Tema 9 Fijación del CO 2

Objetivo Comprender cómo tiene lugar la asimilación de la energía captada en las reacciones de las membranas tilacoidales, en biomasa.

Contenido  Introducción  Ciclo de Calvin: fase carboxilativa, reductora y regeneradora  Síntesis de sacarosa y almidón  Regulación del ciclo de Calvin y asimilados

Algunas aplicaciones del conocimiento o la manipulación de la fotosíntesis La mejora de los cultivos La comprensión de las diferencias de productividad entre diferentes ecosistemas La predicción de los efectos de cambios ambientales sobre la composición y productividad de las comunidades vegetales…

La teoría del flogisto…  El flogisto o principio inflamable, descendiente directo del "azufre" de los alquimistas y más remoto del antiguo elemento "fuego" era una sustancia imponderable, misteriosa, que formaba parte de los cuerpos combustibles. Cuanto más flogisto tuviese un cuerpo, mejor combustible era.  Los procesos de combustión suponían la pérdida del mismo en el aire. Lo que quedaba tras la combustión no tenía flogisto y no podía seguir ardiendo. El aire era indispensable para la combustión, pero con carácter de mero auxiliar mecánico.

Priestley ( ) demostró que las plantas se alimentaban de aire “flogisticado” (CO 2 ) el cual purificaban (desprendiendo O 2 ). "las plantas lejos de afectar el aire de la misma manera que la respiración animal, producen los efectos contrarios, y tienden a conservar la atmósfera dulce y salubre, cuando se vuelve perjudicial a consecuencia de la vida y de la respiración de los animales o de su muerte y de su putrefacción".

La falta de aire apagaba la llama de una vela. Experiencias de Priestley El aire saturado de flogisto se hace venenoso. La falta de aire producía la muerte de un ratón. Se había llegado a la conclusión de que la respiración también representaba un enrarecimiento del aire, un proceso de combustión lenta que liberaba flogisto.

La muerte del ratón no se producía si, junto con él, se situaba una planta. Experiencias de Priestley

El ciclo de Calvin: fases carboxilativa, reductora y regeneradora Autorradiografía 14 C0 2 Etanol 80% hirviendo

 A fines de la segunda guerra mundial, en los laboratorios de Berkeley (California), Melvin Calvin y cols, usando Carbono-14 (del cual disponía en abundancia) y las entonces nuevas técnicas de intercambio iónico, cromatografía en papel y autorradiografía "mapearon" completamente el ciclo del Carbono en la fotosíntesis. Premio Nobel en 1961, y el ciclo del carbono se conoce comúnmente como ciclo de Calvin, o de Calvin-Benson.

Y se preguntaron…  ¿A qué molécula se une el CO 2 ? A una de 2 C ? A una de 5 C ?

Identificación del compuesto de 5 C  Para identificar esta molécula, se esperó a que las algas hubieran fotosintetizado utilizando 14 CO 2 y después se interrumpía el suministro de CO 2 3-PGA RuBP

1.La fijación inicial del CO 2 que tiene lugar por la carboxilación de la RuBP 2.La reducción del carbono fijado a hidratos de carbono, que requiere el aporte de energía y poder reductor generados mediante la cadena de transporte electrónico 3.La regeneración de la RuBP, que requiere también aporte energético. El ciclo de Calvin contiene diversos pasos que consumen energía (ATP) y poder reductor (NADPH) obtenidos en la cadena de transporte de electrones.

CO 2 + RuDP 2 (3-PGA)  Esta reacción está catalizada por una enzima específica, la RuDP carboxilasa oxigenasa (conocida también como RuBisCO), que constituye más del 15% de la proteína del cloroplasto. De hecho, la RuBisCO se supone que es la proteína más abundante de la Tierra.  Cada una de las moléculas de 3-PGA formadas en la reacción inicial contienen tres átomos de carbono; por esto, el ciclo de Calvin se conoce también como ruta C3.

 Activación del ácido fosfoglicérico (3-PGA) 2 (3-PGA) + 2 ATP 2 DPGA + 2 ADP  Reducción a gliceraldehido-3-P (GAP). 2 DPGA + 2 NADPH 2 GAP + 2 NADP+ 2 Pi

 Las moléculas de GAP pueden convertirse fácilmente en las de su isómero, el fosfato de dihidroxiacetona (DHAP), y ambas pueden seguir diferentes caminos, pero buena parte del conjunto (5/6) se encaminarán a regenerar la RuDP con la que se inició el ciclo.

 Esta regeneración tiene lugar a través de complejas rutas en las que se forman azúcares-fosfato con cadenas de 4, 5, 6 y 7 átomos de carbono, como los fosfatos de eritrosa (4C), xilulosa (5C), fructosa (6C) y sedoheptulosa (7C), y que llevan a la síntesis de ribulosa-fosfato, que al fosforilarse con consumo de ATP se convierte por último en la RuDP.

