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II/ Fijacin de CO2 y Fotorrespiracin:

A/ El Ciclo Reductivo de las Pentosas Fosfato:

1.- Reduccin del Carbono en la Tierra:

La reduccin de CO2 va a formar la biomasa del planeta, ya que la

reduccin de este elemento conduce a su fijacin en los hidratos de carbono,

base fundamental de la materia orgnica. La energa que permite que esta

reaccin tenga lugar en la Tierra es la que proviene del sol. Las plantas son los

nicos seres vivos capaces de llevar a cabo la transduccin de la energa solar

para reducir el CO2 atmosfrico.

El ciclo reductivo de las pentosas fosfato, o ciclo de Calvin-Benson, es la

principal va metablica mediante la cual las clulas vegetales aprovechan la

energa de los ATP y el poder reductor de los NADPH2 para generar

metabolitos orgnicos de cinco carbonos (pentosas). Estos azucares no

abandonan el ciclo, y el producto neto final del mismo son las triosas fosfato de

tres tomos de carbono y con un fosfato. Ha sido considerado como la fase

oscura de la fotosntesis, pero realmente no sucede en oscuridad aunque no

dependa de luz.

Las triosas fosfato pueden ser acumuladas en el cloroplasto, formando

almidn, o pueden ser exportadas al citoplasma de la clula y formar sacarosa,

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y si es necesario ser transportada a otros tejidos a travs del floema. Todos los

tejidos no fotosintticos requieren aportes de metabolitos orgnicos por parte

de las clulas con capacidad fotosinttica; as por ejemplo las hojas alimentan

a las races, o a los tejidos inmaduros o senescentes que no pueden producir

suficiente.

2.- El Ciclo Reductivo de las Pentosas Fosfato:

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La primera reaccin en tener lugar es la fase de carboxilacin durante la

cual el CO2 es fijado a la materia orgnica en forma de grupo carboxlico. Esta

reaccin es absolutamente fundamental para el proceso fotosinttico, al igual

que el enzima capaz de llevarla a cabo; el enzima RUBISCO (ribulosa bifosfato

carboxilasa y oxigenasa). Una molcula de CO2 va a fijarse inicialmente en una

molcula de ribulosa-1,5-biP, formndose dos molculas de cido-3-

fosfoglicrido. Se trata de la fase de fijacin de carbono.

El experimento de Calvin-Benson que utilizaron el istopo 14C en 14CO2 en

cultivos de algas demostr que el 3-PGA era el producto capaz de asimilar el

CO2 a tiempos muy cortos. Esta reaccin que explica la fijacin de CO2 est

presente en todas las algas y plantas. As recibe el nombre de fotosntesis C3 o

metabolismo C3 para las plantas cuyo primer producto que acepta CO2 es un

metabolito de 3 carbonos, el 3-PGA.

Existen otros metabolismos que aparecen como adaptaciones a

determinadas condiciones ambientales. El metabolismo C4 aparece como una

adaptacin a ambientes clidos o ridos. En las plantas C4 el CO2 no es fijado

directamente por el enzima rubisco, pues antes es fijado en fosfoenolpiruvato

que se transforma en oxalacetato (OA) (4 carbonos). Este se puede

interconvertir en aspartato o malato. Posteriormente el OA libera el CO2 y se

transforma de nuevo en PEP, y el CO2 es tomado por rubisco. En este caso el

primer compuesto marcado por 14CO2 tiene cuatro y no tres carbonos. El

metabolismo CAM o metabolismo cido de crasulceas tambin es una

adaptacin a la aridez, y presenta una fotosntesis mixta C3/C4.

Despus de la fase de fijacin de carbono mediada por rubisco, debe

producirse una segunda fase esencial para el ciclo RPP; se trata de la fase de

reduccin, en la que el carbono fijado como carboxilo va a ser reducido para

formar finalmente un hidrato de carbono. En esta fase deben ser consumidos

activamente los productos de la fase fotoqumica de la fotosntesis, ya que la

reduccin del COOH debe producirse a expensas del poder reductor de

NADPH2 y la energa del enlace fosfato del ATP.

En un primer paso de la fase de reduccin el 3-PGA va a transformarse

en cido 1,3-bifosfoglicrico a expensas de 1 ATP, por fosforilacin catalizada

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100

por 3-PGA kinasa. Es una segunda reaccin este compuesto es reducido por la

3-fosfogliceraldehido deshidrogenasa formando 3-fosfogliceraldehdo (GAP).

