CAPÍTULO 13: Fotosíntesis

SINOPSIS

SIN LUGAR A DUDA, LA FOTOSÍNTESIS OXIGÉNICA ES EL PROCESO BIOQUÍMICO MÁS IMPORTANTE EN LA TIERRA. CON EXCEPCIONES MENORES, LA FOTOSÍNTESIS ES EL único mecanismo por el cual los seres vivos aprovechan una fuente externa no biótica de energía y es la fuente de O₂, lo que mantiene a todos los organismos aerobios (aeróbicos). Este capítulo, dedicado a una descripción de los principios de los procesos fotosintéticos, subraya la relación entre las reacciones fotosintéticas y la estructura de los cloroplastos, así como las propiedades relevantes de la luz.

La fotosíntesis es el mecanismo bioquímico activado por la luz en el que el CO₂ se incorpora en moléculas orgánicas como la glucosa (fig. 13.1). La energía lumínica capturada se usa para sintetizar ATP y NADPH, que impulsan el proceso. Es necesario el poder reductor del NADPH porque se requiere un donador potente de electrones para reducir el CO₂ oxidado del todo y bajo en energía a las unidades de carbono de las moléculas orgánicas. Los mecanismos fotosintéticos, conocidos como fotosistemas, son complejos de proteínas unidos a la membrana que se encuentran en los cloroplastos (plantas y algas) o en la membrana celular de las bacterias fotosintéticas. En los cloroplastos hay dos fotosistemas: el fotosistema I (PSI) y el fotosistema II (PSII). Cada fotosistema está compuesto por dos componentes funcionales. La antena captadora de luz captura la energía solar y la transfiere al centro de reacción, que usa la energía lumínica capturada para impulsar el transporte de electrones transmembrana. En el PSI se usa el transporte de electrones activado por la luz para sintetizar NADPH. El flujo de electrones del PSII hacia el complejo b₆f del citocromo bombea los protones a través de una membrana para impulsar después la síntesis de ATP. Los electrones de las moléculas de agua reponen los electrones del centro de reacción del PSII, lo que genera O₂ como producto molecular de desecho. En este capítulo se describen los principios de la fotosíntesis oxigénica. Se inicia con una revisión detallada de la estructura del cloroplasto. Luego de una breve revisión de las propiedades relevantes de la luz, se describen las reacciones que constituyen la fotosíntesis moderna. Éstas incluyen las reacciones a la luz y las reacciones independientes de la luz. Es durante las reacciones a la luz que los electrones se energizan y al final se emplean en las reacciones independientes de la luz (a menudo llamadas reacciones oscuras o ciclo de Calvin) para activar la síntesis de carbohidrato. También se describen diversas variaciones fotosintéticas, llamadas metabolismo C4 y metabolismo ácido de las crasuláceas. Al final del capítulo se revisan varios mecanismos que controlan la fotosíntesis en las plantas.

La fotosíntesis comienza con la absorción de energía lumínica mediante moléculas de pigmento especializadas (fig. 13.2). Las clorofilas son moléculas de pigmento verde que se parecen al hem. La clorofila a tiene una función central en la fotosíntesis oxigénica porque la energía que absorbe de la luz impulsa de manera directa fenómenos fotoquímicos. La clorofila a también participa en la recolección de luz, proceso por el cual la energía absorbida se deriva a un centro de reacción. La clorofila b es un pigmento captador de luz que transfiere la energía absorbida a la clorofila a. Los carotenoides de color naranja son moléculas isoprenoides que funcionan como pigmentos captadores de luz (p. ej., luteína, una xantofila) o protegen contra la estimulación excesiva y las especies reactivas de oxígeno (p. ej., caroteno β).

Los cloroplastos son los organelos fotosintéticos de las plantas y algas, tienen varias similitudes con las mitocondrias. Primero, ambos organelos tienen una membrana externa y otra interna con distintas características de permeabilidad (fig. 13.3). Como en las mitocondrias, la membrana externa de los cloroplastos es muy permeable y la interna tiene moléculas portadoras especializadas que regulan el tráfico molecular. Segundo, la membrana interna del cloroplasto encierra un espacio interno, llamado estroma, parecido a la matriz mitocondrial. El estroma tiene diversas enzimas (p. ej., las que catalizan las reacciones independientes de la luz y la síntesis de almidón), DNA y ribosomas.

También existen diferencias notables entre estos organelos. Por ejemplo, los cloroplastos son mucho más grandes que las mitocondrias de las plantas, estructuras cilíndricas de unos 1 500 nm de largo y de 500 nm de ancho. Los cloroplastos son esferoideos, con longitud de 4 000 a 6 000 nm y anchura aproximada de 2 000 nm. Además, los cloroplastos tienen una tercera membrana distintiva, conocida como membrana tilacoide, que se pliega en una serie de estructuras vesiculares discoides llamados granos. Cada grano es una pila de varias vesículas aplanadas. El compartimiento interno creado con la formación de granos se llama luz (o espacio) tilacoidal. Las membranas tilacoides que conectan los granos entre sí se llaman láminas estromales. Se dice que las capas adyacentes de la membrana adosadas dentro de cada grano están adheridas. Las láminas estromales no están adheridas.

Los pigmentos y las proteínas responsables de las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis se encuentran dentro de las membranas tilacoides (fig. 13.4). La mayoría de estas moléculas están organizadas en las unidades funcionales de la fotosíntesis.

1. Fotosistema I. El fotosistema I (fig. 13.5) es un complejo grande de múltiples unidades que abarca toda la membrana que energiza y transfiere los electrones que al final se donan al NADP⁺. La función esencial del PSI, la donación de electrones energizados a una serie de portadores electrónicos dentro de la membrana tilacoide, la realizan dos moléculas especiales de clorofila a situadas dentro del centro de reacción. Estas moléculas, denominadas como par especial, se sitúan en el complejo central de PSI, el dímero PsaAB. El par especial del fotosistema I a veces se llama P700 porque absorbe la luz a 700 nm. Además del par especial, el dímero PsaAB contiene una serie de portadores electrónicos individuales: A₀, A₁ y F_x. A₀ es una molécula específica de clorofila a que acepta un electrón energizado de P700 y lo transfiere a A₁, que ya se identificó como una filoquinona (vitamina K₁). Luego, el electrón se transfiere de A₁ a una serie de centros de hierro-azufre (F_x, F_A y F_B). Al final, el electrón se dona a NADP⁺ para formar NADPH. El PSI también contiene una gran cantidad de moléculas de clorofila a distintas al par especial, además de clorofila b y carotenoides que actúan como pigmentos antena. Los pigmentos antena absorben la energía de la luz y la transfieren al centro de reacción. Las moléculas adicionales de pigmento antena en un complejo periférico para captación de luz (LHCI, peripheral light-harvesting complex) relacionadas con PSI también contribuyen a la absorción eficiente de energía lumínica. Dicho fenómeno se describe con más detalle en la sección 13.2. La mayor parte de los complejos de PSI se sitúan en la membrana tilacoide no adherida, o sea la que queda expuesta al estroma.

