La sacarosa, forma principal de transporte decarbohidratos en el floema a toda la planta, se sintetiza en el citosol a partir de lastriosas-fosfato (Fig. 21).

La sntesis de almidn y sacarosa se producen en el cloroplasto y el citosolrespectivamente. La salida de triosas-fosfato del cloroplasto al citosol est mediadapor un transportador de Pi que mediante un mecanismo de contra-transporte queintercambia molculas de triosas-fosfato y P i con una estequiometra 1:1. La salida detriosas-P al citosol est estrictamente acoplada a la incorporacin de ortofosfato (Pi) alcloroplasto. De esta forma se permite la captacin continuada de E luminosa y la

sntesis de ATP que precisa Pi. Si esto no fuese as, la formacin y posterior exportacinde triosas-P al citosol agotara el Pi del cloroplasto, detenindose la fotosntesis.


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Figura 21. Esquema de la sntesis de sacarosa y almidn.

Cuando la concentracin dePi en el citosol es alta, las triosas-P del cloroplasto seexportan al citosol para la sntesis de sacarosa. Cuando la concentracin citoslica de Pies baja, las triosas-P son retenidas en el cloroplasto yse sintetiza almidn.

En el citosol, las triosas-P se convierten en hexosas-fosfato y,finalmente, ensacarosa. Durante esta sntesis se liberan molculas de Pi que son intercambiadas pornuevas molculas de triosas-P.

Existen varios pasos comunes en las rutas de sntesis de sacarosa y almidn. Sinembargo, estas rutas utilizan isoenzimas, es decir, formas diferentes de una enzimaque catalizan la misma reaccin. Se trata de isoenzimas especficas del cloroplasto ydel citosol con propiedades diferentes.

Respecto a la regulacin de la sntesis de sacarosa (Fig. 22), en condiciones de

baja fijacin de CO2 y en ausencia de reservas de almidn, la disponibilidad de triosasfosfato puede ser factor limitante de la sntesis de sacarosa. Por el contrario, cuando la


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tasa de fijacin es muy alta, la liberacin de Pi en el citosol asociada a la sntesis desacarosa determina su exportacin desde el cloroplasto. Otro factor de regulacin es lademanda de carbohidratos (fotoasimilados) en otros rganos de la planta. Cuando lademanda es inferior a la sntesis de sacarosa en el mesfilo de las hojas, la sacarosa se

acumula lo cual, a su vez, inhibe su sntesis. La sacarosa se comporta como inhibidorcompetitivo de sacarosa P fosfatasa, es decir, compite con el sustrato por el centroactivo de la enzima por lo que el grado de inhibicin depende de la concentracin deambas sustancias. Por ltimo, la concentracin de fructosa-2,6-bifosfato en el citosoltambin regula la sntesis de sacarosa. Esta sustancia es un efector en la sntesis desacarosa, se comporta como inhibidor alostrico de la enzima citoslica fructosa-1,6-bifosfato 1-fosfatasa, siendo efectivo a concentraciones muy bajas y reduciendo laafinidad de la enzima por su sustrato. La fructosa-2,6-bifosfato se sintetiza a partir defructosa-6-fosfato por una fructosa-6-fosfato-2-quinasa y es degradada por fructosa-2,6-bifosfatasa. Ambas enzimas estn controladas por Pi y triosas P.

Figura 22. Regulacin de la sntesis de sacarosa.

Respecto a la sntesis de almidn (Fig. 23), cuando la produccin de triosas Psupera la cantidad utilizada en la sntesis de sacarosa en el citosol, entonces el excesode triosas se canaliza en el estroma del cloroplasto hacia la sntesis de almidn deacuerdo con la secuencia de reacciones de la figura de la pgina 1. El almidn sesintetiza va fructosa-1,6-bifosfato. La glucosa-1-fosfato se convierte en ADP-glucosapor la ADP-glucosa pirofosforilasa, siendo una reaccin que requiere ATP y generapirofosfato (PPi). Una fosfatasa inorgnica especfica hidroliza el PPi a dos molculas deortofosfato (Pi). Esto dirige la ruta hacia la formacin de ADP-glucosa que estransferida al extremo no reductor (C4) de la glucosa terminal de una cadena dealmidn en crecimiento.


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La enzima clave en la sntesis de almidn es la ADP Glucosa pirofosforilasa. Suactividad est modulada por las concentraciones de cido 3-Fosfoglicrico y fosfatoinorgnico, de manera que se activa cuando la relacin entre estos dos metabolitos eselevada, e inactivndose en el caso contrario. Cuando se dan condiciones de

fotosntesis intensa hay una relacin elevada debido a la formacin continua de 3-fosfoglicerato, mientras que el P slo se libera en parte en las reacciones de sntesis desacarosa. En consecuencia, el almidn se acumula en las hojas slo cuando se dancondiciones de fotosntesis intensa, o cuando se interrumpe el transporte de sacarosadesde las hojas (lo cual inhibe su sntesis).