La reduccin se produce a expensas de la energa de un fosfato (que

corresponde a la energa aportada por ATP) y a expensas del poder reductor

de NADPH+H+. El carbono antes fijado y fosforilado es el que aparece marcado

por el istopo 14C.

Finalmente tiene lugar la fase de regeneracin. Durante esta fase se

debe recuperar el precursor de la fijacin, la ribulosa-1,5-biP, para que el ciclo

pueda comenzar de nuevo. Para ello deben tener lugar las 10 siguientes

reacciones:

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101

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102

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103

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104

No se trata de una fase oscura de la fotosntesis, puesto que algunos

enzimas, como rubisco y algunas fosfatasas, requieren luz para funcionar. En

la fase de fijacin y reduccin van a formarse seis GAP (triosas-P) a partir de

tres ribulosas y tres CO2. Una de las seis triosas-P (de tres carbonos) es

considerada como el producto neto de la fotosntesis, pues las cinco restantes

van a formar de nuevo las tres ribulosas (cinco carbonos) iniciales. Dos de las

molculas GAP que van a regenerar pentosas fosfato van a interconvertirse en

DHAP, otras triosas-P.

Para la regeneracin es fundamental la reaccin catalizada por el

enzima aldolasa, que facilita la formacin de una molcula de fructosa-1,6-biP

de seis tomos de carbono a partir de una aldosa (GAP) y una cetosa (DHAP)

que aportan tres carbonos cada una. Esta condensacin aldlica va a permitir

la regeneracin de la ribulosa.

La fructosa va a ser desfosforilada en 1. A continuacin esta hexosa se

va a combinar con una triosa, formando una pentosa (xilulosa) y una tetrosa

(eritrosa). La eritrosa se va a unir con otra triosa DHAP formando una heptosa

(pseudoheptulosa-1,7-biP). Va a ser desfosforilada en el carbono 1 para lo que

debe actuar una fosfatasa dependiente de luz.

La pseudoheptulosa se va a unir a una ltima molcula de GAP formando

dos pentosas fosfato; ribosa y xilulosa.

As hemos obtenido finalmente tres pentosas fosfato; una ribosa-5-P y

dos xilulosas-5-P. Estas molculas se transforman en ribulosa-5-P. La

conversin de la ribosa es irreversible.Finalmente las tres ribulosa-5-P va a ser

fosforilada en 1 por una kinasa formando tres molculas de ribulosa-1,5-bP,

sustrato de la enzima rubisco. As queda cerrado el ciclo y comienza de nuevo

la fase de fijacin de CO2.En una vuelta de ciclo de tres ribulosas bifosfato se

gastan 9 ATP y 6 NADPH2.

B/ Fotorrespiracin y Regulacin del Ciclo:

1.- El Enzima Rubisco y la Fotorrespiracin:

Este enzima es fundamental para que se complete el proceso

fotosinttico y la fijacin de O2. Representa de hecho el 50% de las protenas

presentes en plantas. Se trata de una enzima que se encuentra libre en el

estroma del cloroplasto, como muchos otros enzimas del ciclo RPP.

Este enzima tiene dos sitios de unin; uno para fosfato y el otro para

carbono inorgnico. Adems tiene un sitio de activacin donde un CO2 distinto

del que va a ser fijado queda unido a un residuo de lisina-NH2 de la protena, y

se une a l un in de magnesio. Rubisco-COO-Mg2+ es llamado tambin

complejo ternario, y es fundamental para la actividad carboxilasa del enzima.

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105

El enzima rubisco posee dos tipos de actividades catalticas; actividad

carboxilasa (para el ciclo RPP) y actividad oxigenasa (que regula al mismo

ciclo). De hecho, el sitio de unin anteriormente descrito como para carbono

inorgnico que va a ser fijado, puede unir tambin O2 (como la hemoglobina).

Por ello ambas molculas inorgnicas compiten por un mismo sitio de unin.

Existe una mayor afinidad por el CO2 y en condiciones atmosfricas normales

(21% de O2, 0,037% de CO2, y 25C) las proporciones de carboxilacin-

oxigenacin son de 4:1.

La actividad oxigenasa del enzima rubisco permite la fotorrespiracin y

la regulacin del ciclo RPP. Se trata de un sistema protector del aparato

fotosinttico. El proceso de la fotorrespiracin es un proceso desasimilatorio,

pues se libera un CO2 y se capta dioxgeno (as como en la respiracin), pero se

trata de un proceso dependiente de luz.

