Fijación y reducción de CO2: Ciclo de Calvin, Metabolismo C4 y CAM

Tema 7: Fijación y reducción de CO2
 Ciclo de Calvin
 Síntesis de sacarosa y almidón
 Metabolismo C4
 Metabolismo CAM
Fijación de dióxido de carbono
-
INTRODUCCIÓN
 Desde hace 62 años una organización independiente americana
mide diariamente la concentración de CO2 en la atmósfera. En
1955 se situaba en 315 ppm. En 2015 se rompió la barrera de las
400 ppm y en febrero de 2017 alcanzó un valor de 406,42 ppm.
Es decir, en los últimos 62 años, la concentración de CO2 en la
atmósfera ha aumentado un 30%. (datos tomados de
https://www.CO2.org y https://www.co2.earth)
Atmospheric CO2
February 2019
411.75
Alto contenido
vapor agua
Baja [CO2]
 El CO2 de la atmósfera penetra en la planta por estomas.
 La apertura y cierre de estomas es un proceso muy regulado.
Excepto en plantas CAM los estomas se abren al amanecer
y se cierran cuando anochece.
H2O
CO2
 La fijación de CO2 genera el gradiente necesario para que siga
entrando pasivamente.
Fijación de dióxido de carbono
 Tres grupos de plantas según la forma de fijar CO2:
-
CO2 (atm)
1. Plantas C3 (metabolismo C3): 95% de las especies.
* El CO2 penetra por los estomas y se fija en el Ciclo de Calvin que normalmente
ocurre en las células del mesófilo foliar.
INTRODUCCIÓN
Ciclo
Calvin
C reducido
2. Plantas C4 (metabolismo C4): 3% de las especies.
* Dos tipos de células fotosintéticas: mesófilo y vaina del haz.
Mesófilo: CO2 (atm) + fosfoenolpiruvato (PEP)
Vaina del haz: Compuesto de 4C
Compuesto de 4C
PEP
+
CO2
Ciclo
Calvin
C reducido
3. Plantas CAM (metabolismo CAM). En Cactaceas y familias próximas. Semejante a las C4.
C reducido
vacuola
* Un tipo de célula fotosintética.
Ciclo
Noche
Calvin
CO (atm) + PEP
Compuesto de 4C
Día
Compuesto de 4C
PEP + CO2
Fijación de dióxido de carbono
-
PGA: 3-fosfoglicerato
GAP: 3-fosfogliceraldehído
 Características ciclo de Calvin
• Proceso de fijación de CO2 Principal consumidor
ATP/NADPH del estroma.
INTRODUCCIÓN
de
• Es un proceso cíclico por que la fijación conlleva
destrucción del azúcar fijador que por tanto debe
regenerarse utilizando una parte del carbono fijado.
Ribulosa 1,5bifosfato (x3)
CO2 (x3)
Carboxilación
3-PGA
(x6)
Regeneración
Reducción
• El carbono entra como CO2 y (carbono oxidado) y sale
como triosas-fosfato reducidas (fosfogliceraldehído
– GAP).
• Consta 13 reacciones catalizadas por 11 enzimas y agrupadas
en 3 fases: carboxilación, reducción y regeneración.
Entrada de C
GAP
(x5)
3-GAP
(x6)
GAP
€(x1)
Salida de C
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
PGA: 3-fosfoglicerato
GAP: 3-fosfogliceraldehído
 Fases ciclo de Calvin
1. CARBOXILACIÓN:
Ribulosa 1,5bifosfato (x3)
(RuBP)
CO2 + Ribulosabifosfato (RuBP) → 2 Fosfoglicerato (PGA)
Entrada de C
CO2 (x3)
2. REDUCCIÓN:
Carboxilación
2.a. Activación de PGA:
PGA + ATP → Bifosfoglicerato (BPGA) + ADP
3-PGA (x6)
PGA (glicerato-3-fosfato)
Regeneración
2.b. Reducción de BPGA:
Reducción
BPGA + NAPH → Gliceraldehídofosfato (GAP)+ NADP+
3. REGENERACIÓN DE RuBP:
BPGA (bifosfoglicerato)
GAP
(x5)
3-GAP
(x6)
- Una parte de GAP se utiliza en regenerar RuBP:
GAP → RuBP
- La otra parte de GAP sale al citosol y sintetiza sacarosa:
GAP → sacarosa
GAP
€(x1)
Salida de C
Fijación de dióxido de carbono
1.
-
CICLO DE CALVIN
Carboxilación:
 Substrato fijador: ribulosa-1,5-bifosfato (RuBP).
 Intermediario: 3-ceto-2-carboxi-arabinitol-bifosfato (CAB).
 Enzima: ribulosa-1,5-bifosfato-carboxilasa-oxigenasa (rubisco)
 Producto liberado: 2 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (PGA).
P
C
P
C C

C
P
C
C
C
P
Ribulosa-1,5-bifosfato
RuBP
C
P
3-ceto-2-carboxiarabinitol-bifosfato (CAB)
Ac. 3-fosfoglicérico
(x2)
P
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Ribulosa-1,5-bifosfato-carboxilasaoxigenasa (rubisco):
•
Es la proteína más abundante del planeta (aprox. 50% de la proteína total del cloroplasto). Es clave
para la producción de biomasa a partir del CO2 .