2. Fotosistema II. La función del fotosistema II es oxidar las moléculas de agua y donar los electrones energizados a los portadores electrónicos que al final reducen el fotosistema I. El PSII es un complejo grande de proteína y pigmento que abarca toda la membrana, está situado en la membrana adherida de los granos (fig. 13.6). La forma más activa del PSII es un dímero. El centro de reacción de PSII es un complejo de proteína y pigmento formado por dos subunidades polipeptídicas conocidas como D₁ (33 kDa) y D₂ (31 kDa) (el dímero D₁/D₂); dos subunidades centrales, CP47 y CP43; y citocromo b₅₅₉. El complejo D₁/D₂ se une con un par especial de moléculas de clorofila a (llamado P680) que absorbe la luz a 680 nm. Una vez que absorbe la luz, P680 transfiere un electrón estimulado a una serie de aceptores electrónicos y al final, a la plastoquinona (PQ o Q), una molécula similar a la ubicuinona. El electrón donado por el centro de reacción se repone mediante el complejo desarrollador de oxígeno (OEC, oxygen-evolving complex), también conocido como complejo separador de agua, y un residuo de tirosina, a menudo llamado Y_z, localizado en D₁. El sitio separador de agua es un cúmulo de Mn₄CaO₅ parecido a un cubo rodeado de cadenas laterales de los aminoácidos de D₁ y CP43 que forman enlaces directos con los metales. Varios cientos de moléculas de pigmento antena también se relacionan con el centro de reacción. El predominio de las moléculas de pigmento accesorias y varias proteínas forman parte de una unidad desprendible llamada complejo captador de luz II (LHCII, light-harvesting complex II). El LHCII es un trímero de proteínas captadoras de luz, cada una de las cuales se une con 12 a 14 moléculas de clorofila a y clorofila b, además de varias moléculas de carotenoides. En las plantas, los trímeros de LHCII están congregados muy condensados en las membranas adheridas de los granos.

3. Complejo del citocromo b₆f. El complejo de citocromo b₆f, situado en toda la membrana tilacoide, tiene estructura y función similares al complejo citocromo bc₁ (fig. 10.7) en la membrana mitocondrial interna. El complejo citocromo b₆f tiene una función crucial en la transferencia de electrones estimulados por luz de PSII a PSI. Una proteína con hierro y azufre en el complejo, llamada proteína Fe-S de Rieske, acepta los electrones del portador electrónico soluble membranal PQ y los dona a una pequeña proteína hidrosoluble que contiene cobre, la plastocianina (PC). El mecanismo (fig. 13.7) que transporta electrones de PQH₂ al complejo citocromo b₆f es similar al ciclo Q de las mitocondrias.

4. ATP sintasa. La ATP sintasa del cloroplasto (fig. 13.8), también llamada CF₀CF₁ATP sintasa, es similar en estructura y función a la ATP sintasa mitocondrial. El componente CF₀ es un complejo proteínico que abarca la membrana y contiene un conducto para protones. La pieza cabeza de CF₁, que sobresale en el estroma, tiene actividad sintética de ATP. Un gradiente protónico transmembrana producido durante el transporte de electrones impulsado por la luz, produce rotación del complejo del conducto protónico CF₀, lo que a su vez induce la fosforilación de ADP. La síntesis de cada molécula de ATP requiere el bombeo de alrededor de cuatro protones a través de la membrana hacia el espacio tilacoidal. La membrana tilacoide que está en contacto directo con el estroma contiene la ATP sintasa.

El sol emite energía en forma de radiación electromagnética, que se propaga por el espacio en forma de ondas, algunas de las cuales chocan en la Tierra. La luz visible, la fuente energética que impulsa la fotosíntesis ocupa una pequeña parte del espectro de radiación electromagnética (fig. 13.9). De los casi 178 000 teravatios (TW) de energía solar que llegan a la Tierra cada año, sólo una fracción (100 TW) es capturada por los organismos fotosintéticos. Muchas de las propiedades de la luz se explican por su comportamiento como onda (fig. 13.10). Las ondas de energía se describen con los términos siguientes:

1. Longitud de onda. La longitud de onda (λ) es la distancia de la cresta de una onda a la cresta de la siguiente.

2. Amplitud. La amplitud (a) es la altura de una onda. La intensidad de la radiación electromagnética (p. ej., la brillantez de la luz) es proporcional a a².

3. Frecuencia. La frecuencia (v) es el número de ondas que pasa por un punto en el espacio por cada segundo.

Para todo tipo de radiación, la longitud de onda multiplicada por la frecuencia equivale a la velocidad (c) de la radiación:

λv = c

Esta ecuación se reacomoda en

λ = c/v

Por lo tanto, la longitud de onda depende de la frecuencia y la velocidad de la onda.

La longitud de onda de la luz visible va de 400 nm (luz violeta) a 700 nm (luz roja). En comparación, los rayos X y rayos γ, de alta energía, tienen longitudes de onda 10⁴ a 10⁷ veces más cortas. En el otro extremo del espectro se encuentran las ondas de radio de baja energía, con longitudes de onda de metros a kilómetros.

Además de comportarse como una onda, la luz visible (y otros tipos de radiación electromagnética) muestra propiedades de partículas, como masa y aceleración. La observación de Einstein de que la energía tiene masa, o E = mc², se aplica al fotón. Cuando la luz interactúa con la materia, lo hace en paquetes discretos de energía llamados fotones. La energía (E) de un fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación:

E = hv

donde h es la constante de Planck (6.63 × 10⁻³⁴ J • s).

De acuerdo con la teoría cuántica, la energía radiante puede absorberse o emitirse sólo en cantidades específicas llamadas cuantos. Cuando una molécula absorbe un cuanto de energía, se promueve un electrón de su orbital en estado fundamental (el nivel con menor energía) a un estado con mayor energía. Para que se produzca la absorción, la diferencia energética entre los dos estados energéticos debe ser idéntica a la energía del fotón absorbido. Las moléculas complejas a menudo absorben energía con varias longitudes de onda. Por ejemplo, la clorofila tiene un espectro de absorción con picos amplios y múltiples (región azul-violeta y región roja). Estos dos hechos sugieren que la clorofila absorbe fotones de muchos tipos de energía distinta con diversas probabilidades. Las longitudes de onda que no se absorben son visibles para el hombre, por lo que una solución de clorofila (o una hoja) se ve verde.

Las moléculas que absorben energía electromagnética tienen componentes estructurales llamados cromóforos. Los electrones de los cromóforos se desplazan con facilidad a niveles de mayor energía cuando absorben energía. Los cromóforos visibles casi siempre tienen cadenas largas con enlaces dobles conjugados y anillos aromáticos. Por ejemplo, las antocianinas, una clase de pigmentos hidrosolubles, contienen cromóforos que protegen a las plantas del daño inducido por la luz, ya que absorben la luz verde-azul y la ultravioleta. Los cromóforos experimentan transiciones de electrones en las que un electrón se desplaza de un orbital ocupado en estado fundamental a un orbital no ocupado de mayor energía (fig. 13.11). Las moléculas con un menor número de enlaces dobles conjugados o con enlaces dobles aislados absorben energía de la porción ultravioleta del espectro electromagnético. La conjugación extensa de los cromóforos de los pigmentos fotosintéticos y accesorios permite que ocurran las transiciones electrónicas con longitudes de onda mayores (de menor energía) en el espectro visible. Los electrones π de estos sistemas requieren menos energía para hacer la transición a un orbital de mayor energía.

Una vez estimulado, un electrón puede regresar a su estado fundamental de varias maneras:

1. Fluorescencia. En la fluorescencia, el estado estimulado de una molécula decae cuando emite un fotón. Como el electrón estimulado pierde cierta energía al principio por la relajación hasta un menor estado vibratorio (energético), una transición en la que se emite un fotón tiene menor energía que la del fotón absorbido en un principio. La degradación fluorescente puede ser muy rápida, hasta en 10⁻¹⁵ s. (Aunque varias clorofilas absorben la energía lumínica de todo el espectro visible, sólo emiten fotones con baja energía en el extremo rojo del espectro visible o más allá).

2. Transferencia energética por resonancia. En la transferencia energética por resonancia, la energía de la estimulación se transfiere a un cromóforo próximo mediante la interacción entre los orbitales moleculares adyacentes. Un cromóforo cuyo espectro de absorción se superpone con el espectro de emisión del cromóforo blanco puede absorber el cuanto de energía liberado cuando ese cromóforo regresa a su estado fundamental.

