J-CAPITULO 9-Vinc Segunda Edición.pdf

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
430

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
1) FOTOSINTESIS 433
METABOLISMO EN LAS PLANTAS
2) ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA FOTOSINTETICO 434
3) COMPUESTOS PROTEICOS DE LA MEMBRANA TILACOIDES, ANTENA
COLECTORA 435
4) TRANSPORTE FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES 439
a) Fotosistema II 441
b) Citocromo b6/f 445
c) Fotosistema I 446
d) ATP sintasa 447
5) FIJACIÓN DEL CO2 448
6) FIJACIÓN DE CO2 EN PLANTAS C3 449
7) RUBISCO 451
8) FOTORRESPIRACIÓN 455
9) CICLO GLICOLATO 456
10) PLANTAS DEL TIPO C4
11) VARIEDAD EN LOS MECANISMOS DESCARBOXILACIÓN 458
12) LAS PLANTAS CAM 460
13) FIJACIÓN DEL NITRÓGENO 461
14) FLUORESCENCIA 466
15) FACTORES qP y qN 469
431

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1) FOTOSÍNTESIS
Las plantas son capaces de convertir la energía radiante del sol en energía química. Esta es
a su vez empleada en la síntesis de complejas estructuras químicas, donde el ATP es la
432

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principal molécula transportadora de energía. Durante este proceso la energía del sol se
almacena en las estructuras químicas.
La fotosíntesis consta de dos etapas, donde la primera de ellas se le conoce como Etapa
Clara o Fotoquímica y se describe por medio de la ecuación de Hill. En ella se observa la
necesidad de luz y agua para generar poder reductor en la forma de NADPH. En esta etapa
se sintetiza el ATP y se libera O2 al medio como subproducto.
2H2O + luz ---> O2 + 4H + + 4e ( Etapa clara o Fotoquímica conocida como Reacción
de Hill)
La segunda parte es la Etapa Oscura, que se caracteriza por la fijación de CO2 y su posterior
reducción mediante NADPH + H, para la síntesis de Hidratos de Carbono por medio del Ciclo
de Calvin.
CO2 + 4e + 4H + ---> (CHOH)n ( Etapa oscura o Ciclo de Calvin)
El proceso por el que ocurre la conversión de energía radiante en energía química requiere
de complejos sistemas de moléculas excitables por la luz, transportadores de electrones,
enzimas y membranas que se encuentran ubicados en los Cloroplastos, (Fig. 1 -10). Estos
organelos tienen por función producir energía química como ATP, romper el H2O para liberar
O2 y obtener protones, cuyo destino será la reducción de Coenzimas que a su vez
participarán en la reducción de CO2 durante la síntesis de los Carbohidratos. En cambio las
Mitocondrias animales también producen ATP, pero emplean O2 para oxidar Coenzimas
En la Grana o apilamiento de membranas tilacoidales se producen las reacciones claras que
necesitan luz.
En el Estroma se llevan a cabo las reacciones oscuras que no necesitan luz
Membranas
Tilacoidales
Memb.
Ext.
Memb.
Int
.
L U Z
Estroma
Grana
H O
2
N A D P
A D P + P i
HIDRATOS
DE
CARBONO
O 2
N A D P H + H
C O
A T P 2
ETAPA CLARA ETAPA OSCURA
Fig 1 - 10. Estructura del Cloroplasto presente en el mesófilo de las hojas. La síntesis de Hidratos
de Carbono se lleva a cabo en el Estroma y la ruptura del agua en las membranas Tilacoides o
Grana.
433

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reducidas cuyos protones se obtienen de la oxidación de Carbohidratos y otros substratos. De
esta manera los protones se entregan finalmente al O2 formando H2O metabólica.
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2) ESTRUCTURA GENERAL DEL SISTEMA FOTOSINTETICO
El Cloroplasto es un organelo constituido por tres membranas que a su vez definen tres
espacios físicos funcionalmente diferentes (Fig. 1 - 10).
a) La membrana externa lo separa del citoplasma y lo aísla como identidad, esta membrana
tiene una constitución porosa y permite el paso de las moléculas con relativa facilidad en
ambos sentidos.
b) La membrana interna en cambio presenta varios sistemas de transporte para dejar pasar
precursores y productos siendo muy selectiva.
El espacio interno que rodean ambas membranas externa e interna, se denomina Estroma y
es donde se encuentran muchas enzimas destinadas a la fijación del CO2 junto al Ciclo de
Calvin donde se lleva acabo la Síntesis de los Hidratos de Carbono.
c) La tercera membrana es la Tilacoidal (Fig.2 - 10) en cuyo seno se encuentran embebidos
los sistemas transductores de energía. Estos se denominan Fotosistema II o P 680 y el
Fotosistema I o P 700. Ambos fotosistemas capturan energía radiante a 680 y 700 nm
respectivamente. Esta energía se emplea para llevar electrones de bajo a alto potencial
reductor. Una vez excitados los electrones serán capaces de fluir a través de una cadena de
transportadores empleando su energía en la formación de un gradiente quimiosmótico que
posteriormente se acopla a la síntesis de ATP.
Las membranas tilacoidales al encerrar un espacio de forma discoidal se apilan entre sí
formando la estructura denominada como Grana (Fig. 1 - 10). Los lúmenes internos de los
compartimentos intratilacoidales se encuentran en algunos casos conectados entre sí. A
Tilacoides
ATP sintasa
Fotosistema I I
Fotosistema I
Citocromo b f
Fig. 2 - 10. Distribución de los Complejos del Fotosistema II, Citocromos b6/f y Fotosistema I
junto a la ATP Sintasa en la membrana Tilacoides.
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ambos lados de esta membrana es donde se forma el gradiente quimiosmótico o gradiente de
protones como consecuencia del flujo de electrones entre ambos Fotosistemas y de la
presencia de una bomba de protones que los pasa desde el estroma al lumen. (Fig 16 - 10).
La diferencia de concentración de iones hidrógenos entre lumen y estroma, es de alrededor
de 2,5 unidades de pH. Como consecuencia de este gradiente los protones pasan ahora
desde el lumen al estroma generando con ello ATP por medio de una ATP Sintasa, que
posee un canal iónico destinado a permitir el paso de los protones capturando la energía del
gradiente quimiosmótico en la forma de ATP (Fig. 16 - 10).
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3) COMPLEJOS PROTEICOS DE LA MEMBRANA TILACOIDES, ANTENA COLECTORA
Su función es captar la energía radiante entre los 400 y 700 nm y transferirla a los Centros de
Reacción donde se encuentran los Fotosistemas II y I. La antena colectora actúa como un
embudo para transferir la energía de los fotones al Centro de Reacción (Fig. 3 - 10)
El proceso de captación de la energía radiante está a cargo de los pigmentos fotorreceptores
de la antena, así tenemos que una hoja con 70 millones de células tiene aproximadamente
cinco mil millones de Cloroplastos y cada uno de ellos cuenta aproximadamente con 600
Antena
f
Luz
Fotones
f
f
f
f
f
MOLECULAS
DE LA
ANTENA
CLOROFILA
CAROTENOIDES
f
=
fotón
P
Fotosistema
Fig. 3 - 10. Los fotones excitan a los pigmentos que conducen la energía al centro de reacción.
millones de moléculas de Clorofila las que están unidas a las proteínas de la membrana t
tilacoidal. Solo 250 a 300 de ellas se encuentran en cada antena y transfieren la energía de la
luz
435

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con la ayuda de pigmentos especiales que poseen enlaces dobles conjugados, estos se
excitan a diferentes longitudes de onda que las Clorofilas y aprovechan la mayor parte del
espectro de luz visible. En los pigmentos la presencia de dobles enlaces conjugados es
necesaria para así disponer de electrones que puedan excitarse produciendo una
redistribución de su nube dentro de la estructura molecular del pigmento. Posteriormente, al
volver a decaer en energía, los electrones
excitados retornan a sus orbitales originales emitiendo a su vez fotones, por medio de un
fenómeno denominado fluorescencia. Este se transmite de una molécula colectora a otra,
Espectro de la Luz que alcanza la Tierra
Absorción
Clorofila b
Clorofila a
300 400 500 600 700 800
nm
Ficoeritrina
Absorción
Caroteno
Ficocianina
300 400 500 600 700 800
nm
Fig. 4 - 10. Espectros de Absorción de la luz solar presentado por los pigmentos de la antena.
siendo finalmente canalizado hasta el centro físico de la antena, que se encuentra formado
por un par de Clorofilas sin Mg. Este par se halla tanto en el fotosistema P680 como en el P
700 y ambos constituyen los dadores de electrones primarios.
Entre los pigmentos de la antena colectora encontramos a las Clorofilas a y b con cuatro
anillos de Pirrol, desde el I al IV, los que se ligan en un Tetrapirrol con un átomo de Mg en el
centro y una cadena Fitol en el anillo IV (Fig. 5 - 10). La Clorofila a tiene un grupo Metilo en la
posición 3, mientras que la Clorofila b posee un Formilo en la misma posición y se le
encuentra en plantas superiores y algas. Entre los pigmentos accesorios de la antena se
encuentra el Beta-Caroteno, la Ficoeritrina y la Ficocianina que cubren el espectro de las luz
solar que alcanza la Tierra (Fig. 4 - 10).
436

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Estos pigmentos se excitan con una longitud de onda distinta a la Clorofila para aprovechar
todo el espectro de la luz solar (Fig. 4 - 10).
Nótese la presencia de dobles
enlaces conjugados en el anillo
CLOROFILA a
C H
2
C H
2
CLOROFILA b
C H O
Cadena Fitol
C H
3
I
N
M g
N
C H
3
I I
C H C H
2 3
C H
3
C H
3
C H
3
C H
3
O
H
H C
3
I V
N
N
I I I
C H
3
H C
3
O
C
C H
2 H
C H
2
H
C
3 O
O
C H
O
Fig. 5 - 10. Molécula de Clorofila.
Las Clorofilas poseen máximos de 460 y 660nm en el tipo a y máximos de 430 a650nm en el
tipo b (Fig. 5 - 10).
Caroteno
Dobles enlaces conjugados
C H 3 C H3 C H C H
3
3
C H
H C
3
C H
3
3
C H
3
C H
3 C H 3
Fig. 6 - 10. Pigmento β-Caroteno.
437

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Los pigmentos accesorios poseen máximos de absorción distintos a la Clorofila y contribuyen
a cubrir el total del espectro de luz visible supliendo a las Clorofilas en regiones en donde su
absorción es deficiente. Entre los pigmentos accesorios se encuentran los Beta-Carotenos
(Fig. 6 - 10), con máximos de absorción entre 400 y 500nm (Fig. 4 - 10).
FICOERITROBILINA
Cuando este grupo se esterifica a una
proteína se forma la FOCOERITRINA
C O O C O O
C H 3
C H C H
2
2
C H
C H C H C H C H C H 3 3 2
2 3
C H 2
C H C H
3
O
N
H
N
H
N
N
H
O
FICOCIANOBILINA
Cuando este grupo se esterifica a una
proteína se forma la FICOCIANINA
Diferencias
entre ambos
pigmentos
C O O C O O
C H 3 C H C H
2
2
C H
C H C H C H C H C H 3 3 2
2 3
C H 3
C H 3
C H 2
O
N
H
N
H
N
N
H
O
Fig. 7 - 10. Molécula de Ficoeritrina.
Las Ficobilinas, formadas por tetrapirroles de cadena abierta como la Ficoeritrobilina (Fig. 7 -
10), que se encuentra presente en las algas rojas y que conjugada a una proteína constituye
la Ficoeritrina con máximos de absorción entre los 500 y 600 nm (Fig. 4 - 10). Otro de los
pigmentos accesorios lo constituyen las Ficocianobilinas (Fig. 7 - 10), presentes en las algas
verde-azuladas que conjugados con una proteína pasan a formar las Ficocianinas que
absorben entre las regiones de 500 y 700 nm (Fig. 4 - 10).
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438