• Localización: exclusivamente en estroma del cloroplasto.
Inmunolocalización de rubisco: Una sección transversal de hoja
(Atriplex hastata) es tratada con IgG anti-rubisco e IgG secundaria
unida a un fluorocromo. Se observa que la fluorescencia se
restringe al estroma.
• Existen 2 tipos principales de rubisco que difieren en estructura, distribución y sensibilidad al O2:
Tipo I (en la mayoría de bacterias autótrofas y quimiótrofas y plantas superiores): 8 subunidades grandes (55
kDa) y 8 pequeñas (14 kDa).
Tipo II (en algunas bacterias autótrofas y ciertos dinoflagelados): 2 sub. de 50 kDa.
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Estructura de rubisco tipo I (560 KDa): 16 subunidades (8 grandes y 8 pequeñas), 208 hélices, 248
láminas β y 456 giros, todo ello estabilizado por 2.992 puentes de H2.
* 8 subunidades grandes (56 kDa) con un centro activo cada una (8 por molécula) y codificadas por DNA cloroplástico
* 8 subunidades pequeñas (14 kDa) codificadas por DNA nuclear.
Estructura cuaternaria de la rubisco. Con 8
subunidades grandes (azul claro y oscuro) y 8
subunidades pequeñas (rojo).
•reaction mechanism: http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/bza/1rxo/e1rxom.htm
•Structure: http://www.biologie.uni-hamburg.de/lehre/bza/1rxo/ereact.htm
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
Iizquierda: RuBisCo tipo I (plantas y algas) formada por 8 subunidades grandes y 8 subunidades pequeñas.
Derecha: RuBisCo tipo II (bacterias) formada por 2 subunidades grandes.
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Subunidades grandes de la rubisco (56 KDa):
● Muy conservadas (idénticas en un 90% en plantas de cultivo
agrícola).
RuBP
● Contiene 475 aminoácidos y es codificada por DNA del
cloroplasto.
● La rubisco tiene 4 dímeros (8 subunidades) de la subunidad
grande agrupados en forma de barril:
- Las otras 8 subunidades pequeñas se disponen en los
extremos de dicho barril.
Dímero de subunidades grandes
con centros activos.
● En el dominio carboxiterminal, cerca de la zona de unión de las dos subunidades del dímero, se
encuentran los centros activos (8 por molécula de rubisco).
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Subunidades pequeñas de la rubisco (14k Da):
● Menos conservadas que las subunidades grandes (idénticas en un 70% en
plantas con interés agrícola).
● Función : estabilizar los 4 dímeros de subunidades grandes.
● Contiene 123 aminoácidos y es codificada por DNA del nucleo.
subunidad pequeña
Subunidades grande (azul) y pequeña (verde) de
rubisco de Nicotiana tabaccum.
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
 La rubisco tiene un bajo turnover: elevada vida media.
 La actividad rubisco se regula postraducionalmente
activación/desactivación dependiente de la luz:
mediante
Día: activa
Noche: inactiva
 De esta forma se acopla el ciclo de Calvin con el suministro de ATP y NADPH.
activación
Luz
Tilacoides
H2O
O2
Rubisco
Estroma
CO2
CH2O
un
sistema
de
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
 Mecanismo de activación:
1. Carbamilación: unión de un CO2 (diferente al que se fija) a
un NH2 de una lisina de una subunidad grande (Lys-201).
Aparece una carga negativa superficial.
Carbamilación de la rubisco
2. Unión de ión Mg2+ a la carga negativa generada en el primer paso. El ión Mg2+ es indispensable en la
reacción de carboxilación.
Mg2+
+
CO2 H
H+
Rubisco
Rubisco
Rubisco
Rubisco
Lys
Lys
Lys
NH
NH3+
NH2
NH
COO-
COO-
Mg2+
Inactiva
Lys
Activa
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
1. Carbamilación. El CO2 se une al grupo amino de la Lys201 del centro activo de la rubisco
2. Unión de Mg a los aminoácidos Lys201, Asp202, Asp203, Glu204 del centro activo de la rubisco.
Rubisco
Mg
CO2
2
1
Lys201
3. Unión de RuBP a Mg a través de los dos oxígenos de C2 y C3.
RuBP
3
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
 La activación de rubisco necesita de la actividad previa de la enzima rubisco activasa:
• El substrato RuBP permanece unido al centro activo de rubisco e impide que se active por
carbamilación y unión de Mg2+.
• Rubisco activasa promueve la liberación de RuBP en una reacción dependiente de ATP.
• Rubisco activasa depende de luz (necesita ATP) y se activa por ferredoxina-tioredoxina (lamina 32)
ATP
ADP
+
Pi
RuBP
Rubisco
CO2
RuBP
Mg2+
RuBP
Activasa
Rubisco
Rubisco
Rubisco
Activasa
Lys
Lys
NH3+
NH3+
Activasa
Lys
2 H+
NH3+
Lys
NH
COO-
Inactiva
Activa
Mg2+
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
 Efecto de la luz en la activación de la rubisco:
● Activación de rubisco activasa por ferredoxina tiorredoxina.
