Departamento de Botánica

Facultad de Ciencias Naturales y Oceanográficas

Universidad de Concepción

Gustavo Díaz G.

Ped. Cs. Nat. y Biología

Prof. Maritza Hoeneisen F.

Fisiología Vegetal

INTRODUCCION

Todo organismo vivo para desarrollarse como tal posee ciertos requerimientos

energéticos, en el caso de las plantas ellas son capaces de realizar la síntesis de su

alimento, ello ocurre por medio de un sinnúmero de reacciones químicas las que

conforman el llamado metabolismo, tema central a tratar en este seminario tanto escrito

como expositivo. Existe mas de un tipo de metabolismo en los vegetales, pero

específicamente se tratara el denominado C3, también existe C4 y CAMP, asociado a

plantas de clima templado y a las crasuláceas respectivamente.

Primero que nada hay que dejar en claro que el metabolismo C3 no es la

fotosíntesis, es solo una parte del proceso correspondiente a la fase oscura de la

fotosíntesis, existe una fase clara que es anterior y donde se biosintetizan moléculas que

se utilizaran en el metabolismo C3. El metabolismo C3 es una serie de reacciones en las

cuales participan gran cantidad de moléculas y enzimas para finalmente obtener los

carbohidratos necesarios para la nutrición y algunos compuestos de desecho. No se debe

olvidar que las reacciones químicas en algunos casos se llevan a cabo gracias a ciertas

enzimas que catalizan la conversión de reactantes en productos, como es este el caso,

desde ya es importante la mención de la enzima RubisCO (Ribulosa-1,5-bifosfato

carboxilasa/oxigenasa), que es la enzima clave de este tipo de metabolismo. Esta serie de

reacciones comienza con la incorporación de CO2 (carboxilacion) a un azúcar llamada

Ribulosa-1,5-bifosfato gracias a la enzima señalada anteriormente, pero no es mas que el

primer paso, luego se obtienen productos de tres carbonos y de allí en nombre de C3,

para cumplir con esto la RubisCO ejerce su función carboxilasa, pero también existe una

función oxidasa que produce efectos contrarios ya que no ocurre la asimilación de CO2,

sino que la de O2 (oxidación) en la misma azúcar y por ende no se obtienen los mismos

productos y no se lleva a cabo el metabolismo C3, sino que otro proceso llamado

fotorrespiracion.

Por lo dicho ya anteriormente, se sabe que existen varios tipos de metabolismo

dentro de los vegetales, en el caso de C3, este ocurre en las plantas de climas mas bien

templados, mas adelante se tratara el por que. Estas plantas de climas templados son

llamadas “plantas C3”, y poseen una morfología especial en el interior de sus hojas que le

confieren la facultad de desarrollar dicho conjunto de reacciones.

El estudio del metabolismo de las plantas es importantísimo, los vegetales están

en el comienzo de la cadena alimentaria, por lo que los elementos de su nutrición son la

base de la nuestra, de allí el interés de los científicos de comprender cada uno de los

procesos de la fotosíntesis, además de conocer la anatomía de los cloroplastos que son el

organelo en el que se lleva a cabo todo el proceso que se tratara en este informe.

PLANTAS C3

Las plantas poseen órganos, entre ellos están las hojas, estas son las responsables

de la captación de luz y otros componentes necesarios para llevar a cabo la fotosíntesis, la

fotosíntesis resumidamente es la producción de moléculas necesaria para la vida de las

plantas a partir de moléculas inorgánicas.

Las plantas denominadas C3 poseen una hoja conformada por células en diversos

tipos de organización, en el haz que es el perfil que enfrenta a la luz solar, encontramos

capa de células aplanadas que conforman la cutícula, tiene una función protectora, por el

frente contrario, el

envés, entre estas

células se sitúan las

células guardia que

dejan espacios llamados

estomas por donde

ingresa y salen fluidos

como el CO2, siguiendo

a las células de la

cutícula desde el haz,

una fila de células

vegetales alargadas

conforman el

parénquima en

empalizada, cada una

de las células que

conforman el parénquima se encarga de realizar fotosíntesis. El metabolismo como todo

evento ocurre en un espacio físico y para contextualizarnos la célula vegetal es una célula

eucarionte, por lo que si bien se asemeja en cierto aspecto a nuestras células por otra

parte difiere mucho. Las células vegetales se conforman de una pared celular, que

delimita el contenido celular del ambiente, además posee dos organelos que no se

presentan en las células animales, las vacuolas y los cloroplastos. Los cloroplastos son

organelos que se ubican dentro de la célula en gran cantidad, ellos constan de una

membrana externa y otra interna, el espacio interior es el estroma, y en el están las

granas que son pilas de una especie sacos membranosos llamados estomas, en la pared de

los estomas es donde ocurre la fijación tanto del CO2 como del O2 en la RubisCO, por lo

que es donde comienza tanto el ciclo de Calvin como la fotorrespiracion.

