jueves, 18 de mayo de 2017

8 ETAPA DE FIJACIÓN DE CARBONO EN LAS PLANTAS C4 Y CAM

Como hemos visto, las células fotosintéticas producen O2 (mediante la división de H2O) y el uso de CO2 para producir 3-fosfoglicerato con un cambio neto gaseoso durante la fotosíntesis que puede escribirse de la siguiente manera:

En la oscuridad las plantas están llevando a cabo la respiración mitocondrial por la oxidación de sustratos a CO2 y la conversión de O2 a H2O. Además de eso, hay otro proceso en las plantas que, al igual que la respiración mitocondrial, consume O2 y produce CO2 y, al igual que la fotosíntesis, es impulsado por la luz. Este proceso se llama fotorespiración y es una costosa reacción secundaria de la fotosíntesis. En esta sección describimos este proceso y las estrategias que usan las plantas para minimizar sus consecuencias metabólicas.

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).

8.1 El ingeniero tuvo problemas con el oxígeno

La enzima rubisco es un dolor de cabeza, no solo es altamente ineficiente, también posee una inespecificidad inamovible en el gas que sirve como sustrato de reacción. Aunque en el contexto de la fotosíntesis siempre de la introduce como la enzima que fija el dióxido de carbono, resulta que es mucho más ávida por el oxígeno. Sin embargo iniciaremos por el principio para entender el problema generado por esta inespecificidad. Una de las moléculas identificadas por las cromatografías de Calvin o colaboradores  en su trabajo con células de algas fue el compuesto glicolato, el cuál fue correctamente ignorado en la formulación del modelo de reacciones del ciclo de Calvin.

Mientras que el glicolato no hace parte del ciclo de Calvin si es un producto de la reactividad del rubisco. Aparentemente solo después de 20 años desde que se describiera la catálisis del rubisco usando un sustrato de dióxido de carbono fue descrita la ruta alternativa en la que el rubisco logra catalizar al oxígeno como sustrato. Esta segunda reacción, el rubisco integra una molécula de oxígeno molecular a la RuBP sintetizando la 2-fosfoglicolato junto con PGA.

El 2-fosfoglicolato es subsecuentemente convertido a glicolato mediante una enzima del estroma. El glicolato sintetizado en el estroma del cloroplasto es posteriormente transportado al citoplasma, donde el peroxisoma convierte la molécula de glicolato en moléculas de dióxido de carbono. Esto implica que la planta empieza a perder biomasa en forma de carbonos. Este proceso se denomina fotorespiración, debido a que el proceso involucra el consumo de oxígeno y la producción de dióxido de carbono. De lo anterior se puede notar que la fotorespiracion es un problema para que las plantas puedan adquirir biomasa, debido a la perdida en forma de dióxido de carbono de sus moléculas RuBP del ciclo de Calvin.

De hecho, la fotorespiración puede causar la pérdida del 50% del carbono fijado por una planta de cultivo bajo condiciones de cultivo y alta intensidad solar. Como se podrá esperar, se ha concentrado una gran cantidad de esfuerzo por décadas para poder impedir la pérdida de eficacia de la fotosíntesis debido a la fotorespiración. Sin embargo, hasta el día de hoy los esfuerzos han sido en vano. Al igual que la hemoglobina cuyo defecto hace que acople irreversiblemente monóxido de carbono, la rubisco en su misma naturaleza catalítica no puede evitar unirse al oxígeno. De hecho varios estudios han demostrado que la rubisco es mucho más afín para reaccionar con el oxígeno que con el dióxido de carbono. Dado que la fotorespiración es una característica inamovible que los sitos de reacciones de la rubisco, la solución radica en regular la concentración de oxígeno. As plantas que crecen en ambientes cerrados con niveles elevados de dióxido de carbono no presentan fotorespiración a niveles tan altos, por lo que pueden crecer mucho más rápido.

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).

