jueves, 18 de mayo de 2017

6 INTRODUCCIÓN A LAS REACCIONES DE LA OSCURIDAD

Ahora, iniciemos por lo básico. Las plantas no derivan los materiales para incrementar su peso de la tierra, sino del aire. De la tierra obtienen minerales importantes, pero que solo representan fracciones insignificantes de sus propios pesos, el resto proveniente de otra fuente que no es otra que el aire. El primero en puntualizar este detalle fue Jan Baptist van Helmont (1580-1644). Van Helmont fue un hombre de contradicciones a nuestros ojos, pero definitivamente recoge el significado completo de un ilustrado del renacimiento,. Donde se amalgaman el mundo moderno y el antiguo, místico, alquimista y experimentador. Independientemente de sus investigaciones en alquimia o sus creencias místicas, Van Hemont al igual que otros ilustrados es recordado únicamente por sus contribuciones experimentales.

Uno de los más importantes y que nos introduce al estudio de la fijación de carbono por parte de las plantas fue el realizado al hacer crecer plantas de sauce en el interior de recipientes con cantidades de tierra medidas mediante el peso. Adicionalmente, adicionó a sus cálculos el peso del agua que debía agregar a los recipientes durante años. Después de cinco años las plantas ganaron 74 Kg independientes de la masa de la tierra, sin embargo originalmente el pensó que la ganancia el masa se debía al agua únicamente. Sin embargo, Stephen Hales (1677-1761) determinó que las hojas realizaban transpiración, perdiendo agua en el proceso. En otras palabras, ni el agua ni el suelo eran la fuente de la ganancia de peso de las plantas. El mismo Hales en su libro titulado “Vegetable Staticks” describe experimentos en los que demuestra que es el aire que ingresa a las plantas la fuente principal de nutrición, y que este podía ingresar a la planta no solo por las raíces, sino por el tallo y las hojas.

Sin embargo, debió pasarse por los experimentos que diferenciaron el contenido del aire en sustancias individuales para poder identificar qué tipo de aire ingresaba y salía de la planta. Ya para el siglo XX era evidente que dos gases de importancia metabólica eran los protagonistas de la historia, el oxígeno y el dióxido de carbono. En la serie de artículos sobre las reacciones lumínicas vimos cómo es que el oxígeno es producido mediante la oxidación de dos moléculas de agua por parte del fotosistema II. Ahora nos enfocaremos en como el dióxido de carbono ingresa y es convertido a moléculas orgánicas de alto peso molecular, proceso al cual se le denomina fijación de carbono.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

6.1 Estudiando la fijación de carbono


Después de la Segunda Guerra Mundial, Melvin Calvin de la Univeridad de California, Berkeley junto con sus colegas Andrew Benson y James Bassham, iniciaron lo que se convertería en un estudio de una década a cerca de reacciones enzimáticas que permiten  a las células asimilar el dióxido de carbono ser asimilado y convertido en biomasa.

Armados con el nuevo isótopo de carbono 14 y una nueva técnica llamada cromatografía bidimensional en papel, ellos comenzaron la tarea de identificar todas las moléculas marcadas producidas por la célula vegeta cuando absorbía carbono atmosférico “Dióxido de carbono catorce”. Los estudios comenzaron con hojas de plantas, pero rápidamente se cambiaron un modelo más simple y de crecimiento más rápido, el alga verde Chlorella. Los cultivos de algas crecían en cámaras cerradas en la presencia de dióxido de carbono doce “el normal”, y posteriormente, el dióxido de carbono catorce era inyectado en el cultivo. Después de cierto periodo de tiempo, la suspensión era secada en un contenedor de alcohol caliente, el cual tiene los efectos combinados de matar la célula, detener a las enzimas y extraer las moléculas solubles en alcohol.

Los extractos de células eran posteriormente posicionados en el papel de cromatografía y sometidos al procedimiento de identificación. Los resultados experimentales llevados a cabo por años en la década de 1950 dieron como resultado lo que actualmente es denominado el ciclo Kalvin-Benson, ciclo de Kalvin, fase oscura o reacciones de la oscuridad de la fotosíntesis (Bassham et al., 1954; Bassham, Benson, & Calvin, 1950; A A Benson et al., 1950; Andrew A Benson et al., 1952; Biel & Fomina, 2015; Calvin et al., 1950; Schou, Benson, Bassham, & Calvin, 1950).