Inicialmente su actividad en luz fue atribuida a la entrada de los protones

al lumen y la diferencia de pH con el estroma que se establece en presencia de

luz. Actualmente se sabe que la entrada de protones al lumen se acompaa por

la salida de otros cationes entre los que se encuentra en magnesio. Al aumento

de la concentracin de Mg2+ en el estroma cuando hay iluminacin se le ha

atribuido a la activacin del enzima rubisco. Pero se sabe que existe un tercer

factor enzimtico implicado; se trata del enzima rubisco activasa, que saca a

rubisco de la situacin de secuestro por ribulosa bifosfato (RuBP), su sustrato.

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106

La actividad de la activasa slo puede tener lugar en presencia de ATP,

que utiliza como fuente de energa. La disponibilidad de ATP depende a su vez

de la luz y de la actividad del complejo ATPsintasa. Existen otras molculas

como la xilulosa bifosfato o la 2-carboxiarabinitol-1-P que tambin pueden

secuestrar al enzima activasa.

La actividad del enzima rubisco depende de la actividad de la activasa

por ATP, y de la presencia de magnesio como cofactor en el estroma que

permite la formacin del complejo ternario. Otros enzimas del ciclo RPP

tambin utilizan magnesio como cofactor, y adems trabajan mejor a pH ms

elevados, cuando los protones entran al lumen.

2.- Regulacin del Ciclo:

La mayora de las reacciones del ciclo de calvin que se producen de

forma esportnea son reacciones exergnicas, es decir que el sistema pierde

energa libre de gibbs (G

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107

La reaccin de PGA kinasa slo puede funcionar en este sentido cuando

las condiciones en el estroma son favorables, y hay elevados niveles de ATP y

fotofosforilacin, y de sustrato (3-PGA) y actividad de rubisco. Por ello es muy

sensible a la luz, y en su ausencia esta reaccin no puede tener lugar. Adems

la actividad de este enzima aumenta cuando disminuye la concentracin de 1,3-

bPGA, su producto, y por lo tanto cuando hay elevada actividad de

fosfoglicerato deshidrogenasa.

Los enzimas activados por tiorredoxina y el enzima ferredoxina-

tiorredoxina reductasa son fructosa-1,6-bP fosfatasa, sedoheptulosa-1,7-bP

fosfatasa (pseudoheptulosa), 3-PGA deshidrogenasa y Ribulosa-5-P kinasa. La

actividad de todas ellas tambin vara notablemente con la luz. Tambin son

controladas por tiorredoxina malato deshidrogenasa, rubisco activasa y

ATPsintasa, por lo que es de gran importancia para la fotosntesis y fijacin del

carbono.

La tiorredoxina puede aceptar dos elecrones de ferredoxina quedando

reducida (SH). Al oxidarse sus dos grupos sulfuro forman un puente disulfuro

(S-S). La tiorredoxina slo puede ser activada por ferredoxina cuando est

teniendo lugar la cadena de transporte de electrones, es decir ante

iluminacin.

Todos estos procesos de regulacin permiten que se produzca en el

cloroplasto el ciclo reductivo de las pentosas fosfatos (tambin llamado fase

oscura de la fotosntesis) solamente en presencia de luz. En condiciones de

oscuridad tiene lugar el ciclo oxidativo de las pentosas fosfato tanto en el

estroma del cloroplasto como en el citosol de las clulas.

La glucosa-6-P deshidrogenasa inicia el ciclo oxidativo de las pentosas

fosfato en el estroma (OPP), solamente en condiciones de oscuridad. De hecho,

en luz, la tiorredoxina activada inhibe a este enzima al reducirla.

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108

3.- Fotorrespiracin y Va del Glicolato:

En un segundo el ciclo RPP puede generar 3 ribulosas bifosfato. Por

cada segundo de deben haber consumido 9 ATP, 6 NADPH2, 3 CO2 y 5 H2O. Con

todo esto, por cada segundo, la produccin neta del ciclo es de una triosa

fosfato (GAP) por segundo, ya que aunque se generan 6, 5 de ellas deben

reincorporarse al ciclo para que no se produzcan prdidas. El transporte

cclico de electrones, incluyendo al ciclo Q aporta entre 1,25 y 1,5 ATP por

NADPH2, por lo que existen otros mecanismos que pueden compensar la

carencia de ATP. Se consumen 3 ATP y 2 NADPH2 por CO2 fijado.

