Introducción a la Botánica
Fotosíntesis 2
¿Cómo se sintetizan hidratos de C a partir del CO2?
¿Qué estructuras y procesos existen para aumentar la eficiencia de la fotosíntesis?
¿Cómo se relacionan la fotosíntesis y el uso eficiente del agua?
CO2 ambiente
CO2 intercelular
H2O
H2O
L
S
•En la fase lumínica de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en:
1. energía redox (flujo de electrones) que genera poder reductor almacenado en el NADPH y en
2. energía quimiosmótica (gradiente de protones) que se convierte en energía química almacenada en los enlaces fosfato del ATP (alto contenido energético)
• En la fase bioquímica de la fotosíntesis, esta energía se usa para reducir el dióxido de carbono y sintetizar glúcidos (hidratos de carbono)
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¿Qué pasa con el CO2?
Dos etapas de la fotosíntesis con separación espacial
etapa fotoquímica ocurre en los tilacoides
genera ATP y NADPH
etapa bioquímica ocurre en el estroma
consume ATP y NADPH
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Etapa bioquímica: fijación de CO2 en plantas C3
•Experimentos de M. Calvin (1950’s) con microalgas clorofitas (algas unicelulares con cloroplastos casi idénticos a los de las plantas)
•Usando un isótopo radiactivo del CO2 (14CO2), los primeros compuestos orgánicos que aparecían “marcados” eran de 3 átomos de C:
•fosfogliceraldehído-3-P
•Plantas C3: Ciclo de Calvin o vía reductiva de las pentosas fosfato
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FIJACIÓN de Carbono el C del CO2 (molécula inorgánica) pasa a formar parte de compuestos orgánicos
Etapas del ciclo de Calvin entrada de CO2 al ciclo
Rubisco
almidón y sacarosa
triosa-P
C fijado
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Tres etapas: •carboxilación, • reducción y •regeneración
Las tres etapas ocurren en el estroma del cloroplasto
Primera etapa: Carboxilación (fijación de CO2)
•Reacción catalizada por la enzima RUBISCO = RuBP carboxilasa/oxigenasa
•La RuBisCO carboxila u oxigena a la RuBP = ribulosa bisfosfato, una pentosa (5C) doblemente fosforilada
•La RuBisCO está presente en el estroma de los cloroplastos de algas y plantas y en el citoplasma de cianobacterias
•8 subunidades L (large) codificadas en el cloroplasto
•8 subunidades S (small) codificadas en el núcleo
•Se activa mediante los productos de la etapa lumínica (en la oscuridad está inactiva)
La RuBisCO es una enzima muy lenta
Es la más abundante del planeta
Todo nuestro carbono pasó alguna vez por el sitio activo de una RuBisCO
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L
S
H H
Primera etapa: Carboxilación (fijación de CO2)
Actividad carboxilante de la RUBISCO: el CO2 de la atmósfera es incorporado a una molécula orgánica, RuBP
ribulosa-1,5-bifosfato = RuBP
dos moléculas de 3-fosfoglicerato (ác. 3-PG)
¿Dónde se utilizan el ATP y el NADPH generados en la etapa lumínica?