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4) TRANSPORTE FOTOSINTÉTICO DE ELECTRONES.
La presencia y disposición de los Fotosistemas en el Cloroplasto permite "elevar" el Potencial
Redox [ un Pot. Red. negativo (-) tiene capacidad para donar electrones y es un reductor
fuerte mientras que un Pot. Red (+) tiene capacidad de aceptar electrones y es un oxidante
fuerte] desde + 0,81 a - 0,32 volt (Fig. 8a - 15), es decir llevar los electrones cargados
negativamente desde un polo (+) a un polo (-). Este proceso, no es espontáneo y requerirá
a )
Eo '
1,0
0,5
0,0
0,5
Cl *
PS I I
PQ
Cit
b / f
6
Pc
Cl *
PS I
Cl
Fd
1,0
H2O 1/2 O2
Cl
b )
LUZ
Fd
PS I I
PQ
Cit b/f
6
PS I
2 H2O O2 + 4 H
+
Pc
Fig 8a - 10. Esquema Z de la cadena de transporte de electrones en el Cloroplasto.
Fig 8b - 10. Los Fotosistemas II y I están integrados en la membrana Tilacoides.
de la energía aportada por la luz sobre los Fotosistemas II y I, (Fig. 8b - 15).
Una vez que el Fotosistema II ha elevado la energía de los electrones, es entonces posible
que funcione normalmente la cadena de transporte de electrones desde el potencial
electronegativo al electropositivo en la membrana Tilacoides. De esta manera se genera un
gradiente de protones a través de esta membrana, donde la energía conservada por este
gradiente se empleará posteriormente en la síntesis de ATP. A continuación, el Fotosistema I
volverá a "elevar" el Potencial Redox de los electrones para que en un último paso se
reduzcan el NADP a NADPH + H + completando la cadena (Fig. 9 - 10).
El problema que ocurre en el Cloroplasto radica en que no se puede iniciar una cadena de
transporte con electrones electropositivos de baja energía, lo que no ocurre en la Mitocondria,
ya que la cadena se inicia de inmediato con electrones electronegativos a - 0,32 volt y que
son producidos por las Coenzimas reducidas. Por esta razón se requiere de la energía
radiante para pasar los electrones electropositivos del Cloroplasto a electronegativos e iniciar
la cadena reductora que finalizará con la reducción del NADP.
En general al comparar los Cloroplastos con las Mitocondrias se observa que los primeros
rompen el agua y producen NADPH para reducir CO2, formando moléculas hidrocarbonadas,
439

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
mientras que las Mitocondrias forman agua metabólica y destruyen moléculas
hidrocarbonadas por oxidación con O2:
Cloroplasto
2H2O + 2NADP ---------------> O2 + 2NADPH + 2H +
Mitocondria
O2 + 2NADH + 2H + -------------->2H2O + 2NAD
Se puede simplificar aún más el concepto, concluyendo que la Fotosíntesis
ocurre con la ruptura del agua para producir Oxígeno y la Respiración animal con la
formación de agua a partir del Oxígeno.
E o
'
[V]
- 1,6
- 1.4
- 1.2
- 1.0
- 0,8
- 0,6
- 0,4
- 0,2
0
0,2
0,4
0.6
0,8
1,0
Luz
P 680 *
O 2 H + 2 +
Feofitina
Plastoquinona
Quinona
P 700 *
Clorofila acept.de e
Filoquinona
Prot Fe - S
Ferredoxina
ferredoxina
NADP dep.
NADP +
NADPH
Ciclo Q Complejo
Citoc b /f 6
Plastocianina
H +
P 700
El Ciclo Q pasa protones
2 P 680
al lumen desde el estroma
Mn
Mn
1/2
H O
FOTOSISTEMA i i
Luz
FOTOSISTEMA I
Fig. 9 - 10. Bombeo de electrones por los Fotosistemas II (P680) y I (P700) entre la ruptura del
agua para formar O2 y la formación de la Coenzima NADP reducida.
Fotosíntesis (Cloroplasto, PS II)
2 H2O < -------------------> O2 + 4H + + 4 electrones
Respiración Animal
(Mitocondria, Citoc. Oxidasa)
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440

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a) El FOTOSISTEMA II.
El Fotosistema II esta formado por las siguientes moléculas (Fig. 10 - 15).
Centro de Reacción P S 2.
Luz
6 8 0 nm
f
f
f
f
f
f
ANTENA
CLOROFILA
CAROTENOIDES
P 6 8 0 :
Clorofila s/Mg
PLASTOQUINONA
2 H + H 2
D 1 D 2
Q A Q B
LIBRE
Fotón =
f
FEOFITINA
f
T y r Z
P 6 8 0
33
Mn
23 Mn
4 X
e
Complejo Disruptor del H 2 O
Fig 10 - 10. Fotosistema II
2 H O 2 4 H + + O 2
a) El sistema P680 esta formado por dos Clorofilas que absorben luz a 680 nm y que se
encuentran unidas a los polipéptidos D1 y D2.. Su función es actuar como donadores
primarios de electrones.
b) La Feofitina formada por una Clorofila sin Mg y cuya función es aceptar el electrón
del P680.
c) La Plastoquinona Q A o Quinona unida a una proteína que actúa como aceptor
primario de electrones desde la Feofitina.
d) La Plastoquinona Q B o Quinona libre que actúa como aceptor secundario de
electrones desde la Plastoquinona Q A . Esta Quinona es capaz de difundir libremente
entre los complejos proteicos después de ser reducida a diferencia de la Q A que es fija.
e) El sistema oxidante del agua con sus 4 átomos de Mn.
f) El factor Z con los polipéptidos D1 y D2 que aportan un residuo de Tyr y que actúan
como un conjunto donador secundario de electrones para restituir el electrón del P680.
El Complejo Fotosintético II funciona de la siguiente manera:
441

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Los fotones excitan a las moléculas de Clorofila de la antena y la energía de excitación es
transferida en este embudo desde una molécula de Clorofila a otra (Fig. 10-13), hasta
alcanzar al complejo donador primario de electrones o P680 representado en las figuras 11-
13 y 12-13. Este centro de reacción es parte del fotosistema PS II y se encuentra formado por
un par de moléculas de Clorofila. Al ser excitado el sistema P680, transfiere un electrón en 10 -
12 seg. a una molécula adyacente de Feofitina (Clorofila sin Mg) y adquiere de esta manera
carga positiva al quedar como catión P680 + . Ahora el electrón pasa desde la Feofitina a la
Plastoquinona o Quinona A en 200 x 10 -12 seg. y posteriormente en una forma más lenta, en
200 x 10 -6 seg. pasa a la Quinona B que se encuentra libre.
Cuando la Quinona B está doblemente reducida, difunde libremente hacia el Complejo b6-f
donando sus electrones al Ciclo Q. Desde el Complejo b6-f los electrones pasan a una
pequeña proteína denominada Plastocianina y desde allí se dirigen al Fotosistema I.
Secuencia de Polarización del Fotosistema II .
1 2 3 4
Q
B
Q
B
Q
B
Q
B
Energía
Radiante
Q
A
Q
A
Q
A
Q
A
Feo Feo Feo
P
*
P
P
680 680 680
Feo
P
Z
Los Fotones exitan
al sistema P 680
FACTOR Z
P 680
*
Feo
Z
PEPTIDO
( DONADOR
PRIMARIO (
( CLOROFILA SIN
MAGNESIO )
Fig. 11 - 10. Polarización del Fotosistema II.
Z
Q A ( PLASTOQUINONA )
( QUINONA
Q B
LIBRE )
Z
Máxima
separación
de las cargas
El sistema P680 oxidado al quedar con carga + recupera su electrón por medio de un
polipéptido D1 cuyo residuo de Tyr denominado factor Z permanece como Tyr Z +
después de donar su electrón.
Esta polarización o separación máxima de cargas en el PS II, se traduce en una capacidad
oxidativa de tal magnitud que es capaz de extraer en forma secuencial 4 electrones desde los
442

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
4 átomos de Mn que se encuentran asociados a las proteínas del PS II y que están
involucradas en la oxidación del agua.
Este último sistema posee 5 etapas independientes y se le denomina reloj oxidante (Fig. 13 -
10). Este reloj proporciona electrones a las Clorofilas ubicadas en el l centro de reacción del
Fotosistema II (P680).
a)
+
+
4 P + 4 H + 2 Q + 4 Fotones 4 P + 2 Q H
680 B 2
680
DONADOR
+ +
4 P + 4 P + 4 Z
PRIMARIO
680
680
+
4 Z + [ Complejo con M n ]
0
+ 4
4 Z + [ Complejo con M n ]
+ 4
[ Complejo con M n ] + 2 H O 2
[ Complejo con M n ]
0
+
+ 4 H + O 2
2 H O 2 + Q B
+ 4 Fotones
O 2 + 2 Q H B
b)
2 H
2
Complejo Disruptor
del Agua
+ 4
[ Complejo con M n ]
4 H + O 2
[ Complejo con Mn ]
0
4 Z
Energía
Fotónica
_
e
+
4 Z
_
Paso de 4 e
en forma individual
f
procedente
de la
antena
+
4 P
680
4 P
680
Q H
B 2
Q
B
Fig 12a - 10. Polarización del Fotosistema II junto al paso secuencial de los 4 electrones
producto de la ruptura del agua.
Fig 12b - 10. Visión similar del mismo proceso.
Cuando el P680 recibe un fotón el reloj avanza un estado S o en una etapa de oxidación
dinámica de sus átomos de Mn. Los que son capaces de liberar un electrón por etapa,
excepto en la etapa S4 en cuyo estado de oxidación, se libera espontáneamente una
molécula de Oxígeno para luego volver luego al estado So completando un ciclo.
443

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Reloj Oxidante del Agua .
P 680
e
e
O 2
Z
e
e
2 H O
2
S4
S o
2 H
+
H +
e
e
S
3
S1
H +
e
S
2
e
Fig. 13 - 10. Reloj que indica como el complejo Mn -proteico libera
secuencialmente 4 electrones para oxidar el agua.
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444