Las variaciones de temperatura pueden modificar la proporcin 1:4 de

oxigenacin-carboxilacin de la hidrolasa. La enzima utiliza el dioxgeno y

dixido de carbono disueltos en el agua. Al aumentar la temperatura su

solubilidad disminuye notablemente, y la del dioxgeno lo hace ms

rpidamente. Esto conlleva que ante temperaturas elevadas la proporcin se

desplaza hacia la oxigenacin, pues el oxgeno es mayor competidor. Sucede lo

contrario a temperaturas inferiores a 25C.

La fotorrespiracin tiene de hecho un valor adaptativo, y por ello el

rubisco no ha sido modificado para evitar su efecto. Mientras la carboxilacin

genera dos molculas de 3-PGA, la fotooxidacin genera un 3-PGA que puede

ser reincorporado al ciclo, y una molcula de 2-fosfoglicolato, de 2 carbonos.

Va a ser desfosforilado por hidrlisis formando glicolato, que entrar en el

peroxisoma un orgnulo independiente del cloroplasto. Va a entrar as en el

ciclo C2 fotorrespiratorio, que tiene lugar entre los peroxisomas y las

mitocondrias. Adems la fotorrespiracin representa una proteccin contra la

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109

fotooxodacin del sistema, en caso de que el RPP no pueda consumir todo el

producto de la fotorreduccin. An as, reduce el rendimiento del RPP.

El ciclo C2 permite la reincorporacin de los carbonos del glicolato al

ciclo RPP, formando glicerato, de tres tomos de carbono, que penetra al

cloroplasto de nuevo donde puede ser transformado en 3-PGA de nuevo.

Tambin permite la sntesis de aminocidos (Ser y Gly) que son utilizados para

la traduccin gentica y la sntesis proteica. El producto neto de este ciclo para

el cloroplasto es de un 3-PGA para cada dos glicolatos.

As la fotorrespiracin facilita la fluidez de la cadena de transporte de

electrones en la membrana. Adems los mutantes sin capacidad de

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110

fotorrespiracin suelen presentar daos fotoqumicos a intensidades luminosas

normales. De hecho si aumenta la intensidad de la luz tambin lo hace el gasto

energtico en la fijacin de CO2.

La fotorrespiracin modifica por lo tanto la estequiometria del consumo

de ATP por CO2 fijado (normalmente 3/1). Por ejemplo a 25C la proporcin

carboxilacin-oxigenacin es 1-4. Realicemos la estequiometria para 8 CO2 y 2

O2:

Sin Fotorrespiracin

10 RuBP + 10 CO2 + 30 ATP + 20 NADPH

10 RuBP + 10 CREDUCIDOS + 30 ADP + 20 NADP+

Con Fotorrespiracin

10 RuBP + 8 CO2 + 2 O2 + 31 ATP + 19 NADPH + 2FdRED

10 RuBP + 7 CREDUCIDOS + CO2 + 31 ATP + 19 NADP+ + 2FdOX

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111

Con fotorrespiracin y a 25C se fijan 7 carbonos para 31 ATP

consumidos, y 19 NADPH2. Esto es superior a 4 por carbono fijado.

Cuanto mayor es la intensidad de la luz mayor es el gasto energtico de

ATP requerido para fijar un CO2, y aumentan la temperatura y la

fotorrespiracin. Tambin puede aumentar entre otras cosas el ciclo agua

agua, la fotooxidacin, o la fluorescencia.

4.- Sntesis de Almidn y Exportacin de Sacarosa:

La sntesis y acumulacin de almidn a partir de los productos netos de

la fotosntesis tambin interviene en la regulacin del ciclo RPP. Los

precursores de la sntesis son las triosas fosfato producidas en el ciclo y no

reincorporadas.

Las triosas fosfato netas que permanezcan en el estroma formarn

almidon. Aquellas que abandonen el orgnulo sern exportadas por un

antiportados que introduce Pi, y se transforman en sacarosa, es exportada por

va floemtica.

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112

La velocidad de fijacin de CO2 est de hecho muy relacionada con la

exportacin de triosas fosfato y la formacin de almidn.

El parmetro define la disponibilidad de triosas fosfato y Pi en el

citoplasma, y vara entre 0 y 1.

