Héctor Rocha L. Fotosíntesis

Transcripción

1

2 éctor Rocha L. Fotosíntesis 40

3 éctor Rocha L. Fotosíntesis 1) FTSINTESIS 4 METABLISM EN LAS PLANTAS ) ESTRUTURA GENERAL DEL SISTEMA FTSINTETI 44 ) MPUESTS PRTEIS DE LA MEMBRANA TILAIDES, ANTENA LETRA 45 4) TRANSPRTE FTSINTÉTI DE ELETRNES 49 a) Fotosistema II 441 b) itocromo b6/f 445 c) Fotosistema I 446 d) ATP sintasa 447 5) FIJAIÓN DEL 448 6) FIJAIÓN DE EN PLANTAS 449 7) RUBIS 451 8) FTRRESPIRAIÓN 455 9) IL GLILAT ) PLANTAS DEL TIP 4 11) VARIEDAD EN LS MEANISMS DESARBXILAIÓN 458 1) LAS PLANTAS AM 460 1) FIJAIÓN DEL NITRÓGEN ) FLURESENIA ) FATRES qp y qn

4 éctor Rocha L. Fotosíntesis 1) FTSÍNTESIS Las plantas son capaces de convertir la energía radiante del sol en energía química. Esta es a su vez empleada en la síntesis de complejas estructuras químicas, donde el ATP es la 4

5 éctor Rocha L. Fotosíntesis principal molécula transportadora de energía. Durante este proceso la energía del sol se almacena en las estructuras químicas. La fotosíntesis consta de dos etapas, donde la primera de ellas se le conoce como Etapa lara o Fotoquímica y se describe por medio de la ecuación de ill. En ella se observa la necesidad de luz y agua para generar poder reductor en la forma de NADP. En esta etapa se sintetiza el ATP y se libera al medio como subproducto. + luz ---> e ( Etapa clara o Fotoquímica conocida como Reacción de ill) La segunda parte es la Etapa scura, que se caracteriza por la fijación de y su posterior reducción mediante NADP +, para la síntesis de idratos de arbono por medio del iclo de alvin. + 4e > ()n ( Etapa oscura o iclo de alvin) El proceso por el que ocurre la conversión de energía radiante en energía química requiere de complejos sistemas de moléculas excitables por la luz, transportadores de electrones, enzimas y membranas que se encuentran ubicados en los loroplastos, (Fig. 1-10). Estos organelos tienen por función producir energía química como ATP, romper el para liberar y obtener protones, cuyo destino será la reducción de oenzimas que a su vez participarán en la reducción de durante la síntesis de los arbohidratos. En cambio las Mitocondrias animales también producen ATP, pero emplean para oxidar oenzimas En la Grana o apilamiento de membranas tilacoidales se producen las reacciones claras que necesitan luz. En el Estroma se llevan a cabo las reacciones oscuras que no necesitan luz Membranas Tilacoidales Memb. Ext. Memb. Int. L U Z Estroma Grana N A D P A D P + P i IDRATS DE ARBN N A D P + A T P ETAPA LARA ETAPA SURA Fig Estructura del loroplasto presente en el mesófilo de las hojas. La síntesis de idratos de arbono se lleva a cabo en el Estroma y la ruptura del agua en las membranas Tilacoides o Grana. 4

6 éctor Rocha L. Fotosíntesis reducidas cuyos protones se obtienen de la oxidación de arbohidratos y otros substratos. De esta manera los protones se entregan finalmente al formando metabólica. inicio Volver al ) ESTRUTURA GENERAL DEL SISTEMA FTSINTETI El loroplasto es un organelo constituido por tres membranas que a su vez definen tres espacios físicos funcionalmente diferentes (Fig. 1-10). a) La membrana externa lo separa del citoplasma y lo aísla como identidad, esta membrana tiene una constitución porosa y permite el paso de las moléculas con relativa facilidad en ambos sentidos. b) La membrana interna en cambio presenta varios sistemas de transporte para dejar pasar precursores y productos siendo muy selectiva. El espacio interno que rodean ambas membranas externa e interna, se denomina Estroma y es donde se encuentran muchas enzimas destinadas a la fijación del junto al iclo de alvin donde se lleva acabo la Síntesis de los idratos de arbono. c) La tercera membrana es la Tilacoidal (Fig. - 10) en cuyo seno se encuentran embebidos los sistemas transductores de energía. Estos se denominan Fotosistema II o P 680 y el Fotosistema I o P 700. Ambos fotosistemas capturan energía radiante a 680 y 700 nm respectivamente. Esta energía se emplea para llevar electrones de bajo a alto potencial reductor. Una vez excitados los electrones serán capaces de fluir a través de una cadena de transportadores empleando su energía en la formación de un gradiente quimiosmótico que posteriormente se acopla a la síntesis de ATP. Las membranas tilacoidales al encerrar un espacio de forma discoidal se apilan entre sí formando la estructura denominada como Grana (Fig. 1-10). Los lúmenes internos de los compartimentos intratilacoidales se encuentran en algunos casos conectados entre sí. A Tilacoides ATP sintasa Fotosistema I I Fotosistema I itocromo b f Fig Distribución de los omplejos del Fotosistema II, itocromos b6/f y Fotosistema I junto a la ATP Sintasa en la membrana Tilacoides. 44

7 éctor Rocha L. Fotosíntesis ambos lados de esta membrana es donde se forma el gradiente quimiosmótico o gradiente de protones como consecuencia del flujo de electrones entre ambos Fotosistemas y de la presencia de una bomba de protones que los pasa desde el estroma al lumen. (Fig 16-10). La diferencia de concentración de iones hidrógenos entre lumen y estroma, es de alrededor de,5 unidades de p. omo consecuencia de este gradiente los protones pasan ahora desde el lumen al estroma generando con ello ATP por medio de una ATP Sintasa, que posee un canal iónico destinado a permitir el paso de los protones capturando la energía del gradiente quimiosmótico en la forma de ATP (Fig ). inicio Volver al ) MPLEJS PRTEIS DE LA MEMBRANA TILAIDES, ANTENA LETRA Su función es captar la energía radiante entre los 400 y 700 nm y transferirla a los entros de Reacción donde se encuentran los Fotosistemas II y I. La antena colectora actúa como un embudo para transferir la energía de los fotones al entro de Reacción (Fig. - 10) El proceso de captación de la energía radiante está a cargo de los pigmentos fotorreceptores de la antena, así tenemos que una hoja con 70 millones de células tiene aproximadamente cinco mil millones de loroplastos y cada uno de ellos cuenta aproximadamente con 600 Antena f Luz Fotones f f f f f MLEULAS DE LA ANTENA LRFILA ARTENIDES f = fotón P Fotosistema Fig Los fotones excitan a los pigmentos que conducen la energía al centro de reacción. millones de moléculas de lorofila las que están unidas a las proteínas de la membrana t tilacoidal. Solo 50 a 00 de ellas se encuentran en cada antena y transfieren la energía de la luz 45