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
b) CITOCROMO b6/f
El Complejo del Citocromo b6/f, (Fig. 14 - 10) se encuentra a medio camino de la cadena de
transporte de electrones entre el sistema P680 y el P700. Esta formado por varios
polipéptidos transportadores de electrones codificados por el núcleo y el cloroplasto. El
polipéptido que se une a la Quinona recibe de esta protones y electrones, donando los
electrones al siguiente transportador y liberando los protones a través de la membrana
mediante el Ciclo Q, descrito previamente en las mitocondrias. En este complejo se
encuentran el Citocromo b 563 , una proteína de Rieske Fe-S y el Citocromo c 552 . El flujo de
electrones viene desde la Quinona reducida QB H2 que participa en el ciclo Q, pasa al
citocromo b6/f y se dirige desde aquí a la Plastocianina.
La entrada de protones al espacio intratilacoidal o lumen ocurre mediante el Ciclo Q que
provoca una diferencia de pH de 3,5, ya que el Estroma tiene un pH de 8 y el espacio
intratilacoidal de 4,5.
Citocromo b6/f
LUMEN O
+
H
ESPACIO INTRATILACOIDAL
+
e + H
Polipéptido
Quinona
e
Rieske Fe S
C i t. b6
C i t. f
TILACOIDES
Ciclo Q
ESTROMA
+
H
BOMBEO
DE
PROTONES
Ferredoxina
Nucleótido
Reductasa
Fig. 14 - 10. Citocromo b6/f con Ciclo Q que bombea protones al espacio intratilacoidal y
que pasa electrones entre el PS II y PS I.
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445

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
c) FOTOSISTEMA I.
En forma similar a la anterior el Fotosistema I, (Fig. 15 - 10) atrapa luz mediante los
pigmentos de la antena, Clorofila a y b más los Carotenoides, para canalizar esta energía al
centro de reacción formado por las dos Clorofilas. Estas se encuentran unidas a un dímero
proteico con subunidades A y B que atraviesa la membrana y constituye el centro P700.Este
sistema pierde un electrón hacia un aceptor Ao, conocido por ser una forma especial de
Clorofila como es la Feofitina del Fotosistema II, quedando ahora como P700 + y Ao - .
Centro de Reacción PS I
Luz
70 0 nm
f
f
f
2 H +
f
f
NADP
f
ANTENA
NADPH + H
CLOROFILA
CAROTENOIDES
P 700
:
Ferredoxina
4 Fe - 4 S
4 Fe - 4 S
e
FILOQUINONA
FERREDOXINA
REDUCTASA
Clorofila s/Mg
o FEOFITINA
Fotón = f
A
e
e
B
f
PLASTOCIANINA
f
Fig 15 - 10. Fotosistema PS I encargado de excitar los electrones nuevamente para formar
NADPH.
El compuesto Ao - es un fuerte reductor que pasa los electrones a la Filoquinona y luego
desde allí a la proteína Fe-S que su vez los pasa a la Ferredoxina (también es una proteína
Fe-S). El último aceptor de electrones es la Ferredoxina-NADP Reductasa que transfiere
electrones desde la Ferredoxina reducida al NADP para quedar finalmente como NADPH +
H + .
A continuación se produce la polarización del Fotosistema I y de forma similar al caso
anterior el P680+, se restaura con un electrón de la Plastocianina, proteína que contiene Cu y
que se encuentra en la cadena en una posición previa al Fotosistema I.
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446

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
d) ATP SINTASA
ADP + P ATP
ESTROMA
ATP SINTASA C F 1
II
III
III
III
IV
II
H + +
C F o
MEMBRANA
TILACOIDAL
LUMEN
2 H 2 O O2 + + 4H
Mn
P S I I
Q H2
Q
Cyt b / f
6
P c
P S I
Fd
2 H + 2 H + NADP NADPH + H
LUZ
LUZ
Fig 16 - 10. Destino de los protones provenientes de la ruptura del agua y los aportados por
el Ciclo Q en la síntesis de ATP.
Este sistema funciona básicamente de la misma forma que en las mitocondrias y se
encuentra impulsado por un gradiente de protones que existe en ambos lados de la
membrana tilacoides (Fig. 16 - 10). El gradiente se encuentra formado por los protones
importados desde el Estroma por el Ciclo Q más la ruptura del agua que ocurre en el lado
luminal. La salida de los protones hacia el estroma se realiza por medio del canal iónico CFo
asociado a la enzima CF1. Entre ambos constituyen la ATP Sintasa. El paso de estos
protones provoca a su vez en la parte CF1 cambios conformacionales que varían la afinidad
de la enzima por el ADP, Pi y el ATP. La reacción necesita de Mg.
La parte CF1 consta de 3 subunidades α que se encuentran intercaladas con 3 subunidades
β, más las subunidades γ, δ y ε (Fig. 16 - 10). A su vez las subunidades α y β constituyen el
sitio activo que junto a la subunidad ε están codificadas por el genoma del Cloroplasto. El
canal iónico o parte Cfo de la enzima comprende a las subunidades I, III y IV que también se
encuentran codificadas por el genoma del Cloroplasto, mientras que las subunidades γ, δ y II
se encuentran codificadas por el núcleo.
En la Figura 16 - 10, se puede apreciar la disposición de los dos Fotosistemas, el citocromo
b6/f y la ATP sintasa. Los protones se acumulan en el espacio intratilacoidal bombeados por
el Ciclo Q del Citocromo b6/f y salen por medio de la ATP Sintasa que aprovecha la energía
del gradiente de carga y concentración para la síntesis de ATP.
447

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
inicio
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448

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
5) FIJACION DEL CO2.
Solo el 1% del total de la energía radiante que alcanza la Tierra es aprovechada por las
plantas para generar biomasa. La eficiencia con que se fija el CO2 puede variar entre ellas,
así tenemos que se aproxima al 2% en las plantas conocidas como C4 y en otras conocidas
como C3 ni siquiera se alcanza el 1%.
Las plantas como organismos dependientes de la luz tienen un metabolismo que procede en
dos etapas, la primera consta de una serie de reacciones ya descritas que constituyen la
etapa clara que arroja como productos fotosintéticos ATP, NADPH y O2 por la ruptura del
agua. La etapa oscura en cambio, consta de reacciones de fijación de CO2 y síntesis de
hidratos de carbono (Fig. 17 - 10).
Durante la fijación del CO2, se ha determinado que algunas plantas mantenidas en un
invernadero, donde se acumula el CO2, experimentan un inusitado desarrollo (plantas
denominadas C3) y que otras en similares condiciones no experimentan beneficio alguno
(plantas denominadas C4). Esta diferencia se debe principalmente a la forma como ambos
tipos fijan el CO2.
En general entre las plantas existen tres estrategias distintas de fijación:
a) Las C3, se encuentran en los climas templados con temperaturas inferiores a 30 o C y se
denominan así por el compuesto de tres átomos de carbono que se genera al fijar el CO2
durante el día.
b) Las C4, pertenecientes a climas tropicales o subtropicales, con temperaturas superiores a
los 30 o C y que fijan el CO2 mediante la formación de un compuesto de cuatro átomos de
carbono durante el día.
c) Las CAM ( Crassulacean Acid Metabolism) por Metabolismo Ácido de la Crasulaceas.
Estas plantas se encuentran en climas desérticos y para no perder agua por los estomas
proceden a abrirlos solo por la noche para fijar el CO2 mediante la formación de un
compuesto de cuatro átomos de carbono. Este último se almacena hasta el día siguiente
donde se procede a incorporarlo.
CITOPLASMA
LUZ
ETAPA CLARA
CLOROPLASTO
ETAPA OSCURA
CICLO DE CALVIN Y BENSON
H2O
1/2 O2
Cyt b6/f
NADPH
FOSFOFRUCTO
CO 2
NADP
QUINASA
RUBISCO
ATP
ADP
ATP
ALMIDON
CICLO DE REDUCCION
FOTOSINTETICA
GLICERALDEHIDO 3 P
DEL CARBONO DESHIDROGENASA
NADPH
TRIOSA
FOSFATO
FRUCTOSA 1,6 BIFOSFATASA
SUCROSA
Fig 17 - 10. Esquema simplificado de la etapa clara y oscura en el Cloroplasto.
449

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
inicio
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6) FIJACIÓN DEL CO2 EN PLANTAS C3.
Las plantas C 3 son las más comunes y se encuentran presentes en todos los climas
templados e incluyen al tomate, trigo, cebada, remolacha, papa, tabaco, espinaca, girasol,
etc.
En general desde las bacterias fotosintéticas, las algas azules o cianofíceas, los musgos y
helechos hasta todos los árboles, incluyendo las coníferas, pertenecen a este grupo.
Para la fijación del CO2 todas las plantas C3, C4 y CAM, poseen el Ciclo de Reducción
Fotosintética del Carbono (RFC) o Ciclo de Calvin y Benson (Fig. 18 - 14).
En este Ciclo el CO2 se integra a una molécula de 5 carbones para luego formar dos
moléculas de tres carbones o triosas fosfato (C3), a continuación estas son nuevamente
fosforiladas y enseguida reducidas por los productos de la etapa clara de la fotosíntesis (ATP
y NADPH). De esta forma el destino final del CO2 puede consistir en:
a) ser reciclado como el metabolito aceptor de CO2, la Ribulosa-1,5-Bifosfato de 5
carbones en el Estroma.
b) ser destinado a la síntesis de Almidón en el Estroma del Cloroplasto.
c) ser exportado para la síntesis de Sacarosa en el citoplasma.
La enzima que cataliza la fijación del CO2 se llama Ribulosa -1,5-Bifosfato Carboxilasa y
puede ser también abreviada con el nombre de Rubisco.
La estructura celular de las hojas en una planta C3 difiere notablemente de las plantas tipo C4
como se aprecia en las Figuras 18 - 10 y 24 - 10.
En un corte transversal de la hoja perteneciente a una planta C3 se observa en la parte
superior de ella la cutícula y parte de su epidermis donde se encuentran intercalados los
CORTE TRANSVERSAL DE UNA HOJA EN UNA PLANTA C 3
EPIDERMIS SUPERIOR
ESTOMA
CUTICULA
CELULAS EN EMPALIZADA
MESO -
FILO
CELULAS ESPONJOSAS
VASOS DEL FLOEMA
Y XILEMA
TEJIDO LAGUNAR
EPIDERMIS INFERIOR
ESTOMA
Trigo
Fig. 18 - 10. Estructura de la hoja en plantas C3.
450

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
estomas que permiten la entrada del CO2. Desde aquí el CO2 difunde hacia el Mesófilo con
su tejido en empalizada alcanzando el tejido esponjoso donde todos los Cloroplastos poseen
la enzima Rubisco para fijar el CO2. Finalmente hacia el centro se encuentra el haz vascular
que rodea a los vasos del floema y xilema por donde se transporta la savia.
De esta manera en todos los Cloroplastos de las plantas C3 se lleva a cabo el Ciclo de Calvin
y Benson o Ciclo Fotosintético Reductor para fijar el CO2.
Este ciclo se puede dividir en tres eventos (Fig. 19 - 10) que son:
a) Fijación de CO2 o Carboxilación
b) Reducción con NADPH
c) Regeneración
BALANCE DEL CICLO DE CALVIN .
2 X 3
C O + H O
2 2
2 X 3
2 X 5
2 X 3
Ribulosa - 1,5 - Bifosfato
2 x 3 ADP
2 x 3 ATP
Ribulosa - 5 - Fosfato
2 X 3 Pi
Gliceraldehido - 3 - Fosfato
FIJACION
2 X 6
2 X 6
REDUCCION
REGENE -
RACION
2 X 6
3 - Fosfoglicerato
2 x 6 ATP
2 x 6 ADP
1 , 3 - Bifosfoglicerato
Gliceraldehido - 3 - Fosfato
2 x 6 ( NADPH + H )
2 x 6 ( NADP + Pi )
2 X 1
Gliceraldehido - 3 - Fosfato
Glucosa
Fig. 19 - 10. En el Ciclo de Calvin y Benson por cada tres moléculas de CO2 se sintetiza una
Triosa fosfato y se consumen 9 ATPs y 6 NADPH.
inicio
Volver al
451