=[3]

[3] + []

Cuando hay un exceso de Pi externo ( tiende a 0) el translocador saca

muchas triosas fosfato para introducir el Pi, y el metabolismo cloroplstico

queda sin intermediarios suficientes de tres carbonos para regenerar la

ribulosa. Entonces no puede producirse almidn, y se inhibe tanto la cadena de

transporte electrnico como la fotofosforilacin.

Ante carencia de Pi externo ( tiende a 1) las triosas fosfato no pueden

ser exportadas y se acumulan en el estroma, produciendo almidn e inhibiendo

el ciclo de las RPP y la fijacin de CO2.

C/ Adaptaciones en la Fotoasimilacin:

1.- El Metabolismo C4:

Las plantas con metabolismo C4 presentan adaptaciones a la aridez y a

temperaturas elevadas. Estas plantas presentan distinta disposicin de sus

clulas del mesfilo respecto al clsico corte transversal de las plantas con

metabolismo C3. Presentan de hecho dos clulas de funcionalidad distinta con

un mecanismo de bombeo de CO2 que contrarresta la cada de la eficacia de la

fotosntesis a elevadas teperaturas.

Se diferencian de hecho unas clulas del mesfilo ms prximas al

ambiente externo capaces de captar el CO2, pero carecen del enzima rubisco.

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113

Incorporan el CO2 a fosfoenolpiruvato (PEP) formando oxalacetato (OA). Otras

clulas prximas al haz vascular van a aprovechar el CO2 y realizar la fijacin

del carbono inorgnico.

PLANTA C3

PLANTA C4

El OA puede interconvertirse con malato o aspartato, pero esto es

especfico de cada especie vegetal (algunas funcionan con uno o con otro, y

otras con ambos). Este metabolito de 4 carbonos es transportado hasta las

clulas de la periferia del haz vascular donde se va a formar de nuevo PEP y

CO2, y en presencia de rubisco tendr lugar la fijacin del carbono. Con este

mecanismo de bombeo activo de CO2 hacia unas clulas concretas se logra

una mayor concentracin de CO2, y esto conlleva una inhibicin del proceso de

fotorrespiracin. De hecho, gracias a este bombeo, pueden llegar a

encontrarse hasta 4 CO2 por cada O2 en el interior de estas clulas del haz

vascular.

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114

Este mecanismo puede evitar la fotorrespiracin incluso a temperaturas

muy elevadas. Mientras las plantas C3 dependen de la difusin de CO2 en los

estomas por competencia por el oxgeno, y dependen de la apertura

estomtica, las plantas C4 est adaptadas a un mecanismo de bombeo de

carbono por el que la apertura estomtica no es indispensable, y esto evita

adems la prdida de agua. Ante condiciones de estrs hdrico y cierre de los

estomas inducido por ABA, las plantas C4 son capaces de seguir fijando CO2,

no as las C3.

El maz o la caa de azcar son ejemplo deplantas C4 formadoras de

malato. El OA debe transformarse en malato para difundir por las membranas

de las distintas clulas del mesfilo. Pueden pasar a travs de plasmodesmos

que comunican directamente el citoplasma de ambas clulas.

C4 formadora de Malato

C4 formadora de Aspartato

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115

El enzima PEP carboxilasa es de gran importancia pues es capaz de

liberar el fosfato de PEP e incorporar en el HCO3- (carbono mineral disuelto en

agua) formando OA. Para poder fija el carbono debe tener una alta afinidad por

el mismo. Este enzima es ms activo en presencia de luz. Su actividad es muy

superior cuando se encuentra fosforilado, y esto es catalizado por una PEP

carboxilasa kinasa reguladora que es activada a su vez por la luz.

El enzima piruvato Pi dikinasa tambin es regulada por luz, por una

protena activadora. La inactivacin de este enzima se produce por

fosforilacin a expensas de ADP cuya concentracin aumenta en oscuridad. Al

ser desfosforilada en luz, el enzima se vuelve activo.

El rendimiento de la fijacin de CO2 disminuye a bajas temperaturas para

estas plantas. De hecho varias de estos enzimas pueden ser inhibidos. PEP

carboxilasa y piruvato-Pi-dikinasa presentan prdidas de actividad a

temperaturas inferiores a 12 C. Adems otros enzimas del ciclo C4 son

inhibidas e inactivadas por bajas temperaturas. EN estos casos el crecimiento

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116

es mayor para C3. A medida que aumenta la temperatura y la concentracin de

oxgeno se vuelve mayor competidor por rubisco, el metabolismo C4 se ve

favorecido.

