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Ciclo de Calvin --> fisiología vegetal

Es 1 ciclo de reacciones en el que se parte de una molécula que se vuelve a sintetizar

-Descubrimiento del proceso:

Este conjunto de procesos se descubrió en la década de los 40 y 50. El descubrimiento se produjo con experimentos en los que se utilizaba CO2 marcado con el isótopo radiactivo C14 que emite radiaciones ? que pueden ser detectadas mediante placas fotográficas (con películas de rayos X). Con este experimento se podía descubrir los compuestos producidos en estas reacciones aunque estuviesen en muy pequeñas concentraciones.

Junto a este método de los isótopos radiactivos se realizaron también cromatografías sobre papel para separar los compuestos. Se realizaban autoradiografías, es decir se cogía el papel cromatográfico se ponía encima la película de rayos X y se veía la radiación emitida mediante un contador de centelle o líquido cuántico, cuentan la radioactividad que hay en un compuesto.

Para el análisis de productos se utilizaban 2 métodos:

-          el análisis químico directo

-          la cromatografía con compuestos conocidos (es decir, comparando la mezcla de compuestos adquiridos de las muestras, con diferentes compuestos conocidos viendo las distancias recorridas en el papel cromatográfico).

Para identificar que C de los compuestos radiactivos adquiridos era el que poseía el C14 se utilizaban procedimientos de química orgánica degradando los compuestos C a C.

La primera investigación que se realizó fue para ver cual era el primer compuesto en el que el CO2 se introducía. Para este experimento se trabajo con el alga verde Chlorella como organismo fotosintético y se utilizó como dispositivo medidor un aparato de vidrio que tenía una zona en la cual se introducía el alga en suspensión y era iluminada lateralmente. En la parte superior del dispositivo se introducía el CO2 marcado, y en la parte inferior había una llave para sacar muestras de la suspensión de Chlorella.

Las muestras que se sacaban se metían en alcohol del 80% hirviendo para cortar las reacciones y además sacar el producto celular.

Se sacaban muestras a diferentes tiempos desde la introducción del C marcado. A 60seg se habían formado muchos compuestos radiactivos, a los 7seg se habían formado 12 compuestos, de los que casi todos eran azúcares fosforilados. A los 2 segundos la mayor parte de los compuestos radiactivos extraídos era el ácido 3-fosfoglicérico (3PGA). Pero este sólo era el primer compuesto estable de la fijación del C, no se sabía si era el primer compuesto resultado de la fijación, ya que podía ser que existiese algún compuesto anterior pero más inestable.

Además este experimento también se realizó con plantas superiores para ver si existían diferencias en la fotosíntesis de organismos unicelulares y plantas superiores y vieron que los resultados obtenidos eran los mismos.

Aunque ya se conocía cual era el primer compuesto estable de la fijación del C, aun no se sabía que compuesto era el aceptor del CO2. Como el 3PGA era un compuesto de 3C se pensó que el CO2 reaccionaba con un compuesto de 2C, pero no encontraron compuestos de 2C.

Para encontrar el aceptor del CO2 realizaron un experimento en el que se dejaba al organismo fotosintético realizar la fotosíntesis a una velocidad estandarizada y a un tiempo dado se le cortaba el suministro de CO2, esto debía hacer que el compuesto con el que el CO2 reaccionaba se tenía que acumular. Los resultados de este experimento permitieron saber que el aceptor de CO2 era el compuesto de 5C ribulosa-1,5-biP, así el CO2 reaccionaba con este compuesto formando un intermedio de 6C que se rompía en 2 de 3C.

Además encontraron que el enzima que catalizaba la reacción de incorporación del CO2 era la rubisco, (ribulosa-1,5biPcarboxilasaoxidasa), primeramente llamada carboxidismutasa

 

La ribulosa-1,5biP sufría una carboxilación dando el compuesto intermedio 2-carboxi-3-cetoarabinitol-1,5-biP, compuesto transitorio inestable que se puede unir fuertemente a la rubisco y se descompone rápidamente por hidrólisis en 2 moléculas de 3PGA, de los cuales 1 sola molécula está marcada con C14 en el C del grupo carboxilo.

