Metabolismo vegetal 10.- FIJACION DEL

Metabolismo vegetal
10.-
FIJACION
DEL
CO2.
Introducción.
Descubrimiento del ciclo. Ciclo de Calvin. Fases
carboxilativa, reductiva y regeneradora. Regulación
del ciclo de Calvin. Rutas metabólicas a partir del
ciclo de Calvin. Intercambio de sustancias entre
cloroplasto y citoplasma.
CONTENIDOS:
Enzima único: Rubisco, estructura, actividad y
mecanismos de control. Ciclo de Calvin: fases,
reducción y regeneración de intermediarios.
Regulación del ciclo. Síntesis de sacarosa y almidón.
Balance del ciclo.
OBSERVACIONES: Se ha visto el ciclo de Calvin en
Bioquímica de 2º.
OBJETIVOS:
Conocer el funcionamiento del ciclo fotosintético de
reducción del CO2 , así como las rutas metabólicas que
siguen sus productos finales y los procesos de
regulación que permiten el correcto funcionamiento
del ciclo.
INTRODUCCION
La asimilación del CO2 tiene lugar en la fase
oscura de la fotosíntesis. No necesita luz para su
desarrollo pero si los intermediarios obtenidos en la
fase luminosa que son el ATP y poder reductor en
forma de NADPH.
Este proceso tiene lugar en el
estroma de los cloroplastos, mientras que la fase
luminosa ocurre en la membrana de los tilacoides. (Fig.
10.1)
El proceso global de conversión del CO2 en
carbohidratos fue descubierto por Calvin y Benson en
1949 y se le conoce como ciclo de Calvin.
DESCUBRIMIENTO DEL CICLO DE CALVIN.
Hasta 1949 no se habían descubierto los métodos
analíticos resolutivos que permitiesen analizar e
identificar
los
intermediarios
del
proceso
de
asimilación del CO2 y poder así establecer su
secuencia. Fue entonces cuando aparecen los
radioisótopos y se desarrolla la cromatografía
bidimensional en papel. Calvin y Benson ser valieron
de estas 2 técnicas en sus experimentos. Marcaban el
CO2 con el isótopo de carbono 14(14C), con la
cromatografía separaban los intermediarios para
identificarlos y mediante una radiografía sensible a la
radiactividad β del 14C de la cromatografía, se
observaban los intermediaros radiactivos.
Utilizaron un cultivo de alga Chlorella y lo
sometieron a CO2 marcado a distintos tiempos.
Tomaron muestras a tiempos variables, frenando la
fotosíntesis con etanol hirviendo, pudiendo observar
así los intermediarios en cada momento. En la Fig.10.2 se observan los intrumentos utilizados en el
experimento. A los 5 min de exposición aparecieron
hexosas, sacarosas y otros intermediarios, a los 90
seg se observan intermediarios de 6 y 3 átomos de
carbono, al cabo de 5 seg solo se observan moléculas
de 3 átomos de carbono, el ácido 3-fosfoglicérido (3PGA). En la Fig.- 10.3, se pueden constatar estos
resultados después de haber revelado mediante una
autorradiografia sobre una película de rayos X los
cromatogramas obtenidos en los distintos tiempos de
exposición.
Para conocer el precursor del 3-PGA sometieron el
experimento a ausencia de CO2 y se vio que en estas
condiciones disminuía el marcaje de 3-PGA pero
aumentaba el de ribulosa-1,5-difosfato (RuDP). Sin
embargo, si en lugar de suprimir el CO2, se sometía a
periodos de oscuridad (Fig.-10.4) ocurría lo contrario,
desaparecía RuBP y aumentaba 3-PGA. Como
conclusión sacaron que era un proceso cíclico, donde
una molécula de CO2 se combinaba con una de 5
átomos de carbono par dar 2 moléculas de 3 átomos
de carbono, el 3-PGA. Al prolongar el experimento en el
tiempo, la mancha de radiactividad de 3-PGA se hacía
cada vez mayor, esto también implicaba que el
proceso era cíclico ya que cada vez había más
carbonos marcados.
FUNCIONAMIENTO DEL CICLO DE CALVIN.
El ciclo de calvin (Fig.- 10.5) básicamente se
divide en tres etapas:
 Fase de carboxilacion: unión del CO2 a la
RuDP.
 Fase de reducción.
 Fase de reorganización o regeneración de la
RuDP.
FASE DE CARBOXILACÍON
Se produce la incorporación del CO2 a la RuDP.