Coeficiente de absorcin de los gases en el agua

a distintas temperaturas

GAS

TEMPERATURA (C)

0 15 20 25

H2 0,02148 0,01883 0,01819 0,01754

O2 0,04889 0,03415 0,03102 0,02831

CO2 1,1713 1,019 0,878 0,759

N2 0,02354 0,01685 0,01545 0,01434

SH2 4,67 2,945 2,582 2,282

SO2 79,789 47,276 39,374 32,786

ClH 506 - 442 -

NH3 1182 - 710 -

C4

C3

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117

La variacin del rendimiento en la fijacin de CO2 entre plantas C3 y C4

vara en realidad en funcin de la temperatura a causa de la variacin en

concentracin de oxgeno. Como se ve en el caso del trigo, a concentracin de

CO2 saturante o bajos niveles de O2 constante, el rendimiento de C3 es igual al

de C4.

En presencia de luz saturante la fijacin de CO2 se satura antes para las

plantas de metabolismo C4, a concentraciones de carbono atmosfrico

naturales, mientras que en C3 la fijacin sigue aumentando conforme lo hace la

concentracin. El punto de compensacin corresponde a la concentracin de

CO2 a la que la cantidad neta de CO2 fijado (y liberado) es cero. Por debajo del

punto de compensacin la planta libera ms carbono del que fija y hay

fotorrespiracin neta. Por encima existe fotosntesis neta. Para realizar estas

curvas se utilizan campanas de aislamiento con concentraciones de CO2

conocidas. Inicialmente las plantas realizan la fotosntesis, pero llega un punto

en el que la concentracin de CO2 en la campana aislada es muy baja, y la de

oxgeno alta. Se alcanza el punto de compensacin.

El punto de compensacin para C3 es de 20-100 l.l-1, mientras que para

las C4 corresponde a 0-5 l.l-1. Esto representa sin duda una adaptacin a las

temperaturas elevadas, pues permite fijar el carbono con un alto rendimiento

cuando su concentracin es muy baja. Sin embargo el sistema de bombeo se

satura rpido a elevadas concetraciones de CO2, y a bajas temperaturas; en

este caso las plantas C3 pueden alcanzar rendimientos mayores, pues el ciclo

RPP no depende de la saturacin del bombeo. C4 es ms rentable a

temperaturas superiores a 30 C. De hecho a temperaturas inferiores a 12 C se

inactivan los enzimas de bombeo C4.

La renovacin o turn-over de metabolitos C4 es muy elevada, y estos son

renovados muchas veces cada da, en presencia de luz. En oscuridad cesa el

transporte y se cierran los estomas, como sucede en C3. En luz hay mucho

trasiego y un bombeo activo importante; el pool de cidos tetracarboxlicos del

ciclo C4 es muy reducido debido a su alto turn-over.

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118

En algunas plantas C4 el bombeo de carbono puede tener lugar en el

interior de una nica clula, desde el polo distal al haz vascular, hacia el polo

proximal donde se acumulan los cloroplastos.

2.- El Metabolismo cido de Crasulceas:

Las plantas con este metabolismo CAM tienen el ciclo C4 formador de

malato, de bombeo de carbono, y los mismos enzimas que lo llevan a cabo. La

principal diferencia es que en plantas CAM el pool de cidos de cuatro

carbonos es muy grande y presenta un turn-over lento (cada malato se renueva

una vez al da). Adems el bombeo no implica a dos tipos celulares distintos, y

depende slo de una clula. Est presente en todas las crasulceas y las

cactceas, y tambin en algunas especies de liliceas, bromeliceas,

orquidceas, gimnospermas y helechos entre otras.

Estas plantas se caracterizan por funcionar de forma distinta de da,

cuando cierran los estomas, y de noche cuando todos los estomas se

encuentran abiertos (contrario a C3 y C4). Se trata de una adaptacin a la

sequa y la aridez, ya que cerrar los estomas de da permite evitar todas las

prdidas de agua posibles por transpiracin estomtica.

De hecho la tasa de renovacin de 1 da-1 del malato se explica debido a

que durante la noche las clulas aprovechan para extraer todo el PEP del

cloroplasto y formar malato fijando CO2. El malato es acumulado en las

vacuolas. Durante el da los estomas estn cerrados y no se puede tomar CO2,

sin embargo en este momento todo el malato sale de la vacuola y bombea CO2

al cloroplasto, transformndose en piruvato, y facilitando que se produzca

fotosntesis con luz. PEP-Pi-dikinasa tiene el papel fundamental de volver a

formar PEP fosforilando dos veces al piruvato (elevado valor energtico de

PEP).

