capítulo iii - infoagro colombia

1
1
2
LA FOTOSÍNTESIS
Y dijo Dios: Sea la luz: y fué la luz.
(Genesis,1,3)
Introducciòn general
El papel de las plantas en el ciclo del carbono
La distribución del carbono en la tierra
El total del carbono asociado a los diferentes compuestos en la Tierra se estima en 26 x 1018
kg. Gran parte de esta cantidad está ligada a compuestos inorgánicos y solamente el 0.05%,
se encuentra ligado a compuestos orgánicos.
Tabla 1. Repartición del carbono a nivel planetario
Carbono inorgánico
Gigatones (Gt)
(1 Gt = 199 ton)
Atmósfera
700
Hidrósfera
Aguas interiores
250
Océanos (Aguas superficiales)
500
Océanos (Aguas profundas)
34 500
Litósfera
Carbón y petróleo
7 500
Rocas
25 000 000
2
3
Carbono ligado orgánicamente
Biomasa (Organismos terrestres)
410
Biomasa (Organismos marinos)
10
Detritus y suelo
710
Detritus y sedimento (Océanos)
3 000
Fuente : Larcher, (1975)
La cantidad de fotosíntesis que ocurre en la Tierra, es de magnitud variable, pero los
estimativos promedios registrados por Salisbury y Ross (1978) son de 70 mil millones de
toneladas (7 x 1013 kg) de carbono fijado por año, lo cual equivale a una biomasa en
materia seca de 1.7 x 1014 toneladas de material orgánico con fórmula empírica [CH2O]n.
El aire contiene una proporción en carbono estimada en 1010 toneladas métricas, que es
relativamente escasa, si se lo compara con otras fuentes, de lo cual se puede deducir que
cada año, el 10% del carbono contenido en la atmósfera es reciclado por las plantas.
Carbono fijado orgánicamente
Se encuentra en la biosfera y en las capa superiores de la litósfera: 64% almacenado en
forma de material fósil (carbón, petróleo, turba), 32% contenido en los detritus orgánicos de
suelos y aguas y sólo el 4% como componente estructural de la biomasa. La mayor parte de
esta biomasa, está asociada a las plantas terrestres. Dentro de la fitomasa, los bosques
acumulan más del 75% del carbono fijado por ellos.
Carbono ligado inorgánicamente
Se localiza en su mayor parte en los sedimentos de la corteza terrestre. Una pequeña parte
(0.14%) se encuentra fijado en forma de carbonatos y bicarbonatos en los océanos y en las
3
4
aguas lacustres. En la capa superficial de los cuerpos de agua, se encuentra el 17% del
carbono inorgánico de la hidrosfera.
En la atmósfera hay tanto carbono como en las aguas superficiales de la hidrosfera, y entre
las dos partes, se produce un intercambio continuo del elemento. El valor medio del CO2
atmosférico global en 1970, era de 322 ppm (0.0322% en volumen), que correspondía a un
contenido de 0.6 mg CO2 litro-1 de aire a una presión de 1.0 bar (0.1 MPa) o 0.987
atmósferas. La concentración local de CO2 varía diariamente. En efecto, en la atmósfera
que circunda los cultivos de maíz se pueden medir 260 ppm en las horas del día, mientras
que en las horas de la noche, se alcanza un nivel de 400 ppm como consecuencia de la
respiración mitocondrial de las plantas y la respiración de los microbios del suelo.
Por otro lado, es de suma importancia evidenciar que la concentración de CO2 atmósférico
global ha venido aumentando en forma sistemática, debido principalmente a la acción
antropogénica. El incremento en la concentración de CO2 luego de la Revolución Industrial
(1750), se atribuye primariamente a la quema de combustibles fósiles (carbón, petróleo y
gas natural) por la industria, las termoeléctricas y el sistema de transporte, y en menor
magnitud, se atribuye a la oxidación de la biomasa y a la descomposición de la materia
orgánica del suelo debida a la conversión de los bosques en tierras de cultivo. Los cambios
en el uso de la tierra en los trópicos, están contribuyendo en la actualidad con entre un 10 y
un 30% de las emisiones antropogénicas anuales de CO2 hacia la atmósfera.
En conjunto, las actividades humanas han contribuido a aumentar en cerca del 25% la
concentración (desde cerca de 280 ppm hasta más de 381 ppm en 2009) desde el comienzo
de la Revolución Industrial hasta 1995. Las mediciones directas continuas y sistemáticas de
la concentración anual de CO2 atmosférico, comenzaron en Hawai en 1958. Desde esa
época, la concentración promedio de CO2 ha aumentado desde cerca de 315 ppm en 1958
hasta cerca de 381 ppm en 2010, la más elevada en los últimos 650.000 años. La
concentración de CO2 global continúa creciendo a una tasa de 0.4% anual, lo cual se
traduce en un incremento de 1.5 ppm año-1. Si esta tendencia continúa, la concentración de
CO2 a finales del siglo XXI alcanzará cerca del doble de la concentración estimada para la
era pre-Revolución Industrial.
4
5
Figura ) Incremento anual de la concentración de CO2 atmosférico (Sagan, 1998).
Ciclo del carbono
5
6
Las formas variadas en como se encuentra el carbono, difieren en su movilidad: Sólidas (en
los organismos, suelos y litósfera), disueltas (en la savia, o en el jugo celular), como gas
(en los espacios intercelulares de las plantas, en los poros del suelo y en la atmósfera). El
intercambio se produce en diferentes sitios y fases. Los compuestos carbonados de la
litósfera se disuelven, el CO2 del agua se equilibra con el del aire, y el ciclo del carbono de
los organismos vivos, promueve su circulación continua en varios niveles.
1) Circulación del carbono dentro de la celula
Las células verdes utilizan el CO2 del aire y del agua para producir carbohidratos que se
almacenan y son utilizados en la síntesis de tejidos, o son metabolizados para aportar
energía y liberar CO2 de nuevo. El ciclo celular del carbono entre la fotosíntesis bruta y la
respiración, es corto y tiene que ver con un transporte espacial pequeño y rápido
2) Circulación del carbono en la planta
El carbono se mueve en la planta, desde su sitio de absorción en las hojas por medio del
sistema de tubos cribosos hasta los otros órganos. Parte de los carbohidratos movilizados se
utiliza durante el proceso respiratorio y parte es almacenada como materia seca, cuya
velocidad de incremento se expresa como tasa de asimilación neta (TAN). Durante este
ciclo, se libera una fracción relativamente grande del C como CO2.
3) Circulación del carbono en la cadena alimenticia
En el caso de plantas herbáceas y no leñosas, la materia seca acumulada por las plantas,
pasa rápidamente a los consumidores (dependiendo del órgano de almacenamiento). Como
consecuencia, los consumidores liberan gradualmente CO2. Hay diferencias en la velocidad
de transformación entre los bosques y las comunidades herbáceas. Normalmente, el ciclo
del carbono en las comunidades forestales de las zonas templadas y de páramo requiere de
mucho tiempo debido a la dificultad de la degradación de sus compuestos.
6
7
4) Circulación biogeoquímica
En general, el proceso de circulación se lleva a cabo en formas primarias, como
consecuencia de los procesos biológicos. Cada año las plantas ligan en compuestos
orgánicos hasta el 10% del CO2 contenido en la atmósfera o disuelto en la superficie de
océanos y lagos. Cerca del 33% del CO2 asimilado es liberado mediante el proceso
respiratorio de las plantas y una milésima parte de él, es retirada de circulación
temporalmente a causa de la sedimentación, mientras que el resto sirve como alimento
básico de los organismos heterotróficos y se constituye en el punto de partida del flujo
energético en la cadena trófica. La respiración y la fermentación, liberan CO2 que llena las
reservas terrestres.
5) Cambios en la concentración diaria de la atmósfera
Durante el día, la actividad fotosintética de las plantas verdes disminuye el contenido de
CO2 del aire y durante la noche la liberación de CO2 debida a los procesos respiratorios, lo
eleva de nuevo. En cubiertas vegetales densas, la fluctuación diaria en CO2 puede estar
entre 250 y 400 ppm, fluctuación que puede ser detectada aún a distancias considerables del
suelo. Dentro del estrato vegetal, se forma un perfil de concentración característico.
Durante la noche, el CO2 se acumula entre las plantas y especialmente cerca del suelo.
Durante la mañana, el aire contenido en las capas verdes del dosel se vuelve cada vez más
pobre en CO2, y hacia el medio día la disminución en la concentración de CO2 desde la
atmósfera abierta hasta la parte superior del dosel es muy pronunciada. Igual cosa ocurre
desde el suelo hacia el estrato foliar. La contribución de la respiración del suelo al aporte de
CO2 depende de la densidad y altura de la cubierta foliar y va desde el 10% en los bosques,
hasta el 20% en los cultivos y comunidades en crecimiento.
Comparado con el ciclo biológico, el ciclaje geoquímico es irrelevante. Si se suma el CO2
liberado por la actividad industrial y los fenómenos volcánicos, tal contribución es menor
del 10% del CO2 liberado anualmente por otros procesos.
7
8
6) Circulación a gran escala
En general, tiene que ver con el intercambio de CO2 entre las aguas superficiales y la
atmósfera. Como el CO2 se diluye rápidamente en el agua, las aguas de los océanos se
convierten en un reservorio del gas.
Metabolismo del carbono en la celula
El proceso fotosintético
La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas captan la energía radiante del sol,
la convierten en energía química y la almacenan en los enlaces de las moléculas orgánicas.
Mediante el proceso fotosintético, las plantas sintetizan sus propias moléculas orgánicas
reducidas y ricas en energía a partir de moléculas inorgánicas oxidadas sencillas y pobres
en energía. Esta capacidad de las plantas para auto-alimentarse, se debe a que las células de
sus hojas poseen los cloroplastos, en cuyo interior se aloja una maquinaria capaz de
convertir la energía lumínica en energía química [ATP y poder reductor (NADPH)]. El
proceso fotosintético, puede ser visualizado como una secuencia de los siguientes eventos:
1) Captura de la energía lumínica por los cloroplastos mediante las clorofilas.
2) Partición de la molécula de H2O con la producción de electrones de alta energía y
oxigeno molecular (O2).
3) Cadena de transferencia electrónica con producción de ATP y agentes reductores de gran
potencia (NADPH).
4) Uso del ATP y NADPH para fijar y reducir el CO2 en forma de carbohidratos y otros
constituyentes de las plantas durante la etapa bioquímica de la fotosíntesis.
Los primeros tres eventos son los comúnmente denominados reacciones luminosas de la
fotosíntesis y el último evento, corresponde a las reacciones no dependientes de la
presencia directa de la luz.
8
9
El poder reductor (como NADPH o NADH) y el ATP, son utilizados para la fijación y
reducción del CO2 a azúcares, y por cada átomo gramo de carbono fijado se obtiene una
energía potencial de 112-114 kilocalorías.
Este proceso incrementa la energía libre total accesible a los organismos y directa o
indirectamente, aporta la energía para la totalidad de los seres vivos, y se lo puede describir
simplificadamente en la siguiente forma:
Organismos
fotosintéticos
Estado de baja energía química + energía lumínica
Estado de alta energía química
En los organismos con fotosíntesis oxigénica, como las plantas superiores, la fuente de
electrones para los equivalentes de reducción es el H2O, y se libera O2 como subproducto.
La reacción general de la fotosíntesis oxigénica puede ser representada así:
LUZ
(CH2O)n + H2O + O2
nCO2 + 2 H2O
Pigmentos
Fotosintéticos
En tal ecuación, (CH2O) representa a los carbohidratos, básicamente sacarosa y almidón.
Este proceso es el responsable de la producción de virtualmente todo el O2 de la atmósfera
y de la fijación anual en los compuestos orgánicos de cerca de 1011 toneladas de carbono a
partir del CO2 atmosférico.
Los azúcares producidos mediante la fijación fotosintética del CO2, aportan el material
básico para la biosíntesis de todas las moléculas orgánicas encontradas en las plantas.
También son la fuente de combustible químico oxidado por el oxígeno en las mitocondrias
para la generación del ATP utilizado en una amplia variedad de procesos vegetales que
consumen energía tales como la biosíntesis, el transporte activo de iones y metabolitos a
través de la membrana, y para el movimiento intracelular de los organelos. (Figura 1).
9
10
2 NADPH2
CO2
2 NADP+
8-12
fotones
Clorofilas a, b
Carotenos
xantofilas
Pigmentos
excitados
3 ATP
3 ADP
+
3 Pi
[CH2O]n
+
H2O
O2
2 H2O
Figura 1. PROCESO GENERAL DE LA FOTOSINTESIS
Antecedentes históricos
La fotosíntesis y el desarrollo de la química de los gases
Se puede afirmar sin lugar a equivocación, que el descubrimiento de la Fotosíntesis, fue una
consecuencia directa del desarrollo de la química de los gases.
Desde la época de Aristóteles, hasta finales del siglo 18, se pensaba que las plantas
obtenían todos sus nutrientes del suelo, cosa que es perfectamente comprensible, si se tiene
en cuenta que no fue sino hasta el siglo 17, cuando se estableció que el aire también debe
ser considerado como una sustancia. Por esta razón, es obvio que el descubrimiento de la
Fotosíntesis, proceso que tiene que ver con un intercambio de gases, no ocurriera sino hasta
el momento en que fue posible acceder al conocimiento de las propiedades de estos
materiales invisibles, y que fueran desarrollados los métodos para su cuantificación.
De los cuatro estados de la materia conocidos actualmente (sólido, líquido, gaseoso y
plasma), antiguamente sólo eran reconocidos los estados sólido y líquido. El concepto de
estado gaseoso apareció durante la Edad Media, pero no fue formalizado sino hasta
10
11
comienzos del siglo 17 por el químico belga Jean Baptiste van Helmont (1577-1644). Van
Helmont colectó varios gases y fue el primero en utilizar el término “gas” (del griego kaos
= desorden).
En 1654, el alemán Otto von Guericke (1602-1686) demostró que el aire posee peso, y
logró generar vacío con una bomba de su invención. Un poco más tarde, en 1661, el físico
británico Robert Boyle (1627-1691) desarrolló su Ley de los Gases, según la cual a
temperatura constante, el producto de la presión por el volumen es constante (PV = k).
Además, Boyle fue el primero en distinguir entre elementos, compuestos y mezclas.
La química de los gases necesitó de otro siglo para desarrollar el concepto según el cual, el
aire es mucho más que una sustancia elemental simple. A comienzos del siglo 17, van
Helmont obtuvo CO2 al cual llamó “gas silvestre”, haciendo reaccionar diferentes ácidos
con carbonato de calcio y mediante la combustión de la hulla.
Durante los primeros años del siglo 18, el británico Stephen Hales, teólogo y pionero de la
Fisiología Animal y Vegetal, desarrolló la técnica de la recolección de gases mediante el
desplazamiento del agua de un jarro lleno e invertido. Hales recolectó varios gases
incluyendo el CO2, pero al igual que van Helmont, no los reconoció como sustancias
diferentes. El primero en percatarse de que el gas desprendido por la acción de los ácidos
sobre el CaCO3 era una sustancia distinta, fue el médico y profesor de la Universidad de
Edimburgo, Joseph Black (1728-1799) en 1754. Black obtuvo CO2 al calentar CaCO3 en
presencia de MgCO3, constatando que durante el proceso se perdía peso. Debido a que este
investigador encontró que el CO2 se fijaba como un sólido componente de los carbonatos
alcalinos, lo llamó “aire fijo”. Lavoisier demostró en 1781 que ese gas era un compuesto de
carbono y oxígeno.
Desde la Edad Media, se sabía que la reacción entre el H2SO4 y el Fe, liberaba un gas. Esta
reacción fue estudiada por Paracelso (1493-1541) y más tarde por van Helmont, quién
descubrió que el gas liberado por esta reacción era combustible, pero no lo distinguió de
otros gases inflamables, distinción que sí hicieron otros químicos durante un proceso que
duró más de 150 años.
11
12
En 1766, el célebre físico inglés Henry Cavendish (1731-1810), demostró que tal gas era
una sustancia distinta y definida, cuya combustión producía agua. Esta característica
también fue descubierta independientemente por Lavoisier, quien en 1783 le dio el nombre
de hidrógeno (del griego hydros = agua, genos = formar). De esta manera, fue establecida
la composición química del agua.
El descubrimiento del oxígeno, uno de los avances más importantes en la historia de la
Química, fue realizado independientemente por el químico sueco Karl Wilhelm Scheele
(1742-1786) entre 1771 y 1773, y por el teólogo, historiador y químico inglés Joseph
Priestley (1733-1804) en 1774. Scheele producía oxígeno (al que llamó aire-fuego),
mediante el calentamiento de sulfatos y fosfatos de manganeso, nitrato de magnesio y óxido
mercúrico. Al mismo tiempo, estableció que el aire contiene aproximadamente 1/5 de airefuego, pero debido a que sus notas no fueron publicadas sino un año después del informe de
Priestley, se le asignó a este último la prioridad del descubrimiento.
El interés de Priestley por los gases, se extendió más allá de sus estudios acerca del CO2
producido durante el proceso de fermentación de la cerveza y de la fabricación del agua de
Seltzer. Sus experimentos acerca del oxígeno, comenzaron con el calentamiento del óxido
mercúrico mediante la luz solar enfocada por una gran lente. El primero de agosto de 1774,
después de recolectar el gas expelido, Priestley anotó: “... lo que me sorprendió más de lo
que pueda expresar, fue que una astilla se quemaba en este aire con una llama notablemente
vigorosa”. Este gas, también permitía a un ratón vivir más tiempo que cuando se le
colocaba en un volumen igual de aire. Priestley llamó a este gas “aire deflogisticado”, pero
fue rebautizado por Lavoisier en 1777 con el nombre de oxígeno, partiendo de los vocablos
griegos que significan “productor de ácido”. Este nombre era equivocado, debido a que
Lavoisier pensaba inicialmente que el oxígeno era un ingrediente necesario en la
composición de los ácidos. En efecto, lo que él había observado, es que durante la
combustión del azufre o del fósforo en presencia de este gas, se forman productos ácidos.
12
13
En realidad, el oxígeno ya había sido preparado por medios similares mucho tiempo antes
de que Scheele y Priestley hubieran efectuado sus trabajos. Eck de Sultzbach había llevado
a cabo la misma reacción con óxido mercúrico en 1489, pero probablemente se impresionó
más con el mercurio elemental producido (“plata rápida”), que con el gas que se
desprendía. Otros investigadores, incluyendo a Stephen Hales, colectaron el gas producido
durante el calentamiento del KNO3, mientras que P. Payen, también obtuvo el gas en el
mismo año que Priestley, pero no hizo ningún intento por caracterizar sus propiedades.
Priestley desarrolló un ingenioso experimento basado en la reacción del oxígeno con el
óxido nítrico (“aire nitroso”), gas también descubierto por él en 1772. Cuando se agregaba
aire deflogisticado al aire nitroso en un recipiente invertido sobre agua, podía ocasionar una
disminución del volumen de la mezcla gaseosa hasta que se consumía el aire deflogisticado,
en la siguiente forma:
2 NO2
2 NO + O2
El NO2 se disuelve en el agua formando ácidos nítrico y nitroso.
La adición de NO a la mezcla libre de oxígeno debía, entonces, aumentar el volumen total
de la fase gaseosa. Mediante titulación, observó que la “bondad” del oxígeno puro era cinco
veces mayor que la del aire común. En otras palabras, Priestley descubrió que el aire
contiene cerca del 20% de oxígeno.
Entre los años 1774 y 1794, ocurrió una gran revolución en la teoría química, en gran parte
como resultado del trabajo de una sola persona, el gran químico francés Antoine Laurent
Lavoisier (1743-1794), quien estableció las bases cuantitativas de lasreacciones químicas.
Poco después de que Priestley comunicara las propiedades del oxígeno (1774), Lavoisier
fue el primero en reconocer las bases químicas de la oxidación, logrando cuantificar las
oxidaciones de varios elementos, particularmente del fósforo, el azufre y el mercurio. En su
protocolo clásico, Lavoisier colocó una muestra de mercurio de peso conocido dentro de un
13
14
recipiente cerrado lleno de aire, luego calentó el sistema durante 12 días y pudo constatar
que el oxígeno había sido removido del aire, al mismo tiempo que se había reducido el
volumen de la fase gaseosa en 1/5 y el mercurio se había convertido en un polvo rojizo, el
óxido de mercurio. Durante esta etapa, el aire obtenido no podía alimentar la llama de una
vela. Lavoisier dio el nombre de “Azote” al gas restante. Esta palabra proviene del griego y
significa “incapaz de mantener la vida”. Hoy se sabe, que el gas restante está constituido
casi en un 99 % por el nitrógeno (azote, en francés).
Cuando el óxido mercúrico se calentaba a altas temperaturas, como en el experimento de
Priestley, se descomponía liberando un volumen de gas (oxígeno) igual al volumen en que
se disminuía la mezcla inicial.
Midiendo el peso del mercurio en cada etapa, Lavoisier determinó un incremento de peso a
medida que el óxido de mercurio se combinaba con el oxígeno y, luego, una disminución a
medida que el óxido de mercurio se descomponía. También observó, que el fósforo y el
azufre ganaban peso cuando se quemaban. Lavoisier pudo, de esta manera, explicar
química y cuantitativamente el fenómeno de la oxidación y propuso su teoría sobre esta
materia en 1777. Desafortunadamente su trabajo fue interrumpido el 8 de mayo de 1794,
día en que fue ejecutado por razones políticas, durante la Revolución Francesa.
La Teoría del Flogisto
Antes del descubrimiento del oxígeno, el proceso de la combustión era un verdadero
acertijo para los químicos. En el año 776, el alquimista árabe Geber (Abu Musa Jabir ibn
Hayyan al Sufi) manifestó que las sustancias arden porque ellas contienen el “principio de
la inflamabilidad”. Geber supuso que este principio era el azufre, pero otros investigadores
demostraron más tarde que otras sustancias que no contienen azufre, también pueden arder.
A principios del siglo 18, el médico alemán Georg Ernst Stahl (1660-1734) combinó estas
ideas con las formuladas por Johann Joachim Becher (1635-1682) y propuso la Teoría del
Flogisto. Según Stahl, el “flogiston” (del griego "poner fuego”) es el “principio de la
combustibilidad”, el cual puede ser conocido sólo por sus efectos, y sólo aquellos
14
15
materiales que contienen flogisto, son susceptibles de ser inflamados. Los materiales que se
queman más fácilmente, contienen más flogisto que las de más difícil combustión. De
acuerdo con esta teoría, a medida que se efectúa la combustión, el flogisto se libera al aire
para producir “aire flogisticado”. La conversión de un metal en escoria (que hoy se
denomina óxido), también tiene que ver con un escape de flogisto. La función del aire, que
se sabía necesaria, era la de un vehículo o espacio donde se acomodaba el flogisto escapado.
El aire saturado con flogisto (o aire flogisticado) no sirve para mantener la combustión. En
éste contexto, es fácil entender por qué cuando Priestley descubrió el oxígeno gaseoso, lo
llamó “aire deflogisticado”.
El error de la teoría se hacía evidente luego de una verificación cuantitativa, como ya lo
había comprobado Jean Rey (c.1582-c.1645) en 1630, cuando estableció que una escoria u
óxido pesa más que el metal del cual se deriva. Los defensores de la teoría del flogisto,
trataban de explicar este hecho mediante la afirmación de que el flogisto poseía una masa
negativa. La invalidación final de la teoría del flogisto fue aportada por los trabajos de
Lavoisier cuyos estudios cuantitativos del proceso de oxidación, establecieron que durante
la combustión, las sustancias ganan oxígeno en lugar de perder flogisto. A pesar de haber
sido demostrada su incorrección básica, la teoría del flogisto prestó un servicio invaluable
ya que hizo posible la organización de los fenómenos químicos en forma lógica. Es notable
que, tanto Priestley como Cavendish, permanecieron partidarios de la teoría del flogisto,
aún después de que se conocieran las propiedades del oxígeno.
El descubrimiento de la fotosíntesis
Con el trasfondo del desarrollo de la Química experimental y particularmente de la química
de los gases, fue posible el descubrimiento de la fotosíntesis.
Para llegar a este descubrimiento, se requería haber establecido las bases del intercambio
gaseoso y el hecho de que las plantas obtienen la mayor parte de su alimento a partir del
aire, concepto que fue particularmente difícil de aceptar. Sin embargo, a comienzos del
siglo 17, ya se había realizado un experimento que invalidó al suelo como fuente principal
de nutrientes para la planta. Jean Baptiste van Helmont cultivó durante cinco años, un sauce
15
16
de 75 kg a partir de una estaca de 2 kg, en un cajón con suelo al cual le agregó sólo agua.
Al final del experimento el peso perdido por el cajón con suelo era de sólo 0.1 kg.
“En el interior de una maceta, puse 90 kg de suelo que había secado en un horno, le agregué
agua y planté un vástago de sauce que pesaba 2.28 kg. La maceta únicamente fue regada
con agua de lluvia o (cuando fue necesario) con agua destilada; el vástago era grande y
estaba hundido en la tierra. Para evitar que el polvo del aire de su alrededor se mezclara con
la tierra, el borde de la maceta se resguardó, cubriéndola con una lámina de hierro
recubierta de estaño y horadada por muchos agujeros. No calculé el peso de las hojas que
cayeron luego de cuatro otoños. Por último, sequé de nuevo la tierra de la maceta y se
encontraron los mismos 90 kg menos unos 56 gramos. Luego de cinco años, el peso del
sauce fue de 76. 74 kg.Por tanto, unos 74.44kg de madera, corteza y raíz habían crecido
sólo a partir del agua".
Van Helmont concluyó erróneamente que el crecimiento de la planta se debía enteramente
al agua agregada al cajón, conclusión razonable si se considera el estado del conocimiento
en aquella época. El significado de este experimento, no fue captado sino doscientos años
más tarde cuando Cavendish y Lavoisier determinaron la composición del agua, en 1783.
FOTOSINTESIS
RESEÑA HISTORICA
• EXPERIMENTO DE VAN HELMONT
Riego con agua de lluvia
o agua destilada
5 años
Peso árbol: 2.30 Kg
Peso tierra: 90.71 Kg
Peso árbol: 76.74 Kg
Peso tierra: 90.66 Kg
Variación peso árbol: 74.44 Kg
Peso tierra:
-0.05 Kg
FISIOLOGIA VEGETAL - LUIS
ROSSI
Figura . Experimento de van Helmont
16
2
17
En 1727, Stephen Hales demostró que los tejidos animales y vegetales absorben y liberan
gases cuya naturaleza no pudo precisar, pero llegó a afirmar que”...muy probablemente las
plantas extraen del aire por medio de sus hojas alguna parte de su alimento. No será que la
luz contribuye a ennoblecer los principios de los vegetales?”. Tales afirmaciones estaban
claramente fuera de época, ya que la evidencia que las podía verificar no fue obtenida sino
hasta 50 años más tarde.
El primer descubrimiento relacionado con la fotosíntesis fue efectuado en 1771, cuando
Joseph Priestley quien realizaba sus estudios sobre el CO2 usando la llama de una vela,
realizó un experimento simple pero notable. Priestley sabía que cuando se coloca un ratón
en un recipiente lleno con “aire fijo”, el animal muere rápidamente. Entonces, decidió
verificar los efectos del “aire fijo” sobre la vida vegetal. Inesperadamente, una plantica de
menta colocada en el recipiente lleno con “aire fijo” no sólo permaneció viva sino que llegó
a florecer.
Priestley también encontró que dentro del recipiente de “aire fijo” desprovisto de oxígeno
por la combustión de una vela, la planta de menta podía restaurar la habilidad del aire para
alimentar una llama. La conclusión de Priestley fue la de que las plantas tenían la habilidad
para absorber el flogisto del “aire fijo” produciendo aire puro o deflogisticado.
Aparentemente, Priestley no se percató de la relación entre la habilidad de las plantas para
restaurar el aire, y su trabajo con el óxido mercúrico, o con el hecho de que ambos procesos
agregan algo al aire. Tampoco se dio cuenta del papel de la luz en el proceso, problema que
más tarde lo condujo a confusión cuando no pudo repetir el experimento en todas las
circunstancias.
La situación fue aclarada en 1779 por el holandés Jan Ingen-Housz, médico de la corte de
María Teresa de Austria. Este investigador realizó alrededor de 500 experimentos con los
cuales, estableció el papel de la luz en la restauración del aire por las plantas. Mediante la
observación de las burbujas formadas por plantas iluminadas sumergidas en agua,
evidenció que las plantas liberan oxígeno. Aunque esta observación ya había sido efectuada
por otros, su significado había sido desdeñado. Ingen-Housz demostró que solamente las
partes verdes de las plantas tienen la habilidad para restaurar el aire, observación que fue
17
18
confirmada por Priestley en 1781. Ingen-Housz fue el primero en reconocer el proceso
general de la fotosíntesis, al proponer en 1796 que las plantas obtienen el carbono a partir
del “ácido carbónico” del aire y al mismo tiempo liberan oxígeno llegando a atribuir estas
capacidades a sus hojas.
En los años de 1782 y 1783, el ginebrino Jean Senebier (1742-1809), mostró que la
liberación del oxígeno es facilitada y, de alguna manera, depende de la presencia de CO2.
Senebier descubrió que las plantas absorben CO2 y que su absorción y la liberación del
oxígeno son procesos interrelacionados, pero pensó que el CO2 se disuelve primero en el
agua del suelo y luego alcanza las hojas por la vía de las raíces.
La evidencia de que las plantas obtienen su carbono a partir del CO2, sólo pudo ser
obtenida luego de que el intercambio de gases que se lleva a cabo durante la fotosíntesis,
fuera estudiado sobre bases cuantitativas. En 1804, otro químico ginebrino, Nicolas
Theodore de Saussure (1767-1845) encontró que el peso de la planta aumenta a medida que
absorbe CO2, pero cuando trató de equilibrar cuidadosamente el peso del CO2 asimilado
con el del oxígeno liberado, se percató de que la planta había ganado más peso del que
debiera. Luego, reconoció que el peso adicional había sido ganado a partir del agua,
conclusión que obtuvo luego del análisis de una gran cantidad de datos experimentales.
Así, el conocimiento de la fotosíntesis en esta época de la Historia, se puede resumir
mediante la ecuación:
[CH2O]n + O2
CO2 + H2O + luz
18
19
El descubrimiento de los cloroplastos
FiguraXXX . Células vegetales con cloroplastos visibles
Figura XXX. (1) Cloroplasto de Spinacia oleraceae, una planta C3. (2) Cloroplasto de
maíz, una planta C4.
iguraXXX . Cloroplasto de la planta C4Froelichia gracilis (Amaranthaceae).
19
20
El diámetro mayor de los cloroplastos mide en promedio 5 m, mientras que el poder de
resolución del ojo humano, es de sólo aproximadamente 100 m. Por tal razón, para que se
produjera el descubrimiento de los cloroplastos, hubo que esperar hasta que fuera posible el
desarrollo de un microscopio capaz de magnificar un objeto más de 20 veces su diámetro.
El primer microscopio compuesto, fue construido por los hermanos holandeses Hans y
Zaccharius Janssen hacia finales del siglo 16, y hacia la mitad del siglo 17, ya se habían
logrado notables avances en la tecnología de fabricación de lentes y microscopios. El
descubridor de la célula, Robert Hooke (1635-1703), desarrolló un microscopio capaz de
magnificar un objeto hasta cerca de 30 diámetros. Poco después, Nehemiah Grew (16411712), médico inglés contemporáneo de Hooke, llevó a cabo una investigación detallada de
la microanatomía de las plantas usando uno de los microscopios construídos por Hooke y
encontró que la materia verde de las hojas tiene características discretas, razón por la cual
se considera que realmente, Grew fue el primero en observar los cloroplastos.
Los logros más importantes en microscopía durante el siglo 17, fueron alcanzados por el
holandés Antoni van Leeuwenhoek (1632-1723), quien construyó varios microscopios
simples con capacidad para magnificar un objeto varios cientos de veces su diámetro. Con
estos microscopios y, posiblemente, con el descubrimiento de la iluminación de campo
oscuro, Leeuwenhoek, fue el primero en observar organismos unicelulares (protozoarios,
algas y bacterias). Su habilidad técnica para la fabricación de lentes no tuvo igual en su
tiempo y hubo que esperar casi 200 años más para que otros investigadores hicieran
observaciones más detalladas de organismos unicelulares.
El desarrollo del microscopio como instrumento de investigación, requirió un tiempo
relativamente largo, debido a ciertos problemas técnicos entre los cuales estaban las
imperfecciones de las lentes que las hacían comportar como prismas y producían márgenes
coloreadas en las imágenes, defecto conocido como “aberración cromática”.
Aunque las primeras lentes acromáticas para telescopio fueron construidas por el inglés
Chester Moor Hall en 1733, sólo hasta 1830 se logró una tecnología lo suficientemente
avanzada como para que se pudieran construir microscopios compuestos acromáticos que
lograran magnificaciones superiores a las de los modelos iniciales. No obstante, sólo se
20
21
obtenían magnificaciones comparables a las logradas por van Leeuwenhoek con sus
microscopios simples. En los años siguientes a 1830, se lograron notables avances
tecnológicos, con los cuales se alcanzaron magnificaciones superiores y en 1837, el
botánico alemán Hugo von Mohl (1805-1872) publicó la primera descripción del
cloroplasto (chlorophyllkornen) como cuerpo discreto dentro de la célula vegetal verde.
Más tarde, otro botánico alemán, A.F.W. Schimper, sugirió el nombre de “plástido” para
referirse a los organelos verdes observados dentro de las células de los tejidos vegetales.
En 1883, Schimper dedujo de sus observaciones en células vivientes, que los cloroplastos
pueden dividirse y propuso que los plástidos no se desarrollan de nuovo sino mediante la
división de los plástidos ya existentes. Además, sugirió que las plantas verdes deben su
origen, posiblemente, a una relación simbiótica entre organismos que contienen clorofila y
otros organismos desprovistos de ella.
En 1833, A. Meyer realizó otro notable hallazgo citológico al observar los granos del
interior de los cloroplastos, logro que agotó las posibilidades de la microscopía óptica para
la observación de la estructura fina de las células vegetales.
Los avances más significativos en aspectos estructurales sólo se lograron 80 años más tarde
con el desarrollo del microscopio electrónico, cuyo poder de magnificación es superior a
los 100.000 diámetros en equipos de potencia media y puede alcanzar hasta 1. 000. 000 de
aumentos en los de alta potencia. Con estos instrumentos, se revelaron las ultraestructuras
de las membranas y otros componentes del cloroplasto de varios nm de espesor, y se logró
visualizar la complejidad de las membranas internas.
Además, se descubrió que el cloroplasto está rodeado de una doble membrana, y que
contiene ribosomas y un material fibroso identificado como ADN, dentro de la estructura
del sistema. El conocimiento detallado de la ultra estructura del cloroplasto se encuentra
aún en desarrollo, aunque para la época de 1900, los aspectos generales ya eran conocidos.
La función general del cloroplasto se estableció gracias a los progresos de la Bioquímica
alcanzados a finales del siglo 19.
21
22
Asociación de la fotosíntesis con los cloroplastos
Aunque Ingen-Housz había demostrado que sólo las partes verdes de las plantas tienen que
ver con la fotosíntesis, de Saussure dudaba de que el color verde fuera necesario, sobre la
base de que las hojas de color rojo también llevan a cabo la fotosíntesis. En 1818, Pelletier
y Caventou, en Francia, separaron la sustancia verde de las plantas y la llamaron clorofila y
en 1837, R.J.H. Dutrochet (1776-1847) demostró que el pigmento verde era necesario para
la fotosíntesis. Mientras tanto, en la misma época, los citólogos demostraron que la
clorofila reside en los cloroplastos.
Hugo von Mohl observó en 1837, que dentro de los cloroplastos ocurren partículas de
almidón. Sin embargo, fue otro alemán, Julius Sachs (1832-1897), quien en 1865 encontró
que los cloroplastos sintetizan azúcares y almidón como resultado de la asimilación del
CO2. Sachs también observó que una planta no asimila CO2, si no contiene clorofila, y tal
habilidad se incrementa a medida que se desarrollan los cloroplastos. Adicionalmente,
Sachs concluyó que puesto que los granos de almidón aparecen sólo en los cloroplastos, la
asimilación del carbono debe efectuarse también en esos mismos organelos.
La prueba de que la fotosíntesis ocurre dentro de los cloroplastos, debía esperar hasta
después de que se desarrollaran los estudios con cloroplastos aislados. T.W. Englemann
inició tales estudios y en 1881 y logró mostrar mediante medidas directas, que cuando se
iluminan las preparaciones de cloroplastos, estas tienen la habilidad de liberar oxígeno a
pesar de estar fuera de las células vivientes.
El papel de la luz en la fotosíntesis
Como se recordará, en 1779 Jan Ingen-Housz demostró que la fotosíntesis depende de la
luz. Posteriormente postuló la hipótesis según la cual la luz del sol rompe el CO2 que la
planta absorbe del aire, y la planta "expulsa” el oxígeno, y al mismo tiempo, “retiene el
carbono para su alimentación”.
22
23
Posteriormente otros investigadores propusieron que el carbono procedente del CO2 se
combina con el agua para formar un producto de fórmula empírica CH2O (aldehido
fórmico). En principio la idea era buena, ya que daba cuenta de las proporciones en las que
se encuentran el carbono, el hidrógeno y el oxígeno en los carbohidratos, el producto
principal de la fotosíntesis en las plantas verdes. De este modo, la hipótesis del papel
directo de la luz en el rompimiento del agua, fue aceptada durante más de 100 años como
un principio de la Biología, a pesar de que esta hipótesis fuera contradictoria puesto que el
aldehido fórmico es tóxico para las plantas.
Sin embargo, hacia los años de 1880, dos hechos habían invalidado tal hipótesis, aunque
nadie se percató de ello en esa época. En primer lugar, Sergei Winogradsky de la
Universidad de Estrasburgo, descubrió las bacterias quimiosintéticas, cuyas células no
contienen clorofila pero pueden sintetizar materia orgánica mediante asimilación de CO2 en
la oscuridad. En segundo lugar, T.W. Englemann, de la Universidad de Utrecht, encontró
que cuando las bacterias púrpura metabolizan compuestos azufrados, realizan un tipo de
fotosíntesis sin aparente evolución de oxígeno.
Las implicaciones del descubrimiento de Winogradsky fueron ignoradas por sus
contemporáneos, con la notable excepción del microbiólogo ruso A.F. Lebedev. Este
investigador dedujo, con una singular penetración, que lo que distingue a las células
fotosintéticas es la utilización de la luz como fuente de energía para el proceso,
interpretación que estaba muy por delante de su época y que produjo muy poco impacto en
ese momento. El descubrimiento de Englemann tuvo menos repercusiónaún, ya que en la
época la fotosíntesis sin evolución de oxígeno, era considerada como una contradicción en
los términos. Incluso Lebedev, al mismo tiempo que defendía la asimilación del CO2 en la
oscuridad, estaba convencido de que se realizaba mediante la rotura de la molécula de CO2,
siendo el oxígeno un producto inevitable.
La hipótesis de Van Niel
Luego, durante más de 40 años se efectuaron muchos experimentos para tratar de establecer
el significado de las bacterias fotosintéticas y quimiosintéticas. Hacia 1930, se descubrió
23
24
que una gran variedad de células asimilan CO2, y fabrican carbohidratos sin la participación
de la luz. En esa época, C.B. Van Niel, de la Universidad de Stanford, demostró de manera
concluyente, que las bacterias pueden realizar la fotosíntesis sin liberación de oxígeno, con
lo cual la hipótesis de la rotura del CO2 quedó invalidada.
Van Niel propuso entonces una nueva hipótesis: La luz no rompe la molécula de CO2 sino
que rompe la molécula de agua. Esta idea se podía aplicar igualmente a plantas verdes y a
bacterias. La luz actúa sobre el agua para producir radicales H+ y OH-, y los radicales H+
aportan el hidrógeno para convertir el CO2 en carbohidrato. En las plantas, los radicales
OH- reaccionan para formar oxígeno, mientras que las bacterias, carecen de las enzimas que
catalizan esta reacción. En su lugar, ellas combinan el radical OH- con el hidrógeno
procedente de una fuente externa para formar agua nuevamente. Este modelo, daba cuenta
de todo lo conocido hasta entonces, incluyendo el hecho de que la fotosíntesis bacteriana, a
diferencia de la de las planta verdes, requiere un donante externo de hidrógeno
(hidrogenonas, compuestos azufrados o ciertos ácidos orgánicos).
La hipótesis de Van Niel fué aceptada universalmente, pero planteaba el problema de la
ruta del H+, que presumiblemente era liberado por efecto de la luz. Sin embargo, la rotura
de la molécula de agua bajo el efecto de una radiación de un contenido energético tan bajo
como el de la luz visible, es un tipo de reacción desconocido en la Química y, por esta
razón, no fue posible establecer conclusiones acerca de las propiedades del H+ inicial o
sobre cómo la célula fotosintética es capaz de convertir el CO2 en carbohidratos.
Para explicar este problema, se propusieron dos hipótesis. Una consideraba que el H+ es
una especie "activa" del átomo de hidrógeno que puede incorporarse por sí sola en la
molécula de CO2. Igualmente, este tipo de reacción es desconocido en la Química. A pesar
de los argumentos teóricos de los defensores de esta idea, hasta ahora no existe evidencia
experimental que la apoye, pero sí se cuenta con abundantes datos en su contra.
De acuerdo con la otra hipótesis, la conversión del CO2 y agua en carbohidratos, se lleva a
cabo mediante la ruta inversa a la respiración o ruta de degradación de los carbohidratos a
CO2 y agua. El papel hipotético del H+ sería el de participar en la formación de compuestos
24
25
que hiciesen marchar las reacciones "oscuras" de la respiración, en la dirección de la
síntesis.
Durante los años 1940, se llevaron a cabo importantes estudios por parte de Hill, Kandler,
Strehler y otros, acerca de las propiedades de los cloroplastos aislados y en particular sobre
su habilidad para liberar oxígeno e incorporar fosfato inorgánico, en formas orgánicas
como los azúcares fosfato. Sin embargo, sólo cuando se logró el protocolo para el
aislamiento de cloroplastos intactos, fue posible obtener la prueba de que el cloroplasto es
el organelo fotosintético completo. En 1954, Daniel Arnon y sus colaboradores
demostraron que las preparaciones de cloroplastos intactos purificados, pueden liberar O2,
fijar CO2 en materiales orgánicos y almacenar energía química en forma de ATP.
El desarrollo de los radioisótopos
La introducción de los compuestos marcados isotópicamente, ha tenido un tremendo
impacto sobre la investigación bioquímica en general y sobre los estudios de fotosíntesis en
particular.
La radioactividad fué descubierta en 1896 por Antoine Henri Becquerel (1852-1908) quien
trabajaba con sales fosforescentes de uranio y en 1898, María Sklodowska-Curie (18671934) y Pierre Curie (1859-1906) anunciaron en París, el descubrimiento del polonio y del
radio. Cuatro años más tarde aislaron el radio, que fué el primer elemento radioactivo en ser
purificado. Los primeros experimentos biológicos con isótopos radioactivos fueron llevados
a cabo por George Hevesy en 1923. En tales experimentos, Hevesy estudió el intercambio
de iones de plomo en las raíces de las plantas utilizando torio B como marcador isotópico.
El estudio del proceso de la fotosíntesis fue favorecido notablemente por la utilización de
los isótopos del carbono. En 1939, Ruben, Hassid y Kamen, efectuaron estudios acerca de
la incorporación de CO2 marcado con 11C, radioisótopo producido en un ciclotrón, y cuya
vida media es de sólo 20 minutos. Se puede visualizar fácilmente la enorme dificultad en la
utilización del
11
C debido a la rapidez de su desintegración, lo cual hizo que durante los
años siguientes, en estudios sucesivos, el 11C fuera reemplazado por el isótopo estable 13C.
25
26
Sin embargo, su uso requiere de la utilización de un espectrómetro de masas, equipo muy
difícil de manipular aún hoy día.
El
14
C, isótopo del carbono que emite rayos - de baja energía y tiene una vida media de
5730 años, fue descubierto por Ruben y Kamen en 1940. Algunos años más tarde, se inició
la producción masiva del
14
C en las pilas atómicas, haciéndolo de fácil accesibilidad para
los investigadores. Al mismo tiempo, se inventó el tubo de descarga Geiger-Muller, con lo
cual fue posible el desarrollo
de una técnica altamente sensible para la detección
cuantitativa de los rayos - emitidos durante la desintegración del 14C. La utilización de este
isótopo, revolucionó el estudio de la fotosíntesis.
Tabla XXXRadio isótopos y sus vidas media de desintegración
Uranio 235
7,038 · 108 años Uranio 238 4,468 · 109 años Potasio 40
1,28 · 109 años
Rubidio 87
4,88 · 1010 años
Calcio 41
1,03 · 105 años
Carbono 14
5730 años
Radio 226
1602 años
Cesio 137
30,07 años
Bismuto 207 31,55 años
Estroncio 90 28,90 años
Cobalto 60 5,271 años
Cadmio 109
462,6 días
Yodo 131
Radón 222
Oxígeno 15
122 segundos
8,02 días
3,82 días
En los años finales de la década de 1940, las áreas más activas en la investigación de la
fotosíntesis, tenían que ver con la identificación de los primeros productos fotosintéticos
utilizando 14CO2 en células completas y en cloroplastos aislados, y con la determinación de
la eficiencia cuántica de la luz en el proceso fotosintético. Pocas cuestiones en la historia de
la fotosíntesis han recibido un estudio teórico y experimental más intenso, y a la vez han
generado mayor controversia, que la eficiencia con la cual las células fotosintéticas
convierten la energía lumínica en energía química.
Hacia 1950, se pensaba que las medidas de eficiencia cuántica eran de crucial importancia
para la aclaración del mecanismo de la fotosíntesis. El gran debate se dio entre el
bioquímico alemán Otto Warburg y su antiguo alumno R. Emerson. Según los cálculos de
Warburg, sobre la base de medidas manométricas, se necesitan entre tres y cinco cuantos
26
27
(fotones) por molécula de CO2 consumida o de O2 liberada, mientras que Nishimura y otros
investigadores encontraban requerimientos cuánticos de entre 8 y 12 cuantos de luz por
CO2 consumido o de O2 liberado, resultado que apoyaba la hipótesis de Emerson, cuyos
trabajos constituyeron la base experimental para proponer la existencia de dos fotosistemas
separados necesarios para convertir la energía lumínica en energía química.
Durante el Simposio de Sheffield, que se reunió en 1950 con el tema "Fijación de CO2 y
fotosíntesis", se dirimió una controversia iniciada algunos años antes, acerca de la
detección de los primeros productos de la asimilación de CO2, con el uso de
14
CO2 como
trazador. Allí, Gaffron y sus colaboradores retiraron sus objeciones a este respecto, y
confirmaron que el primer producto estable de la asimilación del CO2 durante la
fotosíntesis es el fosfoglicerato (3-PGA).
Durante este Simposio, Robert Hill de la Universidad de Cambridge, presentó una
recapitulación acerca de la actividad fotosintética de los cloroplastos aislados, donde
escribió: "Si se rompen las células verdes, es posible separar del tejido el fluído y los
fragmentos cloroplásticos. El jugo verde no puede seguir asimilando CO2, pero en el caso
de muchas plantas, el material insoluble, al menos por una vez, es capaz de liberar O2 en
presencia de luz. Esta liberación de O2 se lleva acabo en presencia de sustancias solubles
que están contenidas en el jugo vegetal, o mediante la adición de reactivos que pueden
actuar como aceptores de hidrógenos. Aunque las preparaciones celulares aunque no
realicen fotosíntesis, sí pueden convertir la luz a una forma de energía química: Se puede
llamar a este proceso, la reacción cloroplástica".
A lo que Hill llamó reacción cloroplástica, es a lo que hoy se conoce apropiadamente como
Reacción de Hill, con la cual se pudo establecer que la fotoproducción de O2 por los
cloroplastos es básicamente independiente de la asimilación de CO2.
Aparte de aportar evidencia experimental de que el agua es la fuente del O2 liberado
durante la fotosíntesis, la reacción de Hill también hizo posible desarrollar un método para
investigar la naturaleza del poder reductor generado fotoquímicamente, que acompaña a la
liberación del O2 por los cloroplastos.
27
28
Paradójicamente, hacia la mitad del siglo 20, los trabajos sobre la fijación del CO2 parecían
indicar que el cloroplasto no era el lugar de la fijación del CO2.
Sin embargo, pocos años después del Simposio de Sheffield se encontró que:
1) Los cloroplastos son los sitios de fijación del CO2
2) Los cloroplastos generan el fuerte poder reductor que se requiere para la asimilación del
CO2
3) Los cloroplastos son los sitios de la formación de ATP inducida por la luz.
A pesar de las objeciones que tenía la propuesta de Warburg sobre la eficiencia y la
carboxilación fotosintéticas, hacia mediados de los años 1950, esta era la visión más
avanzada. Con los experimentos de Calvin y sus colaboradores en la Universidad de
California, se pudo acceder a un concepto completamente diferente del sostenido por
Warburg. En efecto, con el descubrimiento del 3-PGA y otros carbohidratos como primeros
productos estables de la incorporación fotosintética del CO2, se pudo
establecer el
concepto de “Ciclo Fotosintético del Carbono o Ciclo de Calvin-Benson-Bassham o Ciclo
Reductivo de las Pentosas de Fosfato”.
En 1954, Arnon y su grupo descubrieron que las mismas preparaciones de cloroplastos de
espinaca que fijaban CO2, convertían la energía lumínica en energía química y la
almacenaban en los enlaces éster fosfato del ATP. Esta fosforilación fotosintética o
fotofosforilación se distingue de la fosforilación a nivel de sustrato de la fermentación y de
la fosforilación oxidativa de la respiración aerobia en que:
1) La formación de ATP ocurre en las laminillas que contienen clorofila y es independiente
de otros sistemas enzimáticos u organelos.
2) No existen sustratos ricos en energía diferentes de los fotones
3) No se produce ni se consume oxígeno
4) La formación de ATP no está acompañada de un transporte electrónico cuantificable que
tenga que ver con ningún aceptor o donador externo de electrones.
28
29
Con los trabajos de Arnon (1959, 1961), se pudo establecer claramente la distinción entre la
fotofosforilación cíclica y la fotofosforilación no cíclica.
La investigación llevada a cabo durante los años siguientes, dio como resultado el
establecimiento de la cadena de transporte electrónico y los intermediarios correspondientes.
Características físicas de las radiaciones electromagnéticas
La luz
La luz se define usualmente como una radiación percibida por el ojo humano. Aunque esta
definición es parcialmente correcta, la palabra “luz”, se usa también para referirse a una
clase más amplia de ondas electromagnéticas.
La radiación electromagnética es un modo de transporte espontáneo de la energía en el
espacio y comprende un amplio dominio, desde las ondas de radio pasando por la luz
visible, hasta los rayos  y X.
Las propiedades de los campos electromagnéticos se pueden describir mediante un
conjunto de cuatro ecuaciones conocidas como ecuaciones de Maxwell, en honor del físico
escocés James Clerk Maxwell (1831-1878). Tal conjunto es el siguiente:
 da 
1
0
 dv
Donde  es el campo eléctrico y 0 es la constante dieléctrica en el vacío.
Esta ecuación corresponde a la ley de Gauss para el campo eléctrico, donde la carga total
dentro de una superficie cerrada, se escribe como la integral de la densidad de carga 
dentro del volumen encerrado.
29
30
La segunda ecuación de Maxwell
 da  0
Corresponde a la ley de Gauss para el campo magnético , cuya base experimental es la
evidencia de que la densidad de carga magnética total es cero. Aunque algunas teorías
físicas contemporáneas predicen la existencia del monopolo magnético, este no ha sido
detectado hasta el momento.
La tercera ecuación de Maxwell es la ley de Faraday
 dI  

da
t
Según la cual, la circulación eléctrica I evaluada a lo largo de una curva cerrada es igual a
la razón de la variación del flujo del campo magnético a través del área encerrada por esa
curva, con signo contrario. Como consecuencia de esta ley, es posible la construcción de
electroimanes y los motores de inducción electromagnética.
La cuarta ecuación también llamada Ecuación de Maxwell (las otras también lo son ya que
son formalismos maxwellianos de las ecuaciones de Gauss y Faraday), es una
generalización de la ley de Ampère
 dI    Jda
0
Donde es la magnitud de la inducción magnética, o sea la totalidad de los vectores que
forman el campo magnético,  es la constante de inducción magnética o de permeabilidad
magnética absoluta del vacío y J es la densidad de corriente magnética en un elemento de
área.
30
31
Estudiando esta ecuación, Maxwell encontró una inconsistencia lógica: Cuando la ecuación
se aplica a una corriente que circula continuamente en un circuito, no hay problema porque
los valores de ambos miembros de la ecuación son iguales, pero cuando se aplica a una
corriente que circula fluctuando en el tiempo (por ejemplo, un circuito con un
condensador), en un instante determinado dl tiene un valor único pero 0  Jda tiene
diferentes valores, por tanto, la ecuación es inconsistente para ese instante, lo cual equivale
a una inconsistencia lógica puesto que la ecuación debe cumplirse en todos los instantes.
Esta inconsistencia desaparece, según demostró Maxwell, si se añade un término adicional
al segundo miembro de la ecuación que queda de la siguiente forma:
 dI  0 ( Jda   0 

da )
t
El término adicional
0 

da
t
Fue llamado por Maxwell "Corriente de desplazamiento en el vacío", que no es una
corriente en el sentido de transporte de cargas eléctricas, sino una corriente en el sentido de
que tiene asociado un campo magnético. Al igual que el primer término de la ecuación,
tiene que ver con la rapidez de cambio del campo eléctrico y no con cargas móviles.
Entre las dos placas del condensador ocurre una manifestación de un campo que tiene
las características de campo electromagnético oscilante, sin transporte de carga física.
Esta es la primera gran unificación de fuerzas en la Historia de la Física, ya que lo que
implican las ecuaciones de Maxwell, es que existe completa simetría entre los campos
magnéticos y eléctricos, es decir que cuando en el vacío existen campos eléctricos
variables, también deben existir campos magnéticos variables y viceversa. Estos campos
31
32
apareados, llamados colectivamente “Campos electromagnéticos”, pueden propagarse en el
vacío a manera de ondas cuya velocidad de propagación puede ser determinada apelando a
las ecuaciones de propagación de ondas mecánicas de la Física clásica.
Si se evalúa en el vacío, donde la densidad de carga eléctrica y la densidad de corriente
magnética en el vacío son iguales a cero ( = 0 y J = 0), se tienen las ecuaciones de
Maxwell completas, de la siguiente forma:
1)
 da  0
2)
 da  0
3)
 dl   
4)
 dl  0 0 
d
da
dt

da
t
El desplazamiento de la corriente en el vacío, implica que el campo electromagnético oscila
en ondas como una cuerda tensa. Su movimiento puede ser descrito por una ecuación de
onda similar a la ecuación de Newton para la oscilación de una cuerda tensionada con una
fuerza F a lo largo de un eje X así:
 2 f ( x, t )   2 f ( x, t )