 

 

Tras esto se encontraron otros azúcares fosforilados de 5,6 y 7C. Se observó la secuencia de tiempo con la que se habían marcado los átomos de C de cada compuesto, lo que permitió establecer la ruta metabólica de la formación de carbohidratos.

 

Además se vio que con el tiempo los C ? y ? del 3PGA también quedaban marcados radiactivamente, lo que fue la evidencia de que el proceso era cíclico de forma que de los 2 3PGA formados uno quedaba en el ciclo para regenerar el aceptor del CO2.

 

-Rubisco:

 

-          La rubisco es una enzima que funciona en todos los organismos fotosintéticos, excepto en unas pocas bacterias fotosintéticas.

-          Esta enzima es importante además de por el proceso porque es la proteína más abundante de la naturaleza, comprendiendo un 40% de todas las proteínas solubles que existen en las hojas.

-          Funcionalmente hay 2 análogos:

 

  • La forma más abundante  existe en todos los fototrofos oxigénicos, es decir en plantas, algas vedes y cianobacterias y se presenta como un complejo oligomérico denominada L8S8 de 560 KDa

Formado por 2 tipos de subunidades que se repiten 8 veces cada una de ellas. Los 2 tipos son:

Las subunidades grandes denominadas L, de 55 KDa cada una

Las subunidades pequeñas denominadas S de 14KDa cada una

 

  • En otras bacterias fotosintéticas el complejo está formado por 2 subunidades grandes de 50KDa cada una y se llama L2 de 100KDa en total.

 

-          Las diferentes subunidades están codificadas en lugares diferentes.

Las subunidades S están codificadas por el genoma nuclear

Las subunidades L están codificadas por el genoma del cloroplasto.

 

El montaje del complejo está modulado por unas proteínas denominadas chaperonas o chaperoninas que modulan el plegamiento proteico correcto con consumo de ATP.

 

 

 

-Etapas del Ciclo de Calvin:

 

Calvin (Nobel 1961)

En el Ciclo de Calvin se diferencian 3 etapas, la de inicio de carboxilación, la de reducción y la última de regeneración del aceptor de CO2.

 

  1. La etapa de carboxilación está constituida por una sola reacción que es la catalizada por la rubisco y que forma 2 moléculas de 3PGA  a partir de 1 molécula de Ribulosa 1,5biP.

 

  1. La siguiente etapa es la de reducción que consta de 2 reacciones.

 

a)      Primero se fosforila el 3PGA mediante una kinasa formando el 1,3 –bisfosfoglicerato

b)      la posterior reducción de éste hasta una triosa fosforilada mediante una deshidrogenasa, esta triosa puede ser gliceraldehido-3-P (GA3P) o dihidroxiacetona-fosfato (DHAP). Estos 2 compuestos son isómeros y uno puede formar el otro por una isomerasa sin gasto de energía.

 

Las triosas-P que se han formado pueden salir del ciclo y formar otros azúcares, o pueden seguir en el ciclo y regenerar al aceptor de CO2.

 

  1. En la etapa de regeneración de la ribulosa 1,5 biP se produce un gran número de reacciones en las que se forma ribulosa-5P a partir de GA3P y DHAP por combinaciones sucesivas de estas 2 triosas-P.
  2. La ribulosa-5P se va a fosforilar finalmente por una kinasa dando la ribulosa-1,5-biP cerrando el ciclo. En esta etapa de reacciones van a participar azúcares de hasta 7C como la sedoheptulosa-1,7-bisP.

 

En todo el ciclo existen 4 reacciones irreversibles en condiciones fisiológicas, por lo que el ciclo no puede funcionar en el sentido contrario descomponiendo azúcares en CO2. Las 4 reacciones son:

 

1 -La fosforilación de la ribulosa-5P a ribulosa-1,5-biP, por la ribulosa 5P quinasa.

2 -Las 2 catalizadas por fosfatasas:

-          la catalizada por la fructosa-1,6 bifosfatasa  

-          la sedoheptulosa-1,7 bifosfatasa.

3 -La catalizada por la rubisco de la carboxilación de la ribulosa-1,5-biP.

 

Reacción global de la síntesis de una fructosa-6P:

6CO2 + 11H20 + 18ATP + 12NADPH Fructosa-6P +18ADP + 17 Pi + 12NADP+ + 6H+

 

Para la reducción de 6 CO2 hacen falta 18 ATP y 12 NADPH, lo que quiere decir que por cada CO2reducido se necesitan 3 ATP y 2 NADPH.