Mientras que en las C4 formadoras de malato el pool de este cido es

pequeo, en las plantas CAM se hace muy elevado durante la noche. Se trata

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119

de un compuesto de muy elevada acidez (metabolismo cido) por lo que las

clulas deben guardar el malato en vacuolas.

Dado que se requiere un elevado nmero de PEP durante la noche, para

obtener suficiente carbono de da, el almidn del cloroplasto puede ser un

reservorio de carbono a partir del cual la clula puede obtener ms PEP. Esta

conversin implica el por tres intermediarios; glucosa, DHAP y 3-PGA.

La regin de apertura de estomas de estas plantas CAM es crtica, y en

realidad responde a muchos factores. En su hbitat natural, por lo general, el

conjunto de factores reguladores de la apertura estomtica suelen favorecer

su apertura slo durante la noche. Se trata por ejemplo del estrs hdrico o la

disponibilidad de carbono mineral.

La concentracin de CO2 en el aire del mesfilo esponjoso o lagunar es

un factor fundamental para la regulacin de la apertura y el cierre estomtico.

En el exterior de la epidermis existe una capa lmite de aire que es retenido y se

opone a los intercambios del gas. Los cambios de las cantidades externas de

carbono mineral pueden ser detectadas por las clulas del mesfilo ms

cercanas a los estomas. Al principio de la noche la concentracin de carbono

mineral del mesfilo ha disminuido y se favorece la apertura estomtica. Ante

la luz aumenta la temperatura y disminuye la humedad externa, por lo que estas

plantas han desarrollado la adaptacin de cerrar sus estomas.

De da en presencia de luz se activan los enzimas del ciclo RPP, como

rubisco. De noche estos enzimas quedan inactivados, pero deben activarse los

enzimas del ciclo C4 que carboxilan el PEP en OA y lo acumulan en forma de

malato. El enzima PEP carboxilasa de las plantas CAM slo funciona de hecho

en condiciones de oscuridad, y es inhibida por OA y malato, sus productos

finales. Al terminar la noche estos productos se han acumulado e inhiben la

actividad del enzima. Es el mismo PEP carboxilasa que en plantas C4 por lo que

tambin es activada o desactivada por fosforilacin. En C4 esto depende de la

luz, pero en CAM es dependiente del pH. Queda desfosforilada e inhibida por

pH cido, lo que ocurre al acumularse el malato y OA, cidos tetracarboxlicos.

Por otro lado piruvato-Pi-dikinasa es activada en luz por

desfosforilacin, exactamente igual a como funciona en C4. De hecho esta

parte del ciclo C4 funciona en luz, as como en plantas C4.

A lo largo del da las plantas CAM presentan un ciclo con 4 fases de

fijacin de CO2 notablemente distintas.

NOCHE

1

3

4

2

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120

En fase 1, durante la noche, inicialmente hay muy poco malato y OA, y el

pH no es cido por lo que PEP es poco sensible a la inhibicin. En estas

condiciones se promueve la apertura estomtica y la fijacin neta de CO2 y su

acumulacin en las vacuolas en forma de malato. Conforme PEP se transforma

en OA el citoplasma se acidifica y la fijacin de CO2 disminuye an con todos

los estomas abiertos. Al final de esta fase 1 aumenta la concentracin interna

de CO2 en las lagunas del mesenquima y se favorece el cierre estomtico.

La fase 2 corresponde al inicio de fase de luz y las primeras horas del

da. Entonces comienza la desfosforilacin de malato con un rendimiento muy

bajo y la actividad del ciclo RPP. Esto va a favorecer la apertura estomtica por

falta de CO2 interno, y la actividad de PEP carboxilasa por bajada del pH.

En fase 3 el estrs hdrico favorece el cierre de los estomas. Esto

corresponde a las horas de mxima insolacin y temperaturas mximas con

baja humedad, es decir, cuando se favorece ms la evapotranspiracin.

Al terminarse el malato para descarboxilar se entra en fase 4, al final del

da y las concentraciones internas de CO2 son muy bajas. Esto favorece la

apertura estomtica y la actividad de PEP carboxilasa.