3. Oxidación-reducción. Un electrón estimulado se transfiere a una molécula vecina. Un electrón estimulado ocupa un orbital que normalmente está vacío y se une con menor fuerza que cuando ocupa un orbital del estado fundamental. Una molécula con un electrón estimulado es un potente agente reductor. Regresa a su estado fundamental mediante la reducción de otra molécula.

4. Degradación sin radiación. La molécula estimulada se degrada hasta su estado fundamental mediante la conversión de la energía de la estimulación en calor.

De todas estas respuestas a la absorción de energía, las más importantes en la fotosíntesis son la transferencia energética por resonancia y la oxidación-reducción. La transferencia energética por resonancia tiene una función esencial en la captación de la energía lumínica mediante las moléculas de pigmento accesorias (fig. 13.12a). Al final, la energía absorbida y transferida por los complejos captadores de luz llega a las moléculas especiales de clorofila a P700 y P680 en los centros de reacción de PSI y PSII, respectivamente. Cuando estas moléculas se estimulan, se conocen como P700* y P680*. Tanto P700* como P680* son donadores de electrones, ya que pueden ceder con facilidad un electrón a una molécula aceptora específica. P700* transfiere un electrón al aceptor electrónico A₀, una molécula de clorofila a, y P680* transfiere su electrón a una molécula de feofitina a. El espacio electrónico que queda en P700 y P680 oxidados se ocupa con un electrón de una molécula donadora. La plastocianina ejerce esta función en PSI, el agua en PSII. La fluorescencia también participa en la fotosíntesis cuando la absorción de luz rebasa la capacidad de los fotosistemas para transferir la energía (fig. 13.12b). Así, los fotones se emiten de nuevo mediante un mecanismo protector.

En la fotosíntesis, las reacciones a la luz son un mecanismo por el cual se energizan los electrones para usarlos luego en la síntesis de ATP y NADPH. Las especies que generan O₂ requieren los dos fotosistemas, I y II. Las especies que viven sin oxígeno pueden usar complejos semejantes a PSI o PSII. Al funcionar en serie, los dos fotosistemas acoplan la oxidación de las moléculas de agua inducida por la luz con la reducción de NADP⁺. La reacción general es

2 NADP⁺ + 2H₂O ⇌ 2 NADPH + O₂ + 2H⁺

Los potenciales de reducción estándar para las semirreacciones son

O₂ + 4e^– + 4H⁺ ⇌ 2H₂O E°′ = +0.816 V

y

NADP⁺ + H⁺ + 2e^– ⇌ NADPH E°′ = −0.320 V

Por lo tanto, el proceso acoplado tiene un potencial redox estándar de −1.136 V. El cambio mínimo energético para este proceso (calculado a partir de ΔG°′ = −nF ΔE°′; sección 9.1) es cercano a 438 kJ (104.7 kcal) por mol de O₂ generado. En comparación, un mol de fotones de luz de 700 nm proporciona cerca de 170 kJ (40.6 kcal). Las observaciones experimentales revelaron que se requiere la absorción de 8 o más fotones (es decir, 2 fotones por electrón) para generar cada molécula de O₂. Por consiguiente, se absorben 1 360 kJ (325 kcal) en total (es decir, 8 veces 170 kJ) por cada mol de O₂ producido. Esta energía es más que suficiente para cubrir la reducción de NADP⁺ y establecer el gradiente protónico para la síntesis de ATP.

El proceso de fotosíntesis inicia con la estimulación del PSII con la energía de la luz. Se transfiere un electrón a la vez a una cadena de portadores de electrones que conecta los dos fotosistemas. Conforme los electrones se transfieren del PSII a PSI, los protones se bombean a través de la membrana tilacoide desde el estroma al espacio tilacoidal. El ATP se sintetiza conforme los protones fluyen de regreso al estroma mediante la ATP sintasa. Cuando P700 absorbe un fotón adicional, se libera como electrón energizado. Este electrón se sustituye de inmediato por un electrón aportado por PSII. El electrón de PSO recién energizado se transfiere por una serie de proteínas con hierro-azufre y una flavoproteína a NADP⁺, el aceptor final de electrones. Esta secuencia completa, llamada esquema Z, se ilustra en la figura 13.13.

Fotosistema II y oxidación del agua

Cuando LHCII absorbe un fotón, su energía se transfiere a P680 en el PSII; el electrón recién energizado se expulsa y se dona a la feofitina a (fig. 13.14), una molécula de estructura similar a la clorofila. La feofitina reducida transfiere este electrón a una cadena de dos portadores electrónicos, Q_A y Q_B (fig. 13.14). Aunque ambas moléculas son plastoquinonas, tienen funciones diferentes en PSII. Q_A mantiene una unión estrecha con la proteína. Es un portador de un solo electrón y nunca se une con protones. Q_A transfiere su electrón a Q_B, que mantiene una unión laxa con la proteína y puede experimentar una doble reducción al recibir electrones de Q_A, uno por vez, cuando se une con dos protones estromales. A continuación se muestra la reacción de reducción doble de Q_B:

Entonces, Q_B reducido (plastoquinol, Q_BH₂) se libera a la reserva de plastoquinonas de la membrana que donan electrones al complejo citocromo b₆f, con lo que se crea un gradiente protónico transmembrana.

Un complejo generador de oxígeno, formado en parte por el cúmulo de Mn₄CaO₅ en el lado luminal de PSII y el residuo de tirosina situado en D₁, es el que realiza la transferencia de electrones de H₂O a P680 oxidado (P680⁺). Hay que recordar que el estado estimulado de P680 (P680*) reduce la feofitina a, lo que al final conduce a la formación de P680⁺. El potencial redox tan alto de este ion (+1.25 V) le permite oxidar el residuo de tirosina Y_z en D₁ y luego, al agua. La tirosina realiza una transferencia eficaz de electrones porque el radical tirosilo que se forma tiene estabilidad a la resonancia.

La evolución de un O₂ requiere la división de dos moléculas de H₂O, la cual libera cuatro protones y cuatro electrones. La evidencia experimental indica que el H₂O se convierte en O₂ por un mecanismo llamado reloj de oxidación del agua (fig. 13.15). El complejo generador de O₂ tiene cinco estados de oxidación: S₀, S₁, S₂, S₃ y S₄. En el OEC, S₀ es el estado más reducido y S₄ es el estado más oxidado. Ahora se cree que el cúmulo Mn₄CaO₅, cercano al centro de reacción PSII, es el que realiza estas transiciones. La formación del enlace entre dos átomos de oxígeno es el paso limitante del ritmo en la oxidación del agua. El complejo generador de oxígeno también extrae protones del H₂O durante su cambio por los estados de oxidación. Los protones se liberan hacia la luz tilacoidal, donde contribuyen al gradiente de pH que impulsa la síntesis de ATP.

Fotosistema I y síntesis de NADPH

La absorción de un fotón en P700 induce la liberación de un electrón energizado que pasa por una serie de portadores de electrones (fig. 13.16). El primer portador de electrón es una molécula de clorofila a (A₀). Conforme el electrón se dona de manera secuencial a la filoquinona (A₁) y a varias proteínas con hierro-azufre (la última de las cuales es la ferredoxina), se desplaza de la superficie luminal de la membrana tilacoidal a su superficie estromal. La ferredoxina es una proteína hidrosoluble móvil que luego dona cada electrón a una flavoproteína llamada ferredoxina-NAPD oxidorreductasa (FNR). La flavoproteína utiliza un total de dos electrones y un protón estromal para reducir el NADP⁺ a NADPH. La transferencia de electrones de la ferredoxina a NADP⁺ se conoce como vía de transporte de electrones no cíclico (fig. 13.17). En esta vía, la absorción de ocho protones genera un índice ATP/NAPD de 3:2. En el transporte de electrones cíclico (fig. 13.18), la ferredoxina reducida dona sus electrones a la plastoquinona, que luego los pasa al complejo cyt b_f, plastocianina y al final, a P700. En este proceso, que casi siempre ocurre cuando un cloroplasto tiene un índice alto de NADPH/NADP⁺, no se produce NADPH, sino que el transporte de electrones conduce a la transferencia de protones adicionales a través de la membrana tilacoide. Como resultado, se sintetizan más moléculas de ATP.