12 Ácido 3-fosfoglicérico + 6 H 2 O 6 CO 2 6 RuDP 12 Ácido 1,3-difosfoglicérico 12 ATP 12 NADPH 12 Pi 12 Gliceraldehido-3-fosfato GLUCOSA Ruta de las Pentosas fosfato 6 ATP 6 Ribulosa 6-fosfato REGENERACIÓN 12 ADP REDUCCIÓN CARBOXILACIÓN 12 NADP + 6 ADP

El ciclo de Calvin casi es universal  Ciclo reductor del ácido carboxílico Bacterias verdes-sulfurosas  Ciclo productor del glioxilato Bacterias verdes no sulfurosas  Ruta del acetil CoA Bacterias metanogénicas

 Una sexta parte de las triosas fosfato se utilizan para sintetizar sacarosa o almidón

Síntesis de sacarosa y almidón  Las triosas-fosfato que no se emplean en la regeneración de la RuDP (PGA y DHAP), se exportan al citosol, mediante un transportador de la membrana de cloroplasto que los intercambia con Pi, en un sistema antiporte.  Este Pi se emplea en el cloroplasto, principalmente para la obtención de ATP en las reacciones lumínicas de los tilacoides.  El exceso de triosas fosfato que no se utiliza en la síntesis de sacarosa se convierte en almidón, que actúa como sustancia de reserva de carbono.

Intercambiador de P i  Alta P i citosólica Transporte de triosas fosfato desde el cloroplasto al citosol para la síntesis de sacarosa  Baja P i citosólica Retención de las triosas fosfato en el cloroplasto que favorece la síntesis de almidón

 El almacenamiento de almidón en los cloroplastos constituye una reserva temporal; por la noche, cuando baja la concentración de triosas, a partir de este almidón se produce glucosa- fosfato y, por último, fosfatos de triosa, que son exportados al citosol para la síntesis nocturna de sacarosa.

¿Cuánta sacarosa sintetizamos? Bajos niveles: Fotosíntesis Triosas-P Altos niveles: Fotosíntesis Triosas-P Glicolisis Fructosa-1-6-bisfosfato Fructosa-6-fosfato Síntesis de sacarosa PP-Fructosa 6-fosfato quinasa Fructosa-1-6- bisfosfatasa Fructosa 2, 6-bisfosfato ACTIVACIÓN INHIBICIÓN Fructosa 6-fosfato

Ecuación general  Seis giros del ciclo, con la introducción de seis moléculas de CO 2, son necesarios para producir el equivalente de un glúcido de seis carbonos La ecuación global es la siguiente: 6 RuDP + 6 CO NADPH + 12 H ATP 6 RuDP+Glucosa+12 NADP ADP+18 Pi+ 6 H 2 O

Derivaciones del ciclo de Calvin  El carbono fijado en la fotosíntesis se utiliza también para la síntesis de compuestos no glucídicos en el cloroplasto: Aminoácidos esenciales (Leu, Ileu, Val, Lys) Todos los ácidos grasos Isoprenoides (carotenos, xantofilas, fitohormonas…)

 En ausencia de limitaciones de luz o energía procedente de la cadena respiratoria, la velocidad de captura del CO 2 puede estar condicionado por alguno de los siguientes factores: La disponibilidad del CO 2 en los centros activos y la tasa CO 2 /O 2 El aporte de RuBP La cantidad de rubisco El estado de activación de la rubisco Factores que intervienen en la regulación de la actividad de la rubisco

1. La disponibilidad del CO 2 en los centros activos y la tasa CO 2 /O 2  En condiciones óptimas, la disponibilidad de CO 2 no resulta un factor limitante para la fotosíntesis, ya que aunque la tasa CO 2 /O 2 es siempre baja, la afinidad de rubisco por el CO 2 es alta. K m CO 2 =10-15uM K m O 2 =250uM  Por el contrario, en condiciones ambientales que provocan cierre de estomas (sequía) puede disminuir la concentración de CO 2 en el sitio de la carboxilación.

2. El aporte de RuBP  Si la velocidad de carboxilación es superior a la velocidad de regeneración de la RuBP, la asimilación del CO 2 puede verse limitada por la falta de RuBP.  Eliminando el O 2 para suprimir la oxigenación de rubisco se puede diferenciar si el factor que limita la fotosíntesis es la disponibilidad de CO 2 o de RuBP.

3. La cantidad de rubisco presente  No es un factor limitante en condiciones normales  Sí, en condiciones de estrés que limiten la síntesis proteica

4. Activación de rubisco inducida por luz  Tras su traducción, la rubisco debe ser modificada para poder catalizar la carboxilación Pérdida de dos protones en una lisina CO 2 Unión de Mg ++ pH elevado en el estroma

Mecanismos de regulación de otros enzimas inducidos por luz Regulación por reducción de grupos tiol Flujos iónicos dependientes de luz

-Gliceraldehído-3- fosfato-deshidrogenasa -fructosa-1,6- bisfosfatasa -sedoheptulosa-1,7 bisfosfatasa -fosforribuloquinasa Reducción de grupos tiol por luz Ferredoxina oxidada Tiorredoxina reducida Enzima reducido Enzima oxidado Ferredoxina reducida Tiorredoxina oxidada hv HS S------S S S HS H 2 0 O 2 Ferredoxina tiorredoxina reductasa

Flujos iónicos dependientes de luz  Rubisco  Fructosa 1,6,bisfosfatasa  Sedoheptulosa 1,7 bisfosfatasa En luz, bombeo de protones desde el estroma al lumen Flujo de protones acoplado a la entrada de Mg 2+ al estroma Sube el pH en el estroma y la concentración de Mg 2+

 La manipulación de las plantas para incrementar la utilización de los fotoasimilados puede aumentar la tasa de fotosíntesis en las hojas. Selección por tamaño y calidad del fruto  Plantas transgénicas que sobreexpresan sacarosa- fosfato sintasa. La tasa de fotosíntesis está regulada por el uso y transporte de asimilados