Fotosíntesis Bioquímica Vegetal Para Fijación de CO2 · 2019. 11. 11. · Principios Generales Tradicionalmente, se ha dividido la fotosíntesis en dos fases, fase luminosa y fase

FotosíntesisBioquímica Vegetal Para Fijación de CO2

Profesora Aneth Sarmiento

Dr. Rer. Nat. Fisiología Vegetal

Principios Generales

Tradicionalmente, se ha dividido la fotosíntesis en dos fases,fase luminosa y fase oscura, aunque ya esta en desuso y no esdel todo correcto, ya que ambos procesos se pueden dar en laplanta en presencia de luz.

→ Cuando se descubrió el proceso por el que el CO2 era fijadopor el enzima de la carboxilación Rubisco (Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa), se vio que no eradependiente de la luz, y que en laboratorio podía realizarseen ausencia de la misma, por eso se denominó fase oscura.

En la actualidad, se sigue dividiendo la fotosíntesis en dosfases:

• la generación de poder reductor (NADPH) y de energía enforma de ATP a partir de la energía lumínica del sol ( que esllevada a cabo gracias a la captura de energía lumínica)

• y la fijación del CO2 realizada por el enzima Rubisco, que seproduce en el ciclo de Calvin-Benson.

Aito Nieto (2008) Tesis doctoral. Universidad de Salamancahttps://digital.csic.es/bitstream/10261/22415/1/Alonso%2CA_Tesis.pdf

https://digital.csic.es/bitstream/10261/22415/1/Alonso%2CA_Tesis.pdf

El proceso de la fotosíntesis ocurrecompletamente en los CLOROPLASTOS.

Sin embargo, cada fase ocurre en lugares diferentes,dentro de éste organelo:

• La 1era fase, donde ocurre la fotólisis del agua quepermite la generación ATP y del poder reductor(NADPH), llamada también la Cadena deTransferencia de Electrones, tiene lugar dentro delos tilacoides (membrana y lumen).

• La 2da fase de fijación del CO2, también llamadaCiclo de Calvin-Benson, tiene lugar en el estroma.

Principios Generales

Fase 1a: Fotólisis del Agua

La fotólisis del agua es la ruptura de la molécula de H2O mediante el poder oxidante que posee el iónp680+ , el cual rompe la molécula de H2O, en 1 e

- que es aceptado por la clorofila p680+, en 2 protones H+ que son aceptados por la coenzima NADP para pbtener NADPH2, y O2 molecular que es liberado hacia la atmósfera renovándolo periódicamente al mismo.

4 e – (electrones)4 H+ (protones)1 (O2 Oxígeno gas.)

https://www.ecured.cu/index.php?title=NADP&action=edit&redlink=1

Fase 1b: Transporte de Electrones

https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis/a/light-dependent-reactions

Las plantas y otros organismosfotosintéticos son expertos enabsorber la energía solar. Pero,¿qué sucede con la energía de laluz que se absorbe? → sabemosque la energía no puedesimplemente desaparecer(gracias a la primera ley determodinámica).

Resulta que se convierte en unaforma diferente, en energíaquímica.


https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-light-dependent-reactions-of-photosynthesis/a/light-dependent-reactionshttps://es.khanacademy.org/science/chemistry/thermodynamics-chemistry/internal-energy-sal/v/first-law-of-thermodynamics-internal-energy

Las reacciones dependientes de la luz usan la energía lumínica para formar dos moléculas necesarias para la siguiente etapa de la fotosíntesis: • la molécula de almacenamiento de energía ATP y • el portador de electrones reducido NADPH.

La cadena de transporte de electrones (dependientes de la luz) ocurren en la membrana de los tilacoides.

Ese transporte ocurre primariamente por la captura de fotones de luz en los FOTOSISTEMAS y su posterior pérdida energética al pasar por diferentes moléculas receptoras de electrones.


Los fotosistemas, grandes complejos de proteínas y pigmentos que son óptimos para recolectar luz.Hay dos tipos de fotosistemas: fotosistema I (PSI) y fotosistema II (PSII).

• Ambos fotosistemas contienen muchos pigmentos que ayudan a recolectar la energía de la luz,así como un par especial de moléculas de clorofila en el corazón (centro de reacción) delfotosistema. Su nombre radica en el tipo de longitud de onda que aceptan. El par especial del

• fotosistema I se llama P700,

mientras que el del

• fotosistema II se llama P680.