● Síntesis de ATP necesario para la actividad rubisco activasa
● Generación en el estroma de las dos condiciones necesarias para la activación de rubisco (pH alcalino
y alta [Mg 2+]).
Estroma
H+
Lumen tilacoidal
H+
Lumen:
Estroma:
↑ pH
↑ Mg2+
↓ pH
Mg2+
Condiciones necesarias
para activar rubisco
Fijación de dióxido de carbono
-
ACTIVACIÓN DE RUBISCO
 Conceptos previos: tautomería ceto-enólica.
* Se da en aldehídos y cetonas con hidrógenos en α.
* Es un tipo de isomería de función, donde los
isómeros coexisten en equilibrio químico.
ceto
enol
ceto
enol
* El C2 de la RuBP puede adoptar una de dos posibles
configuraciones ceto o enol. El tautómero más
estable en solución es el ceto (forma predominante).
Fijación de dióxido de carbono
-
MECANISMO DE LA REACCIÓN CARBOXILATIVA
 Mecanismo de la carboxilación de RuBP:
CO2
1. Unión y enolización de RuBP:
● La forma activa de rubisco estabiliza en su centro
activo la forma dienólica del sustrato (RuBP)
Ribulosa Intermediario
1,5-bifosfato
enediólico
Ribulosa 1,5-bifosfato
Intermediario enediólico
2-carboxi-3-ceto-Darabinitol-1,5-bifosfato
2. Carboxilación de RuBP:
● EL Mg del centro activo polariza el CO2 y permite
que ejerza un ataque electrofílico al C2 del enediol.
● El enlace covalente entre CO2 y RuBP resulta en la
formación de un azúcar ramificado de 6C.
Fijación de dióxido de carbono
-
MECANISMO DE LA REACCIÓN CARBOXILATIVA
3. Hidratación del intermediario de 6C: una molécula de agua pierde
un hidrógeno y el oxígeno del hidroxilo resultante ataca al C3 del
intermediario, hidratándose el intermediario de 6C.
H2O
4. Ruptura del enlace C2-C3: Se forma una molécula de 3-Dfosfoglicerato, que se libera de la enzima, y un carbanión que
permanece unido.
Carbanión
Intermediario
hidratado
5. Protonación de C2 del carbanión. Resulta en la formación de otra
molécula de 3-fosfoglicerato. Esta reacción también es
estereoespecífica (solo se forma D-3-fosfoglicerato).
3-PGA
H+
Carbanión
3-PGA
Fijación de dióxido de carbono
-
MECANISMO DE LA REACCIÓN CARBOXILATIVA
 Resumen de la carboxilación de RuBP:
*
Unión de los substratos, CO2 y RuBP, a través de un átomo de Mg. Se estabiliza la forma dienólica de RuBP.
*
Carboxilación: formación de un enlace C-C el CO2 y la RuBP. El intermediario de 6C (CAB) es inestable.
*
Escisión del intermediario CAB en dos moléculas iguales (fosfoglicerato -PGA-) que se liberan de la enzima.
Enolización
Ribulosa bifosfato
(Ceto)
Carboxilación
Ribulosa bifosfato
(Enediol)
Hidratación
3-ceto-2-carboxi
arabinitol-bifosfato (CAB)
Ruptura
Ac. 3-fosfoglicérico
(x2)
Fijación de dióxido de carbono
-
MECANISMO DE LA REACCIÓN CARBOXILATIVA
 Rubisco tiene actividad carboxilasa y oxigenasa: CO2 y O2 compiten para reaccionar con RuBP.
● Carboxilasa: incorporación de CO2 al C2 de la ribulosa bifosfato originando
un intermediario de 6C que se rompe y forma 2 moléculas de 3-PGA.
● Oxigenasa: incorporación de O2 al C2 de la ribulosa bifosfato originando un
intermediario de 5C que se rompe y forma una molécula de fosfoglicolato y
otra de fosfoglicerato.
● Proporción de actividad carboxilasa y oxigenasa de rubisco:
RuBP
(enediol)
Intermediario
hidroperóxido
- La unión de CO2 ó O2 es sobre RuBP que ya está unido al centro al centro
activo de rubisco.
- La proporción entre carboxilación y oxigenación depende sobre todo de la
proporción [CO2/O2] y de la temperatura.
- Para un cociente [CO2/O2] = 1: la actividad carboxilasa es 80 veces mayor
que la oxigenasa.
- Para un cociente [CO2/O2] = 0,0416: (solución acuosa en equilibrio con
aire) actividad carboxilasa es 3 veces mayor que la oxigenasa.
3-ceto-2-carboxi-arabini
tol-bifosfato (CAB)
Fijación de dióxido de carbono
-
MECANISMO DE LA REACCIÓN CARBOXILATIVA
 La planta reintroduce en el ciclo de Calvin el carbono que salió de él en forma de fosfoglicolato debido a la actividad
oxigenasa de la rubisco. La ruta del glicolato convirte 2 fosfoglicolatos (4C) en un fosfoglicerato y un CO2.