8.2 Ruta del glicolato

La ruta del glicolato convierte dos moléculas de 2-fosfoglicolato en dos moléculas de glicina. Glicina es en parte convertida en CO2 y NH3 por el complejo de la glicina descarboxilasa, con la reducción concomitante de NAD+ a NADH y en parte convertido en serina vía hidroximetiltransferasa. La reacción global se puede representar como sigue:

La serina se convierte en hidroxipiruvato, en glicerato, y finalmente en 3-fosfoglicerato, que se utiliza para regenerar la ribulosa 1,5-bisfosfato, completando el ciclo largo y caro. La actividad combinada de la oxidasa de rubisco y la vía de glicolato consume O2 y produce CO2, de ahí el nombre de fotorespiración. Este camino es quizás mejor llamada el ciclo de carbono fotosintético oxidativo o ciclo C2. A diferencia de la respiración mitocondrial, la "fotorrespiración" no conserva la energía y en realidad puede reducir la formación de biomasa hasta el 50%. Esta ineficiencia ha llevado a adaptaciones evolutivas en los procesos de asimilación de carbono, particularmente en plantas que han evolucionado en climas cálidos y producen oxígeno en cantidades importantes.

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).

8.3 Ruta C4

Ya hemos estudiado el ciclo de Calvin y la conversión del compuesto de tres carbonos a azucares, uno pensaría que ya está todo dicho y hecho con respecto a la fotosíntesis, pero la verdad es que no tanto. En 1965, Hugo Kortschak (COOMB, Baldry, & Bucke, 2016; Furbank, 2016; Hibberd & Furbank, 2016) realizó un procedimiento experimental semejante al que Calvin y colaboradores habían realizado para el descubrimiento de su emblemático ciclo, pero en esta ocasión su modelo biológico no fue un alga verde, sino la caña de azúcar. Cando la caña de azúcar  era puesta a fijar dióxido de carbono catorce, se reportó en las cromatografías la presencia de compuestos orgánicos de cuatro carbonos, en lugar de los típicos tres carbonos que caracteriza a la fase de carga de energía del ciclo de Calvin. Análisis posteriores revelaron que estos compuestos de cuatro carbonos “principalmente malato y oxaloacetato” resultaban de la combinación del dióxido de carbono con un compuesto llamado fosfofenolpiruvato “PEP” siendo este un segundo mecanismo independiente al ciclo de Calvin para fijar dióxido de carbono.


8.3.1 Fijación de carbono en las plantas C4

El dióxido de carbono se une al fosfofenolpiruvato o PEP mediante la acción catalítica de la enzima fosfofenolpiruvato carboxilasa, siendo este el primer paso de la ruta metabólica de las plantas C4, análogo a la reacción del rubisco en el ciclo de Calvin. Mientras que el producto de las dos reacciones con rubisco son moléculas de tres carbonos, el producto de la reacción con la PEP carboxilasa es un compuesto de cuatro carbonos, es por esta razón que las plantas equipadas con esta ruta metabólica son denominadas plantas C4. El fosfofenolpiruvato se cliva en el proceso, el piruvato se une al dióxido de carbono, mientras que el fosfofenol queda anclado para recibir piruvato que haya sido liberado cuando se completa la ruta metabólica C4.

A la izquierda tenemos el proceso de una planta C3 en la que el dióxido de carbono fluye por difusión gaseosa desde el estoma a la célula en fotosíntesis. A la derecha tenemos una planta C4 en la cual existe una célula de apoyo que secuestra el dióxido de carbono a la fuerza empleando una proteína de fijado de carbono diferente a la rubisco, y posteriormente transfiere este dióxido de carbono al ciclo de Calvin de la célula fotosintética.

En las plantas C4 el dióxido de carbono se fija dos veces, una en el exterior del sistema, y la segunda en el interior del sistema. Debido a que es una fijación enzimática la cantidad de dióxido de carbono liberada en el interior del sistema es superior, potenciando la actividad de la rubisco.