8 éctor Rocha L. Fotosíntesis con la ayuda de pigmentos especiales que poseen enlaces dobles conjugados, estos se excitan a diferentes longitudes de onda que las lorofilas y aprovechan la mayor parte del espectro de luz visible. En los pigmentos la presencia de dobles enlaces conjugados es necesaria para así disponer de electrones que puedan excitarse produciendo una redistribución de su nube dentro de la estructura molecular del pigmento. Posteriormente, al volver a decaer en energía, los electrones excitados retornan a sus orbitales originales emitiendo a su vez fotones, por medio de un fenómeno denominado fluorescencia. Este se transmite de una molécula colectora a otra, Espectro de la Luz que alcanza la Tierra Absorción lorofila b lorofila a nm Ficoeritrina Absorción aroteno Ficocianina nm Fig Espectros de Absorción de la luz solar presentado por los pigmentos de la antena. siendo finalmente canalizado hasta el centro físico de la antena, que se encuentra formado por un par de lorofilas sin Mg. Este par se halla tanto en el fotosistema P680 como en el P 700 y ambos constituyen los dadores de electrones primarios. Entre los pigmentos de la antena colectora encontramos a las lorofilas a y b con cuatro anillos de Pirrol, desde el I al IV, los que se ligan en un Tetrapirrol con un átomo de Mg en el centro y una cadena Fitol en el anillo IV (Fig. 5-10). La lorofila a tiene un grupo Metilo en la posición, mientras que la lorofila b posee un Formilo en la misma posición y se le encuentra en plantas superiores y algas. Entre los pigmentos accesorios de la antena se encuentra el Beta-aroteno, la Ficoeritrina y la Ficocianina que cubren el espectro de las luz solar que alcanza la Tierra (Fig. 4-10). 46

9 éctor Rocha L. Fotosíntesis Estos pigmentos se excitan con una longitud de onda distinta a la lorofila para aprovechar todo el espectro de la luz solar (Fig. 4-10). Nótese la presencia de dobles enlaces conjugados en el anillo LRFILA a LRFILA b adena Fitol I N M g N I I I V N N I I I Fig Molécula de lorofila. Las lorofilas poseen máximos de 460 y 660nm en el tipo a y máximos de 40 a650nm en el tipo b (Fig. 5-10). aroteno Dobles enlaces conjugados Fig Pigmento β-aroteno. 47

10 éctor Rocha L. Fotosíntesis Los pigmentos accesorios poseen máximos de absorción distintos a la lorofila y contribuyen a cubrir el total del espectro de luz visible supliendo a las lorofilas en regiones en donde su absorción es deficiente. Entre los pigmentos accesorios se encuentran los Beta-arotenos (Fig. 6-10), con máximos de absorción entre 400 y 500nm (Fig. 4-10). FIERITRBILINA uando este grupo se esterifica a una proteína se forma la FERITRINA N N N N FIIANBILINA uando este grupo se esterifica a una proteína se forma la FIIANINA Diferencias entre ambos pigmentos N N N N Fig Molécula de Ficoeritrina. Las Ficobilinas, formadas por tetrapirroles de cadena abierta como la Ficoeritrobilina (Fig. 7-10), que se encuentra presente en las algas rojas y que conjugada a una proteína constituye la Ficoeritrina con máximos de absorción entre los 500 y 600 nm (Fig. 4-10). tro de los pigmentos accesorios lo constituyen las Ficocianobilinas (Fig. 7-10), presentes en las algas verde-azuladas que conjugados con una proteína pasan a formar las Ficocianinas que absorben entre las regiones de 500 y 700 nm (Fig. 4-10). inicio Volver al 48

11 éctor Rocha L. Fotosíntesis 4) TRANSPRTE FTSINTÉTI DE ELETRNES. La presencia y disposición de los Fotosistemas en el loroplasto permite "elevar" el Potencial Redox [ un Pot. Red. negativo (-) tiene capacidad para donar electrones y es un reductor fuerte mientras que un Pot. Red (+) tiene capacidad de aceptar electrones y es un oxidante fuerte] desde + 0,81 a - 0, volt (Fig. 8a - 15), es decir llevar los electrones cargados negativamente desde un polo (+) a un polo (-). Este proceso, no es espontáneo y requerirá a ) Eo ' 1,0 0,5 0,0 0,5 l * PS I I PQ it b / f 6 Pc l * PS I l Fd 1,0 1/ l b ) LUZ Fd PS I I PQ it b/f 6 PS I Pc Fig 8a Esquema Z de la cadena de transporte de electrones en el loroplasto. Fig 8b Los Fotosistemas II y I están integrados en la membrana Tilacoides. de la energía aportada por la luz sobre los Fotosistemas II y I, (Fig. 8b - 15). Una vez que el Fotosistema II ha elevado la energía de los electrones, es entonces posible que funcione normalmente la cadena de transporte de electrones desde el potencial electronegativo al electropositivo en la membrana Tilacoides. De esta manera se genera un gradiente de protones a través de esta membrana, donde la energía conservada por este gradiente se empleará posteriormente en la síntesis de ATP. A continuación, el Fotosistema I volverá a "elevar" el Potencial Redox de los electrones para que en un último paso se reduzcan el NADP a NADP + + completando la cadena (Fig. 9-10). El problema que ocurre en el loroplasto radica en que no se puede iniciar una cadena de transporte con electrones electropositivos de baja energía, lo que no ocurre en la Mitocondria, ya que la cadena se inicia de inmediato con electrones electronegativos a - 0, volt y que son producidos por las oenzimas reducidas. Por esta razón se requiere de la energía radiante para pasar los electrones electropositivos del loroplasto a electronegativos e iniciar la cadena reductora que finalizará con la reducción del NADP. En general al comparar los loroplastos con las Mitocondrias se observa que los primeros rompen el agua y producen NADP para reducir, formando moléculas hidrocarbonadas, 49

12 éctor Rocha L. Fotosíntesis mientras que las Mitocondrias forman agua metabólica y destruyen moléculas hidrocarbonadas por oxidación con : loroplasto + NADP > + NADP + + Mitocondria + NAD > + NAD Se puede simplificar aún más el concepto, concluyendo que la Fotosíntesis ocurre con la ruptura del agua para producir xígeno y la Respiración animal con la formación de agua a partir del xígeno. E o ' [V] - 1, ,8-0,6-0,4-0, 0 0, 0, ,8 1,0 Luz Mn Mn 1/ FTSISTEMA i i P 680 * P Feofitina Plastoquinona Quinona iclo Q + omplejo itoc b /f 6 Luz El iclo Q pasa protones al lumen desde el estroma FTSISTEMA I Plastocianina P 700 * P 700 lorofila acept.de e Filoquinona Prot Fe - S Ferredoxina ferredoxina NADP dep. NADP + NADP Fig Bombeo de electrones por los Fotosistemas II (P680) y I (P700) entre la ruptura del agua para formar y la formación de la oenzima NADP reducida. Fotosíntesis (loroplasto, PS II) < > electrones Respiración Animal (Mitocondria, itoc. xidasa) inicio Volver al 440