una pentosa (5 C’s)
dos triosas (3 C’s)
CO2+H2O
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Segunda etapa: Reducción del CO2 ya fijado
•Por la acción de dos enzimas actuando secuencialmente •Se consume ATP y se oxida un NADPH provenientes de la etapa fotoquímica
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3-fosfoglicerato (ác. 3-PG)
1,3-difosfoglicerato (ác. 1,3-PG)
3-fosfo gliceraldehído
(3-PGA)
Tercera etapa: Regeneración
3 CO2 + 5 H2O + 6 NADPH + 9 ATP GA-3-P + 6 NADP + + 3H+ + 9 ADP + 8 Pi Introducción a la Botánica DBBE FCEyN - UBA
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Carboxilación
Reducción
Regeneración: interconversiones de H de C
• Interconversión de hidratos de C (de 3, 4, 5, 6, 7 átomos de C) para regenerar el aceptor de CO2, RuBP
• Cada paso catalizado por una enzima específica • Se consume ATP
Etapas del ciclo de Calvin Carboxilación: entrada de CO2 al ciclo, mediada por la Rubisco, al unirse el CO2 a una pentosa (RuBP) se forman dos moléculas de 3-P-glicerato (triosa) Reducción: las moléculas de 3-P-glicerato se reducen a gliceraldehido-3-P con consumo de NADPH y de ATP Regeneración: para completar el ciclo, debe regenerarse la ribulosa-di-P, con consumo de ATP Rendimiento neto de la reacción:
Todo el ciclo de Calvin ocurre en el estroma de los cloroplastos Participan 12 enzimas solubles en el estroma, algunas cuya actividad está regulada por la luz
3 CO2 + 5 H2O + 6 NADPH + 9 ATP GA-3-P + 6 NADP + + 3H+ + 9 ADP + 8 Pi
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Las triosas-P se usan para la síntesis de sacarosa y almidón
sacarosa: carbohidrato soluble de transporte almidón: carbohidrato insoluble de reserva se sintetiza durante el día, que se “moviliza” durante la noche
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almidón
Rubisco: Competencia entre las actividades de carboxilación y oxigenación
La tasa relativa de carboxilación vs. oxigenación depende de las concentraciones de CO2 y de O2 en el ambiente (hay 500 veces más O2 que CO2 en la atmósfera actual 20% O2 vs. 0.04% CO2)
La reacción de oxigenación es el primer paso de un proceso, llamado FOTORESPIRACIÓN, que involucra cloroplastos, mitocondrias y peroxisomas
Se libera CO2 y se consume ATP, NADPH y O2
La Rubisco puede unir tanto CO2 como O2 en su sitio activo: las consecuencias son diferentes
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La fotorrespiración: consumo de O2 mediado por la luz
Se recupera 1 CO2 del fosfoglicolato y otro se pierde
Se consumen O2 y ATP: Es un proceso opuesto a la fotosíntesis, diferente de la respiración mitocondrial porque ocurre solamente frente a la luz y consume ATP
3
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En la FOTORESPIRACIÓN los cloroplastos, mitocondrias y peroxisomas cooperan para recuperar uno de los dos átomos de C que se pierden en la reacción de oxigenación de la Rubisco
Se libera CO2 y se consume ATP, NADPH y O2
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La fotorrespiración: consumo de O2 mediado por la luz
El ambiente terrestre era muy diferente cuando apareció la RubisCO: sin oxígeno y con abundancia de CO2
divergence of photosynthetic
bacterial lineages
Xiong, J., and Bauer, C. E. (2002). Complex evolution of photosynthesis. Annual Review of Plant Biology. 53: 503-521.
¿Por qué existe la reacción de oxigenación?
[CO2] en el presente = 0.04% En el Cámbrico = 0.7% Precámbrico = 4%???
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Mecanismos de concentración de CO2
Una manera de “ganarle” al O2 es concentrar el CO2 alrededor de la RubisCO
Las plantas y también las algas desarrollaron diversas maneras de concentrar CO2, usando enzimas ya existentes para otros procesos del metabolismo del C
MD Hatch y CR Slack (1966), trabajando en caña de azúcar
La “marca” de 14C aparecía en un compuesto de 4 carbonos
Vía C4 de fijación de CO2: relacionada casi siempre con una compartimentalización tisular de la fijación de CO2
En ciertas plantas monocotiledóneas algunas
gramíneas de gran importancia económica (maíz, caña de azúcar, sorgo), en algunas dicotiledóneas (ej. quinoa)
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El ciclo C4 de fijación de CO2: anatomía foliar de una planta C4
mesófilo
vaina vascular
haz vascular
estoma
Corte transversal de una hoja de maíz (anatomía Kranz)
Dos tipos de células fotosintéticas que se diferencian en sus enzimas y en la estructura y función de los cloroplastos: Células del mesófilo y células de la vaina vascular
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estoma
El ciclo C4 de fijación de CO2: anatomía foliar de una planta C4
Corte transversal de una hoja de Panicum miliaceum visto con microscopio de fluorescencia (rojo = clorofila, verde = pared celular)
Dos tipos de células fotosintéticas que se diferencian en sus enzimas y en la estructura y función de los cloroplastos: Células del mesófilo y células de la vaina vascular (=vaina mestomática)
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El ciclo C4 de fijación de CO2: anatomía foliar de una planta C4
Diferenciación estructural y funcional entre células del mesófilo y células de la vaina
Células de la vaina vascular: cloroplastos sin grana, con FSI, sin FSII (no producen oxígeno), con Rubisco, con enzimas del ciclo de Calvin
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Células del mesófilo : PEP carboxilasa en el citoplasma, cloroplastos con grana, con fotosistemas I y II, sin enzimas del ciclo de Calvin
Con numerosos plasmodesmos para el movimiento de moléculas intermediarias de la fotosíntesis
Para concentrar 1 molécula de CO2 se consumen 2 moléculas de ATP (regeneración de PEP)
célula del mesófilo
célula de la vaina vascular
estoma abierto
cloroplasto sin FS2 (no produce O2)
cloroplasto con FS2 ( produce O2)
Rubisco
La primera molécula producida por la fijación de CO2 es de 4 carbonos
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El ciclo C4 de fijación de CO2
El ciclo C4 apareció varias veces en la evolución
Está presente en familias importantes de monocotiledóneas: Poaceae (gramíneas) y Cyperaceae y en algunas dico también!!