PS II

PS I

Absorción de la luz en PSII. Cuando uno de los muchospigmentos del fotosistema II absorbe luz, la energía pasade un pigmento a otro hacia el interior hasta alcanzar elcentro de reacción. Allí, la energía se transfiere a P680, locual impulsa un electrón a un alto nivel de energía. Elelectrón de alta energía pasa a una molécula aceptora y esreemplazado por un electrón del agua. Esta división delagua libera el O2 que respiramos.

Síntesis de ATP. El electrón de alta energía recorre unacadena de transporte de electrones y pierde energía amedida que avanza. Parte de la energía liberada impulsa elbombeo de iones H+ del estroma hacia el interior de lostilacoides y forma un gradiente (los iones H+ de la divisióndel agua también se incorporan al gradiente). A medidaque los iones H+ fluyen a favor de su gradiente hacia elestroma, pasan a través de la ATP sintasa, que estimula laproducción de ATP en un proceso conocido comoquimiosmosis.

Fase 1b: Transporte de Electrones - ATP

Absorción de la luz en PSI. El electrón llega al sitio delfotosistema I y se une al par especial de clorofilas P700 enel centro de reacción. Cuando los pigmentos absorben laenergía lumínica y esta pasa hacia el centro de reacción,el electrón en P700 es impulsado hacia un nivel muy altode energía y se transfiere a una molécula aceptora. Elelectrón que falta del par especial es reemplazado por unnuevo electrón de PSII (que llega a través de la cadena detransporte de electrones).

Formación de NADPH. El electrón de alta energía recorreun segundo tramo breve de la cadena de transporte deelectrones. Al final de la cadena, el electrón pasa alNADP+ (junto con un segundo electrón de la misma vía)para formar NADPH.

Fase 1b: Transporte de Electrones - NADPH

• Es importante tener en cuenta que la transferencia de electrones de las reaccionesdependientes de la luz se produce por la absorción de la energía luminosa, y en realidades posible debido a ella.

Es decir, la transferencia de electrones del PSII a PSI y del PSI a NADPH solo se produce"cuesta abajo" desde el punto de vista energético (libera energía y, por lo tanto, esespontánea), porque la absorción de energía luminosa lleva a los electrones de P680 yP700 a niveles de energía muy altos.


Fase 1b: Transporte de ElectronesEstas son algunas de las diferencias clave entre los fotosistemas:

•Pares especiales. Los pares especiales de clorofila a de los dosfotosistemas absorben diferentes longitudes de onda de luz. El parespecial de PSII absorbe mejor en 680 nm, mientras que el parespecial de PSI absorbe mejor en 700 nm. Debido a esto, los paresespeciales se llaman P680 y P700, respectivamente.

•Aceptor primario. El par especial de cada fotosistema pasa electronesa un aceptor primario diferente. El aceptor primario de electrones delPSII es la feofitina, una molécula orgánica que se asemeja a laclorofila, mientras que el aceptor primario de electrones del PSI esuna clorofila llamada A0

•Fuente de electrones. Una vez perdido un electrón, cada fotosistemase abastece con electrones de una fuente diferente. El centro dereacción del PSII obtiene electrones del agua, mientras que el centrode reacción del PSI se abastece con los electrones que fluyen haciaabajo de una cadena de transporte de electrones del PSII.

Luego del paso de los electrones producidos por la fotólisis del agua y de laproducción de ATP y NADPH, estos dos tipos de energía serán utilizados en lafijación de CO2, lo que representa la finalidad del proceso fotosintético enorganismos autótrofos.

Fase 2: Fijación de CO2

La fijación de carbono se produce por una reacción catalizadapor la enzima RuBisCO.

Los átomos de carbono acaban siendo parte de todos losdemás organismos en la cadena trófica gracias a la segundaetapa de la fotosíntesis, conocida como ciclo de Calvin (o lasreacciones independientes de la luz).

https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-calvin-cycle-reactions/a/calvin-cycle

https://es.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/the-calvin-cycle-reactions/a/calvin-cycle

En las plantas, el dióxido de carbono (CO2) entra al interior de las hojas a través de los estomas y sedifunde hacia el estroma del cloroplasto, el sitio en el cual se producen las reacciones del ciclo deCalvin, donde se sintetiza el azúcar.

En el ciclo de Calvin, los átomos de carbono del CO2 se fijan (se incorporan a moléculas orgánicas) yse utilizan para formar azúcares de tres carbonos. Para lograr esto, se requieren varias moléculas deATP y NADPH.


Las reacciones del ciclo de Calvin se pueden dividir en tres etapas principales:

1. Fijación de carbono (Carboxilación),

2. Reducción y

3. Regeneración de la molécula de partida.

La 1era fase (carboxilación): en ella tiene lugar lafijación del CO2 sobre una molécula de RuBP(Ribulosa 1-5 Bis-Fosfato), dando lugar ados moléculas de PGA (3-Fosfoglicerato). Esteproceso esta mediado por enzima RuBisCO(Ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxidasa).