Actividad carboxilasa:
RuBP + CO2
Actividad oxigenasa:
RuBP + O2
2 fosfoglicerato
fosfoglicerato+ fosfoglicolato
2-fosfoglicolato
Triosas
fosfato
O2
Ciclo de Calvin
CO2
Ganancia
de carbono
Ribulosa 1,5
-bifosfato
3-fosfoglicerato
Ruta del glicolato
CO2
Pérdida de
carbono
Fijación de dióxido de carbono
-
Actividad oxigenasa de Rubisco
 La ruta del glicolato convierte 2 moléculas de fosfoglicolato en una de 3-fosfoglicerato y un CO2,
reintroduciendo en el ciclo de Calvin parte del carbono liberado por la actividad oxigenasa de la rubisco.
CH2O P
-O
C
X
2
O
Fosfoglicolato
O2
HO
CO2
ATP
RuBP
CH2O P H O H+
2
C OOC=O
HC
OH
CH2O P
Intermediario hidroperóxido
ruta del
glicolato
ADP
COOHC
OH
CH2O P
Ciclo de
Calvin
3-Fosfoglicerato
● La ruta del glicolato reintroduce en el ciclo de Calvin
el carbono que ha salido en forma de fosfoglicolato
Fijación de dióxido de carbono
-
FOTORRESPIRACIÓN
 Fotorrespiración:
● Proceso metabólico asociado a la fijación de CO2 que consume O2 por actividad oxigenasa de la
rubisco y forma CO2 en la ruta del glicolato
● La ruta del glicolato se desarrolla en tres orgánulos: cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias.
.
Fijación de dióxido de carbono
-
FOTORRESPIRACIÓN
 De forma global:
• Coste energético:
* La fotorrespiración consume una parte del carbono fijado y reducido y supone un gasto de ATP y
NADPH:
- Una vuelta al Ciclo Calvin: fija 1 CO2 y consume 3ATP y 2NADPH
- Un ciclo completo de fotorrespiración pierde 1 CO2 y consume 2 ATP y 2.5 NADPH
* La relación entre carboxilación y oxigenación de rubisco depende sobre todo de la relación O2/CO2
* La temperatura afecta a la fotorrespiración:
↑ Tra→ ↑ O2/CO2
* Las plantas C4 y CAM no fotorrespiran debido a un mecanismo que acumula CO2 en el entorno de la rubisco.
● El significado fisiológico de la fotorrespiración es dudoso: ¿disipación de ATP/NADPH en condiciones de alta
iluminación y baja [CO2] ?
Fijación de dióxido de carbono
-
FOTORRESPIRACIÓN
 La fotorrespiración no tiene un significado fisiológico claro: una planta dispondría de más carbono
reducido para crecer si no fotorrespirara.
•
La unión de CO2 ó O2 se produce cuando la RuBP ya se ha unido al centro activo de la rubisco.
•
Cualquier modificación del centro activo de rubisco que reduzca la oxigenación también reduce la
carboxilación.
•
Hay otras formas de disminuir la fotorrespiración:
- In vivo: acumulación de CO2 en el entorno de rubisco:
* Algas:
mediante bombas iónicas acumuladoras de HCO3−acopladas a actividad anhidrasa
carbónica que convierte HCO3− en CO2.
* Plantas C4 y CAM: descarboxilación
temporalmente
(entorno de rubisco) / carboxilación separadas espacial o
- In vitro: manipulación de la composición gaseosa de la atmósfera que rodea la planta.
* Es menos costoso el aumento de [CO2] en el aire (0.04% a 0.12%), que se hace en algunos invernaderos,
que la reducción del [O2].
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 La fase de reducción transcurre en dos pasos:
1. Activación de PGA: reacción con ATP para formar bifosfoglicerato
(BPG).
PGA-quinasa
* PGA-quinasa se activa con ATP, Mg2+ y PGA
* Las condiciones de activación de PGA-quinasa se dan en el estroma
cuando los cloroplastos reciben luz.
GAP-deshidrogenasa
2. Reducción de BPG a 3-fosfogliceraldehído (GAP):
* Reacción catalizada por GAP-deshidrogenasa, única enzima del ciclo
consume NADPH.
* GAP-deshidrogenasa, se activa por ferredoxina-tiorredoxina (LUZ).
que
Fijación de dióxido de carbono
1. Activación de PGA: reacción con ATP para formar bifosfoglicerato (BPG).
CO2
Luz
RuBP
Activación Rubisco
↑[ATP]-↑[Mg2+]-↑[PGA
Activación PGA-quinasa
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
2. Reducción de BPG a 3-fosfogliceraldehío (GAP):
Luz
ferredoxinatiorredoxina
Activación
GAP-deshidrogenasa
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
[Fe2S2]+
eS-S
 Tiorredoxinas: proteínas con una centro activo formado por -Trp-Cis-GliPro-Cis- que contiene un puente disulfuro capaz de oxidarse y/o
reducirse:
S-S
2SH
CICLO DE CALVIN
Estructura del centro activo
de la ferredoxina
 Ferredoxinas: proteínas sulfo-férricas que median la transferencia
de electrones en gran variedad de reacciones metabólicas.
 Las ferredoxinas de plantas (tipo cloroplástico) tienen un centro
activo con un nucleo [Fe2-S2] unido a 4 S de 4 cisteinas. Uno de
los átomos de hierro puede oxidarse o reducirse (transporta solo
un electrón).