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
7) RUBISCO
a) Fijación de CO2 o Carboxilación
La enzima fijadora de CO2 denominada RuBisCO, es la enzima que se encuentra en mayor
cantidad en la naturaleza. Esta enzima cataliza la unión del CO2 a compuestos de cinco
carbonos como la Ribulosa-1,5-Bifosfato, para formar luego dos moléculas de tres carbones o
3-Fosfoglicerato (Fig. 20a - 10).
La enzima tiene 8 subunidades catalíticas grande y 8 subunidades reguladoras pequeñas
(Fig. 20b - 10). Cada subunidad grande tiene 475 aas. y un PM de 50kD. A su vez se
encuentran codificadas por una sola copia del gen rbc L por genoma del Cloroplasto. Las 8
subunidades reguladoras pequeñas tienen 120 aas. cada una y un PM de 15kD. La
subunidad pequeña se encuentra codificada por una familia de genes rbc S que se
encuentran presentes en el genoma nuclear.
Las dos subunidades se pliegan y asocian en el Cloroplasto con ayuda de Chaperoninas y
Cochaperoninas, para formar dos capas con un total de 16 subunidades denominadas L 8 S 8 -
holoenzima.
El sitio activo esta formado por residuos del lado Ct de una subunidad L y los residuos del
lado Nt en la siguiente subunidad L.
La enzima recién aislada tiene una Km para el CO2 que se encuentra entre 18 y 20
microMolar. Su síntesis es activada por las condiciones de luz y su actividad por conocidos
a)
O
C H O P O
2
C O O
C O H
RuBisCO
Ribulosa - 1,5 - Bifosfato + CO 2 ( 3 - Fosfoglicerato )
2
O
2 C H O P O
2
3
Enediol Intermediario
O O C C OH
O
C O
Cetoácido
H
C
C H 2
O H
O
O
P
O
+
C
O
O
H
C
C H 2
O H
O
O
P
O
H
H
b)
C H 2
C
C
C
C H 2
O
O H
O H
O
O
O
O
P
O
O
P
O
Rubisco
S
L L
S S
L L
S
Desde arriba
O
Ribulosa - 1, 5 - Bi - P
O
1
L S
8 8
vista lateral
O O C
H O
H
C H 2
C
C
C
C H 2
O H
O
O H
O
O
O
O
P
O
O
P
O
Intermediario
Hidratado
O
4
O
H O
2
H +
O O C C OH
O
C H 2
O P O
Carbanion
O C O
H C O H O
C H 2
O P
O
3 - P - Glicerato
O
H +
O
5
C H 2
O
O
P
O O C C
O
OH
H
3 - P - Glicerato
O
Fig 20a - 10. Fijación del CO2 y transformación en dos Triosas Fosfato.
Fig 20b - 10. La enzima Rubisco
452

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
modificadores alostéricos como: NADPH, 6- Fosfogluconato, Fructosa-1,6-bifosfato junto a un
pH y concentración de MgCl2 adecuados.
El CO2 fuera de ser uno de los substratos, es también considerado un activador de esta
enzima. En presencia de CO2, como se observa en la Figura 20a - 10, la Rubisco cataliza la
unión del CO2 a la forma enediólica (2) de la Ribulosa-1,5-Bifosfato (1) para formar un Beta-
Cetoácido (3). Este se hidrata en un compuesto de seis carbones de carácter inestable (4)
que se hidroliza en dos moléculas de Ác. 3-Fosfoglicérico (5) (Fig. 20a - 10).
Una de las curiosidades que presenta esta enzima consiste en su afinidad por O2, ya que
pudo haber evolucionado químicamente cuando los niveles de Oxígeno en la Tierra eran muy
bajos y esta molécula no interfería, (Fig. 21 - 10). Esta propiedad no le confiere ninguna
ventaja evolutiva y se comporta en la realidad como una Ribulosa Bifosfato
Carboxilasa/Oxigenasa en 1/3 de su catálisis normal.
La actividad Oxigenasa es Dismutásica, debido a que le permite romper a la Ribulosa-1,5-
Bifosfato en 3-Fofogliceraldehido de tres carbones y en Fosfoglicolato de dos carbones, es
decir forma dos productos desiguales (Fig. 5 - 10). Al mismo tiempo se inicia aquí una serie
de reacciones que culminan en un Ciclo diferente al de Calvin y que se denomina Ciclo
Fotorespiratorio Glicolato, ya que emplea al compuesto denominado ác.Glicólico que cuenta
con dos carbones.
Esta anomalía supuestamente favoreció la evolución de las plantas C4, consideradas de
orígenes más recientes. En ellas el CO2 se concentra primero disminuyendo la
posibilidad de entrada del O2 y posteriormente se le transporta a la enzima fijadora
Rubisco.
En la Tabla 1 - 10 y la Figura 21 - 10 se puede apreciar como varía la afinidad de la enzima
por las concentraciones de CO2 y O2 en una solución que se encuentra en equilibrio con la
atmósfera. Si la concentración de CO2 es de 10 uMolar ( micromolar), la enzima se encuentra
saturada en un 25% con solo 20 micromolar de CO2. Al mismo tiempo con 250 uMolar de O2,
la enzima se encontrará competitivamente saturada por sobre el 50%. De esta manera se
puede apreciar claramente la interferencia provocada por el Oxígeno ante la fijación del CO2.
TABLA 1 - 10
10 microMolar 20 microMolar
Ribulosa-1,5-Bifosfato Conc. de CO2 Km para el CO2
Carboxilasa
en una solución
en equilibrio
con la atmósfera
250 microMolar 200 microMolar
Ribulosa-1,5-Bifosfato Conc. de O2 Km para el O2
Carboxilasa/Oxigenasa en una solución
en equilibrio
con la atmósfera
453

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
% Sat.
50 %
Km
20
10 M M
[ CO ]
2
% Sat.
50 %
200 M
[
O
2
]
250 M
Fig 21 - 10. Curvas de saturación para la afinidad de la Ribulosa-1,5-Bifosfato
Carboxilasa-Oxigenasa por CO2 y O2.
inicio
Volver al
b) Reducción con NADPH.
Al continuar nuevamente con el Ciclo de Calvin y Benson se observa que el 1,3-Difosfo-
Glicerato es reducido mediante NADPH + H por las Isoenzimas de la Glicólisis en el Estroma
para formar el 3-FosfogliceraldehÍdo (Fig. 22 - 10)
En el primer paso la enzima 3-Fosfglicerato Kinasa cataliza el paso del Gama- Fosfato del
ATP al 3-Fosfoglicerato para ganar energía en el 1,3-Difosfoglicerato y a continuación en un
segundo paso la enzima 3-FosfogliceraldehÍdo Deshidrogenasa reduce empleando NADPH +
H y la energía del paso previo, para así formar el 3-Fosfo-gliceraldehido. Este último se
emplea nuevamente para sintetizar Ribulosa, (Fig. 22 - 10).
Este ciclo sería del tipo cumulativo si solo se formaran sucesivas moléculas de Ribulosa
destinadas a captar un mayor número de moléculas de CO2, sin embargo esto no ocurre, ya
que el 3-FosfogliceraldehÍdo dedica alguna de sus moléculas a vías alternativas como son la
fabricación de Almidón en el Estroma y de Sucrosa en el Citoplasma.
El 3-Fosfogliceraldehído que sale del Ciclo, (Fig. 21 - 10) es tomado por la Triosa Fosfato
Isomerasa para formar la Fosfo-Dihidroxicetona que junto a otra molécula de 3-
454

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
FosfogliceraldehÍdo y la acción de la Aldolasa formará la Fructosa-1,6-Bifosfato. Esta última
molécula mediante la enzima Fructosa-1,6-Bifosfatasa formará la Fructosa-6-Fosfato que
será destinada a la síntesis de Almidón por las enzimas del Estroma.
La Fosfo-dihidroxicetona puede también dejar el Cloroplasto y pasar al citoplasma mediante
un antiporter, que por medio de otras isoenzimas del tipo isomerasa y aldolasa, formará
Fructosa-6-Fosfato que se dirigirá a la síntesis de Sucrosa.
inicio
Volver al
c) Regeneración.
En esta etapa se construye nuevamente una molécula de Ribulosa destinada a fijar
nuevamente el CO2 y se emplean varios intermediarios que van de tres a siete carbones
(Fig. 22 - 10).
El 3-FosfogliceraldehÍdo se une a la Fosfodihidroxicetona en una reacción catalizada por la
Aldolasa para formar la Fructosa-1,6-difosfato que a continuación por medio de la Fructosa-
1,6-bifosfatasa da origen a la Fructosa-6-Fosfato. Esta última por medio de la enzima
Transcetolasa, se rompe en Eritrosa-4-Fosfato y el Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato que se
encuentra en el sitio activo de la enzima. A continuación la Eritrosa-4-Fosfato junto a la
Fosfodihidroxicetona se unen para dar origen a la Sedoheptulosa-1,7-difosfato de siete
carbones. Esta molécula por acción de la Sedoheptulosa-1,7-difosfatasa produce la
H
H
H
H
C O 2
C H O P
2
C O
C
C
O H
O H
C O O
C H O P
2
Ribulosa - 1,5 - Bi P
C H O H
2
C
C
C
O
O H
O H
C H O P
2
Ribulosa - 5 P
ATP
H
H
H
H
C
O H
C H O P
2
C H O
C
C
C
O H
O H
O H
C H O P
2
ATP
3 - P - Glicerato
Ribosa - 5 P
H O
H
H
H
H O
H
H
H
H O
H
H
C H O P
2
C O
C
C
C
C
H
O H
O H
O H
C H O H
2
C O
C H
C O H
C H O P 2
C O OP
C O H
C H O P
2
1,3 D i - P
Glicerato
C H O P
2
Sedoheptulosa -1,7 B i P
C H O H
2
C
C
C
C
C
H
O
O H
O H
O H
C H O P
2
P i
NADPH
Sedoheptulosa - 7 P
Xilulosa - 5 - P
3 P - Gliceraldehido
H
C H O H
2
C O
C H O P
2
H
H
C
C
C H O
C
O H
C H O P
2
P - D i - OH
Cetona
C H O
O H
O H
C H O P
2
Eritrosa - 4 P
C H O H
2
C O
T
H O
H
H
H O
H
H
C H O P
2
C
C
C
C
O
O H
O H
C H O P
2
C H O H
2
C
C
C
C
H
Fructosa - 1,6 - Bi P
H
O
O H
O H
C H O P
2
Fructosa - 6 P
ALMIDON
P i
Fig. 22 - 10. La regeneración de la Ribulosa requiere de complejas reacciones que incluyen
intermediarios que van de tres a siete carbones.
455