El ciclo de Calvin es también llamado ciclo C3, ya que aquí por medio del ATP y

NADPH formado en la primera etapa de la fotosíntesis (fase lumínica), es utilizado para la

fijación del CO2, en un compuesto de tres átomos de carbono, el 3-Fosfoglicerato, proceso

el cual ocurre en una segunda etapa de la fotosíntesis, denominada fase oscura. En esta

reacción bioquímica toma gran relevancia una enzima RuisCO que combina una molécula

de CO2 con el material de partida, un azúcar de cinco carbonos llamado RIbulosa-1,5-

bifosfato, obteniendo así dos moléculas de 3-fosfoglicerato.

DESCUBRIMIENTO DE LA FIJACION DEL CARBONO

Las plantas como todo organismo vivo se compone de células, en ellas hay unos

organelos llamados cloroplastos, verdaderas maquinarias que tiene la capacidad única de

catalizar la conversión de CO2 en compuestos orgánicos sencillos, este proceso se conoce

como asimilación del CO2, entre otros.

La ruta metabólica de fijación del CO2 es un ciclo y lleva el nombre del científico

que la descubrió a principios de los años 50, Melvin Calvin, en conjunto con Andrew

Benson, James A. Bassham y otros investigadores de la Universidad de Berkeley.

Su diseño experimental consistió en suministrar CO2 marcado con isotopo

radiactivo, del carbono de peso atómico 14 (14C) que permite detectar su presencia sobre

un cromatograma mediante autorradiografía, a un cultivo de algas del genero Chlorella

las cuales la utilizaban para la realización de la fotosíntesis, la cual se interrumpía

rápidamente mediante inmersión de etanol hirviente al 80%. A continuación, se sometía

un extracto de de las algas cromatografía bidimensional en papel, el cual se revelaba

mediante autorradiografía sobre una película de rayos X para ver que compuestos se

localizaban la radiactividad procedente del 14C. Si se obtenían los extractos un minuto

después que las algas hubieran fotosintetizados con 14CO2, aparecían muchos compuestos

radiactivos. Acortando el tiempo transcurrido entre el suministro de 14CO2 y la

interrupción de la fotosíntesis algunos de estos compuestos no mostraban radiactividad,

indicando que se trataba de compuestos que se sintetizaban a pasos tardíos de la ruta del

carbono. Cuando el tiempo se acortaba solo a dos segundos, la mayor parte de la

radioactividad, se concentraba en un compuesto de tres carbonos, el 3-Fosfoglicerato, es

por esto que algunos organismos fotosintéticos se clasifican como plantas C3, ya que el

primer compuesto formado una vez fijado el CO2, es una molécula de tres carbonos.

Tras buscar infructuosamente el compuesto de dos atamos de carbono que se

unía con el CO2, para originar la molécula de tres carbonos, 3-Fosfoglicerato, se planteo la

hipótesis de que en realidad, el precursor fuera una molécula de cinco átomos de

carbono. Para identificar esta molécula, se espero que las algas hubieran fotosintetizado

utilizando 14CO2, y después se elimino su suministro para interrumpir su asimilación en la

alga. En los extractos posteriores se encontró una progresiva disminución en los niveles

de 3-Fosfoglicerato marcado. Curiosamente, al mismo tiempo se observaba un aumento

en la concentración de una azúcar de cinco átomos de carbono fosforilado en una de sus

extremidades, la Ribulosa-1,5-bifosfato. Interrumpiendo el suministro de luz en vez del

CO2, en algas del genero Chlorella, se observaba un incremento inicial en la concentración

de 3-Fosfoglicerato junto con una disminución progresiva de Ribulosa-1,5-bifosfato.