-
[Fe2S2]2+
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Mecanismo de activación enzimática dependiente de la luz
 Activa enzimas con alta proporción de aminoácidos azufrados:
GAP-deshidro-genasa, sedoheptulosa bifosfatasa, fructosa
bifosfatasa y fosforibulosaquinasa. Desde 1999 la rubisco activasa
es otra enzima activada por este sistema.
Fotosistema I
Ferredoxina
oxidada
Ferredoxina
reducida
Ferredoxintiorredoxin
reductasa
 Los electrones de PSI reducen los puentes disulfuro de estos
enzimas a través de ferredoxina y tiorredoxina.
 Al quedar libres los grupos tiólicos las enzimas se desagregan y
exponen los centros activos.
Tiorredoxina
reducida
Tiorredoxina
oxidada
Enzima
oxidada
Enzima
reducida
Inactiva
Activa
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 El destino del carbono, fijado y reducido, al cloroplasto ó al citoplasma, se decide en dos niveles:
1. Transportador fosfato: localizado en la membrana interna de la cubierta del
cloroplasto. Intercámbia triosas fosfato del estroma por fosfato libre del citoplasma:
GAP ó DHAP
estroma
•
•
Pi
GAP ó DHAP
Pi
citoplasma
Evita el agotamiento de fosfato libre en el estroma.
Se regula por [Pi] en el estroma: se activa cuando ↓ [Pi]estroma
2. Fructosas bifosfatasas estromática y citosólica: catalizan la eliminación de uno de los
dos fosfatos de fructosa-bifosfato (FBP) en una reacción irreversible.
Fijación de dióxido de carbono
Ciclo de
Calvin
Reacción irreversible
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Resúmen de la fase de regeneración:
Inicio
• Objetivo:
• Convertir compuestos de 3 carbonos en compuestos de 5
carbonos.
• Reglas:
• El tamaño de los intermediarios debe ser lo mas pequeño
posible
• Utilizar el menor número posible de pasos
• No se puede pasar por compuestos de un solo carbono
Final
Fijación de dióxido de carbono
-
Aldolasa: 1 y 4
Transcetolasa (I): 2 y 3
Transcetolasa (II):5 y 6
Inicio
Final
3
6
1
2
4
5
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
Final
Inicio
Isomerasa
Aldolasa
Aldolasa
Isomerasa
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Las triosas-fosfato reducidas (GAP/DHAP) que permanecen en el cloroplasto forman ribulosa 1,5-BP.
1. Establecimiento
de
un
equilibrio
entre
fosfogliceraldehído (GAP) y su isómero
dihidroxiacetonafosfato (DHAP) catalizado por
la enzima triosafosfato isomerasa.
Triosa-fosfato
isomerasa
2. Condensación de GAP y DHAP en fructosa
bifosfato (FBP) por actividad de la enzima
aldolasa.
3. Eliminación de un fosfato de FBP
(reacción irreversible) por la enzima
fructosa bifosfatasa (isoforma del
estroma regulada por ferredo-xinatiorredoxina.
GAP
Dihidroxiacetona
fosfato
Fructosa-1,6bifosfatasa
Dihidroxiacetona
fosfato
Fructosa 6fosfato
Fructosa 1,6-bifosfato
Fijación de dióxido de carbono
Fructosa 1,6bifosfatasa
Dihidroxiacetonafosfato-fosfato
Fructosa 6fosfato
Fructosa 1,6bifosfato
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono

-
CICLO DE CALVIN
Las aldolasas añaden el carbono α de un aldehído o cetona al carbono carbonilo de otra:
carbono carbonilo
carbono α

Las dos aldolasas del ciclo de Calvin catalizan la adicción reversible de dihidroxiacetona-P
(DHAP) a gliceraldehido-3-fosfato y eritrosa-4-P para fromar fructosa-1,6-bifosfato y
sedoheptulosa-1,7-bifosfato respectivamente.
Fijación de dióxido de carbono
4. Transferencia de fragmentos de 2C (glicoaldehido) desde fructosa-6-P a
gliceraldehído-3-P para formar xilulosa-5-P y eritrosa-4-P por actividad de la
enzima transcetolasa.
5. Establecimiento de un equilibrio entre los isómeros xilulosa-5-P y ribulosa-5-P
por actividad de la enzima X5P-isomerasa.
6. Transferencia de un fosfato del ATP a ribulosa-5-P para formar
ribulosa 1,5-bifosfato por actividad de la enzima fosforibulosa
quinasa.
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
 Transcetolasa (glicoaldeído transferasa):
•
Muy conservada durante la evolución de los organismos.
•
En la mayoría de los casos en
que ha sido purificada se ha
comprobado que su estructura
está
formada
por
un
homodímero de 70 KDa.
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
7. Condensación de gliceraldehído-3-P (GAP) y eritrosa-4-P (E4P) para formar
sedoheptulosa-bifosfato (SBP). por actividad de la enzima aldolasa (paso 2).
8.
9.
Eliminación de un fosfato de SBP (reacción irreversible) para formar
sedoheptulosa-7-P por la enzima sedo-heptulosa bifosfatasa (reacción
irreversible y regulada por ferredoxina-tiorredoxina).