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Sedoheptulosa-7-Fosfato. La enzima Transcetolasa rompe la molécula de Sedoheptulosa-7-
Fosfato para dar Ribosa-5-Fosfato y nuevamente Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato unido a
la enzima. Ambos Glicoaldehído-Tiamina Pirofosfato, el anterior y el recién formado son
transferidos desde sus distintas enzimas al Gliceraldehido-Fosfato para formar Xilulosa-5-
Fosfato por medio de la Transcetolasa.
Desde aquí en adelante, la Xilulosa-5-Fosfato y la Ribosa-5-Fosfato por medio de las enzimas
Ribulosa-5-Fosfato Isomerasa y la Ribosa-5-Fosfato Epimerasa se transforman
respectivamente en Ribulosa-5-Fosfato, que por acción de la Ribulosa-5-Fosfato Quinasa y
ATP producen finalmente la Ribulosa-1,5-Difosfato.
Como se puede observar el Ciclo es endergónico y requiere de ATP para ser llevado a cabo,
especialmente en las reacciones de 3-Fosfoglicerato a 1,3-Difosfoglicerato, antes de la etapa
de reducción y en el paso de Ribulosa-5-Fosfato a Ribulosa-1,5-Bifosfato, para activar la
molécula de Ribulosa de tal manera que la unión del CO2 y la ruptura en dos moléculas de
tres carbonos sea exergónica. En general se necesitan aquí tres moléculas de ATP para fijar
una de CO2.
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inicio
8) FOTO RESPIRACIÓN
El proceso denominado Fotorespiración, (Fig. 23 - 10) ocurre en las plantas C3, y se produce
con desprendimiento de CO2 y absorción de O2 en condiciones de elevada temperatura
ambiental, alta presión parcial de O2 y baja presión parcial de CO2. El producto de la
Fotorrespiración es el Fosfoglicolato, que no es de utilidad a la célula y por consiguiente al
mantener en existencia estos dos carbonos implica un gasto de dos ATPs extras por
molécula de CO2.
456

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
CLOROPLASTO
FOTORESPIRACION
PEROXISOMA
MITOCONDRIA
Ribulosa - 1,5 - Bifosfato + O Fosfoglicolato + 3 - Fosfoglicerato
P - Glicolato Glicolato 2 Glicolato Glioxilato Glicina Glicina
H
H
H
H
C H 2
C
C
O 2
C
C H 2
C H 2
C
C
C
C H 2
O H
O H
O H
O
O
O
O H
O H
O
O
O
P
O
O
P
P
O
O
P
O
O
O
Ribulosa - 1, 5 - Bi - P
O
O 2
Forma Enediólica
CICLO
O 3 - P -
Ribulosa
de Glice -
-1,5 - di P
O
rato
CALVIN
ADP
ATP
C H
2
O P
C O O
P i
O
C H O H
2
C H O H
C O O
C H O H
2
C O O
C H 2
H - O - O C
C H O H
H
H
2
C
C O O
C
C H 2
O H
O H
Intermediario
en el
sitio activo
O
O
O H O
2 2 2 H Glu CG
O
O P O 2 C H
+
N O 2 H
3
O
C H O C O
C H
2
O H
OH
C O O
C O O
C H O H
2
C H O H
C O O
O
P
NAD
O
O
P - Glicolato
H
H
+
C
C
C H 2
C H O H
2
HOH C
C O
2
C O O
NADH + H
O
O H
O
Gliceraldehido - 3 - P
O
P
O
O
P
O
N H
3
C H
C O O
O
P
O
+
C H O 2 N H H
3
C O
C H
2
OH
C O O
Ac. Glicólico
NAD
NADH + H
C O
2
+
N H
3
HOH C C H
2
C O O
N H
3
Glicerato
Glicerato
Hidroxipiruvato
Serina
Serina
Fig. 23 - 10. Tan solo uno de los productos de la actividad dismutásica de la Ribulosa-
1,5-Bifosfato Carboxilasa puede entrar al Ciclo de Calvin (3-FosfogliceraldehÍdo)
Fig. 24 - 14. El Ciclo Fotorespiratorio Glicolato demanda gasto extra de ATP a la célula y no es
beneficioso. Se consume O2 y se libera CO2, pero no hay formación de ATP.
inicio
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9) CICLO GLICOLATO
La foto respiración se produce en tres compartimentos de las células de las hojas verdes, el
Cloroplasto, la Mitocondria y el Peroxisoma (Fig. 24 - 10).
El Fosfoglicolato, se produce en el Cloroplasto como producto de la interacción con el
Oxígeno de la Ribulosa-1,5-Bifosfato. Este se defosforila y es transportado al peroxisoma
como Glicolato donde por medio de una oxidación directa con Oxígeno forma el Glioxilato y
Peróxido de Hidrógeno. El Glioxilato transamina luego con el Ác. Glutámico para formar
Glicina, la que viaja a la Mitocondria, donde por cada 2 moléculas de Glicina se formará una
de CO2 que va a la atmósfera y otra molécula de Serina. A continuación los tres carbones de
la Serina son reenviados al Cloroplasto vía Peroxisoma y entran nuevamente al Ciclo de
Calvin como Glicerato después de fosforilarce a 3-Fosfoglicerato.
457

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
inicio
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9) PLANTAS DEL TIPO C4.
El mecanismo denominado C4 ocurre en plantas de las zonas tropicales y semitropicales
como la caña de azúcar y el maíz, que presentan un crecimiento agresivo en condiciones de
alta intensidad lumínica y temperaturas superiores a 30 o C. La estructura de la hoja se aprecia
en la figura 25-10.
CORTE TRANSVERSAL DE UNA HOJA DE UNA PLANTA C 4
ESTOMA
MAIZ
SUPERFICIE
CORONA EXTERNA
CORONA INTERNA
CUBIERTA
PERIVASCULAR
VASOS
EPIDERMIS INFERIOR
ESTOMA
Fig. 25 - 10. Estructura de las hojas en plantas C4.
Las plantas C4 evolucionaron por ser más eficientes que las C3, ya que la enzima Rubisco a
altas temperaturas disminuye la afinidad por el CO2 y actúa como Oxigenasa y no como
Carboxilasa, predominando en ellas la foto respiración lo que implica un mayor gasto de ATP.
La fijación ocurre en este caso de manera concéntrica hacia el interior. El CO2 se fija a un
compuesto de tres carbones en el citoplasma de la célula Mesófila para generar otro de
cuatro. Estas células contienen mitocondrias que no poseen la enzima Rubisco (Fig. 26 - 10).
A continuación el compuesto portador del CO2 o C4 pasa a las células de la Vaina Vascular o
Cubierta Perivascular (parte central que rodea los vasos transportadores) que sí poseen
Cloroplastos con la enzima Rubisco. En este lugar se libera el CO2 para que sea tomado por
la enzima y lo incorpore al Ciclo de Calvin.
Posteriormente el compuesto de tres carbones que resta de esta entrega, vuelve desde las
células de la Vaina Vascular al Mesófilo para ser carboxilado nuevamente por más CO2 y
458

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
continuar de esta manera con su transporte cíclico. Este sistema se denomina Ciclo de Hatch
y Slack.
SUPERFICIE
DE LA
MESOFILO VAINA VASCULAR VASOS
HOJA
Malato
C O O
Deshidro -
C O O
C O O
C O genasa
C H
H O
2 2
H O C H
C H
CICLO
C H 2
C H
C H
DE
C O O
C O O
C O O
FOSFO -
CALVIN
Ac. OXALO
ENOL
Ac. MALICO
Ac. MALICO
H C O ACETICO
3
PIRUVA
Enzima
TO CAR -
C O
Piruvato
Malica
2
BOXILASA
Fosfato
C H 2 O Dikinasa
C H
C H Rubisco
3
3
H C O P O
C O
C O
C O O O
C O O
C O O
FOSFO -
PIRUVATO PIRUVATO
PIRUVATO
Organización funcional de las células mesófilas y perivasculares para concentrar
y luego fijar el CO2.
Fig 26 - 10. Las Células del Mesófilo se conectan a la Vaina Vascular por medio de las
membranas celulares para entregar Malato y recuperar Piruvato.
La Rubisco recibe de manera localizada el CO2, para que lo integre al Ciclo de Calvin y
posteriormente a la síntesis de Almidón. El transporte y la incorporación son simultáneos
durante el día en la plantas C4.
En las plantas C3 se encuentra solo Mesófilo generalizado y no poseen la capa de Vaina
Vascular concentradora de la acción. Sin embargo, por cada CO2 que se fije en las C4, se
requieren dos
ATPs extras comparados a los tres ATPs necesarios empleados por las C3. Esto indica que
se requerirá un total de cinco ATPs por cada molécula de CO2 que se fije por este
mecanismo, lo que significa desde un punto de vista energético que a las plantas C4 les es
más caro fijar el CO2 en comparación a las C3. Este hecho no presenta un mayor problema
en las zonas tropicales con exceso de luz y calor o durante el verano cuando las C4
sobrepasan en crecimiento a las C3.
Todos los mecanismos anteriores permiten un aumento de 10 a 60 veces en la concentración
de CO2, al comparar los mismos tejidos con las plantas C3 y un incremento de dos a tres
veces en la eficiencia de los cultivos.
inicio
Volver al
11) VARIEDAD EN LOS MECANISMOS DE DESCARBOXILACION.
459

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Existen cerca de tres mecanismos distintos para la Descarboxilación en la celulas de la Vaina
Vascular en las plantas C4 y cada uno de ellos se distingue por el nombre de la enzima que
lleva a cabo esta acción. El primero de ellos se denomina ME-NADP+(Malic Enzyme-NADP),
con la Enzima Málica-NADP dependiente (Fig. 27 - 10). En otro tipo de plantas se llama
mecanismo de la enzima Fosfoenol-Piruvato Carboxilasa (Fig. 28 - 10) y por último el
mecanismo tipo ME-NAD (Malic Enzyme-NAD) con la enzima Málica-NAD dependiente (Fig.
29 - 10).
SUPERFICIE
DE LA
MESOFILO VAINA VASCULAR VASOS
HOJA
C O
2
H C O
3
Malato
Deshidrogenasa
C O O
C O O
C H NADPH +
2
H O C H
C H 2
C H
C O O
C O O
FOSFO -
Ac. OXALO
NADP
Ac. MALICO
ENOL ACETICO
PIRUVA
TO CAR -
BOXILASA
C H 2
O
H C O P
C O O O
FOSFO - ENOL
PIRUVATO
O
Piruvato
Fosfato
Dikinasa
AMP
+ PPi
C H
ATP 3
C O
C O O
PIRUVATO
H O
C O O
C H
C H
C O O
Ac. MALICO
Enzima
Málica
NADP -
Dependiente
C H
3
C O
C O O
PIRUVATO
NADP
NADPH +
C O
2
RUBISCO
CICLO
DE
CALVIN
3 - Fosfo
Glicerato
Ribulosa
1,
Bifosfato
PRODUCTOS
Fig. 27 - 13. La descarboxilación es por medio de la Enzima Málica dependiente de NADP.
SUPERFICIE
DE LA
MESOFILO VAINA VASCULAR VASOS
HOJA
C O
2
H C O
3
FOSFO -
ENOL
PIRUVA
TO CAR -
BOXILASA
Oxalo
acetato
P - Enol
Piruvato
Piru -
vato
Aspártico
Ala
Aspártico
Ala
Fosfoenol
Piruvato
Carboxilasa
Piru -
vato
Oxalo
acetato
P - Enol
Piruvato
C O
2
RUBISCO
CICLO
DE
CALVIN
3 - Fosfo
Glicerato
Ribulosa
1,5
Bifosfato
PRODUCTOS
Ala : Alanina
Fig. 28 - 10. La descarboxilación es por medio de la Fosfoenol Piruvato Carboxiquinasa.
460