13 éctor Rocha L. Fotosíntesis a) El FTSISTEMA II. El Fotosistema II esta formado por las siguientes moléculas (Fig ). entro de Reacción P S. Luz nm f f f + f f f ANTENA LRFILA ARTENIDES P : lorofila s/mg PLASTQUINNA D 1 D Q A Q B LIBRE Fotón = f FEFITINA f T y r Z P Mn Mn 4 X e omplejo Disruptor del Fig Fotosistema II a) El sistema P680 esta formado por dos lorofilas que absorben luz a 680 nm y que se encuentran unidas a los polipéptidos D1 y D.. Su función es actuar como donadores primarios de electrones. b) La Feofitina formada por una lorofila sin Mg y cuya función es aceptar el electrón del P680. c) La Plastoquinona Q A o Quinona unida a una proteína que actúa como aceptor primario de electrones desde la Feofitina. d) La Plastoquinona Q B o Quinona libre que actúa como aceptor secundario de electrones desde la Plastoquinona Q A. Esta Quinona es capaz de difundir libremente entre los complejos proteicos después de ser reducida a diferencia de la Q A que es fija. e) El sistema oxidante del agua con sus 4 átomos de Mn. f) El factor Z con los polipéptidos D1 y D que aportan un residuo de Tyr y que actúan como un conjunto donador secundario de electrones para restituir el electrón del P680. El omplejo Fotosintético II funciona de la siguiente manera: 441

14 éctor Rocha L. Fotosíntesis Los fotones excitan a las moléculas de lorofila de la antena y la energía de excitación es transferida en este embudo desde una molécula de lorofila a otra (Fig. 10-1), hasta alcanzar al complejo donador primario de electrones o P680 representado en las figuras 11-1 y 1-1. Este centro de reacción es parte del fotosistema PS II y se encuentra formado por un par de moléculas de lorofila. Al ser excitado el sistema P680, transfiere un electrón en 10-1 seg. a una molécula adyacente de Feofitina (lorofila sin Mg) y adquiere de esta manera carga positiva al quedar como catión P Ahora el electrón pasa desde la Feofitina a la Plastoquinona o Quinona A en 00 x 10-1 seg. y posteriormente en una forma más lenta, en 00 x 10-6 seg. pasa a la Quinona B que se encuentra libre. uando la Quinona B está doblemente reducida, difunde libremente hacia el omplejo b6-f donando sus electrones al iclo Q. Desde el omplejo b6-f los electrones pasan a una pequeña proteína denominada Plastocianina y desde allí se dirigen al Fotosistema I. Secuencia de Polarización del Fotosistema II. 1 4 Q B Q B Q B Q B Energía Radiante Q A Q A Q A Q A Feo Feo Feo P * P P Feo P Z Los Fotones exitan al sistema P 680 FATR Z P 680 * Feo Z PEPTID ( DNADR PRIMARI ( ( LRFILA SIN MAGNESI ) Fig Polarización del Fotosistema II. Z Q A ( PLASTQUINNA ) ( QUINNA Q B LIBRE ) Z Máxima separación de las cargas El sistema P680 oxidado al quedar con carga + recupera su electrón por medio de un polipéptido D1 cuyo residuo de Tyr denominado factor Z permanece como Tyr Z + después de donar su electrón. Esta polarización o separación máxima de cargas en el PS II, se traduce en una capacidad oxidativa de tal magnitud que es capaz de extraer en forma secuencial 4 electrones desde los 44

15 éctor Rocha L. Fotosíntesis 4 átomos de Mn que se encuentran asociados a las proteínas del PS II y que están involucradas en la oxidación del agua. Este último sistema posee 5 etapas independientes y se le denomina reloj oxidante (Fig. 1-10). Este reloj proporciona electrones a las lorofilas ubicadas en el l centro de reacción del Fotosistema II (P680). a) P Q + 4 Fotones 4 P + Q 680 B 680 DNADR P + 4 P + 4 Z PRIMARI Z + [ omplejo con M n ] Z + [ omplejo con M n ] + 4 [ omplejo con M n ] + [ omplejo con M n ] Q B + 4 Fotones + Q B b) 4 + omplejo Disruptor del Agua + 4 [ omplejo con M n ] [ omplejo con Mn ] 0 4 Z Energía Fotónica _ e + 4 Z _ Paso de 4 e en forma individual f procedente de la antena + 4 P P 680 Q B Q B Fig 1a Polarización del Fotosistema II junto al paso secuencial de los 4 electrones producto de la ruptura del agua. Fig 1b Visión similar del mismo proceso. uando el P680 recibe un fotón el reloj avanza un estado S o en una etapa de oxidación dinámica de sus átomos de Mn. Los que son capaces de liberar un electrón por etapa, excepto en la etapa S4 en cuyo estado de oxidación, se libera espontáneamente una molécula de xígeno para luego volver luego al estado So completando un ciclo. 44

16 éctor Rocha L. Fotosíntesis Reloj xidante del Agua. P 680 e e Z e e + S4 S o + e S + e S e S1 e Fig Reloj que indica como el complejo Mn -proteico libera secuencialmente 4 electrones para oxidar el agua. inicio Volver al 444

17 éctor Rocha L. Fotosíntesis b) ITRM b6/f El omplejo del itocromo b6/f, (Fig ) se encuentra a medio camino de la cadena de transporte de electrones entre el sistema P680 y el P700. Esta formado por varios polipéptidos transportadores de electrones codificados por el núcleo y el cloroplasto. El polipéptido que se une a la Quinona recibe de esta protones y electrones, donando los electrones al siguiente transportador y liberando los protones a través de la membrana mediante el iclo Q, descrito previamente en las mitocondrias. En este complejo se encuentran el itocromo b 56, una proteína de Rieske Fe-S y el itocromo c 55. El flujo de electrones viene desde la Quinona reducida QB que participa en el ciclo Q, pasa al citocromo b6/f y se dirige desde aquí a la Plastocianina. La entrada de protones al espacio intratilacoidal o lumen ocurre mediante el iclo Q que provoca una diferencia de p de,5, ya que el Estroma tiene un p de 8 y el espacio intratilacoidal de 4,5. itocromo b6/f LUMEN + ESPAI INTRATILAIDAL + e + Polipéptido Quinona e Rieske Fe S i t. b6 i t. f TILAIDES iclo Q ESTRMA + BMBE DE PRTNES Ferredoxina Nucleótido Reductasa Fig itocromo b6/f con iclo Q que bombea protones al espacio intratilacoidal y que pasa electrones entre el PS II y PS I. inicio Volver al 445

18 éctor Rocha L. Fotosíntesis c) FTSISTEMA I. En forma similar a la anterior el Fotosistema I, (Fig ) atrapa luz mediante los pigmentos de la antena, lorofila a y b más los arotenoides, para canalizar esta energía al centro de reacción formado por las dos lorofilas. Estas se encuentran unidas a un dímero proteico con subunidades A y B que atraviesa la membrana y constituye el centro P700.Este sistema pierde un electrón hacia un aceptor Ao, conocido por ser una forma especial de lorofila como es la Feofitina del Fotosistema II, quedando ahora como P700 + y Ao -. entro de Reacción PS I Luz 70 0 nm f f f + f f NADP f ANTENA NADP + LRFILA ARTENIDES P 700 : Ferredoxina 4 Fe - 4 S 4 Fe - 4 S e FILQUINNA FERREDXINA REDUTASA lorofila s/mg o FEFITINA Fotón = f A e e B f PLASTIANINA f Fig Fotosistema PS I encargado de excitar los electrones nuevamente para formar NADP. El compuesto Ao - es un fuerte reductor que pasa los electrones a la Filoquinona y luego desde allí a la proteína Fe-S que su vez los pasa a la Ferredoxina (también es una proteína Fe-S). El último aceptor de electrones es la Ferredoxina-NADP Reductasa que transfiere electrones desde la Ferredoxina reducida al NADP para quedar finalmente como NADP + +. A continuación se produce la polarización del Fotosistema I y de forma similar al caso anterior el P680+, se restaura con un electrón de la Plastocianina, proteína que contiene u y que se encuentra en la cadena en una posición previa al Fotosistema I. inicio Volver al 446