En las plantas C4 hablamos de dos ciclos de reacciones, el externo o de apoyo es de cuatro carbonos y se encuentra en las células del mesófilo, las cuales se encuentran en una capa externa de la hoja, mientras que las células fotosintéticas se encuentran en el interior, recibiendo en dióxido de carbono proporcionado por el ciclo de 4 carbonos para ingresarlo al ciclo de Calvin.


8.3.2 El camino del carbono en una planta C4

En una célula normal, la molécula de dióxido de carbono realiza transporte pasivo a través de membrana, es decir, su concentración en el interior de la célula dependerá mucho de la concentración en el exterior de la célula. Las plantas C4 evitan esto, una vez que el producto de cuatro carbonos se ha formado en el exterior de las células fotosintéticas, son transportados a través del plasmodesmo en la zona cercana a la pared celular. Allí unas células especializadas desacoplan el producto de cuatro carbonos transformándolo nuevamente en piruvato libre y en dióxido de carbono gaseoso, pero en concentraciones elevadas a comparación con el ambiente externo. 

Una vez allí el dióxido de carbono se difunde más rápido entre las células fotosintéticas para que la rubisco pueda operar a total capacidad. La concentración de dióxido de carbono próximo a las células fotosintéticas en las plantas C4 puede ser con facilidad 100 veces mayor a la de una planta C3. Decimos a total capacidad debido a que los experimentos que han intentado probar que las plantas C4 realizan la fotorespiración han fracasado, en otras palabras, aun si las plantas C4 realizan algo de fotorespiración “ineficiencia de la enzima rubisco” sus niveles son tan bajos que actualmente no son medibles.

8.3.3 Utilidad evolutiva de la ruta metabólica C4 para las plantas

Cuando una planta es ubicada en una cámara cerrada y su actividad fotosintética es monitoreada en tiempo real, se encontró que una vez que esta reduce los niveles de dióxido de carbono a un punto crítico, esta empieza a fotorespirar. Esto se debe a que la concentración de oxígeno empieza a ser mayor que la de dióxido de carbono, y la enzima rubisco presenta la falla catastrófica de generar una desviación del ciclo de Calvin cuando existen altas concentraciones de oxígeno. Esta desviación conocida como fotorespiración conlleva a la pérdida de 5 carbonos por oxígeno fijado, en lugar de la ganancia de un carbono por cada dióxido de carbono fijado.

Es por esta razón que las plantas C3 requieren de ambientes relativamente pobres en luz o en su defecto de ambientes con niveles de dióxido de carbono en niveles mínimos necesarios para llevar a cabo su fotosíntesis normalmente. En las zonas templadas, con la llegada del invierno y menores cantidades de luz, resulta poco probable que se produzcan grandes cantidades de oxígeno todo el año, y de este modo las plantas no se autoinhiben. El valor de la ruta C4 se vuelve aparente en las zonas tropicales donde las tasas de fotosíntesis son altas y estables durante la mayoría del año. En estos ambientes, las plantas deben afrontar tres problemas, la desecación por evaporación, la fotoinhibición y la fotorespiración.

El segundo problema es resuelto mediante el incremento de la cantidad de carotenoides en las antenas fotosintéticas y al incremento en la concentración de otros compuestos químicos antioxidantes. El primer y el tercer problema se resuelven con la ruta C4. La ruta de fijación de carbonos C4 no es totalmente independiente al ciclo de Calvin, análisis posteriores revelaron que el destino final del carbono fijado en PEP no era otra que la reacción con rubisco. En otras palabras la ruta C4 es solo una actualización sobre la ruta C3. La PEP carboxilasa se encuentra ubicada en las células del mesófilo mas externas de la hoja de la planta, por lo que pueden capturar dióxido de carbono aun cuando el estoma está prácticamente cerrado, impidiendo así la perdida de agua durante el día.