El almidn cloroplstico se moviliza durante la noche que es cuando hay una bajarelacin 3-fosfoglicerato/P que impide la accin de la enzima ADP-glucosapirofosforilasa.

La glucosa-P se transforma en triosas P siguiendo un proceso inverso, aunque noidntico, al que tiene lugar durante el da cuando se sintetiza almidn. Por tanto, elalmidn es una reserva que permite la sntesis continuada de sacarosa durante lanoche, cuando no se producen triosas P por el ciclo de Calvin.

Como vemos, las concentraciones relativas de triosas P y ortofosfato son loselementos que controlan si el C fijado por fotosntesis se canaliza hacia la sntesis desacarosa en el citosol o de almidn en el cloroplasto.

RUBISCO: ACTIVIDAD OXIGENASA. FOTORRESPIRACIN

Hemos estudiado la accin cataltica como carboxilasa de la enzima Rubisco.Pero esta enzima acta tambin como oxigenasa, de ah su nombre Ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa. Por tanto, una propiedad importante de la rubisco essu capacidad para catalizar la carboxilacin de ribulosa-1,5-bifosfato as como suoxigenacin. Esto significa que la enzima tiene dos sustratos, CO2y O2, que compitenpor el centro activo de la enzima de manera que la proporcin relativa de lasreacciones de carboxilacin y oxigenacin depender de la especificidad de la enzimapor el sustrato y de la concentracin de sustrato.

La oxigenacin de ribulosa-1,5-bifosfato catalizada por rubisco es la primerareaccin de un proceso llamado fotorrespiracin. Como la fotosntesis y lafotorrespiracin actan en sentidos opuestos, la fotorrespiracin provoca prdida deCO2en clulas que simultneamente estn fijando CO2por el ciclo de Calvin.

Actuando como oxigenasa, la ribulosa-1,5-bisfosfato incorpora una molcula deO2generndose una molcula de 2-fosfoglicolato y una molcula de 3-fosfoglicerato.La molcula de 3-fosfoglicerato se incorpora al ciclo de Calvin del mismo modo que lohacen las producidas en las reacciones de carboxilacin. La molcula de 2-

fosfoglicolato se metaboliza en un ciclo que se completa en tres compartimentoscelulares, cloroplasto, peroxisoma y mitocondria, el cual recicla el C del 2-fosfoglicolato


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a 3-fosfoglicerato que, a su vez, es metabolizado en el ciclo de Calvin. Este procesorecibe el nombre de Ciclo fotosinttico C2de oxidacin del carbono y acta como unsistema de limpieza para recuperar el C perdido durante la fotorrespiracin por lareaccin de oxigenacin de la rubisco.

Figura 23. Fotorrespiracin: reacciones derivadas de la actividad oxigenasa de la rubisco en los trescompartimentos celulares implicados (cloroplasto, peroxisoma y mitocondria).

Como muestra la figura 23, el 2-fosfoglicolato formado en el cloroplasto es

rpidamente hidrolizado a glicolato por una fosfatasa especfica del cloroplasto. Elglicolato es transportado alperoxisoma(por un transportador proteico especfico de la


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membrana) donde es oxidado a glioxilato y perxido de hidrgeno. Este glioxilatoexperimenta una transaminacin convirtindose en glicina.

La glicina sale del peroxisoma y entra en la mitocondria donde un complejo

multienzimtico glicina descarboxilasa convierte 2 molculas de glicina y una de NAD+en una molcula de serina, NH+, NADH y CO2.

La serina formada en la mitocondria se convierte en gliceratoen el peroxisomaen el que una lanzadera malato-oxalacetato transfiere NADH para esta reaccin delcitoplasma al peroxisoma.

El glicerato vuelve al cloroplasto donde es fosforilado para formar 3-fosfoglicerato.

MECANISMOS DE CONCENTRACIN DE DIXIDO DE CARBONO

Hasta el momento se ha considerado como se fija el CO2atmosfrico en ribulosa-1,5-bifosfato formndose 3-fosfoglicerato, y cmo ste se reduce hasta triosas Putilizando el ATP y el reductor NADPH procedentes del transporte fotosinttico deelectrones. Es el ciclo de Calvin.

Puede decirse que elciclo de Calvin es universal en el sentido de producirse encasi todos los organismos fotosintticos. La excepcin se encuentra en algunas

bacterias fotosintticas anaerobias (Clostridum thiosulfatophilum o Rodospirillumrubrum) que fijan CO2por un mecanismo alternativoque consiste en la carboxilacinreductiva de molculas de acetato y succinato activadas por su unin a coenzima A.Este ciclo reductivo de los cidos carboxlicos es bsicamente un ciclo inverso al ciclode Krebs.