En la 2da fase (reducción), el PGA será reducidoa gliceraldehido-3-fosfato (G3P), utilizando ATPy el NADPH que se generó en la fase luminosa.


Las

Con la 3ra fase (regeneración), se cierra el ciclo, ya quemediante una serie de isomerizaciones,condensaciones y reordenaciones, el G3P serátransformado en pentosas fosfato como xilulosa-5-fosfato (Xu5P) y ribosa-5-fosfato (R5P).

A partir de esta última y mediante una isomerización yposterior fosforilación se regenerará la RuBP utilizandonuevamente ATP.


Ribulosa 1-5 Bis-Fosfato

Cada molécula de CO2 fijado requiere por tanto de 3 ATP y 2 NADPH. El producto neto de este ciclo es uno de los G3P generados(que no se utiliza para la regeneración de la RuBP), y que servirá como fuente de carbono para la síntesis de almidón en el cloroplasto, o para la síntesis de sacarosa en el citosol.


En un ciclo completo, ocurren 3 reacciones de carboxilación,

produciéndose 6 moléculas de G3P.

La única enzima utilizada durante el ciclo de Calvin es la RuBisCO

→ Esta enzima es muy importante!!

• La Rubisco (a menudo también escrito RuBisCO), de nombre completo:

Ribulosa-1,5-Bisfosfato Carboxilasa/Oxigenasa, es una enzima que se encuentra en los cloroplastosde los organismos autótrofos. Esta enzima tiene un doble comportamiento que justifica su nombre,catalizando dos procesos opuestos.

a. fijación del CO2 a una forma orgánica,→ lo que justifica su clasificacióncomo carboxilasa.

b. fotorrespiración, → actúa como oxigenasa del mismo sustrato.

La rubisco es la enzima proteica más abundante en la biosfera.

RuBisCO + CO2 + H2O PGA + 2 H+

Actividad de RuBisCO

Constitución del AireLa concentración media anual global de CO2 en laatmósfera ha aumentado en más de 40 % desde elinicio de la Revolución Industrial, de 280 ppm amitad del siglo XVIII a 402 ppm a inicios de 2016.

La concentración actual es la más alta en al menoslos últimos 800 000 años y probablemente la mayordesde hace 20 millones de años.

El episodio actual de calentamiento global seatribuye a las emisiones crecientes de CO2 y otrosgases de efecto invernadero a la atmósfera de laTierra.


Composición de la atmósfera terrestre (aire seco, porcentajes por volumen)

ppmv: partes por millón por volumen

Gas Volumen %

Nitrógeno (N2) 780,840 ppmv 78%

Oxígeno (O2) 209,460 ppmv 21%

Argón (Ar) 9,340 ppmv 0.93%

Dióxido de Carbono (CO2) 400 ppmv 0.04%

Neón (Ne) 18.2 ppmv 0.0018%

Helio (He) 5.2 ppmv 0.0005%

Metano (CH4) 1.8 ppmv 0.0002%

Kriptón (Kr) 1.1 ppmv 0.0001%

Hidrógeno (H2) 0.55 ppmv 0.00005%

Óxido Nitroso (N2O) 0.3 ppmv 0.00003%

Xenón (Xe) 0.09 ppmv 9.00E-06

Ozono (O3) 0.0-0.07 ppmv 7.00E-06

Dióxido de nitrógeno (NO2) 0.02 ppmv 2.00E-06

Yodo (I) 0.01 ppmv 1.00E-06

Monóxido de Carbono (CO) 0.1 ppmv 1.00E-05

Amoniaco (NH3) trazas < 1. E-07

El dióxido de carbono (CO2) es un gas trazaimportante en la atmósfera de la Tierra queactualmente constituye aproximadamente el0,04 % (400 partes por millón) de la atmósfera.

A pesar de su concentración relativamentepequeña, el CO2 es un potente gas de efectoinvernadero cuya función vital es regular latemperatura de superficie de la Tierra mediantesu forzamiento radiativo y el efecto invernadero.

Constitución del Aire


La Rubisco cataliza también la fijación de O2 sobre la Ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), en un procesollamado fotorrespiración, que termina liberando CO2 y disipando energía.

La concentración de O2 es en la atmósfera es 6.000 veces mayor que la de CO2, lo que favorece a lafotorrespiración. No obstante, incluso con la mayor concentración de oxígeno presente, la enzimaes capaz de secuestrar 3-4 moléculas de dióxido de carbono por cada una de oxígeno. Laineficiencia de la Rubisco la convierte, en condiciones normales, en el factor limitante de lafotosíntesis.