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Edwards G.E. et al. (2004) Single-cell C4 photosynthesis versus the dual-cell (Kranz) paradigm. Annual Review of Plant Biology 55:173-196.
Con variaciones en la anatomía foliar, pero (casi siempre) con diferenciación tisular en dos tipos celulares: uno con PEP, el otro con RubisCO
El ciclo C4 apareció varias veces en la evolución
Está presente en monocotiledóneas y en dico también!! Con variaciones en la anatomía foliar, pero (casi siempre) con diferenciación tisular en dos tipos celulares (uno con PEP, el otro con RubisCO)
Kadereit, et al. (2003). Phylogeny of Amaranthaceae and Chenopodiaceae and the evolution of C4 photosynthesis. International Journal of Plant Sciences. 164: 959-986
Estas plantas son dicotiledóneas
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Fotosíntesis y disponibilidad de agua (estado hídrico)
Eficiencia en el uso del agua: moléculas CO2 fijadas moléculas H2O transpiradas
Los estomas regulan el balance entre fotosíntesis y transpiración
= EUA
CO2 ambiente
CO2 intercelular
H2O
H2O
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Efecto de variables ambientales sobre la conductancia estomática (gs, proporcional a la apertura de los estomas)
CO2 disp. agua
luz
Fotosíntesis y disponibilidad de agua (estado hídrico)
• Las plantas incorporan CO2 para la fotosíntesis a través de los estomas
• Los estomas abiertos favorecen la transpiración (salida de vapor de agua)
• La transpiración mantiene la temperatura óptima de la hoja (calor latente de vaporización) y permite el ascenso de la savia (por tensión)
• La apertura de los estomas está altamente controlada por factores ambientales e intrínsecos
• Pero el agua puede ser un recurso escaso…
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CO2 ambiente
CO2 intercelular
H2O
H2O
Eficiencia en el uso del agua: moléculas CO2 fijadas moléculas H2O transpiradas
= EUA
Los estomas regulan el balance entre fotosíntesis y transpiración
¿Qué ventajas brinda el ciclo C4? Comparando las características fisiológicas y bioquímicas de las plantas C3 y C4: • A altas temperaturas , las plantas C4 son más productivas que las C3 porque la
fotorrespiración es más activa a altas temperaturas
• Cuando hay baja disponibilidad de agua en el suelo y los estomas se cierran, las plantas C4 son más productivas que las C3, ya que aprovechan mejor el CO2 presente en el mesofilo de la hoja
El CO2 en la hoja nunca es menor que 50 ppm
Prácticamente todo el CO2 en la hoja es asimilado
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¿Qué ventajas brinda el ciclo C4?
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Prácticamente todo el CO2 en la hoja es asimilado
En comparación con las plantas C3 las plantas C4 asimilan más CO2 por molécula de H2O transpirada
• Tienen una eficiencia en el uso del agua (CO2 / H2O) más alta que las C3
• Tienen un cociente de transpiración (H2O / CO2) más bajo que las C3
Encontrar el equilibrio en un ambiente desértico
Estomas abiertos: Estomas cerrados:
CO2
H2O/O2
• entra el CO2 pero se pierde agua
• se conserva agua • no entra el CO2 • se produce O2 • hay más fotorrespiración!
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Metabolismo CAM de fijación de CO2
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Compartimentalización temporal: los estomas se abren a la noche!
Metabolismo CAM: estomas abiertos durante la noche
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tasa de fijación de CO2
tasa de transpiración
conductancia estomática
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Opuntia ficus-indica
¿Qué veríamos si midiéramos concentración de malato?