El ciclo de Calvin requiere un índice ATP/NADPH de 3:2. Sin embargo, el ATP también se usa para procesos distintos a la síntesis de carbohidratos. Por consiguiente, tanto la vía de fotofosforilación cíclica como la no cíclica son necesarias para la síntesis suficiente de ATP durante la fotosíntesis.

Fotofosforilación

Durante la fotosíntesis, la energía lumínica capturada por los fotosistemas de un organismo se traslada a energía en un enlace fosfato en ATP. Esta conversión se conoce como fotofosforilación. Con base en las descripciones previas, resulta evidente que existen muchas similitudes entre la síntesis de ATP en las mitocondrias y en los cloroplastos. Por ejemplo, muchas de las mismas moléculas y términos encontrados en la respiración aerobia (cap. 10) también son relevantes en las revisiones de la fotosíntesis. Aunque existen varias diferencias entre la respiración aerobia y la fotosíntesis, la discrepancia esencial entre los dos procesos es la conversión de la energía lumínica en energía redox en los cloroplastos. (Recuerde que las mitocondrias producen energía redox por la extracción de electrones de alta energía a partir de moléculas de alimentos.) Otra diferencia crucial son las características de permeabilidad de la membrana interna mitocondrial y la membrana tilacoide. A diferencia de la membrana interna de las mitocondrias, la membrana tilacoide es permeable a Mg²⁺ y Cl⁻. Por tanto, éstos se desplazan a través de la membrana tilacoide, lo que disipa el potencial eléctrico conforme los protones se transportan a través de la membrana durante la reacción a la luz. Por consiguiente, el gradiente electroquímico a través de la membrana tilacoide que impulsa la síntesis de ATP consiste sobre todo en un gradiente protónico que puede ser de hasta 3.5 unidades de pH.

Las mediciones experimentales de los índices H⁺/ATP indican que el movimiento a través de la membrana tilacoide de unos 12 protones en la fotofosforilación no cíclica produce tres moléculas de ATP. La síntesis de este ATP es posible por la absorción de ocho protones, uno por cada uno de los electrones de dos moléculas de agua. El transporte de protones se produce cuando estos electrones se trasladan por el sistema de transporte de electrones no cíclico (fig. 13.17). (La diferencia medida entre el índice protones/ATP de los cloroplastos [4 H⁺/ATP] y las mitocondrias [3 H⁺/ATP] se explica en parte por una diferencia estructural en los conductos protónicos de la ATP sintasa de los dos organelos. Se necesitan más protones para un giro de 360° del complejo del conducto protónico C₀ del cloroplasto porque tiene una mayor cantidad de subunidades que el complejo del conducto protónico mitocondrial.) En la fotofosforilación cíclica, el bombeo de ocho protones en el complejo cit b₆f, como resultado de la absorción de cuatro fotones, produce dos moléculas de ATP.

La incorporación de CO₂ al carbohidrato en los organismos eucariotas fotosintéticos es un proceso que ocurre en el estroma del cloroplasto y a menudo se conoce como ciclo de Calvin. Como las reacciones del ciclo de Calvin pueden ocurrir sin luz si se aportan ATP y NADPH suficientes, a menudo se llaman reacciones en la oscuridad. Sin embargo, el término es engañoso. Por lo general, las reacciones del ciclo de Calvin sólo ocurren cuando la planta está iluminada, ya que el ATP y NADPH se producen mediante las reacciones con luz. Por lo tanto, un término más apropiado es reacciones independientes de la luz. Debido a los tipos de reacciones que ocurren en el ciclo de Calvin, también se conoce como ciclo de fosfato de pentosa reductor (ciclo RPP, reductive pentose phosphate) y ciclo de reducción fotosintética del carbono (ciclo PCR, photosynthetic carbon reduction).

El ciclo de Calvin

La ecuación neta del ciclo de Calvin (fig. 13.19) es

3CO₂ + 6 NADPH + 9 ATP →

gliceraldehído-3-fosfato + 6 NADP⁺ + 9 ATP + 8 P_i

Por cada tres moléculas de CO₂ que se incorporan en las moléculas de carbohidrato, existe una ganancia neta de una molécula de gliceraldehído-3-fosfato. La fijación de seis moléculas de CO₂ en la glucosa sucede a expensas de 12 NADPH y 18 ATP. Las reacciones del ciclo pueden dividirse en tres fases: fijación de carbono, reducción y regeneración.

Fijación de carbono. La fijación del carbono, el mecanismo por el cual se incorpora el CO₂ inorgánico en moléculas orgánicas, se produce por una sola reacción. La ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa (Rubisco) es una enzima que requiere Mg²⁺, catalizadora de la carboxilación de ribulosa-1,5-bifosfato para formar dos moléculas de glicerato-3-fosfato (reacción 1). El mecanismo de la reacción se ilustra en la figura 13.20. Las plantas que producen glicerato-3-fosfato como primer producto estable de la fotosíntesis se conocen como plantas C3. (Las excepciones notables se describen en las páginas 484-486.) La ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa, formada por ocho subunidades grandes (L 54 kDa) y ocho pequeñas (S 14 kDa) es la enzima marcapaso del ciclo de Calvin. Cada subunidad L tiene un sitio activo que se une con el sustrato. La actividad catalítica de las subunidades L se intensifica por efecto de las subunidades S. Como la reacción de fijación de CO₂ es en extremo lenta, las plantas compensan mediante la síntesis de una gran cantidad de copias de la enzima, que a menudo constituye casi la mitad de la proteína de una hoja. Por esta razón, la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa a menudo se describe como la enzima más abundante del mundo.

Reducción. En la fase de reducción del ciclo de Calvin, el glicerato-3-fosfato se reduce a gliceraldehído-3-fosfato. En las primeras dos reacciones, seis moléculas de glicerato-3-fosfato se fosforilan a expensas de seis moléculas de ATP para formar seis moléculas de glicerato-1,3-bifosfato (reacción 2). Luego, las moléculas más grandes se reducen por acción de la NADP⁺-gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa para formar seis moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (reacción 3). Estas reacciones son similares a las encontradas en la gluconeogénesis. A diferencia de la deshidrogenasa en la gluconeogénesis, la enzima del ciclo de Calvin utiliza NADPH como agente reductor.

Regeneración. Varias reacciones de la fase regenerativa son similares a las de otras vías bioquímicas. Dos reacciones están catalizadas por aldolasa (glucólisis), dos por la transcetolasa (vía de fosfato de pentosa). La fructosa-1,6-bifosfatasa es una enzima gluconeogénica. Como se indicó antes, la producción neta de carbono fijo en el ciclo de Calvin es una molécula de gliceraldehído-3-fosfato. Las otras cinco moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se procesan en el resto de las reacciones del ciclo de Calvin para regenerar tres moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato. La regeneración de ribulosa-1,5-bifosfato comienza con las reacciones que afectan al gliceraldehído-3-fosfato. En la reacción 4, dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se isomerizan para formar dos de dihidroxiacetona fosfato. La aldolasa cataliza la condensación de una de estas moléculas de dihidroxiacetona con un tercer gliceraldehído-3-fosfato para formar fructosa-1,6-bifosfato (reacción 5). A continuación, esta última molécula se hidroliza por acción de la fructosa-1,6-bifosfatasa (reacción 6) hasta fructosa-6-fosfato. Luego, la fructosa-6-fosfato se combina con una cuarta molécula de gliceraldehído-3-fosfato en una reacción catalizada por transcetolasa para formar xilulosa-5-fosfato y eritrosa-4-fosfato (reacción 7). En la reacción 8, la aldolasa cataliza la condensación de eritrosa-4-fosfato con la segunda molécula de dihidroxiacetona fosfato para formar sedoheptulosa-1,7-bifosfato, que luego se hidroliza para formar sedoheptulosa-7-fosfato (reacción 9). La transcetolasa cataliza la reacción de la quinta molécula de gliceraldehído-3-fosfato con sedoheptulosa-7-fosfato para formar ribosa-5-fosfato y una segunda molécula de xilulosa-5-fosfato (reacción 10). La ribosa-5-fosfato y ambas moléculas de xilulosa-5-fosfato se isomerizan por separado (reacciones 11 y 12) hasta ribulosa-5-fosfato. En el último paso, tres moléculas de ribulosa-5-fosfato se fosforilan a expensas de tres moléculas de ATP por efecto de la ribulosa-5-fosfato cinasa (reacción 13) para formar tres moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato. La molécula restante de gliceraldehído-3-fosfato se usa dentro del cloroplasto en la síntesis de almidón o se exporta al citoplasma, donde puede usarse en la síntesis de sacarosa u otros metabolitos.