La fotorrespiración reduce la eficiencia en lafijación del CO2 hasta en un 50%(Schneider etal. 1992), y como consume ATP y poderreductor, disminuye la eficiencia energéticade la fotosíntesis.

• La eficiencia neta de la fijación de C depende del balance entre lasactividades de carboxilación y oxigenación.

• Una enzima, la anhidrasa carbónica (AC), ayuda a elevar laconcentración de CO2 dentro del cloroplasto para incrementar la tasade carboxilación de la enzima Rubisco

• El cociente entre las velocidades de carboxilación y oxigenación(vc/vo) cuando las concentraciones CO2 y O2 son iguales define elllamado factor de especificidad (Ω). Este factor depende únicamentede las constantes cinéticas del enzima y mide, por tanto, la capacidadintrínseca de la Rubisco para seleccionar la carboxilación frente a laoxigenación.

• En consecuencia, los organismos fotosintéticos pueden alcanzar unaalta eficiencia en la fijación de C, bien aumentando la relación de[CO2]/[O2] en el entorno de Rubisco, bien con un valor alto del factorde especificidad.


Entre las plantas superiores, las de metabolismo C3, que no poseen mecanismosconcentradores de CO2, han sufrido probablemente una mayor presión evolutiva paramejorar el valor de Ω.

La Rubisco se distribuye entre casi todos losorganismos fotosintéticos incluyendo plantassuperiores, algas, cianobacterias y otras bacteriasfotosintéticas, encontrándose también enbacterias quimioautotróficas. En los organismoseucariotas se localiza en el estroma delcloroplasto, y en procariotas, en el citoplasma

Tabla1: Factores de Especificidad Ω ymecanismos concentradores de CO2 endiferentes especies. En algas verdes no se haencontrado la anhidrasa carbónica (AC), uno de losmecanísmos concentradores de CO2.

donde Vc, Vo → velocidades máximas para las reacciones

de carboxilación y oxigenación y

Kc, Ko → constantes de Michaelis para el CO2 y el

O2 respectivamente.

Marín Navarro, J. (2004) Tesis doctoral, UNIVERSITAT DE VALENCIA

https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/9518/marin.pdf

Ésta enzima está presente en TODOS los organismos autótrofos y ha sufrido varios pasos evolutivos; en la actualidad se conocen 4 isoformas, siendo la isoforma #1 común a todas las plantas superiores.

https://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/9518/marin.pdf

Dado que la planta (a través de la actividad estomática)responde finamente al balance entre CO2 ganado/H2Operdida, aquellas condiciones que lleven a un balancedesfavorable como alta temperatura e irradiancia, altodéficit depresión de vapor entre mesófilo y atmósfera,aporte limitado de agua por el suelo o conductividadeléctrica muy alta en la solución de agua del suelo,tenderán a restringir el paso del agua con el cierreestomático parcial o total.

Rutas Metabólicas de Fotosíntesis

Sin embargo dicho cierre estomático también impacta negativamente la difusión de CO2,lo cual se traduce en aumento en la actividad fotorespiratoria de la planta.

La Fotosíntesis se ve afectada por:

• Sustratos directos para realizar fotosíntesis:1. Agua (Disponibilidad)2. CO2 (concentración en cloroplastos =carboxilación de Rubisco)

• Condiciones que afectan el proceso:1. Temperatura2. Irradiancia3. Humedad (déficit de presión de vapor = Potencial Hídrico)4. Condiciones de Suelo

Debido a las diferentes condiciones ambientales, las plantas han evolucionado ydesarrollado adaptaciones metabólicas y anatómicas para hacer un uso eficiente del agua(EUA) y optimizar la velocidad de asimilación de CO2 para mejorar la síntesis decarbohidratos (eficiencia fotosintética).


Altamente regulado por los estomas!!

Existen tres tipos de plantas de acuerdo con los mecanismos de asimilación del CO2en la fotosíntesis, donde el grupo más antiguo es el de plantas de metabolismofotosintético C3, seguida de las plantas C4 y, finalmente las plantas CAM.

C3, Tomate C4, maíz CAM, piña


Las plantas C3 representan alrededor del 89 % de las plantas vasculares del planeta. Reciben elnombre de plantas C3 debido a que durante la segunda etapa del proceso de la fotosíntesis, en lasreacciones de carboxilación del ciclo de Calvin, el primer compuesto formado es el ácidofosfoglicérico (3-PGA), que está formado por 3 carbonos.