Transerencia de glicoaldehído (C2) desde sedoheptulosa-7-P (S7P) a
gliceraldehído-3-P (GAP) para formar xilulosa-5-P y ribosa-5-P por la enzima
transcetolása.
Conversión de xilulosa-5-P en ribulosa 1,5- bifosfato (pasos 5 y 6)
-
CICLO DE CALVIN
Fijación de dióxido de carbono
10. Isomerización de ribosa-5-P a ribulosa-5-P por actividad de la
enzima fosfopentosa isomerasa. La ribulosa-5-P se convierte en
ribulosa-1,5-bifosfato (paso 6).
-
CICLO DE CALVIN
Fosfopentosa isomerasa
Ribosa-5-P
Ribulosa-5-P
Fijación de dióxido de carbono

-
CICLO DE CALVIN
Consumo de ATP / NADPH:
6 ADP+Pi
● La fijación de 6 CO2 requiere:
* 18 ATP (12 ATP para reducir 12 PGA y 6
ATP para fosforilar 6 R5P)
6 ATP
12 ATP
12 ADP+Pi
12 NADPH
12 NADP+
* 12 NADPH para reducir 12 BPGA
● Gasto energético por vuelta:
3 ATP y 2 NADPH
(ATP/NADPH = 1,5)
Manteniendo constante la concentración
de RuBP, por cada 6 vueltas del ciclo
entran 6 CO2 y se forma una hexosa,
Fijación de dióxido de carbono

-
CICLO DE CALVIN
En condiciones naturales el ciclo de Calvin está limitado por uno de los tres factores limitantes:
• Dióxido de carbono:
*
El acceso del CO2 al mesófilo por los estomas está afectado por Ψsuelo
• Temperatura:
*
•
La actividad de los enzimas depende de la temperatura
Luz. El ciclo de Calvin no funciona en oscuridad:
*
*
Síntesis de ATP/NADPH
Activación de enzimas por la luz
 Tipos de control:
1. Genético: intensidad de síntesis de enzimas.
2. Bioquímico: activación de enzimas e intensidad de las reacciones
enzimáticas.
Fijación de dióxido de carbono
CICLO DE CALVIN
La representación de la intensidad de fotosíntesis frente a uno de los factores limitantes da curvas del
tipo:
• El factor representado en el eje de
abscisas limita la fotosíntesis siempre
que un aumento de su intensidad cause
una mayor fotosíntesis.
• Si al aumentar el factor en abscisas la
intensidad fotosintética se mantiene
constante (flechas) no está limitada por
este factor sino por otro diferente.
Intensidad de fotosíntesis

-
densidad de flujo fotónico
Fijación de dióxido de carbono

-
CICLO DE CALVIN
El ciclo de Calvin se acelera o frena frente a variaciones de densidad de flujo fotónico (DFF) y
composición espectral:
•
Las variaciones de la densidad de flujo fotónico pueden
estar motivadas por:
* Día/noche
* Zona de la planta y otras plantas (sombras)
* Nubosidad
•
Las variaciones de la composición espectral:
* Día/noche
* Zona de la planta
* Zona de la planta y otras plantas (sombra)
* Profundidad del agua (algas)
Fijación de dióxido de carbono

-
CICLO DE CALVIN
Efecto de la luz sobre el ciclo de Calvin: suministro de ATP/NADPH y enzimas regulados.
LUZ
Canal fotosintético transportador de electrones (CFTE)
Síntesis de NADPH
Bombeo de H+ al lumen
Síntesis de ATP
3-GAP deshidrogenasa
Estroma:
pH ≈ 8
↑ Mg++
Ferredoxina / tioredoxina
↑ rubisco activasa
↑F-1,6-BPasa
↑ 3-PGA-quinasa
↑ Ru5P-quinasa
↑S-1,7-BPasa
↑ rubisco
↑ 3-GAP deshidrogenasa
↑ Ru5P-quinasa
Fijación de dióxido de carbono
-
CICLO DE CALVIN
 Efecto de la luz sobre el ciclo de Calvin: control global del ciclo. Para una temperatura y [CO2]atm
determinadas, un aumento de la DFF de luz PAR provoca:
Activación
de rubisco
↑ Velocidad de
carboxilación
↓ RuBP
RuBP
constante
Enzimas dependientes
de ATP/NADPH
↑ [GAP]
↑[Pi]estr.
↓[Pi]estr.
Enzimas activadas por
ferredoxina/tiorredoxina
↑ Velocidad de
regeneración
Triosas-P
en cloropl.
Triosas-P
al citosol
↑ RuBP
1. Al amanecer se activan enzimas del ciclo de Calvin y
desciende (transitoriamente) [RuBP].
Vcarboxilación=Vregeneración
Sacarosa
2. Después de un tiempo en oscuridad el nivel de Pi
estromático es alto y las triosas-P permanecen en el
estroma (síntesis de RuBP).
3. Ranscurrido un periodo de luz [Pi] estromático desciende
debido a fotofosforilación y las triosas-P salen al citosol para
formar sacarosa.
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE SACAROSA
 La síntesis de sacrosa tiene lugar en el citoplasma y
comienza por la actividad del translocador fosfato situado
en la membrana interna del cloroplasto:
• Intercambia triosas-P reducidas y no empleadas en la
regeneración de RuBP, por Pi del citosol, evitando
que se agote el Pi.
