CICLO DE CALVIN

El ciclo de Calvin (también conocido como ciclo de Calvin-Benson o fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis) consiste en una serie de procesos bioquímicos que se realizan en el estroma de los cloroplastos de los organismos fotosintéticos. Fue descubierto por Melvin Calvin y Andy Benson de la Universidad de California Berkeley mediante el empleo de isotopos radiactivos de carbono.

Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la energía lumínica ha sido almacenada en moléculas orgánicas sencillas e inestables (ATP), que aportarán energía para realizar el proceso y poder reductor, es decir, la capacidad de donar electrones (reducir) a otra molécula (dinucleótido de nicotinamida y adenina fosfato o NADPH+H+). En general, los compuestos bioquímicos más reducidos (es decir, los que tienen mayor cantidad electrones) almacenan más energía que los oxidados (con menos electrones) y son, por tanto, capaces de generar más trabajo (por ejemplo, aportar la energía necesaria para generar ATP en la fosforilacion oxidativa). En el ciclo de Calvin se integran y convierten moléculas inorgánicas de dióxido de carbono en moléculas orgánicas sencillas a partir de las cuales se formará el resto de los compuestos bioquímicos que constituyen los seres vivos. Este proceso también se puede, por tanto, denominar como de asimilación del carbono.

La primera enzima que interviene en el ciclo y que fija el CO2 atmosférico uniéndolo a una molécula orgánica (ribulosa-1,5-bifosfato) se denomina RuBisCO (por las siglas de Ribulosa bisfosfato carboxilasa-oxigenasa).

Para un total de 6 moléculas de CO2 fijado, la estequiometria final del ciclo de Calvin se puede resumir en la ecuación:

6CO2 + 12NADPH + 18 ATP → C6H12O6P + 12NADP+ + 18ADP + 17 Pi

Que representaría la formación de una molécula de azúcar-fosfato de 6 átomos de carbono (hexosa) a partir de 6 moléculas de CO2

Fases del Ciclo de Calvin

El ciclo está dividido en tres fases:

1ª Fase: Fijación del CO2

La RuBisCO cataliza la reacción entre la ribulosa bifosfato (una pentosa, es decir un monosacárido de 5C, RuBP) con el CO2, para crear 1 molécula de 6 carbonos, la cual al ser inestable termina por separarse en 2 moléculas que contienen 3 átomos de carbono cada una, el fosfoglicerato (PGA). La importancia de la RuBisCo queda indicada por el hecho de ser la enzima más abundante en la naturaleza.

2ª Fase: Reducción

Primero ocurre un proceso de activación en el cual una molécula de ATP, proveniente de la fase fotoquímica, es usada para la fosforilación del PGA, transformándolo en difosfoglicerato. Esa transferencia de un enlace fosfato permite que una molécula de NADPH+H+ reduzca el PGA, mediante la acción de la enzima gliceraldehído-3-fosfato-deshidrogenasa, para formar gliceraldehído-3-fosfato (PGAL). Esta última molécula es una triosa-fosfato, un azúcar de tipo aldosa con 3C, que es una molécula estable y con mayor energía libre (capaz de realizar mayor cantidad de trabajo) que las anteriores. Parte de PGAL se transforma en su isómero dihidroxiacetona-fosfato (cetosa de 3C). Estas dos triosas-fosfato serán la base a partir de la cual se formen el resto de azúcares (como la fructosa y glucosa), oligosacáridos (como la sacarosa o azúcar de caña) y polisacáridos (como la celulosa o el almidón). También, a partir de estos azúcares, se formarán directa o indirectamente las cadenas de carbono que componen el resto de biomoléculas que constituyen los seres vivos (lípidos, proteínas, ácidos nucleicos, etc.).

3ª Fase: Regeneración

El ciclo continua a lo largo de una serie de reacciones hasta formar ribulosa-5-fosfato, que mediante el consumo de otra molécula de ATP, regenera la ribulosa bisfosfato (RuBP) original, dejándola disponible para que el ciclo se repita nuevamente.

Por tanto, por cada vuelta del ciclo se incorpora una molécula de carbono fijado (CO2) a otra molécula preexistente de 5 átomos de carbono (ribulosa bisfosfato), el resultado final es la regeneración de la molécula de 5 átomos de carbono y la incorporación de un nuevo carbono en forma orgánica C(H2O). Para comprenderlo hay que tener en cuenta que el producto fundamental del ciclo de Calvin es el gliceraldehído-3-fosfato (de 3 átomos de carbono), molécula que sirve como base para la síntesis del resto de carbohidratos. Tras 3 vueltas del ciclo, una nueva molécula de PGAL sale de éste y puede ser posteriormente utilizada para la formación de otras moléculas.