Rutas Metabólicas de Fotosíntesis -C3

La fijación del CO2 ocurre de la forma básica (como fueexplicado previamente). Estas moléculas, luego de entrar porlos estomas, se difunden dentro de las células del mesófilohasta el cloroplasto, y en el área del estroma ocurre la unión deCO2 + RuBP (sintetizada por RuBisCO), formando 3-PGA ycontinua el ciclo de Calvin.

Este tipo de plantas no tiene adaptaciones fotosintéticas parareducir la fotorrespiración.

La ruta metabólica C3 se encuentra en los organismos fotosintéticos como lascianobacterias, algas verdes y en la mayoría de las plantas vasculares.

Las vías metabólicas C4 y CAM se encuentran solo en plantas vasculares. Éstas víasmetabólicas de fotosíntesis involucran mecanismos especializados para laconcentración y transporte del CO2 a los sitios de fijación por RUBISCO (vía C3),pagando un precio extra en términos de ATP por unidad de CO2 fijado, sin presentarninguna modalidad o mejora bioquímica en términos de la eficiencia de RUBISCOsobre la vía C3.


La ruta metabólica C4 forma parte de la evolución de lasplantas para evitar la fotorespiración. Esta rutametabólica es una adaptación de las plantas para teneruna eficiencia en el uso del agua mayor.

Reciben el nombre de plantas C4 ya que el primercompuesto formado en el proceso es el ácidooxaloacético (compuesto de 4 carbonos producto de lacombinación entre el fosfoenol-piruvato (PEP) con el CO2)

A pesar de estas adaptaciones las plantas C4 no son mástolerantes al estrés hídrico severo.


Para las plantas C4 el resultado de las modificacionesevolutivas es que el CO2 es fijado en dos compartimientosdiferentes: en el mesófilo el CO2 es fijado como HCO3

- porla AC para ser tomado a continuación por la PEPc queincorpora el carbono en un ácido C4.

Este ácido C4 es transportado hacia la vaina del hazvascular por la acción de acarreadores específicos ATPdependientes en donde es descarboxilado para liberar CO2que es fijado por RUBISCO e incorporado en el ciclo deCalvin-Benson.

Con la acción de este mecanismo de concentración ybombeo de CO2 hacia los sitios de fijación por RUBISCO laplanta es capaz mantener tasas altas de asimilación deCO2 en presencia de baja concentración intercelular dedicho gas.

A pesar de estas adaptaciones las plantas C4 no son mástolerantes al estrés hídrico severo.



Esta adaptación en lasplantas C4 para transportarde forma efectiva el CO2consume energía (2 ATP)por molécula de CO2transportada.

A diferencia de las otros dos tipos, las plantas CAM además de inhibir lafotorespiración, sus adaptaciones evolucionaran para tolerar el estrés hídricosevero.

Se caracterizan por

• suculencia de tejidos o suculencia celular,

• disminución drástica de órganos fotosintéticos,

• cierre estomático diurno que evita la pérdida de agua,

• apertura nocturna con lo cual no se compromete la ganancia de CO2• presencia de sistemas radicales extensivos, etc.

Reciben el nombre de plantas CAM porque utilizan la vía del metabolismoácido de las crasuláceas (CAM, por las siglas del nombre en inglés –crassulaceanacid metabolism-), y se caracterizan por que tiene una fase de día y una fase denoche para el metabolismo del CO2.

Rutas Metabólicas de Fotosíntesis -CAM

En las plantas CAM el resultado de las modificacionesevolutivas es que el CO2 es fijado en dos etapas separadastemporalmente, más que físicamente como ocurre en lasC4.

Durante la noche, la apertura de los estomas permite ladifusión de CO2 que es fijado como HCO3- por la AC y estomado por la PEPc que lo incorpora en ácidos C4 que seacumulan en las vacuolas vía una bomba de membranaATP dependiente.

Durante el día los estomas cierran y los ácidos C4 sonllevados al citoplasma, a través de un mecanismoaparentemente pasivo, en donde son descarboxilados. ElCO2 liberado, que alcanza concentraciones internas muyaltas, es fijado en los cloroplastos por RUBISCO paraincorporarlo al ciclo de Calvin-Benson.



La vía CAM necesita ATP en varios pasos (nose muestran), así que, al igual que lafotosíntesis C4, no es un "regalo" energético.Sin embargo, las especies de plantas queusan la fotosíntesis CAM no solo evitan lafotorrespiración, sino que también usan elagua de forma muy eficiente.

Las plantas CAM suelen predominar enzonas muy cálidas y secas, como losdesiertos.

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