Tema 9 Fijacin del CO 2 Objetivo Comprender

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 o o 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 n n n 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… o o 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 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 (1733 -1804) 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".

Experiencias de Priestley La falta de aire apagaba la llama de una vela. 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.

Experiencias de Priestley La muerte del ratón no se producía si, junto con él, se situaba una planta. http: //www. etsmre. upv. es/varios/biologia/Temas/tema_11. htm

El ciclo de Calvin: fases carboxilativa, reductora y regeneradora 14 C 0 2 Autorradiografía Etanol 80% hirviendo

o 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… o ¿A qué molécula se une el CO 2? n n A una de 2 C ? A una de 5 C ?

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

El ciclo de Calvin contiene diversos pasos que consumen energía (ATP) y poder reductor (NADPH) obtenidos en la cadena de transporte de electrones. 1. 2. 3. La fijación inicial del CO 2 que tiene lugar por la carboxilación de la Ru. BP 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 La regeneración de la Ru. BP, que requiere también aporte energético.

CO 2 + Ru. DP 2 (3 -PGA) o Esta reacción está catalizada por una enzima específica, la Ru. DP carboxilasa oxigenasa (conocida también como Ru. Bis. CO), que constituye más del 15% de la proteína del cloroplasto. De hecho, la Ru. Bis. CO se supone que es la proteína más abundante de la Tierra. o 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 C 3.

o 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 o

o 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 Ru. DP con la que se inició el ciclo.

o 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 (4 C), xilulosa (5 C), fructosa (6 C) y sedoheptulosa (7 C), y que llevan a la síntesis de ribulosa-fosfato, que al fosforilarse consumo de ATP se convierte por último en la Ru. DP.

REGENERACIÓN 6 Ru. DP + 6 H 2 O 6 CO 2 6 ATP 6 ADP 6 Ribulosa 6 -fosfato 12 Ácido 3 -fosfoglicérico 12 ADP 12 ATP 12 Ácido 1, 3 -difosfoglicérico CARBOXILACIÓN REDUCCIÓN Ruta de las Pentosas fosfato 12 NADP+ 12 NADPH 12 Gliceraldehido-3 -fosfato 12 Pi http: //www. etsmre. upv. es/varios/biologia/Temas/tema_11. htm GLUCOSA

El ciclo de Calvin casi es universal o o o Ciclo reductor del ácido carboxílico n Bacterias verdes-sulfurosas Ciclo productor del glioxilato n Bacterias verdes no sulfurosas Ruta del acetil Co. A n Bacterias metanogénicas

o 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 Ru. DP (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.

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Intercambiador de Pi o o Alta Pi citosólica n Transporte de triosas fosfato desde el cloroplasto al citosol para la síntesis de sacarosa Baja Pi citosólica n Retención de las triosas fosfato en el cloroplasto que favorece la síntesis de almidón

o 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 glucosafosfato y, por último, fosfatos de triosa, que son exportados al citosol para la síntesis nocturna de sacarosa.

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

Ecuación general o 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 Ru. DP + 6 CO 2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP 6 Ru. DP+Glucosa+12 NADP++18 ADP+18 Pi+ 6 H 2 O

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

Factores que intervienen en la regulación de la actividad de la rubisco o 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: n n La disponibilidad del CO 2 en los centros activos y la tasa CO 2/O 2 El aporte de Ru. BP La cantidad de rubisco El estado de activación de la rubisco

1. La disponibilidad del CO 2 en los centros activos y la tasa CO 2/O 2 o 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. n n o Km CO 2=10 -15 u. M Km. O 2=250 u. M 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 Ru. BP o Si la velocidad de carboxilación es superior a la velocidad de regeneración de la Ru. BP, la asimilación del CO 2 puede verse limitada por la falta de Ru. BP. o 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 Ru. BP.

3. La cantidad de rubisco presente o o 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 o Tras su traducción, la rubisco debe ser modificada para poder catalizar la carboxilación n Pérdida de dos protones en una lisina n CO 2 n Unión de Mg++ n p. H elevado en el estroma

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

Reducción de grupos tiol por luz -Gliceraldehído-3 fosfato-deshidrogenasa hv Ferredoxina reducida Ferredoxina oxidada Ferredoxina tiorredoxina reductasa Tiorredoxina oxidada Tiorredoxina reducida HS HS S------S Enzima oxidado Enzima reducido H 20 O 2 S-------S HS HS -fructosa-1, 6 bisfosfatasa -sedoheptulosa-1, 7 bisfosfatasa -fosforribuloquinasa

Flujos iónicos dependientes de luz o o o n n n 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 p. H en el estroma y la concentración de Mg 2+

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