Fotorrespiración

La fotorrespiración (fig. 13.21) es quizá el rasgo más peculiar de la fotosíntesis. En este proceso dependiente de la luz, las células que realizan la fotosíntesis activa consumen oxígeno y liberan CO₂. La fotorrespiración es un mecanismo de múltiples pasos iniciado por la ribulosa bifosfato carboxilasa, que también tiene actividad oxigenasa. (Por esta razón se usa a veces el nombre ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa-oxigenasa, o rubisco.) Tanto el CO₂ como el O₂ compiten por el sitio activo de rubisco.

En la reacción de oxigenación, la ribulosa-1,5-bifosfato se convierte a glicolato-2-fosfato (fig. 13.22) y glicerato-3-fosfato. El glicolato-2-fosfato se hidroliza para formar glicolato, que luego se oxida por efecto del O₂ para formar glioxilato y H₂O₂. Mediante una serie de reacciones (esbozadas en la fig. 13.21), el glioxilato se convierte en glicerato-3-fosfato, el cual entra luego al ciclo de Calvin, donde se transforma en ribulosa-1,5-bifosfato. La fotorrespiración es un proceso no económico, pierde carbono fijado (en forma de CO₂) y consume ATP y NADH.

El ritmo de la fotorrespiración depende de varios parámetros, que incluyen las concentraciones de CO₂ y O₂ a las que se exponen las células que realizan la fotosíntesis. La fotorrespiración se reduce con concentraciones de CO₂ mayores de 0.2%. (Como la fotorrespiración y la fotosíntesis ocurren al mismo tiempo, el CO₂ se libera durante la fijación de CO₂. Cuando el ritmo de liberación y fijación de CO₂ son iguales, se alcanza el punto de compensación de CO₂, y mientras más bajo sea éste, es menor la fotorrespiración. Muchas plantas C3 tienen puntos de compensación de CO₂ entre 0.02 y 0.03% de CO₂ en el aire ambiental cercano a las células fotosintéticas.) En cambio, las concentraciones altas de O₂ y las temperaturas elevadas favorecen la fotorrespiración. Por consiguiente, este proceso se intensifica cuando las plantas se exponen a altas temperaturas y a cualquier condición que genere concentraciones bajas de CO₂, o altas de O₂, o ambas situaciones. Por ejemplo, la fotorrespiración es un problema grave para las plantas C3 en ambientes cálidos y secos. Para conservar el agua, estas plantas cierran sus estomas, lo que reduce la concentración de CO₂ dentro del tejido de la hoja. (Los estomas son poros en la superficie de las hojas. Cuando se abren, el CO₂, O₂ y vapor de agua difunden con facilidad en favor de sus gradientes de concentración entre el interior de la hoja y el ambiente externo.) Conforme la fotosíntesis continúa, la concentración de O₂ se eleva. Según la gravedad de las circunstancias, puede perderse 30 a 50% de la producción de carbono fijo de la planta. Este efecto puede ser grave porque varias plantas C3 (p. ej., el frijol de soya y la avena) son cultivos alimentarios cruciales.

La fotorrespiración es un artefacto en la evolución de la fotosíntesis. En la atmósfera primitiva en la que surgió el fotosistema, la concentración de oxígeno era muy baja. Por tanto, en el largo periodo previo a que la concentración de oxígeno se convirtiera en un problema, no hubo presión selectiva para mejorar la capacidad del sitio activo de rubisco para distinguir entre el CO₂ y el O₂. La presión de la selección sólo pudo ocurrir cuando la concentración de oxígeno se elevó de manera significativa. Resulta notable que la selección de CO₂ sobre la de O₂ sea mayor en las plantas verdes modernas que en las bacterias. Aunque la vía que evolucionó para convertir el glicolato-2-fosfato en glicerato-3-fosfato es costosa en consumo de ATP y NADH, se considera como una operación salvadora que recupera el carbono fijado con anterioridad y parcialmente reducido. A continuación se describen las plantas C4, que desarrollaron un mecanismo elaborado para suprimir la fotorrespiración.

Alternativas al metabolismo C3

Además de la fotosíntesis C3 que utiliza la mayoría de las plantas, existen dos mecanismos más para fijar el CO₂: el metabolismo C4 y el metabolismo ácido de las crasuláceas. Ambos mejoran la eficiencia de la fotosíntesis en climas con temperaturas altas y el agua escasa.

METABOLISMO C4 Las plantas C4 incluyen a la caña de azúcar y al maíz; crecen en los trópicos y toleran con éxito las condiciones de sequía y temperaturas altas. El nombre plantas C4 indica la función prominente de una molécula de cuatro carbonos (oxaloacetato) en una vía bioquímica que evita la fotorrespiración. Esta vía se llama metabolismo C4, la vía C4 o la vía de Hatch-Slack (en honor a sus descubridores).

Las hojas de las plantas C4 tienen dos tipos de células fotosintéticas: las células mesófilas y las células de la vaina del haz. (En las plantas C3, la fotosíntesis ocurre en las células mesófilas.) La mayoría de las células mesófilas de ambos tipos de plantas están dispuestas del tal forma que quedan en contacto directo con el aire cuando los estomas de la hoja se abren. En las plantas C4, el CO₂ se captura en las células mesófilas especializadas, donde se convierte en bicarbonato y luego se incorpora al oxaloacetato (fig. 13.23). La fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEP carboxilasa) cataliza esta reacción, que es una forma indirecta de fijación de carbono. Como la PEP carboxilasa tiene menor K_m por CO₂ (es decir, mayor afinidad) que rubisco, y como el O₂ es un sustrato deficiente, las plantas C4 son más efectivas para capturar CO₂ que las plantas C3. Una vez formado, el oxaloacetato se reduce a malato, que luego difunde a las células de la vaina del haz. Como su nombre implica, las células de la vaina del haz forman una capa alrededor de los haces vasculares, que incluyen vasos de floema y xilema. A diferencia de las plantas C3, las células de la vaina del haz de la mayoría de las plantas C4 tienen cloroplastos.

En las células de la vaina del haz, el malato se descarboxila hasta piruvato en una reacción que reduce NADP⁺ en NADPH. El producto piruvato de esta última reacción difunde de nuevo a la célula mesófila, donde puede convertirse otra vez en PEP. Aunque dicha reacción está impulsada por la hidrólisis de una molécula de ATP, tiene un costo neto de dos moléculas de ATP. Se necesita una molécula adicional de ATP para convertir el producto AMP en ADP, de tal forma que pueda fosforilarse de nuevo durante la fotosíntesis. Este proceso en circuito aporta CO₂ y NADPH a los cloroplastos de las células de la vaina del haz, donde la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa y las otras enzimas del ciclo de Calvin los emplean para sintetizar fosfatos de triosa. Las concentraciones de CO₂ disponibles para rubisco en las células de la vaina del haz de las plantas C4 son mucho más altas (10 a 20 veces mayores) que en las plantas C3. Las plantas C4 también usan el agua de manera más eficiente que las C3 porque pueden cerrar los estomas cuando la temperatura ambiental es alta y así se reduce la transpiración.