19 éctor Rocha L. Fotosíntesis d) ATP SINTASA + ADP + P ATP ESTRMA ATP SINTASA F 1 II III III III IV II F o MEMBRANA TILAIDAL + LUMEN Mn P S I I Q Q yt b / f 6 P c P S I Fd + NADP NADP + + LUZ LUZ Fig Destino de los protones provenientes de la ruptura del agua y los aportados por el iclo Q en la síntesis de ATP. Este sistema funciona básicamente de la misma forma que en las mitocondrias y se encuentra impulsado por un gradiente de protones que existe en ambos lados de la membrana tilacoides (Fig ). El gradiente se encuentra formado por los protones importados desde el Estroma por el iclo Q más la ruptura del agua que ocurre en el lado luminal. La salida de los protones hacia el estroma se realiza por medio del canal iónico Fo asociado a la enzima F1. Entre ambos constituyen la ATP Sintasa. El paso de estos protones provoca a su vez en la parte F1 cambios conformacionales que varían la afinidad de la enzima por el ADP, Pi y el ATP. La reacción necesita de Mg. La parte F1 consta de subunidades α que se encuentran intercaladas con subunidades β, más las subunidades γ, δ y ε (Fig ). A su vez las subunidades α y β constituyen el sitio activo que junto a la subunidad ε están codificadas por el genoma del loroplasto. El canal iónico o parte fo de la enzima comprende a las subunidades I, III y IV que también se encuentran codificadas por el genoma del loroplasto, mientras que las subunidades γ, δ y II se encuentran codificadas por el núcleo. En la Figura 16-10, se puede apreciar la disposición de los dos Fotosistemas, el citocromo b6/f y la ATP sintasa. Los protones se acumulan en el espacio intratilacoidal bombeados por el iclo Q del itocromo b6/f y salen por medio de la ATP Sintasa que aprovecha la energía del gradiente de carga y concentración para la síntesis de ATP. 447

20 éctor Rocha L. Fotosíntesis inicio Volver al 448

21 éctor Rocha L. Fotosíntesis 5) FIJAIN DEL. Solo el 1% del total de la energía radiante que alcanza la Tierra es aprovechada por las plantas para generar biomasa. La eficiencia con que se fija el puede variar entre ellas, así tenemos que se aproxima al % en las plantas conocidas como 4 y en otras conocidas como ni siquiera se alcanza el 1%. Las plantas como organismos dependientes de la luz tienen un metabolismo que procede en dos etapas, la primera consta de una serie de reacciones ya descritas que constituyen la etapa clara que arroja como productos fotosintéticos ATP, NADP y por la ruptura del agua. La etapa oscura en cambio, consta de reacciones de fijación de y síntesis de hidratos de carbono (Fig ). Durante la fijación del, se ha determinado que algunas plantas mantenidas en un invernadero, donde se acumula el, experimentan un inusitado desarrollo (plantas denominadas ) y que otras en similares condiciones no experimentan beneficio alguno (plantas denominadas 4). Esta diferencia se debe principalmente a la forma como ambos tipos fijan el. En general entre las plantas existen tres estrategias distintas de fijación: a) Las, se encuentran en los climas templados con temperaturas inferiores a 0 o y se denominan así por el compuesto de tres átomos de carbono que se genera al fijar el durante el día. b) Las 4, pertenecientes a climas tropicales o subtropicales, con temperaturas superiores a los 0 o y que fijan el mediante la formación de un compuesto de cuatro átomos de carbono durante el día. c) Las AM ( rassulacean Acid Metabolism) por Metabolismo Ácido de la rasulaceas. Estas plantas se encuentran en climas desérticos y para no perder agua por los estomas proceden a abrirlos solo por la noche para fijar el mediante la formación de un compuesto de cuatro átomos de carbono. Este último se almacena hasta el día siguiente donde se procede a incorporarlo. ITPLASMA LUZ ETAPA LARA LRPLAST ETAPA SURA IL DE ALVIN Y BENSN 1/ yt b6/f NADP FSFFRUT NADP QUINASA RUBIS ATP ADP ATP ALMIDN IL DE REDUIN FTSINTETIA GLIERALDEID P DEL ARBN DESIDRGENASA NADP TRISA FSFAT FRUTSA 1,6 BIFSFATASA SURSA Fig Esquema simplificado de la etapa clara y oscura en el loroplasto. 449

22 éctor Rocha L. Fotosíntesis inicio Volver al 6) FIJAIÓN DEL EN PLANTAS. Las plantas son las más comunes y se encuentran presentes en todos los climas templados e incluyen al tomate, trigo, cebada, remolacha, papa, tabaco, espinaca, girasol, etc. En general desde las bacterias fotosintéticas, las algas azules o cianofíceas, los musgos y helechos hasta todos los árboles, incluyendo las coníferas, pertenecen a este grupo. Para la fijación del todas las plantas, 4 y AM, poseen el iclo de Reducción Fotosintética del arbono (RF) o iclo de alvin y Benson (Fig ). En este iclo el se integra a una molécula de 5 carbones para luego formar dos moléculas de tres carbones o triosas fosfato (), a continuación estas son nuevamente fosforiladas y enseguida reducidas por los productos de la etapa clara de la fotosíntesis (ATP y NADP). De esta forma el destino final del puede consistir en: a) ser reciclado como el metabolito aceptor de, la Ribulosa-1,5-Bifosfato de 5 carbones en el Estroma. b) ser destinado a la síntesis de Almidón en el Estroma del loroplasto. c) ser exportado para la síntesis de Sacarosa en el citoplasma. La enzima que cataliza la fijación del se llama Ribulosa -1,5-Bifosfato arboxilasa y puede ser también abreviada con el nombre de Rubisco. La estructura celular de las hojas en una planta difiere notablemente de las plantas tipo 4 como se aprecia en las Figuras y En un corte transversal de la hoja perteneciente a una planta se observa en la parte superior de ella la cutícula y parte de su epidermis donde se encuentran intercalados los RTE TRANSVERSAL DE UNA JA EN UNA PLANTA EPIDERMIS SUPERIR ESTMA UTIULA ELULAS EN EMPALIZADA MES - FIL ELULAS ESPNJSAS VASS DEL FLEMA Y XILEMA TEJID LAGUNAR EPIDERMIS INFERIR ESTMA Trigo Fig Estructura de la hoja en plantas. 450