Metabolismo CAM: se acumula ácido C4 durante la noche
Sto
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Concentración de ácido málico y de CO2 dentro del mesófilo
Ojo que en este gráfico las horas están invertidas y se mide resistencia en vez de conductancia estomática
Comparación entre plantas C4 y CAM In
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C4: ej. caña de azúcar CAM: ej. ananá
mesófilo
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mesófilo
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1º paso: fijación en un compuesto de 4C
2º paso: liberación de CO2 y entrada en el ciclo de Calvin
separación tisular (espacial) separación temporal
En todas (C3, C4, CAM) hay ciclo de Calvin
La fotosíntesis y los factores ambientales
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Factores ambientales que afectan la fotosíntesis: • Intensidad de luz • Disponibilidad de CO2 • Disponibilidad de agua • Temperatura • Disponibilidad de nutrientes Las plantas responden con cambios: • momentáneos • diurnos, etc. • estacionales • a lo largo de la evolución (adaptativos)
aclimatación
afectan el estado general de la planta
sustratos de la reacción
La fotosíntesis y los factores ambientales
Cambios que llevan a la aclimatación: • momentáneos:
apertura o cierre de estomas movimiento de los cloroplastos (por ciclosis) desacople de la antena fotosintética: pasa de absorber
a disipar energía lumínica
• diurnos: heliotropismo
• a nivel meristemático: anatomía foliar de sol o de sombra
• estacionales: pérdida de las hojas en estación fría
Cambios evolutivos: • Morfológicos • Anatómicos • Fisiológicos
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> plasticidad > posibilidad de aclimatación
Factores limitantes de la fotosíntesis
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O2)
Variable ambiental: intensidad de luz, [CO2], humedad, temperatura
Pendiente =
eficiencia del uso de la variable ambiental
El factor limitante: La velocidad de la fotosíntesis bajo un dado conjunto de condiciones ambientales está determinada (limitada) por el paso más lento
Luz como factor limitante y punto de compensación lumínico
Punto de compensación lumínico
Fotosíntesis neta = 0
Respuesta a cambios en la intensidad de luz
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Punto de compensación
Fotosíntesis neta = 0
Vasimilación de CO2 = Vliberación de CO2
¿Puede crecer una planta con luz por debajo del punto de
compensación lumínico?
Luz como factor limitante y punto de compensación lumínico
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Intensidad de luz
Pendiente =
eficiencia del uso de la luz
Respuesta a cambios en la intensidad de luz
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En la parte lineal de la curva la intensidad de luz es el factor limitante
Luz como factor limitante y punto de compensación lumínico
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Intensidad de luz
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O2)
Respuesta a cambios en la intensidad de luz
¿Cuál de las plantas, A, B o C, es más eficiente en el uso de la luz?
¿Cuál tiene una velocidad más alta de fotosíntesis en condiciones saturantes de luz?
FS=0
Aclimatación a las condiciones de luz
Plantas que se aclimatan a la intensidad de luz cambiando su anatomía y su fisiología foliar
sombra: luz limitante
pleno sol: luz suficiente
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dos especies diferentes
dos ambientes diferentes (misma especie)
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Aclimatación a las condiciones de luz
ACLIMATACION (la misma especie)
ADAPTACION (selección natural)
[CO2] atm actual
Ventajas y desventajas de los mecanismos de concentración de CO2
Punto de compensación: FS neta = 0
(velocidad FS = velocidad R)
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• Las plantas C4 con su mecanismo de concentración de CO2 tienen puntos de compensación de CO2 más bajos son más eficientes que las plantas C3 a bajas concentraciones de CO2
• En las condiciones actuales de CO2, las plantas C4 operan a su máxima velocidad de asimilación de CO2 (saturación)
• A altas concentraciones de CO2 las plantas C3 son fotosintéticamente más eficientes que las C4 concentrar CO2 en la vaina conlleva un gasto de energía adicional
¿Qué pasa si baja la concentración de O2?
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Comparando una planta C3 con una C4
O2 normal (21%)
O2 normal (21%)
C3 plant O2 bajo (2%)
Fotosíntesis y disponibilidad de agua (estado hídrico)
Las plantas con mecanismos de concentración de CO2 no necesitan tener sus estomas abiertos al mismo grado que las plantas sin ellos Son más eficientes en el uso del agua
Compiten bien en ambientes secos, con altas temperaturas, evolucionaron cuando la [CO2] terrestre descendió
En la eficiencia en el uso del agua CAM > C4 > C3
El balance entre fotosíntesis y transpiración
Eficiencia en el uso del agua: moléculas CO2 fijadas moléculas H2O transpiradas
= EUA
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CO2 ambiente
CO2 intercelular
H2O
H2O
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