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Tema 9
Fijación del CO2
Objetivo
Comprender cómo tiene lugar la
asimilación de la energía captada
en las reacciones de las membranas
tilacoidales, en biomasa.
Contenido
Introducción
Ciclo de Calvin: fase carboxilativa,
reductora y regeneradora
Síntesis de sacarosa y almidón
Regulación del ciclo de Calvin y
asimilados
Algunas aplicaciones del conocimiento o la
manipulación de la fotosíntesis
 La mejora de los cultivos
 La comprensión de las diferencias de
productividad
entre
diferentes
ecosistemas
 La predicción de los efectos de cambios
ambientales sobre la composición y
productividad de las comunidades
vegetales…
La teoría del flogisto…
 El flogisto o principio inflamable, descendiente directo
del "azufre" de los alquimistas y más remoto del
antiguo elemento "fuego" era una sustancia
imponderable, misteriosa, que formaba parte de los
cuerpos combustibles. Cuanto más flogisto tuviese un
cuerpo, mejor combustible era.
 Los procesos de combustión suponían la pérdida del
mismo en el aire. Lo que quedaba tras la combustión
no tenía flogisto y no podía seguir ardiendo. El aire
era indispensable para la combustión, pero con
carácter de mero auxiliar mecánico.
Priestley (1733-1804) demostró que las plantas se
alimentaban de aire “flogisticado” (CO2) el cual
purificaban (desprendiendo O2).
"las plantas lejos de afectar el aire de la misma
manera que la respiración animal, producen los
efectos contrarios, y tienden a conservar la
atmósfera dulce y salubre, cuando se vuelve
perjudicial a consecuencia de la vida y de la
respiración de los animales o de su muerte y de su
putrefacción".
Experiencias
de Priestley
La falta de aire apagaba la llama de una vela.
El aire saturado de flogisto se hace
venenoso.
La falta de aire producía la muerte de un ratón.
Se había llegado a la conclusión de que la
respiración
también
representaba
un
enrarecimiento del aire, un proceso de
combustión lenta que liberaba flogisto.
Experiencias
de Priestley
La muerte del ratón no se producía si, junto con él, se situaba una
planta.
http://www.etsmre.upv.es/varios/biologia/Temas/tema_11.htm
El ciclo de Calvin:
fases carboxilativa, reductora y regeneradora
14C0
2
Autorradiografía
Etanol 80% hirviendo
 A fines de la segunda guerra mundial, en los laboratorios de
Berkeley (California), Melvin Calvin y cols, usando
Carbono-14 (del cual disponía en abundancia) y las
entonces nuevas técnicas de intercambio iónico,
cromatografía en papel y autorradiografía "mapearon"
completamente el ciclo del Carbono en la fotosíntesis.
Premio Nobel en 1961, y el ciclo del carbono se conoce
comúnmente como ciclo de Calvin, o de Calvin-Benson.
Y se preguntaron…
 ¿A qué molécula se une el CO2?
 A una de 2 C ?
 A una de 5 C ?
Identificación del compuesto de 5 C
 Para identificar esta molécula, se esperó a que
las algas hubieran fotosintetizado utilizando
14CO y después se interrumpía el suministro
2
de CO2

3-PGA
RuBP
El ciclo de Calvin contiene diversos pasos que consumen
energía (ATP) y poder reductor (NADPH) obtenidos en la
cadena de transporte de electrones.
1. La fijación inicial del CO2 que tiene lugar
por la carboxilación de la RuBP
2. La reducción del carbono fijado a hidratos
de carbono, que requiere el aporte de
energía y poder reductor generados
mediante la cadena de transporte
electrónico
3. La regeneración de la RuBP, que requiere
también aporte energético.
CO2 + RuDP
2 (3-PGA)
 Esta reacción está catalizada por una enzima específica, la
RuDP carboxilasa oxigenasa (conocida también como
RuBisCO), que constituye más del 15% de la proteína del
cloroplasto. De hecho, la RuBisCO se supone que es la
proteína más abundante de la Tierra.
 Cada una de las moléculas de 3-PGA formadas en la
reacción inicial contienen tres átomos de carbono; por esto,
el ciclo de Calvin se conoce también como ruta C3.
 Activación del ácido fosfoglicérico (3-PGA)
2 (3-PGA) + 2 ATP
2 DPGA + 2 ADP
 Reducción a gliceraldehido-3-P (GAP).
2 DPGA + 2 NADPH
2 GAP + 2 NADP+
2 Pi
 Las moléculas de GAP pueden
convertirse fácilmente en las de su
isómero, el fosfato de dihidroxiacetona
(DHAP),
y ambas pueden seguir
diferentes caminos, pero buena parte
del conjunto (5/6) se encaminarán a
regenerar la RuDP con la que se inició
el ciclo.
 Esta regeneración tiene lugar a través de
complejas rutas en las que se forman
azúcares-fosfato con cadenas de 4, 5, 6 y 7
átomos de carbono, como los fosfatos de
eritrosa (4C), xilulosa (5C), fructosa (6C) y
sedoheptulosa (7C), y que llevan a la síntesis
de ribulosa-fosfato, que al fosforilarse con
consumo de ATP se convierte por último en
la RuDP.