F t 2
x 2
Donde  es la unidad de longitud de la cuerda.
32
33
Aplicando las tres primeras ecuaciones de Maxwell, se encuentra que
 y
x

  z
t
O sea que a una variación espacial de  está asociada una variación temporal de 
Utilizando la cuarta ecuación de Maxwell en el vacío, se obtiene
 y
 z
  0 0
x
t
Lo cual quiere decir, que a una variación temporal en  se asocia una variación espacial de
. Entonces, las dos ecuaciones son simétricas.
Luego de tratamiento matemático por derivación parcial y comparando con la ecuación de
onda en las cuerdas, se logra
 2 f ( x, t )   2 f ( x , t )

x 2
F t 2
 2 y ( x, t )
x 2
 2  ( x, t )
 0 0
t 2
 2  ( x, t )
 2 ( x, t )
 0 0
x 2
t 2
La ecuación de onda mecánica, tiene soluciones de la onda progresiva de la forma
f(x,t) = f(x-vt)
Donde la velocidad de la onda v en ambos sentidos, está representada por
33
34
v 
F

Como son similares, entonces las dos ecuaciones electromagnéticas tienen soluciones de
onda progresiva de la forma
y (x,t) = y (x-vt)
z (x,t) = z (x-vt)
Donde
v 
1
 0 0
1

 0 0


Siendo
0 4 x 10-7T m a-1
y
0 = 8.854 x 10-12 c2 N-1 m-2
Si se reemplazan los valores y se efectúa la operación, entonces se tiene
 v  = 2.999 X 108 m s-1 ~ 300 000 km s-1 = c
La velocidad de las ondas electromagnéticas, es coincidente con c que es la velocidad de la
luz en el vacío. En conclusión,
La luz se propaga como una onda electromagnética con una velocidad = c
34
35
Además, Maxwell señaló que:
1) Si en el vacío existe un campo eléctrico variabley (x,t), entonces también existe un
campo magnético variable z (x,t) y viceversa. Los campos eléctrico y magnético
son transversales a la dirección de propagación de las ondas y son perpendiculares
entre sí (Figura 1). O sea que la luz se puede representar como una onda
electromagnética que corresponde a las oscilaciones de los campos eléctricos y
magnéticos locales.
Figura XXX. Las ondas electromagnéticas son transversales, y en ellas, la dirección de los
campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación
2) Estos campos obedecen a ecuaciones de onda con idénticas velocidades de propagación,
de tal manera que la configuración de los campos eléctrico y magnético no cambia cuando
se propagan en la dirección x a medida que aumenta t.
3) La velocidad de propagación vpredicha por las ecuaciones de onda en términos de los
valores de las constantes dieléctrica 0 y de permeabilidad magnética 0, es igual en
magnitud a la velocidad de la luz.
4) Consecuentemente, las ondas luminosas se pueden identificar como ondas
electromagnéticas
5) Según lo anterior, la ecuación
v 
1
 0 0
35
36
Se puede escribir
c
1
 0 0
Como ejemplo de una onda de la forma general
y (x, t) = y (x-vt)
La onda plana sinusoidal polarizada que se propaga en la dirección positiva del eje X posee
un campo eléctrico que se puede describir mediante la función
 2 ( x  ct ) 




 y ( x, t )  A cos 
La velocidad de propagación es igual a la velocidad de la luz.
Figura XXX . Descripción de un movimiento ondulatorio
La amplitud de onda, es valor máximo que toma el campo eléctrico y (x,t);  es la longitud
de onda y representa la distancia que avanza en X la función sinusoidal para realizar un
ciclo completo, si se mantiene el tiempo constante. Si se fija X, entonces, el tiempo t
necesario para tener un ciclo completo es el período T de la onda (Figura XXX).
36
37
Puesto que en un ciclo, el argumento del coseno cambia en 2, el valor de T está
representado por
2cT

 2
De donde
cT  
Como el inverso de T es la frecuencia de la onda , entonces
1
c
 

T
Si una onda electromagnética tiene una longitud de onda, entonces, necesariamente debe
tener una frecuencia que satisfaga

c

Esta restricción, la imponen las ecuaciones de onda electromagnética, aunque tales
ecuaciones no imponen ninguna otra restricción sobrey
Vale decir, que cualquier par de y relacionados por la ecuación, pueden ser valores
posibles de la frecuencia y la longitud de onda de una onda electromagnética. Los valores
de estas magnitudes para una onda en particular, dependen del proceso de producción de la
onda: Frecuentemente, las ondas electromagnéticas se producen por cargas eléctricas que
realizan algún tipo de movimiento oscilatorio, y la frecuencia  de la onda producida, es
igual a la frecuencia de las oscilaciones que la producen.
37
38
Para el caso particularmente importante de la luz visible, la gama de frecuencias van
desde 5 x 1014 Hz hasta 8 x 1014 Hz y las longitudes de onda van desde 4 x 10-7 m hasta 7
x 10-7 m.
El primer par de valores corresponde a la luz roja, mientras que el segundo par corresponde
a la luz violeta. Las frecuencias de la luz visible son muy difíciles de medir, mientras que la
longitud de onda se puede medir fácilmente por interferometría. La frecuencia se deduce de
la longitud de onda mediante

c

En las gráficas que aparecen abajo, se observan los nombres que toman las ondas
electromagnéticas en las diferentes regiones de lo que se conoce como “espectro
electromagnetico” y se muestran las longitudes de onda y frecuencias representativas de
cada una. Tomadas en conjunto constituyen la radiación electromagnética.
Teoría cuántica de Planck.
Hacia finales del siglo 19, los físicos se encontraban en un estado tal de seguridad acerca de
su campo, que incluso llegaron a predecir el fin de la Física como fuente de conocimiento.
En efecto, la toría ondulatoria de la luz estaba bien establecida y la mecánica newtoniana,
desde su formulación en el siglo 17, había logrado estudiar exitosamente desde los sistemas
formados por las bolas de billar, hasta los sistemas planetarios, mientras que la
Termodinámica, se había convertido en una poderosa herramienta para la resolución de
numerosos problemas físicos y químicos. Sin embargo, este estado de cosas tan confortable
38
39
no duraría mucho. En 1899, Lummer y Pringsheim, estudiaron la radiación emitida por los
sólidos en función de la temperatura, y obtuvieron una serie de curvas que no podían ser
explicadas por la teoría electromagnética de la luz o por la termodinámica clásica. La
búsqueda de una explicación apropiada condujo rápidamente a una nueva era en la Física.
Por encima del cero absoluto, todos los cuerpos emiten radiación en un rango de longitudes
de onda. La incandescencia roja de una resistencia eléctrica y la luz blanca brillante de una
bombilla eléctrica son ejemplos familiares. Si se mide la intensidad de la radiación contra la
longitud de onda para un emisor a diferentes temperaturas, se obtiene una serie de curvas a
las cuales se las denomina “curvas de radiacion del cuerpo negro”, siendo un cuerpo negro
un objeto que absorbe toda la radiación que le llega: Un absorbente de radiación perfecto
también es un emisor de radiación perfecto.
Como se puede observar, el pico de densidad relativa de energía para las diferentes
temperaturas se alcanza a una longitud de onda correspondiente a la luz ultravioleta (Figura
XXX).
La determinación precisa de las propiedades termofísicas de las radiaciones
electromagnéticas, se puede realizar con un cuerpo negro consistente en una esfera metálica
gruesa que limita una región del espacio desprovista de materia y se lleva a una temperat T.
Figura . Modelo de un cuerpo negro esférico cóncavo.
39
40
La agitación térmica de las cargas eléctricas del metal origina en el interior del aparato un
sistema de radiaciones electromagnéticas de diferentes longitudes de onda que se pueden
estudiar sin ser perturbadas, captando una muestra mediante un pequeño orificio practicado
en la pared de la esfera.
Con la medida de la intensidad de la radiación observada en cada longitud de onda, es
posible deducir la densidad de energía de la radiación en el interior del sistema. Se
encuentra que la temperatura se comporta como una curva en campana en la cual el
máximo de densidad de energía es función de la temperatura del mecanismo, es decir, de la
temperatura del interior del sistema. A medida que se aleja de la longitud de onda máxima,
la densidad de energía se anula rápidamente. Las curvas obtenidas son del mismo tipo y
similares a las que describen las velocidades de las moléculas de un gas perfecto a cada
temperatura.
Figura . (A) Curvas de radiación del cuerpo negro en función de su temperatura, y (B),
cromaticidad de la radiación del cuerpo negro de acuerdo con su temperatura.
De acuerdo con la teoría electromagnética de la luz, es posible considerar la radiación del
cuerpo negro (dentro de la esfera) como una reunión de ondas estacionarias independientes
cuyas frecuencias , 2, 3,...discretas dependen de la geometría de la cavidad. Todas las
40
41
ondas de la misma frecuencia pueden ser consideradas como un sistema de osciladores al
que se le pueden aplicar las reglas de la mecánica estadística de Maxwell-Boltzmann.
Los resultados obtenidos teóricamente, no dan cuenta de los resultados experimentales de la
radiación del cuerpo negro obtenidos por Raleigh y Jeans: de acuerdo con el enfoque de la
estadística de Maxwell-Boltzmann, la densidad de energía de las ondas electromagnéticas
diverge al infinito para valores de longitud de onda situados en el dominio del ultravioleta y
más allá.
Según este resultado, una piedra arrojada al fuego y calentada a la temperatura de emisión
de radiación ultravioleta, debería ser la fuente de una radiación infinita, predicción teórica
ridícula que está en abierta contradicción con la experiencia: A este hecho se le denominó
“catástrofe del ultravioleta”. Catástrofe en el sentido de que la teoría electromagnética de
Maxwell no daba cuenta del comportamiento de la curva, y catástrofe en el sentido
puramente físico, ya que al cabo de un tiempo de calentamiento debería emitirse toda la
energía del cuerpo calentado, en una explosión de rayos ultravioleta de magnitud infinita,
resultado que contradice a la experiencia como lo muestran las curvas experimentales de
radiación del cuerpo negro y viola abiertamente la primera ley de la termodinámica según
la cual la energía ni se crea ni se destruye sino que simplemente se transforma. En términos
prácticos, este resultado quiere decir que para obtener una fuente inagotable de energía
bastaría con calentar una piedra hasta la temperatura de emisión de rayos UV, lo cual está
en contradicción abierta con la experiencia y con la física y es a todas luces ridículo.
En 1900, Max Planck resolvió el problema con una suposición que se apartaba
drásticamente de la Física clásica. En Física clásica, se asumía que la energía radiante
puede tener cualquier valor energético dentro de un rango continuo como consecuencia de
las leyes de Maxwell, lo cual originaba la catástrofe del ultravioleta. Lo que Planck afirmó
es que la energía radiante no puede tener cualquier valor arbitrario: En vez de tal cosa, la
energía solamente puede ser emitida en cantidades pequeñas y discretas a las cuales él
llamó “cuantos”. La energía de la radiación emitida, E, es proporcional a la frecuencia de la
radiación emitida
E 
41
42
De donde
E = h
Siendo h la constante de Planck, cuyo valor es de 6.626 x 10-27 erg.s ó 6.626 x 10-34 Js
De acuerdo con la Teoría Cuántica de Planck, la energía es emitida siempre en multiplos de
h; por ejemplo, 1h2hhpero nunca 1.68 h ó 3.52 h. O sea, no se emite en
cantidades continuassino en cantidades discretas, múltiplos del factor h.
42
43
El efecto fotoeléctrico
Mediante la formulación de Planck, se pudieron explicar algunas observaciones que se
habían convertido en acertijos para los físicos. En efecto, en 1899 Lenard y Thomsom
habían estudiado el efecto fotoeléctrico, el cual consiste en una emisión de electrones por
una superficie metálica muy pulida, iluminada por una fuente luminosa. En 1902, Lenard
dedujo las leyes que rigen el efecto fotoeléctrico: Independencia respecto a la intensidad de
la radiación y dependencia exclusiva de la frecuencia de la radiación y de la naturaleza de
la materia irradiada. En 1905, Einstein explicó teóricamente las leyes del efecto fotoeléctrico, al mismo tiempo que enunció la hipótesis de los “fotones” como cuantos de luz.
Existe una profunda diferencia formal entre los conceptos teóricos que se han formado los
físicos acerca de los gases y otros cuerpos ponderables, y la teoría de Maxwell de los
procesos electromagnéticos en el denominado espacio vacío. Mientras que se considera
que el estado de un cuerpo está completamente determinado por las posiciones y
velocidades de un número muy grande pero finito de átomos y electrones, utilizamos
funciones espaciales continuas para determinar el estado electromagnético de un volumen
de espacio de modo que un número finito de cantidades no puede considerarse suficiente
para la determinación completa del estado electromagnético del espacio. De acuerdo con la
teoría de Maxwell, se considera que la energía es una función espacial continua para todos
los fenómenos puramente electromagnéticos, y por tanto, también para la luz, mientras
que, de acuerdo con la opinión de los físicos a finales del siglo 19 y comienzos del 20, la
energía de un cuerpo ponderable debería representarse como una suma sobre los átomos y
los electrones. La energía de un cuerpo ponderable no puede descomponerse en partes en
número en número arbitrario y arbitrariamente pequeñas, pero de acuerdo con la teoría de
Maxwell (o con mayor generalidad, de acuerdo con la teoría ondulatoria) la energía emitida
de un rayo de luz emitido desde una fuente puntual, se extiende en forma continua sobre un
volumen cada vez mayor.
Según Einstein, la Teoría Ondulatoria de la luz que opera con funciones espaciales
contínuas, se ha mostrado soberbia para describir fenómenos puramente ópticos, y
probablemente nunca será reemplazada por otra teoría. Se debe tener en cuenta, sin
43
44
embargo, que las observaciones ópticas se refieren a promedios temporales antes que a
valores instantáneos; y es perfectamente concebible, pese a la completa confirmación
experimental de la teoría de la difracción, reflexión, refracción, dispersión, etc, que la teoría
de la luz que opera con funciones espaciales continuas, lleve a contradicciones cuando se
aplique a los fenómenos de emisión y transformación de la luz.
Dice Einstein “De hecho, creo que las observaciones de la radiación del cuerpo negro, de la
foto-luminiscencia, producción de rayos catódicos por luz ultra-violeta y otros fenómenos
relacionados asociados con la emisión y transformación de luz, parecen entenderse más
fácilmente si se supone que la energía de la luz está distribuida por el espacio en forma
discontínua. De acuerdo con la hipótesis aquí considerada, en la propagación de un rayo de
luz emitido por una fuente puntual la energía no está distribuída de forma continua sobre
volúmenes de espacio cada vez mayores, sino que consiste en un número finito de cuantos
de energía localizados en puntos del espacio que se mueven sin dividirse, y sólo pueden ser
absorbidos o generados como unidades completas, unidades que Einstein llamó “fotones”.
Consideremos el ejemplo que sigue bajo la perspectiva de la teoría de Maxwell y del
electrón: Sea un espacio rodeado por paredes completamente reflectantes que contiene un
número de moléculas gaseosas y electrones que se mueven libremente y ejercen fuerzas
conservativas entre sí cuando se acercan mucho, por tanto, pueden colisionar entre sí como
moléculas de acuerdo con la teoría cinética de los gases. Einstein llamó “resonadores” a los
electrones ligados, los cuales emiten y absorben ondas electromagnéticas de períodos
definidos. De acuerdo con el punto de vista prevaleciente a finales del siglo 19 y comienzos
del 20, concerniente al origen de la luz, la radiación en el volumen bajo consideración, tal
como resulta en el caso de un equilibrio dinámico basado en la teoría de Maxwell, debe ser
idéntica a la “radiación del cuerpo negro”, al menos si se supone que hay resonadores
presentes en todas las frecuencias relevantes. Por el momento no se considerará la radiación
emitida y absorbida por los resonadores y se investigará la condición de equilibrio
dinámico correpondiente a las colisiones entre moléculas y electrones. En este caso, la
teoría cinética de los gases afirma que la energía cinética media de un electrón resonador
deber ser igual a la energía cinética traslacional media de una molécula del gas. Si se
44
45
descompone el movimiento de un electrón resonador en tres movimientos oscilatorios
mutuamente perpendiculares, se encuentra para el valor medio Ede la energía de uno de
estos movimientos oscilatorios lineales
E= (R/N)T
Donde R es la constante universal de los gases, N el número de “moléculas reales” en un
equivalente-gramo y T, la temperatura absoluta. Debido a la igualdad de los promedios
temporales de la energía cinética y potencial del resonador, la energía E es dos tercios de la
energía cinética de un gas mono-atómico libre. Si por alguna causa como los procesos de
radiación, la energía de un resonador tuviera un promedio temporal mayor o menor que E,
entonces las colisiones con los electrones y las moléculas libres llevarían a una pérdida o
una ganancia de energía del gas diferente en promedio de cero. Así, pues, en el caso
considerado, el equilibrio dinámico es posible sólo si la energía promedio de cada
resonador es E.
De acuerdo con la idea de que la luz incidente consiste en cuantos de energía con energía
(R/N)βυ, la producción de rayos catódicos por luz puede percibirse de la siguiente manera.
La capa superficial del cuerpo es penetrada por cuantos de energía cuya energía es
convertída, al menos parcialmente en energía cinética de los electrones. La idea más
sencilla es que un cuanto de luz transfiere toda su energía a un único electrón; y se supone
que esto puede ocurrir. Sin embargo, no se excluye la posibilidad de que los electrones
absorban sólo una parte de la energía de los cuantos de luz.
Un electrón del interior del cuerpo que tenga tanta energía cinética habrá perdido parte de
su energía cinética cuando llegue a la superficie. Además, se debe suponer que al dejar el
cuerpo cada electrón debe realizar cierto trabajo P (característico de ese cuerpo). Los
electrones que dejan el cuerpo con la máxima velocidad perpendicular serán aquellos
localizados directamente en la superficie y expulsados en dirección normal a ella. La
energía cinética de tales electrones es
R(βυ-P)/N
45
46
Cuando la luz de una determinada frecuencia ilumina una superficie metálica limpia se
emiten electrones desde esa superficie. Se demuestra experimentalmente que:
1) El número de electrones emitido es proporcional a la intensidad de esa luz.
2) La energía cinética de los electrones emitidos es proporcional a la frecuencia de la luz
incidente.
3) No se pueden emitir electrones si la frecuencia de la luz es más baja que un cierto valor
llamado “frecuencia umbral” o “frecuencia de corte” que es propia de la materia que recibe
la radiación.
Figura . Efecto fotoeléctrico, diagrama que ilustra la emisión de electrones desde
una lámina metálica expuesta a un flujo de fotones
Según la teoría ondulatoria de la luz, la energía de la radiación es proporcional al cuadrado
de la amplitud: La energía se relaciona con la intensidad y no con la frecuencia de la
radiación, lo cual contradice el punto 2. En 1905, Einstein resolvió la dificultad, utilizando
la teoría de Planck de la cuantificación de la energía total de un oscilador armónico, que
oscila con una frecuencia en la superficie de un cuerpo y que emite radiación
electromagnética a la misma frecuencia.
De acuerdo con Planck, la energía sólo puede tomar los valores E = 1h2hhsiendo
h la constante de Planck. Esto implica que, cuando un oscilador cambia de energía total de
un valor al siguiente valor más bajo, la radiación emitida porta una energía higual a la
pérdida de energía del oscilador. Einstein supuso que el proceso se produce en forma
46
47
abrupta, de tal modo que la emisión de radiación con frecuencia y energía hestá
localizada inicialmente en una pequeña región del espacio. Además, supuso que el haz de
radiación producido permanece localizado a medida que se aleja de su fuente, en lugar de
dispersarse en la forma característica de las ondas mecánicas que se mueven en tres
dimensiones. Finalmente, Einstein supuso que en el efecto fotoeléctrico, cada paquete de
radiación que choca con la superficie absorbente, deposita todo su contenido de energía
hen un único electrón de la superficie.
En resumen, según Einstein, cuando la radiación interactúa con la materia y es absorbida
por ella, su energía no se distribuye uniformemente con los frentes de onda. En cambio, la
energía radiante absorbida se distribuye en pequeños paquetes denominados “fotones”.
Cada fotón tiene una energía total:
E = h
Donde h es la constante de Planck y  es la frecuencia de la radiación. También, según
Einstein, en el efecto fotoeléctrico cada fotón transfiere su energía en algún electrón de la
superficie.
Según lo anterior, entonces cuál es, en definitiva la naturaleza de la luz?
Si por un lado, según las ecuaciones de Maxwell, su naturaleza ondulatoria está demostrada
más allá de toda duda, por el otro, el efecto fotoeléctrico sólo puede ser explicado
recurriendo a los fotones o paquetes de luz Donde p es el momento, h la constante de
Planck,  la longitud de onda de la radiación implicada, m la masa de la partícula y v su
velocidad.
Esta ecuación se aplica a cualquier sistema cuyas características ondulatorias estén
representadas por  y cuyas características de partícula estén representadas por mv.
De acuerdo con lo anterior, se puede afirmar que la luz es un fenómeno que posee la doble
naturaleza de onda y de partícula al mismo tiempo, y que si se asume que la membrana
tilacoidal del cloroplasto es una superficie plana y rica en electrones, se puede visualizar
al proceso fotosintético como un caso particular del efecto fotoeléctrico.
47
48
Origen de la luz para la fotosíntesis
Figura . El sol, fuente de la energía radiante que ingresa a la Biosfera
por la vía de la Fotosíntesis.
Toda la energía para la fotosíntesis proviene del sol, aunque se puede utilizar luz de una
longitud de onda adecuada proveniente de cualquier fuente. Las reacciones solares de
fusión nuclear, principalmente el ciclo protón-protón consumen núcleos de hidrógeno y

producen núcleos de helio (He), positrones (e+), neutrinos ( ) y fotones (h) en la siguiente
forma:

41 H  4 He  h  e   
Esta reacción produce una enorme cantidad de energía (4 x 1026 Js-1), pero sólo una
pequeña parte de ella (6.8 x 1016 Js-1) llega a la superficie de la tierra y de esta radiación
que llega a la superficie, solamente una fracción muy pequeña se utiliza en la fotosíntesis.
La radiación se libera de la corona solar como si se tratara de un cuerpo negro con una
temperatura de 5800 K, de acuerdo con la ley de Stefan-Boltzmann. La distribución de las
longitudes de onda del espectro solar se concentra entre 400 y 1200 nm, con un máximo
alrededor de los 600 nm en el amarillo naranja.
48
49
Las longitudes de onda de mayor interés en Biología, son la ultravioleta, la visible y la
infrarroja. Las longitudes de onda que se ubican por debajo de los 400 nm, son
denominadas ultravioleta o UV, en el sentido de que tienen una longitud de onda más corta
que el violeta. La región visible se extiende desde aproximadamente 400 nm hasta los 750
nm y se subdivide en varias bandas tales como el azul, el verde o el rojo. Estas divisiones se
basan en el concepto subjetivo de color experimentado por los seres humanos.
La región infrarroja (IR), tiene longitudes de onda más largas que las del extremo rojo del
espectro visible (hasta 4 x 104 nm).
En la superficie terrestre, el espectro se modifica debido a la absorción selectiva de las
longitudes de onda llevada a cabo por constituyentes de la atmósfera tales como el CO2 y el
vapor de agua.
49
50
La fotosíntesis no es un proceso simple: Se compone de un gran número de pasos
individuales que trabajan conjuntamente con una notable eficiencia general.
Se puede observar en forma estructural la energía de cada uno de los enlaces de los
compuestos que intervienen en la reacción general
La formulación anterior no hace justicia a la complejidad de la reacción, pero sirve para
estimar la cantidad de energía libre almacenada.
Si se considera la energía (kcal mol-1) involucrada en cada uno de los enlaces químicos, se
puede observar que en el enlace C-C ubicado a cada lado de los carbonos del CH2O, tiene
un valor de 83 kcal mol-1. Ya que el enlace es virtual, entonces el valor energético de cada
enlace es la mitad del valor real (1/2 x 83 kcal mol-1). El valor total de la energía de enlace
de los reactivos es de (111 + 111 + 192 + 192) = 606 kcal mol-1. Para los productos, es de
(99 + 83 + 86 +111 + 119) = 498 kcal mol-1. La diferencia en energía es, por tanto, de 606
- 498 = 108 kcal mol-1, con lo cual la reacción descrita en términos energéticos, resulta
como sigue:
H2O (222 kcal mol-1) + CO2 (384 kcal mol-1)
(CH2O) (379 kcal mol-1) + O2 (119 kcal mol-1) + 108 kcal
mol-1
Según la ecuación anterior, el proceso de reducción de una molécula de CO2 a CH2O
requiere de un incremento en el calor de reacción o de entalpía, del orden de 108 kcal mol-1.
Es decir, el complejo absorbe energía que puede ser liberada durante el proceso de
degradación de la materia seca, y ser utilizada como energía capaz de efectuar un trabajo
mecánico o como calor.
50
51
Fases del proceso fotosintético
Para su estudio y comprensión, el proceso fotosintético se puede dividir en tres etapas:
1. Fase fotoquímica.
2. Transferencia de electrones acoplada a la formación de ATP.
3. Reacciones bioquímicas que intervienen en la reducción del CO2 a carbohidrato.
La hoja es el órgano principal dentro del cual se produce la conversión de la energía de la
luz en energía química: Del conjunto de radiaciones que constituyen la luz blanca
proveniente del sol (400 a 700 nm) la hoja refleja el 10% de la energía incidente, transmite
el 10% y absorbe cerca del 80%. Estos datos sólo tienen un valor indicativo ya que varían
de una especie a otra y según las condiciones del cultivo. Con parte de ésta energía
absorbida por la hoja, se puede efectuar una fijación neta de 5 a 100 mg de CO2 dm-2 hr-1
(500 -1000 mg CO2 m-2 hr-1) según la condición y especie.
La mayor parte de la absorción de luz y la casi totalidad de las reacciones que acompañan a
las carboxilaciones fotosintéticas, se llevan a cabo dentro de los cloroplastos. Estos
organitos son el asiento de las conversiones energéticas que se desarrollan en sus laminillas
durante acontecimientos que se llevan a cabo en un lapso súmamente breve (10-14 a 10-2 s).
La absorción de un cuanto, la separación de las cargas eléctricas y la transferencia de
electrones se realizan durante un período de tiempo más extenso, pero formado por
unidades temporales muy pequeñas.
Eficiencia fotosintética
Ya que la energía de un fotón es función inversa de la longitud de onda (E = h), se puede
calcular la eficiencia de la utilización energética durante el proceso fotosintético tomando
como base los valores de la tabla 11.
51
52
Tabla 11. Definiciones y características de varias regiones de longitudes de onda de la luz.
Color
Rango aprox.
(nm)
representativa
de (nm)
Frecuencia
() (Hz)
Energía en
eV fotón-1
Energía en
kcal
mol(fotones)-1
Ultravioleta
<400
254
11.8 x 1014
4.88
112.5
Violeta
400-425
410
7.3 x 1014
3.02
69.7
Azul
425-490
460
6.5 x 1014
2.70
62.2
Verde
490-560
520
5.7 x 1014
2.39
55.0
Amarillo
560-585
580
5.1 x 1014
2.14
49.3
Naranja
585-640
620
4.8 x 1014
2.00
46.2
Rojo
640-740
680
4.4 x 1014
1.82
42.1
Infrarrojo
>740
1400
2.1 x 1014
0.88
20.4
En la fotosíntesis, se utiliza como mínimo la energía aportada por 8 fotones de luz roja de
680 nm. A esta longitud de onda, corresponde una energía de 8 x 42.1 = 336.8  337 kcal
mol-1 de fotones.
Para fijar una mol de CO2 (114 kcal), se necesita un ingreso energético de 337 kcal, lo cual,
expresado en porcentaje es (114/337) x 100 = 34 %. Esta es la máxima eficiencia que se
puede obtener ya que durante el proceso se utilizan más de 8 fotones. Aparentemente, es
una eficiencia muy baja, pero si se considera la complejidad del proceso y las pérdidas
energéticas que ocurren en cada paso, se puede concluír que la fotosíntesis es un proceso
extremadamente eficiente, comparado con las máquinas térmicas que, como máximo,
llegan a una eficiencia del 15 %.
52
53
Fase fotoquímica
Este proceso implica el desarrollo de las siguientes fases:
a.
La captación de la energía luminosa
Estado electrónico de la materia y captura de los fotones
Se deben recordar los siguientes hechos:
1. La luz está constituída por los fotones, corpúsculos que portan cada uno un cuanto
energético. La energía de cada fotón está representada por E = h, donde h es la
constante de Planck y  es la frecuencia del fotón.
2. Cuando un fotón es capturado por una molécula, la energía que transporta puede ser
utilizada para modificar las distancias entre los átomos o para aumentar su energía
de rotación o vibratoria. Igualmente,
el fotón puede excitar esa molécula y
comunicar su energía a un electrón, el cual es transferido, si la energía es suficiente,
a una órbita molecular más externa que corresponde a un nivel energético más
elevado.
En la mayor parte de las moléculas orgánicas, los electrones capaces de sufrir estos
cambios son los electrones , los cuales se agrupan de dos en dos y cada par pertenece a
una órbita diferente. En consecuencia con el principio de exclusión de Pauli, su spin o
momento de giro angular tienen sentido contrario uno con respecto al otro ( ) (Figura
39).
53
54
Figura 39. Activación de un electrón por un fotón para obtener el estado singulete.
Sin embargo, pueden suceder colisiones internas que conducen al cambio del spin del
electrón que ha pasado a un orbital superior, lo que da como resultado un estado de
excitación en el cual los spines de los dos electrones pareados son paralelos (estado
triplete). La duración del estado singulete es muy corta (10-11 a 10
-9
s). El electrón cuyo
spin ha sido cambiado, no puede caer a su órbita original, lo cual está prohibido por el
principio de exclusión de Pauli, de tal modo que necesita un choque fotónico que le
devuelva su spin original. Este proceso puede ocurrir entre dos moléculas vecinas y
conduce a una verdadera reacción química por conversión externa.
Figura XXX. Dinámica de la excitación electrónica por la luz. página 23 libro fotosíntesis.
54
55
La absorción de la radiación en el espectro visible, depende del estado electrónico de los
átomos y moléculas de las sustancias absorbentes. Las sustancias que absorben la luz
visible se denominan pigmentos, y se colorean dependiendo del tipo de longitudes de onda
que absorban; así, la clorofila absorbe en el azul y el rojo y refleja las radiaciones
correspondientes al verde, por tal razón aparece de color verde al ojo. La captura de los
fotones durante la fotosíntesis, se lleva a cabo por moléculas predominantemente grandes y
complejas.
Para capturar un fotón de luz visible, los niveles de energía de los orbitales atómicos o
moleculares (que son análogos) deben tener una diferencia energética correspondiente al
cuanto absorbido. Los principales niveles de energía son el básico (la energía más baja) y el
primer y segundo nivel de excitación (la energía más alta). Los niveles energéticos se
designan mediante un número cuántico total. Dentro de cada nivel, el número de orbitales
posibles depende del momento magnético y de la orientación de los electrones en relación
con el núcleo, de acuerdo con la descripción de la mecánica cuántica.
Una molécula con configuración electrónica dada, absorbe luz de longitud de onda
específica. Los cuantos mayores o menores no son absorbidos y, por tanto, según la ley de
Grotthus-Draper no puede ocasionar ningún cambio físico o químico. Si el vector
electrónico oscilante de un fotón hace que un electrón de una molécula vibre en la misma
frecuencia (resonancia electromagnética), entonces la energía del fotón puede ser
capturada. La dirección de los campos eléctrico y magnético del fotón debe estar en
orientación correcta a las oscilaciones electrónicas, para ocasionar la resonancia. Si se mide
en términos de todas las interacciones biológicas “normales”, la captura de un cuanto es
muy rápida; un electrón “salta” de un nivel energético a otro en un tiempo inversamente
proporcional a la frecuencia de la onda (1/ ). Para la luz roja este valor es de  2.3 x 10-15,
lo cual es más rápido que las vibraciones nucleares (10-13 s) y por tanto, no influye sobre la
configuración nuclear de la molécula.
En moléculas complejas con muchos núcleos y electrones, las combinaciones posibles de
orbitales se incrementan fuertemente y los niveles energéticos se separan en niveles
vibracionales y rotacionales en la medida en que los electrones de la molécula sean
55
56
influenciados por fuerzas magnéticas y eléctricas. Las moléculas que absorben luz visible,
exhiben diferencias energéticas entre los estados básico y excitado de cerca de 1.0 eV, y
diferencias energéticas vibracionales de, aproximadamente, 0.1 eV. En el estado sólido no
se observan diferencias en energía rotacional.
Las reacciones químicas tienen que ver con la reorganización de la capa externa de
electrones o electrones de valencia que son los que forman los enlaces químicos. Para que
un electrón excitado sea utilizado químicamente, debe mantenerse en una configuración
estable el suficiente tiempo como para que pueda ser transferido directamente a un aceptor
químico o por la vía de un intercambio energético. En la fotosíntesis, los pigmentos
colectores de luz, que capturan la energía, transfieren la excitación por la vía de otros
pigmentos a centros de reacción especiales, compuestos de una forma de clorofila, donde se
convierte la energía de excitación en energía química. Luego de todo lo anterior, es posible
reafirmar que la fase luminosa de la fotosíntesis, se comporta como un caso particular del
efecto fotoeléctrico.
Cloroplastos
Los cloroplastos son plastidios fotosintéticos que tienen un elaborado arreglo de sacos
membranosos interconectados en el estroma plastídico. Como todos los plastidios, están
rodeados por una envoltura compuesta de membranas externa e interna que están separadas
por un espacio de 10 a 20 nm. Contienen ADN que aparece en forma de fibrillas en el
nucleoide del estroma. El estroma es el material matricial fundamental del plastidio y
contiene numerosos ribosomas más pequeños que los ribosomas citoplásmicos.
56
57
Figuraxxxx. Modelo de estructura del cloroplasto.
El mecanismo mediante el cual el cloroplasto lleva a cabo sus funciones, puede ser
comprendido sólo en la medida en que se conozcan sus características físicas, químicas y
topográficas. La función fundamental de los cloroplastos es la transformación de la energía
lumínica en energía eléctrica y luego en energía química. La energía eléctrica aparece en
los sistemas biológicos tanto en forma de agentes reductores como de gradientes de voltaje
que resultan de la separación de cargas y/o de concentraciones a través de la membrana.
El requerimiento estructural más simple para la producción y mantenimiento de un
gradiente iónico, es un compartimiento rodeado completamente por una membrana
semipermeable capaz de bombear los iones a través de ella. Estas membranas, son como
sacos o vesículas extendidas y aplanadas que fueron llamados tilacoides por el botánico
alemán W. Menke (la palabra tilacoide se deriva de la voz griega thylakos, que significa
“como un bolsillo vacío”), y su forma genera una amplia relación superficie/volumen. Los
pigmentos verdes de las plantas están localizados dentro de esas membranas, y en ellos se
produce la absorción de la luz ocasionando una transferencia electrónica intermolecular que
se acopla a la producción de un gradiente de H+ a través de la membrana. El flujo de iones
H+ en el sentido del gradiente electroquímico, efectúa un trabajo, como se evidencia por la
formación de compuestos de elevada energía química (figura 40).
57
58
Figura 40. El cloroplasto y su complejidad.
Figura XXX. Modelo del complejo de membranas tilacoidales.
Las membranas tilacoidales contienen lípidos (sustancias solubles en solventes orgánicos) y
proteínas en una relación cercana a 1:1. En este aspecto, son similares a otras membranas
biológicas. La estructura de las membranas tilacoidales sigue el patrón general de las
membranas biológicas. La matriz de la membrana es una bicapa lipídica compuesta
básicamente por glicolípidos. Los residuos hidrofílicos de carbohidrato se ubican sobre la
superficie de la membrana, mientras que las porciones hidrofóbicas compuestas por ácidos
grasos se orientan hacia el interior de la estructura. Los complejos de lipoproteína están
embebidos dentro de esta matriz, contienen la mayoría de las clorofilas de la membrana y
58
59
actúan como las unidades funcionales que tienen que ver con los eventos iniciales de la
fotosíntesis.
Aspectos morfológicos de las membranas fotosintéticas
Dentro de todas las membranas fotosintéticas, o asociadas a ellas, están los principales
conjuntos funcionales:
1. Los complejos colectores de luz compuestos de proteínas y de pigmentos, cuyo
papel es la absorción de la energía luminosa.
2. Los centros de reacción, hacia los cuales se encauza la energía proveniente de los
complejos colectores de luz y en donde se producen las reacciones fotoquímicas
primarias.
3. Los transportadores de electrones y protones.
4. Los factores acopladores responsables de la síntesis de energía química en forma de
ATP.
59
60
Aunque existen similitudes en la integración de las partes dentro de las membranas, sus
arreglos morfológicos dentro de las células fotosintéticas son muy variables. El cuadro
morfológico más simple se encuentra en las bacterias fotosintéticas. En las bacterias
fotosintéticas verdes (Chlorobiaceae), las actividades de transducción de la energía se
localizan dentro de regiones específicas de la membrana celular. Los complejos colectores
de luz, sin embargo, están contenidos en partículas no membranosas llamadas “clorosomas”
ligadas a la superficie citoplásmica de regiones especializadas de la membrana.
En la mayoría de las bacterias fotosintéticas púrpura (Rhodospirillaceae y Chromatiaceae),
las actividades fotosintéticas se localizan en invaginaciones de la membrana celular.
Aunque son continuaciones de la membrana celular, estas membranas intracitoplásmicas se
diferencian ligeramente desde el punto de vista químico y funcional. Debido a su alto
contenido en pigmentos, a estas estructuras se las denomina “cromatóforos”.
Las células más primitivas que contienen tilacoides localizados libremente son las
cianobacterias (algas procarióticas verde-azuladas). En estas células, los tilacoides se
ubican en el citoplasma, usualmente cerca de la periferia y no se encuentran
compartimentados. Unidos a la superficie de los tilacoides, se encuentran los complejos de
pigmentos accesorios responsables de la coloración azul o roja de estos microorganismos.
Estos complejos se denominan “ficobilisomas”.
En todas las algas eucarióticas y en las plantas superiores, los tilacoides están encerrados
dentro de una envoltura de doble membrana formando un organelo subcelular que
constituye el cloroplasto. Aunque la unidad básica estructural de los cloroplastos es el
tilacoide, los arreglos de estas unidades entre los diferentes tipos de células vegetales son
muy variados. Estas variaciones dependen no sólo del tipo, sino también del estado
fisiológico de la célula (FiguraXXX).
Entre los aspectos altamente variables de los cloroplastos, están su forma y la cantidad por
célula. Los cloroplastos maduros en las plantas superiores, generalmente son de forma
regular y ocurren como estructuras bicóncavas o en forma de lente. Los cloroplastos miden
típicamente 5.0 m x 2.0 m x 1.0 m (10 m3). El sistema interno de membranas de un
cloroplasto típico de una planta superior, contiene granos que son apilamientos de sacos
60
61
membranosos aplanados. Un cloroplasto típico de una Angiosperma, contiene alrededor de
50 granos. Los canales membranosos llamados tilacoides, trastes, tilacoides estromáticos o
laminillas del estroma por diferentes autores, atraviesan el estroma e interconectan los
granos. El grado de apilamiento de los tilacoides en los granos, varía de acuerdo con los
requerimientos fisiológicos de la célula.
Los pigmentos clorofílicos y las reacciones luminosas de la fotosíntesis, están asociados
con el sistema membranoso tilacoidal. Las reacciones oscuras de la fotosíntesis suceden en
el estroma que, como se ha dicho antes, contiene numerosos ribosomas y grandes partículas
de naturaleza proteínica. Estas partículas pueden estar compuestas por ribulosa 1,5bisfosfato carboxilasa-oxigenasa (Rubisco) que constituye más del 50% de la proteína
soluble del estroma cloroplástico.
Las reacciones luminosas en los cloroplastos, inducen un gradiente de protones que se
extiende a través de la membrana tilacoidal. El gradiente protónico se descarga durante la
síntesis de ATP, por medio de la ATP sintetasa que se localiza en la membrana.
Paralelamente con la síntesis de ATP, el NADP+ es reducido a NADPH y el agua es
oxidada con liberación de O2. En las reacciones oscuras de la fotosíntesis, el ATP y el
NADPH sintetizados durante las reacciones dependientes de la luz, se utilizan para la
fijación del carbono o sea, para la reducción química del CO2 a carbohidratos.
Procesamiento de la energía de excitación por los pigmentos de las antenas fotosintéticas
La absorción y transducción de la luz por los organismos fotosintéticos aporta la fuente
principal de energía para todos los organismos vivientes. Al mismo tiempo, la absorción
excesiva de luz (que excede la capacidad del organismo para utilizar la energía en la
fotosíntesis), representa un sitio primario de daño ambiental. Muchos estudios recientes
demuestran que los organismos fotosintéticos tienen la habilidad de regular la utilización de
la energía de la luz absorbida mediante la “atenuación no fotoquímica” que disipa el exceso
de energía en la forma de calor.
61
62
Para permanecer competitivos, los organismos fotosintéticos mantienen el delicado balance
entre una recolección de luz eficiente bajo condiciones lumínicas limitadas y una disipación
regulada de la energía bajo condiciones de exceso de luz. La absorción excesiva de luz,
puede suceder como resultado de un aumento en la intensidad incidente o como resultado
de una disminución de la tasa fotosintética debida a otros estreses ambientales.
El proceso fotosintético tiene que ver con la coordinación de un gran número de reacciones
separadas tanto espacial como temporalmente. Estas reacciones, comienzan en la
membrana tilacoidal con el proceso de absorción de la luz por los pigmentos de las antenas,
y la fotoquímica primaria comienza por los pigmentos del centro de reacción, y termina con
la partición de los fotosintetizados en el citoplasma, con la distribución final del carbono
fijado, en varios vertederos metabólicos del organismo.
La fotosíntesis, puede ser vista esencialmente como una red de reacciones estrechamente
interconectadas que cooperan en la transducción de la energía, la fijación del carbono y la
asignación y distribución del ATP, del poder reductor y del carbono fijado. Además,
existen otros numerosos procesos fisiológicos tales como la asimilación del nitrógeno y
azufre inorgánicos, la transpiración y el control del potencial hídrico, y la respiración, que
ejercen un impacto indirecto sobre la fotosíntesis por la vía del acople de intermediarios
comunes y de los fenómenos de transporte. Aunque es tradicional estudiar cada una de
estas reacciones componentes independientemente unas de las otras, es esencial reconocer
que en los organismos vivientes, el acople de estas reacciones es la explicación de las
complejas respuestas de las plantas a las variaciones de los factores ambientales.
Los pigmentos que absorben la luz
La energía lumínica es absorbida por pigmentos y se utiliza para excitar los electrones a
niveles energéticos más altos que el de sus estados básicos. Estos pigmentos participan con
varias proteínas, en los complejos moleculares del núcleo de dos fotosistemas, el
fotosistema II (P680) y el fotosistema I (P700) y también en los complejos colectores de luz
asociados a cada fotosistema. Los centros de reacción de los fotosistemas II y I son
complejos clorofila a-proteína, que absorben la luz de 680 y 700 nm respectivamente. Los
62
63
pigmentos de los complejos colectores de luz se encuentran en asociación muy estrecha
(<10 nm entre clorofilas), de tal forma que la energía de los electrones excitados puede ser
transferida por la vía de un gran número de moléculas de clorofila a las moléculas de
clorofila del complejo central asociado, con una mínima pérdida de energía.
El fotosistema II predomina en las regiones apiladas de la membrana tilacoidal, y el
fotosistema I en las regiones abiertas no apiladas de la membrana tilacoidal. El fotosistema
I produce un reductor fuerte que cede sus electrones al NADP+, y recibe sus electrones del
fotosistema II, por la vía de varios componentes de la cadena de transporte electrónico que
termina con el transportador electrónico móvil plastocianina. El fotosistema II genera un
reductor más débil que el fotosistema I, pero tiene la habilidad de aceptar los electrones
provenientes del agua.
Hay tres clases de pigmentos fotosintéticos en los organismos que efectúan el proceso: Las
clorofilas, las ficobilinas y los carotenoides. La molécula de clorofila contiene un anillo
porfirínico con una densa nube de electrones  La absorción de un cuanto de luz induce el
cambio de la molécula a un estado electrónico excitado. El grupo lateral terpenoide de
cadena larga, que es específico de las clorofilas a y b, puede aportar enlaces hidrofóbicos
para asociaciones dentro de la membrana tilacoidal, o con las proteínas.
Pigmentos fotosintéticos
Figura XXX . Estructura de las
clorofilas a, b y d
63
64
Figura XXX . Estructura del ᵦ-caroteno
Figura XXX. Estructura de las ficobilinas.
La clorofila a es la única clorofila encontrada en todos los grupos fotosintéticos de las
plantas y también, es la única clorofila encontrada en el complejo central de los
fotosistemas. La unión de las clorofilas a las proteínas, altera las longitudes de onda de
absorción tan precisas asociadas al pigmento. Sin embargo, existe un rango entre los 500 y
los 600 nm donde hay muy poca absorción por la clorofila. En las plantas superiores, las
longitudes de onda útiles de radiación fotosintéticamente activa (RFA), se amplían gracias
a los carotenoides. Estos pigmentos pueden absorber la luz en ciertas longitudes de onda de
la región de 500 nm y transfieren la energía de su estado electrónico excitado a la clorofila.
Debido a que reaccionan con el oxígeno, los carotenoides juegan un papel importante en la
protección de la clorofila contra la foto-oxidación excesiva.
64
65
Figura xxx. Espectros de absorción de los pigmentos fotosintéticos.
Recolección de la luz y transferencia de energía
El flujo de fotones de la energía solar, es demasiado bajo para aportar a los centros de
reacción, los fotones a una tasa lo suficientemente grande como para justificar los costos
energéticos de la síntesis de los centros de reacción. Por esta razón, se sintetizan complejos
pigmento-proteína adicionales cuya función es la de absorber la luz en un amplio rango de
longitudes de onda y transferir su energía a los centros reaccionales, los cuales conforman
las llamadas antenas colectoras de luz. Los complejos pigmento-proteína de las antenas
colectoras de luz contienen un promedio de 300 moléculas de clorofila por centro
reaccional y con una relación clorofila a/clorofila b de 2 a 3. Cuando una molécula de
clorofila en la antena es excitada luego de la absorción de un fotón, la energía de excitación
se transfiere entre muchas moléculas de clorofila antes de ser atrapada en el centro de
reacción. La reducción del NADP+ y la formación de un gradiente electroquímico de
protones que se utiliza para la síntesis de ATP, tiene que ver con el transporte electrónico,
lo cual requiere tres complejos multienzimáticos: El complejo del fotosistema II, el
complejo de citocromos b/f y el complejo del fotosistema I.
65
66
Figura . Estructura básica de las antenas colectoras de luz.
El fotosistema II (PSII) (P680)
El complejo PSII, utiliza la energía solar para oxidar el agua y reducir la plastoquinona.
Estas dos reacciones, se llevan a cabo en lados opuestos de la membrana tilacoidal, y tienen
que ver con la unión de los protones en el lado estromático a medida que la plastoquinona
se reduce y el protón se libera en el lado lumenal, a medida que el agua se oxida. El
complejo central del fotosistema II contiene cerca de 50-60 moléculas de clorofila
acolectoras de luz y está asociado con un complejo colector de luz interno y con un
complejo periférico más lábil. Más de la mitad de las moléculas de clorofila a y la mayoría
de las clorofilas b y los carotenoides, están asociados al complejo colector de luz II.
La energía absorbida por la clorofila en estos complejos, pasa a la clorofila a2, la cual actúa
como el donante primario del PSII y transfiere otro electrón por la vía de otra clorofila
hasta la feofitina, que es una molécula de clorofila carente del Mg quelatado. Este evento
deja un "hueco" electrónico en la clorofila a2. Este hueco se llena mediante la transferencia
de un electrón proveniente del donante Z, el cual a su vez, recibe sus electrones del agua
por la vía de un grupo de átomos de Mn. La remoción del electrón excitado a partir de la
clorofila a2 debe ser muy eficiente, si se quiere evitar el despilfarro de energía, emitida
como fluorescencia a una longitud de onda un poco mayor que la de la luz absorbida.
66
67
Se ha establecido, que para la obtención de oxígeno a partir del agua se necesitan cuatro
fotones. La secuencia de reacciones requiere de la participación de Mn, Ca2+ y Cl- ligados a
un conjunto de polipéptidos del tilacoide. Aparentemente ni el Ca2+ ni el Cl- están
directamente relacionados con la oxidación del Mn pero estos cofactores son parte de la
estructura en la cual los equivalentes de oxidación que se acumulan sobre el Mn se acoplan
a la oxidación del agua.
Figura XXX. Reloj oxidante del agua, o Modelo del Estado S.
El Reloj Oxidante del agua o Modelo del Estado S
La oxidación del agua, produce O2 y libera los electrones requeridos por el PSII, como
consecuencia del hecho de que la clorofila P680 del centro de reacción del PSII, sufre una
oxidación inducida por la luz, para producir el oxidante fuerte P680+, el cual puede oxidar
el agua, liberando O2. Este proceso no es directo, sino que se produce mediante una
compleja serie de reacciones que sucede en el lado oxidante del PSII, y comprende la
transferencia de 4 electrones así:
2H2O
O2+4H++4e-
67
68
Mediante el análisis de la termodinámica de la oxidación del agua, se ha podido establecer
que esta reacción se verifica, sea en dos pasos que implican la transferencia de dos
electrones en cada paso, o sea en un único paso que implica la transferencia de los cuatro
electrones. La transferencia individual de electrones puede formar intermediarios altamente
oxidantes que, presumiblemente, pueden destruir los componentes del sistema membranoso
fotosintético. De acuerdo con esta predicción, se postula la existencia de un aparato de
almacenamiento de cargas en el lado oxidante del PSII, que puede acoplar las cargas
positivas individuales producidas en el P680 del centro de reacción, con las múltiples
cargas positivas que se requieren para la oxidación del agua. El mecanismo de evolución
del O2, ha sido investigado mediante la medición de la cantidad de O2 liberada durante una
serie de destellos de luz de corta duración. Cuando se utilizan cloroplastos adaptados a la
oscuridad, aparece poco O2 luego de los dos primeros destellos, pero las máximas
cantidades de O2, aparecen luego del tercer destello,
y del tercer y cuarto destellos
subsiguientes, y a partir de allí, la evolución del O2, alcanza un estado estacionario.
Para explicar tales resultados, se propuso el Modelo del Estado S, o Reloj Oxidante del
Agua. Este modelo postula un mecanismo de acumulación de cargas direccionado por la
luz, mediante el cual, la maquinaria del PSII, progresa a través de cinco estados sucesivos
de oxidación creciente S0 hasta S4, siendo S4, un oxidante fuerte capaz de oxidar el agua.
Cada evento de separación de cargas en el centro de reacción P680, produce P680+, el cual,
en últimas, oxida al acumulador de cargas, avanzando hacia el estado S próximo, e
incrementando su carga en +1. El único estado desde donde se libera O2, es el S4.
En los cloroplastos adaptados a la oscuridad, el acumulador de cargas, se encuentra
predominantemente en el estado S1, lo cual hace que el rendimiento máximo en O2, se
obtenga durante el tercer destello. El primer destello hace avanzar el estado de oxidación
desde el S1 adaptado a la oscuridad, hacia el S2. El segundo destello oxida el S2 a S3, y el
tercer destello genera el oxidante fuerte S4, desencadenando la liberación del O2, y
devolviendo el acumulador de carga al estado S0. Cada ciclo sucesivo requiere 4 destellos,
porque se requieren 4 fotones por cada O2 liberada. El modelo del estado S, se ha
constituido en un modelo explicativo básico para comprender los eventos observados
68
69
durante la liberación fotosintética del O2. A pesar de ello, aún permanece el interrogante
acerca de la naturaleza química del acumulador de carga.
Debido a que se ha encontrado que la deficiencia de Mn en algas y cloroplastos afecta
negativamente la liberación de O2, a partir de este y otros resultados, se acepta comúnmente
que el Mn es el principal acumulador de carga en el Modelo del Estado S.
Parece que los átomos de Mn sufren oxidaciones sucesivas que producen un complejo
fuertemente oxidante en el estado S4, capaz de oxidar el agua. Según un modelo
desarrollado recientemente, en el proceso se encuentran involucrados 4 Mn organizados en
un conjunto tetranuclear enlazado por átomos de oxígeno al complejo liberador de O2.
La conexión entre el P680+ y el núcleo de Mn del estado S, no es directa, y se ha
identificado un transportador electrónico intermedio llamado Z, el cual se identifica con un
residuo de tirosina específico (tirosina-160), de la subunidad D1, del complejo del centro
de reacción del PSII. El proceso de oxidación reducción del P680 durante la fotosíntesis
oxigénica, se ha establecido así:
h
SZ P680
SZ P680+
S Z+ P680
S+ ZP680
Para funcionar como intermediario entre el P680 y el estado S, el radical tirosina formado
en la anterior reacción, debe ser un fuerte oxidante capaz de hacer avanzar el estado S.
Los electrones de la feofitina se transfieren mediante Qa y Qb y una plastoquinona móvil
al complejo de citocromos b/f. La transferencia desde Qa hasta Qb se hace por la vía de un
Fe no hémico y está regulada por un bicarbonato que se liga estrechamente entre Qa y Qb.
Por tanto, la transferencia de electrones hasta el complejo de citocromos b/f depende de la
presencia de CO2. El sitio Qb se puede ligar a un amplio rango de herbicidas que afectan al
PSII, y que incluyen a las triazinas y úreas sustituidas. Estos herbicidas impiden el flujo de
electrones hacia fuera del PSII lo que ocasiona que las moléculas aceptoras de electrones
69
70
en el fotosistema se reduzcan y, como consecuencia, aumente la fluorescencia del
fotosistema.
Inhibidores de la cadena fotosintética transportadora de electrones
Existen varios compuestos que inhiben específicamente la cadena cloroplástica de
transporte electrónico, y al hacerlo, se comportan como herbicidas. Una clase general de
inhibidores se liga en el sitio QB sobre la proteína D1 del PSII e impide la reducción de QB.
El más ampliamente estudiado de tales compuestos, es el inhibidor Diuron [(3-(3,4diclorofenil)-1,1-dimetil urea (DCMU). El herbicida atrazina, también actúa en el mismo
sitio. Una segunda clase de inhibidores, actúa en el terminal reductor del PSI, inhibiendo la
reducción de la ferredoxina. El metil-viológeno (Paraquat), es un miembro de esta clase. El
modo de acción del paraquat, es el resultado de su auto-oxidabilidad, la cual proviene de la
formación de un radical superóxido altamente reactivo y dañino para el aparato
fotosintético.
Entre otro conjunto de inhibidores, se encuentran los análogos de la plastoquinona tales
como la 2,5-dibromo-3-metil-6-isopropil-p-benzoquinona (DBMIB, o dibromotimo
quinona), que bloquea la transferencia de electrones compitiendo con el plastoquinol,
cuando se liga al sitio oxidante del quinol (Qp) en el complejo de citocromos b6f.
La atrazina actúa inhibiendo el transporte electrónico entre el PSII y el PSI, pues se liga
competitivamente al sitio de la proteína QB, por tanto, el paso del electrón entre QA y el
complejo de citocromos b6f, se bloquea, interrumpiendo la fase luminosa de la fotosíntesis,
y por tanto, la producción de ATP y equivalentes de reducción necesarios para la fase
oscura de la fotosíntesis y otros procesos metabólicos, lo cual eventualmente produce la
muerte del vegetal.
Es notable, que las plantas C4, posean un eficaz mecanismo de detoxificación de la atrazina,
consistente en su gran capacidad para sintetizar la glutatión-S-transferasa, enzima que liga
la atrazina al tripéptido glutatión, y evita que el herbicida se ligue al sitio QB de la
70
71
membrana fotosintética.
Luego, el complejo atrazina-glutatión es metabolizado y la
atrazina pierde su efectividad.
Figura XXX. Estructura química de tres inhibidores de la cadena fotosintética de transporte
de electrones.
Figura XXX. Sitios de acción de los inhibidores de la cadena de transporte electrónica
cloroplástica.
Figura XXX. Estructura química de la atrazina.
71
72
Figura XXX. Estructura química del glutatión.
La excitación de los electrones en el PSII, conduce a la deposición de protones
provenientes del agua en el lúmen, y a la transferencia de electrones desde la cara luminal
de la membrana tilacoidal hasta la cara estromática. Los electrones son transportados,
entonces, por la vía de la plastoquinona y el complejo de citocromos b/f hasta la
plastocianina, proteína que contiene un átomo individual de Cu. Durante el proceso de
reducción y oxidación de la plastoquinona, se produce una transferencia de protones desde
el estroma hasta el lúmen. En consecuencia, el transporte de electrones vía la
plastoquinona, contribuye al gradiente de protones utilizado para la síntesis de ATP y
conduce a la acidificación del lúmen tilacoidal (hasta pH cercano a 5) y a la alcalinización
del estroma (hasta pH cercano a 8) (figura 41).
Figura 41. Estructura del fotosistema II. Modificado de Malkin y Niyogi (2000).
72
73
El fotosistema I (PSI) (P700)
El complejo PSI funciona para transferir los electrones desde la plastocianina, en el lúmen
tilacoidal, hasta la ferredoxina (Fd), sobre el lado estromático de la membrana, lo cual a su
turno produce la reducción del NADP+, completando de esta manera la cadena
transportadora de electrones desde el H2O hasta el NADP+. Análogamente al PSII
(P680), el PSI contiene una molécula de clorofilaa asociada con un polipéptido específico
de masa molecular entre 65 y 70 kDa. El ambiente dentro de este complejo clorofilaproteína es responsable del desplazamiento de la máxima absorbancia de la clorofila hasta
cerca de los 700 nm.
El PSI genera un poderoso reductor con un potencial de al menos -0.6 V y un oxidante con
potencial lo suficientemente bajo como para aceptar los electrones de la plastocianina. En el
centro de reacción del PSI se encuentran 12 Fe y 12 S. La excitación del PSI produce [PSI+
- A1-]. La transferencia de los electrones a la ferredoxina ocurre entonces por la vía de tres
agregados de FeS4, FeSx y el sistema FeS A, B.
La ferredoxina NADP-reductasa se encuentra firmemente ligada al lado estromático de los
tilacoides no apilados. El componente proteínico de la enzima, es un péptido individual de
masa molecular de ~34 kDa, con una molécula cofactor de FAD. El FAD reducido,
transfiere un radical hidruro (H-) al NADP+. El centro de reacción P700, está asociado con
cerca de 40 clorofilas a accesorias que transfieren la energía absorbida directamente, a este
centro. El número exacto de moléculas de clorofila asociadas con el complejo colector de
luz del PSI es desconocido. Sin embargo, probablemente es la clorofila a la que predomina
en este complejo colector de luz (figura 42).
73
74
Figura 42. Estructura del fotosistema I
Modificado de Malkin y Niyogi (2000).
El flujo de electrones desde el complejo liberador del oxígeno en el PSII hasta el NADP+
por la vía del PSI se conoce como transporte electrónico no cíclico. Esta ruta puede ser
suplementada por el transporte electrónico cíclico mediante el cual la ferredoxina transfiere
sus electrones al citocromo b6 en el complejo de citocromos b/f. Entonces, sucede el
regreso del electrón al PSI por la vía de la plastoquinona y el citocromo f. Este flujo de
electrones está acoplado a la síntesis del ATP mediante la generación de un gradiente
electroquímico de protones asociado a la reducción/oxidación de la plastoquinona y es de
particular importancia en sistemas tales como los heteroquistes de Anabaena y en las
coronas de los haces vasculares de las plantas C4 como el maíz.
El flujo electrónico no cíclico precede al proceso cíclico, si la ferredoxina reduce
preferencialmente al NADP+ más que al citocromo b6. Teóricamente,la relación en
producción de ATP a NADPH mediante el transporte electrónico no cíclico es de 3:2, lo
74
75
cual es apropiado para la fijación de una molécula de CO2 en una hexosa, pero puede no ser
apropiado para la síntesis de compuestos más complejos. Un incremento en el transporte
electrónico cíclico, pudiera incrementar la síntesis de ATP; sin embargo, debe tenerse en
cuenta que la estequiometría precisa de la extrusión de los protones durante el transporte
electrónico y el número exacto de protones por ATP sintetizado no se conoce.
El paso de los protones a través de la membrana, también puede variar con la magnitud del
gradiente de potencial electroquímico. En consecuencia, el transporte electrónico no cíclico
puede no suministrar ATP y NADPH precisamente en una relación 3:2, y el flujo cíclico de
electrones permitirá flexibilidad en la relación de producción de NADPH a producción de
ATP. Cuando el PSI y el PSII se encuentran en relaciones iguales, el requerimiento
cuántico mínimo para la fotosíntesis es de ocho fotones (h. Por cada molécula de O2 que
se libere, es necesario que ocurran cuatro foto-actos dentro de cada fotosistema apareado
para que se transfieran cuatro electrones desde el agua hasta los sistemas de reducción del
CO2.
Dentro de las plantas hay una gran flexibilidad en la absorción y utilización de la luz: Las
hojas desarrolladas bajo la sombra, tienen más cloroplastos con mayores cantidades de
membranas tilacoidales y con apilamientos de granos más grandes, en comparación con las
hojas desarrolladas bajo plena exposición, y también son más gruesas, más grandes y
contienen más pigmentos fotosintéticos, de tal forma que pueden maximizar su capacidad
de colectar la luz solar. En condiciones de altas irradiancias, las actividades fotosintéticas
se incrementan debido a que se aumenta la síntesis del complejo de citocromos b/f, de
plastoquinona, de ferredoxina y de ATPasa, si se comparan con los componentes de las
antenas colectoras de luz.
El blanco primario de daño durante la fotoinhibición de la fotosíntesis oxigénica, es el PSII.
Los procesos moleculares que subyacen a esta vulnerabilidad, casi ciertamente se
desprenden del hecho de que el PSII, es único por ser el generador de los oxidantes muy
fuertes necesarios para dividir la molécula de H2O. Se han identificado dos rutas distintas
para el daño foto-inducido que se designan como mecanismos del lado aceptor y del lado
donante.
75
76
Los mecanismos del lado aceptor tienen que ver con la recombinación del par de radicales
P680+Phe-, donde P680 es el donante primario del PSII y la feofitina Phe, es el aceptor
primario del PSII. En condiciones de alta irradiancia, el PSII adquiere un estado de alta
excitación que no es atenuada por los carotenoides, lo cual conduce a la formación de un
estado altamente tóxico del oxígeno. Este proceso, desencadena la degradación de la
proteína acompañante D1, que se inicia en un segmento proteínico adyacente al sitio Qb. El
mecanismo del lado donante, no depende de la presencia de oxígeno, y resulta del daño
ocasionado por estados de oxidación de larga duración. Se puede presentar la oxidación del
-caroteno, de las clorofilas accesorias y de los aminoácidos como resultado del alto
potencial redox (figura 43).
Figura XXX. Esquema Z. Acople de los fotosistemas para la realización de la fase luminosa
de la fotosíntesis. Modificado de Malkin y Niyogi (2000).
76
77
Las reacciones oscuras
La ruta C3: Ciclo reductivo de las pentosas de fosfato (PCR) o Ciclo de Calvin-BensonBassham
Las membranas tilacoidales de los cloroplastos, capturan la energía lumínica y la
transforman en energía química en forma de ATP y NADPH, pero las células no pueden
acumular una parte representativa de esa energía como ATP ó NADPH. Estos productos
directos de la fotosíntesis, se usan más bien para la síntesis de formas de almacenamiento
de energía más apropiadas. Consecuentemente, el logro final de la fotosíntesis es la
biosíntesis de carbohidratos como la glucosa, a partir de CO2 y H2O. La glucosa es el
carbohidrato clave desde el cual evoluciona el metabolismo de la mayoría de los
organismos.
El metabolismo de síntesis de glucosa produce los compuestos necesarios para el
funcionamiento de la fábrica celular, mientras que su oxidación, libera la energía necesaria
para la vida de los organismos no fotosintéticos. Sin embargo, se puede sintetizar más
glucosa de la que se necesita para los procesos vitales corrientes de las células vegetales. El
exceso se almacena en forma de polímeros de los cuales el más común es el almidón. El
almidón es una excelente forma de almacenamiento de los carbohidratos ya que es estable,
casi inerte, y ejerce muy poca presión osmótica, pero es fácilmente degradable mediante
mecanismos enzimáticos, con lo cual se puede obtener glucosa libre cuando se necesite.
La síntesis de glucosa per se no puede ser denominada "fotosíntesis" ya que no se requiere
de la participación directa de la luz. Sin embargo, sí se requieren las moléculas de ATP y
NADPH generadas durante las reacciones inducidas por la luz. Como consecuencia, el
conjunto de reacciones que se llevan a cabo para la fijación de CO2 en compuestos
orgánicos se denominan "reacciones oscuras de la fotosíntesis". Mientras que las reacciones
luminosas se realizan en la membrana tilacoidal, las reacciones oscuras se llevan a cabo en
el estroma del cloroplasto y son catalizadas por enzimas solubles.
En 1945, Melvin Calvin y sus colaboradores iniciaron una serie de investigaciones que
dieron como resultado la dilucidación de las reacciones oscuras de la fotosíntesis. La ruta
77
78
principal para la asimilación del CO2 en carbohidrato, llamada ciclo de Calvin-BensonBassham, fue descrita en 1954. La reacción general de esta ruta es:
CO2 + 3ATP + 2NADPH + 2H+ + 2H2O
1 / 6[C6H12O6] + 3Pi + 3ADP + 3NADP+
Mediante el examen de la cinética de incorporación del carbono en los metabolitos
intermediarios, Calvin y sus colaboradores lograron trazar la ruta del carbono durante la
fijación del CO2. Para realizar su investigación usaron CO2 marcado con el isótopo
radiactivo
14
C. Inyectaron
14
CO2 en una suspensión de algas Chlorella que realizaba
fotosíntesis con CO2 normal. Las algas se hirvieron con alcohol a 80 °C después de un
tiempo predeterminado para bloquear las reacciones enzimáticas. Los compuestos
radiactivos del alga se separaron mediante cromatografía bidimensional de papel, y el
cromatograma en papel se adhirió a una película fotográfica que se oscureció en los sitios
donde el papel contenía una mancha radiactiva. El trabajo más árduo consistió, según
Calvin, en la identificación adecuada de las manchas observadas en la película.
El primer producto en aparecer altamente marcado con
14
C en la mayoría de las plantas
superiores y en las algas es el compuesto de 3 carbonos 3-fosfoglicerato (3-PGA) el cual se
produce en la reacción del CO2 con la ribulosa1,5-bisfosfato (RuBP). Los otros compuestos
aparecen marcados luego de un tiempo. El ciclo de Calvin que se localiza, como ya se
estableció anteriormente, en el estroma cloroplástico, comprende 13 reacciones catalizadas
por 11 enzimas.
78
79
Mecanismo del ciclo PCR
H2C OPO3-2
HO C CO2-
H2O
CH2 OPO3-2
CO2
H+
H2C
OPO3-2
C O
C OH
H C OH
CH2 OPO3-2
Ribulosa 1, 5- difosfato
H2O
CH2 OPO3-2
VI
2H2+
III
II
H2C
CO2H C OH
CH2 OPO3-2
3-fosfoglicerato
OPO3-2
C OH
C OH
I
H2C OPO3-2
HO C CO2-2
H+
H2C OPO3-2
HO C H
H C OH
CH2 OPO3-2
CO23-fosfoglicerato
O2
H+
H2C OPO3-2
C
H2O
C OH
H C OH
CH2 OPO3-2
IV
Figura XXX
HO C- CO2-
HO C CO2C O
H C OH
C O
H C OH
H2C OPO3-2
H2C OPO3-2
H2C OPO3-2
H2C OPO3-2
C
C OH
H C OH
CH2 OPO3-2
V
H3O+
CO22-fosfoglicolato
CO2H C OH
CH2 OPO3-2
3-fosfoglicerato
. Reacciones del ciclo de Calvin-Benson-Bassham
Comprende cuatro aspectos pricipales:
1. La molécula aceptora, la RuBP, se combina con el CO2 en una reacción de
carboxilación, en presencia de la enzima ribulosa 1,5-bisfosfato carboxilasa
oxigenasa (RUBISCO) que da como resultado el producto ácido 3-fosfoglicérico (3PGA).
2. La reducción del 3-fosfoglicerato a triosa fosfato a expensas del ATP y el NADPH.
3. La regeneración del aceptor primario RuBP, en la cual 5 moléculas C3 (triosas
fosfato) sufren un rearreglo para producir 3 moléculas de C5 (pentosas fosfato). Se
requiere otra molécula de ATP para convertir la pentosa fosfato en RuBP, lo cual da
como resultado que para que se fije una molécula de CO2 se requieren 3ATP y
2NADPH.
4. Autocatálisis: El ciclo actúa como una reacción autocatalítica regeneradora y por
cada tres vueltas del ciclo, se genera una triosa fosfato a partir de 3 moléculas de
79
80
CO2. La triosa fosfato se puede utilizar para la síntesis de almidón o para la
regeneración del aceptor primario RuBP.
Ribulosa 1,5 bisfosfato carboxilasa oxigenasa (RUBISCO, RuBPCO)
Es difícil ponderar la importancia de Rubisco en su verdadera dimensión, ya que esta
enzima constituye el único vínculo significativo desde el punto de vista cuantitativo entre
las reservas de carbono inorgánico y orgánico de la biosfera. Como catalizador de la
biosíntesis de carbohidratos a partir del CO2 atmosférico, Rubisco capacita a la planta para
llenar sus requerimientos totales de carbono orgánico necesarios para sostener la vida. Los
organismos fotosintéticos (los que viven en la actualidad o los que vivieron en el pasado)
proveen alimento, oxígeno y energía para el reino animal.
Figura . Estructura de cristalina Rubisco de espinaca activada, en complejo con ribulosa
1,5-bisfosfato y Ca2+
80
81
Figura. Modelo tridimensional de la estructura de Rubisco de plantas superiores. Solamente
se observan 4 de las 8SSU en rojo. Las 8 LSU, se observan parcialmente en verde y azul
Figura XXX . A la izquierda, Rubisco de plantas superiores con 16 subunidades [(8 grandes
(LSU) y 8 pequeñas (SSU)]. A la derecha, Rubisco de bacterias fotosintéticas con 2
subunidades
Además de la enorme importancia que representa la evidencia de que la vida es sostenida,
en últimas, por un solo catalizador, que es Rubisco, ella ha atraído una atención de primer
orden debido a una amplia variedad de razones específicas:
81
82
1. La enzima es esquizofrénica, ya que cataliza la degradación oxidativa de la Dribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP, RuDP) en competencia con la carboxilación
biosintética del RuBP, y en la misma medida es inherentemente ineficiente (bajo
número de reciclaje). Estas desventajas, determinan que la fijación de CO2 sea el
paso limitante de la velocidad en todo el proceso general de asimilación
fotosintética de carbono. Tales consideraciones generan las preguntas acerca de si
Rubisco puede ser rediseñada para incrementar su kcat o para mejorar su
especificidad por el CO2 o por ambas. Si la respuesta es afirmativa, una planta
transformada con el gene que codifica para la enzima rediseñada, puede exhibir
características superiores de crecimiento y rendimiento.
2. Otro aspecto notable de la enzima lo constituye su amplia abundancia (50% de la
proteína total de las hojas verdes), lo cual probablemente compensa su ineficiencia.
3. La actividad oxigenasa inherente, sin la intervención de cofactores y los múltiples
estados de transición que deben ser estabilizados durante la conversión del RuBP a
3-fosfoglicerato (PGA), es intrigante, desde el punto de vista del funcionamiento de
la enzima.
4. Aparte de los mecanismos catalíticos per se, para la regulación de Rubisco
acoplada a la luz, ha evolucionado una compleja jerarquía, con muchas
características únicas.
5. Rubisco sirve como modelo para definir los papeles de las chaperoninas en el
estudio de los mecanismos de plegamiento y ensamblaje de las proteínas
multiméricas.
6. Rubisco continúa siendo un paradigma para la biología molecular, con inclusión de
la regulación genética, el procesamiento post-traduccional y las comunicaciones
inter-orgánulos.
Rubisco cataliza la formación de un enlace covalente entre el CO2 a la RuBP, y la hidrólisis
simultánea del intermediario de seis carbonos para formar dos moléculas de 3-PGA, uno de
82
83
los cuales porta el carbono introducido desde el CO2. Cuando la RuBP se liga al sitio activo
de Rubisco, también puede ser atacada por el O2 resultando como productos el 2fosfoglicolato (2-P-glicolato) y 3-PGA. El 2-P-glicolato es el primer intermediario de la
ruta de la fotorrespiración, y los dos procesos de carboxilación y oxigenación son
competitivos. A niveles atmosféricos de CO2 (0.035%) y de O2 (21%),se fijan de dos a tres
moléculas deCO2por cada molécula de O2, lo cual significa que Rubisco tiene mayor
afinidad por el CO2 que por el O2.
La ocurrencia de la oxigenación, puede reflejar en parte, el hechode que la enzima
evolucionó cuando la atmósfera contenía mucho menos O2. La Rubisco de espinaca tiene
una estructura muy interesante, con una masa molecular de ~550 kDa. Se localiza en el
estroma y puede llegar a representar más del 50% de la proteína soluble total del
cloroplasto. Debido a que se la encuentra en todos los tejidos verdes, es la proteína
individual más abundante en toda la biosfera. De las muchas enzimas que tienen que ver
con la fijación del CO2 esta es la única cuyos productos conducen a la fijación neta del CO2
en carbohidratos. Las otras carboxilasas como la fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC),
forman ácidos orgánicos que, si van a servir como sustratos para la síntesis de
carbohidratos, primero deben ser decarboxilados.
El punto de compensación de CO2 (ΓCO2 )
La asimilación de CO2 en la hoja intacta, depende fuertemente de las propiedades cinéticas
de Rubisco, incluyendo su activación. Uno de los soportes de esta observación es la
propiedad fisiológica llamada punto de compensación de CO2(ΓCO2). Cuando una planta C3
se ilumina en un recipiente cerrado, puede absorber o liberar CO2, dependiendo de la
concentración del gas hasta que alcanza una concentración de estado estacionario estable.
Este valor es de cerca de 45 ppm CO2 a 25 C y 21% de O2. En este punto la tasa de
asimilación neta de CO2 es de cero. El fenómeno del punto de compensación es resultado
de la bifuncionalidad catalítica de Rubisco, donde el O2 y el CO2 compiten por el sitio
activo de la enzima. Cuando la velocidad de reacción de la oxigenasa alcanza dos veces la
de la carboxilasa, la tasa neta de fijación de CO2 en la hoja se aproxima a cero, asumiendo
83
84
que la respiración mitocondrial es pequeña. Esto es comprensible en el momento en que
dos moléculas de glicolato producen una de CO2 y una de 3-PGA. La intensidad lumínica,
especialmente a niveles limitantes ejerce una regulación por retroalimentación positiva
sobre la actividad de la enzima.
De acuerdo con las afirmaciones anteriores, se puede definir el punto de compensación de
CO2(ΓCO2), como la presión parcial de CO2 (o concentración de CO2) a la cual la tasa de