METABOLISMO ÁCIDO DE LAS CRASULÁCEAS El metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM, crassulacean acid metabolism) es un mecanismo que conserva agua en las plantas que viven en desiertos y otras regiones con luz muy intensa y suministro de agua muy limitado. (Las crasuláceas son una familia de plantas en las que se investigó la vía CAM por primera vez.) Las plantas CAM, que en su mayoría son suculentas (p. ej., cactus), abren sus estomas sólo por la noche, cuando la temperatura del aire ya descendió y el riesgo de pérdida de agua es bajo. El CO₂ entra a las células mesófilas, donde se incorpora de inmediato en una molécula de oxaloacetato por carboxilación del fosfoenolpiruvato catalizado por la PEP carboxilasa (fig. 13.24). Luego, el oxaloacetato se reduce a malato, que se almacena durante la noche en las vacuolas de las células mesófilas. Durante el día, las moléculas de malato se degradan hasta piruvato y el sustrato de rubisco CO₂. La separación temporal de la fijación de carbono y el ciclo de Calvin permiten que las plantas CAM cierren sus estomas durante el día, lo que disminuye la pérdida de agua por transpiración.

Las plantas deben adaptarse a una amplia variedad de condiciones ambientales. Por lo tanto, la regulación de la fotosíntesis es compleja. Aunque todavía no se comprende por completo el control de la mayoría de los procesos fotosintéticos, ya se confirmaron varias características. La mayoría de estos procesos está controlado de manera directa o indirecta por la luz. Después de una breve descripción de los efectos generales relacionados con la luz, se revisa el control de la actividad de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa, la enzima reguladora clave de la fotosíntesis.

Control lumínico de la fotosíntesis

Las investigaciones de la fotosíntesis se complican por varios factores. El principal es que el ritmo de la fotosíntesis depende de la temperatura y la concentración celular de CO₂, además de la luz. No obstante, muchas investigaciones confirmaron con certeza que la luz es un regulador importante de la mayoría de los aspectos de la fotosíntesis.

Muchos de los efectos de la luz en las plantas están mediados por cambios en la actividad de las enzimas clave. Como las células vegetales tienen enzimas que participan en varias vías competitivas (es decir, en la glucólisis, vía de la pentosa fosfato y el ciclo de Calvin), es crucial la regulación metabólica precisa. La luz ayuda a esta regulación porque activa ciertas enzimas fotosintéticas y desactiva varias enzimas de las vías de degradación. Entre las enzimas activadas por la luz están la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa, NADP⁺-gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, fructosa-1,6-bifosfatasa, sedoheptulosa-1,7-bifosfatasa y ribulosa-5-fosfato cinasa. Las enzimas desactivadas por la luz incluyen la fosfofructocinasa y la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa.

La luz afecta las enzimas por mecanismos indirectos. Los siguientes son los más conocidos.

1. pH. Durante las reacciones a la luz, los protones se bombean a través de la membrana tilacoide, desde el estroma a la luz tilacoidal. Conforme el pH del estroma aumenta de 7 a cerca de 8, se alteran las actividades de varias enzimas. Por ejemplo, el pH óptimo de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa es 8.

2. Mg²⁺. Varias enzimas fotosintéticas (p. ej., fructosa-1,6-bifosfatasa) se activan con Mg²⁺. La luz induce un aumento en la concentración estromal de Mg²⁺ de 1 a 3 mM hasta cerca de 3 a 6 mM. (Recuerde que el Mg²⁺ se desplaza a través de la membrana tilacoide hacia el estroma durante las reacciones a la luz.)

3. El sistema ferredoxina-tiorredoxina. Las tiorredoxinas son pequeñas proteínas que transfieren electrones de la ferredoxina reducida a ciertas enzimas (fig. 13.25). (Recuerde que la ferredoxina es un donador de electrones en PSI.) Cuando se expone a la luz, el PSI reduce la ferredoxina, que luego reduce la ferredoxina-tiorredoxina reductasa (FTR), una proteína hierro-azufre que media la transferencia de electrones entre la ferredoxina y la tiorredoxina. Las tiorredoxinas reducidas alteran las actividades de varias enzimas. Por ejemplo, las enzimas del ciclo de Calvin fructosa-1,6-bifosfatasa, sedoheptulosa-1,7-bifosfatasa, NADP⁺-gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y ribulosa-5-fosfato cinasa se activan; la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, la enzima de la vía de la pentosa fosfato, se inhibe. Al disminuir la actividad de la vía pentosa fosfato, la producción de tiorredoxina impulsada por la luz impide el flujo de carbono por una vía contraria.

4. Fitocromo. El fitocromo es una proteína de 120 kDa con un cromóforo sensible a la luz roja que existe en dos formas: P_r y P_fr. La forma azul inactiva, P_r, absorbe la luz roja (670 nm). La absorción de las longitudes de onda mayores (o sea, luz en el extremo rojo, 720 nm) convierte P_r en P_fr, la forma verde activa. En la oscuridad, P_fr degenera de nuevo a P_r. La activación del fitocromo inicia varias vías de transducción de señales que median cientos de respuestas de la planta a la luz. Además de los efectos del fitocromo en los procesos vegetales, como la germinación de la semilla, también tiene efectos específicos en procesos fotosintéticos. Éstos incluyen control del ritmo de síntesis de la subunidad pequeña de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa, regulación de la absorción de la luz mediante LHCIIb, un componente de LHCII, y la posición de los cloroplastos dentro de las células fotosintéticas.

Control de la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa

La ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa (rubisco) está regulada por cambios estimulados por la luz en la expresión génica, concentraciones iónicas y modificación covalente. Los genes de rubisco, que se encuentran dentro del cloroplasto (la subunidad L) y el núcleo (subunidad S), se activan con el aumento en la intensidad de la luz. Una vez que la subunidad S se transporta del citoplasma al cloroplasto, ambas subunidades se ensamblan para formar la holoenzima L₈S₈. Cuando la iluminación es baja, la síntesis de ambas subunidades disminuye con rapidez.

La actividad de rubisco también se modifica con varias señales metabólicas. Cuando la fotosíntesis está activa, el pH del estroma se eleva (los protones se bombean fuera del estroma hacia la luz tilacoidal) y la concentración de Mg²⁺ aumenta (el Mg²⁺ se desplaza hacia el estroma y el H⁺ sale). Ambos cambios aumentan la actividad de rubisco. Una consideración importante en este proceso es si los estomas están abiertos o cerrados (véase la revisión sobre fotorrespiración en la pág. 450). Aunque el CO₂ es el sustrato preferido de rubisco, en condiciones fisiológicas compiten entre sí la actividad carboxilasa y la actividad oxidasa. Si los estomas están cerrados, como ocurriría en un día cálido y seco, la acumulación de O₂ en el tejido de la hoja disminuye mucho la participación proporcional de la actividad carboxilasa de rubisco. Hay que recordar que las plantas C4 disminuyen esta competencia al atrapar CO₂ en un intermediario de cuatro carbonos para presentarlo mediante descarboxilación a la molécula rubisco, que está protegida de la exposición a oxígeno.