23 éctor Rocha L. Fotosíntesis estomas que permiten la entrada del. Desde aquí el difunde hacia el Mesófilo con su tejido en empalizada alcanzando el tejido esponjoso donde todos los loroplastos poseen la enzima Rubisco para fijar el. Finalmente hacia el centro se encuentra el haz vascular que rodea a los vasos del floema y xilema por donde se transporta la savia. De esta manera en todos los loroplastos de las plantas se lleva a cabo el iclo de alvin y Benson o iclo Fotosintético Reductor para fijar el. Este ciclo se puede dividir en tres eventos (Fig ) que son: a) Fijación de o arboxilación b) Reducción con NADP c) Regeneración BALANE DEL IL DE ALVIN. X + X X 5 X Ribulosa - 1,5 - Bifosfato x ADP x ATP Ribulosa Fosfato X Pi Gliceraldehido - - Fosfato FIJAIN X 6 X 6 REDUIN REGENE - RAIN X 6 - Fosfoglicerato x 6 ATP x 6 ADP 1, - Bifosfoglicerato Gliceraldehido - - Fosfato x 6 ( NADP + ) x 6 ( NADP + Pi ) X 1 Gliceraldehido - - Fosfato Glucosa Fig En el iclo de alvin y Benson por cada tres moléculas de se sintetiza una Triosa fosfato y se consumen 9 ATPs y 6 NADP. inicio Volver al 451

24 éctor Rocha L. Fotosíntesis 7) RUBIS a) Fijación de o arboxilación La enzima fijadora de denominada RuBis, es la enzima que se encuentra en mayor cantidad en la naturaleza. Esta enzima cataliza la unión del a compuestos de cinco carbonos como la Ribulosa-1,5-Bifosfato, para formar luego dos moléculas de tres carbones o -Fosfoglicerato (Fig. 0a - 10). La enzima tiene 8 subunidades catalíticas grande y 8 subunidades reguladoras pequeñas (Fig. 0b - 10). ada subunidad grande tiene 475 aas. y un PM de 50kD. A su vez se encuentran codificadas por una sola copia del gen rbc L por genoma del loroplasto. Las 8 subunidades reguladoras pequeñas tienen 10 aas. cada una y un PM de 15kD. La subunidad pequeña se encuentra codificada por una familia de genes rbc S que se encuentran presentes en el genoma nuclear. Las dos subunidades se pliegan y asocian en el loroplasto con ayuda de haperoninas y ochaperoninas, para formar dos capas con un total de 16 subunidades denominadas L 8 S 8 - holoenzima. El sitio activo esta formado por residuos del lado t de una subunidad L y los residuos del lado Nt en la siguiente subunidad L. La enzima recién aislada tiene una Km para el que se encuentra entre 18 y 0 micromolar. Su síntesis es activada por las condiciones de luz y su actividad por conocidos a) P RuBis Ribulosa - 1,5 - Bifosfato + ( - Fosfoglicerato ) P Enediol Intermediario etoácido P + P b) P P Rubisco S L L S S L L S Desde arriba Ribulosa - 1, 5 - Bi - P 1 L S 8 8 vista lateral P P Intermediario idratado 4 + P arbanion P - P - Glicerato + 5 P - P - Glicerato Fig 0a Fijación del y transformación en dos Triosas Fosfato. Fig 0b La enzima Rubisco 45

25 éctor Rocha L. Fotosíntesis modificadores alostéricos como: NADP, 6- Fosfogluconato, Fructosa-1,6-bifosfato junto a un p y concentración de Mgl adecuados. El fuera de ser uno de los substratos, es también considerado un activador de esta enzima. En presencia de, como se observa en la Figura 0a - 10, la Rubisco cataliza la unión del a la forma enediólica () de la Ribulosa-1,5-Bifosfato (1) para formar un Beta- etoácido (). Este se hidrata en un compuesto de seis carbones de carácter inestable (4) que se hidroliza en dos moléculas de Ác. -Fosfoglicérico (5) (Fig. 0a - 10). Una de las curiosidades que presenta esta enzima consiste en su afinidad por, ya que pudo haber evolucionado químicamente cuando los niveles de xígeno en la Tierra eran muy bajos y esta molécula no interfería, (Fig. 1-10). Esta propiedad no le confiere ninguna ventaja evolutiva y se comporta en la realidad como una Ribulosa Bifosfato arboxilasa/xigenasa en 1/ de su catálisis normal. La actividad xigenasa es Dismutásica, debido a que le permite romper a la Ribulosa-1,5- Bifosfato en -Fofogliceraldehido de tres carbones y en Fosfoglicolato de dos carbones, es decir forma dos productos desiguales (Fig. 5-10). Al mismo tiempo se inicia aquí una serie de reacciones que culminan en un iclo diferente al de alvin y que se denomina iclo Fotorespiratorio Glicolato, ya que emplea al compuesto denominado ác.glicólico que cuenta con dos carbones. Esta anomalía supuestamente favoreció la evolución de las plantas 4, consideradas de orígenes más recientes. En ellas el se concentra primero disminuyendo la posibilidad de entrada del y posteriormente se le transporta a la enzima fijadora Rubisco. En la Tabla 1-10 y la Figura 1-10 se puede apreciar como varía la afinidad de la enzima por las concentraciones de y en una solución que se encuentra en equilibrio con la atmósfera. Si la concentración de es de 10 umolar ( micromolar), la enzima se encuentra saturada en un 5% con solo 0 micromolar de. Al mismo tiempo con 50 umolar de, la enzima se encontrará competitivamente saturada por sobre el 50%. De esta manera se puede apreciar claramente la interferencia provocada por el xígeno ante la fijación del. TABLA micromolar 0 micromolar Ribulosa-1,5-Bifosfato onc. de Km para el arboxilasa en una solución en equilibrio con la atmósfera 50 micromolar 00 micromolar Ribulosa-1,5-Bifosfato onc. de Km para el arboxilasa/xigenasa en una solución en equilibrio con la atmósfera 45

26 éctor Rocha L. Fotosíntesis % Sat. 50 % Km 0 10 M M [ ] % Sat. 50 % 00 M [ ] 50 M Fig urvas de saturación para la afinidad de la Ribulosa-1,5-Bifosfato arboxilasa-xigenasa por y. inicio Volver al b) Reducción con NADP. Al continuar nuevamente con el iclo de alvin y Benson se observa que el 1,-Difosfo- Glicerato es reducido mediante NADP + por las Isoenzimas de la Glicólisis en el Estroma para formar el -FosfogliceraldehÍdo (Fig. - 10) En el primer paso la enzima -Fosfglicerato Kinasa cataliza el paso del Gama- Fosfato del ATP al -Fosfoglicerato para ganar energía en el 1,-Difosfoglicerato y a continuación en un segundo paso la enzima -FosfogliceraldehÍdo Deshidrogenasa reduce empleando NADP + y la energía del paso previo, para así formar el -Fosfo-gliceraldehido. Este último se emplea nuevamente para sintetizar Ribulosa, (Fig. - 10). Este ciclo sería del tipo cumulativo si solo se formaran sucesivas moléculas de Ribulosa destinadas a captar un mayor número de moléculas de, sin embargo esto no ocurre, ya que el -FosfogliceraldehÍdo dedica alguna de sus moléculas a vías alternativas como son la fabricación de Almidón en el Estroma y de Sucrosa en el itoplasma. El -Fosfogliceraldehído que sale del iclo, (Fig. 1-10) es tomado por la Triosa Fosfato Isomerasa para formar la Fosfo-Dihidroxicetona que junto a otra molécula de - 454