REGENERACIÓN
6 RuDP
+ 6 H2O
6 CO2
6 ATP
6 ADP
6 Ribulosa 6-fosfato
12 Ácido 3-fosfoglicérico
12 ADP
12 ATP
12 Ácido 1,3-difosfoglicérico
CARBOXILACIÓN
REDUCCIÓN
Ruta de las
Pentosas
fosfato
12 NADP+
12 NADPH
12 Gliceraldehido-3-fosfato
12 Pi
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GLUCOSA
El ciclo de Calvin casi es universal
 Ciclo reductor del ácido carboxílico
 Bacterias verdes-sulfurosas
 Ciclo productor del glioxilato
 Bacterias verdes no sulfurosas
 Ruta del acetil CoA
 Bacterias metanogénicas
Una sexta parte de las triosas
fosfato se utilizan para sintetizar
sacarosa o almidón
Síntesis de sacarosa y almidón
Las triosas-fosfato que no se emplean en la regeneración
de la RuDP (PGA y DHAP), se exportan al citosol,
mediante un transportador de la membrana de cloroplasto
que los intercambia con Pi, en un sistema antiporte.
Este Pi se emplea en el cloroplasto, principalmente para
la obtención de ATP en las reacciones lumínicas de los
tilacoides.
El exceso de triosas fosfato que no se utiliza en la síntesis
de sacarosa se convierte en almidón, que actúa como
sustancia de reserva de carbono.
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Intercambiador de Pi
 Alta Pi citosólica
 Transporte de triosas fosfato desde el
cloroplasto al citosol para la síntesis de
sacarosa
 Baja Pi citosólica
 Retención de las triosas fosfato en el
cloroplasto que favorece la síntesis de
almidón
 El almacenamiento de almidón en los
cloroplastos constituye una reserva
temporal; por la noche, cuando baja la
concentración de triosas, a partir de
este almidón se produce glucosafosfato y, por último, fosfatos de triosa,
que son exportados al citosol para la
síntesis nocturna de sacarosa.
¿Cuánta sacarosa sintetizamos?
Glicolisis
Bajos niveles:
Fotosíntesis
Triosas-P
Fructosa-1-6-bisfosfato
PP-Fructosa
6-fosfato quinasa
Fructosa-1-6bisfosfatasa
ACTIVACIÓN
Fructosa 2, 6-bisfosfato
Fructosa-6-fosfato
Síntesis de sacarosa
INHIBICIÓN
Altos niveles:
Fotosíntesis
Triosas-P
Fructosa 6-fosfato
Ecuación general
 Seis giros del ciclo, con la introducción de seis
moléculas de CO2, son necesarios para producir el
equivalente de un glúcido de seis carbonos
La ecuación global es la siguiente:
6 RuDP + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + 18 ATP
6 RuDP+Glucosa+12 NADP++18 ADP+18 Pi+ 6 H2O
Derivaciones del ciclo de Calvin
 El carbono fijado en la fotosíntesis se utiliza
también para la síntesis de compuestos no
glucídicos en el cloroplasto:
 Aminoácidos esenciales (Leu, Ileu, Val, Lys)
 Todos los ácidos grasos
 Isoprenoides
(carotenos,
xantofilas,
fitohormonas…)
Factores que intervienen en la regulación
de la actividad de la rubisco
 En ausencia de limitaciones de luz o energía
procedente de la cadena respiratoria, la
velocidad de captura del CO2 puede estar
condicionado por alguno de los siguientes
factores:
 La disponibilidad del CO2 en los centros activos
y la tasa CO2/O2
 El aporte de RuBP
 La cantidad de rubisco
 El estado de activación de la rubisco
1. La disponibilidad del CO2 en los centros activos y
la tasa CO2/O2
 En condiciones óptimas, la disponibilidad de CO2
no resulta un factor limitante para la fotosíntesis, ya
que aunque la tasa CO2/O2 es siempre baja, la
afinidad de rubisco por el CO2 es alta.
 Km CO2=10-15uM
 KmO2=250uM
 Por el contrario, en condiciones ambientales que
provocan cierre de estomas (sequía) puede
disminuir la concentración de CO2 en el sitio de la
carboxilación.
2. El aporte de RuBP
 Si la velocidad de carboxilación es superior a la
velocidad de regeneración de la RuBP, la
asimilación del CO2 puede verse limitada por la
falta de RuBP.
 Eliminando el O2 para suprimir la oxigenación de
rubisco se puede diferenciar si el factor que limita la
fotosíntesis es la disponibilidad de CO2 o de RuBP.
3. La cantidad de rubisco presente
 No es un factor limitante en condiciones
normales
 Sí, en condiciones de estrés que limiten la
síntesis proteica
4. Activación de rubisco inducida por luz
 Tras su traducción, la rubisco debe ser modificada para
poder catalizar la carboxilación
 Pérdida de dos protones en una lisina
 CO2
 Unión de Mg++
 pH elevado en el estroma
Mecanismos de regulación de otros
enzimas inducidos por luz
 Regulación por reducción de grupos
tiol
 Flujos iónicos dependientes de luz
Reducción de grupos tiol por luz
-Gliceraldehído-3fosfato-deshidrogenasa
hv
Ferredoxina
reducida
Ferredoxina
oxidada
Ferredoxina tiorredoxina
reductasa
Tiorredoxina
oxidada
Tiorredoxina
reducida
HS
HS
S------S
Enzima
oxidado
Enzima
reducido
H2 0 O2
S-------S
HS
HS
-fructosa-1,6bisfosfatasa
-sedoheptulosa-1,7
bisfosfatasa
-fosforribuloquinasa
Flujos iónicos dependientes de luz
 Rubisco
 Fructosa 1,6,bisfosfatasa
 Sedoheptulosa 1,7 bisfosfatasa
 En luz, bombeo de protones desde el estroma al
lumen
 Flujo de protones acoplado a la entrada de Mg2+
al estroma
 Sube el pH en el estroma y la concentración de
Mg2+
La tasa de fotosíntesis está regulada por el uso y
transporte de asimilados
 La manipulación de las plantas para incrementar la
utilización de los fotoasimilados puede aumentar la
tasa de fotosíntesis en las hojas.

Selección por tamaño y calidad del fruto
 Plantas transgénicas que sobreexpresan sacarosafosfato sintasa.