martes, 7 de enero de 2014

Metabolismo de carbohidratos / Los cloroplastos (III) : Fase oscura de la fotosíntesis

En la pasada entrada sobre el metabolismo de los carbohidratos en este blog se comentó la fase luminosa de la fotosíntesis:
http://biologiadelatortilla.blogspot.com/2013/11/metabolismo-de-carbohidratos-los.HTML

La luz impulsa una cadena de transporte electrónico
localizada en las membranas tilacoidales de los cloroplastos
para generar energía química redox a partir de la energía
de los fotones de luz. Esta energía química se utilizará
para la producción de carbohidratos a partir del dióxido
de carbono del aire. Esta reacción no es espontánea, pero
seres vivos como las plantas han evolucionado sabiendo
aprovechar la luz del Sol como fuente de energía.
Ecológicamente, esto implica que la entrada de esta energía
al mundo orgánico, quedando disponible para otros
organismos, como nosotros, que no podemos acceder
a ella de otra manera que a través de las plantas.
Aquí concluimos que en los cloroplastos, orgánulos subcelulares de las células vegetales de las partes verdes, tiene lugar la conversión de energía lumínica en energía química redox almacenable en forma de ATP y poder reductor NADPH. Todo esto era posible gracias a una serie de macrocomplejos proteicos insertados en la membrana de los tilacoides, dos de ellos fotosistemas y el otro un citocromo. Cada fotosistema se componía de un complejo antena formado por diferentes pigmentos (clorofilas y pigmentos accesorios tipo carotenoides) y un centro de reacción. Cuando un haz de luz iluminaba los cloroplastos, los fotones que impactaban en alguno de los pigmentos de los complejos antena excitaban la molécula de pigmento contra la que chocaban (elevaban uno de sus electrones a un orbital superior). En este estado tan inestable, los cedían a una molécula de pigmento vecina, y así sucesivamente hasta que el electrón llegaba al centro de reacción, que consistía en dos pares de clorofila a que cedían ese electrón excitado a otro compuesto, un aceptor de electrones que lo transportaría hasta otra molécula. El recorrido de electrones por la cadena de transporte llegaba hasta la ferredoxina, que reducía el NADP+; el citocromo b6f, al mismo tiempo, pasaba dos protones procedentes de la reducción de la plastoquinona al lumen tilacoidal, generando así un gradiente de protones que una ATP sintasa aprovechaba para producir ATP.

En esta entrada vamos a poner de forma explícita en qué se gastan este ATP y este poder reductor generados por las reacciones fotoquímicas que se denominan tradicionalmente como fase luminosa porque dependen directamente de la luz. Ahora toca la fase oscura, que comprende reacciones que se ha pensado que no dependen directamente de la luz; no quiere decir que la fase luminosa ocurra de día y la oscura de noche... de hecho por la noche, la fase oscura no funciona (#chistaco)

En la fase oscura, que ocurre en el estroma del cloroplasto, se utilizan ATP y NADPH para reducir el carbono obtenido del CO2 a triosas-fosfato en una serie de reacciones que en conjunto denominamos Ciclo de Calvin-BensonEl ciclo de Calvin podemos partirlo en tres fases, dos de ellas catalizadas por la enzima rubisco, la más abundante de la biosfera:
  1. Fase de fijación del CO2
  2. Fase de reducción del CO2
  3. Fase de regeneración del aceptor.
Estequiométricamente, se necesitan tres moléculas de CO2 para conducir el carbono a la formación de triosas fosfato. Vamos a representar el ciclo de Calvin con este criterio:

La fase de fijación es una carboxilación de la ribulosa-1,5-bisfosfato (5C) con dióxido de carbono (1C) en una reacción de cinco pasos, dando como resultado una molécula intermediaria de 6C muy inestable y que a continuación se parte en dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3C). Ahora empieza la fase de reducción, en la que primero se fosforila con ATP el 3-fosfoglicerato a 1,3-bisfosfoglicerato y luego se reduce este compuesto con NADPH a gliceraldehído-3-fosfato (3C).

Si estamos considerando las tres fijaciones que CO2 necesarias, entonces tendremos que 3 moléculas de ribulosa-1,5-bisfosfato se carboxilan con tres moléculas de dióxido de carbono y que el resultado son seis moléculas de 3-fosfoglicerato, que se transforman en seis de gliceraldehido-3-fosfato. Por cada molécula de 3-fosfoglicerato reducida se ha gastado 1 ATP y 1 NADPH, con lo que se han invertido 6 de cada. Una de estas seis moléculas de gliceraldehido-3-fosfato será destinada a la síntesis de carbohidratos, mientras que las cinco restantes se usan en la fase de regeneración

La fase de regeneración de la ribulosa-1,5-bisfosfato es muy parecida a la vía de las pentosas fosfato pero al revés. Se van combinando moléculas de tres, cuatro, cinco, seis y siete carbonos hasta conseguir pentosas fosfato: xilulosa-5-fosfato y ribosa-5-fosfato, que son isomerizadas a ribulosa-5-fosfato. Esta molécula, entonces, es fosforilada a ribulosa-1,5-bisfosfato por la enzima fosforribulosa quinasa, exclusiva del cloroplasto.