Estas evidencias siguieren que la Ribulosa-1,5-bifosfato actúa, como un aceptor

de CO2 y precursor del 3-Fosfoglicerato. Se estableció así la ruta metabólica que explica las

reacciones químicas que conducen a la reducción del CO2, la que permite la formación de

los primero carbohidratos y las que concluyen con la regeneración de Ribulosa-1,5-

bifosfato. Esta regeneración de la Ribulosa-1,5-bifosfato, demuestra que se trata de un

ciclo bioquímico., que recibe el nombre de su descubridores Calvin-Benson-Bassham,

aunque se conoce como ciclo de Calvin. Este ciclo se mencionara más adelante,

especificando en las fases de asimilación del CO2.

RUBISCO ( Ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa)

La enzima RubisCO recibe su nombre ya que puede ejercer tanto la acción

carboxilasa como oxigenasa sobre la Ribulosa-1,5-bifosfato, azúcar reactante de cinco

carbonos que forma parte de la primera de las tantas reacciones químicas que conforman

este metabolismo.

Cuando la enzima actúa como carboxilasa cataliza la unión de CO2 a la Ribulosa-

1,5-bifosfato, formando un compuesto de seis carbonos, que es muy inestable y termina

por romperse en dos compuestos de tres carbonos, estos entran en otra reacción y así

sucesivamente se va desarrollando un ciclo, este es el ciclo de Calvin. Por otro lado cuando

la enzima actúa como oxigenasa cataliza la unión de O2 a la Ribulosa-1,5-bifosfato

formando dos compuestos, en este caso uno de dos carbonos y otro de tres carbonos,

este último entra en el ciclo de Calvin y el otro comienza una serie de reacciones

completamente distintas. En base a lo descrito anteriormente se puede decir que tanto el

CO2 como el O2 actúan como competitivos en el sitio activo de la enzima RubisCO.

La RubisCO es una enzima, por lo tanto tiene una naturaleza proteica, existen dos

tipos de RubisCO, la forma I se presenta en plantas superiores y la mayoría de las bacterias

autótrofas y quimiototrofas, la forma II se presenta exclusivamente en algunos

dinoflagelados y otras bacterias autótrofas. Según la orientación de este seminario se

tratara solo la forma I, que por cierto

predomina sobre la forma II, esta consta de

ocho subunidades grandes y ocho pequeñas,

de unos 55 kDa y 14kDa respectivamente. En

vista tridimensional las subunidades

conforman un paralelepípedo, las

subunidades grandes se organizan en pares

formando las caras laterales y las pequeñas

conforman tetrámeros que flanquean los

extremos de las caras laterales. Dos sitios

activos de esta enzima se sitúan en la

interfase de cada dimero de subunidad

grande, por lo que hay ocho sitios activos en total.

Según estudios científicos se estima que cerca del 85% de los organismos

fotosintéticos de la tierra, como cianobacterias, algas verdes y la mayoría de las plantas

vasculares poseen un metabolismo C3. También las plantas C3 se caracterizan debido a

que encuentran generalmente en climas templados, saturándose con una intensidad

lumínica de unos 200-300 J m-2 s-1. Pero una de las características propias de la plantas C3,

es que están realizan dos procesos únicos los cuales son: el ciclo de Calvin y la

fotorrespiración. Ambos procesos que se especificaran a continuación.

CICLO DE CALVIN

Consiste en una serie de procesos que se realizan específicamente en el estroma

de los cloroplastos de los organismos vegetales, el fin es integrar y convertir por medio de

una serie de reacciones químicas moléculas inorgánicas de CO2 en moléculas orgánicas

sencillas a partir de las cuales se formarán los compuestos esenciales para el desarrollo y

por ende la vida de estos organismos fotosintetizadores. La asimilación de CO2 ocurre

también gracias a ciertos productos sintetizados en la fase lumínica de la fotosíntesis, la

energía de estas moléculas de ATP y NADPH se usa para construir enlaces covalentes

dentro de las moléculas de azúcar que son el producto final del ciclo de Calvin.

El ciclo distingue tres fases:

Fijación del CO2: La Ribulosa-1,5-bifosfato, una pentosa, sufre una carboxilacion,

en palabras simples, incorporación de una molécula de CO2, esta reacción es mediada por

la enzima

RubisCO. En si la

carboxilacion es

“un hecho” que

consta de cinco

pasos, los cuales

están todos

catalizados por la

enzima RubisCO.

En estos cinco

pasos se crea una

molécula de seis

carbonos, la cual

al ser inestable

termina por

separarse en dos

moléculas que

contienen tres átomos de carbono cada una, el 3-Fosfoglicerato , siendo esta

características, el que le otorga en nombre a las plantas C3.