 

La eficiencia energética del Ciclo de Calvin es bastante alta. Se puede calcular conociendo la cantidad de energía que posee un mol de fructosa-6P y un mol de ATP y de NADPH.

 

Si utilizamos 6Co2 para producir una molécula de F6P, necesitamos gastar 18ATP y 12 NADPH

 

-1 mol de fructosa-6P totalmente oxidado produce 673Kcal

-1 mol de ATP hidrolizado produce 7Kcal ? 18·7= 126kcal

-1 mol de NADPH oxidado produce 52Kcal ?12·52= 624kcal

Para producir una molécula de fructosa 126 + 624 = 750

 

Porque si 750 Kcal es el 100%, 673 Kcal son 673 x 100 / 750

El rendimiento energético es del 89.7%

 

 

Regulación del Ciclo de Calvin:

Este ciclo está regulado por luz, por cambios de pH y Mg+2, por variaciones de la [ ] o actividad específica de enzimas implicados, y por modulación por cambios en la [ ] de sustrato y producto.

Hay 2 tipos de regulación enzimática, mediante la formación de enlaces covalentes y mediante las interacciones no covalentes.

-         1. Formación de enlaces covalentes:

Hay 5 enzimas del ciclo que son reguladas por la luz:

-          Rubisco

-          3P Gliceraldehido deshidrogenasa

-          Fructosa 1,6 biFosfatasa

-          Sedoheptulosa 1,7 bifosfatasa

-          Ribulosa 5P quinasa : fosforibulosa quinasa

 

De este tipo de regulación hay 2 mecanismos de regulación:

 

a)      Todas excepto la rubisco regulan su actividad mediante el sistema  ferredoxina-tiorredoxina que activa a varias enzimas:

 

-          Gliceraldehido-3Pdeshidrogenasa

-          Fructosa-1,6fosfatasa

-          Sedoheptulosa-1,7-biPfosfatasa

-          Ribulosa-5Pquinasa

-          NADP-malato deshidrogenasa en la fotosíntesis de C4.

 

Este Sistema ferredoxina-tiorredoxina:

La activación de estos enzimas por luz depende del contenido en ferredoxina reducida que es el producto final anterior a la síntesis de NADPH.

El proceso de activación depende también de la presencia de tiorredoxina reducida y del enzima ferredoxin-tiorredoxin-reductasa.

La luz controla la actividad de esta enzima en la formación de enlaces covalentes entre grupos disulfuros. Por acción de la luz, los electrones van del PSII a la ferredoxina a la cual reduce.

En oscuridad el enzima está de forma inactiva, debido a la formación de enlaces disulfuro entre aa azufrados presentes en el centro activo de la enzima, es decir, el oxigeno oxida a enzimas y a la ferredoxina, entonces pasa de reducida a oxidada, por lo que se inactivan.

La ferredoxina reducida cede los electrones a la enzima ferredoxina-tiorredoxina reductasa que posee un grupo disulfuro, el cual se reduce a 2 grupos tiólicos.

A continuación, la ferredoxina-tiorredoxina-reductasa cede los electrones a una tiorredoxina (proteína de bajo peso molecular de plantas) que también reduce su puente disulfuro a 2 grupos tiólicos.

La tiorredoxina reducida cede lo é al centro activo del enzima y rompe los enlaces disulfuro. El enlace disulfuro se rompe, se liberan los grupos –SH y el enzima queda activo.

La tiorredoxina queda oxidada ( con un enlace disulfuro) ésta proteína oxidada se reduce de nuevo aceptando los é de la ferredoxina reducida y este proceso de reducción catalizado por la ferredoxina-tiorredoxina-reductasa.

Los 4 enzimas regulados por este mecanismo, para ser activos contienen en su centro activo uno o más grupos disulfuro formados entre residuos de cisteína. Se inactivan si se oxidan (-S-S-) y se activan si se reducen (-SH SH-)

Este motivo es otro por los cuales se necesita la luz para la formación de carbohidratos a partir del CO2 ya que se necesita para activar las enzimas del Ciclo de Calvin. 

