Departamento de Botánica Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas Universidad de Concepción
Gustavo Díaz G. Ped. Cs. Nat. y Biología Prof. Maritza Hoeneisen F. Fisiología Vegetal
INTRODUCCION Todo organismo vivo para desarrollarse como tal posee ciertos requerimientos energéticos, en el caso de las plantas ellas son capaces de realizar la síntesis de su alimento, ello ocurre por medio de un sinnúmero de reacciones químicas las que conforman el llamado metabolismo, tema central a tratar en este seminario tanto escrito como expositivo. Existe mas de un tipo de metabolismo en los vegetales, pero específicamente se tratara el denominado C3, también existe C4 y CAMP, asociado a plantas de clima templado y a las crasuláceas respectivamente. Primero que nada hay que dejar en claro que el metabolismo C3 no es la fotosíntesis, es solo una parte del proceso correspondiente a la fase oscura de la fotosíntesis, existe una fase clara que es anterior y donde se biosintetizan moléculas que se utilizaran en el metabolismo C3. El metabolismo C3 es una serie de reacciones en las cuales participan gran cantidad de moléculas y enzimas para finalmente obtener los carbohidratos necesarios para la nutrición y algunos compuestos de desecho. No se debe olvidar que las reacciones químicas en algunos casos se llevan a cabo gracias a ciertas enzimas que catalizan la conversión de reactantes en productos, como es este el caso, desde ya es importante la mención de la enzima RubisCO (Ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa), que es la enzima clave de este tipo de metabolismo. Esta serie de reacciones comienza con la incorporación de CO 2 (carboxilacion) a un azúcar llamada Ribulosa-1,5-bifosfato gracias a la enzima señalada anteriormente, pero no es mas que el primer paso, luego se obtienen productos de tres carbonos y de allí en nombre de C3, para cumplir con esto la RubisCO ejerce su función carboxilasa, pero también existe una función oxidasa que produce efectos contrarios ya que no ocurre la asimilación de CO 2, sino que la de O 2 (oxidación) en la misma azúcar y por ende no se obtienen los mismos productos y no se lleva a cabo el metabolismo C3, sino que otro proceso llamado fotorrespiracion. Por lo dicho ya anteriormente, se sabe que existen varios tipos de metabolismo dentro de los vegetales, en el caso de C3, este ocurre en las plantas de climas mas bien templados, mas adelante se tratara el por que. Estas plantas de climas templados son llamadas “plantas C3”, y poseen una morfología especial en el interior de sus hojas que le
confieren la facultad de desarrollar dicho conjunto de reacciones. El estudio del metabolismo de las plantas es importantísimo, los vegetales están en el comienzo de la cadena alimentaria, por lo que los elementos de su nutrición son la base de la nuestra, de allí el interés de los científicos de comprender cada uno de los procesos de la fotosíntesis, además de conocer la anatomía de los cloroplastos que son el organelo en el que se lleva a cabo todo el proceso que se tratara en este informe.
PLANTAS C3 Las plantas poseen órganos, entre ellos están las hojas, estas son l as responsables de la captación de luz y otros componentes necesarios para llevar a cabo la fotosíntesis, la fotosíntesis resumidamente es la producción de moléculas necesaria para la vida de las plantas a partir de moléculas inorgánicas. Las plantas denominadas C3 poseen una hoja conformada por células en diversos tipos de organización, en el haz que es el perfil que enfrenta a la luz solar, encontramos capa de células aplanadas que conforman la cutícula, tiene una función protectora, por el frente
contrario,
envés,
entre
el
estas
células se sitúan las células
guardia
que
dejan espacios llamados estomas
por
donde
ingresa y salen fluidos como el CO2, siguiendo a
las
células
de
la
cutícula desde el haz, una
fila
de
vegetales
células alargadas
conforman
el
parénquima
en
empalizada, cada una de
las
células
que
conforman el parénquima se encarga de realizar fotosíntesis. El metabolismo como todo evento ocurre en un espacio físico y para contextualizarnos la célula vegetal es una célula eucarionte, por lo que si bien se asemeja en cierto aspecto a nuestras células por otra parte difiere mucho. Las células vegetales se conforman de una pared celular, que delimita el contenido celular del ambiente, además posee dos organelos que no se presentan en las células animales, las vacuolas y los cloroplastos. Los cloroplastos son organelos que se ubican dentro de la célula en gran cantidad, ellos constan de una membrana externa y otra interna, el espacio interior es el estroma, y en el están las granas que son pilas de una especie sacos membranosos llamados estomas, en la pared de los estomas es donde ocurre la fijación tanto del CO 2 como del O2 en la RubisCO, por lo que es donde comienza tanto el ciclo de Calvin como la fotorrespiracion.