fotosíntesis es exactamente igual a la tasa de respiración en el tejido foliar.
La fotorrespiración
Debido a que cerca del 90% del peso seco de las plantas se deriva del CO2 asimilado
durante la fotosíntesis, el aumento de la tasa fotosintética puede ser benéfico para la
productividad vegetal. Se ha demostrado en experimentos de invernadero y de campo (a
largo término), que el enriquecimiento en CO2 incrementa la fotosíntesis y el rendimiento
de especies C3 tales como trigo, cebada hortalizas y plantas leñosas que tienen altas tasas de
fotorrespiración.
Aunque el CO2 se requiere para la producción de O2, las altas concentraciones de oxígeno
inhiben competitivamente la asimilación del CO2. El O2 compite con el CO2 por el sitio
activo de Rubisco, lo que da como resultado una oxigenación en lugar de una carboxilación
del sustrato. La oxigenación de la RuBP, conduce a la formación de una molécula de 3fosfoglicerato y una de 2-fosfoglicolato en la siguiente forma:
RuBP + O2
3-fosfoglicerato + 2-fosfoglicolato + 2H+
El CO2 se comporta como un inhibidor competitivo de la reacción de la oxigenasa y el O2
como inhibidor competitivo de la actividad carboxilasa. La constante de Michaelis-Menten
(Km) para CO2 [KmCO2)] de Rubisco es más alta en el aire (según la especie, entre 10 M y
63 M) que en presencia de N2, de donde se puede deducir que la concentración del CO2 en
el sitio de carboxilación es comparable a estos valores. La Km
84
(O2)
es de aproximadamente
85
500-600 M, que es grosso modo, equivalente a la concentración del oxígeno en una
solución en equilibrio con el aire. Sin embargo, la actividad oxigenasa depende de la
presencia de CO2, ya que la enzima es activada por el CO2 en un sitio de activación
diferente al sitio catalítico (enzima alostérica). La Km(CO2) para las especies C4 es más alta
(28-63 M) que en las especies C3 y CAM (8-26 M). De lo anterior se deduce que si se
eleva la concentración de CO2, se inhibe la oxigenación y viceversa.
El principal factor que influye sobre la tasa de oxigenación, aparte de las concentraciones
ambientales de O2 y CO2, es la temperatura. Las altas temperaturas promueven la
oxigenación y por consiguiente, la fotorrespiración en dos formas. En primer lugar la
solubilidad del CO2 en el agua disminuye más rápidamente que la del O2 a medida que se
eleva la temperatura. En segundo lugar, se reduce el factor de especificidad CO2 / O2. Esto
significa que a medida que aumenta la temperatura, la oxigenación es más sensible ella y
aumenta más rápidamente que la carboxilación. Los principales efectos de las altas
temperaturas sobre el metabolismo fotosintético en las plantas C3, que pueden causar una
disminución reversible en la fotosíntesis cuando se ha sobrepasado la temperatura óptima,
son el incremento en la fotorrespiración y la inactivación de Rubisco.
La ruta fotorrespiratoria
Una parte muy importante de la investigación en fotosíntesis y productividad vegetal, se
realizó durante la primera mitad del siglo 20 en países tropicales donde se cultiva el cafeto
(Kenya, Puerto Rico), principalmente debido al interés que algunos investigadores pusieron
en el estudio de la actividad fotosintética de este cultivo en condiciones de campo y del
intercambio gaseoso durante ciclos de luz y oscuridad. Como consecuencia de estos
estudios en el cafeto, se encontró el mecanismo de la fotorrespiración, principal mecanismo
competitivo de la fotosíntesis para la acumulación de la materia seca.
El 2-fosfoglicolato producido por Rubisco cuando oxigena a la RuBP, no puede ser
utilizado dentro del ciclo de Calvin. En su lugar, es rescatado aunque ineficientemente, en
la ruta fotorrespiratoria. Esta ruta tiene que ver con tres compartimientos subcelulares: Los
85
86
cloroplastos, los peroxisomas y las mitocondrias. Los aspectos clave de esta ruta son la
conversión de la molécula del 2-fosfoglicolato a glicina y la decarboxilación de dos
moléculas de glicina a serina, CO2 y NH3. La serina, molécula de tres carbonos, es
convertida entonces a 3-fosfoglicerato, la cual entra nuevamente al ciclo de Calvin. La
liberación de CO2 da como resultado la liberación de una cuarta parte del carbono del
glicolato (de aquí el término foto-respiración), y la disminución de la eficiencia
fotosintética.
Para justificar la permanencia de ésta vía metabólica en plantas C3 se han propuesto varias
hipótesis:
1. Puede ser una vía de recuperación para más del 75% del carbono perdido durante el
ciclo de Calvin.
2. Sirve para proteger la planta de daño foto-oxidativo, aunque existen mecanismos
reconocidos de protección contra la luz de mayor importancia, como la presencia de
los carotenoides en el aparato fotosintético.
3. Otra función propuesta para este proceso, es la de recuperar el fosfoglicolato en
forma de compuestos de tres carbonos que pueden ser metabolizados en el
cloroplasto.
4. Es particularmente notable por su cercana interacción con el metabolismo del
nitrógeno, ya que es una importante donadora de grupos amino.
Sin embargo, no existe explicación para el alto consumo energético del proceso, ni para el
desperdicio de recursos, ni para el efecto sobre la productividad, la cual se ve disminuida
por las pérdidas tanto de energía como de CO2. Siendo así, surge la pregunta de por qué la
presión evolutiva no eliminó esta vía metabólica de las plantas C3, como ocurre en las
plantas CAM y C4, en las cuales se produce una inhibición de la fotorrespiración debida a
la disminución de la presencia de oxígeno en el tejido involucrado, gracias a mecanismos
primarios tales como barreras bioquímicas y anatómicas que acumulan CO2 en los sitios
86
87
donde se encuentra y actúa Rubisco. Este mecanismo no elimina la fotorrespiración en las
plantas C4, sino únicamente la disminuye a niveles muy bajos.
En resumen, la fotorrespiración puede causar potencialmente una gran pérdida de carbono
en las especies C3. Puede ser reliberado hasta un 60% del carbono recién fijado como CO2
en ambientes que la favorecen, como por ejemplo bajo las altas luminosidades y
temperaturas en los climas tropicales y subtropicales o en presencia de las bajas
concentraciones de CO2 que ocurren en algunos ambientes acuáticos. Debido a que en un
pasado relativamente reciente, las concentraciones atmosféricas de CO2 han sido menores
de lo que son ahora, ha habido una considerable presión de selección hacia mecanismos que
puedan reducir la fotorrespiración.
Ya que el CO2 y el O2 compiten por el mismo sitio activo en Rubisco, una estrategia obvia
para reducir la fotorrespiración, es el desarrollo de medios de concentración del CO2 en
relación con el O2 en el sitio de carboxilación. Han evolucionado independientemente
varios mecanismos en familias no relacionadas, los cuales incluyen la fotosíntesis C4, el
metabolismo ácido de las crassuláceas (CAM) y los mecanismos de concentración del CO2
de las algas.
87
88
Figura 44. Dinámica de la fotorrespiración y su importancia para la síntesis de
aminoácidos. Modificado de Malkin y Niyogi (2000).
El ciclo fotosintético de oxidación del carbono (PCO) se inicia con la reacción de
oxigenación de la ribulosa 1,5-bifosfato por Rubisco en el cloroplasto. Los productos de
esta reacción de oxigenación son:
88
89
1. El 2-fosfoglicolato y el 3-fosfoglicerato. Cuando ocurre la reacción de
carboxilación se producen dos moléculas de 3-fosfoglicerato.
2.
El fosfoglicolato se convierte en glicolato y fósforo inorgánico por la
fosfoglicolato fosfatasa antes de salir del cloroplasto.
3. El glicolato formado, pasa del cloroplasto al peroxisoma, en donde se oxida a
glioxilato mediante la glicolato oxidasa. En esta reacción, se consume una
molécula de oxígeno y se produce glioxilato y H2O2.
4. El H2O2 se rompe liberando H2O y ½ O2, gracias a la acción de la catalasa.
5. El glioxilato es aminado por dos aminotransferasas: la serina glioxilato
aminotransferasa y por la glutamato glioxilato aminotransferasa. Como producto
de esta reacción, se producen dos moléculas de glicina.
6.
La glicina se moviliza hacia la mitocondria, donde es metabolizada por la glicina
decarboxilasa y la serina hidroximetil transferasa, en una reacción que convierte
dos moléculas de glicina en una de serina y una de CO2, y además, se produce
NADH y NH3. La serina producida en la mitocondria se transporta hacia el
perixosoma, y en esta organela, se retira el grupo amino mediante la acción de la
serina glioxilato aminotransferasa.
7. El hidroxipiruvato producido en esta reacción, se reduce a piruvato gracias a la
hidroxipiruvato reductasa, mediante la utilización de NADH como donante de
electrones.
8. El glicerato producido en el perixosoma, se transporta hacia el cloroplasto donde la
glicerato quinasa cataliza la fosforilación del glicerato a 3-fosfoglicerato, el cual
entra al ciclo fotosintético de reducción del carbono (figura 44).
89
90
Rubisco en el cafeto
Una parte muy importante de la investigación en fotosíntesis y productividad vegetal, se
realizó durante la primera mitad del siglo 20 en países tropicales donde se cultiva el cafeto
(Kenya, Puerto Rico), principalmente debido al interés que algunos investigadores pusieron
en el estudio de la actividad fotosintética de este cultivo en condiciones de campo y del
intercambio gaseoso durante ciclos de luz y oscuridad. Como consecuencia de estos
estudios en el cafeto se encontró el mecanismo de la fotorrespiración, principal mecanismo
competitivo de la fotosíntesis para la acumulación de la materia seca.
Siguiendo esta línea de investigación en fotosíntesis del cafeto, Riaño y su grupo en
Cenicafé (Chinchiná, Colombia), estudiaron veintitrés genotipos cultivados y silvestres del
género Coffea, para establecer la magnitud de la variación de la actividad de la principal
enzima de carboxilación fotosintética en plantas C3, la Ribulosa-1,5-bisfosfato
carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), determinar la variabilidad de la cinética enzimática
(constantes de Michaelis-Menten), cuantificar el contenido de la enzima en el tejido foliar y
establecer el grado de relación entre las anteriores variables y la actividad fotosintética neta
medida en términos de incorporación de CO2 por unidad de área foliar por unidad de
tiempo (molCO2 m-2 día-1).
También, aislaron y purificaron la holoenzima y las subunidades L y S de Rubisco de tejido
foliar de la Variedad Colombia de Coffea arabica L., una multivariedad tetraploide
resistente a la roya del cafeto Hemileia vastatrix Berk & Br, la principal enfermedad foliar
del cultivo. Con la subunidad S purificada a homogeneidad, se obtuvo la secuencia de 15
residuos aminoacídicos del extremo N-terminal de la proteína y, con base en esta
información y otra obtenida del Gen Bank, diseñaron cebadores con los cuales se logró
aislar y amplificar inicialmente un fragmento de 437 pb del gene que codifica para la
secuencia de aminoácidos del péptido. Esta secuencia se encuentra inscrita en el GenBank
(AY 601652).Se diseñaron en conjunto 6 cebadores que se utilizaron para secuenciar en 14
genotipos una extensión de 677 bp a partir de amplificados de PCR. También se
determinaron los contenidos de proteína y clorofila en extractos foliares de los genotipos
estudiados. El contenido de proteína soluble total para cada uno de ellos varió entre 5.7 y
90
91
35.65 mg g-1 de peso fresco, mientras que el contenido de clorofila varió entre 1.7 y 5.1 mg
g-1 de peso fresco.
FiguraXXX. SDS PAGEde las subunidades L y S de Rubisco de cafeto purificadas mediante
cromatografía de fase líquida.Carriles:
(1) Fracción concentrada Sephacryl S-300 (2)
Fracción concentrada Sephacryl S-300 (3) Subunidad S purificada (4) Subunidad L
purificada .
1
2
3
4
5
6
7
8
9
669 kD
R u b is c o
440 kD
232 kD
140 kD
67 kD
1
2
3
4
5
6
7
8
660 kD
R u b is c o
440 kD
232 kD
140 kD
67 kD
Figura XXX.Determinación de la masa molecular de Rubisco (Holoenzima), mediante electroforesis nativa
en geles de poliacrilamida al 7.5%.
91
92
Arriba - Carriles (1 y 9) marcadores de masa molecular; (2 - 8)
arabica L. cv. Caturra.
Abajo -
Rubisco de Coffea
Carriles (1 y 8) marcadores de masa molecular; (2 - 4) Rubisco de Coffea
canephora; (5 - 7) Rubisco de Nicotiana tabacum.
1
2
3
4
Y = 0.87 + 2.13 X
5
r 2 = 0.994
Figura XXX. Cuantificación de Rubisco en extracto foliar de cafeto, mediante electroforesis de cohete sobre
gel de agarosa del 1.5%.
La actividad Rubisco por gramo de tejido foliar de 18 genotipos cultivados a libre
exposición varía muy significativamente (entre 0.2172 µmol RuDP g-1 min-1 en el genotipo
Kent y 3.6813 µmol RuDP g-1 min-1 en el genotipo Mundo Novo Brasil)(p<0.01)
4,0000
3,0000
2,5000
2,0000
1,5000
1,0000
0,5000
Genotipos
92
Etiope 167
Mundo novo Brasil
Etiope 87
Borbon rojo
Kent7
Caturra
Coffea liberica
KF03
Sudan rume
Tipica rojo
Dilla y Alghe
AR56
Blue montain
SL 28
Eugenioides
F502
Harrar
0,0000
Kent
-1
 mol NADHgpf min
-1
3,5000
F502
93
Etiope 167
Caturra
Coffea liberica
Mundo novo Brasil
Etiope 87
Eugenioides
Kent7
Sudan rume
Dilla y Alghe
Borbon rojo
SL 28
AR56
KF03
Kent
Blue montain
Tipica rojo
Harrar
-1
mol NADH mg porteina min
-1
Etiope 167
Mundo novo Brasil
Etiope 87
Coffea liberica
Sudan rume
Blue montain
Kent7
Caturra
Borbon rojo
Eugenioides
Harrar
AR56
Tipica rojo
SL 28
KF03
F502
Kent
Dilla y Alghe
-1
mol NADH mg clorofila min
-1
93
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Genotipos
Figura xxx. Actividad de Rubisco en base fresca para 18 genotipos de Café.
0,350
0,300
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
0,000
Genotipos
Figura xxx. Actividad específica de Rubisco en 18 genotipos de Café.
Figura 13. Constante de Michaelis Menten para CO2 en 23 genotipos de cafeto.
94
Las constantes de Michaelis-Menten (KmCO2 y KmRuDP) de Rubisco parcialmente
purificada a partir de tejido foliar, se ubicaron entre 11.5MCO2 en la variedad Mundo Novo
(tetraploide) y 34.47MCO2 en el genotipo BP358 (diploide). La KmRuDP exhibe un mayor
rango de variación (entre 15.8MRuDP y 118MRuDP).
La actividad fotosintética neta diaria(molCO2 m-2 día-1) en hojas individuales de cada uno
de los genotipos mantenidos a plena exposición solar, se ubicó entre 11.6 (mmol (CO2) m-2
día-1) y 276.9 (mmolCO2 m-2 día-1) en las variedades SL 28 y E 87, respectivamente.
Se encontró una alta correlación entre la actividad específica de la enzima [molNADHmgproteína min-1(340 nm, =6.22 M-1)], y la asimilación fotosintética neta (molCO2 m-2 día-1).
Resultado que puede ser utilizado como criterio de selección de genotipos parentales con
mayor eficiencia fotosintética, para programas de mejoramiento genético del cultivo.
También se obtuvieron las secuencias parciales del gen RbcS de las variedades Mundo
Novo (tetraploides) y de la especie diploide Coffea canephora, las cuales se encuentran
inscritas en el GenBank bajo los códigos AY753744 y AY753745, respectivamente.
Secuencia del gene rbcS de Coffea canephora (Gen Bank AY 753745)
taccaagggg actgaagaag tacgagacct tgtcatatct tccagatctc
accgacgagc aattgctcaa ggaaattgat taccttatcc gcagtggatg
ggttccttgc ttggaattcg agttggaggt aaaaaaaaaa aaaaaggtta
cacagataag atgtttgcat gtactaacat attatttttc agtggcggaa
agatttatac aaacaaacaa ataaaaaggg tatagagaca ggcatttaat
atttatactg aagctaatac gttcgtttgg ttaatgttaa tagcagtaga
gtagagtaga tagattaata tgctgacgcg gggtttgtga tttggtgggt
ttgaacgtgt agaaaggatt tgtgtaccgt gaataccaca ggtcaccggg
atactatgac ggacgctact ggaccatgtg gaagca
Secuencia del gene rbcS de Coffea arabica cv Mundo Novo Brasil. Gen Bank
(AY 753744)
94
95
taccaagggg
accgacgagc
ggttccttgc
acacagataa
aagatttata
tatttatact
agtagagtag
tttgaacgtg
gatactatga
actgaagaag
aattgctcaa
ttggaattcg
gatgtttgca
caaacaaaca
gaagctaata
atagattaat
tagaaaggat
cggacgctac
tacgagactt
ggaaattgat
agttggaggt
tgtactaaca
aataaaaagg
cgttcgtttg
atgctgatgc
ttgtgtaccg
tggaccatgt
tgtcatatct
taccttatcc
aaaaaaaaaa
tattattttt
gtatagagac
gttaatgtta
ggggtttgtg
tgaataccac
ggaagca
tccagatctc
gcagtggatg
aaaaaaggtt
cagtggcgga
aggcatttaa
atagcagtag
atttggtggg
aggtcaccgg
En estudios a partir de diversos genotipos (Coffea arabica var Caturra, Coffea arabica var.
Colombia y el Híbrido de Timor), se encontró que las diferencias en punto de
compensación están asociadas con la ultraestructura foliar, pues en plantas que alcanzan
altas tasas fotorrespiratorias como el Híbrido de Timor, se observa un mayor número de
mitocondrias y perixosomas.
Plantas C4
Figura XXX. Aspectos generales de la ruta C4.
El CO2 ingresa a las células del mesófilo y se
convierte en HCO3- en el ambiente acuoso del
citosol. Bajo la acción de la PEPC, este
bicarbonato reacciona con PEP para formar el
oxal-acetato (ácido C4), que se convierte en un
segundo ácido C4 (malato o aspartato), los
cuales se transportan a las células del haz
vascular, donde son descarboxilados, y el CO2
liberado, se refija por la acción de Rubisco, y
se convierte en carbohidratos durante el ciclo
de Calvin. El ácido C3 producto de la
descarboxilación, regresa a las células del
mesófilo para regenerar el PEP.
95
96
La eliminación de la fotorrespiración
Las plantas C4 poseen una bomba de CO2 que genera una elevada concentración del gas en
la proximidad de Rubisco. La bomba de CO2 se basa en un ciclo de carboxilación y
decarboxilación relacionado con la generación de ácidos dicarboxílicos de cuatro carbonos
(C4) y ocurre en dos compartimientos: las células del mesófilo y las células de la corona del
haz vascular. Las células del haz vascular, forman un compartimiento relativamente
estrecho para los gases, en el cual el CO2 se concentra para ser asimilado por la vía de
Rubisco y el ciclo de Calvin. En consecuencia, la bioquímica de la ruta C4 está
estrechamente integrada con las adaptaciones anatómicas.
Las plantas C4, son predominantemente tropicales y subtropicales y aparecen en 17 familias
de las plantas superiores que incluyen un número importante de especies cultivables tales
como el máiz, el millo Panicum miliaceum, el sorgoSorghum
bicolory la caña de
azúcarSaccharum officinarum, así como ocho de las diez peores arvenses del mundo.
También se ha detectado el síndrome C4, en al menos 45 linajes de dicotiledóneas alrededor
del mundo.
La ruta C4 es un ciclo adjunto al ciclo de Calvin-Benson-Bassham y ocurre solamente en
conjunción con modificaciones estructurales que hacen posible su operación como un
mecanismo de concentración del CO2. En todas las plantas C4, el fosfoenolpiruvato (PEP)
es carboxilado por la fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) para formar ácidos C4, según la
reacción básica:
PEP + HCO3-
oxalacetato + Pi
En tándem con la enzima malato dehidrogenasa que cataliza la reacción
malato + NAD+
Oxalacetato + NADH
Siendo estos los primeros productos de la fotosíntesis, en comparación con las plantas C3
donde el primer producto de la fotosíntesis es el 3-PGA. Los ácidos C4 se forman en el
96
97
compartimiento constituído por las células del mesófilo y se transfieren por difusión a
través de los plasmodesmos hasta el compartimiento formado por las células del haz
vascular donde sufren la decarboxilación. Como resultado, se genera una alta concentración
de CO2 dentro del haz vascular donde están confinadas Rubisco y la mayoría de las
enzimas del ciclo de Calvin. La concentración de CO2 en el haz vascular es suficiente para
suprimir la actividad oxigenasa de Rubisco. Como consecuencia de la decarboxilación, se
produce una molécula C3, el piruvato, el cual regresa por difusión a través de los
plasmodesmos hasta las células del mesófilo para regenerar el fosfoenol-piruvato mediante
la PPDK y Pi.
En una planta como el maíz, la reacción neta catalizada por la ruta C4 está representada por
la transferencia de CO2 desde el mesófilo hasta el haz vascular a expensas de 2ATP por
cada CO2 transferido. En consecuencia, la ruta C4, es una bomba de CO2 accionada por el
ATP. Las concentraciones de carbono inorgánico (CO2 + HCO3-) en el haz vascular
alcanzan hasta los 150 M que son equivalentes a una concentración de CO2 de cerca de 70
M. Esta cifra representa alrededor de 20 veces la concentración de CO2 en las células del
mesófilo y es suficiente para saturar la fotosíntesis e inhibir más o menos completamente la
foto-respiración. La PEPC es una enzima que tiene una afinidad por el carbono inorgánico
comparable a la de Rubisco [Km (HCO3-) de 30 M, equivalente a 6.4 M CO2 a pH 7],
pero a diferencia de Rubisco, no posee actividad de oxigenasa.
En la atmósfera actual, la fotorrespiración en las plantas C3 da como resultado una pérdida
sustancial del carbono fijado, sobre todo a altas temperaturas (Tabla xxx). Sin embargo, fue
sólo durante la aparición de las angiospermas al final del Cretáceo (hace 65 millones de
años), cuando la concentración del CO2 atmosférico disminuyó hasta los niveles actuales,
con aumentos momentáneos durante el Eoceno y el Oligoceno (hace 30-50 millones de
años). A los niveles pre-industriales de CO2 (200 ppm hacia el año 1750), la fotorespiración podía alcanzar fácilmente el 50% de la fotosíntesis neta de las plantas C3 en
presencia de temperaturas elevadas. Se estima que fue durante el período de bajas
concentraciones de CO2 atmosférico iniciado hace 65 millones de años, cuando evolucionó
el mecanismo de concentración del CO2 de la fotosíntesis C4, probablemente en un lapso
97
98
no superior a los 30 millones de años y quizá tan recientemente como 7 millones de años
(fecha de datación del fósil C4 más antiguo conocido).
La ruta C4, representa una serie de variaciones bioquímicas que, casi ciertamente, han
evolucionado en forma independiente muchas veces, como respuesta a las bajas
concentraciones de CO2. Esto fue posible, porque ninguna de las enzimas o estructuras
anatómicas que tienen que ver con la fotosíntesis C4 (y sin duda con el Metabolismo Acido
de las Crassuláceas) es única de estas plantas. Las plantas C4 son más abundantes en las
regiones cálidas del mundo, donde son componentes importantes
de los pastizales
tropicales, y están entre las plantas económicamente más importantes (maíz, caña de
azúcar), pero en general, representan únicamente el 1% del total de las plantas vasculares.
La fijación inicial de CO2 de la ruta C4 ocurre en el citosol de las células del mesófilo,
mediada por la fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC), para formar un ácido de 4 carbonos:
Oxalacetato, el cual puede ser reducido a malato por la NADP-malato deshidrogenasa
(NADP-MDH ó NADP-ME) o transaminado a aspartato mediante la aspartato
aminotransferasa. El ácido de 4 carbonos resultante, es transportado a través de los
plasmodesmos hasta las células de la corona del haz vascular BSC, donde es
descarboxilado, liberando una molécula de CO2 en la cercanía de RUBISCO. La reacción
de descarboxilación, es catalizada por una o más de las 3 descarboxilasas denominadas
enzima málica a NADP (NADP-ME), enzima málica a NAD (NAD-ME) y piruvato
carboxikinasa (PEP-CK).
Existentres sub-tipos principales de plantas C4, de acuerdo con las enzimas de
decarboxilación dominantes en las células de sus haces vasculares. Las tres diferentes
enzimas relacionadas con la liberación de CO2 en los haces vasculares de las plantas C4
son: la enzima málica a NAD (NAD-ME), la fosfoenol piruvato carboxikinasa (PEP-CK), y
la enzima málica a NADP (NADP-ME). Tanto la PEP-CK, como la NAD-ME, tienen
elevados requerimientos de Mn para su activación y funcionamiento óptimo.
98
99
El ácido de 3 carbonos generado por la decarboxilación es devuelto a las
células del mesófilo para regenerar el aceptor primario de CO2, el fosfoenol piruvato (PEP),
gracias a la acción de la enzima ortofosfato dikinasa (PPDK) en los cloroplastos de las
células del mesófilo (figuras 45 y 46).
Figura xxx. Sección foliar transversal de una planta con fotosíntesis C3.
Figura 46. Sección foliar transversal de una planta con fotosíntesis C4.
99
100
Figura 47. Dimorfismo cloroplástico en las plantas C4.
Tabla 12. Comparación entre plantas C3 y C4
Plantas C4
Plantas C3
Primeros productos de la fotosíntesis
Acidos de 4 C (malato y aspartato)
Acidos de 3C (3-fosfoglicerato)
Molécula aceptora del CO2
PEP
RuDP
Carboxilasa principal
PEPC
Rubisco
Inhibición por O2
No
Si
Temperatura óptima
30-35°C
20-25°C
2000 μmol(fotones) m-2 s-1
800-1000 μmol(fotones) m-2 s-1
A.
Bioquímica
B. Consecuencias fisiológicas
Saturación de luz de la fotosíntesis
100
101
Hasta 120 mg CO2 dm-2 h-1
Hasta 45 mg CO2 dm-2 h-1
No aparente
Si
Cerca de cero ppm a la luz
Entre 45 y 60 ppm
No afectan la tasa fotosintética
disminuyen la tasa fotosintética
Baja
Mayor que en C4
~300
~700
Dimorfismo cloroplástico
Si
No
Anatomía Kranz
Si
No
Tasa fotosintética en hojas
individuales
Fotorrespiración
Punto de compensación de CO2
(ΓCO2 )
Concentraciones bajas de CO2
atmosférico
Relación entre fotosíntesis y
transpiración
Coeficiente transpiratorio
C. Atributos morfológicos
ΓCO2 = Punto de compensación de CO2 = Concentración de CO2 a la cual la fotosíntesis es igual a la
respiración
μmol(fotones) m-2 s-1 = medida de la irradiancia o intensidad lumínica o cantidad de fotones que cae en un metro
cuadrado en un segundo.
El mol de fotones (1.0 mol) equivale al número de Avogadro (N = 6.023 x 10 23) de fotones, en consecuencia,
μmol(fotones) m-2 s-1 = 10-6 x 1023 x 6.023 fotones m-2 s-1 = 6.023 x 1017 fotones m-2 s-1
mg CO2 dm-2 hr-1 = miligramos de CO2 absorbidos por decímetro cuadrado (100 cm2) por hora.
En la mayor parte de las plantas C4 las células fotosintéticas están organizadas en dos
cilindros concéntricos. Aunque el haz vascular de los pastos C3 está rodeado por dos anillos
concéntricos de células de la corona del haz, el mesotomo interior de pared gruesa, no
101
102
contiene cloroplastos y la capa parenquimatosa exterior contiene unos pocos, que no juegan
un papel esencial en la asimilación del carbono. Los pastos y dicotiledóneas C4 tienen una
corona del haz vascular ya sea sencilla o sea doble, que se distingue de la de las plantas C3
por la abundancia de cloroplastos muy grandes (figura 47). A partir de la corona del haz
vascular se distribuyen radialmente las células del mesófilo caracterizadas por tener paredes
celulares muy delgadas. Las paredes de las células de la corona del haz vascular son muy
gruesas, suberizadas y ricas en conexiones plasmodesmáticas con las células del mesófilo.
Únicamente las células del mesófilo, están en contacto con los espacios aéreos
intercelulares. Este arreglo del clorénquima se denomina anatomía Kranz (del alemán
Kranz = corona, collar).
Esta anatomía foliar tan particular, tiene dos consecuencia importantes. La primera es que
el CO2 puede ser concentrado dentro de la corona del haz vascular, cuyas paredes
engrosadas tienen una permeabilidad extremadamente baja a los gases y a los sustratos. La
segunda es que, debido a que la mayor parte de las células del mesófilo son adyacentes a
las células de la corona del haz vascular, es posible la división del trabajo y la cooperación
entre los dos tipos de células.
Funcionamiento del sistema C4
El sistema C4 está formado por dos ciclos: El ciclo de Calvin y el ciclo C4. La regeneración
del PEP ocurre el el ciclo C4, pero no hay fijación neta de CO2, en la medida en que la
regeneración tiene que ver con la re-liberación del CO2. En consecuencia, el ciclo C4 no es
autocatalítico como lo es el ciclo de Calvin, ya que no puede regenerar más sustrato del que
consume. El efecto neto del ciclo C4 puede ser interpretado como la transferencia de CO2
entre un compartimiento y el otro a expensas de 2 moléculas de ATP por cada CO2
transferido, lo cual hace que se pueda visualizar al ciclo C4 como un mecanismo similar a
una bomba de CO2 accionada mediante la energía contenida en los enlaces del ATP y que
actúa en la forma siguiente:
102
103
Célula del mesófilo (lado exterior):
2ADP + malato + NADP+ + 2Pi
Piruvato + NADPH + 2ATP + HCO3Célula de la corona del haz vascular (lado interior):
Malato + NADP+
piruvato + CO2 + NADPH
Suma:
2ATP + CO2 (lado exterior)
2ADP + CO2 (lado interior)
+ 2Pi
Plantas intermedias C3 - C4
Existe un tipo de plantas que tiene características intermedias entre las plantas C3 y las C4 y
se denominan plantas intermedias C3-C4. Tienen puntos de compensación de CO2
intermedios (8-30 ppm) y una corona del haz vascular colenquimatosa, pero carecen de la
estricta compartimentación de Rubisco dentro de la corona del haz vascular que se observa
en las plantas C4. La subunidad P de la glicina decarboxilasa está ausente en la mitocondria
de las células del mesófilo en las especies intermedias C3 - C4, por lo cual, estas plantas
carecen de la habilidad de decarboxilar la glicina en las células del mesófilo pero no en las
células de la corona del haz vascular, de manera que la única ruta para la glicina generada
durante la fotorrespiración es la transferencia hasta el haz vascular para su decarboxilación.
El CO2 liberado puede entonces ser refijado por Rubisco.
En algunas plantas C3 - C4, particularmente del género Flaveria ocurre una apreciable
marcación de los ácidos C4 cuando son expuestas a 14CO2 durante períodos cortos, lo cual
significa que ocurre fijación del CO2 por la vía de la PEPC, además de la decarboxilación
de la glicina en el mesófilo. Se ha sugerido que estas plantas representan intermediarios
evolutivos genuinos entre las plantas C3 y C4.
103
104
Otra definición de plantas C3- C4, sería la de aquellas especies en las cuales una o más
características del síndrome Kranz es levemente observable o que exhiben características
intermedias en el mecanismo de fijación de CO2. Las plantas intermedias pueden dividirse
en tres grupos:
1. Tipo Kranz como Flaveria brownii
2. Tipo similar al Kranz como Panicum milioides.
3. Tipo Kranz pobremente desarrollado como en Mollugo verticilata
Adicionalmente a la anatomía foliar, el punto de compensación de CO2 es un carácter
primario en la identificación de especies intermedias y es una medida cualitativa de la
fotorrespiración. A 25 °C y 21 % de O2, las plantas C3 alcanzan valores del punto de
compensación de alrededor de 50 ppm (µL L-1), mientras que en las plantas C4 se registran
valores muy cercanos a 0.0 ppm (0.0 µL L-1). Las plantas intermedias como F. brownii
alcanzan valores entre 1 y 5 µL L-1. Muchas de las especies intermedias se encuentran
dentro de géneros que poseen especies C4 y C3 (Panicum, Neurachnae, Althernantera,
Flaveria).
En estudios de actividad enzimática llevados a cabo en las especies Panicum milioides y
Moricandia arvensis, sólo la PEPC muestra un nivel de actividad significativamente
diferente en relación con las especies C3. En intermedias C3-C4, la actividad de PEPC es
generalmente 1.5 a 2 veces mayor que en las C3 y en general se afirma que la actividad de
PEPC en plantas intermedias es suficiente para fijar el CO2 fotorrespirado; por ejemplo, en
Panicum milioides la actividad de PEPC es de alrededor del 40% de la actividad de PEPC
en la especie C4 de Panicum.
Características fotosintéticas de la yuca
La yuca (mandioca, cassava, manioc)Manihot esculenta Crantz (Euphorbiaceae), se cultiva
extensamente en los países tropicales y subtropicales de Asia, África y América Latina,
104
105
localizados en la banda latitudinal ubicada entre 30° N y 30° S, para cosechar sus raíces
ricas en almidón, que se utilizan como alimento básico para la población y los animales. Se
cultiva desde el nivel del mar hasta los 2000 m de altitud, por agricultores minifundistas en
suelos marginales y con frecuencia muy erosionados, virtualmente sin ninguna aplicación
de agroquímicos. Debido a su tolerancia a diferentes estreses edafoclimáticos, el cultivo se
ha expandido hacia regiones más marginales como el África sub-sahariana, donde otros
cultivos de subsistencia no alcanzan producciones razonables.
La tasa neta de absorción de CO2 en yuca fluctúa entre 20-35 mol CO2 m-2 s-1. Las tasas
óptimas se obtienen a una temperatura cercana a los 30 C, alta luminosidad y humedad. En
condiciones normales (25 C y 370 ppm CO2), el punto de compensación de la yuca es bajo
y la liberación de CO2 en aire libre de CO2, es menor bajo condiciones de alta luminosidad
que en la oscuridad. Esta reacción es muy diferente si se compara con el fríjol común. Por
otro lado, las características del intercambio gaseoso en la haz de la hoja de yuca en aire
libre de CO2 son muy similares a las del maíz [C4 (bajo punto de compensación y ausencia
de liberación de CO2 bajo iluminación)], características que sugieren que la yuca puede ser
una especie intermedia entre las plantas C3-C4. Esta hipótesis puede sustentarse en el hecho
de que cuando se utiliza
14
recupera entre el 40-60 %
CO2 en experimentos de corta duración 5-10 segundos se
14
CO2 en forma de ácidos de 4 carbonos. Además, en los
extractos foliares se encuentra una actividad significativa de PEPC que alcanza entre el 15
y el 35 % de la encontrada en maíz. Sin embargo la yuca no posee la anatomía Kranz,
característica de la ruta C4, y las células que rodean los haces vasculares contienen
abundantes cloroplastos pero sus paredes no son gruesas, lo cual indica que la yuca tiene las
enzimas requeridas para la fotosíntesis C4 pero no ha desarrollado la anatomía apropiada
para su expresión plena. No es claro si la yuca es un paso intermedio en la ruta evolutiva o
es un híbrido entre las rutas C3 – C4. En este último caso, existe la posibilidad de aumentar
la fotosíntesis en la yuca y en consecuencia la productividad genética. Este punto de vista
está sustentado en trabajos de campo que sugieren que bajo condiciones en donde la
interceptación de la luz no es un factor limitante, hay una estrecha relación entre el
rendimiento y la tasa individual de fotosíntesis medida en el campo. Con la comparación
105
106
electroforética entre extractos foliares semipurificados de maíz, yuca y fríjol, se puede
evidenciar que la actividad de PEPC en tejido foliar de yuca es intermedia entre la actividad
de PEPC de maíz (C4) y la de fríjol (C3), lo cual parece estar asociado con la presencia de
dos isoformas de la enzima (Figura 48).
Figura 48. Electroforesis nativa de PEPC semipurificada de extractos foliares
de especies con actividad enzimática contrastante.
El tejido foliar de yuca se caracteriza por poseer un largo parénquima de empalizada que
ocupa más del 60% del volumen total, y por tener capas muy delgadas de tejido esponjoso.
En general, la yuca no posee la anatomía Kranz típica de las C4 (Figuras xxx y xxx). Sin
embargo, en algunos genotipos, se ha observado que el tejido de empalizada conforma una
estructura en forma de embudo que tiene en la parte terminal una corona compuesta de
células redondas con cloroplastos grandes con paredes menos gruesas en comparación con
el maíz.
La capacidad fotosintética de las hojas de yuca es relativamente alta y se expresa
completamente en ambientes cálidos y húmedos con alta irradiación solar. En el Valle del
Patía (Departamento del Cauca, Colombia) donde las temperaturas oscilan entre 32 y 37°C,
106
107
se registran tasas fotosintéticas para yuca entre 30 y 36 µmol CO2 m-2 s-1 , que son bastante
altas en comparación con las registradas a 24° C (25 µmol CO2 m-2 s-1).
Varios trabajos realizados en yuca demuestran claramente algunas diferencias en los
mecanismos de asimilación fotosintética en comparación con los patrones de plantas
C3:
1. Tasa neta de incorporación de CO2 ubicada entre 30 y 35 µmoles CO2 m-2 s-1.
2. Se ha observado que a medida que aumenta la temperatura de 18° C a 20° C, se
incrementa la tasa fotosintética, luego se mantiene constante entre 20 a 25° C y
alcanza su máximo entre 30 a 35° C. Se sugiere que esta respuesta bimodal de la
tasa fotosintética por efecto de la temperatura, es un indicativo del funcionamiento
de dos sistemas enzimáticos de carboxilación, cada uno operando a una temperatura
determinada.
3. El nivel de luz para saturación de fotosíntesis es de 1500 µmol de fotones m-2 s-1.
4. Bajo punto de compensación (25 cm3 CO2 m-3) intermedio entre los valores
normalmente reportados para especies C3 de 40 a 100 cm3 CO2 m-3 a 25° C y los de
las plantas C4 (menor de 10 cm3 CO2 m-3).
5. Algunos genotipos de yuca poseen, como característica especial, hojas
anfiestomáticas. El intercambio de gases en mediciones al aire libre de CO2 es
similar al comportamiento registrado en maíz, en donde se observa un punto de
compensación bajo y sin liberación de CO2 en presencia de la luz.
Estas características intermedias de la yuca, se deben en parte a que poseen un eficiente
mecanismo de reciclaje del CO2 respirado en las células del tejido de empalizada. Esta
tendencia se comprobó bloqueando los estomas del envés de la hoja, lo cual obliga al CO2
a dirigirse hacia la haz. Se observa que gran parte del CO2 respirado se recicla
efectivamente antes de liberarse por los estomas de la superficie de la haz, lo cual sugiere
que el mecanismo C4 activo, se encuentra en el tejido de empalizada (figura 49).
107
108
En estudios con marcación radioactiva en hojas de yuca, se observa que luego de 5-10
segundos de la incorporación de 14CO2 en presencia de la luz, entre el 40% y el 60% de la
radiactividad se encontró en ácidos de cuatro carbonos (malato, aspartato y oxalacetato),
mientras que entre el 30 y el 50% de la radiactividad se encontró en el ácido fosfoglicérico.
En contraste, el fríjol mostró solamente entre el 3 y 4% de la radioactividad en ácidos de
cuatro carbonos y el 70% en ácido fosfoglicérico. Las hojas de maíz fijaron el 70% de la
radiactividad en ácidos de cuatro carbonos
y
solamente hasta el 20% en ácido
fosfoglicérico.
Dentro de la familia Euphorbiaceae a la cual pertenece la yuca, existen géneros que
exhiben las rutas fotosintéticas del metabolismo C3 y C4 y se han encontrado diferencias en
la forma como algunos genotipos asimilan el CO2.
Los mecanismos fisiológicos le posibilitan una
productividad potencialmente alta en
ambientes tropicales cálidos/húmedos. Una amplia gama del germoplasma tiene la
capacidad de asimilar carbono en ambientes cercanos al óptimo, lo cual se correlaciona con
la productividad biológica y la producción de raíces. Las hojas poseen actividades elevadas
de la enzima C4 PEPC que correlacionan con la fotosíntesis, en ciertas condiciones exhiben
comportamiento intermedio del fotosistema C3-C4. La producción, también correlaciona
con el IAF promedio estacional (es decir duración del área foliar).
Bajo sequías prolongadas en zonas secas y semiáridas (<700 mm/año), los genotipos
mejorados cultivados, toleran el estrés y producen razonablemente (3 t/ha de raíces secas).
Los mecanismos fisiológicos involucrados, incluyen sensibilidad estomática al déficit
hídrico en la atmósfera y el suelo, la formación de raíces profundas y la reducción del área
foliar fotosintética. Una vez ocurre disponibilidad de agua, forma hojas nuevas con tasas
fotosintéticas más altas y uniformes. Bajo estrés prolongado, es mayor la reducción en la
producción de biomasa en tallos y hojas.
108
109
La yuca absorbe lentamente el agua de las capas profundas del suelo. En ambientes secos,
la duración de las hojas y la resistencia a plagas y enfermedades son críticas para
producciones sostenibles. Cuando se cultiva en tierras tropicales altas o bajas subtropicales, el crecimiento de la planta es más lento y la fotosíntesis se reduce de manera
considerable.
Las raíces almacenadoras de la yuca, se usan principalmente como fuente de carbohidratos
para consumo humano preparadas en fresco sobre todo si se trata de genotipos dulces bajos
en glicósidos cianogénicos, ya que su contenido proteínico alcanza solamente hasta poco
menos del 3 % del peso seco de las raíces, o se consumen procesadas como productos secos
en forma de harina o almidón. Debido a su perescibilidad, las raíces deben ser consumidas
o procesadas inmediatamentedespués de cosecha, aunque si se cortan los brotes tres
semanas antes de la cosecha, se puede reducir el deterioro
Bajo condiciones controladas en el laboratorio, se ha observado que cuando se exponen las
hojas de plantas de yuca tanto bien provistas de agua, como bajo estrés hídrico, a una alta
humedad dentro de cámaras foliares conectadas a un sistema infra-rojo de intercambio
gaseoso y luego a un período corto de baja humedad, las tasas de absorción de CO2 bajo
saturación de luz y aire normal disminuyen drásticamente, siendo la respuesta más
pronunciada en las plantas estresadas. El efecto es completamente reversible, reacción que
también ha sido observada en muchas especies leñosas.Estos resultados indican que la yuca
es sensible a los cambios en la humedad atmosférica independientemente del estado hídrico
de la planta o el suelo, y comparada con otras especies leñosas o herbáceas, la yuca es
mucho más sensible a los cambios en la humedad atmosférica. El fenómeno de la respuesta
directa estomática a los cambios de humedad atmosférica ha sido observado por varios
investigadores del siglo 19 y de los años iniciales del siglo 20.
El posible mecanismo subyacente a los cambios en el comportamiento estomático
dependientes de la humedad atmosférica, tienen que ver con la llamada “transpiración
periestomática” debida a la pérdida del agua proveniente de las células guardas y
subsidiariasde la cutícula.
109
110
Las escasas conexiones físicas entre las numerosas áreas estomáticas (donde ocurre la
evaporación) y el tejido del mesófilo observadas en la hoja de yuca, pueden acelerar el
estrés hídrico en la epidermis y el aparato estomático, conduciendo así a la notable
sensibilidad a los cambios en la humedad atmosférica, sin que ocurran disminuciones
drásticas en el potencial hídrico bruto de la hoja. Esta conclusión, es apoyada aún más por
el cierre estomático observado en la yuca cultivada en el campo, como respuesta a las altas
velocidades eólicas, a pesar de que el suelo se encuentre húmedo y las hojas posean un alto
potencial hídrico bruto. También se han registrado grandes pérdidas de agua bajo altas
velocidades del viento desde la superficie superior o la epidermis foliar de varias especies
herbáceas, evidencia que parece verificar la hipótesis de la transpiración periestomática.
Por otro lado, la biomasa total y el rendimiento en raíces almacenadoras de almidón, es
mayor en ambientes con alta humedad atmosférica, y se incrementan cuando las hojas se
empañan por la humedad, lo cual conduce a una mayor fotosíntesis foliar, e indica que la
sensibilidad estomática a los cambios en el déficit de presión de vapor (DPV) se translada
hacia el dosel. Estos resultados tienen importantes implicaciones prácticas para el
mejoramiento de yuca.
La yuca requiere de clima cálido, tanto para el crecimiento como para la productividad
óptimos, aunque también se cultiva en los climas relativamente fríos de las alturas (>1700
m en los trópicos), y de las altitudes bajas en los subtrópicos. Tanto su crecimiento como su
productividad, dependen fuertemente de la capacidad del dosel para interceptar la radiación
durante la mayor parte del ciclo de crecimiento, del potencial fotosintético foliar y de su
comportamiento bajo las condiciones de campo prevalecientes.
Los datos de intercambio gaseoso foliar (>µ mol CO2 m-2 s-1) obtenidos con niveles de
saturación de luz del orden de 1800 µ mol fotones m-2 s-1 y temperaturas cercanas a los
35°C, son valores comparables a los de las actividades fotosintéticas registradas en plantas
C4 como el maíz bajo las mismas condiciones. Estos resultados indican que la planta de
yuca posee una alta capacidad fotosintética que puede ser expresada plenamente sólo en
climas cálidos y húmedos con altas radiaciones solares, y que cuando se cultiva en
110
111
ambientes naturales o artificiales que se desvían de estos requerimientos climáticos
fundamentales, su capacidad fotosintética no puede ser expresada plenamente.
Por el hecho de carecer de etapas del crecimientoespecíficamente sensibles al estrés hídrico
(en comparación con los cultivos de grano, por ejemplo), luego del establecimiento del
cultivo, la yuca exhibe un alto grado de tolerancia a la sequía prolongada en áreas con
precipitaciones bajas y erráticas menores de 600 mm anuales acopladas con altas
temperaturas, aire seco (alta evapo-transpiración potencial), suelos de baja fertilidad y altas
presiones de plagas y enfermedades como sucede en el nordeste brasileño y la costa norte
de Colombia, la costa del Perú, algunas áreas de los países africanos subsaharianos y
algunas partes de Tailandia, aunque la yuca se haya originado presumiblemente en los
climas húmedos de los bosques de la cuenca amazónica. Bajo estas condiciones, es muy
raro que otros cultivos de subsistencia tales como los cereales de grano y las leguminosas,
sobrevivan y produzcan. Estas características inherentes, han sido determinantes en la
expansión del cultivo por agricultores de recursos muy limitados en las áreas más
marginales de muchas partes de África, Asia y América Latina,
Entre las causas relacionadas con los mecanismos inherentes a la planta, se puede resaltar la
sorprendente sensibilidad de la yuca, tanto a los cambios en la humedad atmosférica como
al déficit hídrico del suelo (por la vía del cierre estomático parcial que limita las pérdidas de
agua luego de la exposición de la hoja al aire seco, lo cual la protege de la deshidratación
severa) acoplada con su capacidad para retener parcialmente su potencial fotosintético bajo
disminuciones prolongadas del aporte hídrico. Por otro lado, la yuca posee un sistema
radical compuesto por raicillas delgadas y esparcidas, diferente a los de otros cultivos como
los cereales y pastos tropicales, capaces de penetrar a las capas del suelo hasta 2.0 m de
profundidad, lo cual capacita a la planta para soportar largos períodos de sequía, y gastar
lentamente el agua almacenada más profundamente, con el resultado final de una mayor
eficiencia estacional en el uso del agua, aunque al costo de una menor productividad.
Las investigaciones llevadas a cabo en el Centro Internacional de Agricultura Tropical
(CIAT, Palmira, Colombia) por El-Sharkawy y su grupo, han demostrado la importancia de
las altas actividades de varias enzimas de la ruta C4 (PEPC, NAD-ME y PPDK) en yuca
111
112
(varios genotipos cultivados y silvestres, alcanzan actividades de PEPC entre 1.5 y 5.0
μmol NADH mg-1 chl min-1 que significan entre 15 y 25% de las actividades medidas en
plantas C4 como maíz y sorgo). Estos resultados, pueden explicar parcialmente la alta
capacidad fotosintética de la yuca, la cual está correlacionada significativamente con la
productividad entre ambientes y genotipos.
Bajo ambientes favorables en las zonas bajas y de altitud media en el cinturón tropical con
condiciones edáficas y climáticas cercanas al óptimo para que el cultivo alcance su
potencial inherente, la yuca es altamente productiva en términos de rendimiento de raíces
tuberosas y de biomasa biológica total. Los mecanismos subyacentes a tan alto potencial de
productividad (>15 ton de raíces secas en estufa ha-1, con 85% de almidón a los 10-12
meses de edad del cultivo en condiciones experimentales y con germoplasma mejorado)
son :
1. Elevado potencial fotosintético foliar, comparable a los encontrados en los
cultivos eficientes C4, las tasas alcanzadas bajo alta humedad ambiental, suelo
húmedo, altas temperatura de la hoja altas irradiancias son superiores a los 40 µ
mol CO2 m-2 s-1.
2. Larga duración foliar (>60 días) permaneciendo activas durante la mayor parte
de su ciclo de vida
3. Dosel perdurable que optimiza la interceptación de la luz solar durante una parte
significativa del ciclo de crecimiento
4. Elevado índice de cosecha (>0.5) acoplado a un potente vertedero radical
(mayor número de raíces almacenadoras planta-1).
Bajo ambientes inductores de estrés en las regions tropicales semiáridas y estacionalmente
secas, la productividad de la yuca se reduce, siendo mayor la reducción en el brote (partes
aéreas) que en las raíces almacenadoras, lo cual se traduce en un mayor Índice de Cosecha.
Bajo estas condiciones, el cultivo posee algunos mecanismos adaptativos para la tolerancia
a ellas. El más importante, es la notable sensibilidad estomática a los cambios en la
112
113
humedad atmosférica y en el potencial hídrico del suelo. Aunque cierre sus estomas bajo
estrés hídrico, la hoja permanece hidratada y activa fotosintéticamente, pero con tasas
reducidas durante la mayor parte de su ciclo de vida. Acoplada con este mecanismo de
evasión del estrés, está la capacidad de profundización de las raíces, mediante la cual, la
yuca puede extraer el agua almacenada en los 2 primeros metros de profundidad del suelo,
a tasas bajas, lo cual conduce no sólo a la supervivencia del cultivo durante períodos secos
mayores de 3 meses sino también a rendimientos razonables y a una mayor eficiencia en el
uso del agua y los nutrientes. Además, el dosel se reduce fuertemente bajo estrés
prolongado, hecho que contribuye al menor consumo de agua por el cultivo. Cuando se
recupera del estrés, la yuca forma rápidamente hojas nuevas con elevada capacidad
fotosintética, lo cual contribuye a la compensación de la reducción en el rendimiento del
cultivo, ocasionada por los prolongados estreses previos.
La yuca es, probablemente, el único cultivo en el cual se ha comprobado una alta
correlación entre la productividad de un amplio rango de genotipos y en diferentes
ambientes, con la fotosíntesis de las hojas superiores del dosel, medida en el campo. Esta
correlación, se debe fundamentalmente a factores no estomáticos, tales como los rasgos
bioquímicos y anatómicos de las hojas, entre los cuales se puede subrayar las elevadas
actividades de la enzima C4 PEPC.
Se han registrado variaciones genéticas de la fotosíntesis foliar y en las actividades
enzimáticas en el germoplasma de yuca cultivada, y en las especies silvestres del género
Manihot, que pueden ser explotadas en los programas de fitomejoramiento.La duración del
área foliar bajo estrés, acoplada con la resistencia y/o tolerancia a plagas y enfermedades,
es un rasgo crítico debido a que el rendimiento se correlaciona significativamente con la
capacidad de la planta para retener las hojas. La capacidad de profundización de las raíces,
es otro importante rasgo utilizable en la selección y fitomejoramiento de germoplasma
dirigido a las zonas más secas.
Tres semanas luego de iniciarse el período de estrés hídrico, se reducen las actividades de
PEPC, Rubisco y de la descarboxilasa C4 NAD-ME, siendo Rubisco la más afectada en los
extractos de hojas desarrolladas un mes antes de comenzar el estrés. La relación
113
114
PEPC/Rubisco, que puede ser un indicativo de la importancia relativa de las dos enzimas,
también se reduce bajo los efectos del estrés. Sin embargo, cuando se midió la actividad
enzimática en hojas que se desarrollaron bajo un estrés hídrico de 8 semanas, la actividad
de PEPC en todos los clones fue 13% mayor que las de los clones no estresados, con
diferencias entre genotipos. Por otro lado, la actividad de Rubisco fue 42% menor en los
clones cultivados bajo estrés. El efecto diferencial del estrés sobre las actividades de estas
dos enzimas fotosintéticas claves, produce una relación PEPC/Rubisco mucho mayor en los
clones estresados, en comparación con los no estresados. Estos resultados indican que en
condiciones de déficit hídrico prolongado, la importancia relativa dela PEPC C4 contra la
C3 Rubisco es más pronunciada, y conduce a la sustentación de la hipótesis de que la
enzima C4 PEPC, juega un papel significativo en la actividad fotosintética de la yuca bajo
sequía acoplada con altas temperaturas, lo cual es de fundamental importancia en la
reducción de las pérdidas de CO2 tanto foto-respiratorias como por respiración mitocondrial
oscura y en el aumento de absorción neta del CO2 y en consecuencia, de la productividad.
La posible localización de la PEPC en el terminal superior del largo parénquima de
empalizada sustenta aún más el papel de la PEPC en la refijación/reciclaje respiratorio del
CO2 cuando los densos estomas abaxiales, particularmente en las hojas hipostomáticas que
normalmente poseen más de 400 estomas mm-2) están cerrados parcialmente bajo sequía,
altas irradiancias solares y altas temperaturas acopladas con aire seco. Conjuntamente con
el aumento en la absorción de carbono, el mecanismo de reciclaje del CO2, protege a las
hojas de la foto-inhibición por la vía de la disipación del exceso de fotones absorbidos.
Hallazgos recientes en algunas especies no cultivadas de la familia Chenopodiaceae, tales
como Bienertia cycloptera que crece en las depresiones salinas de Asia Central, indican la
presencia de una ruta C4 funcional en la ausencia de una anatomía Kranz típica, donde las
enzimas claves C3 y C4, se encuentran localizadas y compartimentadas en el
citosol/cloroplastos de la misma célula del mesófilo. De la misma manera, la
monocotiledonea acuática Hydrilla verticillata, la cual carece de anatomía Kranz, también
posee la ruta C4 funcional, donde PEPC y Rubisco, ocurren en el citosol y el cloroplasto de
todas las células y no se segregan en los tipos separados de células especiales comunes en
las especies C4 terrestres. También pueden ocurrir desplazamientos de la fotosíntesis C3 a la
114
115
C4 bajo condiciones ambientales específicas. En las especies acuáticas opera aparentemente
un mecanismo de concentración de CO2 en los cloroplastos, donde se localizan Rubisco y
las enzimas de decarboxilación, lo cual puede representar una forma arcaica de fotosíntesis
C4, que evolucionó mucho antes de que apareciera el síndrome C4 dependiente de la
anatomía Kranz en las plantas terrestres. En este punto, aparece una importante pregunta
relacionada con el primer paso en la inducción de la fotosíntesis C4 sobre la tierra:¿El
mecanismo de concentración de CO2, fue inducido primero y evolucionó en respuesta a
bajo aporte de CO2 en el agua en algún tipo de organismo acuático unicelular antes de que
evolucionara sobre la tierra, en respuesta a una fuerte reducción del CO2 atmosférico, a una
mayor concentración del O2 y a ambientes estresantes como se ha llegado a creer?