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
SUPERFICIE
DE LA
MESOFILO VAINA VASCULAR VASOS
HOJA
C O
2
H C O
3
FOSFO -
ENOL
PIRUVA
TO CAR -
BOXILASA
Oxalo -
acetato
P - Enol
Piruvato
Piru -
vato
A s p
Ala
Oxalo -
acetato
Enzima
MALICA-NADdependiente
Ala
Piru -
vato
Malato
C O
2
RUBISCO
CICLO
DE
CALVIN
3 - Fosfo
Glicerato
Ribulosa
1,5
Bifosfato
PRODUCTOS
Fig 29 - 10. En esta descarboxilación se emplea la enzima Málica NAD dependiente.
inicio
Volver al
12) LAS PLANTAS CAM.
Las plantas CAM se denominan así por "Crassulacean Acid Metabolism" o Metabolismo
Ácido de las Crasuláceas (Fig. 30 - 10). Estas plantas pertenecen a climas desérticos y para
evitar la deshidratación deben abrir sus estomas durante la noche captando CO2. A
continuación lo almacenan como ácido Málico en vacuolas que al día siguiente lo liberan
para ser transportado y posteriormente incorporado al Ciclo de Calvin mediante la enzima
denominada Rubisco.
Las CAM son plantas del tipo suculento, es decir poseen tejidos destinados a retener agua.
Así encontramos como exponentes de este mecanismo a la Piña y al Cactus, aunque no
relacionadas entre sí, poseen el mismo mecanismo metabólico para fijar CO2.
Cuando lo estomas se encuentran abiertos durante la noche el CO2 se fija por medio de la
enzima Fosfoenolpiruvato Carboxilasa al Fosfoenol Piruvato para formar el Ac. Oxaloacético.
Este último por acción de la Malato Deshidrogenasa, es luego reducido a ácido Málico, el que
se almacena en una vacuola durante la noche para evitar así trastornos de pH. Durante el
día se lo libera gradualmente cuando los estomas se encuentran cerrados y no se
intercambian gases, ni se pierde agua. Durante esta etapa el ác. Málico difunde desde la
vacuola al citoplasma donde sé descarboxila por medio de la enzima Málica NAD o NADP
dependiente, pasando a Piruvato. El CO2 liberado por esta reacción ingresa al Cloroplasto
donde es fijado por la Ribulosa-1,5-Bifosfato Carboxilasa entrando al Ciclo de Calvin.
El Piruvato que resta de la descarboxilación del Malato entra a la Mitocondria (Fig. 30-13),
donde participa del Ciclo de Krebs que aporta con otra cantidad de CO2, que pasa al
Cloroplasto para ser integrado nuevamente al Ciclo de Calvin.
461

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Separación Temporal de los Procesos de Fijación de CO2 .
NOCHE
Estomas abiertos
DIA
Cierre de los Estomas
Sale el Malato de la vacuola
C O
2
C O 2
Ribulosa - 1,5 -
Fosfo Enol
Bi - P
Piruvato
Carboxilasa
Carboxilasa
F E P
Piruvato - P
Diquinasa
H C
A O A
C O + +
2
P i PP i
H C CALVIN
ATP AMP
Malato
Piruvato
Enzima
Málica
NAD o NADP
dependiente
F E P
Fosfo Enol -
Piruvato
CLOROPLASTO
C O 2
C O 2
Malato
VACUOLA
El Malato se almacena
en la vacuola durante
la NOCHE
Piruvato
Ac CoA
MITOCONDRIA
KREBS
C O 2
Fig. 30 - 10. La fijación de CO2 mediante la formación de Ác. Málico ocurre solo en la noche.
Durante el día el Ác. Málico entrega el CO2 al Ciclo de Calvin
Según el estado energético del metabolismo de la planta el Piruvato puede ser tomado por la
enzima Piruvato Fosfato Diquinasa que lo transforma en Fosfoenolpiruvato y desde allí
continúa hacia la Gluconeogénesis (Fig. 30 - 10).
inicio
Volver al
13) FIJACIÓN DEL NITROGENO.
Algunas plantas son incapaces de fijar el gas Nitrógeno por si mismas y para hacerlo
requieren de la cooperación de microorganismos simbiontes o de la presencia de fertilizantes
nitrogenados.
En la Figura 31 - 10, se puede apreciar el Ciclo del Nitrógeno, donde este es fijado desde la
atmósfera y reducido por las bacterias en Amonio NH4 + . El amonio puede pasar a formar
parte de organismos superiores, sin embargo las bacterias del suelo durante el proceso de
Nitrificación lo pueden oxidar a Nitrito NO2 - (Nitrosomonas) y posteriormente pasarlo a Nitrato
por las Nitrobacter.
A su vez las plantas pueden asimilar formas inorgánicas de Nitrógeno como Nitrato o Nitrito,
que por medio de la Nitrato Reductasa en el citoplasma y la Nitrito Reductasa en el
462

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Cloroplasto pueden transformarlo en Amonio. Otras formas orgánicas de nitrógeno como la
Urea, también pueden ser asimiladas por la planta.
En la planta el amonio se incorpora a los cetoácidos formando especialmente el aminoácido
Glutámico y la Glutamina que se emplean como transportadores primarios de nitrógeno junto
al Aspartato y la Asparegina. De esta manera se producen todos los aminoácidos en la planta
que puede ser ingerida por los animales donde se enriquece y multiplica su contenido.
Durante el proceso llamado Desnitrificación, los animales en estado de putrefacción retornan
Amonio al suelo por acción de los microorganismos y este puede nuevamente pasar a Nitrito
primero y luego a Nitrato completando el Ciclo.
N 2
ATMOSFERA
SUELO
Bacterias
Desnitrificantes
N 2
Amino -
ácidos
Bacterias
fijadoras de
Nitrógeno
Plantas
Superiores
Animales
Superiores
N O 3
-
N H
4
+
Putrefacción
Bacterias
Nitrificantes
Nitrobacter
N O 2
Nitrito
Bacterias
Nitrificantes
Nitrosomonas
Fig 31 - 10. Ciclo del Nitrógeno.
Las Leguminosas como el trébol, alfalfa y soya tienen un papel preponderante en la fijación
del Nitrógeno y la bacteria que hace simbiosis con estas plantas pertenece al género
RHIZOBIUM.
Otra de las bacterias que hace simbiosis pertenece al género Frankia en los Actinorhizoides,
sin embargo su metabolismo no ha sido lo suficientemente estudiado al igual que las
cianobacterias del género Nostoc.
La simbiosis es siempre entre plantas superiores y bacterias o algas azules. La interacción de
las bacterias con la raíz ocurre a partir de un intercambio de señales químicas con la planta
que concluye en la fijación de estas por los pelos radiculares. La infección por la bacteria se
463

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
manifiesta con una hinchazón y un incremento de la corriente citoplasmática que avanza
hasta la base del pelo.
A continuación las bacterias penetran por la rotura del tubo y alcanzan las células corticales e
inducen la formación del nódulo. Los nódulos tienen aspecto rosado o rojo pardos debido a la
presencia de Leghemoglobina. Una vez en el interior las bacterias están rodeadas por una
membrana peribacterioide y expresan su actividad Nitrogenásica dirigida por los genes Nif y
se denominan ahora simbiosomas.
La fijación biológica de Nitrógeno es llevada a cabo por el Complejo de la Nitrogenasa,
presente en la bacteria simbionte o simbiosoma (Fig. 32 - 10). A medida que la bacteria
entrega Amonio a la planta, esta última le entrega Glucosa para su metabolismo. La fijación
del Nitrógeno es extremadamente lábil al O2, ya que uno de sus cofactores Fe-Mo sé
denatura irreversiblemente con Oxígeno. Por esta causa se necesita de la proteína
Leghemoglobina que fija el O2 y lo encausa para la Fosforilación Oxidativa permitiendo la
producción de ATP y sirviendo a la vez como una molécula protectora de los efectos tóxicos
del Oxígeno que ayuda a concentrar el Nitrógeno.
XILEMA
FLOEMA
NODULO DE UNA LEGUMONOSA
O 2
CITOPLASMA
VEGETAL
LEGHEMOGLOBINA
AMINOACIDOS
FOTOSINTATO
N H
3
O 2
BACTEROIDE
Utilización
CARBOHIDRATOS e
Mg ADP
Transporte de
NITROGENASA
Electrones
Mg ATP
H 2
O
N 2
Fig 32 - 10. Nódulo con bacteroide. Fotosintato corresponde a carbohidratos y aminoácidos
sintetizados en la hoja de la planta y que son transportados por el xilema a los nódulos de la
raíz.
A continuación se aprecia el balance general de la reacción de reducción del Nitrógeno:
N2 + 10 H + + 8 e + 16Mg-ATP ----> 2 NH4 + + 16Mg-ADP + 16 Pi + H 2
464

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
COMPLEJO DE LA NITROGENASA
Fijación del Nitrógeno
16 ATP
2 N H 4
+
4 CoA SH 8 Ferredoxina
+
oxidada
4 Piruvato
8 e 8 e
4 C O 2 8 Ferredoxina
+
4 Acetil SCoA reducida
8 Dinitrogenasa
reductasa
reducida
8 Dinitrogenasa Dinitrogenasa
reductasa oxidada
reducida 8 e
+ 16 ATP
8 e
8 Dinitrogenasa8 Dinitrogenasa
reductasa reductasa
oxidada
oxidada
+ 16 ATP
Dinitrogenasa
reducida
H
2
2 H+
N 2
16 ADP + 16 Pi
Fig. 33 - 10. Complejo de la Nitrogenasa. De los 8 electrones que se emplean, 6 son para la
fijación del Nitrógeno y 2 para reducir los dos H+ a Hidrógeno molecular.
La Cadena de reacciones que desemboca en la reducción del Nitrógeno se aprecia en la
figura 33-10.
La Dinitrogenasa Reductasa de PM 60kD, es un dímero con un centro redox Fe 4 -S 4 y se
puede oxidar y reducir mediante un electrón a la vez. Se le conoce también como
homodímero Ferro-proteico codifcado por el gen Nif H del bacterioide.
La Dinitrogenasa es de PM 240kD y corresponde a un tetrámero con 2 Mo, 32 Fe y 30 S por
tetrámero. Se requieren de 8 electrones para el mecanismo de reducción, 6 para reducir el
Nitrógeno (Fig. 34 – 10), y 2 para reducir el Hidrógeno. Se le conoce como codificada por los
genes Nif D y Nif K del bacterioide. Todos los electrones son pasados de manera individual y
secuencialmente en la cadena de reacciones.
Los niveles de Oxígeno controlan la expresión de los genes correspondientes a la
Nitrogenasa, de esta manera cuando el O2 disminuye en su concentración en el exterior, se
activa un sensor transmembrana el cual fosforila y activa a un factor transcripcional en el
interior denominado FixJ. Este último induce la transcripción de los genes nifA y fixK cuyos
productos de transcripción inducen a su vez la transcripción de los genes involucrados en la
formación del complejo de la Nitrogenasa (Nif).
La regulación de la actividad Nitrogenásica también depende de los niveles de Amonio, a
bajo nivel se estimula y a alto nivel se inhibe. Otro elemento regulador es también la
concentración de ADP donde los altos niveles pueden inhibir la actividad del Complejo.
465