El ciclo de Calvin es también llamado ciclo C3, ya que aquí por medio del ATP y NADPH formado en la primera etapa de la fotosíntesis (fase lumínica), es utilizado para la fijación del CO2, en un compuesto de tres átomos de carbono, el 3-Fosfoglicerato, 3- Fosfoglicerato, proceso el cual ocurre en una segunda etapa de la fotosíntesis, denominada fase oscura. En esta reacción bioquímica toma gran relevancia una enzima RuisCO que combina una molécula de CO2 con el material de partida, un azúcar de cinco carbonos llamado RIbulosa-1,5bifosfato, obteniendo así dos moléculas de 3-fosfoglicerato.
DESCUBRIMIENTO DESCUBRIMIENTO DE LA FIJACION DEL CARBONO Las plantas como todo organismo vivo se compone de células, en ellas hay unos organelos llamados cloroplastos, cloroplastos, verdaderas maquinarias maquinarias que tiene la capacidad única única de catalizar la conversión de CO 2 en compuestos orgánicos sencillos, este proceso se conoce como asimilación del CO2, entre otros. La ruta metabólica de fijación del CO 2 es un ciclo y lleva el nombre del científico que la descubrió a principios de los años 50, Melvin Calvin, en conjunto con Andrew Benson, James A. Bassham y otros investigadores de la Universidad de Berkeley. Su diseño experimental consistió en suministrar CO 2 marcado con isotopo 14
radiactivo, del carbono de peso atómico 14 14 ( C) que permite detectar detectar su presencia presencia sobre un cromatograma cromatograma mediante autorradiografía, autorradiografía, a un cultivo de algas del genero Chlorella Chlorella las cuales la utilizaban para la realización de la fotosíntesis, la cual se interrumpía rápidamente mediante inmersión inmersión de etanol hirviente al 80%. A continuación, continuación, se sometía un extracto de de las algas cromatografía bidimensional en papel, el cual cual se se revelaba revelaba mediante autorradiografía sobre una película de rayos X para ver que compuestos se localizaban la radiactividad procedente del
14
C. Si se obtenían los extractos un minuto 14
después que las algas hubieran fotosintetizados con CO2, aparecían muchos compuestos radiactivos. Acortando el tiempo transcurrido entre el suministro de
14
CO2
y la
interrupción de la fotosíntesis algunos de estos compuestos no mostraban radiactividad, indicando que se trataba de compuestos que se sintetizaban a pasos tardíos de la ruta del carbono. Cuando el tiempo se acortaba solo a dos segundos, la mayor parte de la radioactividad, se concentraba en un compuesto de tres carbonos, el 3-Fosfoglicerato, es por esto que algunos organismos organismos fotosintéticos fotosintéticos se clasifican como plantas C3, ya que el primer compuesto formado una vez fijado el CO2, es una molécula de tres carbonos.
Tras buscar infructuosamente infructuosamente el compuesto compuesto de dos atamos de carbono carbono que se unía con el CO2, para originar la molécula de tres carbonos, 3-Fosfoglicerato, se planteo la hipótesis de que en realidad, el precursor fuera una molécula de cinco átomos de carbono. Para identificar esta molécula, se espero que las algas hubieran fotosintetizado utilizando
14
CO2, y después se elimino su suministro para interrumpir su asimilación en la
alga. En los extractos posteriores se encontró una una progresiva disminución en los niveles niveles de 3-Fosfoglicerato marcado. Curiosamente, al mismo tiempo se observaba un aumento en la concentración de una azúcar de cinco cinco átomos de carbono fosforilado fosforilado en una de sus extremidades, la Ribulosa-1,5-bifosfato. Interrumpiendo el suministro de luz en vez del CO2, en algas del genero Chlorella , se observaba un incremento inicial en la concentración de 3-Fosfoglicerato junto con una disminución progresiva de Ribulosa-1,5-bifosfato. Estas evidencias siguieren siguieren que la Ribulosa-1,5-bifosfato actúa, actúa, como un aceptor aceptor de CO2 y precursor del 3-Fosfoglicerato. Se estableció así la ruta metabólica que explica las reacciones químicas que conducen a la reducción del CO 2, la que permite la formación de los primero carbohidratos y las que concluyen con la regeneración de Ribulosa-1,5bifosfato. Esta regeneración de la Ribulosa-1,5-bifosfato, Ribulosa-1,5-bifosfato, demuestra demuestra que se trata de un ciclo bioquímico., que recibe el nombre de su descubridores Calvin-Benson-Bassham, aunque
se conoce como ciclo de Calvin.