27 éctor Rocha L. Fotosíntesis FosfogliceraldehÍdo y la acción de la Aldolasa formará la Fructosa-1,6-Bifosfato. Esta última molécula mediante la enzima Fructosa-1,6-Bifosfatasa formará la Fructosa-6-Fosfato que será destinada a la síntesis de Almidón por las enzimas del Estroma. La Fosfo-dihidroxicetona puede también dejar el loroplasto y pasar al citoplasma mediante un antiporter, que por medio de otras isoenzimas del tipo isomerasa y aldolasa, formará Fructosa-6-Fosfato que se dirigirá a la síntesis de Sucrosa. inicio Volver al c) Regeneración. En esta etapa se construye nuevamente una molécula de Ribulosa destinada a fijar nuevamente el y se emplean varios intermediarios que van de tres a siete carbones (Fig. - 10). El -FosfogliceraldehÍdo se une a la Fosfodihidroxicetona en una reacción catalizada por la Aldolasa para formar la Fructosa-1,6-difosfato que a continuación por medio de la Fructosa- 1,6-bifosfatasa da origen a la Fructosa-6-Fosfato. Esta última por medio de la enzima Transcetolasa, se rompe en Eritrosa-4-Fosfato y el Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato que se encuentra en el sitio activo de la enzima. A continuación la Eritrosa-4-Fosfato junto a la Fosfodihidroxicetona se unen para dar origen a la Sedoheptulosa-1,7-difosfato de siete carbones. Esta molécula por acción de la Sedoheptulosa-1,7-difosfatasa produce la P P Ribulosa - 1,5 - Bi P P Ribulosa - 5 P ATP P P ATP - P - Glicerato Ribosa - 5 P P P P P 1, D i - P Glicerato P Sedoheptulosa -1,7 B i P P P i NADP Sedoheptulosa - 7 P Xilulosa P P - Gliceraldehido P P P - D i - etona P Eritrosa - 4 P T P P Fructosa - 1,6 - Bi P P Fructosa - 6 P ALMIDN P i Fig La regeneración de la Ribulosa requiere de complejas reacciones que incluyen intermediarios que van de tres a siete carbones. 455

28 éctor Rocha L. Fotosíntesis Sedoheptulosa-7-Fosfato. La enzima Transcetolasa rompe la molécula de Sedoheptulosa-7- Fosfato para dar Ribosa-5-Fosfato y nuevamente Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato unido a la enzima. Ambos Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato, el anterior y el recién formado son transferidos desde sus distintas enzimas al Gliceraldehido-Fosfato para formar Xilulosa-5- Fosfato por medio de la Transcetolasa. Desde aquí en adelante, la Xilulosa-5-Fosfato y la Ribosa-5-Fosfato por medio de las enzimas Ribulosa-5-Fosfato Isomerasa y la Ribosa-5-Fosfato Epimerasa se transforman respectivamente en Ribulosa-5-Fosfato, que por acción de la Ribulosa-5-Fosfato Quinasa y ATP producen finalmente la Ribulosa-1,5-Difosfato. omo se puede observar el iclo es endergónico y requiere de ATP para ser llevado a cabo, especialmente en las reacciones de -Fosfoglicerato a 1,-Difosfoglicerato, antes de la etapa de reducción y en el paso de Ribulosa-5-Fosfato a Ribulosa-1,5-Bifosfato, para activar la molécula de Ribulosa de tal manera que la unión del y la ruptura en dos moléculas de tres carbonos sea exergónica. En general se necesitan aquí tres moléculas de ATP para fijar una de. Volver al inicio 8) FT RESPIRAIÓN El proceso denominado Fotorespiración, (Fig. - 10) ocurre en las plantas, y se produce con desprendimiento de y absorción de en condiciones de elevada temperatura ambiental, alta presión parcial de y baja presión parcial de. El producto de la Fotorrespiración es el Fosfoglicolato, que no es de utilidad a la célula y por consiguiente al mantener en existencia estos dos carbonos implica un gasto de dos ATPs extras por molécula de. 456

29 éctor Rocha L. Fotosíntesis LRPLAST FTRESPIRAIN PERXISMA MITNDRIA Ribulosa - 1,5 - Bifosfato + Fosfoglicolato + - Fosfoglicerato P - Glicolato Glicolato Glicolato Glioxilato Glicina Glicina P P P P Ribulosa - 1, 5 - Bi - P Forma Enediólica IL - P - Ribulosa de Glice - -1,5 - di P rato ALVIN ADP ATP P P i - - Intermediario en el sitio activo Glu G P + N P NAD P - Glicolato + NAD + Gliceraldehido - - P P P N P + N Ac. Glicólico NAD NAD + + N N Glicerato Glicerato idroxipiruvato Serina Serina Fig Tan solo uno de los productos de la actividad dismutásica de la Ribulosa- 1,5-Bifosfato arboxilasa puede entrar al iclo de alvin (-FosfogliceraldehÍdo) Fig El iclo Fotorespiratorio Glicolato demanda gasto extra de ATP a la célula y no es beneficioso. Se consume y se libera, pero no hay formación de ATP. inicio Volver al 9) IL GLILAT La foto respiración se produce en tres compartimentos de las células de las hojas verdes, el loroplasto, la Mitocondria y el Peroxisoma (Fig. 4-10). El Fosfoglicolato, se produce en el loroplasto como producto de la interacción con el xígeno de la Ribulosa-1,5-Bifosfato. Este se defosforila y es transportado al peroxisoma como Glicolato donde por medio de una oxidación directa con xígeno forma el Glioxilato y Peróxido de idrógeno. El Glioxilato transamina luego con el Ác. Glutámico para formar Glicina, la que viaja a la Mitocondria, donde por cada moléculas de Glicina se formará una de que va a la atmósfera y otra molécula de Serina. A continuación los tres carbones de la Serina son reenviados al loroplasto vía Peroxisoma y entran nuevamente al iclo de alvin como Glicerato después de fosforilarce a -Fosfoglicerato. 457

30 éctor Rocha L. Fotosíntesis inicio Volver al 9) PLANTAS DEL TIP 4. El mecanismo denominado 4 ocurre en plantas de las zonas tropicales y semitropicales como la caña de azúcar y el maíz, que presentan un crecimiento agresivo en condiciones de alta intensidad lumínica y temperaturas superiores a 0 o. La estructura de la hoja se aprecia en la figura RTE TRANSVERSAL DE UNA JA DE UNA PLANTA 4 ESTMA MAIZ SUPERFIIE RNA EXTERNA RNA INTERNA UBIERTA PERIVASULAR VASS EPIDERMIS INFERIR ESTMA Fig Estructura de las hojas en plantas 4. Las plantas 4 evolucionaron por ser más eficientes que las, ya que la enzima Rubisco a altas temperaturas disminuye la afinidad por el y actúa como xigenasa y no como arboxilasa, predominando en ellas la foto respiración lo que implica un mayor gasto de ATP. La fijación ocurre en este caso de manera concéntrica hacia el interior. El se fija a un compuesto de tres carbones en el citoplasma de la célula Mesófila para generar otro de cuatro. Estas células contienen mitocondrias que no poseen la enzima Rubisco (Fig. 6-10). A continuación el compuesto portador del o 4 pasa a las células de la Vaina Vascular o ubierta Perivascular (parte central que rodea los vasos transportadores) que sí poseen loroplastos con la enzima Rubisco. En este lugar se libera el para que sea tomado por la enzima y lo incorpore al iclo de alvin. Posteriormente el compuesto de tres carbones que resta de esta entrega, vuelve desde las células de la Vaina Vascular al Mesófilo para ser carboxilado nuevamente por más y 458