Durante años se pensó que el ciclo de Calvin era independiente de la luz y se denominó "fase oscura de la fotosíntesis". Hoy en día se conoce perfectamente que tanto la actividad de RuBisCO como de otras enzimas clave del ciclo es

regulada por la luz, desactivándose en condiciones de oscuridad y reactivándose en condiciones de iluminación.

A bajas concentraciones de CO2 (como cuando se cierran los estomas para evitar pérdida de agua en la planta), la Rubisco reaccionara con O2 en vez de CO2. Esta reacción provoca una disminución del porcentaje de carbono fijado y está asociada al fenómeno denominado fotorrespiración. Estos procesos son más graves a temperaturas relativamente altas, disminuyendo la tasa de fotosíntesis (una medida de la capacidad de la planta para asimilar CO2).

Por ello plantas adaptadas a climas cálidos han desarrollado estrategia para optimizar la capacidad de asimilación de dióxido de carbono (plantas C-4 y plantas CAM). Las plantas C4 usan inicialmente la enzima PEP carboxilasa (fosfoenolpiruvato carboxilasa), que convierte el fosfoenolpiruvato (compuesto de 3C) en oxalacetato (compuesto de 4C) a partir de bicarbonato que se forma por reacción del CO2 con agua (facilitado por la presencia de la enzima anhidrasa carbónica que cataliza esta reacción). La PEP carboxilasa tiene una afinidad muy alta por el bicarbonato, mayor que RubisCO por el CO2. El nombre de este tipo de fotosíntesis proviene, precisamente, de que el primer compuesto orgánico formado (oxalacetato) tiene 4 átomos de carbono.

A partir de oxalacetato se produce malato (un compuesto más reducido) lo que conlleva una pérdida del poder reductor acumulado en la fotosíntesis. El malato formado desprende el carbono fijado en las inmediaciones de RubisCO, aumentando la concentración de dióxido de carbono respecto a oxígeno en el entorno de esta última enzima. A partir de aquí el proceso es similar al descrito anteriormente (plantas C-3, en las que el primer producto de la asimilación de CO2,es el PGA de 3 átomos de carbono). De esta forma se consigue evitar la actividad oxigenasa de la Rubisco.

La formación de malato y su descomposición ocurren en células diferentes, cada una de ellas provistas de cloroplastos especializados en llevar a cabo cada una de las dos funciones. Otro tipo de adaptación es el de las plantas con fotosíntesis CAM (de las siglas en inglés "Crassulacean acid metabolism", metabolismo de plantas crasuláceas) frecuente en plantas xerófitas (plantas adaptadas a ambientes áridos) y que les permite mantener cerrados los estomas evitando la pérdida de agua.

Regulación del Ciclo de Calvin

 La asimilación de CO2 se regula fundamentalmente regulando la actividad rubisco. Se trata de una enzima con baja eficiencia, que compensa con su cantidad (aproximadamente el 50% de proteína soluble en hoja corresponde a rubisco), y su estructura (con 8 subunidades grandes y 8 pequeñas, conformando 8 centros activos). Aunque su afinidad por CO2 es de10-100 veces superior que por O2, este se encuentra a mayor concentración en la atmósfera o disuelto en el agua, de forma que, siempre que no haya limitaciones de

energía procedente de la luz, la velocidad de captura de CO2 vendrá determinada por la razón CO2/O2, por la disponibilidad de RuBP y por la cantidad y estado de activación de la rubisco.

            En condiciones óptimas, el CO2 no es limitante, aunque sí si el cierre de los estomas es persistente, algo que ocurre en determinadas condiciones de estrés. Al contrario, si la concentración de CO2 es muy alta, la velocidad de carboxilación será muy rápida, y se verá limitada por la cantidad de RuBP.

            En la membrana de los cloroplastos existe un traslocador de fosfatos, que intercambia triosas-fostato e iones fosfato entre el cloroplasto y el citoplasma y regula por tanto la disponibilidad de triosas-fosfato por el ciclo de Calvin.

            La regulación postranscripcional de cada uno de los enzimas del Ciclo de Calvin, además de por disponibilidad de sustrato, es un sistema a gran escala:

La enzima rubisco, tras su síntesis se activa por carbamilación de un grupo amino del aminoácido lisina y Mg2+. Es inhibida por unión de azúcares bifosfato y reactivada por la “rubisco activasa” que separa la enzima de los azúcares que la inhiben. El aumento de pH del estroma también actúa como activador de la rubisco. La luz induce el incremento de este pH, al activar la cadena fotosintética que retira H+ hacia el lumen de los tilacoides; este transporte está acoplado al antiporte de Mg2+ hacia el estroma, por tanto la luz es también activador de la rubisco.