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3.- Ventajas y Adaptacin del Metabolismo C4:

Como hemos visto las plantas de metabolismo C4 logran un mayor

rendimiento de fijacin de carbono a temperaturas superiores a 20-30 C,

debido a que al aumentar la temperatura, el oxgeno es mayor competidor.

Controlando los niveles constantes de CO2 en una cmara aislada, se puede

lograr el mismo rendimiento en una C3 a la misma temperatura que en C4.

Las plantas CAM utilizan el ciclo C4 para acumular carbono durante la

noche, pudiendo cerrar los estomas de da. No es tanto una adaptacin al

rendimiento en elevadas temperaturas como s una adaptacin a la aridez,

pues minimiza las prdidas de agua por transpiracin, provocando el cierre

estomtico durante las horas de mxima insolacin.

El istopo 13C es mucho menos frecuente que el istopo estable 12C, pero

se encuentra de forma natural enla atmsfera. Las plantas C4 tienen menor

capacidad para discriminar este istopo pesado del istopo estable, y lo fijan

en mayor proporcin.

El metabolismo C4 tambin es ventajoso frente a la asimilacin del

nitrgeno, principal macronutriente. El nitrgeno es un componente principal

de las protenas y los enzimas, y su presencia en el hbitat y sus ciclos

biogeoqumicos es un factor limitante para el crecimiento vegetal. Las plantas

con metabolismo C4 necesitan producir cantidades muy inferiores de rubisco,

principal protena de los seres vivos, en comparacin a las plantas C3. La

reduccin de exigencia de disponibilidad de nitrgeno, factor limitante para el

crecimiento y con elevado coste de fijacin y reduccin, es otra ventaja del

metabolismo C4.

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4.- Fotoasimilacin de Nitratos y Sulfatos:

Las clulas radiculares pueden reducir nitrgeno y azufre disponibles en

el sustrato en forma oxidada. Una vez reducidos pueden ser asimilados por la

planta, sin necesidad de luz. Sin embargo estos elementos a menudo son

reducidos cerca o en los cloroplastos, en las clulas foliares. Esto requiere

energa y poder reductor que tambin es facilitado por la fotosntesis (ATP,

NADPH2).

El enzima nitrato reductasa se encuentran en la membrana externa de

los cloroplastos, hacia el citoplasma. Es capaz de reducir los nitratos (NO3-) a

nitritos (NO2-) utilizando NADH como cofactor. El sistema OA-malato propio del

funciona como sistema lanzadera, exportando el poder reductor de NADPH del

estroma del cloroplasto para formar malato. El malato reduce a NAD+ formando

NADH en el citosol, y permitiendo la reduccin de nitratos.

El nitrito es reducido despus en el interior del cloroplasto por nitrito

reductasa. Esta reaccin no necesita dos electrones como la anterior, sino que

precisa de 6 electrones. Esto son donados por 6 ferredoxinas, acceptor final de

la cadena de transporte de electrones.

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A continuacin se debe producir la fijacin del amonio NH4+ en

glutamina. Esta reaccin consume de nuevo energa de fotosntesis; en este

caso ATP. Finalmente se produce la transaminacin de glutamina y -

cetoglutarato que forman dos molculas de glutamato, una de las cuales se

transforma en glutamina para reincorporarse al ciclo de asimilacin de

nitrgeno. Esta reaccin consume dos electrones ms de la ferrodoxina.

Gracias al consumo de energa y poder reductor en las reacciones de

asimilacin de nutrientes o sntesis de aminocidos y protenas, en el

cloroplasto puede tener lugar la fotosntesis sin que se produzca fijacin de

carbono. Se puede lograr experimentalmente en ausencia total de CO2 y

presencia de nitratos. Se ha demostrado que por cada nitrito reducido a

amonio se produce una molcula y media de O2.

El enzima glutamina sintetasa cataliza la reaccin de asimilacin de NH3

en el glutamato, formando glutamina. Su actividad es por lo tanto de gran

importancia. Acta como un elemento desacoplador. Tiene poca afinidad por el

amonio por lo que este debe encontrarse en elevada concentracin.

En el ciclo C2 de fosforrespiracin se produce NH3 en la

descarboxilacin de glicina en mitocondrias. Adems el glutamato puede ser

transformado en -cetoglutarato en el peroxisoma. Estas reacciones

relacionan al ciclo C2 y la asimilacin del amonio en el cloroplasto.

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