Por otra parte tambin hemos considerado la actividad oxigenasade la rubisco yel proceso de fotorrespiracin a que da lugar en determinadas condiciones.

La cuestin a tratar ahora son las plantas que no fotorrespirano que lo hacen de

forma muy limitada. Son plantas que contienen enzimas rubisco normales pero norealizan fotorrespiracin porque desarrollan un mecanismo que concentra CO2 en elentorno de la rubisco de manera que se suprime la actividad oxigenasa.

Consideraremos dos mecanismos de concentracin de CO2en plantas vascularesen las que antes de la incorporacin y reduccin de CO2en el ciclo de Calvin, el CO2atmosfrico se incorpora transitoriamente en otro compuesto. Esta fijacin previa deCO2 acta como un mecanismo de captacin complementario del ciclo de Calvin, yrepresenta una adaptacin evolutiva asociada a determinadas condicionesambientales. Hablaremos por tanto de mecanismo C4, o plantas C4 (frecuentes en

climas clidos) (denominacin debida a que el primer producto de fijacin de CO2esun cido dicarboxlico de 4C), y mecanismo CAM, oplantas CAM(tpicas de ambientes


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desrticos), que exhiben un ciclo diario de acumulacin y metabolizacin de cidosorgnicos, que fue descrito inicialmente en plantas crasulceas (Crassulaceae) dedonde toma el nombre de metabolismo cido de crasulceas. Las plantas que nopresentan estos mecanismosy presentan slo el ciclo de Calvin se denominanplantas

C3.

Pero antes de entrar en la descripcin de estos dos mecanismos (C4 y CAM),debemos considerar que en plantas acuticas se ha descrito un tercer mecanismo,muy estudiado en cianobacterias y algas unicelulares, que recibe el nombre debombade CO2de la membrana plasmtica.En los ambientes acuticos, la rubisco funcionamuy por debajo de su mxima actividad especfica debido a la menor concentracin deCO2 que est presente. Pero los organismos marinos y de agua dulce superan estadesventaja acumulando C inorgnico mediante una bomba de CO2 y HCO3

- de lamembrana plasmtica. Las protenas que actan como bombas no estn presentes en

las clulas que crecen a altas concentraciones de CO2 pero se inducen cuando seexponen a bajas concentraciones de CO2. El HCO3

-se convierte en CO2en una reaccincatalizada por la enzima carbnico anhidrasa, y el CO2entra en el ciclo de Calvin. Deesta forma se suprime la actividad oxigenasa de la rubisco y, por tanto, lafotorrespiracin.

Mecanismo C4, plantas C4

Existen diferencias anatmicas en las hojas de plantas C4. La figura 24 muestraun esquema de la seccin transversal de la hoja.

Figura 24. Esquema bsico de la hoja de una planta C4.

Como podemos observar, en las hojas de plantas C4 hay dos clases de clulas concloroplastos, las clulas del mesfilo y las clulas de la vaina del haz que se ordenan deforma distinta a las del mesfilo. Adems las del mesfilo estn prximas a la de lavaina y hay una extensa red de plasmodesmos que las conecta facilitando todo ello lacooperacin fisiolgica, el flujo de metabolitos, entre ambos tipos de clulas.

El carcter distintivo de las plantas C4 es la fijacin inicial de CO2 en un cidodicarboxlico de 4 tomos de C, el cido oxalactico, en el citosol de la clula delmesfilo, en una reaccin de carboxilacin de fosfoenolpirvico catalizada por laenzima fosfoenolpirvico carboxilasa. Este es el inicio de las cuatro etapas quecompletan el ciclo C4en las clulas del mesfilo y del haz de la vaina. Las etapas que se


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esquematizan en la figura 25 son:1)fijacin de C en un cido de 4C en el mesfilo; 2)Transporte de cidos 4C desde el mesfilo a las clulas de la vaina;3)descarboxilacinde los cidos 4C generndose una alta concentracin de CO2 en clulas de la vaina.Este CO2 es fijado por la rubisco dirigindose al ciclo de Calvin;4)Transporte del cido

de 3C resultante a la clula del mesfilo donde se regenera el aceptor inicial,fosfoenolpiruvato.

Figura 25. Etapas de la fijacin de dixido de carbono en plantas C4.

Este ciclo transporta de forma muy efectiva CO2 desde la atmsfera hasta lasclulas de la vaina, producindose en estas una concentracin tal de CO2que se inhibela fotorrespiracin. La figura 26 muestra un esquema ms completo del ciclo C4 en elque se puede apreciar quela regeneracin del aceptor requiere, consume,2 ATPpormolcula de CO2 transportada. En consecuencia, en una planta C4 la energa totalrequerida para fijar una molcula de CO

2es de 5 molculas de ATP y 2 molculas de

NADPH.