Hallazgos recientes, indicativos de la existencia de fotosíntesis C4 funcional en el alga
marina unicelular Diatomea, pueden proveer evidencia que sustente tal hipótesis. Más aún,
en algunas ciperáceas anfibias como Eleocharis vivípara, diferentes culmos de la misma
planta pueden poseer características fotosintéticas C3 sin anatomía Kranz, cuando se
desarrollan bajo el agua, pero desarrollan características y tipo Kranz C4, cuando se forman
aéreamente. En este caso, la fotosíntesis C4, aparentemente está asociada con la anatomía
Kranz, pero con una compartimentación incompleta de Rubisco, la cual se localiza tanto en
las células del mesófilo como en las del haz vascular. Además de estos hallazgos,
recientemente se ha encontrado que las características bioquímicas de la foto síntesis C4
(como las altas actividades de las enzimas C4) y los genes controladores respectivos, ya
existen previamente y se expresan en las células fotosintéticas del tallo/pecíolo que rodean
los tejidos vasculares de las plantas con flores C3, lo cual indica, que este aspecto puede
representar el primer paso en la inducción/evolución del síndrome C4.
La inducción y evolución de los componentes bioquímicos del síndrome C4 en el reino
vegetal, quizá sucedió mucho tiempo antes de que hubieran evolucionado los más
complejos componentes anatómicos/estructurales en las plantas terrestres. Los mecanismos
moleculares subyacentes al síndrome C4, sus múltiples familias de genes/isogenes que
codifican para las diferentes isoformas de la PEPC en los sistemas C3, C4, intermedias C3C4 y CAM, y los patrones de expresión de los genes controladores respectivos, en
115
116
diferentes especies vegetales, en órganos, tejidos y organelos subcelulares, han sido objeto
recientemente, de estudio intensivo. Tales estudios al nivel de gene, con seguridad, pueden
contribuir a una mejor comprensión del proceso evolutivo de la fotosíntesis C4, y puede
conducir a una posible bio-ingeniería para obtener hojas más eficientes en los cultivos más
importantes económicamente
El análisis de la producción de bio-etanol en China a partir de diferentes cultivos como
maíz, caña de azúcar y yuca, muestra que la yuca se encuentra en el tope, en términos de
beneficios económicos. La yuca tiene una alta eficiencia de asimilación fotosintética de
CO2, alta tolerancia al calor y la sequía y bajo requerimiento de de fertilizantes. También se
considera en China un alimento no básico. Estas propiedades hacen que la yuca exhiba un
gran atractivo como cultivo para la producción de biocombustibles en el país. Sin embargo,
la planta de yuca debe ser mejorada mediante ingeniería metabólica para incrementar la
eficiencia de asimilación fotosintética del CO2 en productos estructurales y de
almacenamiento, y para reducir los costos de los insumos para la conversión de la biomasa
del cultivo en bio-combustibles (Jansson et al 2009),
Referencias
Figura 49. Tejidos constituyentes del mesófilo del genotipo de yuca silvestre Manihot
rubricaulis. Nótese la presencia de un doble parénquima de empalizada y los rudimentos de
estructura Kranz.
116
117
La fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC)
La PEPC es una de las más importantes enzimas de carboxilación en las plantas. Se sabe
que esta enzima no sólo tiene un papel central en las modificaciones C4 y CAM de la ruta
fotosintética de asimilación del carbono sino que también tiene otras variadas funciones en
la vida vegetal. Fué descubierta en extractos foliares de espinaca (C3) por Bandurski y
Greiner en 1953, quienes demostraron que el extracto foliar era capaz de formar oxalacetato
(OAA) a partir de fosfoenolpiruvato (PEP) y CO2.
La ecuación propuesta inicialmente por Bandurski y Greiner, fue modificada por
Maruyama et al en 1966, quienes demostraron que el verdadero sustrato de la enzima es el
ión HCO3- en vez del CO2
Mg+2
PEP + HCO3-
OAA + Pi
PEPC
Ya que el G para esta reacción está en la vecindad de 30 kJ mol-1, la reacción es
esencialmente irreversible bajo condiciones fisiológicas.
Se ha podido establecer que la PEPC, está ampliamente distribuída en los tejidos vegetales
y en los micoorganismos, pero no se encuentra en los tejidos animales. La PEPC se
encuentra en la mayor parte de las plantas C3, pero su actividad no sobrepasa un pequeño
porcentaje de la que exhibe la PEPC del tejido foliar de las plantas C4. En general, el nivel
de actividad es de aproximadamente 2-5 % del que se encuentra en el tejido foliar de las
plantas C4. Por ejemplo, la actividad de PEPC medida en el tejido foliar de tres plantas C3
está entre 0.29 y 0.35 mol min-1 (mg clorofila)-1, actividad muchas veces mayor que la
actividad de la fosfofructokinasa en las mismas hojas.
Existen dos excepciones notables a la situación descrita anteriormente. La primera es la
actividad extremadamente alta de PEPC en los tejidos termogénicos de las Aráceae (del
orden de los 50 mol min-1 g-1 peso fresco), que es cerca de 100 veces el nivel de actividad
registrado normalmente en las plantas C3 (figura 50). La segunda excepción consiste en que
117
118
no se ha logrado detectar actividad de PEPC en las algas marinas diatomeas y
dinoflageladas. Existe evidencia de que tales componentes del fitoplancton contienen, en su
lugar, una forma de PEP carboxikinasa que utiliza HCO3- y actúa en la dirección de la
carboxilación produciendo, de esta manera, OAA y ATP.
Figura 50. Electroforesis no desnaturalizante y desnaturalizante de extractos de tejido foliar
de especies con actividad contrastante de PEPC.
Generalidades de los carbohidratos
Los carbohidratos son un grupo heterogéneo de moléculas que contienen carbono,
hidrógeno y oxígeno, que mantienen generalmente, una proporción 1:2:1. La composición
de los carbohidratos es (CH2O)n,donde n ≥ 3. Las moléculas pequeñas de carbohidratos
desempeñan un papel importante en el metabolismo energético de las células y son la
principal fuente de esqueletos de carbono para la construcción de la mayoría de las demás
moléculas orgánicas.
118
119
Figura xxx. Estructura de algunos sacáridos reductores.
Las dos macromoléculas de carbohidratos más comunes en la generalidad de las plantas son
el almidón (una forma de almacenamiento de carbón y energía) y la celulosa (el principal
componente de las paredes celulares). Algunas triosas son intermediarios importantes tanto
en la fotosíntesis como en la respiración. La eritrosa es la tetrosa más común y además de
119
120
realizar las funciones descritas arriba, es una molécula precursora de muchas rutas
biosintéticas. Algunas pentosas también son intermediarios de la fotosíntesis y la
respiración pero adicionalmente se utilizan en la formación de los elementos estructurales
de los ácidos nucleicos, ATP y componentes claves del transporte electrónico como la
nicotinamida y los flavo-nucleótidos.
Las hexosas incluyen la glucosa, la fructosa y otros azúcares. Estas moléculas, se
consideran como el sustrato inicial y el producto final de la respiración y la fotosíntesis
respectivamente y están involucrados en la síntesis de carbohidratos más complejos. Los
monosacáridos pueden ligarse para formar oligosacáridos, que pueden estar compuestos por
monosacáridos idénticos o no. El principal disacárido en las plantas es la sacarosa, formada
por la condensación de α-D-glucosa con α-D-fructosa. Los polisacáridos grandes polímeros
de alta masa molecular. El almidón por ejemplo, está constituido por residuos de α-Dglucosa 1
4 y ramificado en enlaces 1
6, con estructura helicoidal.
Regulación de la biosíntesis del almidón en plantas terrestres:
perspectivas de modificación
La función primaria de la fotosíntesis es proveeer la energía necesaria para el metabolismo
el desarrollo vegetal en general. Durante el día, los fotoasimilados generados en el ciclo
PCR, se acumulan temporalmente en las hojas en forma de sacarosa en las vacuolas del
mesófilo o como almidón en el estroma del cloroplasto. En las principales rutas de fijación
de CO2 (C3, C4, CAM), la proporción mayoritaria de productos de almacenamiento del ciclo
PCR en las hojas está constituída por la sacarosa y el almidón.
Otros productos de importancia en ciertas especies de pastos y dicotiledóneas, son los
fructanos o polímeros de sacarosa y fructosa. El carbono para la biosíntesis de la sacarosa
se exporta desde el cloroplasto gracias a un transportador especial dependiente del
ortofosfato ubicado en la membrana del cloroplasto. Este transportador Pi / triosa,
intercambia Pi y triosa fosfato (probablemente en forma de dihidroxiacetona fosfato). Una
120
121
vez en el citoplasma dos moléculas de triosa (gliceraldehido-3-fosfato y dihidroxiacetona),
se condensan para formar fructosa-1,6 bifosfato, la cual se convierte a glucosa-1-fosfato.
La síntesis de sacarosa se realiza en el citosol y los precursores de esta molécula son la
glucosa y fructosa fosforiladas. A su vez, el 3-fosfogliceraldehído y la dihidroxi-acetona
fosfato, que se exportan desde los cloroplastos de las células fotosintéticas, son los
precursores de las hexosas fosfatadas y de la sacarosa. Estas triosas se convierten en 1glucosa fosfato y 6-fructosa fosfato, las cuales se combinan indirectamente, ya que se
requiere una molécula de UTP como fuente de energía para la activación de la glucosa.
Cuando reaccionan las dos moléculas se forma una molécula de uridín glucosa difosfato
(UDPG), una forma activada que puede transferirse a una molécula aceptora como 6fosfato de fructosa.
UTP + glucosa-1-fosfato
PPi + H2O
UDPG + PPi
2 Pi
UDPG+fructosa-6-fosfato
sacarosa-6-fosfato + UDP
Sacarosa-6- fosfato + H2O
UDP+ ATP
sacarosa + Pi
UTP + ADP
Esta conversión es catalizada por la sacarosa fosfato sintasa y la sacarosa fosfato-fosfatasa.
Existe otra enzima citoplásmica con la capacidad de sintetizar sacarosa: la sacarosa
sintetasa, que cataliza la reacción
UDP-glucosa + fructosa
UDP+ sacarosa
Debido a la energía libre de la reacción, la tendencia de la enzima es a catalizar la reacción
reversa, relacionada con la ruptura de la molécula de sacarosa.
121
122
El almidón es un producto de la fotosíntesis que se acumula en las hojas dentro de los
cloroplastos, y en los órganos de reserva, en estructuras especializadas denominadas
amiloplastos dentro de los cuales se sintetiza, luego de la translocación de la sacarosa u
otros azúcares no reductores provenientes de las estructuras foliares. La formación del
almidón se debe a un proceso que implica la donación repetida de unidades de glucosa
provenientes de un azúcar nucleotídico similar al UDPG (difosfoglucosa de adenosina,
ADPG). Esta molécula, es el producto de la reacción de glucosa-1-fosfato y ATP dentro
del cloroplasto u otros plastidios. Una molécula de amilosa en expansión, posee una
molécula de glucosa C-4 reactiva en su extremo, el cual se combina con el C-1 de la
glucosa que se agrega proveniente del ADPG. Esta reacción es catalizada por la almidón
sintetasa la cual requiere K+ para su activación. En diferentes plantas u órganos existen
diferentes formas isoenzimáticas de esta proteína.
El almidón es una molécula compuesta por dos tipos de polisacáridos: la amilosa y la
amilopectina. La amilosa es una cadena lineal, mientras que la amilopectina es altamente
ramificada. Las características físico-químicas del almidón dependen de la proporción de
amilosa-amilopectina y del grado de ramificación de la amilopectina. También influyen en
sus propiedades y usos otras características como tamaño del grano de almidón, la forma y
superficie, y la cantidad de grupos fosfatos enlazados a él. La relación amilosa/amilopectina
determina características como viscosidad, gelatinización, textura y solubilidad del
almidón.
El almidón libre de amilosa se utiliza en la producción de adhesivos y como espesante de
alimentos, y la ausencia o bajo nivel de amilosa le reducen el porcentaje de retrogradación,
con lo cual se evitan los procesos de alteración de las características del producto.
La amilosa es un polímero de glucosa predominantemente lineal con menos del 1% de
ramificaciones con enlaces α-(1,6) y con masas moleculares entre 105 y 106 Da, constituye
entre 15-30 % del almidón. La amilopectina posee ramificaciones cada 24 a 30residuos de
glucosa, con enlaces α-(1-6) y masas molecularesentre 107y 109 Da, yconstituyendo entre el
85-70% del almidón. Otros componentes cuantitativamente menores del almidón, son
proteínas, lípidos y minerales. Los almidones de los cereales contienen entre 0.25 y 0.5 %
122
123
de amilopectina respectivamente, mientras que en los tubérculos como la papa y la yuca,
los niveles son menores.
Figura xxx . Estructura de la amilosa
Figura xxx. Estructura de la amilopectina
Las dos principales enzimas implicadas en la formación del almidón son la ADP-glucosa
pirofosforilasa y la almidón sintetasa. La síntesis del almidón en los cloroplastos empieza
con el grupo de hexosas generadas durante el ciclo PCR. La fructosa-6-fosfato, se convierte
en glucosa-1-fosfato mediante dos enzimas cloroplásticas: la hexosa fosfato isomerasa y la
fosfoglucomutasa. La glucosa-1-P, reacciona con ATP, para formar ADP-glucosa, en una
reacción catalizada por la ADP-glucosa fosforilasa. La ADP-glucosa es una forma activa de
la glucosa que actúa como precursor inmediato de la síntesis de almidón. Finalmente, la
123
124
almidón sintetasa cataliza la formación de nuevos enlaces α-(1,4). De esta manera, se
adiciona una molécula más de glucosa al alargamiento de la cadena. La formación de los
enlaces α-(1-6) mediante los cuales se ligan las ramificaciones características de la
amilopectina, se cataliza mediante la enzima de ramificación que también es conocida
como enzima-Q, de la siguiente forma:
Fructosa-6-P
glucosa- 6-P
Glucosa- 6-P
glucosa- 1-P
ATP+ glucosa-1-P
ADP- glucosa + H2O + PPi
PPi + H2O
2 Pi
ADP- glucosa + α (1- 4)- glucano
ADP + α (1- 4)-glicosil glucano
Aunque una parte del carbono asimilado diariamente se retiene en la hoja para sostener el
metabolismo y el crecimiento de la planta, la mayoría de estos fotoasimilados se exporta
hacia los tejidos y órganos no fotosintéticos, donde son metabolizados directamente o
almacenados para suplir los requerimientos del metabolismo a largo plazo. El transporte de
fotoasimilados en la planta, se denomina translocación y se realiza por la vía del floema, y
la partición del carbono es la distribución de estos fotoasimilados entre los diferentes
órganos de la planta.
La cantidad de almidón en diversos tejidos, depende de innumerables factores tanto
genéticos como ambientales, para su acumulación en las hojas, pero el nivel y la duración
de la luz tienen especial importancia, debido principalmente a que la enzima que cataliza la
formación de ADPG se regula alostéricamente por el Pi que se forma durante la fase
luminosa de la fotosíntesis. La alta iluminación y los días largos favorecen la síntesis de los
almidones.
124
125
La asignación del carbono, es la conversión de fotoasimilados en sacarosa o almidón. Un
factor importante de la formación de almidón en competencia con la formación de sacarosa,
es que las especies cuyo producto principal es la sacarosa, contienen una sacarosafosfato
sintetasa que se activa en presencia de luz. Esta enzima está ausente en las especies
sintetizadoras de almidón. Así mismo, las especies formadoras de almidón, hidrolizan con
menor facilidad la sacarosa que se halla en la vacuola, mediante el uso de invertasas. Por
otro lado, la relación sacarosa acumulada / sacarosa utilizada en la respiración, se controla
mediante un potente efector alostérico de dos enzimas que participan tanto en la fase
glicolítica de la respiración como en la síntesis de sacarosa.
La sacarosa translocada desde las hojas hasta los órganos de almacenamiento como raíces,
tubérculos y para el desarrollo de las semillas, se almacena comúnmente en forma de
almidón. La conversión de sacarosa a almidón está asociada con una reacción inversa de la
síntesis de sacarosa
Sacarosa + UDP
fructosa + UDP-glucosa
Este proceso es explicable porque la ADP-glucosa es más adecuada para la síntesis de
almidón, por lo cual la UDP-glucosa se convierte fácilmente en ADP-glucosa.
UDP-glucosa + PPi
UTP + glucosa-1-fosfato
Glucosa- 1- fosfato + ATP
ADP- glucosa + PPi
La ADP-glucosa resultante se convierte en almidón mediante la acción de la almidón
sintetasa.
Los fructanos son polímeros de fructosa mucho más pequeños que los polímeros de glucosa
del almidón y están formados por entre 3 y unos pocos cientos de unidades de fructosa. Son
muy solubles en agua y se sintetizan y almacenan por completo en las vacuolas. La mayoría
contiene una unidad de glucosa terminal, lo cual indica que se originaron mediante la
adición de unidades de fructosa a la fructosa de una molécula de sacarosa. Existen cuatro
125
126
tipos principales de fructanos: Inulinas caracterizadas por tener enlaces β-2,1 glicosídicos,
levanos, que contienen unidades de glucosa conectados por enlaces β-2,6 glicosídicos, y
existe un fructano sin nombre, común en la planta de trigo que posee ambos tipos de enlace
tanto en la cadena principal, como en las ramificaciones y otro fructano sin nombre, poco
ramificado, identificado en dos especies de la familia Liliaceae.
Figura . Estructura de la inulina, un fructano lineal
Biosíntesis del almidón
El almidón es almacenado en una forma osmóticamente inactiva, como gránulos insolubles
en agua, dentro de los amiloplastos (almidón almacenado) y dentro de los cloroplastos
(almidón transitorio). En yuca, la mayor parte del almidón es almacenado dentro de los
amiloplastos en las raíces tuberosas y su contenido varia entre 73.7% y 84.9% del peso
seco. Los gránulos de almidón tienen forma redondeada, y un tamaño entre 5 y 40 m.
Un paso importante de la biosíntesis del almidón, ocurre dentro del amiloplasto, donde la
adenosin difosfato glucosa pirofosforilasa (AGPasa) cataliza la síntesis de ADP-glucosa a
partir de ATP y glucosa 1-fosfato. Durante el proceso, se produce pirofosfato, el cual es
removido por fosfatasa alcalina, y por esta razón, la reacción es conducida en la dirección
de la síntesis de ADP-glucosa. La ADP-glucosa es la primera molécula de glucosa cuya
función es de glucosil donante para la síntesis de  glucano mediada por varias almidón
sintetasas.
126
127
La sintetasa de almidón (starch synthase, SS), y, principalmente, la sintetasa ligada a los
gránulos de almidón (Granule Bound Starch Soluble, GBSSI), catalizan la conversión de
ADP-glucosa a cadenas lineales de -(1,4)-glucosa (amilosa). Las SS, pueden utilizar
como sustrato in vitro, tanto amilosa como amilopectina.
La amilopectina se forma mediante la acción de la enzima de ramificación de almidón
(Starch Branching Enzyme, SBE), y la sintetasa de almidón soluble (Soluble Starch
Synthase, SSS). La SBE genera sitios ramificados en la molécula de amilopectina mediante
la hidrólisis de las cadenas α-(1, 4) glucano a 15-20 unidades del extremo no reductor.
Cuando cataliza la formación de un α-(1,6), une el extremo reductor de las cadenas
adheridas con otros residuos de glucosa.
Parece ser que la ruta postulada para la biosíntesis de almidón es relativamente simple e
involucra tres enzimas, la AGPasa, la SS y la SBE. Sin embargo, en varias especies se ha
encontrado la participación otras enzimas con varias isoformas. Estas isoformas difieren en
su tejido específico, en el tiempo de expresión, en las propiedades cinéticas y en sus
productos. Se sabe que la existencia de estas isoformas, proporciona a las plantas la
habilidad de ajustar el proceso de formación del almidón, dependiendo de las condiciones
predominantes y de la etapa de crecimiento.
Genes y enzimas involucradas en la síntesis del almidón
ADP- glucosa pirofosforilasa
Las AGPasas se encuentran en las plantas en forma de proteínas heterotetraméricas (ca.
210-240 kDa) compuestas de dos subunidades pequeñas (ca. 50-55 kDa) y dos grandes (ca.
51-60), cuyo tamaño depende de la especie. Estas subunidades también son llamadas
AGPasa B y S respectivamente, por los loci brittle y shrunken en maíz, y son codificadas
por diferentes genes con una fuerte especifidad en su perfil de expresión. Por ejemplo,
127
128
algunos se expresan sólo en hojas, otros en raíces o en el endospermo, como en el trigo y la
cebada. El análisis de mutantes ha mostrado que tanto las subunidades grandes como las
pequeñas son necesarias para la actividad completa de la enzima. Aparentemente, las
subunidades grandes juegan un papel regulador y las pequeñas un papel catalítico.
Parece ser que la actividad de la enzima AGPasa es el factor más importante para establecer
la tasa de acumulación de almidón. Sin embargo, los estudios en mutantes han mostrado
que la inactivación del gene de la subunidad grande, no sólo reduce el nivel de almidón,
sino también aumenta el contenido de amilopectina.
La mayoría de AGPasas son reguladas alostéricamente y se activan en presencia del ácido
3-fosfoglicérico (3-PGA), mientras que el orto-fosfato (Pi), inhibe su actividad. La
sensibilidad a estos metabolitos se ha demostrado tanto en tejidos fotosintéticos como en
no fotosintéticos.
Sintetasas de almidón (Starch Synthases, SS)
Las sintetasas de almidón pueden ser divididas en dos grupos de acuerdo con su
localización: la enzima GBSS [sintetasa del almidón soluble ligado al gránulo (Granule
Bound Soluble Starch Synthase], se encuentra firmemente confinada a los gránulos de
almidón, mientras que la SSS [sintetasa del almidón soluble (Soluble Starch Synthase)] se
localiza en el estroma de los amiloplastos y cloroplastos bajo una forma soluble.
Enzima de ramificación del almidón (Starch Branching Enzyme, SBE)
La ramificación es catalizada por la enzima SBE, y las ramas se forman con una
periodicidad promedio de 20 glucanos. Ocurre en múltiples isoformas en varias especies, y
en yuca se encuentra una isoforma similar en un 70-75% a SBE-I, constituida por 852
aminoácidos, y una masa molecular de 88.7 kDa, con elevada expresión en las raíces.
La actividad de SBE es importante para la calidad y cantidad de almidón, y su ausencia
ocasiona baja cantidad de amilopectina, bajo nivel de almidón y mayor cantidad de
azucares.
128
129
A primera vista, la biosíntesis del almidón parece requerir solamente 3 enzimas: la ADP
glucosa pirofosforilasa, la almidón sintetasa y la enzima de ramificación. Sin embargo, las
variadas isoformas de estas enzimas pueden combinarse para producir almidones con
propiedades muy diferentes, algunas de las cuales han probado su utilidad industrial; por
ejemplo, almidones que se usan en el papel, en tableros de fibra, pinturas, empaques,
bioplásticos y en varios alimentos. La manipulación de estas enzimas mediante
modificación genética, puede conducir a la producción de moléculas específicas de almidón
diseñadas para distintos usos industriales.
Figura XXX: Respuesta de la fotosíntesis foliar a los cambios en la humedad del aire en
plantas de yuca cv. M Col 88 cultivadas en potes de 40 L. Los potes se dejaron libres
alaintemperie durante el periodo de crecimiento, y las plantas se regaron según su
necesidad. El suelo se cubrió con plástico para evitar el agua de lluvia, 33 días luego de
sembrarlas. El intercambio gaseoso, se midió en con un analizador de gases infra-rojo
multicanalen hojas jóvenes completamente expandidas, bajo flujo de fotones saturante, en
condiciones controladas de laboratorio. Fuente:El-Sharkawy y Cock, (1984).
.
129
130
130
131
FiguraXXX: Respuestade la fotosíntesis foliar (a), transpiración (b), de la conductancia
foliar al vapor de agua y (c) a los incrementos gradualesen el déficit de presión de vapor
(DPV),en yuca cv. M Col 90. Fuente: El-Sharkawy y Cock (1984).
131
132
132
133
Figura 3: (a) Respuesta de la fotosíntesis foliar de yuca cv. Mcol 1684 cultivada bajo aire
húmedo en campo, a los cambios en la humedad atmosférica producidos por aspersores de
alta presión. Fuentes : Cock et al.(1985, El-Sharkawy y Cock (1986). (b)Rendimiento en
materia seca de raíces almacenadoras, cosechadas periódicamente luego de 3,6 y 9 semanas
después de los tratamientos de humidificación.(c) Respuesta de la eficiencia foliar al DPV
en yuca cultivada en clima cálido sub-húmedo de altitud mediaLas diferencias entre grupos
de plantas, ilustran la diversidad genética del germoplasma de yuca en la respuesta a los
cambios en la humedad atmosférica. Fuentes: El-Sharkawy, et al(2004) (no publicado).
FiguraXXX. Respuesta de la tasa de fotosíntesis neta(Pn) de yuca M Col 2059 a la
irradiancia(PAR). (∆) Hojas desarrolladas en clima frío (●) Hojas desarrolladas en clima
frío y aclimatadas luego en clima cálido durante 1 semana; (๐) Hojas desarrolladas de
nuovo.
133
134
Santander de Quilichao
Dry root yield (Kg m-2 )
2
-2
Yield (Kg m ) = - 0.54 + 0.06 PN
r = 0.853 (P< 0.001) r2 = 0.73 (P< 0.001)
1
Santo Tomas
Riohacha
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Pn [µmol(CO2 ) m-2 s-1 ]
Santander de Quilichao
Dry root yield (Kg m-2 )
2
-2
Yield (Kg m ) = 3.03 - 9.58 Internal CO2
2
r = 0.90 (P< 0.001) r = 0.81 (P< 0.001)
1
Santo Tomas
Riohacha
0
100
150
200
250
300
350
400
-1
Internal CO2 (µmol mol )
Figura XXX: (Arriba): Relación entre el rendimiento de raíces secas y la fotosíntesis de las
hojas superiores del dosel de yuca. (Abajo): Relación entre el rendimiento de raíces secas y
elCO2 foliar intercelular, para grupos de genotipos cultivados en ambientes cálido húmedo
(Santander de Quilichao, Cauca, Colombia), estacionalmente seco (SantoTomas, Atlántico,
Colombia), y semiárido (Riohacha, Guajira, Colombia). Fuente: El-Sharkawy et al (1993),
De Tafur el al (1997b), De Tafur, (2002) y and De Tafur y El-Sharkawy, (no publicado).
134
135
18
-1
Dry root yield (t ha )
16
14
12
10
8
y=2.34 + 6.07x
r=0.65 (p=0.001)
6
4
0
1
2
LAI
Figura XXX. Relación entre el rendimiento en peso seco final de raíces de 30 clones
selectos de germoplasma de yuca y el promedio estacional de Índice de Área Foliar (LAI).
Fuente : Informe anual CIAT (1995).
Figura 8. Rendimiento en peso seco de raíces de un grupo selecto de clones, luego de un
período de estrés de 3 meses, iniciado 90 días después de siembra.El rendimiento
135
136
disminuyó significativamente al final del periodo de estrés, pero se recuperó
rápidamentedespués de riego.Fuentes:(El -Sharkawy (2004), CIAT Informe anual (1992).
Figure 9. Detección inmunológica de fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEPC) en extractos
foliares. Arriba a la derecha, doble inmunodifusión: Pozos 1, 3, y 8, para fríjol; 2, 4, y 5,
para PEPC purificada de maíz; 6, para extracto foliar de yuca cv. M Col 22; y 7, para maíz.
Pozo AB= antisuero con anti-PEPC. Abajo derecha, inmunoelectroforesis en gel de agarosa
1.2%, pozo 9, para PEPC purificada de maíz, y 10 para extracto foliar de yuca M Col 22,
AB= antisuero con anti-PEPC de maíz. Notar las aparentes dos formas isoenzimáticas de
PEPC.A la izquierda, detección específica de la actividad de PEPC en extracto foliar de
maíz, yuca cv. MCol 22, y fríjol, en electroforesis sobre gel de poliacrilamida no
desnaturalizante del 6.0%, revelado con Fast-VioletBB, colorante específico para
oxalacetato. Fuente: El-Sharkawy, De Tafur, López (2008, in press).
136
137
FiguraXXX. Southern blot de ADN de tejido foliar de yuca digerido con BamHI e
hibridizado con una sonda de pepc de maíz. Notar los grados variables de hibridización del
germoplasma de yuca y de la yuca silvestre Manihot grahami con la sonda de pepc.
Fuentes: CIAT InformeAnual (1993,1994) y J. E. Mayer, M. A. El-Sharkawy, R. M. de
Estefano, F. A.Tenjo (no publicado).
137
138
Figura XXX . Efecto del estrés por deficiencia hídrica durante el crecimiento, sobre la
fotosíntesis foliar en la parte superior del dosel de varios genotipos de yuca. Notar la
disminución progresiva de la fotosíntesis en el tiempo, debida al estrés, la recuperación en
las hojas viejas, luego de finalizar el estrés, y las tasas de fotosíntesis consistentemente altas
en las hojas desarrolladas de nuovo, en los cultivos estresados previamente.Se observan
aparentes diferencias enre el germoplasma.Fuente: Informe Anual CIAT (1991).
138
139
Figura. Genotipo de yuca cultivado en un sitio semidesértico del nordeste brasileño,
mostrando la sostenibilidad del dosel en condiciones de estrés hídrico prolongado.
Fuente: El-Sharkawy(1993).
TablaXXX . Fotosíntesis neta foliar (Pn) de yuca cultivada en campo en Santander de
Quilichao, (Cauca, Colombia), (clima cálido subhúmedo). Las máximas tasas
fotosintéticas se obtuvieron durante períodos de alta humedadatmosférica, en las
hojas superiores del dosel. Notar que los valores de Ci/Ca son comparables a los
de las especies C4, y mucho menores que los de las species C3,resultado que
indica, que la alta capacidad fotosintética de la yuca, puede expresarse sólo en
ambiente cercanos al óptimo. En este grupo de genotipos, la Pn estacional
promedia, se correlacionó al final con el rendimiento de raíces en el
campo.Fuentes: Base de Datos de la Unidad de Fisiología de Yuca del CIAT, y
El-Sharkawy et al.(1992 a, 1993).
Genotipo
Pn máxima
Ci / Ca
Pn estacional promedia
(n = 6)
(n = 6)
(n = 30)
µmol CO2 m-2 s-1
µmol CO2 m-2 s-1
CG 996 -6
49.7
0.37
33.8
M Bra 191
47.4
0.37
35.5
CM 4864 – 1
45.1
0.39
34.0
139
140
CM 4145 – 4
43.9
0.40
31.7
CM 3456 – 3
43.7
0.43
31.9
CM 507 – 37
43.7
0.38
28.7
CM 4716 – 1
43.6
0.42
31.8
M Col 1684
43.0
0.42
30.9
CM 4575 – 1
42.8
0.39
33.2
CM 4617 -1
42.8
0.46
31.4
CM 523 – 7
42.3
0.45
30.1
M Col 1468
42.3
0.44
30.3
CM 4701 – 1
42.2
0.45
30.9
CM 4711 – 2
41.3
0.45
30.9
CG 927 – 12
39.3
0.43
26.2
Promedio de todos los
43.5
0.42
31.4
1.70
0.08
1.80
genotipos
LSD (0.05)
Ci/Ca = CO2 intercelular dividido por CO2 atmosférico. Esta relación se usa comúnmente para
diferenciar especies vegetales con base en su capacidad fotosintética: Entre más baja sea, más
alta será su capacidad.
140
141
Tabla XXX. Fotosíntesis neta foliar (Pn)(µmol CO2 m-2s-1), conductancia estomática
(mmol m-2 s-1) y CO2 interno (µmol CO2 mol-1), medidos en las hojas de la parte
superior del dosel,de algunos genotipos de yuca con capacidad fotosintética
relativamente alta, cultivados a 1800 m de altitud en un sitio frío sub-húmedo
(Cajibío, Cauca, Colombia).Notar que cuando se comparan las tasas más altas de
Pn, los valores más bajos de conductancia estomática y de CO2internoeneste grupo
de genotipos, con los promedios del ensayo, se puede observar la importancia de los
factores no estomáticos (bioquímicos/anatómicos),cuando se ha seleccionado para
incrementar la capacidad fotosintética. Fuente: Base de Datos de la Unidad de
Fisiología de Yuca del CIAT, e Informe Anual CIAT (1994).
Clon
Conductancia
Pn
CO2 interno
estomática (mmol
CO2 m-2 s-1)
SM 1061-1
17.3
196
98
SM 526-12
16.7
320
154
SM 1054-4
16.6
225
114
M Per 501
16.4
391
166
SM 1053-9
15.7
225
122
las accessiones (n=107)
12.3
312
183
LSD 5%
1.3
32
14
Promedio de todas
141
142
Tabla XXX . Fotosíntesis foliar neta (Pn) (µmol CO2 m-2 s-1) en las hojas superiores del dosel de
plantas de yuca de la colección élite de germoplasma del CIAT, cultivadas en Santander de
Quilichao (Cauca, Colombia), medida 5-6 meses después de siembra (Promedio de 7-11
medidas, tomadas durante un período de sequía). Compare estos mayores valores de Pn
obtenidos en un hábitat cálido sub-húmedo, con los obtenidos en el hábitat frío sub-húmedo
registrados en la tabla XXEl genotipo M Mal 48, accesión procedente de Malasia, alcanzó la
más alta tasa de Pn y el mayor rendimiento en peso seco de raíces en este ensayo. Fuente: Base
de Datos de la Unidad de Fisiología de Yuca del CIAT, e Informe Anual CIAT (1994).
Genotipo
Pn
Genotipo
Pn
M Mal 48
27.6
M Tai 1
24.4
M Bra 900
27.6
M Pan 51
24.3
M Bra 12
26.8
M Bra 383
24.2
M Bra 191
26.7
M Ind 33
24.1
M Mal 2
26.4
CM 849-1
23.6
HMC – 1
26.0
M Col 1684
23.4
MCol 1468
25.8
M Mex 59
23.2
MCol 2061
25.4
M Ven 25
23.2
M Gua 44
25.4
M Bra 885
23.1
M Chn 1
25.3
M Cub 51
22.8
M Col 22
25.1
M Col 2215
22.3
M Arg 13
25.0
M Cub 74
22.3
M Ven 45A
24.8
M Per 205
22.0
M Col 1505
24.8
M Ptr 19
21.3
M Bra 110
24.6
M Ecu 82
21.0
LSD (5%)
4.8
142
143
Tabla XXX. Actividad de PEPC en extractos foliares.Los valores son promedios de 4 hojas ±
desviaciones estándar. Notar que el valor en yuca, es mucho mayor que el de frijol, (especie C3),
y que la actividad en las Manihot silvestres, son muy altas (cerca de 30-40% de la del maíz,
(especie C4).En un grupo de genotipos cultivados bajo estrés hídrico prolongadoen el campo, Pn
se correlacionó significativamente con las actividades de PEPC medidas en las mismas hojas
donde se midió la Pn(El-Sharkawy 2004), lo cual muestra la importancia de seleccionar, para
fitomejoramiento, genotipos con elevada actividad de PEPC.También es valioso resaltar que las
Manihotsilvestres, poseen un tejido de empalizada corto adicional entre las dos superficies
foliares, y numerosos estomas en ambas superficies foliares, dos rasgos ventajosos para
incrementar la fotosíntesis.Fuente: El-Sharkawy, Y. López, L. Bernal, 2008).
Especie
Actividad PEPC
µmol NADH
gPF-1 min-1
mg chl-1min-1
Maíz (cv. CIMMYT 346)
15 ± 1.8
7 ± 3.6
Fríjol común (cv. Calima G4494)
0.2 ± 0.07
0.3 ± 0.1
M Mex 59
3.2 ± 0.6
2.2 ± 1.0
M Nga 2
1.3 ± 0.1
0.4 ± 1.0
Manihot grahami
4.0 ± 0.9
2.8 ± 1.2
Manihot rubricaulis
5.8 ± 0.6
3.4 ± 1.3
Yuca:
Especies silvestres:
143
144
TablXXX 8. Actividades de algunas enzimas fotosintéticas en extractos foliares de varios genotipos de yuca cultivadosa en un
lisímetro, luego de un período de estrés hídrico de 3 semanas, iniciado 3 meses despés de siembra, en Santander de
Quilichao (Cauca, Colombia). Valores de actividad promedio de 4 hojas ± SD; en µmol NADH mg chl-1 min-1. Notar la
reducción de actividad mucho mayor en la enzima C3 Rubisco en comparación con la enzima C4 PEPC, en las hojas
desarrolladas antes de comenzar el período de estrés.Fuente: Base de Datos de la Unidad de Fisiología de Yuca del CIAT,
y Y. Lopez y M. A. El-Sharkawy, (no publicado), y CIAT Informe anual(1993).
No estresado
Genotipo
PEPC
Rubisco
Estresado
NAD-ME
PEPC
PEPC
Rubisco
NAD-ME
Rubisco
PEPC
Rubisco
CM 4013-1
0.37 ± 0.60
0.31 ± 0.05 0.40± 0.06
1.19
0.31 ± 0.03
0.41 ± 0.09
0.19 ± 0.05
0.76
CM 4063-6
0.57 ± 0.06
3.72 ± 0.11 0.39 ± 0.06 0.15
0.41 ± 0.04
1.69 ± 0.10
0.17 ± 0.09
0.24
SG 536-1
0.67 ± 0.05
0.39 ± 0.20 0.55 ± 0.18 1.72
0.57 ± 0.12
0.81 ± 0.20
0.39 ± 0.50
0.70
M Col 1505
0.45 ± 0.01
1.18 ± 0.08 0.16 ± 0.02 0.38
0.49 ± 0.10
0.49 ± 0.12
0.29 ± 0.06
1.00
% de
cambio
debido al
estrés.
0.51
1.4
0.38
0.86
144
0.45
0.85
0.26
0.68
-12
-39
-32
-21
145
Tabla XXX. Actividades de algunas enzimas fotosintéticas en extractos foliares de genotipos de yuca
cultivados en lisímetro y afectados por un periodo de estrés de 8 semanas iniciado 3 meses después de
siembra en Santander de Quilichao (Cauca, Colombia).Valores de actividad promedio ± SD,
expresados en µmol NADH mg chl-1min-1. Notar la gran reducción de la actividad de Rubisco (enzima
C3) en comparación con la de PEPC, (enzima C4), en hojas desarrolladas bajo estrés, lo cual da como
resultado una mayor relación PEPC/Rubisco. Fuente:Base de Datos de la Unidad de Fisiología de
Yuca del CIAT, Y. López y M. A. El-Sharkawy, (Datos no publicados), e Informe Anual CIAT
(1993).
No estresado
Clon
PEPC
Estresado
Rubisco
PEPC
PEPC
Rubisco
Rubisco
PEPC
Rubisco
CM 4013-1
0.86 ±0.12
0.28 ±0.10
3.10
1.18 ±0.17
0.30 ±0.01
3.9
CM 4063-6
0.89 ±0.05
2.30 ±0.03
0.39
1.42 ±0.26
0.62 ±0.02
2.3
SG 536-1
1.46 ±0.42
0.44 ±0.12
3.30
1.33 ±0.22
0.25 ±0.08
5.3
M Col 1505
1.09 ±0.10
0.57 ±0.13
1.90
0.96 ±0.16
0.89 ±0.14
1.1
Avg
1.08
0.9
2.2
% de cambio debido al estrés
145
1.22
0.52
3.2
+13
-42
+45
146
Tabla XXX . Actividades de algunas enzimas en extractos foliares de genotipos de yuca
cultivados en Santander de Quilichao(Cauca, Colombia).Valores promedio de 4
hojas ± SD. Notar el amplio rango de variación genética en las actividades
enzimáticas, que puede ser utilizado en la selección y fitomejoramiento para
incrementar la fotosíntesis y la productividad. Es notable que el genotipo MCol
1486 (o CMC 40), alcanzó las mayores actividades tanto de Rubisco, como de
PEPC, y el mayor rendimiento en raíces bajo estrés hídrico terminal prolongado.
Fuente: Base de Datos de la Unidad de Fisiología de Yuca del CIAT, Lopez et al.
(1993)e Informe Anual CIAT (1992).
Actividades (µmol NADH mg chl-1 min-1)
Clon
PEPC
Rubisco
NAD-ME
NADP-ME
PEPC/Rubisco
CM 523 –
7
1.57 ± 0.10
3.62 ±0.62
1.84 ± 0.1
0.41 ± 0.04
0.43
CM 507-37
1.91 ± 0.10
6.84 ± 0.66
1.37 ± 0.4
0.46 ± 0.18
0.28
M Col
1684
2.90 ± 0.19
6.96 ± 1.18
2.05 ± 0.6
0.36 ± 0.03
0.42
M Col
1468
3.07 ± 0.27
8.16 ± 0.71
1.84 ± 0.6
0.24 ± 0.05
0.38
Ingeniería genética y mejoramiento de plantas con metabolismo C3 y C4
El incremento de la producción agrícola en el mundo en los pasados 50 años en el mundo
no ha tenido precedentes. Estos cambios en la productividad agrícola han ocurrido como
consecuencia de cambios que pueden tipificarse así:
1. La era mecánica (1920 al presente) paralela al desarrollo de la ingeniería de la
combustión interna.
2. La era de los fertilizantes (1930 hasta el presente) comenzó a afectar la agricultura
desde el siglo 19 pero no tuvo mayor impacto hasta cuando no ocurrió un excedente
de nitrógeno combinado químicamente debido a que las plantas de explosivos
fueron reconvertidas para la producción de fertilizantes químicos después de la
Segunda Guerra Mundial.
146
147
3. La era de la genética y el mejoramiento vegetal empezó con Mendel pero no tuvo
un real impacto en la agricultura sino hasta el desarrollo del maíz híbrido y el
mejoramiento de la productividad del suelo mediante la fertilización (1930 hasta el
presente). No fue sino hasta cuando los suelos fertilizados permitieron a las plantas
expresar su potencial genético, que los mejoradores pudieron separar fácilmente las
plantas más productivas de las menos productivas.
4. La era química (desde la mitad de los años 40 hasta el presente), empezó luego del
descubrimiento del 2-4,D y el DDT. Con el uso de herbicidas, insecticidas y
fungicidas, los agricultores aumentaron la producción año tras año, en la misma área
de suelo.
5. La era de la informática (1980 hasta el presente), empezó a afectar la agricultura en
los años 80 con la accesibilidad a los computadores baratos.
6. La era de la genética molecular (de los años 80 hasta el presente) que puede ofrecer
a los agricultores nuevas alternativas para el crecimiento de los cultivos.
Estos cambios en la producción agrícola han sido denominados colectivamente como
“Revolución Verde”, término acuñado por Norman Borlaug (Premio Nobel de la Paz 1970).
El incremento en la producción fue tal, que se pudo alimentar una población mayor (de
cerca de 2000 millones a más de 6000 millones), casi con la misma extensión de tierra
cultivable. Un ejemplo de ello es la India, que empezó a ser autosuficiente
alimentariamente a partir de la implementación de la tecnología agrícola desarrollada
durante la Revolución Verde, y ahora es exportadora de trigo. Similares efectos han
ocurrido en cultivos como el maíz, arroz, algodón, sorgo y caña de azúcar. La investigación
agrícola se ha encaminado hacia el desarrollo de esquemas productivos cada vez más
eficientes. Por ejemplo, en las últimas 7 décadas el mejoramiento convencional ha
producido un gran número de variedades e híbridos que han contribuido inmensamente a
aumentar el rendimiento de granos, la estabilidad de las cosechas y los ingresos de los
agricultores.
147
148
A pesar de que la producción mundial de alimentos se ha más que triplicado en las últimas
3 décadas, la llamada “Revolución Verde” no ha solucionado el problema de desnutrición
crónica de cientos de millones de personas agobiados por la pobreza alrededor del mundo.
No obstante, ha habido importantes logros en la resistencia a enfermedades e insectos y en
la tolerancia a un amplio rango de estreses abióticos, especialmente a las toxicidades del
suelo.
Hasta hace poco, se venia asumiendo de manera general que el incremento en el
rendimiento genético potencial en plantas es controlado por un gran número de genes, cada
uno con pequeños efectos aditivos. Sin embargo, la investigación científica en años
recientes, muestra que el rendimiento puede ser también el resultado de la expresión de los
“genes maestros” que afectan directa o indirectamente la interacción de muchos procesos
fisiológicos involucrados en él.
Los partidarios de la agricultura convencional pueden estar satisfechos con las ganancias en
productividad, pero deben tener en cuenta los costos ambientales inherentes al aumento en
la productividad de los cultivos. La utilización de la ingeniería genética y la biotecnología
puede hacer posible el logro de sistemas productivos de menor impacto ambiental, en un
futuro no muy lejano.
Aunque los conceptos relacionados con la agricultura sustentable han sido difíciles de
definir, se pueden resumir tentativamente como un sistema integrado de producción de
plantas y animales que tienen aplicaciones específicas a largo plazo tales como
1. Cubrir las necesidades de alimentación y fibras
2. Incremento de la calidad ambiental y de la base de recursos naturales de las cuales
depende la economía agrícola.
3.
Hacer un uso eficiente de los recursos no renovables y los recursos propios de las
explotaciones e integrarlos donde sea apropiado dentro de los ciclos biológicos
naturales y sus controles
4. Sostener la viabilidad económica de las operaciones en la explotación agrícola y
5. Incrementar la calidad de vida de los agricultores y de la sociedad entera.
148
149
La población mundial se nutre básicamente a partir de 30 especies vegetales, entre ellas, el
arroz, el maíz, el trigo, la cebada, la papa y el fríjol. El arroz, por ejemplo, es el alimento de
sostenimiento para cerca de la mitad de una población mundial de 6 mil millones de
habitantes, lo cual lo convierte en un objetivo clave de la ingeniería genética para la
obtención de variedades mejoradas con miras a alimentar una población creciente. Según
las actuales proyecciones, para el año 2020, se requerirá un incremento en el rendimiento
por hectárea de alrededor del 40 % con respecto al actual.
En el presente, los agricultores tienen una producción anual extra de arroz sin trillar (paddy)
de 6.7 millones de toneladas, utilizando menos área de suelo, menos agua y con los actuales
niveles de fertilización. Considerando el hecho de que la actual producción mundial de
arroz es de 590 millones de toneladas por año, el incremento anual sería levemente superior
al 10%, pero los programas de mejoramiento convencional ofrecen incrementos poco
considerables. Sin embargo, la introducción de genes específicos de la fotosíntesis de maíz
en el metabolismo de algunas variedades de arroz, lograda en el Instituto Nacional de
Recursos Agro Biológicos de Japón, ha producido incrementos en el rendimiento superiores
al 35 %.
Las investigaciones fisiológicas y genéticas básicas sobre la productividad vegetal muestran
que el potencial de rendimiento es aún alto y no está totalmente explotado. El rico acervo
genético de las plantas no se ha utilizado para obviar eficientemente las dificultades
asociadas a los factores limitantes de la productividad de los cultivos.
Entre los factores limitantes del rendimiento, se encuentra en primer lugar la fotosíntesis,
cuya eficiencia es extremadamente baja, si se tiene en cuenta que en la mayoría de los
cultivos alcanza únicamente un máximo del 1 al 3 %. Aún más, en los genotipos cultivados
de plantas como el trigo, el algodón y otros, se alcanzan tasas de fotosíntesis más bajas que
las de los genotipos silvestres a partir de los cuales han sido obtenidos. Sin embargo, la
productividad de tales cultivos se ha elevado mediante el incremento del área foliar, y los
cambios en la relación entre las biomasas de los órganos reproductivos y los órganos.
vegetativos (relación fuente-vertedero) y el mejoramiento de otras propiedades
morfológicas como la altura de planta y el ángulo de inserción del follaje.
149
150
Es evidente que el fitomejoramiento no se ha inclinado especialmente hacia el aparato
fotosintético, y la búsqueda selectiva masal ha sido dirigida hacia las propiedades
morfológicas y rasgos de valor agronómico, donde se le presta mucha atención al tamaño
de los órganos de almacenamiento y al número y tamaño de mazorcas, copos y tubérculos,
o sea, que se estimula la capacidad de almacenamiento, lo cual da como resultado el
aumento del rendimiento agronómico, el cual está limitado por las características del
potencial fotosintético. En las variedades e híbridos promisorios obtenidos recientemente,
se puede observar un desequilibrio entre el número y tamaño de los órganos vegetales
económicamente valiosos y la posibilidad de proveerlos de productos provenientes del
aparato fotosintético.
Este desbalance entre la acumulación y repartición de los asimilados fotosintéticos produce
la inmadurez de las semillas, la caída de ovarios y frutos, la disminución en el contenido de
azúcares y proteínas, y otros desórdenes. Correlativamente, un excesivo aumento en la
capacidad de almacenamiento puede provocar, por retroalimentación negativa, una
disminución en la actividad del aparato fotosintético a causa del transporte del nitrógeno
desde las hojas hacia otros órganos, lo cual ocasiona una senescencia prematura.
De lo anterior, se puede concluir que las bajas eficiencias fotosintéticas se han convertido
en un cuello de botella que impide el incremento de la productividad. El desarrollo de
métodos de regulación de la fotosíntesis y el incremento en la eficiencia de utilización de la
energía solar hasta niveles del 3 al 5%, son las actividades más promisorias para lograr un
alto rendimiento de los cultivos.
La experiencia en la obtención de variedades altamente productivas sobre la base de la
moderna tecnología agrícola, muestra que las posibilidades de aumento del rendimiento
mediante la mejor utilización del agua, los fertilizantes, la energía lumínica y otros factores
de la producción, están relacionadas con la optimización de la estructura de la cubierta
foliar y con el mejoramiento del aparato fotosintético sobre bases genéticas y fisiológicas.
Se calcula que un incremento del 3 al 5% en la utilización de la radiación
fotosintéticamente activa hará posible alcanzar rendimientos habituales del órden de 15 ton
ha-1 en maíz, 10 ton ha-1 en trigo de invierno y 8 ton ha-1 de semilla de algodón.
150
151
Aunque la relación entre fotosíntesis y rendimiento es muy compleja y se encuentren datos
contradictorios en la literatura acerca de la correlación entre estas dos variables,
la
ausencia de una correlación directa entre ellas en la mayor parte de los casos, se explica
probablemente porque el rendimiento depende del valor de la tasa de asimilación neta
(TAN), la cual depende, no sólo de la tasa fotosintética sino del tamaño de la superficie
foliar, la duración del período vegetativo, la estructura y duración de la cubierta foliar, de la
respiración oscura y la fotorrespiración, y de la partición y translocación de los
fotoasimilados.
El incremento del potencial de rendimiento de los cultivos podría depender del incremento
en la biomasa cosechada. Esto implica la obtención de mayores tasas de actividad del
dosel fotosintético y el incremento en la eficiencia de la conversión de la radiación. La
conversión de la radiación puede ser definida en términos de materia seca producida por
unidad de Radiación Fotosintéticamente Activa interceptada (PAR). Un incremento en neto
este factor puede lograrse en el dosel, con un incremento de la fotosíntesis por unidad PAR
interceptada. El incremento absoluto de PAR interceptado depende del arreglo angular de
las hojas y del índice de área foliar. En el caso del arroz donde la PAR es generalmente alta,
el incremento en la producción de asimilados dependerá en mayor medida del aumento de
la fotosíntesis en la lámina foliar.
La tasa fotosintética está determinada por la conjunción de factores como:
1. Capacidad fotosintética medida en términos de la cantidad de proteínas relacionadas
con la fotosíntesis.
2. Eficiencia en la captación y utilización de los principales insumos (niveles de CO2
en el aire, intensidad de la luz solar).
3. Factores externos como la temperatura y la disponibilidad de agua.
4. Translado de los carbohidratos producidos en la hoja hacia las zonas de crecimiento.
5. Mecanismos reguladores que ajustan la actividad fotosintética
máximo de la capacidad.
151
por debajo del
152
Cada uno de esos factores interactúa de manera diferente dependiendo de las condiciones
climáticas y del estado de desarrollo de la planta.
El fitomejoramiento ha usado los avances de la biología celular durante años. Actualmente
el principal interés de los investigadores es involucrar los avances de la biología molecular
y la biotecnología en los programas de mejoramiento, especialmente los que conciernen a
los aspectos de la biología molecular y la biotecnología comúnmente llamados “ingeniería
genética”.
La ingeniería genética puede operar en 3 niveles básicos de complejidad en las plantas:
1. La introducción de un gen extraño que se expresa en todo momento y en todos los
órganos
2. Introducción de genes de control que funcionan durante los estados o épocas
específicas de desarrollo.
3. Inserción de genes para caracteres múltiples.
La mayor parte del trabajo en ingeniería genética, actualmente se confina al primer nivel; el
conocimiento es todavía demasiado limitado para manejar el segundo y tercero, y se
requiere mucha investigación básica antes de poder implementar los últimos dos niveles, y
es en ellos, en los cuales se espera el logro de los mayores progresos.
La reciente aplicación de la tecnología del ADN recombinante al metabolismo de la planta
ha sido un avance considerable para la comprensión de la regulación de la fotosíntesis.
Mediante la alteración de los niveles y propiedades de las enzimas clave de la fotosíntesis
en plantas transgénicas C4, se ha logrado la comprensión de la regulación y demás
mecanismos de la fotosíntesis, y con la introducción de genes transgénicos, se ha avanzado
en el conocimiento de la expresión de los genes C4 en células específicas. Otra alternativa
es el análisis de las consecuencias de la transferencia de genes específicos de C4 a plantas
transgénicas C3.
En plantas transgénicas de tabaco transformadas con genes Ppc1-C4 de maíz que contienen
una región reguladora contracorriente (cerca de 2 kb), se obtiene bajo nivel de transcriptos.
152
153
Estos transformantes poseen un incremento del doble en la actividad de PEPC con respecto
al tabaco normal, que se correlaciona con la aparición de una forma C4 de la enzima con
alta Km(PEP) y un elevado contenido de malato foliar. Sin embargo, estos cambios
bioquímicos no dan como resultado ningunos efectos fisiológicos con respecto a la tasa de
fotosíntesis neta en el aire ni con respecto al punto de compensación de CO2.
Las plantas transgénicas de tabaco transformadas sea con genes PEPC-C4 procedentes de
sorgo o con constructos quiméricos que contienen el promotor del gene C4 de maíz
fusionado con el gene reportero gusA, muestran una alta expresión de transcriptos y de
especificidad de las células del mesófilo foliar. Recientemente se han obtenido resultados
iguales en arroz transgénico mediante la misma estrategia experimental.
Algunas plantas transgénicas de tabaco también han expresado constructos que contienen
varias partes de la región flanqueadora 5’ de los genes PpcA1 tipo C4 tanto de especies C3
como C4 del género Flaveria. En este sistema heterólogo, solamente el promotor Ppc-C4 de
las especies C4 confiere un alto nivel de expresión del gene reportero, mostrando de este
modo que contiene elementos cis reguladores responsables de una expresión abundante.
Parece que la mayoría de los elementos reguladores que controlan la expresión de Ppc
inducible por la luz en las hojas de plantas C4, también se encuentran en las plantas C3. Por
otro lado, aunque el promotor Ppc específico de las plantas CAM proveniente del gene de
M. crystallinum es altamente activo en plantas transgénicas de tabaco, y dirige la síntesis de
transcriptos en la mayoría de los tipos celulares, carece de la inducibilidad por sales que
ocurre en su ambiente celular natural. Finalmente, en sistemas homólogos de expresión
transitoria que usan protoplastos de maíz derivados de tejidos de hoja, tallo y raíz, el patrón
de expresión celular específico depende en gran parte del promotor específico Ppc que se
utilice. En este sistema, la acumulación de transcriptos no es inmediata sino más bien se
relaciona con los cambios en el desarrollo dependientes de la luz, en comparación con lo
que sucede con otros genes fotosintéticos. Esta última observación, ha conducido a la
sugerencia de que hay distintas rutas de transducción que operan durante el proceso de
coordinación de los genes dependientes de la luz que codifican para las enzimas
fotosintéticas.
153
154
Las plantas CAM (Metabolismo Ácido de las Crassuláceas)
Figura XXX. Esquema general del Metabolismo Ácido de las Crassuláceas (CAM)
154
155
Figura XXX. Ejemplos notables de plantas CAM: (1) Catleya trianae (Orchidiaceae), (2) Aloe vera
(Liliaceae), (3) Opuntia sp. (Cactaceae) (4) Agave americana (Agavaceae) (5) Kalanchoe beharensis
El metabolismo ácido de las crassuláceas (CAM), representa una variante de la asimilación
fotosintética del CO2 que ocurre en las plantas suculentas, principalmente en las
crassuláceas (en las cuales fue descubierto), bromeliáceas, cactáceas y agaváceas. El
nombre asignado, se relaciona con el hecho de en estas plantas, durante la noche, se
produce una acumulación de ácidos orgánicos en las
grandes vacuolas del mesófilo,
haciendo que el pH del jugo celular descienda fuertemente (pH~3), como consecuencia de
los siguientes hechos:
Esta vía metabólica, es semejante a la vía C4 porque en las plantas CAM también, se
producen dos carboxilaciones. Sin embargo, en la vía fotosintética CAM, la separación de
los dos carboxilaciones no es espacial, como ocurre en las plantas C4, sino temporal, así:

Fijación nocturna de CO2. Esta primera fase ocurre en la noche (vía de 4 carbonos),
cuando tienen los estomas abiertos. A través de ellos, la planta capta el CO2
atmosférico y mediante la primera carboxilación mediada por la fosfoenolpiruvato
carboxilasa,lo incorpora al fosfoenolpiruvato (PEP), que se transforma en oxalacetato (OAA) con la liberación de un Pi; el oxal-acetato formado por la fijación de
CO2, es reducido a malato en el citosol mediante la NAD-malato deshidrogenasa. El
malato es transferido, con gasto de energía, a las vacuolas, donde se va acumulando
como ácido málico y es almacenado, provocando que el contenido vacuolar sea muy
ácido (pH ~3) durante la noche.

Con la salida del sol, los estomas se cierran evitando la pérdida de agua e
impidiendo el ingreso de CO2. El ácido málico sale de la vacuola y se descarboxila
mediante la enzima málica a NADP+ (NADP-ME), liberando el CO2 y piruvato, el
cual es devuelto al ciclo tras ser fosforilado con ATP, para regenerar el PEP.
Cuando los estomas están cerrados, el CO2 liberado internamente, no puede escapar
de la hoja y en lugar de esto, es reducido a carbohidrato por la vía del ciclo PCR o
Ciclo de Calvin. La elevada concentración de CO2 y la baja presión parcial de O2
155
156
en el interior de las células del mesófilo, elimina casi totalmente la oxigenación
foto-respiratoria de la ribulosa 1,5-bifosfato y favorece la carboxilación.
Este mecanismo de concentración de CO2, disminuye la probabilidad de que ingrese un O2
al sitio activo de Rubisco, gracias a lo cual, la eficiencia fotosintética se hace mayor. Las
plantas CAM, suelen ser aunque no todas,crasas (grasas o de apariencia obesa), y propias
de ambientes secos aunque también existen CAM acuáticas. Esta adaptación está asociada
con un bajo rendimiento fotosintético total (ya que la absorción de CO2 está limitada a la
cantidad de malato que se puede almacenar en la vacuola), y en consecuencia, son malas
competidoras con las plantas C3 o C4. Existen plantas CAM constitutivas o adaptativas
(estas últimas sólo tienen metabolismo ácido de crasuláceas bajo estrés hídrico, etc.).
Estas plantas, resuelven el problema de pérdida de agua durante la fotosíntesis al abrir sus
estomas sólo durante la noche cuando la temperatura es menor y la humedad del ambiente
es comparativamente alta. De esta forma, el mecanismo CAM le permite a la planta
maximizar la eficiencia en el uso de agua. Típicamente una planta CAM pierde de 50 a 100
gramos de agua por cada gramo de CO2 ganado, comparado con los 250 a 300 gramos de la
C4 y los 400 a 500 gramos de la C3. Por tanto, las plantas CAM tienen una ventaja
competitiva en ambientes con poca agua y comúnmente se asocian a climas desérticos,
pero incluso en ambientes tan húmedos como el bosque tropical es posible encontrarlas en
forma de epífitas tales como las orquídeas y muchas bromeliáceas, debido a que aunque la
humedad ambiental sea alta, en las partes altas del dosel de la vegetación tropical,
efectivamente ocurre con frecuencia un estado de sequía fisiológica.
Generalidades de los carbohidratos
Los carbohidratos son un grupo heterogéneo de moléculas que contienen carbono,
hidrógeno y oxígeno, y mantienen generalmente una proporción 1:2:1. La composición de
los carbohidratos es (CH2O)n,donde n ≥ 3. Las moléculas pequeñas de carbohidratos
desempeñan un papel importante en el metabolismo energético de las células y son la
principal fuente de esqueletos de carbono para la construcción de la mayoría de las demás
moléculas orgánicas.
156
157
Los carbohidratos o hidratos de carbono, o sacáridos, son los más abundantes entre las
cuatro clases principales
de biomoléculas (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos
nucleicos). Cumplen numerosos papeles
en los sres vivientes, tales como el
almacenamiento y transporte de la energía (almidón, glicógeno, glucosa, sacarosa) y como
componentes estructurales en plantas (celulosa) y animales (quitina). Adicionalmente, los
carbohidratos y sus derivados, juegan importantes funciones en los procesos asociados con
el sistema inmune, la fertilización, la patogénesis, la coagulación de la sangre y el
desarrollo en los animales.
Desde el punto de vista químico, los carbohidratos son compuestos orgánicos simples,
aldehídos o cetonas que contienen muchos grupos hidroxilos, usualmente uno en cada
átomo de carbono que no forma parte del grupo funcional aldehído o cetona. Las unidades
básicas de los carbohidratos, se denominan monosacáridos, tales como la glucosa, la
galactosa y la fructosa. La fórmula estequiométrica de un monosacárido no modificado es
(C·H2O)n donde n ≥3. Los monosacáridos pueden estar encadenados conjuntamente, en lo
que llamamos polisacáridos, o en los llamados oligosacáridos, de formas casi ilimitadas.
Muchos carbohidratos contienen una o más unidades modificadas de monosacárido que
tienen remplazados o removidos uno o más grupos. Por ejemplo, la deoxiribosa,
componente del ADN, es una versión modificada de la ribosa, y la quitina, está compuesta
de unidades repetidas de N-acetil glucosamina, una forma de glucosa que contiene
nitrógeno. Los nombres de los carbohidratos, terminan frecuentemente con el sufijo-osa.
Las dos macromoléculas de carbohidratos más comunes en la generalidad de las plantas son
el almidón (una forma de almacenamiento de carbón y energía) y la celulosa (el principal
componente de las paredes celulares). Algunas triosas, son intermediarios importantes tanto
en la fotosíntesis como en la respiración. La eritrosa, es la tetrosa más común y, además de
realizar las funciones descritas arriba, es un precursor de muchas rutas biosintéticas.
Algunas pentosas también son intermediarios de la fotosíntesis y la respiración, pero
adicionalmente se utilizan en la formación de los elementos estructurales de los ácidos
nucleicos, el ATP y
algunos componentes claves del transporte electrónico como la
nicotinamida y flavo nucleótidos.
157
158
Las hexosas incluyen la glucosa, la fructosa y otros azúcares.
Estas moléculas se
consideran como el sustrato inicial y el producto final de la respiración y la fotosíntesis
respectivamente y están involucrados en la síntesis de carbohidratos más complejos. Los
monosacáridos pueden ligarse para formar oligosacáridos, que pueden estar compuestos por
monosacáridos idénticos o no. El principal disacárido en las plantas es la sacarosa, formada
por la condensación de α-D-glucosa con α-D-fructosa. Los polisacáridos son grandes
polímeros de elevada masa molecular. El almidón por ejemplo, está constituido por
residuos de α-D-glucosa 1
4 y ramificado en enlaces 1
6, con estructura
helicoidal.
La función primaria de la fotosíntesis es proveeer la energía necesaria para el gasto del
metabolismo de la planta y para el crecimiento general. Durante el día los fotoasimilados
generados en el ciclo PCR, se acumulan temporalmente en las hojas en forma de sacarosa
en las vacuolas del mesófilo o almidón en el estroma del cloroplasto. En las principales
rutas de fijación de CO2 (C3, C4, CAM), la proporción mayoritaria de productos de
almacenamiento del ciclo PCR en las hojas, son la sacarosa y el almidón.
Otros productos de importancia para ciertas especies de pastos y dicotiledóneas son los
fructanos o polímeros de sacarosa y fructosa. El carbono para la biosíntesis de la sacarosa
se exporta desde el cloroplasto, gracias a un transportador especial dependiente del
ortofosfato ubicado en la membrana del cloroplasto. Este transportador Pi / triosa,
intercambia Pi y triosa fosfato (probablemente en forma de dihidroxiacetona fosfato). Una
vez en el citoplasma, se condensan dos moléculas de triosa (gliceraldehido-3-fosfato y
dihidroxiacetona), para formar fructosa-1,6 bifosfato la cual, se convierte a glucosa-1fosfato. La síntesis de sacarosa ocurre en el citosol, y los precursores de esta molécula, son
la glucosa y fructosa fosforiladas. A su vez, el 3-fosfogliceraldehído y fosfato de dihidroxi
acetona, que se exportan desde los cloroplastos de las células fotosintéticas, son precursores
de las hexosas fosfatadas y de la sacarosa. Estas triosas, se convierten en glucosa 1-fosfato
y fructosa 6-fosfato, las cuales se combinan indirectamente pues se requiere una molécula
de UTP para proporcionar la energía necesaria para la activación de la glucosa. Cuando
reaccionan las dos moléculas, se forma una molécula de difosfato de glucosa uridín
158
159
difosfato (UDPG), una forma activada que puede transferirse a una molécula aceptora, la
fructosa 6-fosfato.
UTP + glucosa-1-fosfato
PPi + H2O
UDPG + PPi
2 Pi
UDPG+fructosa-6-fosfato
sacarosa-6-fosfato + UDP
Sacarosa-6- fosfato + H2O
UDP+ ATP
sacarosa + Pi
UTP + ADP
Esta conversión es catalizada por la sacarosa fosfato sintasa y la sacarosa fosfato-fosfatasa.
Existe otra enzima citoplásmica con la capacidad de sintetizar sacarosa: la sacarosa
sintetasa, así,
UDP-glucosa + fructosa
UDP+ sacarosa
Debido a la baja energía libre de la reacción la tendencia de la enzima es a catalizar la
reacción reversa, relacionada con la ruptura de la molécula de sacarosa.
El almidón es un producto de la fotosíntesis, que se acumula en las hojas, dentro de los
cloroplastos y en los órganos de reserva, en estructuras especializadas denominadas
amiloplastos, en los cualesse sintetiza, posteriormente a la translocación de la sacarosa u
otros azúcares no reductores provenientes de las estructuras foliares. La formación del
almidón, se debe a un proceso que implica la donación repetida de unidades de glucosa
provenientes de un azúcar nucleotídico similar al UDPG [adenosina difosfoglucosa
(ADPG)]. Esta molécula, es el producto de la reacción de la glucosa-1-fosfato y el ATP,
dentro del cloroplasto u otros plastidios. Una molécula de amilosa en expansión, contiene
una molécula de glucosa C-4 reactiva en su extremo, la cual se combina con el C-1 de la
glucosa que se agrega, proveniente del ADPG. Esta reacción, es catalizada por la almidón
sintetasa, la cual requiere K+ para su activación, razón por la cual los cultivos como la papa
y la yuca, así como todos aquellos que almacenan grandes cantidades de carbohidratos, son
159
160
especialmente exigentes en K+. En diferentes plantas u órganos, existen diferentes formas
isoenzimáticas de esta proteína.
El almidón, es una molécula compuesta por dos tipos de polisacáridos: la amilosa y la
amilopectina. La amilosa es una cadena lineal, mientras que la amilopectina es altamente
ramificada. La proporción de amilosa-amilopectina y del grado de ramificación de esta
última definen drásticamente las características físico-químicas del almidón. Otras
características como tamaño del grano de almidón, forma y superficie y la cantidad de
grupos fosfatos enlazados a él, también influyen en sus propiedades y usos. La relación
amilosa/amilopectina determina características como viscosidad, gelatinización, textura y
solubilidad del almidón. El almidón libre de amilosa es requerido en la producción de
adhesivos y como espesante de alimentos, y la ausencia o bajo nivel de amilosa le confiere
características de 0% de retrogradación, evitando procesos de sinéresis y consecuente
alteración de las características del producto. La amilosa
es un polímero de glucosa
predominantemente linear con menos del 1% de ramificaciones con enlaces α- (1,6) y con
masas moleculares entre 105 y106 Da, constituye entre 15-30 % del almidón. La
amilopectina que posee ramificaciones cada 24 a 30 residuos de glucosa con enlaces α-(16) y con masas de 107 a 109 Da), constituye entre el 85-70% del almidón. Otros
componentes cuantitativamente menores del almidón son proteínas, lípidos y minerales.
Los almidones de los cereales contienen entre 0.25 y 0.5 %, mientras que en los tubérculos
como la papa y las raíces tuberosas como la yuca, los niveles son menores.
Las dos principales enzimas implicadas en la formación del almidón son la ADP-glucosa
pirofosforilasa y la almidón sintetasa. La síntesis del almidón en los cloroplastos empieza
con el grupo de hexosas generadas durante el ciclo PCR. La fructosa-6-fosfato, se convierte
a glucosa-1-fosfato mediante dos enzimas cloroplásticas: la hexosa fosfato isomerasa y la
fosfoglucomutasa. La glucosa-1-P, reacciona con ATP, para formar ADP-glucosa, reacción
catalizada por la ADP-glucosa fosforilasa. La ADP-glucosa es una forma activa de la
glucosa que actúa como precursor inmediato de la síntesis de almidón. Finalmente la
almidón sintetasa cataliza la formación de nuevos enlaces α-(1,4). De esta manera se
adiciona una molécula más de glucosa para el alargamiento de la cadena. La formación de
los enlaces α-(1-6) mediante los cuales se ligan las ramificaciones características de la
160
161
amilopectina, se catalizan por la enzima de ramificación también conocida como enzimaQ.
Fructosa-6-P
glucosa- 6-P
Glucosa- 6-P
glucosa- 1-P
ATP+ glucosa-1-P
ADP- glucosa + H2O + PPi
PPi + H2O
2 Pi
ADP- glucosa + α (1- 4)- glucano
ADP + α (1- 4)-glicosil glucano
Aunque una parte del carbono asimilado diariamente se retiene en la hoja para sustentar el
metabolismo y el crecimiento, la mayoría de estos fotoasimilados se exporta hacia los
tejidos y órganos no fotosintéticos, donde son metabolizados directamente o almacenados
para suplementar los requerimientos del metabolismo a largo plazo. El transporte de
fotoasimilados en la planta, se denomina translocación y se realiza a través del floema. La
partición del carbono es la distribución de estos fotoasimilados entre los diferentes órganos
de ella.
La cantidad de almidón en diversos tejidos depende de innumerables factores tanto
genéticos como ambientales, pero su acumulación en las hojas, y el nivel y la duración de la
luz tienen especial importancia, debido principalmente a que la enzima que cataliza la
formación de ADPG se regula alostéricamente por el Pi que se forma durante la fotosíntesis
luminosa. De igual manera, la alta iluminación y los dias largos favorecen la fotosíntesis y
translocación de almidones.
La sacarosa translocada desde las hojas hacia los órganos de almacenamiento como raices,
tubérculos y el desarrollo de semillas, es almacenada comúnmente en forma de almidón. La
conversión de sacarosa a almidón está asociada con una reacción inversa de la síntesis de
sacarosa
Sacarosa + UDP
fructosa + UDP-glucosa
161
162
Este proceso es explicable porque la ADP-glucosa, es más adecuada para la síntesis de
almidón, por lo cual, la UDP-glucosa se convierte fácilmente en ADP-glucosa.
UDP-glucosa + PPi
UTP + glucosa- 1- fosfato
Glucosa- 1- fosfato + ATP
ADP- glucosa + PPi
La ADP-glucosa resultante se convierte en almidón mediante la acción de la almidón
sintetasa.
Biosíntesis del almidón
El almidón es almacenado en una forma osmóticamente inactiva, como gránulos insolubles
en agua dentro de los amiloplastos (almidón almacenado) y cloroplastos (almidón
transitorio). En yuca, la mayor parte del almidón es almacenado dentro de los amiloplastos
en las raíces tuberosas y su contenido varía entre 73.7% y 84.9% del peso seco. Los
gránulos de almidón tienen un tamaño entre 5 y 40 m, y forma redondeada, con un lado
plano.
Generalmente se sostiene que el almidón es sintetizado a partir de la sacarosa. La mayoría
de la sacarosa citosólica es convertida a hexosas fosfato, las cuales son transportadas al
amiloplasto por un translocador de hexosas, y la glucosa 6-fosfato formada, es convertida a
glucosa-1-fosfato por la fosfoglucomutasa.
Un paso importante de la biosíntesis del almidón ocurre dentro del amiloplasto donde la
adenosín difosfato glucosa pirofosforilasa (AGPasa) catalíza la síntesis de ADP-glucosa a
partir de ATP y glucosa-1-fosfato. Durante el proceso, se produce pirofosfato el cual es
removido por fosfatasa alcalina, y por eso la reacción es conducida en la dirección de la
síntesis de ADP-glucosa. La ADP-glucosa es la primera molécula de glucosa cuya función
es de donante de glucosil para la síntesis de  glucano mediada por varias almidón
sintetasas.
162
163
La sintetasa de almidón (starch synthase, SS), principalmente la sintetasa ligada a los
gránulos de almidón (Granule Bound Starch Soluble, GBSSI), cataliza la conversión de
ADP-glucosa a cadenas lineales de -(1,4)-glucosa (amilosa). Las SS, son capaces de
utilizar como sustrato in vitro,tanto amilosa como amilopectina.
La amilopectina, se forma mediante la acción de la enzima de ramificación de almidón
(Starch Branching Enzyme, SBE) y de la sintetasa del almidón soluble (Soluble Starch
Synthase, SSS). La SBE, introduce sitios ramificados en la molécula de amilopectina
mediante la hidrólisis de las cadenas α-(1, 4) glucano que ocurren a 15-20 unidades del
extremo no reductor. Cuando cataliza la formación de un α-(1,6), une el extremo reductor
de cadenas adheridas, con otros residuos de glucosa.
Genes y enzimas involucradas en la síntesis del almidón
ADP- glucosa pirofosforilasa
Las AGPasas, se encuentran en las plantas como proteínas heterotetraméricas (ca. 210-240
kDa) compuestas de dos subunidades pequeñas (ca. 50-55 kDa) y dos grandes (ca. 51-60),
cuyo tamaño depende de la especie. Estas subunidades también son llamadas AGPasa B y S
respectivamente, de acuerdo con los loci brittle y shrunken en maíz, y son codificadas por
diferentes genes con una fuerte especifidad en su perfil de expresión. Por ejemplo, algunos
se expresan sólo en hojas, otros en raíces o en el endospermo, como en el caso del trigo y la
cebada. El análisis de sus mutantes, ha mostrado que, tanto las subunidades grandes como
las pequeñas, son necesarias para la actividad completa de la enzima. Aparentemente, las
subunidades grandes juegan un papel regulador y las pequeñas un papel catalítico.
La mayoría de AGPasas, son reguladas alostéricamente y se activan en presencia del ácido
3-fosfoglicérico (3-PGA), mientras que el orto-fosfato (Pi), inhibe su actividad. La
sensibilidad a estos metabolitos, se ha demostrado tanto en tejidos fotosintéticos como en
no fotosintéticos.
Sintetasas de almidón (Starch Synthases, SS)
163
164
Las sintetasas de almidón, pueden ser divididas en dos grupos de acuerdo con su
localización: la GBSS [sintetasa del almidón soluble ligado al gránulo (Granule Bound
Soluble Starch Synthase], se encuentra firmemente limitada a los gránulos de almidón,
mientras que la SSS [sintetasa del almidón soluble (Soluble Starch Synthase)], se localiza
en el estroma de los amiloplastos y cloroplastos bajo una forma soluble.
La GBSSII, se expresa fuertemente en tejidos foliares, mientras que su expresión en otros
tejidos, es baja. Contrariamente, la expresión de GBSSI, es mayor en las raíces y por tanto,
se puede concluir que la GBSSII es una isoforma de GBSS específica de las hojas. Otra
posibilidad es que la GBSSII se exprese en estados tempranos del desarrollo y que
posteriormente ocurra la expresión de GBSS, lo cual parece indicar que la enzima puede
tener una función en el control del metabolismo del almidón durante el desarrollo de la
planta. GBSSII y GBSSI, pueden producir diferentes tipos de amilosa, y mientras que la
GBSSI, se encarga de producir almidón para almacenamiento, la GBSSII produce un tipo
de amilosa más fácil de sintetizar y degradar.
Enzima de ramificación del almidón (Starch Branching Enzyme, SBE)
La actividad de SBE, es importante para la calidad y cantidad de almidón, y su ausencia se
caracteriza por la baja cantidad de amilopectina, bajo nivel de almidón, mayor cantidad de
azucares, etc.
A primera vista, la biosíntesis del almidón pareciera requerir de solamente de 3 enzimas: la
ADP glucosa pirofosforilasa, la almidón sintetasa y la enzima de ramificación. Sin
embargo, las variadas isoformas de estas enzimas pueden combinarse para producir
almidones con propiedades muy diferentes, algunas de las cuales han probado su utilidad
industrial; por ejemplo, almidones que se usan en el papel, en tableros de fibra, pinturas,
empaques, bioplásticos y varios alimentos. La manipulación de estas enzimas mediante
modificación genética, puede conducir a la producción de moléculas específicas de almidón
diseñadas para distintos usos.
Las DBE directas, se subdividen aún más en la pulolanasa o enzima R, y la isoamilasa. La
diferencia entre las dos radica en la especificidad de su sustrato: las pulolanasas
164
165
desramifican el pululano y la amilopectina pero no el glicógeno, mientras que la isoamilasa
desramifica tanto el glicógeno como la amilopectina.
Ingenierìa genética y mejoramiento de plantas con metabolismo C3 y C4
El incremento de la producción agrícola en el mundo en los pasados 50 años en el mundo
no ha tenido precedentes. Estos cambios en la productividad agrícola han ocurrido como
consecuencia de cambios que pueden tipificarse así:
1. La era mecánica (1920 al presente) paralela al desarrollo de la ingeniería de la
combustión interna.
2. La era de los fertilizantes (1930 hasta el presente) comenzó a afectar la agricultura
desde el siglo 19 pero no tuvo mayor impacto hasta cuando se presentó un
excedente de nitrógeno combinado químicamente debido a que las plantas de
explosivos fueron reconvertidas a la producción de fertilizantes químicos después
de la Segunda guerra Mundial.
3. La era de la genética y el mejoramiento vegetal empezó con Mendel pero no tuvo
un real impacto en la agricultura sino hasta el desarrollo del maíz híbrido y el
mejoramiento de la productividad del suelo mediante la fertilización (1930 hasta el
presente). No fue sino hasta cuando los suelos fertilizados permitieron a las plantas
expresar su potencial genético que los mejoradores pudieron separar fácilmente las
plantas más productivas de las menos productivas.
4. La era química (desde la mitad de los años 40 hasta el presente). Empezó con el 2-4,
D y el DDT. Con el uso de herbicidas, insecticidas y fungicidas, los agricultores
aumentaron la producción año tras año, en el mismo suelo.
5. La era de la información (1980 hasta el presente). Empieza a afectar la agricultura
en los años 80 con la accesibilidad a los computadores baratos.
6. La era de la genética molecular (de los años 80 hasta el presente) que puede ofrecer
a los agricultores nuevas alternativas para el crecimiento de los cultivos.
165
166
Estos cambios en la producción agrícola, son denominados colectivamente como
“Revolución Verde”, término acuñado por Norman Borlaug (Premio Nobel de la Paz 1970).
El incremento en la producción fue tal, que se pudo alimentar una población mayor (de
cerca de 2000 millones a más de 6000 millones), casi con la misma extensión de tierra
cultivable. Un ejemplo de ello es la India, que empezó a ser autosuficiente
alimentariamente, a partir de la implementación de la tecnología agrícola desarrollada por
la Revolución Verde y ahora es exportadora de trigo. Similares efectos se han logrado en
cultivos como el maíz, arroz, algodón, sorgo y caña de azúcar. La investigación agrícola se
ha encaminado hacia la producción de esquemas productivos cada vez más eficientes. Por
ejemplo, en las últimas, 7 décadas el mejoramiento convencional ha producido un gran
número de variedades e híbridos que han contribuido inmensamente a aumentar el
rendimiento de granos, la estabilidad de las cosechas y los ingresos de los agricultores.
A pesar de los logros evidentes de la tecnología desarrollada para que fuera posible la
Revolución Verde, durante los últimos años del siglo 20, surgió un movimiento ecologista
altamente militante que niega los aspectos positivos de los logros obtenidos para asegurar la
alimentación de una parte significativa de la población mundial sobre la base de los
resultados negativos obtenidos por la aplicación indiscriminada de pesticidas sobre el
equilibrio ecológico de buena parte del planeta. Sin embargo, es evidente que los resultados
negativos atribuidos a la Revolución Verde no autorizan a nadie a invalidarla porque los
resultados negativos son responsabilidad de quienes como los agrónomos con una
formación académica muy deficiente utilizan irresponsablemente la tecnología generada
durante este desarrollo del conocimiento que es patrimonio de la humanidad y no una
deficiencia per se del conjunto de herramientas que han sido utilizadas exitosamente en la
resolución parcial del problema de la insuficiencia alimentaria particularmente de los países
periféricos del sistema económico global. Invalidar el conjunto del programa de la
Revolución Verde por un resultado atribuible únicamente a los operadores, es tan falaz
como invalidar la Novena Sinfonía de Beethoven por una dirección y ejecución
incompetente del director y los músicos la orquesta sinfónica que recién la han ejecutado.
166
167
A pesar de que la producción mundial de alimentos se ha más que triplicado en las últimas
3 décadas, la llamada “Revolución Verde” no ha solucionado el problema de desnutrición
crónica de cientos de millones de personas agobiados por la pobreza alrededor del mundo.
No obstante, ha habido importantes logros en la resistencia de los cultivos a enfermedades e
insectos, y en la tolerancia a un amplio rango de estreses abióticos, especialmente a las
toxicidades del suelo. Hasta hace poco, se asumía de manera general, que el incremento en
el rendimiento genético potencial en plantas estaría controlado por un gran número de
genes, cada uno con pequeños efectos aditivos. Sin embargo, la investigación científica en
años recientes, muestra que puede ser también efecto de unos genes denominados “genes
maestros” que afectan directa o indirectamente la interacción de muchos procesos
fisiológicos involucrados en el rendimiento.
Los partidarios de la agricultura convencional, pueden estar satisfechos con las ganancias
en productividad, pero deben tener en cuenta los costos ambientales inherentes al aumento
en la productividad de los cultivos. La utilización de la ingeniería genética y la
biotecnología, podrían contribuir al logro de sistemas productivos de menor impacto
ambiental.
Aunque los conceptos relacionados con la agricultura sostenible han sido difíciles de definir
se pueden resumir tentativamente así: Un sistema integrado de producción de plantas y
animales que tienen aplicaciones específicas a largo plazo tales como
1. Cubrir las necesidades de alimentación y fibras
2. Incremento de la calidad ambiental y la base de recursos naturales de las cuales
depende la economía agrícola.
3.
Hacer un uso eficiente de los recursos no renovables y los recursos propios de las
explotaciones e integrarlos donde sea apropiado dentro de los ciclos biológicos
naturales y sus controles
4. Sostener la viabilidad económica de las operaciones en la explotación agrícola y
5. Un aumento en la calidad de vida de los agricultores y de la sociedad entera.
167
168
La población mundial, se nutre básicamente a partir de 30 especies vegetales como el arroz,
el maíz, el trigo, la cebada, la papa y el fríjol. El arroz, por ejemplo, es el alimento de
sostenimiento para cerca de la mitad de una población mundial de 6 mil millones de
habitantes, lo cual lo convierte en un objetivo clave de la ingeniería genética para la
obtención de variedades mejoradas con miras a alimentar la población creciente. Según las
actuales proyecciones se requerirá un incremento en el rendimiento por hectárea del 40 %
para el año 2020.
En la actualidad, los agricultores tienen una producción anual extra de arroz sin trillar
(paddy) de 6.7 millones de toneladas utilizando menos extensión y menos agua, y con los
actuales niveles de fertilización. Considerando el hecho de que la actual producción
mundial de arroz es de ~590 millones de toneladas por año, el incremento anual sería
levemente superior al 10%, pero los programas de mejoramiento convencional ofrecen
incrementos poco considerables. Sin embargo, la introducción de genes específicos de la
fotosíntesis de maíz en el metabolismo de algunas variedades de arroz, lograda en el
Instituto Nacional de Recursos Agro Biológicos de Japón, ha producido incrementos en el
rendimiento, superiores al 35 %.
Las investigaciones fisiológicas y genéticas básicas sobre la productividad vegetal,
muestran que el potencial de rendimiento aún es alto y no está totalmente explotado. El rico
acervo genético de las plantas, no se ha utilizado para obviar eficientemente las dificultades
asociadas a los factores limitantes de la productividad de los cultivos.
Entre los factores limitantes del rendimiento, se encuentra en primer lugar la fotosíntesis,
cuya eficiencia es extremadamente baja, si se tiene en cuenta que en la mayoría de los
cultivos es máximo del 1 al 3 %. Aún más, en los genotipos cultivados de plantas como el
trigo, el algodón y otros, se alcanzan tasas de fotosíntesis más bajas que los genotipos
silvestres a partir de los cuales han sido obtenidos. Sin embargo, la productividad de tales
cultivos, se ha elevado mediante el incremento del área foliar, cambios en la relación entre
las biomasas de los órganos reproductivos y los órganos vegetativos (relación fuentevertedero), y la variación de otras propiedades morfológicas.
168
169
Es evidente que el mejoramiento no se ha inclinado especialmente hacia el aparato
fotosintético ya que la búsqueda selectiva masal, ha sido dirigida hacia las propiedades
morfológicas y los rasgos de valor agronómico, donde se le presta mucha atención al
tamaño de los órganos de almacenamiento y al número y tamaño de mazorcas, motas y
tubérculos, o sea, que se estimula la capacidad de almacenamiento, lo cual da como
resultado que el incremento del rendimiento agronómico, está limitado por las
características del potencial fotosintético. En las variedades e híbridos promisorios
obtenidos recientemente, se puede observar un desequilibrio entre el número y tamaño de
los órganos vegetales económicamente valiosos y la posibilidad de aportarles productos
provenientes del aparato fotosintético.
Este desbalance entre la acumulación y repartición de los asimilados fotosintéticos, da
como resultado la inmadurez de las semillas, la caída de ovarios y frutos, la disminución en
el contenido de azúcares y proteínas, y otros desórdenes. Correlativamente, un excesivo
aumento en la capacidad de almacenamiento, puede provocar, por retroalimentación
negativa, una disminución en la actividad del aparato fotosintético debida al transporte del
nitrógeno desde las hojas hacia otros órganos, lo cual causa una senescencia prematura.
De lo anterior, se puede concluir que las bajas eficiencias fotosintéticas, se han convertido
en un cuello de botella que impide el incremento de la productividad. El desarrollo de
métodos de regulación de la fotosíntesis y el incremento en la eficiencia de utilización de la
energía solar hasta niveles del 3 al 5%, son las actividades más promisorias para lograr un
alto rendimiento de los cultivos. La experiencia en la obtención de variedades altamente
productivas, sobre la base de la moderna tecnología agrícola, muestra que las posibilidades
de aumento del rendimiento mediante la mejor utilización del agua, los fertilizantes, la
energía lumínica y otros factores de la producción, estan relacionadas con la optimización
de la estructura de la cubierta foliar y con el mejoramiento del aparato fotosintético, sobre
bases genéticas y fisiológicas. Se calcula que un incremento del 3 al 5% en la utilización de
la radiación fotosintéticamente activa hará posible alcanzar rendimientos del orden de 15
ton ha-1 en maíz, 10 ton ha-1 en trigo de invierno y 8 ton ha-1 de semilla de algodón.
169
170
La relación entre fotosíntesis y rendimiento es muy compleja. Existen datos contradictorios
en la literatura acerca de la correlación entre estas dos variables. La ausencia de una
correlación directa entre ellas se explica probablemente porque el rendimiento depende del
valor de la tasa de asimilación neta (TAN), la cual depende no sólo de la tasa fotosintética
sino del tamaño de la superficie foliar, de la duración del período vegetativo, de la
estructura y duración de la cubierta foliar, de la respiración oscura y la fotorrespiración, y
de la partición y translocación de los fotoasimilados.
El incremento del potencial de rendimiento de los cultivos, podría depender del incremento
en la biomasa
cosechada, es decir, de la obtención de mayores tasas de actividad
fotosintética del dosel y del incremento en la eficiencia de la conversión de la radiación. La
conversión de la radiación, puede ser definida en términos de materia seca producida por
unidad de Radiación Fotosintéticamente Activa interceptada (PAR). Un incremento neto de
la fotosíntesis por unidad PAR interceptada, puede lograrse en el dosel. El incremento
absoluto de PAR interceptada, depende del arreglo angular de las hojas y del índice de área
foliar (IAF). En el caso del arroz donde la PAR es generalmente alta, el incremento en la
producción de asimilados dependerá en mayor medida del incremento de la fotosíntesis en
la lámina foliar.
La tasa fotosintética está determinada por la conjunción de factores como:
1. Capacidad fotosintética medida en términos de la cantidad de proteínas relacionadas
con la fotosíntesis.
2. Eficiencia en la captación y utilización de los principales insumos (niveles de CO2
en el aire, intensidad de la luz solar).
1. Factores externos como la temperatura y la disponibilidad de agua.
2. Translado de los carbohidratos producidos en la hoja hacia las zonas de crecimiento.
3. Mecanismos reguladores que ajustan la actividad fotosintética
máximo de la capacidad.
170
por debajo del
171
Cada uno de esos factores interactúa de manera diferente dependiendo de las condiciones
climáticas y del estado de desarrollo de la planta. El fitomejoramiento, ha usado los avances
de la biología celular durante años. Actualmente el principal interés de los investigadores es
involucrar los avances de la biología molecular y la biotecnología en los programas de
mejoramiento. Los aspectos de la biotecnología relacionados con la biología molecular,
comúnmente se denominan “ingeniería genética”.
La ingeniería genética puede operar en 3 niveles básicos de complejidad en las plantas:
1. La introducción de un gen extraño que se expresa en todo momento y en todos los
órganos
2. Introducción de genes de control que funcionan durante los estados o épocas específicas
de desarrollo
3. Inserción de genes para caracteres múltiples.
Actualmente, la mayor parte del trabajo en ingeniería genética se confina al primer nivel; el
conocimiento es todavía demasiado limitado para manejar el segundo y tercero, y se
requiere mucha investigación básica antes de poder implementar los últimos dos niveles y
es en ellos, en los que se espera lograr de mayores progresos. La reciente aplicación de la
tecnología del ADN recombinante al metabolismo de la planta, ha sido un avance
considerable para la comprensión de la regulación de la fotosíntesis.
Mediante la alteración de los niveles y propiedades de las enzimas claves de la fotosíntesis
en plantas transgénicas C4, se ha logrado la comprensión de su regulación y demás
mecanismos de la fotosíntesis, y con la introducción de genes transgénicos, se ha avanzado
en el conocimiento de la expresión de los genes C4 en células específicas. Otra alternativa,
es el análisis de las consecuencias de la transferencia de genes específicos de C4 a plantas
C3 transgénicas.
171
172
En plantas transgénicas de tabaco transformadas con genes Ppc1-C4 de maíz que portan una
región reguladora contracorriente (cerca de 2 kb), se obtuvo un bajo nivel de transcriptos.
Estos transformantes, alcanzan un incremento del doble en la actividad de PEPC
comparados con el tabaco normal, que se correlaciona con la aparición de una forma C4 de
la enzima con alta Km(PEP) y un elevado nivel de malato foliar. Sin embargo, estos cambios
bioquímicos no dan como resultado ningunos efectos fisiológicos sobre a la tasa de
fotosíntesis neta en el aire ni sobre el punto de compensación de CO2. En un estudio similar,
se colocó el gene PEPC-C4 bajo el control de un promotor CaMV 35S. Sin embargo,
aunque las plantas transgénicas de tabaco contenían transcriptos Ppc del tamaño correcto y
cerca de dos veces el contenido de PEPC, su tasa de crecimiento, fue menor comparada con
la de las plantas no transformadas.
Las plantas transgénicas de tabaco transformadas sea con genes PEPC-C4 procedentes de
sorgo o con constructos quiméricos que portan el promotor del gene C4 de maíz fusionados
con el gene reportero gusA, muestran una alta expresión de transcriptos y alta especificidad
de las células del mesófilo foliar. Recientemente, se han obtenido resultados iguales en
arroz transgénico mediante la misma estrategia experimental. Algunas plantas transgénicas
de tabaco, también han expresado constructos que contienen varias partes de la región
flanqueadora 5’ de los genes PpcA1 tipo C4 tanto de especies C3 como C4 del género
Flaveria. En este sistema heterólogo, solamente el promotor Ppc-C4 de las especies C4
confiere un alto nivel de expresión del gene reportero, mostrando que contiene elementos
cis reguladores responsables de una expresión abundante.
Fotosíntesis, productividad genética y evolución
Relación entre productividad y mecanismos fotosintéticos
La ruta fotosintética C4 ha sido identificada en cerca de 100 géneros de por lo menos 10
familias vegetales, tanto monocotiledoneas como dicotiledóneas. El grupo más grande de
plantas que la posee, es de origen tropical y pertenece a la familia Panicoideae, mientras
que entre las dicotiledóneas, también ocurre en algunas especies de zonas cálidas y áridas
172
173
como Amaranthus y Atriplex. En la tabla X se incluye un listado de plantas tropicales de los
tipos C3 y C4.
Asociados con la ruta fotosintética C4, en los pastos tropicales, se observan algunos
aspectos que los distinguen de los pastos de las zonas templadas y de las leguminosas
tropicales. Estas diferencias, tienen consecuencias importantes sobre la productividad.
Las características más notables para establecer las diferencias, son las altas tasas de
fotosíntesis bruta en los pastos C4 y su respuesta a niveles crecientes de intensidad de luz
hasta llegar a la plena iluminación solar.
Por otro lado, las plantas C4 son capaces de reducir la concentración ambiental del CO2 a
un valor próximo al cero en presencia de la luz y en una atmósfera cerrada, lo cual significa
que las plantas C4 tienen un punto de compensación de CO2 cercano a cero en comparación
con las leguminosas tropicales (plantas C3) que tienen un punto de compensación de CO2
de ∼40 ppm en promedio.
El rango de tasas máximas de fijación neta de CO2 del aire por las plantas C3 y C4, se
superpone ya que las plantas difieren, entre otras características, en la temperatura óptima
para la fotosíntesis. Algunas plantas C3 adaptadas a altas temperaturas, como la alfalfa
Medicago sativa, tienen tasas de fijación de CO2 comparables a las de plantas C4 como
maíz y sorgo (5.4 nm cm-2s-1 vs. 5.5 nm cm-2s-1), aunque es necesario recordar que las
plantas C4, están mejor adaptadas a las altas temperaturas.
La disminución en el potencial de productividad de las hojas individuales de las plantas C4
a altas intensidades lumínicas, se debe a que en las poblaciones densas, los niveles de luz en
los estratos medios y bajos, se encuentran por debajo del nivel máximo alcanzado en los
estratos superiores en horas del medio día. Además, las pérdidas nocturnas por respiración
mitocondrial son mayores en los hábitats cálidos ocupados normalmente por éstas plantas.
En algunos casos, la mayor productividad en biomasa de las plantas C4 en relación con las
plantas C3, es consecuencia de un período de crecimiento más largo (Cuadro X).
Aunque el rango de valores de productividad anual se superpone entre los dos grupos, las
plantas tropicales C4 de crecimiento anual como Pennisetum sp. y Saccharum sp., son más
productivas que las plantas C3 de crecimiento anual como la remolacha forrajera Beta
173
174
vulgaris. Los estudios a largo plazo, parecen confirmar que la mayor productividad de las
plantas C4 se debe a sus mayores tasas de crecimiento, mientras que la fotorrespiración,
parece ser factor principal en la reducción de la productividad de las especies C3. El control
de la fotorrespiración y la inhibición asociada de la fotosíntesis por el oxígeno, ofrecen un
reto muy importante para los investigadores, ya que siendo mayor en las plantas C3, estas
ofrecen un mayor potencial para el mejoramiento de la productividad.
Tabla x. Período de crecimiento, producción y tasa de crecimiento de plantas tipo C3 y C4.
ESPECIE
PERÍODO PRODUCCIÓN
LOCALIZACIÓN (DÍAS)
TON/ha
TASA CRECIMIENTO
g/m2día
PLANTAS C3
Medicago sativa
California,
USA
365
29.7
8.1
Beta vulgaris
Holanda
160
22
12.5
Beta vulgaris
California
240
33.8
14
Glycine max
Japón
230
8.9
6.8
Java
365
41
11.2
Pennisetum purpureum
El Salvador
365
85.3
23.3
Saccharum spp.
Hawaii
365
67.3
18.4
Cynodon dactylon
Puerto Rico
365
37.3
10.2
Zea mays
Colorado,
USA
117
26.6
22.7
Sorghum bicolor
California,
USA
120
27.6
23
Pennisetum typhoides
Australia
112
21.3
19
PLANTA C3-C4
Manihot esculenta
Crantz
PLANTAS C4
174
175
Las mayores tasas fotosintéticas en los pastos C4, se registran tanto en hojas individuales,
como en las cubiertas foliares, lo cual posibilita la obtención de mayores tasas de
crecimiento del cultivo, a pesar de que las tasas de respiración oscura sean mayores en las
plantas C4 que en las C3. Por ejemplo, en algunas gramíneas tropicales, se han encontrado
-2
valores promedio de respiración oscura de 3.97 mg CO2 dm
hora
-1
mientras que en
-2
leguminosas,el valor de respiración es del orden de 2.83 mg CO2 dm hora
-1
a
concentraciones ambientales de CO2 (330 ppm) y 30 °C. La tasa de foto-respiración en
-2
-1
leguminosas tropicales varía entre 7 y 15 mg CO2 dm hora .
Cuando la nutrición mineral es adecuada, la tasa potencial de fijación de CO2 y la tasa de
acumulación de la materia seca,otorgan una marcada ventaja competitiva de las gramíneas
C4 sobre las leguminosas, en la utilización de la energía lumínica. El establecimiento de una
asociación gramínea-leguminosa, se logra mediante una disminución en el aporte de
nitrógeno, lo cual trae como consecuencia una disminución en el potencial de producción
de la gramínea. Además, es posible favorecer el desarrollo (crecimiento y diferenciación)
de la leguminosa mediante el manejo del pastoreo y la defoliación.
Otra consecuencia importante de la mayor eficiencia en la utilización de la energía solar por
las plantas C4, es su habilidad para producir materia seca. Con muy altas aplicaciones de N
-1
1
(240 kg N ha año ) y con un ciclo de corte de 90 días, se ha logrado obtener una
-1
-1
producción de materia seca de pasto elefante Pennisetum purpureum de 85 ton ha año ,
equivalentes a cerca de 560 ton de materia fresca. Aunque desde el punto de vista
económico y de calidad de los pastos, éste no es el sistema óptimo para la producción
animal, los datos citados, dan una idea de la magnitud del potencial de los pastos tropicales
para fijar CO2 y energía en la materia seca.
Es importante señalar que en una asociación gramínea-leguminosa, se tienen dos
subsistemas fotosintéticos relacionados con el nitrógeno y que la productividad de las
pasturas es, en gran medida, función de los subsistemas nitrogenados de la leguminosa.
175
176
Calidad de las pasturas en relación con el mecanismo fotosintético
En general, la digestibilidad de los pastos tropicales cultivados es más baja que la de las
especies de zonas templadas en etapas similares de desarrollo. Esta comparación es
compleja fundamentalmente, debido a los efectos de la temperatura. La digestibilidad de las
especies de zonas templadas cosechadas en la misma etapa fisiológica, disminuye con el
aumento de la temperatura mientras que en los pastos tropicales,se observan cambios muy
ligeros. Nuevamente, esta comparación se hace difícil debido a que los períodos de
crecimiento muy largos hacen que la calidad de los pastos disminuya, en parte debido a una
mayor velocidad de crecimiento y maduración a más altas temperaturas lo cual conduce a
una mayor proporción de tejido leñoso en el tallo y a una disminución en el contenido de
nitrógeno, particularmente bajola forma proteínica. En Cenchrus ciliaris y Pennisetum
clandestinum, se ha demostrado que la digestibilidad del tallo es mayor que la de la hoja
cuando las temperaturas nocturnas son bajas mientras que la digestibilidad del tallo es
menor que la de la hoja cuando las temperaturas nocturnas son altas.
Se puede pensar que las diferencias en digestibilidad y en acumulación y composición de
los carbohidratos entre los pastos de la zona templada y los de los trópicos, pueden estar
relacionadas con las diferencias bioquímicas entre las plantas C3 y C4, ya que se ha
demostrado que los pastos tropicales bajo todos los regímenes de temperatura, con
excepción de la caña y el sorgo, acumulan menos carbohidratos solubles que los de la zona
templada.
La sacarosa y el almidón, son las principales formas de carbohidratos de almacenamiento
en las especies tropicales con una notable ausencia de raffinosa y estaquiosa, mientras que
en los pastos de las zonas templadas, los principales carbohidratos de reserva son los
fructosanos. Cuando se efectúan extracciones con agua en ebullición, se ha encontrado que
el principal azúcar en los extractos de pastos de la zona templada es la fructosa, mientras
que en el extracto de pastos tropicales, son la glucosa y la galactosa. Una excepción, la
constituye el pasto pangola Digitaria spp, en el cual se ha encontrado una mayor
proporción de fructosanos, en comparación con otros pastos tropicales.
Aunque el total de carbohidratos solubles puede afectar la digestibilidad, sus cambios no
necesariamente
están
correlacionados.
Otros
176
componentes
importantes
son
los
177
constituyentes de la pared celular, cuyos polisacáridos pueden exhibir diferencias en
digestibilidaden diferentes especies.
Ingeniería genética y mejoramiento de plantas con metabolismo C3 y C4
Esta tecnología utiliza a la planta dicotiledónea C4Flaveria bidentis y plantas mutantes de
Amaranthus edulis con altos requerimientos de CO2 durante su desarrollo, para el análisis
de los puntos de control en la vía C4 en plantas intactas.
La mayor parte del control del flujo del carbono en la fotosíntesis de las plantas C4, se debe
a: Rubisco, PPDK y PEPC, cuyos coeficientes de control son, respectivamente, 0.6, 0.4 y
0.35. Según estos resultados, se puede concluir que debido a una mayor concentración de
CO2 en el sitio de acción de Rubisco en las plantas C4, estas pudieron reducir en un cuartoo
en un tercio la cantidad de Rubisco con respecto a las plantas C3, sin afectar la fotosíntesis,
lo cual da como resultado una mayor eficiencia en el uso del nitrógeno. El control de la
fotosíntesis por PPDK y PEPC, es mucho más difícil de estimar, pues la actividad de estas
enzimas, está sujeta a un complejo proteínico reversible de regulación de la fosforilación.
Las enzimas NADP-MDH y NAD-ME en C4, parecen controlar escasa o nulamente, el
flujo de la fotosíntesis. La NADP-MDH, es altamente regulada por la luz mediante la tioredoxina, mientras que, la NAD-ME es regulada alostéricamente por un gran número de
metabolitos que incluyen los adenilatos.
Una posible interpretación de los mecanismos sofisticados de regulación enzimática en la
vía C4, puede asociarse con el origen evolutivo de esta ruta. No hay una enzima individual
en la ruta C4 que no tenga su homóloga en las plantas C3, lo cual conduce a la hipótesis de
que los genes de las C4 que codifican enzimas con una actividad hasta de 100 veces
superior a las de las C3, provienen de este tipo de organismos. La regulación de enzimas
no limitantes preserva el flujo fotosintético mediante vías menores para resguardar a los
metabolitos, del desbordamiento masivo de carbono hacia la ruta C4.
177
178
Las plantas transgénicas C4 y la bomba de CO2
El estudio de los mecanismos de concentración de CO2 y la barrera de la difusión del CO2
en la interfase de las células de la corona del haz vascular y las células del mesófilo, ha sido
primordial para el estudio de la fotosíntesis, cuando se quieren transferir rasgos de la ruta
C4 a plantas C3 que carecen de anatomía Kranz en sus tejidos foliares. Los niveles relativos
de las enzimas responsables de la bomba de CO2 en el mesófilo y las enzimas involucradas
en el ciclo de Calvin en las células de la corona del haz vascular, además de sus
características de permeabilidad, son las responsables de la eficiencia con la que opera la
ruta C4.
Los estudios en este sentido, se realizan utilizando plantas transgénicas con proporciones
alteradas de Rubisco/ PEPC o alterando la composición de carbono inorgánico en las
células de la corona de haz vascular (BSC). Si el contenido de Rubisco en las hojas C4 se
reduce progresivamente sin un efecto proporcional en los niveles de PEPC, la
concentración de CO2 se incrementa en el BSC. Esto puede dar como resultado un
incremento del escape del CO2 desde el BSC y una disminución en la eficiencia
fotosintética por CO2 neto fijado. Este hecho se observa cuando la Rubisco-antisentido de
Flaveria transgénica,se analiza utilizando la discriminación isótópica del carbono o la
fluorescencia de la clorofila. En plantas con una reducción del 70% en Rubisco, se
requieren aproximadamente 28 moléculas de ATP por cada CO2 fijado, en comparación
con los 17 necesariosen las hojas de las plantas no transformadas.
Se ha postulado que un importante requerimiento en el mecanismo de la concentración de
CO2 de la fotosíntesis C4 es el desequilibrio de CO2 y bicarbonato en el BSC. Esta hipótesis
está respaldada por la falta apreciable de actividad de la anhidrasa carbónica en las células
del haz vascular en las plantas C4. Teóricamente,debido a la reducción del contenido de
bicarbonato en el acervo de carbono inorgánico en las BSC, la concentración de CO2 es
optimizada, y se minimiza el escape de bicarbonato a las células del mesófilo a través de
los plasmodesmos. Esta hipótesis, ha sido verificada mediante la evaluación de la expresión
de la anhidrasa carbónica expresada a partir de células del haz vascular de tabaco en
Flaveria.
178
179
Ingeniería molecular de enzimas C4 en plantas C3, y superproducción de enzimas C4 en las
hojas de plantas C3
Se ha intentado transferir rasgos C4 a plantas C3mediante hibridación entre plantas C3 y
C4pertenecientes a géneros como Panicum, Moricandia, Brássica,Atriplex y Flaveria que
poseen ambas rutas. Los híbridos C3-C4son infértiles debido a un apareamiento anormal de
los cromosomas y/o a otras barreras genéticas. La ingeniería genética,hace posible
laintroducción de los genes deseados que codifican las enzimas C4 en plantas C3, sin
embargo, los resultados obtenidos hasta el presente son inconsistentes, pues si en ocasiones
se obtiene la sobre-expresión de los genes transferidos, las actividades de las enzimas
resultantes, no siempre están acordes con las observadas en las plantas originarias, o
viceversa.
Introducción de genes intactos de enzimas C4 en plantas C3
Los promotores específicos de maíz como ppc y pdk pueden inducir altos niveles de
expresión en plantas transgénicas de arroz, y los niveles de transcripción de proteína y
actividad se correlacionan con el número de copias del gene introducido. Los niveles de
transcripción por copia de ppc de maíz, son comparables a los del arroz transgénico. Al
igual que los dePPDK, estos incrementos en la expresión de la enzima C4 no pueden
atribuirse solamente a la actividad transcripcional del gene de maíz, lo cual sugiere que uno
o más de los intrones y/o secuencias terminadoras del gene de maíz conducen a altos
