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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).
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La ecuación neta del ciclo de Calvin (fig. 13.19) es
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gliceraldehído-3-fosfato + 6 NADP+ + 9 ATP + 8 Pi
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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.
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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.
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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.
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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.
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PREGUNTA 13.7
Cuando las plantas reciben iluminación, sus índices citoplásmicos de ATP/ADP y NADH/NAD+ se elevan de manera significativa. Se cree que el siguiente mecanismo de lanzadera contribuye a la transferencia de ATP y la reducción de equivalentes del cloroplasto hacia el citoplasma. Una vez que el fosfato de trihidroxiacetona se transportó del estroma al citoplasma, se convierte en gliceraldehído-3-fosfato y luego en glicerato-1,3-bifosfato. (Esta reacción es la inversa de aquélla en la que se forma gliceraldehído-3-fosfato durante la fijación de carbono.) En la reacción citoplásmica, los equivalentes reductores se donan al NAD+ para formar NADH. En una reacción ulterior, el glicerato-1,3-bifosfato se convierte en glicerato-3-fosfato, con la síntesis concomitante de una molécula de ATP. Después, el glicerato-3-fosfato se transporta de nuevo al cloroplasto, donde se reconvierte en gliceraldehído-3-fosfato.
Esta lanzadera reduce un poco los procesos de la respiración mitocondrial. Revise la regulación de la respiración aerobia (cap. 9) y explique cómo la fotosíntesis suprime esta parte de la función mitocondrial.
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PROBLEMA 13.2
El gliceraldehído-3-fosfato, primer producto del ciclo de Calvin, se usa para sintetizar las moléculas de almacenamiento almidón y sacarosa. Esboce la vía por la que dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato se incorporan al almidón y calcúlese el costo en moléculas de ATP. Nótese que la molécula precursora en la síntesis del almidón es ADP-glucosa. Compare el costo de incorporar una molécula de glucosa al almidón con la de su degradación hasta CO2 y H2O. Asuma que la producción neta del catabolismo de la glucosa es de 30 ATP.
Solución Una molécula de gliceraldehído-3-fosfato y su isómero dihidroxiacetona fosfato se convierten por acción de la aldolasa en fructosa-1,6-bifosfato. Esta última molécula se convierte por efecto de la enzima gluconeogénica fructosa-bifosfato fosfatasa a fructosa-6-fosfato, que se isomeriza para formar glucosa-6-fosfato. La glucosa-1-fosfato, formada a partir de glucosa-6-fosfato por acción de la fosfoglucomutasa, se convierte luego en ADP-glucosa mediante la ADP-glucosa pirofosforilasa. Por lo tanto, sólo se usa un ADP para sintetizar ADP-glucosa a partir de dos moléculas de gliceraldehído-3-fosfato. El costo de la incorporación de estas dos moléculas al almidón comparado con la energía que se libera de la glucosa es 1/30 o 3.3% del número total de ATP que pueden generarse en el catabolismo de la glucosa.
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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.
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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.
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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.
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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.
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CONCEPTOS CLAVE 
El ciclo de Calvin es una serie de reacciones independientes de la luz en la que el CO2 se incorpora en moléculas orgánicas.
Las reacciones del ciclo de Calvin ocurren en tres fases: fijación, reducción y regeneración de carbono.
La fotorrespiración es un proceso no económico en el que las células fotosintéticas generan CO2.
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Alternativas al metabolismo C3
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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.
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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).
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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 Km 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.
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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.
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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.
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