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
La fijación del Nitrógeno es bastante exergónica - 8 Kcal/mol de N2
N2 + 3H2 -------> 2NH3
/\G o ' = - 8,3 Kcal/mol
Sin embargo, la barrera de energía entre sustratos y producto es alta y en condiciones
artificiales se requiere de grandes presiones y temperaturas. En la forma biológica se precisa
de tan solo 16 ATPs por mol de N2 a 1 atm de presión.
El ATP tiene aquí dos funciones una termodinámica y la otra catalítica, es decir la unión al
ATP aumenta el potencial de óxido-reducción de -280 mV a -490 mV, con lo que se aumenta
el poder de reducción o la entrega de electrones.
N
2e
N NH NH NH NH NH
2 2 2 3
2H +
2e
2e
2H + 2H +
Fig. 34 - 10. Los 6 electrones reducen a la molécula de Nitrógeno.
El Amonio producido por el Complejo de la Nitrogenasa se integra a los aminoácidos de la
planta por aquella reacción de la Glutámico Deshidrogenasa en que el Ac. Alfa-Cetoglutárico,
se amina en presencia de NADPH + H para formar Glutámico. El Ac. Glutámico puede aún
aminarse nuevamente con ATP y Amonio para producir Glutamina.
El Ac. Glutámico o la glutamina pueden transferir a su vez el grupo amonio a otros cetoácidos
por transaminación en reacciones similares a las descritas en el capítulo de síntesis y
degradación de aminoácidos.
Otro de los aminoácidos encargado del transporte de amonio en la planta es el Aspártico que
se forma por aminación del ácido Oxaloacético. El Aspártico también puede formar el
aminoácido Asparegina que se emplea como vía alternativa para transportar el amonio a
otros lugares en la planta.
Entre las bacterias no simbiontes que fijan Nitrógeno se encuentran las Azotobacter,
Clostridium, la bacteria fotosintética Rhodospirillum Rubrum y las Cianobacterias como la
Anabaena.
466

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
inicio
14) FLUORESCENCIA
Volver al
Los procesos que ocurren en la antena durante la Fotosíntesis se pueden ilustrar
bajo la siguiente aproximación:
Existen en la actualidad algunas técnicas para analizar la organización y la función del
aparato Fotosintético en plantas y algas, que se pueden emplear tanto en el laboratorio
como en el terreno para estudiar una serie de parámetros útiles tales como: la
senescencia de la fruta, el efecto de los aceptores de electrones artificiales, el
estrés de la planta frente a los herbicidas, el efecto del calor, la falta de agua y la
mayor o menor concentración de CO2 en el aire. Los métodos que se emplean para
conocer la influencia de estos factores sobre la planta hacen uso de la medición de la
Fluorescencia emitida por la hoja, bajo distintas condiciones de luz tanto limitante
como saturante. Esta particularidad afecta el número de trampas fotoquímicas abiertas,
(fig35-14) bajo distintas condiciones de luz dando una idea de la actividad fotosintética de
la planta.
TRAMPAS FOTOQUIMICAS
E X C IT A C IO N
FOTOREACCION
TRAMPAS FOTOQUIMICAS CERRADAS
E X C IT A C IO N
FLUORESCENCIA
VIAS DE
DISIPACION NO
RADIANTES
Fig. 35 – 10. Vías por las cuales se aprovecha y/o se libera la energía según se encuentren las
trampas fotoquímicas abiertas o cerradas en la antena.
Cuando un fotón de luz es recibido por una molécula de Clorofila, se promueve un
electrón a un nivel superior de energía, esta nueva posición es inestable por lo tanto se
relaja pasando a un nivel de menor energía o estado basal. En este momento se produce
la liberación de la energía absorbida que puede seguir distintos caminos(Fig. 36 - 10),
como son:
a) la transferencia a una trampa fotoquímica abierta la que conducirá al excitón a ser
transformado en energía química útil o fotosíntesis.
b) la disipación de la energía en la forma de calor.
c) la re-emisión de la energía por medio de la transformación de la energía incidente en
energía radiante de una longitud de onda distinta, como es la fluorescencia.
467

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Por lo tanto la mayor o menor Fluorescencia producida por la hoja resulta de la
competición entre las distintas vías por llevarse la energía de excitación capturada
por la antena. Parte de la energía se aprovecha por la vía fotosintética que tiene la
constante de velocidad kp y la otra parte se disipa por la vía del calor que tiene la
constante de velocidad kd. Otra fracción de energía se pierde por fluorescencia
(F%) con la constante de velocidad kf. Esta última fracción se relaciona con las
distintas constantes de velocidad de seudo-primer orden y se puede expresar como se
observa en la Ecuación 1:
Ecuación 1
kf (fluorescencia)
F% = ---------------------------------------------------------------------
kf(fluorescencia) + kp(fotosíntesis) + kd(calor)
De esta forma la Fluorescencia dependerá de los componentes que se observan
en la Ecuación 2:
Ecuación 2
( Fv)máx = Fvariable + qP (Fv) sat + qN (Fv)máx
(fluores. est. + (fracción de energía + ( fracción de energía
estable) que se disipa que se disipa
en la fotosíntesis o
por calor)
trabajo útil)
En la Ecuación 2, qP y qN son los denominados ¨quenching¨ o factores de extinción de
la energía que corresponde a la Fluorescencia por medio de los procesos que ocurren
desde la antena misma hacia el sistema colector N o la Fluorescencia que se extingue
desde el sistema colector de la antena hacia la cadena de transporte de electrones P,
durante la fotosíntesis. Mientras más expedito sea el flujo de energía hacia el sistema
colector de la antena y desde allí hacia la fotosíntesis, qN y qP serán respectivamente
menores.
En la misma Ecuación 2, (Fv)máx o total corresponde a la Fluorescencia máxima, que
es igual a la sumatoria de la fluorescencia variable (Fv) o en estado estable, más la
contribución que hace la fracción ( qP (Fv)sat) de la fluorescencia que se disipa
durante el trabajo fotosintético, más (qN (Fv)máx ) o la fracción de la fluorescencia que
se disipa por calor en la misma antena.
Cualquier cambio en la Fluorescencia misma, significa la participación de las vías
competitivas en el empleo útil de la energía como lo son la fotosíntesis misma y el inútil
como la disipación en forma de calor (Fig. 36-14) y que se relacionan con el estado
en que se encuentra la planta frente a la intensidad de la luz, humedad, temperatura,
etc.
468

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Fotosíntesis
ENERGIA
Calor
Fluorescencia
Fig. 36 - 10. El flujo de la energía hacia sus distintos procesos puede aumentar o
disminuir por la reversibilidad y competición entre las vías.
Para medir la fluorescencia en la forma más básica o elemental se procede a iluminar la
hoja de la planta o bien una suspensión de Cloroplastos con una luz con filtro rojo capaz
de excitar a la Clorofila, además de un detector representado por un fotomultiplicador o
fotodiodo con un segundo filtro, que permite el paso de la luz re-emitida de longitud de
onda mayor que la incidente, es decir mayor de 700nm. Como la luz de la fluorescencia
es de electrones que tienen poca energía la longitud de onda que emiten es de más allá
del rojo, de esta manera el detector tomará en gran parte la fluorescencia y no la luz
empleada para excitar a la Clorofila.
Por otro lado para disminuir el efecto anterior provocado por la luz incidente, es también
posible aplicar luz de 400nm y detectar fluorescencia desde 690 a 700 nm. Sin embargo,
la señal detectada dependerá de la intensidad de la luz incidente empleada para la
excitación y cualquiera luz ambiente que se filtre puede alterar las mediciones.
Para mejorar el sistema de medición a lo anteriormente descrito, es necesario recurrir a
un sistema que emplea luz modulada, es decir esta se prende y se apaga en pulsos de
alta frecuencia, mientras que la señal de la fluorescencia se mide con un detector
calibrado para captar la diferencia entre la luz absorbida con y sin luz modulada. De esta
manera se puede obtener la eficiencia relativa de la fluorescencia de la Clorofila como
se verá más adelante en presencia de iluminación ambiental.
15) FACTORES qP y qN
La extinción de la fluorescencia (Ecuación 2) o la disipación de la energía llamada
“quenching” se produce por dos mecanismos principales (Fig. 37 – 10). El primero de
ellos denominado qP o ¨quenching fotosintéticos , este ocurre cuando todas las
trampas se encuentran abiertas y la fluorescencia es mínima, es decir cuando se
aplica luz limitante para que la energía absorbida por la antena abierta sea transferida
totalmente al centro de reacción en la forma de estado estable.
469

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
qP
Transferencia de
energía entre los
componentes de
la ANTENA
qN
F
F
CENTRO DE
REACCION
CENTRO DE
REACCION
LA ENERGIA PASA EN ESTADO
ESTABLE AL CENTRO DE
REACCION y SOLO SE DISIPA
COMO FLUORESCENCIA (F)
CUANDO Qa SE ENCUENTRA
TOTALMENTE REDUCIDO
LA ENERGIA SE DISIPA
COMO FLUORESCENCIA
(F) AN TE S D E E N TR AR AL
CENTRO DE REACCION
Fig. 37 - 10. Los dos casos por los cuales se disipa la energía como fluorescencia F.
En el caso de que la Plastoquinona (Ca) se encuentre totalmente reducida o
cuando el flujo de fotones excede la capacidad de reoxidación de la Plastoquinona,
se tiene la fluorescencia máxima (Fmáx), es decir se pierde la energía que no se
aprovecha en el proceso de fotosíntesis en la forma de fluorescencia.
Aunque la fluorescencia máxima (Fmáx), también se puede obtener por inducción,
mediante la presencia de DCMU (Diurón) que inhibe la reducción del pool de
Plastoquinona, elevándose de esta manera la Fluorescencia desde un bajo nivel en
estado estable hasta un máximo con DCMU. En este punto kp(fotosíntesis) en la
Ecuación 1 es de 0 ya que la producción de fluorescencia ha aumentado.
P 680 +
Qa red
Qb ox.
electrón
DCMU
Qa ox
Qb red
P 680
Fig. 38 – 10. Efecto del Diurno (DCMU).
470