La enzima rubisco experimenta modificación covalente. El sitio activo de la subunidad L debe unirse con carbamoílo en un residuo de lisina específico para activarse. La carbamoilación es la carboxilación no enzimática de un grupo amino primario libre, en este caso el grupo amino ε de una lisina determinada en el sitio activo de rubisco (fig. 13.26). El ritmo de la carbamoilación depende de la concentración de CO₂ y de que el pH sea alcalino, lo que asegura que la fijación de CO₂ transcurra a un ritmo apreciable sólo cuando la concentración de CO₂ y la energía disponible son altas. La ribulosa-1,5-fosfato puede y se une con el sitio activo en sus formas modificada y no modificada, pero la catálisis sólo puede producirse cuando rubisco está unida con carbamoílo. El nivel de activación es cooperativo y aumenta conforme se modifican más subunidades de las ocho existentes. Una enzima llamada rubisco activasa media la eliminación dependiente de ATP de la ribulosa-1,5-bifosfato del sitio activo para que pueda producirse la carbamoilación, seguida de la activación enzimática. En ausencia de luz, la fotosíntesis disminuye y el ATP, necesario para este proceso de activación, se reduce mucho, igual que el NADPH necesario para el ciclo de Calvin. En algunas plantas, la rubisco activasa también libera una molécula inhibidora competidora, la carboxiarabinitol-1-fosfato (CA1P), que se une con el sitio activo de rubisco en la oscuridad (fig. 13.27).

Resumen del capítulo

1. En las plantas, la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos. Estos últimos tienen tres membranas. La membrana externa es muy permeable, mientras que la interna tiene varias moléculas portadoras que regulan el tráfico molecular que entra y sale del cloroplasto. Una tercera membrana, la membrana tilacoide, forma una serie intrincada de vesículas aplanadas llamadas granos que se conectan mediante láminas estromales que contienen los elementos fotosintéticos.

2. La fotosíntesis tiene dos fases principales: las reacciones a la luz y las independientes de la luz. Durante las reacciones a la luz se oxida el agua, se genera O₂ y se producen el ATP y NADPH necesarios para la fijación del carbono. Las principales unidades funcionales de las reacciones a la luz son los fotosistemas I y II, el complejo citocromo b₆f y la ATP sintasa. En el transporte de electrones no cíclico, los electrones de las moléculas de agua se transfieren del fotosistema II al fotosistema I, hasta NADP⁺ y se producen O₂, ATP y NADPH. El transporte cíclico de electrones sólo implica al PSI y genera ATP adicional, pero no NADPH. Durante las reacciones independientes de la luz, el CO₂ se incorpora en moléculas orgánicas. El primer producto estable de la fijación del carbono es el glicerato-3-fosfato. El ciclo de Calvin tiene tres fases: fijación, reducción y regeneración de carbono.

3. La mayor parte del carbono incorporado durante el ciclo de Calvin se usa al principio para sintetizar almidón y sacarosa, ambos son sustratos energéticos importantes. La sacarosa también es importante porque se usa para trasladar el carbono fijado por toda la planta.

4. La fotorrespiración es un proceso que parece gastar recursos; en éste la planta consume oxígeno y libera CO₂. Se desconoce su función en el metabolismo vegetal. Las plantas C4 y las crasuláceas, que deben tolerar ambientes cálidos y secos, desarrollaron mecanismos bioquímicos y anatómicos para suprimir la fotorrespiración.

5. La luz es un regulador importante de casi todos los aspectos de la fotosíntesis. Muchos de los efectos de la luz están mediados por cambios en la actividad de las enzimas clave. Los mecanismos por los cuales la luz induce estos cambios incluyen variaciones en el pH, concentración de Mg²⁺, el sistema ferredoxina-tiorredoxina y fitocromo. La enzima más importante en la fotosíntesis es la ribulosa-1,5-bifosfato carboxilasa. Su actividad está regulada de manera estricta. La luz activa la síntesis de los dos tipos de subunidades de la enzima. Su actividad se modifica por efectores alostéricos, así como por modificación covalente. Para la activación de rubisco es necesaria la carbamoilación de un residuo de lisina en el sitio activo.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• antena captadora de luz

• captación de la luz

• carotenoide

• centro de reacción

• ciclo de Calvin

• clorofila

• cromóforo

• esquema Z

• estroma

• fijación de carbono

• fluorescencia

• fotofosforilación

• fotorrespiración

• fotosistema

• grano(s)

• lámina estromal

• luz tilacoidal

• membrana tilacoide

• metabolismo ácido de las crasuláceas

• metabolismo C4

• pigmento antena

• planta C3

• planta C4

• reacción a la luz

• reacción independiente de la luz

• transferencia de energía por resonancia

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Defina los términos siguientes:

   1. filoquinona

   2. luteína

   3. Q_A

   4. PQH₂

   5. carotenoides

2. Defina los términos siguientes:

   1. proteína de Rieske

   2. dímero Psa

   3. dímero D₁/D₂

   4. A₀

   5. A₁

3. Defina los términos siguientes:

   1. complejo citocromo b₆f

   2. CF₀

   3. CF₁

   4. LHCII

   5. Mn₄CaO₅

4. Defina los términos siguientes:

   1. metabolismo C3

   2. metabolismo C4

   3. CAM

   4. fitocromo

   5. CA1P

5. ¿Cuál fue la contribución más importante de los organismos fotosintéticos primitivos al ambiente terrestre?

6. Listar los tres pigmentos fotosintéticos principales y describir la función de cada uno en la fotosíntesis.

7. Listar cinco semejanzas entre los cloroplastos y las mitocondrias.

8. Las moléculas estimuladas pueden regresar a su estado fundamental por varios medios. Describa cada uno de manera breve. ¿Cuáles de estos procesos son importantes en la fotosíntesis? Describa cómo funcionan en un organismo vivo.

9. ¿Qué reacciones ocurren durante las reacciones a la luz de la fotosíntesis?

10. ¿Por qué el sistema generador de oxígeno se conoce como reloj?

11. Revise la reacción neta de la fotosíntesis y explique el origen de los átomos de oxígeno en las moléculas de glucosa.

12. Mencione los tipos de metal que forman parte del mecanismo fotosintético. ¿En qué funciones participan?

13. Explique la siguiente observación. Cuando un sistema fotosintético se expone a un breve destello de luz, no se genera oxígeno, esto ocurre sólo después de varios destellos de luz.

14. Describa el esquema Z de la fotosíntesis. ¿Cómo se usan los productos de esta reacción para fijar el dióxido de carbono?

15. ¿En qué parte de la célula ocurre la fijación de carbono con referencia a la reacción dependiente de la luz?

16. El cloroplasto tiene una estructura muy organizada. ¿Cómo hace posible la fotosíntesis dicha estructura?

17. Después de una corrida del ciclo de Calvin en una planta C3, ¿dónde se esperaría encontrar la marca radiactiva de ¹⁴CO₂?

18. Una planta C4 se expone a ¹⁵O₂. ¿Dónde aparece primero esta marca radiactiva?

19. Si el maíz, una planta C4, se expone a ¹⁴CO₂, ¿en qué molécula aparecerá primero? Indique la parte de la molécula en la que se encontrará la marca.

20. ¿Qué efecto se esperaría que tuviera el dinitrofenol en la fotosíntesis?

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

1. Sin dióxido de carbono, la clorofila fluoresce. ¿Cómo impide el dióxido de carbono esta fluorescencia?

2. Se declaró que mientras más conjugado se encuentre un cromóforo, menos energía necesita un fotón para estimularlo. ¿Qué es la conjugación y cómo contribuye a este fenómeno?

3. El aumento en la intensidad de la luz incidente, pero no de su energía, aumenta el ritmo de la fotosíntesis. ¿Por qué?

4. Tanto la fosforilación oxidativa como la fotofosforilación atrapan energía en enlaces de alta energía. ¿En qué difieren estos procesos? ¿En qué se parecen?

5. En las plantas C3, las concentraciones de oxígeno inhiben la fotosíntesis. ¿Por qué?

6. Por lo general, el aumento en la concentración de dióxido de carbono incrementa el ritmo de la fotosíntesis. ¿Qué condiciones pueden impedir este efecto?

7. Se ha sugerido que los cloroplastos, como las mitocondrias, evolucionaron a partir de organismos vivos. ¿Qué características del cloroplasto sugieren que esto es verdad?