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Pero las plantas C4 difieren entre ellas en la metabolizacin del oxalacetato y enla etapa de descarboxilacin. Se pueden distinguir tres tipos o grupos:

1) Plantas C4 NADP-ME: en las que el oxalacetato se reduce a malato, son

formadoras de malato, que posteriormente es descarboxiladoen el cloroplastodelas clulas de la vaina por la enzima mlico-NADP dependiente (corresponde alesquema de la figura anterior).

2) Plantas C4 NAD-ME: en las que la enzima mlico responsable de ladescarboxilacin es dependiente de NAD y mitocondrial.

3) Plantas C4 PEP-CK: en las que la descarboxilacinest catalizada por laenzima fosfoenolpirvico carboxiquinasa.

Figura 26. Reacciones implicadas en la fijacin de carbono en plantas C4.


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Algunas caractersticas de estos tres subgrupos de plantas C4 se resumen acontinuacin (Tabla 2).

Mlico-NADP Mlico-NAD PEP-CK

Ejemplos

Sustancia transportada:Mesfilo a vaina

Vaina a mesfilo

Lugar de carboxilacin

Enzima de carboxilacin

Lugar descarboxilacin

Enzima descarboxilacin

Cloroplastos de la vaina

Energa consumida pormol de CO2 reducido

Zea mays

Malato

Piruvato

Citosol mesfilo

PEP-carboxilasa

Cloroplasto vaina

Mlico-NADP

Sin grana

5 ATP2 NADPH

Amaranthus retroflexus

Panicum miliaceum

Aspartato

Alanina

Citosol mesfilo

PEP-carboxilasa

Mitocondria vaina

Mlico-NAD

Con grana

5 ATP2 NADPH

Panicum maximum

Chloris gayana

Aspartato

?

Citosol mesfilo

PEP-carboxilasa

Citosol vaina

PEP carboxiquinasa

Con grana

4-6 ATP2 NADPH

Tabla 2. Tipos de plantas C4 en funcin de la enzima que cataliza la etapa de descarboxilacin.

El ciclo C4 est regulado por luz de manera que la actividad de varios enzimasresponden a variaciones en la densidad de flujo a travs de oxido-reduccin de grupostiol y fosforilacin-defosforilacin.

Las plantas C4, la fotosntesis C4 podra decirse, es una adaptacin evolutiva acondiciones ambientales de alta irradiancia y temperatura, y ciertas limitaciones deagua nunca severas, condiciones propias de regiones tropicales y templadas. Entreellas se incluyen plantas de gran importancia econmica e industrial como el maz, lacaa de azcar o el sorgo, entre las especies cultivadas. Tambin muchas gramneas, lamayor parte malas hierbas de rpido crecimiento y gran capacidad de competencia

con otras especies.

Mecanismo CAM, plantas CAM

El mecanismo CAM de concentracin de CO2se describi inicialmente en plantascrasulceas de donde toma el nombre. Pero no est restringido a esta familia sino quese encuentra en otras muchas, por ejemplo, cactus, euforbiaceas, pia, vainilla, etc.Las plantas CAM presentan un proceso diario durante la noche de acumulacin decidos orgnicos, cido mlico fundamentalmente, que despus degradan durante elda.Son plantas adaptadas a condiciones de aridez extrema de manera que abren los

estomas durante la noche, para minimizar la prdida de agua por transpiracin, fijandoCO2 en oscuridad (por la noche) por una reaccin de carboxilacin de PEP


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(fosfoenolpirvico) catalizada por PEP carboxilasa en el citosol. El resultado es laformacin de oxalacetato y malato que se almacena en la vacuolaresultando de ellouna acidificacin nocturna de la hoja (Fig. 27).

Figura 27. Esquema bsico del metabolismo CAM.

El malato almacenado en la vacuola se libera durante el da, se transporta alcloroplasto, cuando los estomas estn cerrados. En el cloroplasto el malato esdescarboxilado por la enzima mlico NADP dependiente y el CO2liberado se fija en elciclo de Calvin. El cido pirvicoes convertido de nuevo en azcares y finalmente enalmidn.

En el proceso se acumulan de forma transitoria malato y almidn. Este ltimo, elalmidn, acta como precursor de fosfoenolpiruvato, el aceptor del CO2, que adiferencia de las C4 no se regenera continuamente.