Reducción: Primero ocurre un proceso de activación donde una molécula de ATP

proveniente de la cadena transportadora de electrones y la fotofosforilacion, es usada

para fosforilar el 3-Fosfoglicerato, transformándolo en 1,3-Bifosfoglicerato, esta

fosforilacion es catalizada por la enzima Fosfoglicerato quinasa. La transferencia de un

enlace fosfato permite que una molécula de NADPH+H+ proveniente de la cadena

trasportadora de electrones reduzca el 1,3-Bifosfoglicerato, mediante la acción de la

enzima Gliceraldehído-3-fosfatodeshidrogenasa, para formar finalmente Gliceraldehído-3-

fosfato, esta triosa fosfato es una aldosa de tres carbonos. Esta triosa fosfato puede

seguir varios caminos, entre los cuales está la formación de azucares necesarios para la

planta o seguir una serie de reacciones que la convertirán en Ribulosa-1,5-bifosfato. La

mínima cantidad producida, es destinada como materia prima para la biosíntesis de

carbohidratos pero en ambas opciones se puede también presentar como

Dihidroxiacetona fosfato que es un isómero.

Regeneración: El ciclo continua a lo largo de una serie de reacciones similares a

las que ocurren en la ruta vía de las pentosas, con isomeraciones de azucares hasta formar

Ribulosa-5-fosfato, que mediante el consumo de otra molécula de ATP, regenera la

Ribulosa-1,5-bifosfato original, esta reacción es catalizada por la enzima

Fosforibuloquinasa, así es como se cumple el ciclo, quedando moléculas de Ribulosa-1,5-

bifosfato disponibles para que comience el ciclo nuevamente.

Como ya se menciono anteriormente, la mayor parte del Gliceraldehido-3-

fosfato se recicla en la Ribulosa-1,5-bifosfato, pero una pequeña fracción de esta puede

utilizarse inmediantamente como fuente de energía, pero la mayoria se convierte en

sacarosa para su transporte o se almacena en forma de almidón. En este último caso al

Gliceraldehido-3-fosfato se condensa en Dihidroxiacetona fosfato en el estroma

convirtiéndose en Fructosa-1,6-bifosfato, que es un procursor del almidón. En otras

situaciones el Gliceraldehido-3-fosfato se convierte en Dihidroxiacetona fosfato, que

abandona el cloroplasto a través de un transportador especifico y en el citosol se puede

degradar glucoliticamente para producir energia o utilizarse para formar Fructosa-6-

fosfato, y por lo tanto sacarosa.

FOTORRESPIRACION

Como se vio anteriormente, la RubisCO tiene la capacidad de reaccionar tanto

con el CO2 como con el O2, por ello su nombre de carboxilasa oxigenasa, cuando las

concentraciones de CO2 estan sobre las 50 ppm. Actua como carboxilasa desarrollandose

el metabolismo C3, cuando las concentraciones son bajo ese limite, la enzima actua como

oxigenasa. Cuando actua con el O2 se realiza la fotorrespiracion, la fotorrespiracion es una

reaccion secundaria costosa de la fotosíntesis, debido a la falta de especialización de la

enzima RubisCO, produciendo Fosfoglicolato, una molecula de dos carbonos y 3-

Fosfoglicerato, una molecula de tres carbonos como vimos anteriormente.

El O2 y el CO2 compiten por los sitios activos de la RubisCO, es decir el O2 es un

inhibidor del CO2, y viceversa. Este descubrimiento ya se remonta a los años 20, donde se

investigó el efecto inhibidor de altas concentraciones de O2 sobre la fotosíntesis. Por otra

parte, los estudios sobre el metabolismo del glicolato desmostraron que su formación se

inhibía a altas concentraciones de CO2, y que constituía un metabolito importante en la

respiración en condiciones de iluminación. En condiciones atmosféricas normales, la

RuisCO actúa como oxigenasa entre un 25 y 30% de las veces, ocurriendo así el proceso

de fotorrespiración, en el cual participan tres organelos de la célula vegetal, el

cloroplasto, peroxisoma y la mitocondria.

Cloroplasto: Aquí se encuentra la enzima RubisCO, que se une al O2 ejerciendo su

accion de

oxigenasa, para

formar

Intermediarios de

dos y tres

carbonos, el

Fosfoglicolato y el

3-Fosfoglicerato

respectivamente.