Ruta biosintética de sacarosa (resumen):
GAP + DHAP
Aldolasa
Fructosabifosfatasa
→ FBP
→
Fosfogluco
isomerasa
F6P
Fosfogluco
mutasa
→ G6P
→
UDP-glucosa
pirofosforilasa
G1P + UTP
→ UDPG
Sacarosa 6-P-sintasa
GAP: 3-fosfogliceraldehído
G6P: glucosa-6-fosfato
DHAP: dihidroxiacetona
UTP uridintrifosfato
FBP: fructosa-1,6-bifosfato
UDPG: uridindifosfoglucosa
Sac-P
Sacarosa-6-P-fosfatasa
→
Sac + P
Fijación de dióxido de carbono
2
Fructosa 1,6-bifosfato
-
SÍNTESIS DE SACAROSA
3
Fructosa 6-fosfato
Glucosa 6-fosfato
1. Aldolasa condensa GAP y DHAP y forma fructosa bifosfato (FBP).
2. Fructosa-bifosfatasa:(FBPasa) citoplasmática elimina un fosfato de FBP y
forma Fru-6-P. Reacción irreversible.
3. Glucosa-6-P-isomerasa: forma Glu-6-P a partir de Fru-6-P.
Fijación de dióxido de carbono
4
Glucosa 6-fosfato
+ UTP
-
SÍNTESIS DE SACAROSA
5
Glucosa 1-fosfato
UDP-glucosa
4. Fosfoglucomutasa: convierte glucosa-6-P en glucosa-1-P.
5. UDP-glucosa pirofosforilasa: acepta glucosa1-P y UTP y libera UDP-glucosa y Pi.
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE SACAROSA
Fructosa 6-P
UDP-glucosa
Sacarosa 6fosfato sintasa
Pi
6. Sacarosa 6-P-sintasa (SPS) forma sacarosa-P
a partir de UDPG y fructosa-6-P.
Sacarosa 6-P
Sacarosa 6-P
fosfatasa
Pi
Sacarosa
7. Sacarosa-6-P-fosfatasa (SPP) elimina el grupo
fosfato de sacarosa-P.
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE SACAROSA
● FBPasa citoplasmática acopla la actividad del ciclo de Calvin
con el destino citoplasmático del carbono fijado mientras que
SPS acopla el ciclo de Calvin con la síntesis de sacarosa.
Fructosa 6-P
UDP-glucosa
Sacarosa 6fosfato sintasa
(SPS)
Pi
● FBPasa se regula por Fru-2,6-BP del citosol disminuye su
concentración si aumenta la de Fru-1,6-BP,) m (ientras que
SPS se inhiben por Pi:
↑ Triosas Fosfatocitosol
Sacarosa 6-P
Sacarosa 6-P
fosfatasa
(SPP)
↓ Picitosol
↓ Fru-2,6-BPcitosol
Pi
↑ SPS y SPP
Sacarosa
↑ Fru-1,6-BPcitosol
↑ FBPasa
Síntesis de sacarosa
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
 El almidón es una mezcla de dos polímeros:
•
Amilosa: α(1-4)-glucano lineal (1).
•
Amilopectina: eje central α(1-4)-glucano con ramificaciones α(1-6)-glucano en C6 (2).
α(1-6)
α(1-4)
Amilosa
 Es la principal forma de almacenamiento de carbono reducido en plantas.
Amilopectina
Fijación de dióxido de carbono

Día: síntesis a partir del exceso de carbono
reducido que permanece en el cloroplasto y
no se utiliza en regenerar RuBP.
-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
Ciclo
de
Calvin
glucosa

Noche: hidrólisis para mantener niveles
basales de intermediarios del ciclo de Calvin
cuando decae la fotosíntesis.
Noche
Día
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
 La síntesis de almidón comienza cuando F6P se convierte primero en G6P y luego en G1P mediante
actividad fosfoglucoisomerasa (1) y fosfoglucomutasa (2) respectivamente.
fosfoglucoisomerasa
Frutosa-6-P
fosfoglucomutasa
Glucosa-6-P
Glucosa-1-P
 G1P se activa al reaccionar con adenosintrifosfato (ATP):
G1P + ATP
ADP-glu pirofosforilasa
ADP-glucosa
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
3. Formación de ADP-glu a partir de ATP y glu-1-P mediante actividad ADP-glu pirofosforilasa (ADPG)
que libera pirofosfato. Se inhiben al ↑ Pi.
4. Almidón sintasa (AS) cataliza la formación de enlace α-1,4 entre el extremo no reductor de un
glucano preexistente y el resto glucosilo de ADP-glu liberando ADP.
ADPG
AS
Fijación de dióxido de carbono
-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
5. Finalmente la enzima ramificante (ER) forma las uniones α-1,6 de las ramificaciones en dos pasos:
* Hidrólisis de un enlace α-1,4 de la cadena.
* Formación de otro enlace α-1,6 entre el extremo reductor del glucano roto y otro resto de glucosa.

ER
Fijación de dióxido de carbono

-
SÍNTESIS DE ALMIDÓN
ADP-glucosa pirofosforilasa regula la síntesis de almidón: se activa con triosas fosfato y se inhibe
con fosfato, con lo que la formación de almidón ocurre con luz.