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La actividad de la PEP carboxilasa es baja durante el da y alta durante la noche.El mecanismo implica la separacin de la carboxilacin inicial de la descarboxilacinposteriorpara evitar ciclos intiles. Pero la regulacin de la PEP carboxilasa es clavepara la eficacia del proceso (Fig. 28). Esta enzima es inhibida por malato y activada por

glucosa-6-fosfato pero la fosforilacin de un residuo de serina de la enzima de lasplantas CAM disminuye la inhibicin por malato y aumenta la accin de glucosa-6-fosfato. Esta fosforilacin de fosfoenolpirvico carboxilasa est catalizada por PEPcarboxilasa quinasa.

Figura 28. Regulacin de la PEP carboxilasa.

El mecanismo CAM est asociado en muchas especies a la suculencia, unacaracterstica que confiere a las plantas una baja relacin superficie/volumen que

limita el intercambio de gases y aumenta su capacidad de almacenamiento.

Pero algunas plantas son capaces de adaptar su metabolismo a las condicionesambientales de manera que pueden presentar un ciclo CAM de carcter adaptativo.Estas plantas se comportan como C3 inducindose el ciclo CAM bajo determinadascircunstancias. Por ello se les denomina CAM facultativas. Por ejemplo,Mesembryanthemum crystallinum realiza ciclo C3 en condiciones normales de noestrs, pero cambia a ciclo CAM es respuesta a estrs por calor, salino o hdrico.

En ambientes acuticos, las cianobacterias y las algas tienen agua abundante

pero menor disponibilidad, por haber menor concentracin, de CO2por lo que, comovimos al principio, concentran activamente CO2intracelular.


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Las diatomeas, abundantes en el fitoplancton, tienen la capacidad de empleardiferentes mecanismos de concentracin de CO2 en respuesta a variacionesambientales.

OTROS PROCESOS ENERGIZADOS POR LA LUZ: ASIMILACIN DE NITRATO Y SULFATO

El NADPH(equivalente o poder reductor) y el ATP(enlace fosfato de alta energa,energa qumica) generados en el proceso fotosinttico y utilizados para la reduccinde CO

2atmosfrico, se utilizan tambin en otros procesos metablicos que por tanto

resultan tambin energizados por la luz. Es el caso de la asimilacin de nitrato ysulfato.

Nitrgeno y azufre son dos elementos minerales denominados esenciales por suparticipacin en el metabolismo. Pero antes de su incorporacin a los procesosmetablicos son convertidos de las formas de absorcin comunes a formas reducidas.Por eso se habla de reduccin asimilatoria, asimilacin de nitrato y sulfato.

Asimilacin de nitrato

El nitrgeno se absorbe fundamentalmente en forma de in nitrato (NO3-) o en

forma de in amonio (NH4+). El nitrgeno elemental, la forma ms abundante en la

naturaleza, no puede ser asimilado por las plantas directamente, excepto algunasespecies (leguminosas) que forman asociaciones simbiticas con microorganismos

capaces de fijar nitrgeno (se habla en este caso de ndulos radiculares, simbiosisfijadoras de nitrgeno) (Fig. 29).

Para que el nitrgeno se incorpore al metabolismo es necesario que el nitrato sereduzca a amonio, proceso que tiene lugar tanto en races como en hojas (Fig. 29). Estoimplica cuando procede la necesidad de transporte de NO3

- desde las races hasta lashojas a travs del xilema.

La reduccin de nitrato a amonio est catalizada por enzimas: nitrato reductasa,que reduce nitrato a nitrito, y nitrito reductasa que reduce nitrito a amonio. La

estequiometra globaldel proceso es:

NO3

-

+ 10H+

+ 8e- _________ NH

4

+

+ 3H2O

La reduccin de una molcula de nitrato requiere 8 electrones por lo que elproceso de reduccin amonio consume una cantidad apreciable del NADPH generadoen el proceso fotosinttico.

La enzima nitrato reductasa es citoslica por lo que la reduccin de nitrato a

nitrito ocurre en el citosol, y utiliza NAD(P)H como dador de e-

en la reaccin:

NO3

- + NAD(P)H + H+ + 2e- _________ NO2

- + NAD(P)+ + H2O


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Est regulada por luz, nitrato y carbohidratos que estimulan una fosfatasa quedesfosforila residuos serina de la nitrato reductasa resultando la enzima activa. Por el

contrario, la oscuridad y el Mg2+

estimulan una quinasa que acta sobre los mismosresiduos serina inactivando la enzima.

El nitrito que resulta de su actividad cataltica es altamente txico por lo que setransporta inmediatamente al cloroplasto donde la enzima nitrito reductasa reduce elnitrito a amoniode acuerdo con la siguiente reaccin:

NO2- + 6Fdred + 8H

+ + 6e- NH4+ + 6Fdox + 2H2O

Los cloroplastos de las hojas y los plastos de las clulas radiculares tienendiferentes formas de enzima pero todas ellas son un nico polipptido con 2 gruposprostticos: un grupo Fe4-S4 y un grupo hemo. La figura 31 muestra el acoplamientodel flujo de electrones fotosinttico, ferredoxina y nitrito.