 

b)  Regulación de rubisco:

 

También está regulada por la luz pero de una forma diferente:

La rubisco está activada por cambios de pH, CO2 y Mg+2

 

Mecanismo 1: El paso de una forma inactiva a una forma activa depende de un intermedio carbamato en el centro activo de la enzima.

La rubisco posee un residuo de lisina en su centro activo de la subunidad grande, la activación se produce por cambios en el aa lys del centro activo del enzima. Debido a un aumento de pH, la lys  pierde un H+ en su grupo ?-amino.

A continuación, se produce una carbamilación, uniéndose un CO2 por un enlace covalente al grupo amino de la rubisco.

El CO2 reacciona con la Rubisco para dar NH-COO- (grupo carbamato).La carga negativa del carbamato la neutraliza el Mg+2.

La activación de la enzima se da cuando se une un ión Mg2+ al grupo carbamato. Se dice que la forma activa de la rubisco es un compuesto ternario debido a que se encuentra formado por la enzima, el CO2 y el Mg2+. 

Durante el día: ocurre que durante la disminución de la concentración de H+ en el estroma (que se alcaliniza) y la subida del pH por ello durante el proceso luminoso, se produce un cotransporte de H+ al lumen y de Mg2+ al estroma para regular el gradiente eléctrico del cloroplasto, por lo que la activación de la rubisco se favorece por el aumento de pH, debido a que al salir más H+, entran más iones Mg2+ al estroma.

 

 

 

Mecanismo 2: Se ha demostrado otro mecanismo de activación de la Rubisco: la rubisco activasa. Ésta enzima tiene la función de eliminar la Ru 1,5 biP fijada al centro activo que se produce en la transición de forma activa a forma inactiva.

Se ha demostrado que en el momento de transición entre forma activa y forma inactiva en oscuridad, por el bajo pH en el estroma, el enzima que mantiene fijada la ribulosa bifosfato no puede captar ya el Co2 y no podrá formar el carbamato

La RuBP dado que está en exceso, inactiva ala rubisco porque queda unida al centro activo e impide la unión de CO2 para formar el carbamato. La rubisco activasa se fija al enzima con consumo de ATP, libera a la RuBP y libera al centro activo del enzima, el cual ya puede ser modificado en el residuo de lys y se podrá formar el carbamato.

Este enzima  rubisco activasa libera azúcares-fosfato que se enlazan al centro activo de  la rubisco (y que impiden la carbamilación) de forma que facilita la activación de la rubisco  por la unión de CO2 y la posterior unión del Mg2+, debido a que libera a la RuBP y libera al centro activo del enzima, el cual ya puede ser modificado en el residuo de Lys y se podrá formar el carbamato.

Un azúcar-fosfato como es el carboxi-arabinitol-1P, es un inhibidor fotosintético de la rubisco de forma que se une a la rubisco durante la noche inhibiendo su actividad. La acumulación de azucarres-P inhibe el Ciclo de Calvin.

Pero durante el día, la rubisco activasa quita el carboxi-arabinitol-1P facilitando su actividad.

Estos azúcares-P se exportan a través de las membranas, aproximadamente 1/6  son exportadas para la síntesis de sacarosa en el citosol, o derivadas para la síntesis de almidón en el propio cloroplasto. Este ciclo es regulado por la capacidad de la planta para interconvertirlos en formas no inhibidoras como el almidón o la sacarosa.

 

 

2. Regulación por formación de enlaces débiles: Muchos enzimas del Ciclo de Calvin son más activos a pH 8 que a pH 7, y a más concentración de Mg2+ que lo requieren como cofactor, por ello en el transporte electrónico, además de activarse la rubisco, se activan otro gran número de las enzimas del ciclo de Calvin.

Es decir que con luz hay un flujo protónico acoplado a un flujo de Mg+2 , que aumenta el pH del estroma de 7 a 8 , y la [Mg+2] también aumenta en el estroma.

Por lo tanto estas modificaciones no covalentes están ligadas a cambios en la composición celular y por enlaces de los enzimas a las membranas del tilacoide.

Este mecanismo también se da en otras enzimas como F 1,6 bifosfatasa, S 1,7 bifosfatasa y Ru5P quinasa

 

 

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Comentarios:

  1. Escrito por anonimo
    Fecha: 2011-04-03 00:57:07

    Excelente articulo! :)

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