8. ¿Por qué la exposición de las plantas C3 a altas temperaturas elevan el punto de compensación del dióxido de carbono?

9. Sugiera una razón por la que los pigmentos fotosintéticos absorben con facilidad la luz visible en la región azul, pero es poco probable que absorban la ultravioleta.

10. Si una planta C3 y una planta C4 se colocan en recipientes sellados separados y se les suministran cantidades adecuadas de luz y agua, ambas sobrevivirán. Si ambas plantas se colocan en un solo recipiente sellado, la planta C3 morirá. Explicar por qué.

11. ¿Qué plantas gastan más energía por molécula de glucosa producida, las C3 o C4?

12. Los herbicidas triazina son toxinas efectivas contra las plantas C3, que se usan para suprimir el crecimiento de hierbas. Al parecer se unen con una proteína de unión con plastocianina. Sugiera un mecanismo en el que las triazinas impiden el crecimiento de C3.

13.1

Refiérase a la figura 13.4 que ilustra las localizaciones relativas de CF₀CF₁, P700 (en PSI) y P680 (en PSII) dentro de la membrana tilacoide. Las reacciones del ciclo de Calvin se llevan a cabo en el estroma, la sustancia gelatinosa que rodea la superficie externa de la membrana tilacoide. CF₀CF₁ es la ATP sintasa que utiliza el gradiente protónico transmembrana para impulsar la síntesis de ATP. P700 es el término usado para indicar el par especial de moléculas de clorofila a en el centro de reacción de PSI que absorbe la energía lumínica y luego dona los electrones energizados que al final reducen NADP⁺. P680 es un par especial de moléculas de clorofila a en PSII que absorben la energía lumínica y al final donan los electrones energizados a la plastoquinona. Las enzimas del ciclo de Calvin son las que utilizan el ATP y el NADPH generados por las reacciones con la luz para incorporar CO₂ en las moléculas de carbohidrato.

13.2

La energía de un fotón es proporcional a su frecuencia. La luz azul tiene mayor frecuencia que la luz verde y por lo tanto mayor energía.

13.3

La presencia de pigmentos antena permite a los sistemas de captura de luz de los cloroplastos recoger energía de un intervalo de frecuencias más amplio que aquellas absorbidas por las clorofilas. Debido a que sus espectros de absorción se superponen, la energía absorbida por los pigmentos antena se transfiere con rapidez a las clorofilas esenciales del PSI y del PSII.

13.4

La luz excesiva impulsa la formación de ROS, que dañan proteínas como D₁. El β-caroteno es un antioxidante que impide parte de este daño.

13.5

1. La plastocianina es un componente del complejo del citocromo b₆f; una proteína portadora de cobre que acepta electrones de la plastoquinona.

2. El β-caroteno es un pigmento carotenoide que protege las moléculas de clorofila de las ROS.

3. La ferredoxina es una proteína hidrosoluble móvil que dona electrones a una flavoproteína llamada oxidorreductasa de ferredoxina-NADP.

4. La plastoquinona es un componente del fotosistema II que acepta electrones de la feofitina a para transformarse en plastoquinol.

5. La feofitina a es una molécula de estructura semejante a la clorofila que es un componente de la vía de transporte de electrones entre el PSII y el PSI.

6. La luteína es un carotenoide que forma parte de los complejos de captura de luz.

13.6

De los herbicidas descritos, el paraquat y DCMU son los más peligrosos para los humanos. El paraquat genera radicales libres que atacan componentes celulares. El DCMU intoxica el complejo de transporte de electrones.

13.7

La hidrólisis del glicerato-1,3-difosfato genera 1 mol de ATP. Recuerde que la respiración aeróbica se estimula con concentraciones relativamente altas de ADP y se inhibe con el aumento relativo en las concentraciones de ATP. Cualquier aumento mensurable en la concentración de ATP deprime la respiración aeróbica. Recuerde también que el ATP es un inhibidor de PFK-1 y la piruvato cinasa, enzimas necesarias para derivar los esqueletos de carbono al ciclo del ácido cítrico.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

1

1. filoquinona (A₁): uno de varios portadores de electrones que transfiere el electrón energizado por PSI P700* a la ferrodoxina

2. luteína: un carotenoide que absorbe la luz y tiene acción antioxidante, se encuentra en la membrana tilacoide

3. Q_A: un portador electrónico unido con proteína en PSII; una plastoquinona

4. PQH₂: plastoquinol, la forma reducida de la plastoquinona; se oxida para suministrar dos electrones a la plastocianina

5. carotenoides: moléculas isoprenoides que funcionan como pigmentos captadores de luz y antioxidantes

3

1. complejo citocromo b₆f: un complejo proteínico de múltiples subunidades de la membrana tilacoide, de estructura y función similares al complejo citocromo bc₁ en la membrana interna mitocondrial; entrega electrones donados por el plastoquinol a la proteína hidrosoluble plastocianina

2. CF₀: un complejo proteínico que abarca la membrana en la ATP sintasa del cloroplasto, contiene un conducto protónico

3. CF₁: el componente que sintetiza ATP de la ATP sintasa del cloroplasto

4. LCHII: complejo captador de luz II, un trímero de proteínas captadoras de luz unido a las moléculas de clorofila a y b; se desprende del PSII

5. Mn₄CaO₅: un componente del complejo formador de oxígeno; se encuentra en el lado luminal de PSII

5

La contribución más significativa de los organismos fotosintéticos tempranos al ambiente terrestre fue la conversión de una atmósfera reductora (amoniaco y metano) en una atmósfera oxidante.

8

Las moléculas estimuladas pueden regresar a su estado basal de cuatro maneras: (1) fluorescencia, en la que el estado estimulado de la molécula decae cuando emite un fotón; (2) transferencia de energía de resonancia, en la que la energía se transfiere a cromóforos vecinos mediante la interacción entre orbitales moleculares adyacentes; (3) oxidación-reducción, en la que un electrón estimulado se transfiere a una molécula vecina, y (4) deterioro radiactivo en calor. Los más importantes de estos mecanismos en la fotosíntesis son la transferencia de energía por resonancia y la oxidación-reducción, que se ilustran en el esquema Z. La fluorescencia se usa como mecanismo protector en el que los fotones se emiten de nuevo cuando la absorción de luz en un sistema fotosintético es excesiva.

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El esquema Z es un mecanismo en el que los electrones se transfieren del agua al NADP⁺. Este proceso produce el agente reductor NADPH necesario para fijar el dióxido de carbono en las reacciones independientes de la luz de la fotosíntesis. El retiro de electrones del agua también conduce a la producción de oxígeno. Conforme los electrones fluyen de PSII a PSI, los protones se bombean a través de la membrana tilacoide, un proceso que establece el gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

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Los pigmentos fotosintéticos sólo pueden absorber la luz de una energía particular. El aumento en la intensidad de la luz aumenta el número de fotones presente y por tanto, puede mejorar el ritmo de la fotosíntesis. El aumento en el nivel de energía de la luz, o sea la energía de los fotones, disminuye el ritmo de la fotosíntesis porque desvía los fotones a niveles energéticos no absorbidos por los fotosistemas.

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Si ya existe dióxido de carbono suficiente para saturar todas las moléculas de ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa, la presencia de moléculas adicionales de dióxido de carbono no aumenta el ritmo de la fotosíntesis. Además, la fotosíntesis se reduce con la luz de baja intensidad.

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En condiciones de alta temperatura, el punto de compensación del dióxido de carbono de las plantas C3 se eleva porque la actividad rubisco oxigenasa aumenta con mayor rapidez que la actividad carboxilasa.

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Debido a la fotorrespiración extensa, que compite con la fotosíntesis, las plantas C3 gastan más energía por gramo de carbono fijado. Como resultado, las plantas C4 son más eficientes.