Este proceso esta regulado por un enzima, la ribulosa1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (rubisco). Este
enzima tiene un centro activo por el que compiten el
O2
y
el
CO2.
Esta
fase
será
carboxilasa
preferentemente.
El CO2, catalizado por la rubisco, se incorpora a la
RuDP de 5 átomos de carbono generando una molécula
de 6 átomos de carbono. Esta molécula a través de un
proceso específico da lugar a una molécula hidratada
que se hidroliza dando un fosfoglicerato (de 3 átomos
de carbono) y una molécula intermedia que por
proteolización da lugar a otro fosfoglicerato.
FASE DE REDUCCIÓN.
Es igual que la glucolisis pero en sentido inverso.
Hay una adición de fosfato por una quinasa para pasar
el 3-fosfoglicerato a 1,3-bifosfoglicerato. Este paso
tiene un gasto de energía de 1 ATP. El 1,3bifosfoglicerato se reduce a gliceraldehido-3-fosfato
(GAP)
catalizado
por
una
deshidrogenasa
y
consumiendo poder reductor en forma de NADPH. De
cada 6 moléculas de GAP, una es derivada a la síntesis
de carbohidratos y 5 participan en regeneración de
RuDP.
FASE DE REORGANIZACIÓN O REGENERACIÓN.
La finalidad de esta etapa es volver a generar la
RuDP. De GAP se genera de nuevo el aceptor
disponible para la próxima fijación de CO2.
REGULACIÓN DEL CICLO.
Durante la noche, el ATP y NADPH disminuyen
pero no hasta valores despreciables, ya que al llegar el
día sería un gran gasto de energía volver a iniciar el
proceso. Siempre hay un nivel mínimo de ATP Y
NADPH en la oscuridad, que se producen por otros
mecanismos. Así pues,
regulación específicos.
debe
haber
procesos
de
REGULACIÓN DE LA RUBISCO.
Está formada por 8 subunidades grandes y 8
pequeñas (Fig.-10.10). Éstas están reguladas por el
genoma nuclear y cloroplástico.
La cantidad de luz afecta vía fitocromo a la
expresión de los genes del cloroplasto que codifican a
las subunidades grandes, que son las que tienen los
centros activos. El
genoma nuclear regula a las
pequeñas. El ensamblaje de las subunidades y la
expresión de los mensajeros están regulados por luz
incidente sobre el genoma nuclear o cloroplástico.
(Fig.- 10.11)
La actividad de la rubisco está controlada por luz
debido, entre otros motivos, a que el enzima necesita
un pH óptimo ligeramente alcalino y requiere Mg2+. El
enzima se encuentra en el estroma y es allí donde se
produce una subida del pH, que activa a la RuDP
carboxilasa, producida por el transporte electrónico
fotosintético activado por la luz. Este transporte
determina la entrada de protones al interior de los
tilacoides y va acompañado de una salida de Mg2+.
Para que la rubisco sea activa debe sufrir una
carbamilación, tiene que tener carbamilado un residuo
de lisina del centro activo del enzima. La
carbamilación está catalizada por una activasa que
requiere ATP y CO2. La activasa se une a la rubisco y
elimina el último residuo de la última actividad
catalítica y provoca los cambios en una lisina
especifica, esta transformación depende del CO2 y
perdida de dos protones, lo que origina la formación de
un carbamato, a cuya carga negativa se une un Mg2+
para finalizar así la activación (Fig.-10.12). La
carbamilación, para que se dé, necesita elevadas
concentraciones de CO2 y Mg2+ así como un pH
elevado, condiciones que se producen, precisamente,
en presencia de luz.
REGULACIÓN DE OTROS ENZIMAS.
La regulación de los enzimas que catalizan las
reacciones unidireccionales está asociada a la
existencia de grupos tiol en este tipo de enzimas. Esta
activación se basa en la reducción a grupos –SH los
puentes disulfuro de los enzimas a activar. Los
electrones necesarios proceden de una cadena de
transporte, estos electrones son excitados por la luz y
proceden en último caso del agua. La luz hace
funcionar el transporte de electrones, la ferredoxina se
reduce,
ésta
mediante
ferredoxina-tiorredoxina
reductasa reduce la tiorredoxina y ésta a grupos –SH
los puentes disulfuro del enzima. Así, el enzima
reducido será activado. La forma oxidada será
inactiva. (Fig.- 10.13)
RUTAS METABÓLICAS
CALVIN.