Debido a que la captura de dióxido de carbono se realiza a nivel enzimático y no por la espera de la lenta difusión del gas desde la atmosfera al interior de la hoja por medio del estoma, la tasa con que la rubisco empieza a fijar carbonos es incomparablemente más alta que la que ocurre con las plantas que únicamente tienen la ruta metabólica C3. Las plantas que presentan la ruta C4 generalmente son pastos tropicales de crecimiento rápido y que tienden a almacenar grandes cantidades de carbohidratos en sus tejidos como la caña de azúcar, el maíz y el sorgo. La ruta metabólica C4 es más eficiente que la C3 solo en ambientes secos y con grandes cantidades de luz. Esto es porque la ruta C4 también consume más energía para poder instaurarse, y esta energía en últimas proviene del Sol. En ambientes templados con estaciones muy marcadas, las enzimas de la ruta C4 serían inútiles, pues no hay luz durante una buena parte del año. Esto ha hecho que los pastos tropicales de crecimiento rápido y de alta producción de azucares se encuentren limitados biogeograficamente a las regiones tropicales del planeta.


8.3.4 Síntesis de carbohidratos en las plantas C4 y otros

Dado que la ruta C4 se construye sobre la C3, es decir, las enzimas C4 solo sirven para construir una concentración elevada de dióxido de carbono en el microambiente fotosintético para que la rubisco opera a total potencia, la síntesis de carbohidratos en las plantas C4 es exactamente igual que en las plantas C3, con la diferencia de que la producción de carbohidratos y de biomasa en varios ordenes de magnitud, mayor. Actualmente se está realizando investigación transgénica con el fin de transmitir la maquinaria molecular de las plantas C4 como el maíz a plantas C3 con el arroz con el fin de incrementar la productividad de los cultivos sin la necesidad de adicionar más fertilizantes al suelo, con sus conocidos efectos de eutrofización.

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).


8.4 Plantas CAM

Muchas plantas del desierto como los cactus, poseen una adaptación bioquímica que les permite sobrevivir en ambientes muy secos y calientes. Estas plantas son denominadas plantas CAM. Las plantas CAM utilizan una enzima llamada Carboxilasa de PEP para igual que en las plantas C4. A diferencia de las plantas C4, las plantas CAM SI llevan a cabo la fijación de carbono en diferentes tipos del día en lugar de diferentes partes de la planta. Mientras que en las plantas C3 y C4 el concepto de reacciones de oscuridad es imposible, ya que ambos procesos están vinculados mediante el proceso de regulación redox, las plantas CAM si llevan a cabo las reacciones de fijación de carbono en la oscuridad.

Las plantas CAM fijan carbono durante la noche mediante la apertura de sus estomas y con el apoyo extra de la carboxilasa de PEP. La fijación de carbono en la noche NO ingresa directamente en el ciclo de Calvin, por el contrario, el carbono fijado es almacenado en forma de malato y almacenado en la vacuola durante la noche. Cuando llega el día y la disponibilidad de ATP y electrones de alta energía vuelven a estar disponibles, el malato es liberado, se degrada para liberar el dióxido de carbono y reingresa rápidamente al ciclo estándar de Calvin. Las plantas CAM segregan sus procesos metabólicos, en base a las rutas C4 y C3; pero en cualquier momento, el carbono fijado siempre es reconvertido a dióxido de carbono y luego conducido por la rubisco al ciclo de Calvin. Por lo anterior se puede decir que la síntesis de carbohidratos es igual a la de las plantas C3, solo que con eficiencia en ambientes muy secos como los desiertos.

En las plantas CAM el carbono se fija de manera reversible en la noche gracias al mismo mecanismo de las plantas C4, pero en lugar de que el carbono se dirija inmediatamente al ciclo de Calvin, este es almacenado en la vacuola hasta la llegada del día, entonces si es reconvertido a dióxido de carbono en el interior de la planta, lo cual permite su ingreso al ciclo de Calvin.

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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