31 éctor Rocha L. Fotosíntesis continuar de esta manera con su transporte cíclico. Este sistema se denomina iclo de atch y Slack. SUPERFIIE DE LA MESFIL VAINA VASULAR VASS JA FSF - ENL PIRUVA T AR - BXILASA Deshidro - genasa Ac. XAL Ac. MALI AETI P FSF - PIRUVAT Malato Piruvato Fosfato Dikinasa PIRUVAT Ac. MALI Enzima Malica PIRUVAT Rubisco IL DE ALVIN rganización funcional de las células mesófilas y perivasculares para concentrar y luego fijar el. Fig Las élulas del Mesófilo se conectan a la Vaina Vascular por medio de las membranas celulares para entregar Malato y recuperar Piruvato. La Rubisco recibe de manera localizada el, para que lo integre al iclo de alvin y posteriormente a la síntesis de Almidón. El transporte y la incorporación son simultáneos durante el día en la plantas 4. En las plantas se encuentra solo Mesófilo generalizado y no poseen la capa de Vaina Vascular concentradora de la acción. Sin embargo, por cada que se fije en las 4, se requieren dos ATPs extras comparados a los tres ATPs necesarios empleados por las. Esto indica que se requerirá un total de cinco ATPs por cada molécula de que se fije por este mecanismo, lo que significa desde un punto de vista energético que a las plantas 4 les es más caro fijar el en comparación a las. Este hecho no presenta un mayor problema en las zonas tropicales con exceso de luz y calor o durante el verano cuando las 4 sobrepasan en crecimiento a las. Todos los mecanismos anteriores permiten un aumento de 10 a 60 veces en la concentración de, al comparar los mismos tejidos con las plantas y un incremento de dos a tres veces en la eficiencia de los cultivos. inicio Volver al 11) VARIEDAD EN LS MEANISMS DE DESARBXILAIN. 459

32 éctor Rocha L. Fotosíntesis Existen cerca de tres mecanismos distintos para la Descarboxilación en la celulas de la Vaina Vascular en las plantas 4 y cada uno de ellos se distingue por el nombre de la enzima que lleva a cabo esta acción. El primero de ellos se denomina ME-NADP+(Malic Enzyme-NADP), con la Enzima Málica-NADP dependiente (Fig. 7-10). En otro tipo de plantas se llama mecanismo de la enzima Fosfoenol-Piruvato arboxilasa (Fig. 8-10) y por último el mecanismo tipo ME-NAD (Malic Enzyme-NAD) con la enzima Málica-NAD dependiente (Fig. 9-10). SUPERFIIE DE LA MESFIL VAINA VASULAR VASS JA Malato Deshidrogenasa NADP + FSF - Ac. XAL NADP Ac. MALI ENL AETI PIRUVA T AR - BXILASA P FSF - ENL PIRUVAT Piruvato Fosfato Dikinasa AMP + PPi ATP PIRUVAT Ac. MALI Enzima Málica NADP - Dependiente PIRUVAT NADP NADP + RUBIS IL DE ALVIN - Fosfo Glicerato Ribulosa 1, Bifosfato PRDUTS Fig La descarboxilación es por medio de la Enzima Málica dependiente de NADP. SUPERFIIE DE LA MESFIL VAINA VASULAR VASS JA FSF - ENL PIRUVA T AR - BXILASA xalo acetato P - Enol Piruvato Piru - vato Aspártico Ala Aspártico Ala Fosfoenol Piruvato arboxilasa Piru - vato xalo acetato P - Enol Piruvato RUBIS IL DE ALVIN - Fosfo Glicerato Ribulosa 1,5 Bifosfato PRDUTS Ala : Alanina Fig La descarboxilación es por medio de la Fosfoenol Piruvato arboxiquinasa. 460

33 éctor Rocha L. Fotosíntesis SUPERFIIE DE LA MESFIL VAINA VASULAR VASS JA FSF - ENL PIRUVA T AR - BXILASA xalo - acetato P - Enol Piruvato Piru - vato A s p Ala xalo - acetato Enzima MALIA-NADdependiente Ala Piru - vato Malato RUBIS IL DE ALVIN - Fosfo Glicerato Ribulosa 1,5 Bifosfato PRDUTS Fig En esta descarboxilación se emplea la enzima Málica NAD dependiente. inicio Volver al 1) LAS PLANTAS AM. Las plantas AM se denominan así por "rassulacean Acid Metabolism" o Metabolismo Ácido de las rasuláceas (Fig. 0-10). Estas plantas pertenecen a climas desérticos y para evitar la deshidratación deben abrir sus estomas durante la noche captando. A continuación lo almacenan como ácido Málico en vacuolas que al día siguiente lo liberan para ser transportado y posteriormente incorporado al iclo de alvin mediante la enzima denominada Rubisco. Las AM son plantas del tipo suculento, es decir poseen tejidos destinados a retener agua. Así encontramos como exponentes de este mecanismo a la Piña y al actus, aunque no relacionadas entre sí, poseen el mismo mecanismo metabólico para fijar. uando lo estomas se encuentran abiertos durante la noche el se fija por medio de la enzima Fosfoenolpiruvato arboxilasa al Fosfoenol Piruvato para formar el Ac. xaloacético. Este último por acción de la Malato Deshidrogenasa, es luego reducido a ácido Málico, el que se almacena en una vacuola durante la noche para evitar así trastornos de p. Durante el día se lo libera gradualmente cuando los estomas se encuentran cerrados y no se intercambian gases, ni se pierde agua. Durante esta etapa el ác. Málico difunde desde la vacuola al citoplasma donde sé descarboxila por medio de la enzima Málica NAD o NADP dependiente, pasando a Piruvato. El liberado por esta reacción ingresa al loroplasto donde es fijado por la Ribulosa-1,5-Bifosfato arboxilasa entrando al iclo de alvin. El Piruvato que resta de la descarboxilación del Malato entra a la Mitocondria (Fig. 0-1), donde participa del iclo de Krebs que aporta con otra cantidad de, que pasa al loroplasto para ser integrado nuevamente al iclo de alvin. 461