A
PARTIR
DEL
CICLO
DE
En la Fig.-10.14 se observan todas las salidas del
metabolismo fotosintético del carbono, asociadas
todas al ciclo de calvin. El transporte de electrones en
los tilacoides proporciona ATP y NADPH al ciclo de
calvin o al mecanismo de fijación del CO2 en la
fotosíntesis de las C4. También proporciona reducción,
vía tiorredoxin, para la activación por luz de enzimas.
Las triosas-P generadas en el ciclo de calvin pueden
ser utilizadas para la síntesis de productos, como
almidón en los cloroplastos o sacarosa en el
citoplasma, esto genera fosfato inorgánico, el cual es
devuelto al cloroplasto para ser usado en la
fotofosforilación. El carbono es usado también para la
respiración mitocondrial o biosíntesis de ácidos
grasos, aminoácidos, lípidos… vía PEPcarboxilasa. La
RuBP puede tener actividad oxigenasa, produciendose
así la fotorrespiración.
SÍNTESIS DE SACAROSA Y ALMIDÓN.
Las triosas fosfato que se forman en el ciclo
siguen distintas vías, o bien la síntesis de sacarosa o
bien la síntesis de almidón. Estas dos vías ocurren en
lugares distintos, la síntesis de sacarosa tiene lugar en
el citoplasma de la célula mientras que la síntesis de
almidón ocurre en el estroma del cloroplasto (Fig.10.6). La síntesis de ambos es similar, solo difieren en
los dos últimos pasos. Como se puede ver en la Fig.10. 7.
SÍNTESIS DE SACAROSA.
La síntesis de sacarosa tiene lugar en el
citoplasma de la célula, por lo que la triosa fosfato es
transportada
al
citoplasma
a
través
de
un
transportador de membrana interno denominado
translocador de fosfato. Su funcionamiento viene
descrito en el último apartado “Intercambio de
sustancias entre cloroplasto y citoplasma”.
La sacarosa sirve para mantener energéticamente
los procesos metabólicos y además va a ser el
vehículo de transporte de carbono para tejidos o
células no fotosintetizantes.
El transporte de triosas fosfato va a ser
simultáneo con un antitransporte de grupos fosfato. La
presencia de grupos fosfato por encima de
concentraciones óptimas, tanto en el estroma como en
el citoplasma va a ser inhibidor de la biosíntesis de
productos finales.
SÍNTESIS DE ALMIDÓN.
El exceso de triosas fosfato que no se utilizan en
la síntesis de sacarosa se convierten en almidón, que
actúa como sustancia de reserva. Esta síntesis y
posterior almacenamiento tiene lugar en el estroma
del cloroplasto, donde se acumula durante el día para
ser movilizado y exportado por la noche. Así, el aporte
de carbono reducido al resto de la planta, se produce
tanto de día como de noche.
En muchas plantas los polisacáridos de reserva se
acumulan en forma de fructanos y no de amidón. Estos
fructanos resultan de adiciones de residuos de
fructosa a una molécula de sacarosa. Parece ser q
están asociadas a plantas que necesitan una
resistencia al frío.
Todo lo descrito hasta ahora corresponde a
plantas C3, ya que por la fijación del CO2 en el ciclo de
calvin se obtienen
moléculas de tres átomos de
carbono.
El balance global del ciclo hasta hexosas-fosfato
nos da la reacción global:
6CO2 + 6H2O + 18ATP + 12NADPH
hexosa-P + 12 H+ + 18 ADP + 17 Pi + 12 NADP+
El coste de fijar 1 CO2 =3 ATP + 2NADPH.
Se gastan 2 ATP y 2 NADPH en la fase de reducción
por cada molécula de CO2 fijado y 1ATP más en el
último paso de la fase de regeneración para de RuDP.
(Fig.- 10.9)
INTERCAMBIO DE SUSTANCIAS ENTRE CLOROPLASTO
Y CITOPLASMA
En el cloroplasto se encuentra transportadores de
triosas que permiten la intercomunicación entre el
cloroplasto
y
el
citoplasma.
En
el
estroma
cloroplástico, se liberan triosas fosfato durante la
fotosíntesis, que son transportadas al citoplasma para
la síntesis de sacarosa mediante el translocador
fosfato (vease Fig.-10.8). La síntesis de sacarosa
produce un fosfato inorgánico que es intercambiado
con el cloroplasto por una triosa fosfato destinada a la
síntesis de sacarosa. Ese fosfato puede ser usado en
la fotofosforilación.