Este ciclo se mencionara más
adelante,
especificando en las fases de asimilación del CO2.
RUBISCO ( Ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa) carboxilasa/oxigenasa) La enzima RubisCO recibe su nombre ya que puede ejercer tanto la acción carboxilasa como oxigenasa sobre la Ribulosa-1,5-bifosfato, azúcar reactante de cinco
carbonos que forma parte de la primera de las tantas reacciones químicas que conforman este metabolismo. Cuando la enzima actúa como carboxilasa cataliza la unión de CO 2 a la Ribulosa1,5-bifosfato, formando un compuesto de seis carbonos, que es muy inestable y termina por romperse en dos compuestos de tres carbonos, estos entran en otra reacción y así sucesivamente se va desarrollando un ciclo, este es el ciclo de Calvin. Por otro lado cuando la enzima actúa como oxigenasa cataliza la unión de O 2 a la Ribulosa-1,5-bifosfato formando dos compuestos, en este caso uno de dos carbonos y otro de tres carbonos, este último entra en el ciclo de Calvin y el otro comienza una serie de reacciones completamente distintas. En base a lo descrito anteriormente se puede decir que tanto el CO2 como el O2 actúan como competitivos en el sitio activo de l a enzima RubisCO. La RubisCO es una enzima, por lo l o tanto tiene una naturaleza proteica, existen dos tipos de RubisCO, la forma I se presenta en plantas superiores y la mayoría de las bacterias autótrofas y quimiototrofas, la forma II se presenta exclusivamente en algunos dinoflagelados y otras bacterias autótrofas. Según la orientación de este seminario se tratara solo la
forma I, que por cierto
predomina sobre la forma II, esta consta de ocho subunidades grandes y ocho pequeñas, de unos 55 kDa y 14kDa respectivamente. En vista
tridimensional
conforman
un
las
subunidades
paralelepípedo,
las
subunidades grandes se organizan en pares formando las caras laterales y las pequeñas conforman tetrámeros que flanquean los extremos de las caras laterales. Dos sitios activos de esta enzima se sitúan en la interfase de cada dimero de subunidad grande, por lo que hay ocho sitios activos en total. Según estudios científicos se estima
que cerca del 85% 85% de los organismos
fotosintéticos de la tierra, como cianobacterias, cianobacterias, algas verdes y la mayoría mayoría de las plantas vasculares poseen un metabolismo C3. También las plantas C3 se caracterizan debido a que encuentran encuentran generalmente en climas templados, templados, saturándose saturándose con una una intensidad intensidad -2
-1
lumínica de unos 200-300 J m s . Pero una de las características propias de la plantas C3, es que están realizan dos procesos únicos los cuales son: el ciclo de Calvin y la fotorrespiración. Ambos procesos que se especificaran a continuación.
CICLO DE CALVIN Consiste en una serie de procesos que se realizan específicamente en el estroma de los cloroplastos de los organismos vegetales, el fin es integrar y convertir por medio de una serie de reacciones químicas moléculas inorgánicas de CO 2 en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formarán los compuestos esenciales para el desarrollo y por ende la vida de estos organismos fotosintetizadores. La asimilación de CO 2 ocurre también gracias a ciertos productos sintetizados en la fase lumínica de la fotosíntesis, la energía de estas moléculas de ATP y NADPH se usa para construir enlaces covalentes dentro de las moléculas de azúcar azúcar que son el producto final del ciclo de Calvin. El ciclo distingue tres fases: Fijación del CO2: La Ribulosa-1,5-bifosfato, una pentosa, sufre una carboxilacion,
en palabras simples, incorporación de una molécula de CO2, esta reacción es mediada por la
enzima
RubisCO. En si la carboxilacion
es
“un hecho” que
consta de cinco pasos, los cuales están
todos
catalizados por la enzima En
RubisCO.