Figura 31. Relacin entre transporte de electrones, ferredoxina y nitrito reductasa.

El amonio producido por la asimilacin de nitrato, y tambin el generado porfotorrespiracin, se convierte rpidamente en aminocidos. Esta conversin requierela actuacin de dos enzimas: glutamina sintetasa que combina amonio y glutamato

para formar glutamina, yglutamato sintasa(GOGAT) que transfiere el grupo amida dela glutamina al 2-oxoglutarato para formar 2 molculas de glutamato (Fig. 32). Losniveles altos de glutamina estimulan la actividad glutamato sintasa.

Pero el amonio tambin se puede asimilar por otra va metablica que implicauna reaccin reversible catalizada por la enzima glutamato deshidrogenasa (GDH),siendo su principal funcin desaminar el glutamato (Fig. 32).

Una vez asimilado el nitrgeno en glutamina y glutamato, el nitrgeno seincorpora a otros aminocidos por reacciones de transaminacin catalizadas por

aminotransferasas: aspartato aminotransferasay asparragina sintetasa(Fig. 32).


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Figura 32. Metabolismo del amonio.

Asimilacin de sulfato

En cuanto al azufre, se trata de un elemento muy verstil e importante en todoslos seres vivos. Prueba de ello son los puentes disulfuro de las protenas quedesempean funcin estructural y reguladora; tambin participa en la cadena detransporte fotosinttico de electrones a travs de los centros hierro-azufre (Fe-S);algunas enzimas contienen S en el centro activo. Esta amplia participacin en el

metabolismo se debe en parte a los mltiples estado de oxidacin estables quepresenta.


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Las plantas absorben azufre en forma de sulfato (SO42-) a travs de un

transportador H+/SO42-. El sulfato del suelo procede de la erosin de las rocas pero hay

que considerar que la polucin atmosfrica es una fuente adicional de sulfato:contiene formas gaseosas de azufre como el dixido de azufre (SO2) y el cido

sulhfdrico (SO4H2) (el dixido de azufre disuelto en agua se hidroliza y convierte encido sulfhdrico), los cuales llegan al suelo a travs de la lluvia cida (el cidosulfhdrico es la causa principal de la lluvia cida).

Pero la primera etapa de formacin de compuestos orgnicos que contienenazufre es la reduccin de sulfato a cisterna. Este aminocido es intermediario en lasntesis de otros compuestos que contienen S. Esta reduccin ocurremayoritariamente en las hojas y utiliza los electrones de la ferredoxina (Fig. 33).

Figura 33. Asimilacin de sulfato.


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Todos estos procesos muestran el papel de la fotosntesisen el metabolismo deaminocidostambin.

REGULACIN DE LA FOTOSNTESIS. FOTOSNTESIS Y BIOSFERA

La fotosntesis, las reacciones fotoqumicas y bioqumicas, tiene lugar enorganismos intactos que estn continuamente respondiendo a las condicionesambientales, fundamentalmente a la radiacin, temperatura, concentracin de CO2 ydisponibilidad de agua. Estos factores afectan a la fotosntesis por tener un efectodirecto sobre el proceso o los procesos fotosintticos de manera que en cualquiermomento la fotosntesis est determinada por un factor ambiental, el factor limitante,que determina la etapa ms lenta (Blackman, 1905). Como toda la materia orgnica delas plantas procede en ltima instancia de la fotosntesis, sta limita su crecimiento y

en consecuencia la productividad de los ecosistemas naturales y agrcolas. De acuerdocon esto, hay tres etapas metablicas fundamentales para el ptimo funcionamientode la fotosntesis: la actividad de la rubisco, la regeneracin de ribulosa-1,5-bifosfato yel metabolismo de triosas fosfato.

Regulacin por luz

Las diversas zonas de la tierra difieren en cuanto a la radiacin incidente (Fig. 34)debido fundamentalmente a las diferentes latitudes y a la cobertura de nubes.

Figura 34. Radiacin solar incidente anual.(Mapa tomado dehttp://www.energie-atlas.ch/side-w/map-wld-s-x01.htm)
http://www.energie-atlas.ch/side-w/map-wld-s-x01.htmhttp://www.energie-atlas.ch/side-w/map-wld-s-x01.htmhttp://www.energie-atlas.ch/side-w/map-wld-s-x01.htmhttp://www.energie-atlas.ch/side-w/map-wld-s-x01.htm


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Por otra parte, no toda la radiacin que incide sobre la superficie de la atmsferaalcanza la superficie terrestre debido a los efectos del ozono, el vapor de agua y eldixido de carbono entre otros factores. Adems, no toda la luz que incide sobre eldosel vegetal o sobre una hoja resulta absorbida ya que parte de esa radiacin es

reflejada y otra parte transmitida de acuerdo con las caractersticas espectrales de lospigmentos fotosintticos y con la longitud de onda de la radiacin (Fig. 35).