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Las técnicas empleadas para medir la Fluorescencia permiten medir una serie de datos
como lo son la fluorescencia mínima (Fo) y la máxima (Fmáx) relacionadas con el
estado de la planta. El primero de ellos Fo, se obtiene con iluminación extremadamente
débil de tal manera que se produzca un nivel de fluorescencia aproximado al que se tiene
cuando la planta se ha adaptado a la oscuridad, es decir cuando la totalidad de la
Plastoquinona Qa se encuentra oxidada. Por otro lado Fmáx es la producción de
máxima fluorescencia y se obtiene después de un pulso saturante de luz o con DCMU,
cuando todos los mecanismos de extinción (quenching) se encuentran en cero.
A continuación se procede a emplear luz actínica (ambiental) de la intensidad necesaria
para empujar la fotosíntesis y pulsos de luz saturantes superimpuestos a intervalos
apropiados. Cada pulso saturante hace que Qa se encuentre totalmente reducida y el
primero de ellos dará como respuesta una fluorescencia similar a la máxima, Fmáx y
desde allí en adelante descenderá debido a la extinción o quenching provocado por el
componente que toma energía para generar el gradiente de protones o ¨quenching¨ qE,
que es un componente de qP.
El mismo efecto anterior también se puede lograr con luz modulada en cortos destellos de
alta intensidad, la que debido al tiempo de relajación que se toma el PSII, es decir el
tiempo que toma en recuperarse antes de adquirir la capacidad de reaccionar nuevamente
(debido a que atrapa la energía de excitación, transfiere los electrones y pasa de
reducido a oxidado), si la luz llega antes de que esto ocurra, puede no responder lo que
hará que aumente la fluorescencia. Ahora si la luz es lo suficientemente fuerte o
saturante, todos los centros de reacción se encontrarán cerrados y el valor de kp
(fotosíntesis) se aproximará a 0, aumentando la fracción de energía que se disipa por
fluorescencia (kf). En este caso, se evita la disipación por calor al hacer que los
destellos sean de corta duración, de manera que kd (calor) es también igual a 0, ya que
esta última vía de disipación se activa cuando se aplica más luz de lo que se
emplea para fijar el CO2.
La técnica para alcanzar el efecto anterior se llama “light doubling” y los periodos
de luz son de aproximadamente 1 segundo. Como se dijo anteriormente, los pulsos
cortos evitan que se dispare el mecanismo de disipación de la energía destinada a la
fluorescencia en calor.
Más aún el número de trampas fotosintéticas o PSII abiertos depende en general de la
intensidad de la luz y la velocidad con que el centro se abre. El equilibrio se alcanza
cuando el número de centros cerrados es determinado por el balance de la excitación y la
velocidad de recambio de los centros. Mientras más centros cerrados menos efectiva es la
fotosíntesis y hay mayor fluorescencia.
Si la fluorescencia estado estable es en un momento Ft y la fluorescencia máxima
inmediatamente después de este punto es Fmáx, la eficiencia de la fluorescencia F%
(Ecuación 1), será dada por la Ecuación 3:
Ecuación 3 Fmáx - Ft ( unos centros abiertos otros
cerrados o (Todas los centros cerrados) número centros
cerrados estado estable)
F% = ---------------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Fmáx
La eficiencia se emplea como índice de la luz absorbida por el centro formado por
la antena del PSII.
471

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
inicio
Volver al
FACTOR
qN
La Fluorescencia se puede extinguir por un proceso no fotosintético denominado
qN y que puede ocurrir cuando se ilumina con alta intensidad a la planta que se
encontraba en reposo en la oscuridad, haciendo que la energía de excitación en la
antena se disipe como fluorescencia antes de llegar al centro de reacción, debido a
los mecanismos de protección propios de la antena.
Este mecanismo consiste en la de-epoxidación de los carotenos en la antena (
Violaxantina / Zeaxantina) y el reordenamiento de los complejos que capturan la luz
en la
antena CP24, CP26 y CP29, los que entregan protección a la hoja por ¨quenching¨
no fotoquímico o qN.
qN se puede dividir en qE, extinción que depende del gradiente de pH en la membrana
tilacoides y qI, extinción atribuida a la formación de zeaxantina en la antena y finalmente
qT, extinción o ¨quenching¨ debido a la temperatura.
CICLO DE LAS XANTOFILAS
2 ASCORBATO VIOLAXANTINA
2NADP+2 H2O
DE –EPOXIDACION
LUZ SATURANTE
pH 5.1
EPOXIDACION
BAJA LUZ
pH 7.5
2 DEHIDRO-
ASCORBATO
ZEAXANTINA
2 NADPH + 2 O2
Fig. 39 – 10. Ciclo de las Xantófilas para la Violaxantina de la antena en la
membrana Tilacoides.
El gradiente de pH percibe el exceso de luz y estimula la emisión de calor para evadir el
efecto nocivo de esta condición. Los cambios asociados al PSII debidos a qE ocurren en
la antena cuando aumenta la intensidad de la luz lo que se puede traducir en un aumento
del gradiente de pH, seguido por una protonación de los residuos carboxilos de las
subunidades menores del PSII, lo que lleva a la de-epoxidación de la violaxantina
(carotenoide) a zeaxantina ( de amarillo a rojo) por activación de la enzima Violaxantina
De-Epoxidasa (VDE)ubicada en el lúmen de la membrana tilacoides. Esto se traduce en
472

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
una disminución de la brillantez del PSII y eliminación de calor asociado a un cambio en
la organización de las moléculas, acercándose a su vez las moléculas de Clorofila a las
de Xantófila. Posteriormente en la oscuridad la Zeaxantina pasa nuevamente a
Violaxantina constituyendo este proceso repetitivo el Ciclo de las Xantófilas en Figuras 37-
10,10). La disipación de la energía puede ocurrir mediante el reordenamiento de las
Clorofilas que reciben la luz como también por el manejo de ciertos pigmentos como son
los carotenos ( Ciclo Xantófilas) con lo cual se impide la fotoinhibición o la
fotodestrucción del PSII.
En ambos casos la energía se disipa como calor (kd). Estos cambios afectarán a la
producción estado estable de fluorescencia, la que también es afectada por cambios en la
fotosíntesis, pero no a la fluorescencia máxima Fmáx. Por lo tanto Fmáx sirve de punto
de referencia para observar cambios en la disipación por calor (kd). El punto de
referencia que se usa es el valor de Fmáx medido después de la aclimatación de la hoja a
la oscuridad por unos 10min o por 24 hrs.
Los cambios en la disipación del calor pueden ser expresados en la Ecuación 4:
Ecuación 4
(Fmáx de la hoja adaptada a la oscuridad (o) - (Fmáx hoja estado estable (t)
NPQ o qN =--------------------------------------------------------------------------------------------------
-
Fmáx (t)
NPQ : ¨Non photochemical quenching¨
Fmáx(o) es la fluorescencia máxima en la hoja adaptada a la oscuridad y Fmáx (t) es la
fluorescencia máxima en el tiempo t.
Si Fmáx (t) aumenta se produce un aumento de la extinción de la energía o quenching
calórico y disminuye la fluorescencia a causa de este factor.
Beta-Caroteno
OH
HO
Fig. 40 – 10. Carotenoides
Zeaxantina
En general, la Zeaxantina se encuentra relacionada con el mecanismo de defensa frente
al estrés producido por la luz en las plantas, ya que el Ciclo de las Xantófilas es una forma
de adaptación producida durante la evolución que le confiere a la planta resistencia a los
cambios climáticos estacionales.
ALGUNOS PARÁMETROS QUE SE PUEDEN MEDIR para observar la eficiencia DE
UNA PLANTA bajo distintas condiciones ambientales.
473

Héctor Rocha L. Fotosíntesis
Fo es la fluorescencia desplegada por una hoja adaptada a la oscuridad en una luz
modulada muy débil.
(Fv) m es la fluorescencia variable máxima que se observa cuando se aplica un pulso
saturante de luz actínica.
Fv es la fluorescencia variable observada una vez que luz actínica continua se aplica y
(Fv) s son los peaks producidos por la fluorescencia producto de los pulsos de luz
saturante
Durante la inducción Fv disminuye desde Fm ((Fv)m), debido al grado de extinción
provocada por el coeficiente de extinción:
Fv = (Fv)m - q(Fv)m
q es el coeficiente de la extinción que varía entre 0 y 1 y equivale a la ecuación:
donde:
q=1 - (1 - qN) (1 - qP)
qP =0, cuando Qa se encuentra 100% reducido no hay empleo de la energía y la
fluorescencia es máxima y
vía,
qN =0, cuando no hay gradiente de protones y no se emplea la energía por esta
por otro lado,
q =1 cuando la fluorescencia variable Fv se suprime totalmente.
Después de cada pulso de luz saturante la fluorescencia se empuja a (Fv)s ya que qP es
eliminado
( Fv)s = Fv + qP(Fv)s
(Fv)s desciende de un máximo debido a la generación de un gradiente de protones
asociado al qN
(Fv)s= (Fv)m - qN(Fv)m
Fv = (Fv)m - qN(Fv)m - qP(Fv)s
y finalmente
Fv = (1-qN) (1- qP) (Fv)m
Donde:
(Fv)s - Fv
qP = ------------------------
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Héctor Rocha L. Fotosíntesis
(Fv)s
(Fv)m - (Fv)s
qN = -------------------------
(Fv)m
Fv
1 - qP = ----------------
(Fv)s
(Fv)s
1 - qN = ---------------
(Fv)m
El valor de Fv/Fm es considerado como la Eficiencia cuántica máxima de PSII.
Fv es la fluorescencia variable que es igual a (Fm - Fo).
Fs, es la fluorescencia de la planta adaptada a la luz o señal estado estable con luz
limitante.
Fm', es la señal cuando Qa se encuentra totalmente reducida en la fotosíntesis (detenida)
o la producción de fluorescencia después de un pulso saturante de luz.
Fo', es la señal cuando Qa se encuentra totalmente oxidado con luz de fondo al extremo
rojo en la fotosíntesis.
E es la eficiencia cuántica de PSII.
Fm - Fo Fv
Eficiencia cuántica máxima E = ------------------ = -----
de PSII o Phi(PSII) Fm Fm
E¨ es la eficiencia de la antena de PSII.
Fm´ - Fo´ Fv´
Eficiencia de la antena E¨ = ----------------- = -----
Fm´
Fm´
Del valor de los parámetros examinados hasta aquí dependerá, como se dijo al principio el
estado de la planta frente a las condiciones ambientales de luz, humedad, temperatura y
senescencia.
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Héctor Rocha L. Fotosíntesis
REFERENCIAS
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Organización de los Estados Americanos. Programa Regional de Desarrollo Científico y
Tecnológico. Washington, D.C. - 1984.
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Ann.Rew. Biochem. Vol 52, 507-535, 1983.
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W.C. Taylor ., The Plant Cell, Vol 7, 797-807, 1995.
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The Plant Cell, Vol 7, 809-819, 1995.
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Vol 7, 1039-1057, 1995 .
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Physiol. 106: 415-420, 1994.
Oxidative Stress,
http:// www.agronomy.psu.edu/Courses/AGRO518/Oxygen.htm
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