niveles de expresión de las enzimas debido al incremento de la estabilidad de la
transcripción. También se han utilizado en arroz genes de Panicum miliaceum. Esta
estrategia se limita al uso de transgenes entre especies próximas filogenéticamente.
Algunos ejemplos de plantas transgénicas que sobre-producen PEPC en el citosol de las
células del mesófilo son dos variedades de tabaco que expresan los genes específicos de
PEPC de maíz. Una variedad de papa transgénica que expresa un PEPC bacterial de C.
glutamicum y una variedad de arroz transgénico que expresa en gene específico de PEPC
de maíz. Las actividades de asimilación de CO2 en las hojas,disminuyen con el incremento
estos mutantes, y es de 2 a 5 veces superior que los niveles en el tipo silvestre. Se han
observado cambios significativos en las características fotosintéticas de los mutantes PEPC
179
180
a temperaturas más elevadas que las normales. En el tipo silvestre, la sobreproducción de
los mutantes permanece sin cambio, y se torna cada vez más grande a altas temperaturas en
tabaco y papa. Este fenómeno, no está totalmente comprendido, pero puede ser posible que
la PEPC participe en la fijación inicial de la fotosíntesis o que esta actúe incrementando la
concentración de CO2 en la vecindad de Rubisco, bajo condiciones en las cuales la
oxigenación parece ser mucho más rápida que la carboxilación.
Algunos registros de plantas transgénicas C3 que expresan PPDK en los cloroplastos de las
células del mesófilo, han sido obtenidos en Arabidopsis, papa, tabaco y arroz que expresan
PPDK de maíz, con un nivel de expresión 40 veces más alto que el tipo silvestre.
En general, las reacciones en las cuales interviene PPDK son reversibles, dependiendo de
las concentraciones de sustratos activadores o inactivadores. Este es probablemente el caso
en las células del mesófilo de plantas C3, en las cuales la actividad de pirofosfotasa y
adenilatokinasa inorgánica es baja y por tanto, la sobreexpresión de PPDK no resulta en
efectos significativos sobre el metabolismo de carbono en las hojas C3.
Se conocen mutantes C3 que portan el gene correspondiente a la enzima PEPCK tipo C4, en
variedades de arroz con el transgene proveniente de U. panicoides en el cloroplasto de las
células del mesófilo, a pesar que esta enzima está localizada en el citosol del BSC de U.
panicoides.
Los cloroplastos mutantes PEPCK,desarrollan alteraciones significativas en el metabolismo
de carbono en hojas de arroz. La introducción de PEPCK junto con PEPC endógena, al
parecer direcciona las células del mesófilo de las hojas de arroz hacia la vía C4, ya que
cuando se utilizó 14CO2, el 20 % de la radioactividad fue incorporada desde los compuestos
de 4 carbonos a la sacarosa.
Mediante el uso de la técnica de transformación con Agrobacterium, se ha logrado de forma
independiente, introducir 3 genes de maíz que codifican para enzimas de la ruta C4: PEPC,
PPDK
y
NADP-ME en plantas de arroz. Las plantas transgénicas con PEPC y
PPDK,desarrollan una mayor capacidad fotosintética que las plantas no transformadas,
debido principalmente al incremento de la conductancia estomática. Los ensayos de campo
preliminares realizados en China y Corea, muestran
que, entre un10 y el 35 % de
incremento en la producción de grano, se debe a PEPC y PPDK. El incremento de la
180
181
síntesis de solutos orgánicos (malato) por las enzimas en las células guardas, puede ser
responsable del incremento de la conductancia del CO2.
Estudios en PDK y PEPC
El gene pdk que codifica la PPDK tipo C4, es un buen candidato para aclarar la manera
como el gene ancestral de las plantas C3 alcanzó características especÍficas C4. El gene pdk
utilizado en la fotosíntesis C4, tiene la característica poco usual de ser transcrito desde dos
diferentes sitios de iniciación bajo el control de dos promotores, para producir dos ARNm
de diferente tamaño. El transcripto más grande, contiene el exón 1 que codifica para un
péptido de tránsito al cloroplasto, y su producto, es la enzima cloroplástica de tipo C4. El
transcripto más pequeño, carece del exón 1 y su producto, funciona en el citoplasma como
una enzima tipo C3. Este sistema de promotor dual poco usual, no es único del genepdk del
tipo C4 del maíz, pues se lo encuentra también en la planta dicotiledónea C4 Flaveria
trinervia.
Se ha encontrado que un gene parecido al del tipo C4 en el arroz, también está regulado por
un sistema promotor dual similar al del gene tipo C4 del maíz. La secuencia de aminoácidos
deducida para el gene pdk C4 del arroz es 88% y 56% similar al codificado por el gene tipo
C4 de maíz en las regiones peptídicas madura y de tránsito, respectivamente. El pdk C4 del
arroz, contiene 21 exones interrumpidos por 20 intrones, y las posiciones de los intrones
son esencialmente las mismas que en el tipo C4 del maíz, excepto que el gene del arroz,
contiene dos intrones extra. El gene pdk del arroz, es ortólogo del gene C4 del maíz. En
consecuencia la comparación del C4 del arroz, y del C4 del maíz, debe revelar los cambios
que ocurrieron durante la evolución del gene ancestral en las plantas C3, para producir el
gene correspondiente con propiedades específicasC4.
La maquinaria reguladora pdkpara la expresión de PPDK, en el arroz, es diferente de la del
maíz. La compatibilidad observada de la maquinaria del arroz con los promotores de arroz
y maíz y la incompatibilidad de la maquinaria del maíz con el promotor del arroz, conduce
a proponer que tuvo que haberse desarrollado en las C4 una maquinaria reguladora única
para la expresión de pdk, y que esta maquinaria fue adaptada a partir de una maquinaria
pre-existente en las plantas C3, que coincide con el desarrollo de la anatomía Kranz.
181
182
Evolución molecular de las rutas fotosintéticas
Los refinamientos del experimento de Miller-Urey efectuados en los laboratorios de
biología prebiótica, han arrojado como resultado, la formación de moléculas orgánicas más
o menos ricas en arreglos moleculares que reaccionan ante la energía radiante produciendo
resonancia electromagnética. Estos fenómenos, de alguna forma pueden servir como
modelos que explican razonablemente el proceso de activación de los electrones de los
pigmentos tales como los carotenos o las clorofilas, o de pigmentos primitivos como la
bacterioclorofila de las Archeobacteriae y las Eubacteriae fotosintéticas primitivas. No
obstante, los mecanismos evolutivos mediante los cuales ha sido posible la complejidad de
los sistemas fotosintéticos de transferencia electrónica, plantean aún, interrogantes de alta
dificultad.
Probablemente, los interrogantes más retadores aparecen cuando se considera el estudio de
los mecanismos evolutivos de los dos sistemas enzimáticos responsables de la reducción
del CO2: La complejidad estructural y funcional de Rubisco, la más antigua de las enzimas
de carboxilación, y la paradójica aparición isocrónica en múltiples centros de origen, de la
otra enzima de carboxilación fotosintética, la fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC).
Entre los variados problemas conceptuales derivados de la evolución de estos sistemas
enzimáticos, se encuentran:
La evolución molecular de Rubisco, relacionada con el sitio activo y la competencia entre
el CO2 y el O2 que originan el intrigante fenómeno de la fotorrespiración en las plantas C3,
la evolución molecular de la subunidad pequeña de Rubisco, codificada en el genoma
nuclear y su relación con la subunidad grande, codificada en el genoma cloroplástico, la
evolución molecular de PEPC y sus distintas manifestaciones funcionales, la relación entre
la evolución funcional de PEPC y la evolución estructural de la anatomía Kranz,la
intrigante explosión multicéntrica, isocrónica y multiecotópica del síndrome C4, en regiones
muy apartadas geográficamente y casi simultáneamente en tiempos geológicos
relativamente recientes (finales del Cretáceo y comienzos de la era terciaria).
Los hallazgos relacionados con la transición evolutiva entre el síndrome C3, el síndrome
intermedio C3-C4 y el síndrome C4, y la íntima relación entre la estructura y la función,
sugieren que proponer el debate evolutivo (al menos en lo que se refiere específicamente a
182
183
la evolución de la función fotosintética en las plantas) en términos de una antinomia
estructura-función es, cuando menos, inconveniente: Aparentemente (al menos en lo que
respecta a la relación PEPC-estructura anatómica Kranz), existe una implicación biunívoca
entre ellas. Los resultados de Llinás acerca de la significación evolutiva del movimiento
para la transmisión del impulso nervioso, parecen sugerir que en los animales tampoco es
adecuado proponer el debate en esos términos. En términos de Hofstadter, Gödel y Chaitin,
parece que es conveniente establecer un indecidible lógico: Ni azar ni necesidad sino azar y
necesidad, es decir, existe una doble implicación, entre estructura Kranz y función
enzimática C4 que obliga a que la una no puede desarrollarse evolutivamente
independiente, de la otra.
Perspectiva geológica del CO2 atmosférico y de las plantas
Aunque el pronóstico de una duplicación de la concentración del CO2 atmosférico parece
extremista, desde una perspectiva geológica y biológica, la rapidez del cambio es más
significativa que su misma magnitud. Los árboles de más de doscientos años han sido
testigos de un incremento del 28 % en el CO2 y se encuentran frente al pronóstico de un
incremento mayor del 100 %, durante su esperanza de vida. El análisis de aire muy antiguo
atrapado en el hielo polar, indica que el CO2 ha fluctuado desde 190 a 300 µbar en los
pasados 160000 años. Luego del último período glacial, se estabilizó en cerca de 280 µbar
de CO2 hasta el siglo 19, cuando empezó a elevarse de manera exponencial. Los puntos de
vista sobre la composición de la atmósfera antigua, son contradictorios, pero en los últimos
30 millones de años parece ser atípicamente baja en CO2. Hace 50 millones de años, el CO2
puede haberse aproximado a los 1000 µbar, mientras algunas estimaciones la colocan en
3000 µbar hace 100 millones de años.
13
Las concentraciones de carbonato y los valores de δ C en el mineral goetita, sugieren que
las primeras plantas terrestres que vivían hace cerca de 420 millones de años, se
encontraban ante presiones parciales de CO2 16 veces más altas que las actuales (del orden
de 5700 µbar) mientras que el O2 estaba solamente en el rango del 2 a 10 % del actual. Los
principales cambios atmosféricos no son nuevos, pero anteriormente ellos ocurrían en el
término de miles a millones de años y no de décadas, como está sucediendo ahora.
183
184
Así, durante una gran parte de la historia del planeta la vegetación terrestre vivía en una
atmósfera que saturaba la fotosíntesis. En contraste, la relación de CO2 / O2 restringe a la
mayoría de la vegetación a solamente el 60 o 70 % de su potencial fotosintético, debido a
las limitaciones cinéticas impuestas por Rubisco. Esta enzima, cataliza el primero y
principal paso limitante de la tasa del ciclo de reducción fotosintética del CO2 (PCR). La
ubicuidad y las homologías en las secuencias de aminoácidos, sugieren que esta es una
proteína muy antigua que se desarrolló con los quimiolitótrofos hace más de 3500 millones
de años. Rubisco,posee dos características que son pertinentes en relación con la
composición de la atmósfera. En primer lugar, ella requiere de altas concentraciones de
CO2 comparadas con las que son accesibles en el ambiente. En segundo lugar, la función de
carboxilación, es inhibida competitivamente por el O2 y, en tercer lugar, ella actúa como
una monooxigenasa que utiliza el O2 para iniciar el ciclo fotorrespiratorio de oxidación del
carbono (CPO). Estas propiedades, pudieron haber tenido consecuencias mínimas en las
atmósferas antiguas.
En la época actual, las especies C3 terrestres,poseen Km (CO2) y Ki (O2) (denotadas como
Kc y Ko) entre 8 y 25 µM y entre 360 y 650 µM respectivamente. En la atmósfera normal,
el estroma del cloroplasto C3 contiene aproximadamente 5 µM CO2, valor que es menor
que el de la Kc para Rubisco, mientras que el del O2 disuelto es aproximadamente 240 µM.
De esta manera, el problema de una baja concentración de sustrato es mayor, debido a los
efectos inhibidores del O2 y ambos, limitan la fotosíntesis C3.
Al final del Cretáceo (65 millones de años) o al comienzo del Mioceno (25 millones de
años), disminuyó el CO2 a valores muy cercanos de los valores actuales, lo cual expuso a
las plantas a una presión de selección relacionada con la efectividad de Rubisco, que pudo
haber conducido a la aparición de las especies terrestres C4. El ciclo C4 actúa como un
mecanismo de concentración de CO2 para aportar una concentración de CO2 en estado
estacionario de, al menos, 70 µM en el haz vascular de las especies C4, la cual mitiga los
efectos competitivos del oxigeno en Rubisco.
Para evitar los déficits de CO2 resultantes del hecho de que la difusión de los gases en el
4
agua es 10 veces más lenta que en la atmósfera, el mecanismo concentrador de CO2
también se desarrolló en ambientes acuáticos, probablemente antes de su llegada a la
184
185
biósfera terrestre. A pesar de las altas relaciones CO2 / O2reinantes en esa atmósfera, es
concebible que la actividad fotosintética en el agua,generó áreas locales que estuvieron
lejos del equilibrio con la atmósfera. Este fenómeno está bien documentado para el agua
sujeta a una vegetación densa, donde las concentraciones diarias de CO2 y O2, pueden estar
cerca a 0.0 y sobre 500 µM (200 % de saturación de aire) respectivamente.
Las Rubisco de bacterias fotosintéticas y cianobacterias, tienen una baja afinidad por el
CO2, con valores de Kc entre 80 y 300 µM. Si los valores anteriores reflejan la situación
ancestral, debió haber sido necesaria la presencia de un sistema auxiliar para la adquisición
de CO2, a medida que el C inorgánico disuelto se iba agotando. Además, las especies
acuáticas que podían usar HCO3-, pueden haber tenido una ventaja competitiva, ya que el
pH de la mayoría de las aguas naturales está por encima del pK3 del sistema buffer
bicarbonato (6.35 a 25 C), de tal manera que el HCO3-,usualmente excede la concentración
de CO2 libre.
Las cianobacterias y las microalgas, poseen mecanismos de concentración del carbono muy
efectivos, que elevan la concentración de C inorgánico disuelto intracelularmente en las
cercanías de Rubisco. En el caso de algunas cianobacterias, puede ser mil veces mayor que
en el medio externo o aún, un sorprendente valor de 100 mM. Aunque los mecanismos
-
específicos varían, ellos se basan en el uso activo de HCO3 o CO2 libre. También, se han
descrito en plantas sumergidas y macroalgas verdes, formas de fotosíntesis del tipo C4 y
CAM. Las macroalgas verdes, son las plantas más primitivas que exhiben una forma de la
fotosíntesis C4 y generanla intrigante sospecha de que los componentes bioquímicos C4 se
originaron en ambientes acuáticos, como resultado del agotamiento del CO2 y / o del
incremento del O2.
Se han construído árboles filogenéticos, a partir de las secuencias de aminoácidos
accesibles y de los análisis de parsimonia o distancia genética. Las PEPC cianobacteriales
y bacteriales, se agrupan consistentemente dentro de las relaciones filogenéticas de los
procariotes. En la misma medida, para las enzimas vegetales, se han estudiado relaciones
filogenéticas con énfasis particular en los mecanismos moleculares que han moldeado las
características de expresión y las propiedades cinéticas de la PEPC durante la transición
evolutiva de las plantas C3 hacia las plantas CAM y las plantas C4.
185
186
La adquisición de estas nuevas estrategias fotosintéticas por una amplia variedad de
especies vegetales, indica que ellas se han originado independientemente y en muchas
ocasiones separadas durante la evolución de las plantas con flores, siendo las plantas CAM
las antecesoras de las plantas C4. De este modo, la pregunta obvia, es acerca de cómo
describir la evolución polifilética de las plantas C4.
Sobre la base de varios árboles genéticos derivados independientemente, se puede inferir
que todas las secuencias de las PEPC vegetales divergieron de un gene ancestral común.
Por otro lado, la presencia de genes diferentes puede haber precedido a la diversificación de
las angiospermas y quizá, también a las de las plantas superiores. Los genes PEPC-C4
pueden haber sido desarrollados a partir de un evento de duplicación, mucho antes de la
divergencia monocotiledóneas-dicotiledóneas, es decir, antes de la aparición de las plantas
C4. De este modo, el gene PEPC para la fotosíntesis C4, pudo haber evolucionado en un
número limitado de especies mientras que iba desapareciendo en otras.
Las PEPC de las monocotiledóneas sorgo y maíz, se distinguen claramente de las diferentes
isoformas C3 y CAM y también de las formas indígenas C3. En contraste, la enzima
fotosintética en la dicotiledónea C4, F. trinervia, está más estrechamente relacionada con
las varias isoformas de las dicotiledóneas C3 y CAM que con las dos PEPC-C4 de las
monocotiledoneas. Más aún, debido a que los promotores del gene PEPC-C4 en F. trinervia
y el gene ortólogo en F. pringlei (C3) son muy similares. Se ha sugerido que pudo haber
sido “sintonizado” un promotor C3 para suplir las demandas especiales de la fotosíntesis C4.
La posibilidad de que una evolución alternativa haya conducido a la formación de las
enzimas C4 en los diferentes géneros que contienen las especies C4, puede tener que ver con
la divergencia observada entre monocotiledóneas y dicotiledóneas. Finalmente, no está
claro por qué no se encuentra una forma homóloga de PEPC-C4 en las dicotiledóneas, ya
que, como se ha mencionado antes, la forma primordial de la PEPC pudo haber aparecido
antes de la divergencia de las dicotiledóneas y las monocotiledoneas.
Evolución de las plantas C3 hacia las plantas C4
Las enzimas involucradas en la ruta C4, habían sido consideradas durante mucho tiempo
como exclusivas de este tipo de plantas, pero actualmente, con técnicas inmunológicas, se
186
187
detecta actividad de “enzimas homólogas” con muy baja expresión y con propiedades
cinéticas diferentes a las de las enzimas de las plantas C4. Estudios comparativos recientes,
han revelado que las plantas C3 tienen al menos 2 diferentes tipos de genes, unos que
codifican los genes de uso cotidiano (house keeping) y otros muy similares a los genes de
las plantas C4. Con base en estos hallazgos, se ha postulado que los genes específicos C4,
provienen de un conjunto de genes contraparte pre-existentes en plantas ancestrales C3, con
algunas modificaciones en los patrones de expresión en las hojas y en sus propiedades
cinéticas.
Las dos rutas evolucionaron independientemente, y se ha encontrado que la antigüedad
mínima postulada para que se generara la ruta C4 a partir delas C3, según los métodos de
máxima verosimilitud o de parsimonia en estudios comparativos de los cambios en el ADN
que codifica para las principales enzimas responsables del flujo del carbono de los 2 tipos
de plantas (C3 y C4) en muchas especies, es de 100 millones de años. Las formas C3, se
generaron hace millones de años, cuando la atmosferatenía una menor concentración del
oxígeno y por tanto, la foto-respiración era imperceptible. Se ha registrado la presencia de
fotosíntesis C4 en un alga unicelular.
Algunas plantas que poseen características de ambas rutas, se han clasificado como
intermedias entre las rutas C3 y C4 y pueden representar estados transicionales en la
evolución de las C4 a partir de las C3. En plantas intermedias, se ha registrado un ciclo fotorespiratorio, desde el mesófilo a las células de la corona del haz vascular. Adicionalmente,
se ha propuesto que la vía para recapturar el CO2 perdido durante la foto-respiración y para
la concentración de CO2 alrededor de Rubisco en las células de la corona del haz vascular,
representa el primer paso en la evolución hacia las plantas C4.
La ruta C4, ha evolucionado independientemente más de 45 veces en 19 familias de
Angiospermas y ocurrió en 8000 a 10000 especies, constituyéndose, de esta forma, enuno
de los fenómenos evolutivos más convergentes. La mayor cantidad de orígenes de la
fotosíntesis C4, ocurre en las dicotiledóneas, con, al menos, 30 linajes (Figura XXX) . La
fotosíntesis C4 apareció en primer lugar, en los pastos, probablemente durante el Oligoceno,
hace entre 24 y 35 millones de años.
187
188
Figura XXX. Filogenética del síndrome C4 en las plantas fanerógamas.
Las dicotiledóneas C4 más antiguas, parecen ser miembros de las Chenopodiaceae, y datan
de hace entre 15 a 21 millones de años, aunque se estima que la mayoría de los linajes de
dicotiledóneas C4, han aparecido más recientemente (quizá no hace más de 5 millones de
años). La fotosíntesis C4 de las dicotiledóneas, se originó en las regiones áridas de los
trópicos y sub-trópicos, lo cual implica efectos combinados del calor, la sequía y/o la
salinidad como condiciones importantes en la promoción de la evolución de las plantas C4.
El bajo CO2 atmosférico, es un factor que contribuyó significativamente, ya que es una de
las condiciones necesarias para promover altas tasa de foto-respiración. La aparición de las
plantas C4 en el registro evolutivo, coincide consistentemente con períodos de aridificación
global y disminución del CO2 atmosférico. La duplicación de genes, seguida por una nueva
funcionalidad y por la pérdida de algunas de las funciones anteriores, son los mecanismos
conductores para la aparición de los genomas C4, así como la selección para los rasgos
asociados a la conservación del carbono bajo condiciones que promueven una fotorespiración elevada. Este último factor es el que está en la base del origen de la fotosíntesis
C4.
188
189
Origen no lineal de la ruta C4
La fotosíntesis C4, contribuye con cerca del 25% de la productividad primaria del planeta, y
una gran parte de la producción primaria que consumen los seres
humanos (ya sea
directamente como material vegetal o indirectamente a través de los productos animales),
se deriva de los cultivos C4 y de las pasturas. Los pastos C4 y las Cyperaceae dominan casi
todos los pastizales en los trópicos, sub-trópicos,en las zonas templadas cálidas, y son
representantes principales de los paisajes áridos desde las zonas templadas hasta los
trópicos. Debido a su mayor eficiencia en el uso del agua y los nutrientes, las plantas C4
pueden crecer en hábitats que son demasiado hostiles para las especies C3, tales como las
zonas rocosas y los suelos hipersalinos y áridos de las latitudes bajas. Como resultado, allí
donde solamente debiera existir el suelo desnudo, existen ecosistemas complejos gracias a
las especies con fotosíntesis C4.En los últimos años, ha habido un interés cada vez más
amplio en la diversificación evolutiva de las plantas C4. Los geólogos, también se han
interesado debido a que la fotosíntesis C4 ha afectado la atmósfera, el clima y los sistemas
bióticos a través del tiempo geológico, mientras que los zoólogos y antropólogos, se
interesan debido a que las plantas C4 han influenciado la evolución de los mamíferos y
homínidos.
Los cultivos y arvenses C4, también han afectado las tendencias históricas, como lo muestra
el nacimiento de las civilizaciones mesoamericanas basadas en el maíz, y la expansión del
tráfico transatlántico de esclavos asociado con la expansiónde la caña de azúcar. En el
futuro, el cambio climático global inducido antrópicamente, favorecerá la amplia expansión
de los pastizales C4 a expensas de los bosques. Los climatólogos y los políticos, deben
tomar atenta nota pues la expansión de los pastizales afectará los climas regionales, la
calidad del aire y la biodiversidad, debido a la alteración de los ciclos de incendios y el
albedo superficial. Finalmente, el fenómeno convergente de la fotosíntesis C4 es un
excelente modelo para la comprensión de la evolución de características complejas en
respuesta a los cambios ambientales. Dada la importancia de las plantas C4, es necesario
comprender la evolución de la ruta. Buena parte de lo que se sabe acerca de la fotosíntesis
C4 se descubrió en los 15 años de investigación que sucedieron al descubrimiento de tal
ruta, hacia mediados de los años 60. Hacia 1980, fueron identificados los principales
aspectos de la ruta, su distribución taxonómica y su importancia ecológica. Desde entonces
189
190
ha habido una acumulación sustancial de información a partir de numerosas disciplinas, de
tal forma que actualmente, se pueden
proponer hipótesis plausibles acerca de los
mecanismos, cronología e imperativos ambientales de la evolución de las plantas C4.
Por qué evolucionó la fotosíntesis C4?
En todos los organismos fotosintéticos, solamente Rubisco cataliza la fijación neta de CO2
en moléculas orgánicas. Rubisco y la ruta fotosintética C3 evolucionaron muy temprano en
la historia de la vida, y aparentemente, fueron tan exitosas que las formas competidoras de
fijación fotosintética neta de carbono se extinguieron, en la suposición de que hubieran
existido alguna vez.
En atmósferas con altas concentraciones de CO2, Rubisco opera con una relativa eficiencia.
Sin embargo, la química del sitio activo que carboxila la RuDP, también puede oxigenarla,
produciendo una molécula de PGA y una de fosfoglicolato (PG). El PG es inútil
metabólicamente, y tóxico si se acumula en la célula. Por tal razón, la conversión del PG en
metabolitos útiles es esencial para las plantas terrestres, aúncuando se necesiten cantidades
sustanciales de energía metabólica y se pierdan alrededor del 25% de los carbonos que
entran a la reserva de moléculas de PG. Tomados conjuntamente, la oxigenación del RuDP
y el metabolismo del PG,constituyen la fotorrespiración. En la atmósfera actual, la
fotorrespiración, puede inhibir la fotosíntesis hasta en un 30% a temperaturas mayores de
30°C.
Durante la mayor parte de la Historia de la tierra, la oxigenación de la RuDP fue
despreciable debido a las elevadas concentraciones de CO2 y a las bajas concentraciones de
O2 en la atmósfera. Para que la actividad oxigenasa de Rubisco, llegara a ser significativa,
la concentración del O2 en la solución debió haber excedido a las concentraciones de CO2,
al menos, 10 veces. Debido a las diferentes solubilidades del CO2 y el O2 en el agua, una
diferencia de 10 veces en la concentración de la solución, sucede cuando las presiones
parciales de O2 son 100 veces mayores que las del CO2 a temperaturas mayores de 30°C.
Las condiciones atmosféricas que favorecen los niveles significativos de foto-respiración,
probablemente no ocurrieron antes de hace 400 millones de años, debido a que las
concentraciones anteriores de CO2 eran mucho mayores que las de hoy día, mientras que
190
191
las de O2 eran mucho más bajas que las actuales. Solamente durante el período Carbonífero
(hace 280-340 millones de años) y en los últimos 35 millones de años, las características
atmosféricas cambiaron y se logróreunir las condiciones para alcanzar niveles significativos
de foto-respiración.
Durante el Carbonífero, todas las plantas usaban Rubisco para la carboxilación neta de la
fotosíntesis, y Rubisco estaba muy bien integrada al metabolismo primario de la planta.
Debido a esta integración, la verosimilitud de la resolución evolutiva del problema fotorespiratorio, en el contexto de la fotosíntesis C3 era probablemente nula. Aún, si se hubiera
producido una nueva carboxilasa, probablemente hubiera sido inútil debido a que la planta
pudiera haber carecido de las rutas metabólicas necesarias para regenerar las moléculas
aceptoras y para procesar los productos de la carboxilación.
La fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC), es la otra carboxilasa principal en las plantas C3,
pues lleva a cabo una función vital movilizando el carbono desde la ruta de la glicólisis
hasta el ciclo de Krebs. En su configuración actual, la carboxilación del PEP no permite la
fijación neta del CO2 sobre los carbohidratos, debido a que el CO2 añadido al PEP se libera
como CO2durante el Ciclo de Krebs.
Para que la PEPC evolucionara hacia una enzima de carboxilación neta, debieron haber
ocurrido re-arreglos fundamentales en el flujo del carbono, mientras que el papel
persistente de la PEPC debiera haber sido protegido o reemplazado de alguna manera. La
evolución de una Rubisco libre de actividad oxigenasa es muy improbable, debido a que la
bioquímica del sitio activo está determinada por la similaridad de las reacciones de
oxigenación y carboxilación.
Figura.XXX).
191
192
Figura XXX. Modelo de la fluctuación de la presión parcial del oxìgeno con respecto a la
del CO2 a lo largo de las eras geológicas Terrestres.
En ausencia de mejoras adicionales de Rubisco, la otra solución al problema de la fotorespiración, es el incremento de la concentración estromática del CO2 o la reducción del O2.
La reducción del O2, es improbable debido a limitaciones termodinámicas. Por ejemplo, la
reducción de los niveles estromáticos de O2 en 1000 ppm (desde 210000 a 209000 ppm) no
tiene efectos significativos sobre la foto-respiración, pero puede aumentar grandemente el
costo energético (en ATP) de la fotosíntesis, asumiendo un costo de 1 ATP por cada O2
bombeado. En comparación, debido a la mayor especificidad de Rubisco por el CO2 que
por el O2, el bombeo del CO2 en el estroma es de 80 a 100 veces más efectivo por cada
ATP gastado, en términos del efecto relativo sobre la foto-respiración. La razón por la cual
la oxigenación es un problema hoy día, es que los niveles de CO2 en la atmósfera son
mucho más bajos que los niveles de O2. El incremento de hasta 1000 ppm de CO2 en los
alrededores de Rubisco, pudiera casi eliminar la actividad de la oxigenasa, y bajo
circunstancias de alta foto-respiración, pudiera justificar los costos energéticos adicionales
requeridos para operar la bomba de CO2. Por otro lado, todas las enzimas que se necesitan
para la concentración del CO2, están presentes en las especies C3, cumpliendo con una
amplia variedad de funciones en el metabolismo de los carbohidratos y del nitrógeno.
192
193
La PEPC es una enzima ubicua en los organismos eucarióticos, donde juega un rol central
en el flujo del carbono dentro del ciclo de Krebs, en el control del pH dentro de las células,
y en la movilización de los carbohidratos almacenados hacia un amplio rango de
precursores biosintéticos. Las plantas utilizan PEPC en un amplio rango de movimientos
generados por las diferencias en turgencia, especialmente en los movimientos de cierre y
apertura estomáticos, y es muy importante en la absorción y utilización de los nutrientes
minerales. Las enzimas de descarboxilación de la fotosíntesis C4, aparecen en un amplio
rango de roles metabólicos en las plantas C3. La PEP carboxikinasa, se encuentra en los
conductos de los aceites y resinas, en los tejidos vasculares, en las células guardas de los
estomas y en los tejidos vertedero de los frutos y las raíces. También participa en la
conversión de los lípidos a carbohidratos en las semillas en germinación.
Tanto la enzima málica a NADP (NADP-ME) como la enzima málica a NAD (NAD-ME),
son importantes para el metabolismo de los ácidos orgánicos de las células C3, donde llevan
a cabo una amplia variedad de roles domésticos. La NADP-ME, por ejemplo, es muy
importante en el mecanismo de respuesta de las plantas a las heridas, en la maduración de
los frutos, en la gluconeogénesis y en el reciclaje de los ácidos orgánicos que abandonan los
haces vasculares.
En lugar de producir la evolución de nuevas enzimas, la concentración del CO2 requiere
cambiar la cinética, el conjunto de puntos de regulación y la especificidad histológica de las
enzimas existentes. Este patrón de explotación de la bioquímica existente, más que la
invención de nuevas enzimas, es la regla general dominante durante la evolución de rasgos
complejos. Dadas estas consideraciones, no es sorprendente que uno de los medios
primarios de compensar la foto-respiración en las plantas terrestres, haya sido la
superposición del metabolismo C4 sobre el metabolismo C3 preexistente. Todas las plantas
C4 operan un ciclo completo C3, de tal manera que en este sentido, la ruta C4 complementa
más que reemplaza a la fotosíntesis C3. Debido a que utiliza la bioquímica preexistente, el
puente evolutivo que debió ser atravesado para producir una planta C4 debe haber sido
relativamente pequeño, y tal logro, puede haber sido alcanzado mediante una sencilla serie
de pasos de aproximación.
193
194
Linajes evolutivos de la fotosíntesis C4
La fotosíntesis C4, ocurre en tres familias monocotiledóneas de pastos (Poaceae),
ciperáceas (Cyperaceae), en las Hydrocharitaceae y en 16 familias de dicotiledóneas,
asumiendo que las Amaranthaceae y las Chenopodiaceae sean familias distintas (en
información reciente, se han incluido las Chenopodiaceae dentro de las Amaranthaceae),
aunque los estudios sistemáticos más recientes, indican que la separación tradicional está
ampliamente justificada. Los análisis filogenéticos, muestran claramente que cada una de
estas familias procede de ancestros C3, de tal forma que se puede concluir que la ruta C4
evolucionó independientemente en cada familia.
Dentro de muchas de las familias que poseen especies C4, también es aparente la presencia
de múltiples orígenes independientes. Se estima que los pastos tienen 11 linajes
independientes mientras que en las Cyperaceae se sabe que hay 4. Las Asteraceaeposeen 3
linajes independientes y en las Zygophyllaceae aparecen 2. Tanto en las Portulacaceae
como en la tribu Sesuvioideae de las Aizoaceae, ocurren también 2 linajes, mientras que las
Chenopodiaceae contienen 10 linajes y probablemente 3 en las Amaranthaceae.
Dentro de los géneros también ocurren orígenes múltiples. En Salsola (Chenopodiaceae),
se han encontrado dos linajes C4, y se sospecha que se encuentran otros dos en Portulaca
(Portulacaceae). El género más prolífico para la fotosíntesis C4 en evolución, es Suaeda,
cuyas especies tienden a ser halófitas de las regiones semiáridas. Se conocen algo así como
100 especies de Suaeda de las cuales 60, son C4. A partir de las especies ancestrales C3 de
Suaeda se desprenden cuatro linajes de plantas C4 que se diferencian por el tipo de
anatomía Kranz, lo cual demuestra una evolución independiente de la ruta C4 (tabla 4).
Tabla 4. Linajes de plantas con variantes del metabolismo C4
194
195
Clase
Familia
Linaje
Géneros
representativos
Anatomía Kranz/
Tipo
Poaceae
Aristidae
Aristida
Stipagrostis
Centropodia y
todos las
Chloridoidae
Eriachne
Peidochloa
Andropogon Zea
Sorghum
NAD-ME
Paspalum
Thrasya
Letocoryphium
NADP-ME clásica
Monocotiledónea
s (Liliopsida)
Chloridoidae
Eriachneae
Andropogoneae
Paniceae I
Paniceae II
NADP-ME clásica
Paniceae V
NADP-ME clásica
Paniceae VI
Digitaria
NADP-ME clásica
Paniceae VII
Panicum Setaria
Urochloa
Todos los
subtipos clásicos
Abilgaardieae
Fimbrystylis
Crosslandia
Cyperus Kyllinga
Mariscus
Fimbristiloide
NADP-ME
Chlorocyperoide
NADP-ME
Eleocharis
Eleocharis
Rhyncosporeae
Rhyncospora
Syntrinema
Eleocharoide
Fimbristiloide
Rhyncosporoide
Chlorocyperoide
NADP-ME
NADP-ME
Unicelular
Paniceae IV
Cypereae
Dicotiledóneas
(Magnoliópsida)
NAD-ME
Eriachnoide
NADP-ME clásica
Axonopus
Ophiochloa
Streptostachys
Panicus priontis
Andropogon
Echinochloa
Paniceae III
Cyperaceae
NAD-ME clásica
PCK
NADP-ME clásica
NADP-ME clásica
Hydrilleae
Hydrilla Egeria
Hydrocharitacea
e
Acanthaceae
Blepharis
Aizoaceae
Sesuvioideae I
Blepharis sección
Acanthodium
Sesuvium
Sypselea
Atriplicoide/
desconocido
Atriplicoide/
desconocido
Aervineae
Zayleya
Trianthema
Aerva
Amarantheae
Amaranthus
Gomphreneae
195 I
Helenieae
Gomphrena
Alternanthera
Flaveria
Helenieae II
Pectis
Atriplicoide/
NADP-ME
Atriplicoide/
desconocido
Atriplicoide/
NAD-ME
Atriplicoide/
NADP-ME
Atriplicoide/
NADP-ME
Desconocido/
Sesuvioideae II
Amaranthaceae
Asteraceae
196
Heliantheae
Isostigma
Chrysanthellum
Boraginaceae
Heliotropium
Brassicaceae
Cleome
Polycarpaea
Sección
Orthostachys
Sección
Gynandropsis
Polycarpaea
Atripliceae
Atriplex
Salicornieae
Halosarcia
Camphorosmeae
Bassia Kochia
Chenolea
Salsoleae I
NAD-ME Salsola
Climacoptera
Salsola Haloxylon
Caryiophyllaceae
Chenopodiaceae
NADP-ME
Atriplicoide y
Suaeoide/
Desconocido
Atriplicoide
NAD-ME
Desconocido
Atriplicoide/
NAD-ME
Atriplicoide/
NAD-ME
Halosarcia/
NAD-ME
Kochoide/
NADP-ME
Salsoleae III
Girgensohnia
Noaea Ofaiston
Salsoloide/ NADME
Salsoloide/
NADP-ME
Salsoloide/
NADP-ME
Suaedoideae I
Suaeda
Salsina/ NAD-ME
Suaedoideae II
Suaeda
Suaedoideae III
Bienertia
Suaedoideae IV
Borszczwia
Euphorbiaceae
Chaemacyce
Chaemacyce
Gisekiaceae
Gysekia
Gysekia
Molluginaceae
Mollugo
Mollugo
Nyctaginaceae
Boerhavia
Boerhavia
Allionia Okenia
Schoberia/ NADME
Célula
individual/ NADME
Célula
individual/ NADME
Atriplicoide/
NADP-ME
Atriplicoide/
NADP-ME
Atriplicoide/
NAD-ME
Atriplicoide/
NAD-ME
Polygonaceae
Calligonum
Calligonum
Portulaceae
Portulaca
Portulaca
grandifloia
Portulaca
oleracea
Salsoloide/
desconocido
Atriplicoide/
NAD-ME
Atriplicoide/
NADP-ME
Anticharis
Anticharis
Desconocido
Tribulus
Tríbulus
Kallstroemia
Tribulopsis
Zygophyllum
simplex
Atriplicoide/
NADP-ME
Salsoleae II
(Sage, 2004).
Scrophulariaceae
Zygophyllaceae
Dónde evolucionó la fotosíntesis
C4?
Zygophyllaceae
Zygophyllum
196
Salsoloide/
Desconocido
197
Dónde evolucionó la fotosíntesis C4?
Con la identificación de los linajes C4, es posibleestimar las regiones y hábitats donde
evolucionó la fotosíntesis C4. Los centros de origen geográfico de las plantas C4, se indican
mediante la distribución geográfica de especies que expresan rasgos intermedios entre la
fotosíntesis C3 y C4, la localización de la mayor diversidad taxonómica dentro de un linaje
C4, y la localización de los parientes más próximos(Figura XXX). Este enfoque trabaja muy
bien en dicotiledóneas, en las cuales, la mayoría de los linajes tienen una diversidad
relativamente baja y parecen ser de origen reciente.
Figura XXX. Centros de origen del síndrome C4, de acuerdo con la mayor diversidad de
linajes.
En los pastos y ciperáceas, el más elevado número de especies y mayor edad de la ruta C4,
origina un cuadro más complejo, y hoy por hoy, los puntos de origen permanecen inciertos.
De acuerdo con la distribución de las dicotiledóneas C4 y sus parientes, es aparente que
alrededor de 30 de los linajes están asociados con uno de cinco centros generales de
diversidad C4 que se hallan en los trópicos, subtrópicos y zonas templadas cálidas. En
América del Norte, el centro principal corresponde a la zona árida que va desde el Sur de
Texas hasta el centro de México. Con un razonable grado de confiabilidad, se puede
197
198
localizar en esta región, el origen de los linajes de dicotiledóneas C4 deFlaveria. Por
ejemplo, en esta región se encuentra la mayor diversidad de especies y tipos funcionales de
individuos C3, C4 e intermedios. Además, el pariente más próximo de Flaveria, el género
Sartwellia, se encuentra en esta área. El pariente C3 más próximo de la C4, Chamaesyce
(Euphorbiaceae), se encuentra en el sur de Texas, lo cual indica que la fotosíntesis C4,
también apareció allí.
Los 10 orígenes identificados en las Chenopodiaceae,se ubican en el Asia Central, una
región con vastas cuencas interiores y suelos secos y salinizados. En el África, la
fotosíntesis C4, se observa en un número de familias con baja diversidad, por ejemplo, en
las Scrophulariaceae (género Antycharis, con seis especies C4), Acanthaceae (género
Blepharis, con menos de 25 especies C4), Gisekiaceae (Gisekia con 5 especies C4), y
Molluginaceae (género Mollugo, con entre 2 y 3 especies C4). En contraste, Australia no
posee orígenes obvios entre las Dicotiledóneas, a pesar de que es el más seco de los
continentes. Australia cuenta con un surtido diverso de especies C4 entre los géneros
Heliotropium y Polycarpaea (Caryophilaceae), pero el centro de origen de estos grupos,
posiblemente se encuentra en otra parte, debido a que en las Américas se registra la
presencia tanto de especies C3 como de C4 en el género Heliotropium, mientras que en
Arabia y en el África Nororiental, se registra suocurrenciaen las especies del género
Polycarpaea.En lugar de ser un centro de origen, Australia puede ser una región a donde
llegaron las especies C4 procedentes de otras partes, y allí se diversificaron ampliamente(
Figura XXX).
Cómo evolucionó la fotosíntesis C4?
Imperativos ambientales
Desde la época de su descubrimiento inicial, la fotosíntesis C4 se ha descrito como una
adaptación a los ambientes cálidos y secos. Sin embargo,desde 1991, se ha sugerido la
hipótesis de que la fotosíntesis C4 es una adaptación a la deficiencia de CO2, en la cual, la
baja concentración de CO2 en épocas geológicas recientes, ha sido un factor de importante
presión selectiva. Estos puntos de vista se citan con mucha frecuencia, pero en discusiones
198
199
recientes, ambos han sido desafiados. Por ejemplo, una gran proporción de la flora C4,
requiere de la precipitación durante su crecimiento, para completar su ciclo de vida, y las
plantas C4, no parece que sean más adaptadas a la sequía que las especies C3 de las zonas
áridas. Muchas especies C4, son plantas de suelos húmedos con muy poca tolerancia a la
sequía, y en los trópicos húmedos, se encuentra una flora diversa de plantas C4.
Si la ocurrencia frecuente de las plantas C4 en las regiones áridas es un signo de que la
fotosíntesis C4 es una adaptación a la aridez, entonces con la misma lógica, la fotosíntesis
C4 pudiera considerarse como una adaptación a condiciones de humedad, y la fotosíntesis
C3 pudiera ser considerada como una adaptación a condiciones áridas, de acuerdo con el
gran número de especies C3 en las regiones áridas. En el caso del argumento de la baja
concentración de CO2como un imperativo ambiental para la evolución de la fotosíntesis C4,
el desafío se encuentra entre la disparidad de las épocas de la expansión en la tierra y la
aparición de de bajos niveles de CO2 en la atmósfera. Los mejores estimativos para el CO2
en la atmósfera antigua indican que hace 25 millones de años ocurrieron valores bajo las
actuales 370 ppm, y los ecosistemas dominados por las C4 se expandieron a través de las
regiones de latitudes medias a bajas hace entre 5 y 10 millones de años, pero no se ha
documentado un desplazamiento obvio y aparente durante este período.
En lugar de considerar la fotosíntesis C4 como una adaptación específica a condiciones de
sequía, salinidad o baja concentración de CO2, es mejor pensar acerca de ella como una
adaptación que compensa las altas tasas foto-respiratorias y de deficiencia de carbono. En
este contexto, cualquier factor ambiental que aumente la foto-respiración y reduzca el
balance de carbono puede potencialmente actuar en la selección de rasgos que conduzcan a
la fotosíntesis C4. El calor, la salinidad, la sequía y la baja concentración de CO2, son los
factores más obvios, pero puede haber otros, tales como la inundación, que también puede
estimular la fotorrespiración en ciertas situaciones.
Calor, sequía y salinidad.
La alta temperatura, es uno de los principales requerimientos ambientales para la evolución
de las plantas C4, debido a que ella estimula la foto-respiración y la respiración oscura en
199
200
las plantas C3. La accesibilidad del CO2 como sustrato, también disminuye a altas
temperaturas debido a que la solubilidad del CO2 es reducida con relación ala del O2.
La aridez y la salinidad son importantes, debido a que promueven el cierre estomático y de
esta manera, se reduce el nivel intracelular de CO2, estimulando nuevamente la fotorespiración y agravando la deficiencia del CO2 como sustrato. La humedad relativa es
particularmente baja en regiones cálidas y áridas, lo cual reduce más aún la conductancia
estomática, particularmente si la planta sufre estrés por sequía.
En conjunto, la combinación sequía, incremento de la salinidad, humedad relativa baja y
altas temperaturas, producen el más alto potencial para la foto-respiración y deficiencia de
CO2, de tal forma, que no es sorprendente que sean estos ambientes, en los cuales se
desarrollaron más frecuentemente las plantas C4. Una mayor evidencia para sustentar la
hipótesis de que las condiciones salinas y/o secas son básicas para la evolución de la
fotosíntesis C4, son las observaciones acerca de los habitats de las especies intermedias C3C4, y de la distribución de las C4 en los límites extremos del rango.
Muchas especies intermedias C3-C4, provienen de regiones áridas o salinas, como por
ejemplo las especies intermedias de los géneros Heliotropium, Salsola, Neurachne,
Alternanthera, y varias de las especies intermedias de Flaveria. En el extremo frío del
rango de las C4, las ventajas de las C4 se anulan por el efecto de las bajas temperaturas. En
este caso, las pocas especies C4 restantes, se restringen a suelos salinos, a suelos secos o a
microambientes donde la luz brillante del sol puede calentar la cubierta foliar.
Además de sus efectos directos, el calor, la sequía y la salinidad, también favorecen la
evolución de las plantas C4, mediante la alteración de las propiedades de los ecosistemas,
de tal manera que se incrementa la foto-respiración. La cubierta vegetal tiende a ser escasa
en las regiones áridas y salinas, lo cual trae como consecuencia que la combinación de
clima cálido y elevadas irradiancias eleven la temperatura del suelo hasta más de 50 °C,
que calientan las capas herbáceas. Tanto el calor como la sequía, favorecen los incendios,
que son un factor importante de disturbio del ecosistema que favorece la vegetación C4.
Muchas de las especies intermedias C3-C4, ocurren en hábitats húmedos disturbados como
las orillas de los ríos, orillas de carreteras y campos abandonados. Tales observaciones,
200
201
indican que los disturbios son un factor importante en la evolución de las plantas C4,
particularmente para los linajes que se han desarrollado en localidades húmedas.
La fotosíntesis C4 puede haber evolucionado en ambientes húmedos, si las condiciones
ambientales son lo suficientemente cálidas como para promover la foto-respiración. Los
linajes de C4 de las ciperáceas, ocurren mayormente en sitios húmedos de las latitudes
bajas, lo cual indica que ellas pudieron haber evolucionado en suelos inundados, y las
especies acuáticas C4 evolucionaron, con certeza, en ambientes húmedos.
Bajo CO2
Durante épocas geológicas recientes, normalmente los niveles de CO2 atmosférico eran
bajos. Por ejemplo, hace entre 100 000 y 12 000 años, los niveles de CO2 se encontraban
entre 260 y 280 ppm. Durante los pasados 400 000 años, el CO2 atmosférico estuvo durante
el 96% del tiempo, bajo las 270 ppm y durante el 67% del tiempo, bajo 240 ppm. Durante
cerca de 1/5 de este período, el CO2 estuvo bajo 200 ppm, y existe evidencia de que esta
concentración no cambió en los 25 millones de años precedentes. Debido a la
predominancia de las bajas concentraciones de CO2 atmosférico en las épocas geológicas
recientes, la discusión acerca de la evolución de las plantas C4 debe considerar la presión
selectiva bajo atmósferas con menos CO2 que hoy día. En presencia de bajas
concentraciones atmosféricas de CO2, la fotosíntesis se desequilibra por la deficiencia de
CO2 como sustrato, además de que se incrementa la tasa foto-respiratoria. Como resultado,
las eficiencias en el uso del agua y el nitrógeno son bajas, las tasas de crecimiento son
bajas, se reduce la habilidad competitiva, la recuperación de los daños es lenta y se
disminuye el nivel de fecundidad.
Los efectos inhibidores del calor, la sequía y la salinidad aumentan considerablemente en
presencia de bajas concentraciones atmosféricas de CO2, de tal modo que las plantas C3 no
se reproducen y el paisaje se torna árido. En fríjol, trigo y tabaco, el crecimiento bajo 200
ppm CO2 y bajo temperaturas de 25 ºC es del 50% del obtenido a concentraciones normales
(370 ppm).
201
202
Las bajas concentraciones atmosféricas y el puente foto-respiratorio
hacia la fotosíntesis C4
Aunque existe una amplia discusión acerca de la contribución de los bajos niveles de CO2 a
la evolución de las plantas C4, las altas tasas foto-respiratorias, también son una fuente
metabólica que puede ser utilizada por la selección natural para desarrollar un mecanismo
débil para la conservación del carbono, lo cual puede representar el inicio de los eventos
conducentes a la evolución de la fotosíntesis C4. Debido a lo anterior, se considera que el
bajo nivel de CO2, es necesario para establecer el puente sobre el hueco evolutivo entre la
fotosìntesis C3 y la C4.
Los metabolitos de la foto-respiración, son una fuente de carbono que puede ser utilizada
para mejorar la eficiencia de Rubisco en las hojas de las plantas C3. El CO2 liberado
durante la foto-respiración, puede ser atrapado y usado para incrementar la actividad de la
Rubisco contenida en el interior del tejido. Estas bombas foto-respiratorias, ocurren en
géneros como Alternanthera, Panicum, Neurachne, Parthenium, Moricandia y Flaveria.
En la misma forma que las especies C3, las plantas intermedias C3-C4, exhiben espacios
intervenales estrechos y células de los haces vasculares agrandadas con un número mayor
de organelos. Estos desarrollos anatómicos, facilitan una eficiente función de la ruta de la
glicina mediante la reducción de las distancias de difusión, lo cual incrementa el transporte
intercelular y balancea la capacidad metabólica en el haz vascular. Hecho esto, se establece
el marco anatómico y ultraestructural que se requiere para la siguiente evolución del
metabolismo C4.
Rutas evolutivas hacia la fotosíntesis C4
202
203
Figura XXXX. Modelo evolutivo de las diferentes fases experimentadas por los
ancestros C3 para llegar a las plantas C4 que conocemos actualmente.
El modelo que se propone, es un resumen de los modelos desarrollados en los pasados 25
años, y que intentan explicar las fases importantes de la evolución de las plantas C4, tiene
siete fases consecutivas desde las plantas C3 hasta las plantas C4.
En la misma forma que los rasgos complejos, la ruta C4 no apareció de repente, sino en una
serie de pasos. Claramente, la evolución no se dirigió hacia la fotosíntesis C4, de tal modo
que cada paso es estable por derecho propio, ya sea porque se incrementa el ajuste
evolutivo o porque tiene muy poco efecto negativo sobre la supervivencia del genotipo.
Fase 1. Preacondicionamiento general
El múltiple origen de la ruta C4 en algunas familias de angiospermas, indica que ciertas
taxas, desarrollaron características que las predispusieron para evolucionar hacia la
fotosíntesis C4. Esta fase reconoce la existencia probable de rasgos específicos o
precondiciones necesarias para que comience la secuencia evolutiva hacia las C4. Una de
tales condiciones puede ser la habilidad para desarrollar y mantener un gran número de
genes duplicados.
203
204
Fase 2. Preacondicionamiento anatómico
Para que se logre desarrollar un mecanismo de concentración de C02 efectivo, debe
disminuir la distancia entre el mesófilo y los haces vasculares, de tal manera que se logre
una difusión rápida de los metabolitos. Esto se puede obtener típicamente, mediante la
reducción de los espacios intervenales o aumentando el tamaño de los haces vasculares. En
las plantas C4, las venas están separadas por distancias entre 60 y 150 µm y por, entre una y
cuatro células del mesófilo, mientras que en las plantas C3 las distancias intervenales, son
generalmente mayores de 200 µm. Esta reducción de las distancias intervenales en las C4
tienen un gran significado desde el punto de vista de las relaciones hídricas foliares. En