estos
cinco
pasos se crea una molécula de seis carbonos, la cual al
ser
inestable
termina
por
separarse en dos moléculas
que
contienen tres átomos de carbono cada una, el 3-Fosfoglicerato , siendo esta características, el que le otorga en nombre a las plantas C3. Reducción: Primero ocurre un proceso de activación donde una molécula de ATP
proveniente de la cadena transportadora de electrones y la fotofosforilacion, es usada para fosforilar el 3-Fosfoglicerato, transformándolo en 1,3-Bifosfoglicerato, esta fosforilacion es catalizada por la enzima Fosfoglicerato quinasa. La transferencia de un enlace fosfato permite que una molécula de NADPH+H
+
proveniente de la cadena
trasportadora de electrones reduzca el 1,3-Bifosfoglicerato, mediante la acción de la enzima Gliceraldehído-3-fosfatodeshidrogenasa, Gliceraldehído-3-fosfatodeshidrogenasa, para formar finalmente Gliceraldehído-3fosfato, esta triosa fosfato es una aldosa de tres carbonos. Esta triosa fosfato fosfato puede seguir varios caminos, entre los cuales está la formación de azucares necesarios para la planta o seguir una serie de reacciones que la convertirán en Ribulosa-1,5-bifosfato. La mínima cantidad producida, es destinada como materia prima para la biosíntesis de carbohidratos
pero
en
ambas
opciones
se
puede
también
presentar
como
Dihidroxiacetona fosfato que es un isómero. Regeneración: El ciclo continua a lo largo de una serie de reacciones similares a
las que ocurren en la ruta vía de las pentosas, con isomeraciones de azucares hasta formar Ribulosa-5-fosfato, que mediante el consumo de otra molécula de ATP, regenera la Ribulosa-1,5-bifosfato
original,
esta
reacción
es
catalizada
por
la
enzima
Fosforibuloquinasa, así es como se cumple el ciclo, quedando moléculas de Ribulosa-1,5bifosfato disponibles para que comience el ciclo nuevamente.
Como ya se menciono anteriormente, la mayor parte del Gliceraldehido-3fosfato se recicla en la Ribulosa-1,5-bifosfato, pero una pequeña fracción de esta puede utilizarse inmediantamente como fuente de energía, pero la mayoria se convierte en sacarosa para su su transporte o se almacena almacena en forma de almidón. En este último caso caso al Gliceraldehido-3-fosfato se condensa en Dihidroxiacetona fosfato en el estroma convirtiéndose en Fructosa-1,6-bifosfato, que es un procursor del almidón. En otras situaciones el Gliceraldehido-3-fosfato se convierte en Dihidroxiacetona fosfato, que
abandona el cloroplasto cloroplasto a través de un transportador especifico especifico y en el citosol se puede degradar glucoliticamente para producir energia o utilizarse para formar Fructosa-6fosfato, y por lo l o tanto sacarosa.
FOTORRESPIRACION Como se vio anteriormente, la RubisCO tiene la capacidad de reaccionar tanto con el CO2 como con el O2, por ello su nombre de carboxilasa oxigenasa, cuando las concentraciones de CO2 estan sobre las 50 ppm. Actua como carboxilasa desarrollandose el metabolismo C3, cuando las concentraciones son bajo ese limite, la enzima actua como oxigenasa. Cuando actua con el O 2 se realiza la fotorrespiracion, la fotorrespiracion es una reaccion secundaria secundaria costosa de la fotosíntesis, debido a la falta de especialización especialización de la enzima RubisCO, produciendo Fosfoglicolato, una molecula de dos carbonos y 3Fosfoglicerato, una molecula de tres carbonos como vimos anteriormente. El O2 y el CO2 compiten por los sitios activos de la RubisCO, es decir el O 2 es un inhibidor del CO2, y viceversa. Este descubrimiento ya se remonta a los años 20, donde se investigó el efecto inhibidor de altas concentraciones de O2 sobre la fotosíntesis. Por otra parte, los estudios sobre el metabolismo del glicolato desmostraron que su formación se inhibía a altas concentraciones de CO2, y que constituía un metabolito importante en la respiración en condiciones de iluminación. En En condiciones atmosféricas normales, la RuisCO actúa como oxigenasa oxigenasa entre un 25 y 30% de las veces, ocurriendo así así el proceso de fotorrespiración, fotorrespiración, en el cual participan tres organelos
de la célula vegetal, el
cloroplasto, peroxisoma y la mitocondria. Cloroplasto: Aquí se encuentra la enzima RubisCO, que se une al O2 ejerciendo su
accion
de
oxigenasa,
para formar
Intermediarios de dos
y
tres
carbonos,
el
Fosfoglicolato y el 3-Fosfoglicerato respectivamente.