Peroxisoma: En el

peroxisoma el Glicolato es oxidado a

a Glioxilato por medio de la enzima

Glicolato oxidasa, generándose

H2O2, que mediante la enzima

Catalasa, que se encuentra en

grandes cantidades en el

peroxisoma, se convertira en dos

moleculas de H2O y una de O2. El

Glioxilato sufre una trasaminación en

la que el donador es Glutamato

obteniendo como producto, otro

aminoacido, la Glicina. Este

aminoácido deja el peroxisoma y

entra en la mitocondria.

Mitocondria: Aquí existe el

complejo enzimatico Glicina

descarboxilasa, que descompone la

Glicina en NH3 y CO2, quedando un

atomo de C libre, este se une a un

transportador especial, el

Tetrahidrofolato, este dona el atomo

de C a una segunda Glicina y se

forma Serina.

Los aminoacidos Glicina y

Serina pueden utilizarse para formar

proteínas, pero en su mayor parte,

serán metabolizadas para formar 3-

Fosfoglicerato, esto ocurre en una

serie de reacciones que esta vez van

desde la mitocondria a los

cloroplastos. La serina pasa desde la mitocondria al peroxisoma , donde sufre una primera

transaminación nuevamente por el Glutamato para dar Hidroxipiruvato y, después una

reduccion a Glicerato. Este Glicerato, finalmente entra al cloroplasto, donde es fosforilado

con gasto de una molecula de ATP , por la Glicerato quinasa a 3-Fosfoglicerato,

incorporandose finalmente al ciclo de Calvin.

En este proceso de fotorrespiración se ha consumido O2 y se a liberado CO2, por

lo que reúne características del proceso respiratorio, pero si se compara con la respiración

mitocondrial, este proceso depende de la luz. En conclusión la fotorespiración produce

gasto de RuBP y CO2; es un proceso de gasto energético pero permite recuperar 3

moléculas de carbono en los 3-Fosfoglicerato. Se pierde un átomo de carbono en el CO2

liberado. Es difícil imaginar qué sentido adaptativo pueda tener este proceso. Es posible,

por otra parte que se trate de una vía heredada de tiempos geológicos en los que la

relación CO2/O2 de la atmósfera era mayor que la actual. En cualquier caso, el papel de la

fotorrespiración sigue sin conocerse con certeza.

C3, C4 Y CAM

Es necesario mencionar que las plantas C3 viven en ambientes templados, quiza

por ello sean el tipo de organismo que mejor conocemos, pero hay otras que viven en

ambientes secos y cálidos tienen mecanismos que les permiten fijar inicialmente el CO2

por una de dos vías, y así logran minimizar la pérdida de agua. Estas vías se conocen como

la vía de cuatro carbonos, o C4 y la vía de las plantas CAM. En las llamadas plantas C4, la

enzima Fosfoenol piruvato carboxilasa une primero el dióxido de carbono al Fosfoenol

piruvato para formar un compuesto de cuatro carbonos, el Oxalacetato. Aunque las

plantas C4 gastan más energía para fijar Carbono, en ciertas condiciones su eficiencia

fotosintética neta puede ser superior a la de las plantas C3 descritas anteriormente

debido a ciertas características clave que diferencian a las enzimas RubisCO (presente

tanto en las plantas C3 como en las C4) y Fosfoenolpiruvato carboxilasa (presente en las

C4), ya que no realizan la fotorespiración, donde se pierden carbonos en forma de CO2 por

la respiración.

En las plantas CAM (palabra que alude al metabolismo ácido de las crasuláceas) a

asimilación del CO2 tiene lugar de noche, cuando a pesar de estar abiertos los estomas, la

pérdida de agua debida a la transpiración es mínima. En definitiva los distintas formas de

la asimilación de CO2, es resultado como un mecanismo de adaptación evolutiva al

ambiente en que se encuentra la plantas, para hacer frente a las necesidades presentadas

por estas.

BIBLIOGRAFIA

“Bioquímica”. Stryer, Berg y Tymoczko. 5º Ed. 2003. Ed. Reverté, S.A. Barcelona.

“Fisiología Vegetal”. J. Azcón-Bieto-M. Talón, 1993. Ed. Interamericana-McGraw-

Hill. Madrid.

”Principios de Bioquímica”. Lehninger, Nelson, Cox. 3ª Ed. 2001 Ed. Omega.