CIAT, se ha encontrado que la especie silvestre de yuca Manihot rubricaulis, endémica en
el altiplano de México, ha desarrollado dos capas de parénquima de empalizada, lo cual
parece ser una adaptaciòn evolutiva hacia un anatomía C4. Este resultado, es consistente
-1
con el hecho de que esta especie posee la màs alta actividad de PEPC (∼8 µmol NADH g
-1
peso fresco min ) encontrada hasta ahora en el Banco de Germoplasma de Yuca de este
Centro.
Fase 3: Incremento en los organelos del haz vascular
En las plantas C3 típicas, las células del haz vascular tienen pocos cloroplastos y poca
actividad fotosintética. Para que se desarrollen los sumideros metabólicos necesarios para el
metabolismo de la glicina y un eventual metabolismo de ácidos C4, debe aumentar el
número de cloroplastos y mitocondrias de los haces vasculares. A medida que el espacio
intervenal se reduce y el tamaño de los haces vasculares aumenta, las células del haz
vascular se convierten en una fracción significativa del área foliar. Cuando el número de
cloroplastos de los haces vasculares aumenta, y llega a ser una fracción significativa del
número total de cloroplastos en la hoja, la capacidad de las células del haz vascular para
procesar la glicina proveniente del mesófilo, llega aser lo suficientemente grande como
para un posterior desarrollo de la bomba foto-respiratoria de CO2.
204
205
Fase 4. Rutas de la glicina y bombas fotorrespiratorias
Una vez se ha logrado el preacondicionamiento anatómico, deben ocurrir los ajustes
necesarios para establecer la vía de la glicina. Inicialmente, esto puede tener que ver con la
duplicación de un gene que codifica para la glicolato descarboxilasa (GDC), con las
diferentes copias que se expresan eventualmente en el mesófilo y en el haz vascular,
utilizando diferentes promotores para cada tejido. Los genotipos con baja capacidad para
procesar la glicina en las células del haz vascular, pueden ser perjudicados cuando las
concentraciones de los subproductos de la fotorrespiración se elevan, mientras que los
genotipos con alta eficiencia para procesar la glicina en los haces vasculares, sobreviven lo
suficientemente como para influir sobre las generaciones futuras.
Fase 5. Potenciación de la actividad de PEPC en el mesófilo
Luego del establecimiento de la vía de la glicina, los niveles de CO2 en el haz vascular se
incrementan significativamente, originando un amplio gradiente para el escape del CO2.
Para capturar algo del CO2 que se escapa del haz vascular, la actividad de la PEPC del
mesófilo debe elevarse, y los ácidos C4 resultantes, deben retornados hacia los haces
vasculares para su posterior refijación. A medida que se incrementa la actividad de la
PEPC, también pueden producirse cantidades significativas de CO2 que se difunden desde
los espacios intercelulares, generando el gradiente de potencial necesario para que se
desarrolle una verdadera bomba de CO2 tipo C4. Este proceso, se ha identificado en varias
especies intermedias C3-C4 como Flaveria linearis, F. ramosissima y la intermedia
semejante a una C4, F. brownii. Como se describió anteriormente, en esta fase puede
encajar el hecho de que en la especie silvestre de yuca Manihot rubricaulis, la PEPC,
alcanza una actividad de PEPC, ocho veces superior a la medidaen fríjol Phaseolus
vulgaris. El incremento de la actividad de PEPC, debe corresponder a un incremento de la
actividad de enzimas como PPDK, NAD-ME, y NADP-ME. Este efecto se ha detectado en
las células que rodean al haz vascular en tabaco.
Fase 6. Integración de los ciclos C3 y C4
205
206
A medida que se incrementa la actividad de la PEPC, comienza a competir por CO2 y ATP
con Rubisco y el ciclo C3 en el mesófilo. Para evadir esta competencia y posibilitar la plena
integración de los ciclos C3 y C4, deben reorganizarse los patrones de expresión de la
mayoría de las enzimas del aparato fotosintético. La amplitud de esta reorganización ha
sido determinada en Sorghum bicolor mediante técnicas que diferencian la expresión en las
células del mesófilo de la expresión en las células del haz vascular. Se encontraron 25
cADNs con expresión específica en el mesófilo (PEPC, PPDK, anhidrasa carbónica,
proteínas del fotosistema II, NADP oxidorreductasa y ferredoxina) y 8 con expresión
específica en los haces vasculares (Rubisco, NADP-ME, Rubisco activasa y numerosas
enzimas del ciclo de Calvin).
Fase 7. Optimización y coordinación de la totalidad de la planta
A medida que la fotosíntesis C4 se aproxima a la funcionalidad total, la concentración de
sustratos y metabolitos efectores en las células fotosintéticas, cambia significativamente.
Para optimizar la eficiencia fotosintética, se deben ajustar las propiedades cinéticas y los
puntos de regulación de muchas enzimas con el objeto de compensar los cambios en el
ambiente metabólico. Por ejemplo, la PEPC es inhibida por el malato, pero los niveles de
malato en el mesófilo, tienen que elevarse sustancialmente como para desarrollar un
gradiente lo suficientemente grande que haga posible la difusión desde la mayor
concentración a la menor, en el haz vascular. Como respuesta, la sensibilidad de PEPC al
malato, debe disminuir. La forma C4 de PEPC tiene una mayor afinidad por el bicarbonato
-
(HCO3 ) que la forma C3 de la enzima. Los cambios en la PEPC no ocurren en las plantas
intermedias C3-C4 sino en las especies C4 completamente desarrolladas, lo que indica que la
optimización de la PEPC sucedió en las etapas finales de la evolución de las C4 (Figura
XXX).
206
207
Las especies terrestres de plantas superiores: C3, C4 y CAM, y su adaptación a las
concentraciones atmosféricas de CO2
Aproximadamente el 95 % de las plantas terrestres son especies C3, mientras que cerca del
1 % son C4 y el 4 % restante utilizan la ruta CAM. La relación CO2 / O2 actual en la
atmósfera, y la especificidad de los factores de Rubisco C3, trasladan hacia la fotorespiración las pérdidas del 25 % para las plantas C3. Un aumento del doble del CO2
atmosférico en el próximo siglo, podrá eliminar este efecto deletéreo del O2sobre la
fotosíntesis C3, pero tendrá efectos irrelevantes sobre las plantas C4. En general, esta
proyección está sustentada sobre datos de crecimiento.
Implicaciones fisiológicas del incremento de la concentración del CO2 en la atmósfera:
Fotosíntesis y foto-respiración
En la actualidad, ocurre una gran discusión sobre los posibles efectos del CO2 y otros
“gases de invernadero” sobre el ambiente. Como se mencionó antes, la fotosíntesis
convierte el CO2 del aire en carbohidratos y otras clases de moléculas con carbono fijado, y
libera oxígeno a la atmósfera. Cuando se quema madera, etanol, petróleo, carbón y otros
combustibles fósiles, se consume el oxígeno y se libera nuevamente a la atmósfera CO2. De
esta manera, el CO2 que ha sido removido de la atmósfera durante millones de años, está
siendo re-liberado muy rápidamente, mediante el consumo de estos combustibles. El
aumento en CO2 y gases relacionados, afecta las condiciones atmosféricas. El que este
cambio sea grande o pequeño,o pueda ser dañino o benéfico, depende fuertemente de la
fotosíntesis realizada por los organismos terrestres y acuáticos. A medida que la fotosíntesis
consume CO2 y libera oxígeno, contribuye a contrarrestar el efecto de combustión de los
combustibles fósiles. La quema de combustibles fósiles, libera no solamente CO2 sino
también hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y otrassustancias traza que contaminan la
atmósfera y contribuyen a largo término al calentamiento de ella y a otros problemas
ambientales. Estos problemas ocurrencomo consecuencia del hecho de que la naturaleza ha
escogido llevar a cabo la fotosíntesis, mediante la conversión del CO2 a compuestos ricos
en energía como los carbohidratos.
207
208
El papel de la fotosíntesis en el control del ambiente
Cómo puede la fotosíntesis en los bosques tropicales y templados y en el mar, afectar la
cantidad de gases de invernadero en la atmósfera?Como se mencionó antes, la fotosíntesis
remueve el CO2 de la atmósfera y lo reemplaza con oxígeno. De esta manera, puede tender
a mejorar los efectos del CO2liberado por la quema de combustibles fósiles. Sin embargo,
la cuestión es complicada, por el hecho de que las plantas mismas reaccionan a la cantidad
de CO2 en la atmósfera. Algunas plantas parecen crecer más rápidamente en una atmósfera
rica en CO2, pero esto puede no ser cierto en todas las especies. La comprensión del efecto
de invernadero, requiere de una mucha mejor comprensión de la interacción del reino
vegetal con el CO2, de la que tenemos hoy día. La quema de plantas y productos como el
petróleo, libera CO2y otros subproductos como hidrocarburos y óxidos de nitrógeno. Sin
embargo, la contaminación causada por tales materiales no es necesariamente el producto
de la utilización de la energía solar almacenada en ellos. Los centros de reacción diseñados
para la fotosíntesis artificial, producen energía sin liberación de ningún subproducto
diferente al calor, y por tanto, es posible producir por este medio, energía limpia en forma
de electricidad o hidrógeno, sin contaminación. La implementación de equipos colectores
de la energía solar, podrá prevenir la contaminación en la fuente, lo cual es el enfoque más
atractivo para desarrollar en un futuro cercano.
Actividad de la foto-respiración y actividad de la catalasa
El esquema para la ruta foto-respiratoria, muestra que por cada dos moléculas de glicolato
metabolizado (4 átomos de carbono), se libera una molécula de CO2 y los otros tres
carbonos son convertidos a ácido fosfoglicérico; consecuentemente el 25% del carbono
metabolizado como glicolato termina como CO2. Algunos investigadores creen que esta
estequiometría es inmodificable, pero según otros, existen otras interpretaciones posibles.
Existen indicativos basados en estudios enzimáticos, de que la actividad foto-respiratoria
puede estar por encima del 25%. El intento para cuantificar directamente la actividad de la
foto-respiración en tejidos foliares intactos bajo condiciones de fotosíntesis neta
rápida,indican que a bajo CO2 y altas temperaturas o a niveles elevados de oxígeno
talactividad puede exceder notablemente el 25%. Este resultado, indica que la ruta foto208
209
respiratoria, libera más CO2 bajo estas condiciones que en las condiciones normales. La
importancia de una peroxidación no enzimática del hidroxipiruvato o del glioxilato que
puede generar CO2 e incrementar fuertemente la actividad foto-respiratoria bajo algunas
condiciones ambientales, está sustentada por experimentos muy recientes.
El incremento de la temperatura, estimula la actividad de Rubisco en la dirección de la
oxigenasa y contribuye al incremento de la foto-respiración en relación con la fotosíntesis
neta. La reacción de la glicolato oxidasa genera peróxido de hidrógeno en los peroxisomas,
y el peróxido de hidrógeno puede ser roto por la catalasa contenida en los peroxisomas para
formar agua y O2. Si hay una insuficiente actividad de la catalasa para reaccionar con el
peróxido de hidrógeno, el exceso de peróxido descarboxila rápidamente los cetoácidos
como el glioxilato y el hidroxipiruvato para generar CO2. En todas estas reacciones, el CO2
se desprende desde el carbono 1 del ácido glicólico a medida que la glicina es
descarboxilada.
La importante función de la catalasa en los peroxisomas, se ha hecho más notoria por el
hallazgo de un mutante condicionalmente letal de cebada que carece del 95% de la
actividad de la catalasa. El mutante no sobrevive bajo las condiciones foto-respiratorias del
aire normal, pero lleva a cabo su ciclo de vida completo en una atmósfera enriquecida con
CO2, en la cual la foto-respiración se suprime. Este resultado demuestra que el peróxido de
hidrógeno producido durante la foto-respiración es tóxico, a menos que ocurra una
suficiente actividad de la catalasa. En experimentos con peroxisomas aislados, cuando se
incrementa la temperatura en 10C, se incrementa la actividad de la glicolato oxidasa más
que la actividad de la catalasa, de tal manera que a temperaturas más elevadas, ocurre una
mayor peroxidación del glioxilato mediante el peróxido de hidrógeno. Este resultado es
consistente con el hallazgo de una más alta actividad de la foto-respiración a temperaturas
elevadas.
La actividad de la catalasa en las hojas es alta cuando se efectúan experimentos a
concentraciones moderadas de peróxido de hidrógeno, pero las características cinéticas de
la enzima, pueden hacerla ineficiente parasu rompimiento a bajas concentraciones de
peróxido de hidrógeno.
209
210
Regulación de la foto-respiración
Un mecanismo para la regulación de la foto-respiración, puede ser el cambio de las
características de la enzima de tal manera que la afinidad de Rubisco por el CO2, sea mayor
y haya una relativa menor oxigenación. Se ha demostrado que la especificidad de la enzima
para la reacción con 2 sustratos gaseosos bajo condiciones normales varía entre tipos de
plantas ampliamente divergentes. La relación especifica CO2 / O2 a 25 C, 320 ppm de CO2
y 21 % de oxigeno es más alta en plantas C3 (y la foto-respiración relativa es más baja) con
una relación 3.1/3.3. La relación es de 2.4/3.0 en plantas C4, de 1/2.6 en algas verdes y de
1.9/2.2 en cianobacterias. Este hallazgo indica que puede ser posible incrementar la
especificidad de la relación CO2 / O2 mediante una selección apropiada de cambios
genéticos o mediante el uso de mutagénesis dirigida para alterar las propiedades de la
enzima en plantas transgénicas.
El incremento de la concentración de CO2 aumenta la fotosíntesis neta y disminuye la fotorespiración. La eficacia del enriquecimiento en CO2 en ambientes cerrados tales como
invernaderos, sobre el aumento en los rendimientos está bien documentada en la literatura.
La mayor parte de los temas que se tratan en el debate político y científico acerca del
“Efecto de invernadero ”,está enfocada hacia los cambios del clima global, a pesar de que
el aumento en el CO2, afectará directamente a las plantas en sistemas naturales y agrícolas.
Las predicciones acerca del comportamiento futuro de la temperatura y la precipitación, son
inciertas, pero el incremento en el CO2 tiene la inevitabilidad del choque de un tren que se
nos aproxima con cierta velocidad. Según varios autores: A menos que se
produzcauna“intervención Divina”, la concentración de CO2 en la atmósferaa finales del
siglo 21, será del doble de la actual.
La concentración media anual de CO2 atmosférico para 1992 (356 bar, extrapolada de los
datos obtenidos en el observatorio de Mauna Loa, (Hawai), representa un punto de
compensación dinámico para la atmósfera. La fotosíntesis terrestre y la disolución
oceánica, ocupan un estimado de 120 y 115 Gt de C año-1, pero esto está balanceado por la
evolución del CO2 de la respiración, de la descomposición orgánica, de los incendios y de
la liberación oceánica. Las actividades humanas de quema del combustible fósil,
fabricación de cemento y uso de la tierra, agregan a la atmósfera entre 5 y 8 Gt de C año-1.
210
211
Estas fuentes antropogénicas, comprenden una pequeña fracción del balance de C del
planeta, pero son los principales componentes desestabilizadores del punto de
compensación de CO2 atmosférico.
La fotosíntesis juega un papel preponderante en el balance global de C, y el CO2 tiene dos
efectos predominantes en este proceso: Actúa como activador y sustrato para Rubisco, y
promueve el cierre estomático. Otros efectos del CO2 en las plantas son más aparentes, y
algunos de ellos inesperados, tal como los efectos sobre la respiración y la producción de
etileno. Así, el CO2 influye sobre el metabolismo de maneras no relacionadas con su
actividad como sustrato fotosintético. Los efectos a nivel celular, influyen sobre el
ecosistema, retroalimentando el ciclo global del C y el incremento del CO2 atmosférico.
Desafortunadamente, sólo han sido estudiados sistemáticamentedos ecosistemas durante un
período adecuado bajo CO2 enriquecido: Un pantano salino, y la tundra ártica. En el
pantano salino, la ganancia inicial en C se mantuvo. Se propone acá, una pregunta crucial
acerca de si las respuestas de la biomasa mundial son parecidas a las del pantano salino o a
las de la tundra. Un escenario, describe la biosfera terrestre como una fuente neta de CO2
próxima al límite en el cual el CO2 es capturado. Un punto de vista más optimista, prevé un
aumento de la vegetación global a medida que las limitaciones sobre la fotosíntesis sean
eliminadas progresivamente. El mismo tipo de incertidumbre es aplicable a la biosfera
marina. Hasta que este debate no se resuelva, las estimaciones de dónde y cuándo se
estabilizará el punto de compensación del CO2 atmosférico serán especulativas.
Perspectiva geológica del CO2 atmosférico y de las plantas
El pronóstico de una duplicación de la concentración del CO2 atmosférico parece
extremista desde una perspectiva geológica y biológica, pues la rapidez del cambio parece
ser más significativa que su misma magnitud. Los árboles de más de doscientos años han
presenciado un incremento del 28 % en el CO2, y se encuentran frente al pronóstico de un
incremento mayor del 100 %, durante su esperanza de vida. El análisis de aire muy antiguo
atrapado en el hielo polar, indica que el CO2 ha fluctuado desde 190 a 300 bar en los
pasados 160000 años. Luego del último periodo glacial, se estabilizó en cerca de 280 bar
de CO2 hasta el siglo 19, cuando empezó a incrementarse exponencialmente. Los puntos de
211
212
vista sobre la composición de la atmósfera antigua, son contradictorios pero en los últimos
30 millones de años, parece ser atípicamente baja en CO2. Hace 50 millones de años, la
concentración atmosférica el CO2, puede haberse aproximado a los 1000 bar, mientras
algunas estimaciones la colocan en 3000 bar hace 100 millones de años. Las
concentraciones de carbonato y los valores de 13C en el mineral goetita, sugieren que las
primeras plantas terrestres que vivían hace cerca de 420 millones de años, se encontraban
ante presiones parciales de CO2 16 veces más altas (del orden de 5700 bar) mientras que
el O2 estaba solamente en el rango del 2 a 10 %. Los principales cambios atmosféricos no
son nuevos, pero anteriormente, ellos ocurrían en el término de miles a millones de años y
no en décadas como está sucediendo en la actualidad.
Así, durante una gran parte de la historia del planeta, la vegetación terrestre crecióbajo una
atmósfera que saturaba la fotosíntesis. En contraste, la relación de CO2 / O2actual, restringe
a la mayoría de la vegetación a solamente el 60 o 70 % de su potencial fotosintético, debido
a las limitaciones cinéticas impuestas por Rubisco. Esta enzima cataliza el paso primero y
principal limitante de la tasa del ciclo fotosintético de reducción del C (CRP). Su ubicuidad
y las homologías entre las secuencias de aminoácidos
de las Rubisco de diferentes
especies, sugieren que esta es una proteína muy antigua que se desarrolló con los quimiolitótrofos hace más de 3500 millones de años. Rubisco,posee dos características que son
pertinentes en relación con la composición de la atmósfera. En primer lugar, ella requiere
de altas concentraciones de CO2 comparadas con las que son accesibles en el ambiente. En
segundo lugar, la función de carboxilación, es inhibida competitivamente por el O2 y, en
tercer lugar ella actúa como una mono-oxigenasa que utiliza el O2 para iniciar el ciclo fotorespiratorio de oxidación del carbono (CPO). Estas propiedades, pudieron haber tenido
consecuencias mínimas en las atmósferas antiguas.
En la época actual, las especies C3 terrestres poseen Km (CO2) y Ki (O2) (denotadas como
Kc y Ko) entre 8 y 25 M, y entre 360 y 650 M respectivamente. En la atmósfera normal,
el estroma del cloroplasto C3 contiene aproximadamente 5 M CO2, el cual es menor que la
Kc para Rubisco, mientras que el O2 disuelto en su interior, es aproximadamente 240 M.
De esta manera, el problema de una baja concentración de sustrato es mayor, debido a los
efectos inhibidores del O2 y ambos limitan la fotosíntesis C3.
212
213
Al final del Cretáceo (65 millones de años) o al comienzo del Mioceno (25 millones de
años), disminuyó el CO2a valores muy cercanosa los valores actuales, lo cual expuso a las
plantas a una presión de selección, relacionada con la efectividad de Rubisco, y pudo haber
conducido a la aparición de las especies terrestres C4. El ciclo C4, actúa como un
mecanismo de concentración de CO2 para aportar una concentración de CO2 en estado
estacionario de, al menos, 70 M en el haz vascular de las especies C4, la cual mitiga los
efectos competitivos del oxígeno en Rubisco.
Para evitar los déficits de CO2 resultantes del hecho de que la difusión de los gases en el
agua es 104 veces más lenta, el mecanismo concentrador de CO2 también se desarrolló en
ambientes acuáticos, probablemente antes de su llegada a la biosfera terrestre. A pesar de
las altas relaciones CO2 / O2 en la atmósfera, es concebible que la actividad fotosintética en
el agua, haya desarrollado áreas locales que estuvieron lejos del equilibrio con la atmósfera.
Este fenómeno, está bien documentado para el agua sujeta a una vegetación densa, donde
las concentraciones diarias de CO2 y O2 pueden estar cercanas a cero, y sobre 500 M (200
% de saturación de aire) respectivamente. Las Rubisco de bacterias fotosintéticas y
cianobacterias, tienen una baja afinidad por el CO2, con valores de Kc entre 80 y 300 M.
Si los valores anteriores reflejan la situación ancestral, debió haber sido necesaria la
presencia de un sistema auxiliar para la adquisición de CO2 a medida que el C inorgánico
disuelto se iba agotando. Además, las especies acuáticas que podían usar HCO3-, pueden
haber tenido una ventaja ya que el pH de la mayoría de las aguas naturales, está por encima
del pK3 del sistema buffer bicarbonato (6.35 a 25 C), de tal manera que el HCO3- ,
usualmente excede la concentración de CO2 libre.
Las cianobacterias y las microalgas, poseen mecanismos de concentración del carbono muy
efectivos que elevan el C inorgánico disuelto intracelularmente en las cercanías de Rubisco.
En el caso de algunas cianobacterias, puede ser mil veces mayor que en el medio externo o
un sorprendente 100 mM. Aunque los mecanismos específicos varían, ellos se basan en el
uso activo de HCO3- o CO2 libre. También se han descrito formas de fotosíntesis del tipo C4
y CAM en plantas sumergidas y macro-algas verdes. Las macro-algas verdes,que están
entre las plantas más primitivas poseedoras de una forma de la fotosíntesis C4,generanla
213
214
sospecha de que los componentes bioquímicos C4, se originaron en ambientes acuáticos
como resultado del agotamiento del CO2 y / o del incremento del O2.
Respuesta de las especies vegetales al enriquecimiento con CO2: Fotosíntesis, respiración
y crecimiento
El enriquecimiento con CO2,incrementa la fotosíntesis y el crecimiento de plantas C3. Sin
embargo, hay un debate acerca de si el incremento puede ocurrir cuando factores diferentes
al CO2 limitan el crecimiento, acerca del grado al cual la fotosíntesis incrementada se
traduce en crecimiento y rendimiento mejorados, y acerca de si las respuestas positivas al
nivel de la planta, pueden ser extrapoladas a comunidades y ecosistemas. Hay desacuerdo
acerca de si las altas tasas fotosintéticas iniciales se pueden mantener, peroexisten muchos
registros acerca de que las tasas fotosintéticas foliares disminuyen con la exposición a altas
concentraciones de CO2. No se sabe si tal sub-regulación es específica de las especies o se
debe a las condiciones de crecimiento o a ambas.
La aclimatación a concentraciones elevadas de CO2, es la regla más que la excepción.
Además de los efectos sobre la bioquímica de Rubisco y la fisiología estomática, se han
encontrado diferencias en anatomía, morfología y fenología. En ellas se incluyen frecuentes
registros acerca de área foliar, índice de área foliar (IAF), duración del área foliar, espesor
de la hoja, ramificación o macollamiento, longitud del tallo y la raíz , peso seco, tamaño del
fruto, número de flores y semillas, y alteración de las épocas de los eventos mayores del
desarrollo. También se ha observado un número mayor de células de mesófilo y de
cloroplastos bajo concentraciones elevadas de CO2. Aún, si la fotosíntesis por unidad de
área disminuye, los cambios en las variables morfológicas tales como mayor área foliar o
duración pueden conducir a una mayor biomasa y rendimiento.
El mecanismo fotosintético de una especie es el mayor determinante de cómo ella va a
responder a los cambios en CO2. Sin embargo, el ambiente es un factor importante y a
veces primario. La investigación sobre el enriquecimiento de CO2, se ha enfocado en las
plantas terrestres, pero los hallazgos no pueden ser extrapolados necesariamente a sistemas
acuáticos, dadas las diferentes limitaciones ambientales.
214
215
Especies terrestres: C3, C4 y CAM
Aproximadamente, el 95 % de las plantas terrestres son especies C3, mientras que cerca del
1 % son C4, y el 4 % restante usan la ruta CAM. La relación CO2 / O2 actual en la
atmósfera y la especificidad de los factores de Rubisco C3, trasladan hacia la fotorespiración las pérdidas del 25 % ocurridas en las plantas C3. Un aumento del doble del
CO2 atmosférico en el próximo siglo, podrá eliminar el efecto deletéreo del O2sobre la
fotosíntesis C3, pero tendrá efectos irrelevantes sobre las plantas C4.En general, esta
proyección está sustentada sobre una gran cantidad de datos de crecimiento en varias
especies.
En un estudio inicial con unas 30 especies vegetales, se encontró que el grupo de las plantas
C3, alcanza ganancias sustanciales en materia seca en presencia de CO2 enriquecido. Una
compilación de datos para diferentes especies de cultivos, indica que la tasa media de
intercambio
neto
de
CO2
de
especies
C3cultivadas
en
presencia
de
CO2
enriquecido,esinicialmente un 52 % mayor que las de las especies cultivables que crecen en
ambientes de CO2 normales, pero luego declinan en un 29 %. A pesar de esta aclimatación
de la fotosíntesis, en las plantas enriquecidas, se acumula 30 % más de biomasa, y
alcanzan un rendimiento 41 % mayor. Otra investigación, concluyó que los rendimientos de
las especies C3, pueden incrementarse hasta un 33 % bajo atmósfera enriquecida en CO2.
De acuerdo con un modelo para soya, la biomasa y el rendimiento ya han aumentado en un
17 y 13 % respectivamente como respuesta al incremento en CO2, desde el año 1800.
La mayoría de los experimentos con concentraciones atmosféricas elevadas de CO2, tienen
que ver con las partes aéreas de la planta, pero el componente subterráneo puede ser
influenciado igualmente. En efecto la mayoría de los estudios de las partes subterráneas,
muestran que la relación raíz / parte aérea, se altera en favor de la raíz. Un estudio de
cultivos de raíces y frutos muestra que el enriquecimiento en el CO2 aumenta en cerca de
1/3 la relación raíz / parte aérea de especies con componentes primarios del rendimiento
situados subterráneamente, mientras que no se cambia la relación en especies con
componentes del rendimiento aéreos. No todos los datos se ajustan a esta hipótesis, quizá
debido a la influencia de los nutrientes sobre la relación raíz / parte aérea o a restricciones
de la raíz tales como tamaños inadecuados de recipientes de cultivo.
215
216
Aunque la gran mayoría de las observaciones han demostrado un mayor crecimiento de las
plantas C3, hay excepciones, especialmente cuando se trata de cultivos en cámaras de
crecimiento, donde el estímulo se rompe luego de un período de exposición a una
concentración elevada de CO2.
En este contexto, las especies que crecen bajo ambientes con CO2 normal o elevado,
pueden diferir en las curvas de tasa de asimilación neta contra CO2 intracelular bajo
irradiación de saturación. Pueden ocurrir diferencias en la pendiente inicial, lo cual es un
indicador de la eficiencia de carboxilación de Rubisco y de la tasa de CO2 saturado,
asociadas con la capacidad de regeneración de la ribulosa bifosfato o del fosfato inorgánico.
Las variaciones en las curvas de tasa de asimilación contra carbono intracelular, se colocan
en un rango en el cual, desde la soya, en la cual, tanto la pendiente como el CO2 saturado
son sustancialmente incrementados en plantas enriquecidas en CO2, pasando por el algodón
donde ninguna de las dos cambia, hasta el repollo en el cual, ambas disminuyen. Estas
respuestas son modificadas por las condiciones de crecimiento. La restricción en el
crecimiento de las raíces del algodón debida al tamaño pequeño de los recipientes, la tasa
de CO2 saturado, pero esta restricción es rápidamente obviada por el cambio de las plantas
a recipientes mayores, con lo cual se elimina la restricción espacial a la raíz.
Se han encontrado otras diferencias en aclimatación en soya y arroz que crecen durante su
ciclo de vida bajo un rango de 160 a 990 bar de CO2. La fotosíntesis, la biomasa y el
rendimiento de la soya, se incrementan cuando las plantas crecen bajo presiones parciales
de CO2 superiores a 990 bar, mientras que en el arroz los mayores incrementos suceden
bajo 500 bar. A pesar de que ambas son plantas C3, los efectos que contribuyen al
aumento en el arroz saturado, están muy por debajo de los de la soya y por debajo de los
valores de CO2 predichos para el siglo 21.
A pesar de que la respiración libera hasta el 50 % del C fijado en la fotosíntesis,
convirtiéndose así en un componente muy importante para el balance del C,ella ha recibido
una atención relativamente escasa. Debido a que las plantas crecen más y a más altas tasas
en ambientes enriquecidos en CO2, se pudieran anticipar mayores tasas de respiración
oscura bajo tales condiciones. Inesperadamente, los datos muestran que no hay cambio o
reducción en la respiración oscura con enriquecimiento en CO2.
216
217
En el arroz las tasas de respiración oscura han sido estudiadas a lo largo de la duración del
cultivo. Las tasas de crecimiento de la estructura foliar se relacionan con mayor biomasa y
mayores tasas de crecimiento relativo, mientras que la reducción en respiración específica
se atribuye a una menor actividad de la respiración y a la reducción del N en los tejidos.
Bajo alto CO2, una alta relación carbohidrato / proteína detiene el crecimiento,mientras que
se mantienen las demandas respiratorias en las plantas más grandes y de más rápido
crecimiento, debido a que los carbohidratos son energéticamente más baratos de producir y
dealmacenar.
Existe una inhibición de la respiración reversible directa y rápidamente por el CO2 en el
rango de 0 a 1000 bar, que tiene que ver con las bajas tasas de respiración en las plantas
enriquecidas, pero el sitio de acción de ese CO2 es desconocido. En el trigo, un aumento del
doble en el crecimiento en presencia de CO2, suprime la ruta respiratoria alterna, pero esto
no sucede en todas las especies examinadas, aunque el mecanismo mediante el cual el CO2
ejerce una retroalimentación negativa sobre la respiración permanece sinaclarar.
Estudios efectuados con una variedad de especies, han demostrado que las respuestas de la
planta, se expresan como incrementos del crecimiento y la fotosíntesis en la cubierta foliar
y en la población. La comunidad mejor documentada, es un pantano salino dominado por la
especie perenne
C3Scirpus olneyi, la cual,luego de cuatro años de exposición a una
concentración de CO2del doble de la ambiental, logró una aclimatación positiva con un
incremento del 32 % en la capacidad fotosintética. Paralelamente también se incrementaron
la biomasa y la productividad primaria neta. Los mayores valores,se atribuyen a un mayor
número de brotes con más alta capacidad fotosintética y más alto rendimiento cuántico y a
un periodo de crecimiento más extenso debido a la senescencia tardía.
La planta ártica Eriophorum vaginatum,se ubica entre las pocas comunidades estudiadas
que no alcanzan mayores tasas de asimilación cuando se aumenta el CO2 al doble de la
concentración normal, lo cual puede ser atribuible a limitaciones severas en nutrientes y a
las bajas temperaturas.
Muchos estudios efectuados en especies C4bajo concentraciones elevadas de CO2, muestran
sólo pequeños incrementos en las tasas de fotosíntesis foliar y en el crecimiento. Esto
quiere decir que una cantidad de CO2 del doble de la ambiental no tiene influencia en tales
217
218
especies. El pasto anual C4Eragrostis orcuttiana,alcanza una ganancia en peso seco del 150
% bajo una concentración elevada del CO2, debido básicamente a un incremento en el
numero de tallos basales, a una mayor área foliar y a una mayor duración del área foliar. El
incremento en el área foliar y la senescencia retardada de la hoja, pueden explicar algunas
de las ganancias registradas en otras especies C4. En Echinochloa crus-galli, el
enriquecimiento en CO2 acelera el desarrollo de la inflorescencia e incrementa el peso seco
de la raíz.
En la especie CAM Agave deserti, sometida a 750 ppm de CO2, se incrementa la tasa
diaria neta de toma de CO2 por encima del 49 % y disminuyendo la transpiración diaria en
un 24 % que conduce a un incremento del 110 % en la eficiencia en el uso del agua. La
actividad de Rubisco y de PEPC es más baja, mientras que la relación Rubisco activada /
Rubisco total,es mayor en un 25 % que la de las plantas que crecen en un ambiente normal.
Se ha encontrado en plantas de sorgo (Sorghum bicolor) (C4), que una concentración de
700 ppm de CO2incrementa la biomasa, las tasas fotosintéticas, la eficiencia en el uso del
agua y el área foliar, cuando están infestadas por las hemiparásitas de la raíz Striga
hermonthica y Striga asiática.
El efecto primario de la respuesta de las plantas a la elevación del CO2 atmosférico, es el
incremento en la eficiencia del uso de los recursos. El CO2 elevado, reduce la conductancia
estomática y la transpiración, mejora la eficiencia en el uso de agua, estimula altas tasas de
fotosíntesis, e incrementa la eficiencia en el uso de la luz. La aclimatación de la fotosíntesis
durante exposiciones durante largo tiempo bajo concentraciones elevadas de CO2, reduce la
actividad de las enzimas clave del ciclo fotosintético de reducción del C,aumentando la
eficiencia en el uso de nutrientes. Existen varias posibilidades observadas en estudios de
campo, en relación con los efectos de concentraciones elevadas deCO2, entre las cuales se
encuentran, un balance agua - suelo mejorado, incremento de laabsorción deCO2,bajo
sombra, una mayor relación C / N y reducción de la calidad nutritiva para fitófagos.Estos
efectos, tienen consecuencias muy importantes para ecosistemas agrícolas y nativos debido
al incremento del CO2 en la atmósfera global y a los cambios climáticos.
218
219
La interacción CO2/irradiación, influye por partes iguales sobre la fotosíntesis neta.
Además, la evidencia empírica sugiere que el incremento en la temperatura atmosférica en
estos momentos, puede estar asociado con un incremento general en la cubierta de nubes.
Las predicciones del efecto invernadero con base en la cubierta de nubes, son necesarias
antes de que se pueda predecir precisamente el impacto sobre la fotosíntesis y el
crecimiento vegetal. La asociación entre plantas y simbiontes de la raíz, tales como las
bacterias fijadoras de nitrógeno y las micorrizas, puede ser aumentada en el futuro. Aunque
el efecto de fertilización con CO2, no garantiza un futuro de abundancia agrícola, el
aumento en el CO2 sí estimula la producción de materia seca total y el rendimiento,
mediante el aumento de la fotosíntesis neta y el crecimiento del área foliar. La escasa
información accesible, sugiere que la calidad de los productos es relativamente poco
afectada.
La fotosíntesis foliar, es afectada por los niveles de CO2 ambiental en el cual crecen las
plantas. El enriquecimiento en CO2 a corto término (segundos a horas), estimula la tasa
fotosintética por unidad de área foliar. La masa vegetal también se incrementa durante una
exposición a largo término (semanas a meses) de niveles elevados de CO2. Sin embargo, el
enriquecimiento en CO2 a largo término, reduce el estímulo inicial de la fotosíntesis y con
mucha frecuencia la suprime. Estos resultados indican que la exposición prolongada a
niveles elevados de CO2 conduce a cambios en los factores morfológicos, bioquímicos y
fisiológicos, que eliminan o interrumpen el estímulo inicial de la fotosíntesis. Sin embargo,
los mecanismos de la supresión de la fotosíntesis por el enriquecimiento en CO2 a largo
término, permanecen sin aclarar.
El crecimiento bajo altas presiones parciales de CO2, conduce a la acumulación de
carbohidratos. Se ha propuesto la existencia de un mecanismo de retroalimentación,
mediante el cual la acumulación de carbohidratos conduce a una disminución de las
cantidades de componentes claves del aparato fotosintético. En efecto, muchos estudios de
aclimatación a elevadas presiones parciales de CO2a largo término, muestran una
disminución en Rubisco. Además, en las plantas que crecen en presencia de presiones
parciales elevadas de CO2, se ha encontrado disminución en los niveles de transcripción de
rbcS y rbcL. Sin embargo, aunque ha habido alguna evidencia de la regulación de la
expresión de varios genes fotosintéticos por losincrementos en la concentración de hexosa
219
220
soluble, se desconoce aún, si hay una relación causal directa entre la acumulación de
carbohidratos y la supresión de la fotosíntesis.
También, se ha asociado a la supresión de la fotosíntesis por el enriquecimiento en CO2,
con una disminución en el contenido total de N foliar. Ya que la tasa fotosintética
estádeterminada por el contenido absoluto de N y por la partición de N en una hoja, la
disminución en Rubisco y otros componentes claves de la fotosíntesis,causada por
enriquecimiento en CO2, debe ser evaluada en relación con la reducción en el contenido de
N foliar. Bajo las condiciones de enriquecimiento con CO2, la fotosíntesis es limitada ya
sea por la capacidad de transporte electrónico o por la capacidad de regeneración del
fosfato inorgánico durante la síntesis de almidón y sacarosa, y no es limitada por Rubisco.
Sin embargo, no está claro si las plantas son potencialmente capaces de aclimatarse a CO2
elevado y reducir Rubisco a los niveles óptimos, bajo las condiciones de enriquecimiento
en CO2. Los niveles de crecimiento del CO2, no afectan el contenido de Rubisco, ni la
actividad de transporte electrónico para un contenido de N foliar dado. Sin embargo,
algunos investigadores han encontrado que las plantas que crecen bajo CO2 enriquecido,
contienen una cantidad menor de Rubisco, relacionada con el contenido de N foliar. Así,
también permanece incierto si la disminución en el contenido de N foliar por el
enriquecimiento en CO2,se asocia con los cambios en la partición de N entre los
componentes claves de la fotosíntesis, incluyendo Rubisco. La supresión de la fotosíntesis
por enriquecimiento en CO2a largo término, puede estar estrechamente relacionada con el
crecimiento total de la planta bajo altos niveles de CO2. Se ha encontrado que la
disminución en el contenido del N foliar, es el resultado de un cambio morfogénico en la
asignación del N en la planta entera. Estos resultados, sugieren que la planta regula la
fotosíntesis cambiando la asignación de N en la totalidad de la planta. Tales respuestas,
pueden ser más importantes para las plantas como estrategia de adaptación a ambientes con
altas concentraciones de CO2, que las respuestas bioquímicas en la hoja individual. Las
respuestas del crecimiento del arroz a CO2 enriquecido, son controladas principalmente por
la expansión de área foliar y la asignación del N en las cubiertas foliares de la planta
completa.
El incremento de la concentración de CO2,aumenta la productividad del N pero reduce la
relación de área foliar (RAF). La alta concentración de CO2, aumenta el rendimiento de
220
221
frutos de fresa Fragaria ananassa, en un 42 %, con niveles altos de N y en un 17 % a
niveles bajos de N. El aumento en el rendimiento producido por la alta concentración de
CO2, ocurre mediante un aumento en el número de flores y de frutos en las plantas
individuales, lo cual ocasiona también un aumento en el peso del fruto de las plantas. La
deficiencia de N, reduce el rendimiento en frutos en cerca del 50 %, debido a la
disminución del tamaño del fruto, al bajo cuajamiento de los frutos y a su bajo número. Sin
embargo, la deficiencia en N incrementa la proporción de biomasa total de la planta
asignada a los frutos.
El aumento en la concentración de CO2, estimula la germinación de las esporas y aumenta
el crecimiento gametofítico en el helecho epifítico tropical Pyrrosia piloselloides. La
aparición de los órganos sexuales y la formación de esporofitos, se aceleran con altas
concentraciones de CO2 durante el crecimiento. En pastos como Dactylis glomerata, el
incremento en presión parcial de CO2, aumenta la proporción de células que entran en
división.
Perspectivas futuras
Según muchos investigadores, no hay posibilidades de que durante los siglos venideros la
fotosíntesis pueda remover de la atmósfera algo del CO2 originado como resultado de la
quema de los combustibles fósiles, ya que los cambios en la concentración de CO2 en el
ambiente de los organismos fotosintéticos, sean ellos procarióticos o eucarióticos, terrestres
o acuáticos, modulan profundamente el proceso fotosintético. Esta regulación, puede ser
mediada indirectamente mediantelos cambios anatómicos, morfológicos y fisiológicos, o
más directamente mediante efectos bioquímicos sobre la fotosíntesis. Así, el CO2 no
solamente sirve como sustrato directo, activador o modulador para la fijación de CO2 vía
Rubisco, sino que también actúa en un sentido amplio como un regulador del crecimiento
vegetal con impacto a nivel molecular. En el futuro, se le deberá dar atención a este último
aspecto del enriquecimiento en CO2. Debido a los efectos secundarios del CO2 elevado,
muchos de los efectos que no han sido estudiados en las dos últimas décadas, son
inesperados y no pueden ser predichos a partir de una interacción bioquímica simple del
CO2 con las funciones de carboxilación y oxigenación de Rubisco.
221
222
En los últimos años,ha habido una explosión de investigación acerca de las respuestas de
aclimatación al CO2, basadas en la premisa de que tales experimentos harán posible la
predicción de las respuestas vegetales futuras a medida que el CO2 de la atmósfera
aumenta. Por lo demás, los experimentos son de una duración relativamente corta y por esta
razón, se desprecia la capacidad adaptativa de las plantas a medida que el enriquecimiento
en CO2 ejerce una presión de selección. Dios es inevitable y sin cambio, pero su creación
no lo es. Como consecuencia, los cambios en la relación CO2 / O2 en un tiempo geológico
han conducido al desarrollo de sistemas concentradores de CO2, se ha alterado la cinética
de Rubisco, y se han producido otros fenómenos relacionados en organismos tan diversos
como cianobacterias y plantas C4. El tiempo que se gasta para el cambio, es reducido
considerablemente con respecto a la elevación actual de CO2 atmosférico, y será interesante
ver cómo la capacidad adaptativa de las plantas marcha al paso. Análisis cuidadosos de las
respuestas adaptativas del pasado, conjuntamente con los experimentos de aclimatación que
se están llevando a cabo hoy día, deben mejorar la habilidad para predecir lo que sucederá
con las plantas expuestas a altas concentraciones de CO2 en un futuro muy cercano: el siglo
21.
La concentración de CO2 atmosférico está aumentando y podrá alcanzar entre 550 y 560
ppm al final del próximo siglo. Las plantas terrestres son depósitos más fuertes para el CO2
atmosférico que las de los océanos. A largo término, el efecto de fertilización de
concentraciones elevadas de CO2 sobre las plantas C3, queda mimetizado en el ecosistema,
en la comunidad y en la planta individual cuando un factor adicional como el suministro de
nutrientes, limita el crecimiento. Las altas concentraciones deCO2, parecen favorecer
algunas especies a expensas de otras. Usualmente,ocurre un efecto positivo de fertilización
a largo término de la concentración elevada de CO2, pero esto es también menos previsible
debido al efecto de la aclimatación. Los datos de intercambio gaseoso, bioquímico,
modelación y biología molecular de plantas expuestas a un rango de concentraciones de
CO2 muestran que la aclimatación ocurre en todos estos niveles. La extensión de la
aclimatación, usualmente es mayor en las cabinas con ambiente controlado que en el
campo. Con respecto al conocimiento actual sobre el monitoreo de la glucosa en diferentes
organismos, es posible que la aclimatación de la fotosíntesis a concentraciones elevadas de
222
223
CO2sea causada por un acumulación de azúcares solubles, en particular de glucosa y
fructosa, que son detectadas por una hexoquinasa. La manipulación genética de plantas para
prevenir su aclimatación a niveles elevados de CO2, podrá ser intentada pero puede ser
difícil de lograr.
Investigación para la cuantificación de la captura de CO2
A medida que la población crece y se expande la industrialización, se expelen hacia la
atmósfera CO2 y otros gases tóxicos polucionantes a tasas cada vez más crecientes. La
3
-3
concentración atmosférica de CO2 ha aumentado desde cerca de 280 cm m (aire) en
3
∼1750 hasta 350 cm m-3de aire) en el año 2000. La tasa de incremento ha sido de 1.2 – 1.4
3
-3
-1
-1
-1
cm m año [1.8 µmol (CO2) mol de aire año-1, equivalentes a 0.5% año ], y se espera
que continúe creciendo durante el siglo 21. Si se mantiene este ritmo de aumento, para el
3
-3
año 2100 el CO2 atmosférico alcanzará valores de 650-700 cm m de aire). Los modelos de
circulación del aire global, predicen que con esta concentración del CO2 atmosférico,
ocurrirá un sobrecalentamiento promedio global del aire superficial, del orden de 1.5 a 5.2
o
C durante el siglo 21.
Como consecuencia de la radiación solar neta que recibe, la superficie de la tierra se
calienta y emite su propia radiación, la cual se encuentra en el rango de longitudes de onda
correspondientes al infrarrojo o de radiaciones calóricas del espectro electromagnético (4
µm < λ < 50 µm).
La atmósfera absorbe una fracción de la radiación de onda larga proveniente de la
superficie terrestre y re-radia una porción de ella hacia la superficie, el resto se libera hacia
el espacio exterior. Si la atmósfera fuera transparente a la radiación emitida por la
superficie terrestre, la temperatura media de equilibrio de la superficie terrestre sería muy
o
baja (∼-18 C). Sin embargo,en realidad, la absorción de la radiación re-emitida, por el
vapor de agua (1% del total de gases de la atmósfera, en promedio), por el agua líquida en
gotitas de las nubes estratiformes y por algunos de los gases traza (llamados así por
ocurriren concentraciones traza), eleva la temperatura media de la superficie hasta cerca de
223
224
o
15 C, con lo cual se conforma un ambiente más hospitalario para la vida sobre la tierra.
Los gases absorbentes de radiación térmica que ocurren naturalmente en la atmósfera, son
vapor de agua (H2O), dióxido de carbono (CO2), ozono (O3), metano (CH4) y óxido nitroso
(N2O). A estos gases, se les conoce como Gases de Efecto de Invernadero (GEI).
El calentamiento causado por la captura parcial de la radiación de onda larga emitida, se
conoce como el “Efecto de invernaderonatural”. La mayoría de los gases de invernadero,
ocurren naturalmente en muy pequeñas concentraciones. Sin embargo, la actividad humana
está ocasionando la liberación a la atmósfera de muchos gases activos radiativamente, que
potencian artificialmente el efecto de invernadero. Entre estos gases ocupan un lugar
principal, el dióxido de carbono, el metano, el óxido nitroso y muchos compuestos
clorofluorocarbonados (CFC), (compuestos sintéticos usados como refrigerantes,
propelantes de aspersores y agentes espumantes). Mediante un bloqueo posterior del
escape del calor emitido desde la superficie terrestre, estos gases antropogénicos en
concentraciones crecientes, tienen la capacidad de causar un desplazamiento en el balance
energético planetario, que conduce a temperaturas superficiales mayores y al cambio en los
regímenes hidrológicos. La proyección de estas consecuencias climáticas, llamadas
“sobrecalentamiento global” propone ciertos peligros que justifican una acción social
concertada, para controlar las emisiones gaseosas, en un esfuerzo para minimizar la
potenciación del efecto de invernadero y moderar su impacto negativo.
Como consecuencia de la preocupación generada por la evidencia del sobrecalentamiento
global, en la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, se
firmó la Convención Marco sobre el Cambio Climático (CMCC). La Conferencia de las Partes
(COP) de la CMCC celebrada en Kyoto (Japón) en 1997, estableció las metas de reducción de
emisión de GEI para los países desarrollados y se fijaron los mecanismos de flexibilidad que
permitan dar cumplimiento a las metas pactadas al menor costo posible. Dentro de tales
mecanismos se incluye el comercio de los derechos de emisión de GEI (principalmente CO2),
Mecanismos para un Desarrollo Limpio (MDL) y las actividades conjuntas.
Los MDL son los únicos instrumentos que vinculan a los países desarrollados con la reducción
de las emisiones de GEI y que pueden posibilitar que tales países inviertan recursos en los
países en desarrollo, para el establecimiento de plantaciones de especies con un alto potencial
de fijación de CO2 atmosférico, y para la preservación y mantenimiento de las formaciones
224
225
boscosas, principalmente de la selva húmeda tropical cuya capacidad de fijación del CO2 aún
permanece sin cuantificar, por lo menos en lo que a Colombia se refiere.
Los estudios realizados hasta el momento por el Grupo Intergubernamental de Expertos
sobre el Cambio Climático (GIECC), establecen que los países tropicales con buena
disponibilidad de lluvias y radiación solar, suelos adecuados y adecuadas condiciones de
seguridad para las inversiones a largo plazo, pueden atraer inversiones externas para el
desarrollo de plantaciones y mantenimiento de formaciones boscosas naturales y artificiales
en el marco de los MDL.
Por ser país en vía de desarrollo, Colombia no tiene obligaciones sobre reducción de
emisiones de GEI. Sin embargo, estimaciones primarias llevadas a cabo por la Academia
Colombiana de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales (1998) han establecido que las
emisiones de CO2 en Colombia durante 1990, fueron del orden de 167 Gg, repartidos en un
66% debidos al cambio en los usos de la tierra y la silvicultura, 32% al sector energético y
2% a los procesos industriales.
Colombia posee una situación geográfica estratégica, y una amplia variedad de climas y
suelos, razón por la cual puede resultar beneficiada con el comercio internacional de
emisiones de carbono, al hacer uso de los MDL. El valor total global de este comercio,
calculado para el primer período de compromiso del Protocolo de Kyoto (2008 al 2012), se
estima entre 30 000 y 100 000 millones de dólares.
Sin embargo, el Protocolo de Kyoto, establece que el acceso a estos beneficios, debe ser
garantizado con metodologías basadas en fundamentos científicos que hagan posible
cuantificar y verificar con precisión el carbono fijado por las plantaciones actuales y nuevas
y por las formaciones vegetales de tipo selvático, así como el carbono retenido en sus
productos.
225