Figura 35. Fraccin de luz absorbida, reflejada y transmitida por una hoja en funcin de la longitud deonda.

Las plantas utilizan en la fotosntesis radiacin visible de longitud de onda

comprendida entre 400 y 700 nm, la radiacin fotosintticamente activa (PAR) (Fig. 35)que normalmente se expresa en trminos de energa por unidad de superficie (W.m-2)o de cuantos (moles.m-2. s-1) (Tabla 3).

En los estudios sobre fotosntesis, teniendo en cuenta que los efectos primariosde la luz son fotoqumicos, el efecto de las radiaciones de diferente longitud de ondaslo es comparable cuando se hace en trminos de n de fotones recibidos, pero nocuando se hace en trminos de energa. Por ello la radiacin se suele expresar comodensidad de flujo fotnico (moles de fotones por unidad de superficie y unidad detiempo). Bajo la luz directa del sol, la irradiancia PAR (densidad de flujo) es de

aproximadamente 2000E.m-2.s-1, equivalente a unos 400 W.m-2 en trminos deenerga.


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Tabla 3: Color, frecuencia y energa de fotones de longitudes de onda comprendidas entre 200 y 1000nm (radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja). (recuadrado en color rojo figura la radiacinfotosintticamente activa, PAR).

Pero de toda la energa radiante que alcanza la tierra, slo un 5% es convertidoen carbohidratos por la fotosntesis (Fig. 36).

Figura 36. Distribucin de la radiacin solar incidente.

La fijacin neta de CO2ofotosntesis netaes la diferencia entre el carbono fijadoy las prdidas debidas a la respiracin y fotorrespiracin. La relacin entre fotosntesisneta y el valor de radiacin (flujo fotnico) presenta la forma de una curva desaturacin (Fig. 37) en la que se pueden analizar varios parmetros que describen larespuesta de la fotosntesis a la luz.


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Figura 37. Relacin entre asimilacin de carbono y radiacin absorbida con indicacin del punto decompensacin.

En oscuridad no hay asimilacin fotosinttica de C y la planta libera CO2comoconsecuencia de la respiracin. En esta parte de la curva de respuesta a la luz laasimilacin de CO2es negativa. A medida que el flujo fotnico aumenta, la asimilacin

fotosinttica neta de C incrementa hasta que se iguala con el CO2 liberado porrespiracin mitocondrial. Este punto en el que la incorporacin de CO2se iguala a laliberacin de CO2se denomina punto de compensacin de la luz. En este punto ambosprocesos se equilibran y a partir de l el valor del CO2 fijado (la tasa fotosinttica)aumenta con la radiacin, inicialmente de modo proporcional (es una relacin lineal) ydespus ms lentamente hasta alcanzar el punto de saturacin en el que el valor de lafotosntesis es mximo. La relacin lineal antes mencionada indica que la luz a esosniveles limita la fotosntesis de manera que ms luz estimula una mayor fotosntesis.En esta parte lineal de la curva de respuesta, la pendiente de la recta representa elrendimiento cuntico de la fotosntesis para la planta o para la hoja, siendo el

rendimiento la relacin entre la formacin dependiente de luz de un determinadoproducto (en este caso asimilacin de CO2) y el n de fotones absorbidos. Esterendimiento oscila entre 0 (no se utiliza energa luminosa para la fotosntesis) y 1(cuando se emplea toda la luz absorbida), siendo 0.95 el rendimiento cunticofotoqumico y 0.1 el rendimiento de la produccin de O2por cloroplastos aislados (10fotones por molcula de O2). Pero este rendimiento, como se ver ms adelante,depende de la temperatura y de la concentracin de CO2 debido a los efectos sobre laactividad carboxilasa y oxigenasa de la rubisco.

Alcanzado el punto de saturacin, la respuesta fotosinttica a la luz se estabiliza

y un aumento de flujo fotnico no afecta a la tasa fotosinttica. Esto indica que otros


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Figura 39. Respuesta de la fotosntesis a la luz en una planta de sol desarrollada en condiciones de solo de sombra.

Por encima del punto de saturacin se suele decir que la fotosntesis estlimitada por el CO2 reflejando la incapacidad de los enzimas del ciclo de Calvin paramantener un alto nivel de actividad en relacin con la energa absorbida.

Cuando las hojas estn expuestas a unexceso de luztienen que disipar el excesode energa luminosa absorbida para evitar daos en el aparato fotosinttico. Lasxantofilas constituyen una va importante de disipacin del exceso de energa: el nivelde zeaxantina aumenta en condiciones de alta irradiancia y disminuye a bajairrandiancia. Por otra parte, las hojas expuestas al sol acumulan gran cantidad de calorque es disipado por la emisin de radiacin de longitud de onda larga, por prdidadiscreta de calor (el aire elimina calor de la superficie de la hoja) y por evaporizacin(requiere energa).