34 éctor Rocha L. Fotosíntesis Separación Temporal de los Procesos de Fijación de. NE Estomas abiertos DIA ierre de los Estomas Sale el Malato de la vacuola Fosfo Enol Piruvato arboxilasa A A Malato Malato VAULA F E P Piruvato Enzima Málica NAD o NADP dependiente El Malato se almacena en la vacuola durante la NE Piruvato - P Diquinasa ATP + P i AMP + PP i Piruvato F E P Fosfo Enol - Piruvato Ac oa MITNDRIA KREBS Ribulosa - 1,5 - Bi - P arboxilasa ALVIN LRPLAST Fig La fijación de mediante la formación de Ác. Málico ocurre solo en la noche. Durante el día el Ác. Málico entrega el al iclo de alvin Según el estado energético del metabolismo de la planta el Piruvato puede ser tomado por la enzima Piruvato Fosfato Diquinasa que lo transforma en Fosfoenolpiruvato y desde allí continúa hacia la Gluconeogénesis (Fig. 0-10). inicio Volver al 1) FIJAIÓN DEL NITRGEN. Algunas plantas son incapaces de fijar el gas Nitrógeno por si mismas y para hacerlo requieren de la cooperación de microorganismos simbiontes o de la presencia de fertilizantes nitrogenados. En la Figura 1-10, se puede apreciar el iclo del Nitrógeno, donde este es fijado desde la atmósfera y reducido por las bacterias en Amonio N4 +. El amonio puede pasar a formar parte de organismos superiores, sin embargo las bacterias del suelo durante el proceso de Nitrificación lo pueden oxidar a Nitrito N - (Nitrosomonas) y posteriormente pasarlo a Nitrato por las Nitrobacter. A su vez las plantas pueden asimilar formas inorgánicas de Nitrógeno como Nitrato o Nitrito, que por medio de la Nitrato Reductasa en el citoplasma y la Nitrito Reductasa en el 46

35 éctor Rocha L. Fotosíntesis loroplasto pueden transformarlo en Amonio. tras formas orgánicas de nitrógeno como la Urea, también pueden ser asimiladas por la planta. En la planta el amonio se incorpora a los cetoácidos formando especialmente el aminoácido Glutámico y la Glutamina que se emplean como transportadores primarios de nitrógeno junto al Aspartato y la Asparegina. De esta manera se producen todos los aminoácidos en la planta que puede ser ingerida por los animales donde se enriquece y multiplica su contenido. Durante el proceso llamado Desnitrificación, los animales en estado de putrefacción retornan Amonio al suelo por acción de los microorganismos y este puede nuevamente pasar a Nitrito primero y luego a Nitrato completando el iclo. N ATMSFERA SUEL Bacterias Desnitrificantes N Amino - ácidos Bacterias fijadoras de Nitrógeno Plantas Superiores Animales Superiores N - N 4 + Putrefacción Bacterias Nitrificantes Nitrobacter N Nitrito Bacterias Nitrificantes Nitrosomonas Fig iclo del Nitrógeno. Las Leguminosas como el trébol, alfalfa y soya tienen un papel preponderante en la fijación del Nitrógeno y la bacteria que hace simbiosis con estas plantas pertenece al género RIZBIUM. tra de las bacterias que hace simbiosis pertenece al género Frankia en los Actinorhizoides, sin embargo su metabolismo no ha sido lo suficientemente estudiado al igual que las cianobacterias del género Nostoc. La simbiosis es siempre entre plantas superiores y bacterias o algas azules. La interacción de las bacterias con la raíz ocurre a partir de un intercambio de señales químicas con la planta que concluye en la fijación de estas por los pelos radiculares. La infección por la bacteria se 46

36 éctor Rocha L. Fotosíntesis manifiesta con una hinchazón y un incremento de la corriente citoplasmática que avanza hasta la base del pelo. A continuación las bacterias penetran por la rotura del tubo y alcanzan las células corticales e inducen la formación del nódulo. Los nódulos tienen aspecto rosado o rojo pardos debido a la presencia de Leghemoglobina. Una vez en el interior las bacterias están rodeadas por una membrana peribacterioide y expresan su actividad Nitrogenásica dirigida por los genes Nif y se denominan ahora simbiosomas. La fijación biológica de Nitrógeno es llevada a cabo por el omplejo de la Nitrogenasa, presente en la bacteria simbionte o simbiosoma (Fig. - 10). A medida que la bacteria entrega Amonio a la planta, esta última le entrega Glucosa para su metabolismo. La fijación del Nitrógeno es extremadamente lábil al, ya que uno de sus cofactores Fe-Mo sé denatura irreversiblemente con xígeno. Por esta causa se necesita de la proteína Leghemoglobina que fija el y lo encausa para la Fosforilación xidativa permitiendo la producción de ATP y sirviendo a la vez como una molécula protectora de los efectos tóxicos del xígeno que ayuda a concentrar el Nitrógeno. XILEMA FLEMA NDUL DE UNA LEGUMNSA ITPLASMA VEGETAL LEGEMGLBINA FTSINTAT BATERIDE Utilización ARBIDRATS e AMINAIDS N NITRGENASA Mg ADP Mg ATP Transporte de Electrones N Fig Nódulo con bacteroide. Fotosintato corresponde a carbohidratos y aminoácidos sintetizados en la hoja de la planta y que son transportados por el xilema a los nódulos de la raíz. A continuación se aprecia el balance general de la reacción de reducción del Nitrógeno: N e + 16Mg-ATP ----> N Mg-ADP + 16 Pi + 464

37 éctor Rocha L. Fotosíntesis MPLEJ DE LA NITRGENASA Fijación del Nitrógeno 16 ATP N oa S + 4 Piruvato 8 Ferredoxina oxidada 8 e 8 e Ferredoxina 4 Acetil SoA reducida 8 Dinitrogenasa reductasa reducida 8 Dinitrogenasa Dinitrogenasa reductasa oxidada reducida 8 e + 16 ATP 8 e 8 Dinitrogenasa8 Dinitrogenasa reductasa reductasa oxidada oxidada + 16 ATP Dinitrogenasa reducida + N 16 ADP + 16 Pi Fig omplejo de la Nitrogenasa. De los 8 electrones que se emplean, 6 son para la fijación del Nitrógeno y para reducir los dos + a idrógeno molecular. La adena de reacciones que desemboca en la reducción del Nitrógeno se aprecia en la figura -10. La Dinitrogenasa Reductasa de PM 60kD, es un dímero con un centro redox Fe 4 -S 4 y se puede oxidar y reducir mediante un electrón a la vez. Se le conoce también como homodímero Ferro-proteico codifcado por el gen Nif del bacterioide. La Dinitrogenasa es de PM 40kD y corresponde a un tetrámero con Mo, Fe y 0 S por tetrámero. Se requieren de 8 electrones para el mecanismo de reducción, 6 para reducir el Nitrógeno (Fig. 4 10), y para reducir el idrógeno. Se le conoce como codificada por los genes Nif D y Nif K del bacterioide. Todos los electrones son pasados de manera individual y secuencialmente en la cadena de reacciones. Los niveles de xígeno controlan la expresión de los genes correspondientes a la Nitrogenasa, de esta manera cuando el disminuye en su concentración en el exterior, se activa un sensor transmembrana el cual fosforila y activa a un factor transcripcional en el interior denominado FixJ. Este último induce la transcripción de los genes nifa y fixk cuyos productos de transcripción inducen a su vez la transcripción de los genes involucrados en la formación del complejo de la Nitrogenasa (Nif). La regulación de la actividad Nitrogenásica también depende de los niveles de Amonio, a bajo nivel se estimula y a alto nivel se inhibe. tro elemento regulador es también la concentración de ADP donde los altos niveles pueden inhibir la actividad del omplejo. 465