FOTORESPIRACION

La fotorrespiración es un proceso que ocurre en el mesófilo de la hoja, en presencia de luz, y en donde la concentración de O2 es alta. Se realiza en plantas C3 (especialmente en época de verano en donde la planta aumenta la frecuencia con la que cierra sus estomas para evitar pérdida de H2O).

El cloroplasto absorbe O2, que es catalizado junto con la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) por la enzima RuBisCO; transformándola así en ácido glicólico o glicolato. El glicolato es traspasado al peroxisoma (saco membranoso que contiene enzimas) y con la acción de O2, son catalizados por la enzima oxidasa, transformando por una parte en peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) y en glioxilato, el que incorpora nitrógeno por transaminación y forma el aminoácido glicina. Dos de estos aminoácidos son llevados a la mitocondria donde finalmente se logran tres compuestos: serina, amoníaco y CO2. Los gases CO2 y amoniaco se liberan. La serina regresa al peroxisoma en donde es transformada en glicerato,

éste es llevado al cloroplasto en dónde, mediante el gasto de una molécula de ATP, se reintegra al ciclo de Calvin como 3-fosfoglicerato.

En conclusión la fotorrespiración produce gasto de RuBP y CO2; es un proceso de gasto energético pero permite recuperar 3 moléculas de carbono en los 3-fosfoglicerato. Se pierde un átomo de carbono en el CO2 liberado.

Necesita 3 orgánulos, el cloroplasto, el peroxisoma y la mitocondria.

Ciclo oxidativo

Cloroplasto . Entrada de 2 moléculas de oxígeno, que con la ribulosa-1,5-bisfosfato producen una molécula de fosfoglicerato y una molécula de fosfoglicolato. La molécula de fosfoglicerato sirve para el ciclo de Calvin, y permite recuperar la RuBP. La molécula de fosfoglicolato pierde su fosfato y da el glicolato. Este sale del cloroplasto.

Peroxisoma. El glicolato, con la acción de O2 y mediante la enzima oxidasa, esta transformado a glioxilato y se produce H2O2 (agua oxigenada). El glioxilato incorpora nitrógeno por transaminación y forma el aminoácido glicina. Este sale del peroxisoma.

Mitocondria. la glicina se oxida a serina, mediante NAD+ que se reduce a NADH y libera CO2 y amonio NH4

+. Peroxisoma. La serina vuelve al peroxisoma, donde se transforma en

hidroxipiruvato, el cual mediante NADH se transforma a su vez en glicerato. Cloroplasto. El glicerato vuelve al cloroplasto, donde mediante una

molécula de ATP se transforma en 3-fosfoglicerato y se reintegra el ciclo de Calvin.

El amino liberado en la mitocondria pasa al cloroplasto en forma de NH3, lo cual mediante glutamina sintetasa permite transformar alfa-cetoglutarato en glutamato. El glutamato permite transformar serina en hidroxipiruvato en el peroxisoma, mientras se transforma en alfa-ceto-glutarato.

Vía de 4 carbonos

La vía de 4 carbonos, vía C4 o ruta C4, también denominada vía de Hatch-Slack en honor a sus descubridores, es una serie de reacciones bioquímicas de fijación del carbono proveniente del CO2 atmosférico. El proceso consiste en la captación del dióxido de carbono en las células del mesófilo de la planta pero el CO2, en vez de utilizarse inmediatamente en el ciclo de Calvin, reacciona con el fosfoenolpiruvato (PEP) gracias a la catálisis de la enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa. El producto final de la reacción entre el PEP y el CO2 es el oxalacetato, que posteriormente se convierte en malato. El malato se transporta hacia las células de la vaina, donde es descarboxilado, produciendo el CO2 necesario para el ciclo de Calvin, además de piruvato. Este último pasa nuevamente al mesófilo donde se transforma por medio de ATP en fosfoenolpiruvato, para quedar nuevamente disponible para el ciclo.

La ventaja de este proceso radica en el hecho de que al estar la RuBisCO encerrada en las células de la vaina se le impide la posibilidad de que reaccione con oxígeno en situaciones en las cuales la concentración de CO2 sea muy baja, por lo cual se reduce considerablemente la pérdida de energía y de CO2 a través de la fotorespiración. Incluso las moléculas de dióxido de carbono generadas por la fotorespiración se reutilizan a través del PEP, que captura aquellas en el mesófilo para que ingresen al ciclo de Calvin.

Las plantas que usan esta vía para la fijación del carbono se denominadan plantas C4; entre ellas, se pueden mencionar el maíz, la caña de azúcar, la invasora Cynodon dactylon (grama), el sorgo y el amaranto.