En
Peroxisoma:
el
peroxisoma el Glicolato es oxidado a a Glioxilato por medio de la enzima Glicolato H2O2,
oxidasa,
que
Catalasa,
mediante
que
grandes
generándose
se
la
enzima
encuentra
cantidades
en
en el
peroxisoma, se convertira en dos moleculas de H2O y una de O2. El Glioxilato sufre una trasaminación en la que el donador es Glutamato obteniendo como producto, otro aminoacido,
la
Glicina.
Este
aminoácido deja el peroxisoma y entra en la mitocondria. Mitocondria: Aquí existe el
complejo
enzimatico
Glicina
descarboxilasa, que descompone la Glicina en NH3 y CO2, quedando un atomo de C libre, este se une a un transportador
especial,
el
Tetrahidrofolato, este dona el atomo de C a una segunda Glicina y se forma Serina. Los aminoacidos Glicina y Serina pueden utilizarse para formar proteínas, pero en su mayor parte, serán metabolizadas para formar 3Fosfoglicerato, esto ocurre en una serie de reacciones que esta vez van desde
la
mitocondria
a
los
cloroplastos. La serina pasa desde la mitocondria al peroxisoma , donde sufre una primera transaminación nuevamente por el Glutamato para dar Hidroxipiruvato y, después una reduccion a Glicerato. Este Glicerato, finalmente fi nalmente entra al cloroplasto, donde es fosforilado con gasto de una molecula de ATP , por la Glicerato quinasa a 3-Fosfoglicerato, incorporandose finalmente al ciclo de Calvin.
En este proceso de fotorrespiración se ha consumido O 2 y se a liberado CO2, por lo que reúne características del proceso respiratorio, pero si se compara con l a respiración mitocondrial, este proceso depende de la luz. En conclusión la fotorespiración produce gasto de RuBP y CO 2; es un proceso de gasto energético pero permite recuperar 3 moléculas de carbono en los 3-Fosfoglicerato. Se pierde un átomo de carbono en el CO2 liberado. Es difícil imaginar qué sentido adaptativo pueda tener este proceso. Es posible, por otra parte que que se trate de una una vía heredada de tiempos tiempos geológicos en los que la relación CO2/O2 de la atmósfera era mayor que la actual. En cualquier caso, el papel de la fotorrespiración sigue sin conocerse con certeza.
C3, C4 Y CAM Es necesario mencionar mencionar que las plantas C3 viven en ambientes ambientes templados, quiza quiza por ello sean el tipo de organismo que mejor conocemos, pero hay otras que viven en ambientes secos y cálidos tienen mecanismos que les permiten fijar inicialmente el CO 2 por una de dos vías, y así logran minimizar la pérdida de agua. Estas vías se conocen como la vía de cuatro carbonos, o C4 y la vía de las plantas CAM. En las llamadas plantas C4, la enzima Fosfoenol piruvato carboxilasa une primero el dióxido de carbono al Fosfoenol piruvato para formar un compuesto de cuatro carbonos, el Oxalacetato. Aunque las plantas C4 gastan más energía para fijar Carbono, en ciertas condiciones su eficiencia fotosintética neta puede ser superior a la de las plantas C3 descritas anteriormente debido a ciertas características clave que diferencian a las enzimas RubisCO (presente tanto en las plantas C3 como en las C4) y Fosfoenolpiruvato carboxilasa (presente en las C4), ya que no realizan la fotorespiración, donde se pierden carbonos en forma de CO2 por la respiración. En las plantas CAM (palabra que alude al metabolismo ácido de las crasuláceas) a asimilación del CO2 tiene lugar de noche, cuando a pesar de estar abiertos los estomas, la pérdida de agua debida a la transpiración es mínima. En definitiva los distintas formas de la asimilación de CO2, es resultado como un mecanismo de adaptación evolutiva al ambiente en que se encuentra encuentra la plantas, para hacer hacer frente a las necesidades presentadas presentadas por estas.
BIBLIOGRAFIA
“Bioquímica”. Stryer, Berg y Tymoczko. 5º Ed. 2003. Ed. Reverté, S.A. Barcelona. “Fisiología Vegetal” . J. Azcón-Bieto-M. Talón, 1993. Ed. Interamericana-McGraw-
Hill. Madrid. ”Principios de Bioquímica” . Lehninger, Nelson, Cox. 3ª Ed. 2001 Ed. Omega.