Luz
Activación rubisco
y ferred-tiored
Síntesis de
ATP/NADPH
↑ Triosas-P
(estroma)
↓ Piestroma
↑ ADP-glu pirofosforilasa
↑ Almidón
Fijación de dióxido de carbono
-
METABOLISMO C4
 Anatomía foliar en corona: dos tipos de células fotosintéticas:
● Células del mesófilo (no realizan el ciclo de Calvin):
1. Asimilan CO2 en forma de ion bicarbonato sobre
fosfoenolpiruvato y forman oxalacetato.
2. Reducen OAA a malato y lo envían a las células
de la vaina del haz.
● Células de la vaina del haz (también tienen cloroplastos):
Vaina del
haz
Floema
Mesófilo
Corte transversal de hoja de planta C4
1. Descarboxilan el compuesto formado en las células del mesófilo y lo incorporan al ciclo de Calvin.
2. La descarboxilación del malato es oxidativa y acoplada a la formación de NADPH.
Fijación de dióxido de carbono
 Metabolismo C4: resumen
Célula del mesófilo
Célula de la vaina del haz
-
METABOLISMO C4
Fijación de dióxido de carbono
CO2aire
Célula del
mesófilo
↑ Demanda de NADPH
Célula
del
mesófilo
↑ Flujo acíclico de e↑ Proporción de grana
↑ Formación de O2
● Cloroplastos v. del haz: Oxidan el malato
Forman NADPH
↓ Demanda de NADPH
NADPH
METABOLISMO C4
 El metabolismo C4 disminuye la tasa de fotorrespiración al acumular CO2 y
disminuir O2 en el entorno de la rubisco:
● Cloroplastos Mesófilo: Reducen el OAA
NADPH
-
↓Grana
Pared
celular
↑ O2
↓ O2
Célula de
la vaina
del haz
↓ Formación O2
Célula de la
vaina del haz
 Las plantas C4 también economizan agua al abrir menos los estomas para
tomar la misma cantidad de CO2.
Fijación de dióxido de carbono
Noche
Incorporación
y
fijación de CO2,
acidificación foliar
Día
Los
estomas
CO2
abiertos permiten
atmosférico
la entrada de CO2
y la salida de H2O
Descarboxilación
del
malato almmacenado y
refijación
del
CO2
interno: alcalinización
-
METABOLISMO CAM
Los estomas cerrados
impiden la pérdida de
H2O y la entrada de CO2
 Las plantas CAM solo tienen
un
tipo
de
célula
fotosintética.
 La separación entre la
carboxilación
de
PEP
(noche)
y
la
descarboxilación de malato
(día) es temporal.
Fijación de dióxido de carbono
Noche
Incorporación
y
fijación de CO2,
acidificación foliar
CO2
atmosférico
Los
estomas
abiertos permiten
la entrada de CO2
y la salida de H2O
● Degradación
de
almidón
fosfoenolpiruvato (PEP)
-
METABOLISMO CAM
y
formación
de
● Estomas abiertos.
● Caraboxilación de PEP por PEP-carboxilasa
formación de oxalacetato (OAA).
● Reducción de OAA a malato con c onsumo NADPH.
● Entrada a la vacuola del malato.
y
Fijación de dióxido de carbono
Día
Descarboxilación
del
malato almmacenado y
refijación
del
CO2
interno: alcalinización
-
METABOLISMO CAM
Los estomas cerrados
impiden la pérdida de
H2O y la entrada de CO2
● Salida del malato de la vacuola y descarboxilación en el
citoplasma. Hay varias formas por las que se puede
descarboxilar el malato, dando lugar a varios subtipos de
metabolismo CAM.
● La descarboxilación es oxidativa y está acoplada a la
formación de NADPH (o NADH).
● El CO2 de la descarboxilación entra en el ciclo de Calvin y
el piruvato se utiliza en la síntesis de almidón.
● Estomas cerrados.
Fijación de dióxido de carbono
Mas activa
PEPcarboxilasa
quinasa
Luz
Oscuridad
Menos activa
(Luz)
Ser
Fosfatasa
METABOLISMO CAM
 Regulación de PEP carboxilasa:
PEPcarboxilasa
quinasa
Menos activa
PEP
carboxilasa
-
PEP
carboxilasa
Mas activa
(Oscuridad)
•
Enzima clave en el metabolismo CAM. Se activa
con luz.
•
Se regula por PEP carboxilasa quinasa y
fosfatasa.:
PEP
-
Luz: PEP carboxilasa quinasa es más
activa y fosforila un resto serina de PEP
carboxilasa lo cual resulta en una enzima
más activa.
-
Oscuridad: PEP carboxilasa quinasa es
menos activa. Además una fosfatasa
elimina el fosfato de PEP carboxilasa.
Ser
Fijación de dióxido de carbono
Noche
-
METABOLISMO CAM
 Ventajas:
•
Disminución de la tasa de
fotorrespiración al acumular CO2
en el entorno de rubisco.
•
Economía de agua:
- El ciclo de Calvin transurra con
los estomas cerrados
- El CO2 entra durante la noche
(tra. baja).
Día