En el esquema que te presento abajo se intenta representar la secuencia. Nótese que en la fase de regeneración algunas enzimas, como la fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPasa), participan también en la gluconeogénesis. En el punto donde se separan las seis moléculas de gliceraldehido-3-fosfato se marca que cinco van a participan en estas reacciones de regeneración y una va a la síntesis de glucosa, idéntica a la última parte de la gluconeogénesis (y que, francamente, no me cabía...).




No vamos a exponer la gluconeogénesis en esta entrada, pero a grandes rasgos, para la síntesis de una molécula de glucosa hacen falta dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato, con lo que se requiere que el ciclo de dos vueltas. Esto implica que para la síntesis de una molécula se glucosa se va a gastar el doble de energía y poder reductor que para la síntesis de una molécula de gliceraldehido-3-fosfato.

La glucosa (o más bien, la glucosa-6-fosfato) se usará para sintetizar principalmente sacarosa (que en parte se exportará a otros tejidos vía floema) y almidón (que se almacenará en los cloroplastos) en sendas reacciones dependientes de nucleótidos trifosfato. No vamos a comentarlas en esta entrada. 

La ecuación global de la fase oscura ajustada para una molécula de glucosa queda así:

6 CO2 + 12 (NADPH+H+) + 12 H2O + 18 ATP -------> C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP + 18Pi

Como ves, es un proceso energéticamente muy caro, pero a la planta en realidad no le cuesta, en este caso, nada. ¿Recuerdas de dónde venía la energía? El Sol es la fuente de energía más extraordinaria y al mismo tiempo más desaprovechada que tenemos. A cada segundo llegan a la tierra miles de julios en forma de luz, calor y otras radiaciones. Y el metabolismo de las plantas y demás fotoautótrofos ha evolucionado sabiendo aprovechar una mínima parte del poder incomensurable que nos llega de la estrella para crecer y mantenerse con vida transformando de forma pasmosa la energía de los fotones de luz en energía química impulsando los electrones del agua (de escaso poder reductor) "cuesta arriba" en la escala de potenciales hasta obtener NADPH (de alto poder reductor) al mismo tiempo que se genera un gradiente de protones para sintetizar ATP. Y la energía de la luz está en ellos; sólo hay que invertirla en el regulado ciclo de Calvin y las proporciones químicas harán el resto.

En realidad, el nombre de fase oscura está muy mal puesto, porque no funciona en la oscuridad, y esto se debe a la regulación de sus enzimas. 
  • La rubisco es activada por modificación covalente (una carbamilación en Lys-201) para lo que se necesita pH básico y presencia de Mg2+; el grupo carbamilo, necesario para que pueda ocurrir la reacción de carboxilación de la ribulosa-1,5-bisfosfato, tiene que estar unido a magnesio para que la rubisco activasa pueda unirlo al residuo de lisina. El pH básico sólo se consigue eliminando protones del estroma, que es lo que hace el citocromo b6f cuando la cadena de transporte electrónico está funcionando, pues los pasa al lumen interior de los tilacoides, acidificándolo. Por otro lado, la rubisco también es inactivada por un análogo natural del estado de transición cuyas concentraciones aumentan en oscuridad .
  • La glucosa-3-fosfato deshidrogenasa, la fructosa-1,6-bisfosfatasa, la sedoheptulosa-1,7-bisfosfatasa y la fosforribulosa quinasa se activan por reducción de puentes disulfuro en su estructura. De esta reducción se encarga una tiorreductasa reducida a su vez por la ferredoxina reducida. La ferredoxina se reduce por acción del PS I cuando incide luz sobre él, de manera que en oscuridad la ferredoxina no se encuentra reducida, por lo que no puede activar la tiorreductasa que reduce los puentes disulfuro de estas enzimas, por lo que tampoco es posible la regeneración de la ribulosa-1,5-bisfosfato.
Hasta aquí la entrada sobre el ciclo de Calvin. Espero que te haya gustado.
Consulta la bibliografía recomendada en la sección Sobre el Blog si quieres obtener más información sobre él.

Dejo este video para recapitular:





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