Los experimentos de Calvin y colaboradores permitieron determinar que las plantas eran capaces de fijar carbono muy rápido. Si el periodo de tiempo de incubación era muy corto “algunos segundos”, se generaba una marcha radioactiva en el revelado de la cromatografía, dando un compuesto identificado previamente como 3-fosfogliceraldehído “PGA” que es uno de los intermediarios de la glucólisis. El grupo de Calvin sospechaba que el dióxido de carbono era unido de manera covalente a un compuesto de dos carbonos para formar el PGA. Debido a que el primer compuesto en ser identificado fue una molécula de tres carbonos, las plantas que emplean este mecanismo son denominadas como plantas C3.

Cuando el tiempo de incubación se prologó otras manchas fueron apareciendo e identificando, esto gracias a la presencia de los carbonos marcados de manera radioactiva. Pronto pareció evidente que el proceso de fijación del carbono era cíclico “o cuasi cíclico” y bastante complejo. Esta ruta metabólica ha venido a denominarse históricamente como el ciclo de Calvin “o ciclo de Calvin Benson”, y ocurre en todos los organismos con fotosíntesis del tipo II “fotosistema I + fotosistema II”. Las bacterias verdes sulfurosas que hacen uso la fotosíntesis del tipo I “fotosistema I” emplean un ciclo distinto llamado ciclo del 3-hidroxipropionato.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

6.2 Fases generales del ciclo de Calvin

El ciclo de Calvin es un cuasi-ciclo, es decir, no siempre se completará como ciclo. En esencia de una ruta metabólica bifurcada en un punto de desviación, en el punto de desviación puede o completar el ciclo, o sintetizar azúcares. Históricamente al ciclo de Calvin se lo ha dividido en tres partes:

1- La fijación de carbono: En general, por caca 6 moléculas de dióxido de carbono, se pueden producir 12 moléculas de GAP “molécula de triosa”. Existen varias versiones de la fijación, siendo la mas básica conocida como ruta C3.
2- La regeneración y complete del ciclo: De estas, diez son transformadas a una molécula de 5 carbonos que sirven como fijador de carbono para poder completar el ciclo.
3- La síntesis del azúcar: Solo dos de las moléculas de triosas fosfatadas son empleadas para la síntesis de un azúcar de 6 o menos carbonos. Posteriormente en el citoplasma de la célula dos azúcares de 6 carbonos llamados glucosa y fructosa respectivamente se unen en un disacárido llamado sucrosa. Alternativamente varias moléculas de glucosa pueden unirse en un enorme polímero de almacenamiento llamado almidón.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).


6.3 Reacciones de oscuridad, y el flujo energético

La hemos examinado porque se lo denomina ciclo de Calvin, pero hay que analizar el segundo nombre de este tipo de reacciones "reacciones de la oscuridad o fase oscura" antes de pasar a describirlas con mayor detalle. Las reacciones de la luz que vimos anteriormente solo tienen dos posiciones de entrada de energía lumínica en el centro de cada uno de los dos fotosistemas, todas las demás reacciones se dan “cuesta abajo” en términos de energía. Las reacciones de oscuridad se denominan así porque a pesar de hacer parte de la fotosíntesis no tienen posiciones de entrada para la energía del Sol. El proceso es impulsado por productos químicos que provienen de las reacciones de la luz en forma de los portadores de energía llamados NADPH y ATP.

Estas moléculas se emplean para impulsar la producción de glucosa y una molécula de 5 carbonos que ayuda a regenerar el ciclo de Calvin. En total para que el ciclo se complete una vez de manera efectiva se deben sacrificar 12 moléculas de NADPH y 18 moléculas de ATP. Este gran gasto de energía refleja el hecho de que la molécula de dióxido de carbono es de baja energía “muy oxidada” y por lo tanto estable y difícil de manipular. El ciclo de Calvin puede darse en la noche siempre que la planta tenga suficiente NADPH y ATP almacenado de su labor diaria, pero en realidad puede ocurrir también en el día.

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).