Regulacin por CO2

Cuando la concentracin de CO2 (presin parcial de CO2) en los espaciosintercelulares de la hoja es muy baja, la fotosntesis est muy limitada por la bajaconcentracin de CO2mientras que la tasa respiratoria no se ve afectada. Por ello hayun equilibrio negativo entre la fijacin de CO2por fotosntesis y el CO2producido porrespiracin, y una prdida neta de CO2por la planta.

El aumento de CO2 intercelular hasta un nivel en el que se equilibran ambosprocesos, es decir, cuando se alcanza el punto de compensacin de CO2, provoca queel intercambio neto de CO2desde la planta sea cero (Fig. 40).


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Pero la curva de asimilacin de CO2 en funcin de las presiones parcialesintercelulares, que se muestra en la figura 41, indica que la fotosntesis est reguladapor CO2independientemente del funcionamiento de los estomas.

En este aspecto existen diferencias entre plantas C3 y C4. En plantas C4 lafotosntesis se satura a valores de Ci de 15 Pa, evidenciando este resultado laefectividad del mecanismo de concentracin de CO2; por otra parte, tienen un puntode compensacin de CO2 prximo a cero reflejando niveles muy bajos defotorrespiracin. En plantas C3, el aumento de los niveles de Ciestimula fotosntesis enun rango bastante ms amplio.

Regulacin por temperatura

La temperatura afecta a todas las reacciones bioqumicas de la fotosntesis.

Como se observa en la figura 42 (A), a concentraciones altas o saturantes de CO2, lafotosntesis muestra una fuerte dependencia de la temperatura. En estas condicioneshay gran disponibilidad de CO2para la rubisco y la fotosntesis estar limitada por lasreacciones bioqumicas relacionadas con la transferencia de electrones.

Figura 42. Efecto de la temperatura sobre la asimilacin de CO2 en condiciones ambientales (B) osaturantes (A) de CO2.

En (B) (Fig. 42 B) se muestra la relacin entre temperatura y asimilacin de CO2 aconcentraciones ambientales de dixido de carbono: al aumentar la temperatura

aumenta la tasa de carboxilacin pero llega a producirse un descenso en la afinidad dela rubisco por el CO2.


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Por otra parte, fotosntesis y fotorrespiracin interaccionan en respuesta a latemperatura. Como muestra la figura 43, en las plantas C4 el rendimiento cuntico semantiene constante con la temperatura mientras que en plantas C3 el rendimientodisminuye con la temperatura. En C4 la tasa fotorrespiratoria es muy baja mientras

que en C3 un aumento de temperatura estimula la fotorrespiracin lo cual implicamayor demanda energtica.

Figura 43. Efecto de la temperatura sobre el rendimiento cuntico en plantas C3 y C4.

Por ltimo, considerar que a bajas temperaturas la fotosntesis con frecuenciaest limitada por la disponibilidad de fosfato en el cloroplasto. Si la utilizacin detriosas P en el citosol disminuye, no entra fosfato al cloroplasto y la fotosntesis seinhibe. La sntesis de almidn (en cloroplasto) y sacarosa (en citosol) disminuye con latemperatura, reducindose la demanda de triosas P y provocando la limitacin porfosfato.

Este apartado dedicado a la regulacin de la fotosntesis no puede cerrarse sinconsiderar el aumento progresivo de la concentracin de CO2 atmosfrico. La

atmsfera contiene trazas de este gas, constituye el 0.037% 370ppm. El vapor deagua representa un 2% de la atmsfera, el oxgeno alrededor del 21% y el nitrgenocasi el 80%.

Se estima que la concentracin de CO2incrementa 1ppm por ao. Desde el ao1958, la concentracin de este gas ha aumentado ms de un 17% teniendo comoconsecuencia el efecto invernaderoque hace referencia al calentamiento progresivodel clima de la tierra debido a que la atmsfera absorbe radiacin de longitud de ondalarga. El CO2 y el metano actan como el cristal de un invernadero: no transmiten estaradiacin provocando el calentamiento. Y este hecho influye en la fotosntesis de

acuerdo a lo considerado en este apartado. Pero la situacin podra cambiar si laconcentracin de CO2continua aumentando.


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Biblioteca Virtualhttp://www.ou.edu/cas/botany-micro/www-vl/

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Cambio Climticohttp://www.cambio-climatico.com/

Climate Changehttp://epa.gov/climatechange/

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2/photosynthesis_2.html
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fisiologia vegetal aspectos basicos

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