6.4 Alternativa al ciclo de Calvib-Benson

El ciclo del 3-hidroxipropionato es una de las pocas rutas metabólicas capaces de fijar dióxido de carbono inorgánico. Esta ruta metabólica fue descubierta en las bacterias verdes sulfurosas que emplean únicamente el fotosistema I como mecanismo para producir electrones de alta energía y ATP, específicamente en Chloroflexus aurantiacus, dado las fechas no es de extrañar que virtualmente ningún libro de texto posea referencia alguna a él, dejando la impresión de que la única ruta para la fijación de carbono es el ciclo de Calvin. De hecho el texto que he empleado como base para la muchos artículos en este tema de fotosíntesis no tiene ninguna referencia a él. Una ruta metabólica altamente relacionadan puede encontrarse en las archaeobacterias acidofilas del filo crenarqueota como Acidianus brierleyi, Sulfolobus metallicus y Metallosphaera sedula (Becerra, Rivas, García-Ferris, Lazcano, & Peretó, 2014; Caspi et al., 2014, 2016; Caspi, Dreher, & Karp, 2013; Ruvindy, White III, Neilan, & Burns, 2016).

Cada giro del ciclo es capaz de fijar de manera neta dos moléculas de dióxido de carbono que se encuentra en forma de bicarbonato en una molécula de glicoxilato. El glicoxilato, que es una fuente de carbono poco convencional puede ser convertido a piruvato, un precursor universal de muchas rutas metabólicas “ejemplo, fermentaciones” mediante una ruta metabólica acoplada denominada asimilación de glocoxilato. Esta ruta metabólica comienza con la acetil-CoA la cual experimenta la carboxilación a malonil-CoA gracias a la catálisis de la acetil CoA carboxilasa. Posteriormente ocurren tres reacciones consecutivas de carga de energía. En la primera se sacrifica NADPH produciéndose malonato semialdehido; en la segunda se sacrifica otra molécula de NADPH produciéndose 3-hidroxipropionato y en la tercera se sacrifican dos grupos fosfato de una molécula de ATP para formar 3-hidroxipropanoil-CoA (Becerra et al., 2014; Caspi et al., 2014, 2016, 2013; Ruvindy et al., 2016).

En el siguiente paso ocurre una deshidratación y nuevamente dos reacciones consecutivas de carga de energía. En la primera se sacrifica otra molécula de NADPH para formar propanoil-CoA; posteriormente ocurre una nueva fijación de carbono junto con el sacrificio de un grupo fosfato de una nueva molécula de ATP para formar (s)-metilmalonil-CoA. Las siguientes dos reacciones son de reorganización molecular, la primera produciendo (R)-metilmalonil-CoA “ha ocurrido una isomerización” y posteriormente produciéndose Succinil-CoA la cual es ya una molécula conocida por otras rutas metabólicas como el ciclo de Krebs (Becerra et al., 2014; Caspi et al., 2014, 2016, 2013; Ruvindy et al., 2016).

La siguiente reacción requiere de la adición de (S)-Malato para dar dos productos importantes, el primero al igual que en el ciclo de Krebs es Succinato, y el segundo que sigue haciendo parte de la ruta se llama (S)-Malil-CoA. En el paso final la molécula de (S)-Malil-CoA es lisada para formar glioxilato y acetil-CoA para regenerar el sustrato inicial del ciclo. Un tema común que aparece cuando se examinan varias enzimas y moléculas de rutas metabólicas como la glucólisis, el ciclo de Krebs, el ciclo de Calvin, la ruta de las pentosas fosfato y el que se presenta aquí es el del reciclaje de reacciones, moléculas y enzimas para diferentes rutas (Becerra et al., 2014; Caspi et al., 2014, 2016, 2013; Ruvindy et al., 2016).

Referencias básicas: (Belk & Maier, 2013; Berg et al., 2015; Campbell & Farrell, 2012; Garrett & Grisham, 2013; Hoefnagels, 2015; Lieberman & Rice, 2014; Mackean & Hayward, 2014; Mader & Windelspecht, 2015, 2018; Mader, 2010; Mason et al., 2014; Mauseth, J, 2012; Meisenberg & Simmons, 2017; Murray et al., 2012; Nelson & Cox, 2008; Reece et al., 2014; Sadava et al., 2014; Simon et al., 2013; Solomon et al., 2014; Starr et al., 2013; Stern et al., 2008; Voet et al., 2013; Wayne, 2009).

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