11.- OTRAS VÍAS DE FIJACION Y ASIMILACIÓN DEL CO2. PLANTAS C-4. Características generales. Anatomía foliar. Bioquímica de la ruta C-4. Tipos de plantas C-4. Regulación del proceso. Significado fisiológico y ecológico de las plantas C-4. Metabolismo ácido de las crasuláceas. Características generales. PLANTAS CAM. Rutas metabólicas de las plantas CAM. Regulación. Significado fisiológico y ecológico de las plantas CAM. Excepcionalmente al comprender esta temas dos procesos, aunque afines diferentes, el tema se subdivide como se indica a continuación. PLANTAS C4 Contenidos: Plantas que bombean CO2: definición, causas de su aparición. Concepto de diferenciación espacial. Caracteristicas anatómicas de las hojas C4: células del mesófilo, células de la vaina. Adaptaciones de las plantas C4: economía hídrica, economía del nitrógeno, supresión de la fotorrespiración. Ruta bioquímica de las C4: fases, tipos de intermediarios tetracarbonados, enzimas específicos. Significado biológico. Objetivos: Al ser este un tema totalmente nuevo es importante establecer claramente las bases del proceso. Conocer la morfología que hace posible que se pueda llevar a cabo el proceso de bombeo y fijación alternativo de CO2. Comprender la aparición de estas alternativas en ambientes áridos y tropicales. Características generales de las plantas C4 Se trata de vías alternativas de fijación del CO2 q científicamente se conocen como plantas que bombean CO2 o plantas C-4. Esta última denominación hace referencia al primer intermediario que se detecta que es una molécula de 4 átomos de Carbono, concretamente ácido aspártico y ácido málico, a diferencia de las C-3 que es una molécula de tres átomos de Carbono. Su descubrimiento tuvo lugar al validar los experimentos de Calvin y Melvin en especies de interés agronómico, como la caña de azúcar y el maíz. El problema ecofisiológico que se plantea en las plantas C4 al vivir en zonas áridas, cálidas y semiáridas es que debido a las elevadas temperaturas la concentración efectiva de CO2 en el mesófilo de la hoja es baja, puesto que en la atmósfera también lo es. Y además existen barreras, sobre todo la apertura estomática, que limitan el flujo de CO2 hacia la rubisco. Mantener los estomas abiertos para que pueda penetrar el CO2 les supondría un coste elevado en pérdida de agua por transpiración. Para solucionarlo han desarrollado un sistema que les permite fijar CO2 rápidamente en forma de ácido málico o ácido aspártico para liberarlo después en el entorno de la rubisco. Este mecanismo C-4 lleva asociados algunas modificaciones anatómicas y morfológicas respecto a las plantas C-3 (Fig. 112.4). Anatomía foliar En las plantas C-4 se han desarrollado una anatomía particular del mesófilo que se conoce como anatomía Kranz (Fig. 2): las células del mesófilo, en lugar de formar el parénquima lagunar y en empalizada de las C-3, se asocian alrededor de los haces vasculares formando una vaina espesa de células clorofílicas grandes con los cloroplastos dispuestos en la periferia y con paredes celulares muy densamente atravesadas por plasmodesmos. Rodeando directamente los haces vasculares se encuentran unas células clorofílicas más pequeñas denominadas células de la vaina. Las células del mesófilo contienen cloroplastos normales con abundantes granas. Las células de la vaina no tienen tilacoides granales. Así, los cloroplastos de células del mesófilo contienen los dos fotosistemas, PSI y PSII, pudiendo generar ATP y NADPH, mientras que los de células de la vaina sólo contienen fotosistema I. Además también presentan diferencias en los orgánulos. Comparado con la disposición anatómica C-3 así se genera una mayor proporción de espacio aéreo dentro de la hoja alrededor de las células del mesófilo y un contacto más directo entre las células de la vaina y el floema facilitando la difusión de CO2 y el flujo de Carbono en forma de CO2 en el espacio. Se trata de una diferenciación espacial para que el rendimiento de la rubisco sea óptimo. Fig. 2: Microfotografía que muestra la anatomía Kranz del maíz, planta C-4 (tomado de Buchanan, Gruissem and Jones, Illustrations from Biochemistry & Molecular biology of plants ). En las células de la vaina hay ribulosa fosfato carboxilasa, a diferencia de en las células del mesófilo que no la hay, ya que así se anula la competencia por la actividad oxigenasa ya que en las células de la vaina hay muy poco oxígeno (casi nulo) por lo que se producirá biomasa. Además las células de la vaina pueden tener una apertura de estomas más adaptada sin aportación limitante de CO2, incluso en climas áridos (donde hay más evapotranspiración) y habría que cerrar los estomas en las plantas C4 no hace falta debido al mesófilo o estructura de Kranz al haber tantas diferencias de unas células o otras (células de la vaina y células del mesófilo). Por todo esto las plantas C4, a diferencia de las plantas C3, no tiene fotorrespiración. Bioquímica de la ruta C4 Las etapas bioquímicas a nivel general son (Fig. 3. Fig11.2): 1. Asimilación de CO2, en células del mesófilo, que se transforma rápidamente mediante un proceso de hidratación en HCO3¯ el cual se fija al fosfoenolpiruvato en una reacción de carboxilación catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxilasa para dar oxalacetato. 2. Transporte de los ácidos C-4 (málico o aspártico) a las células de la vaina. 3. Decarboxilación de los ácidos C-4 en las células de la vaina y generación de CO2 que entra al ciclo de Calvin. 4. Regreso a las células del mesófilo de los ácidos C3 (piruvato o alanina) y posterior regeneración del aceptor inicial, fosfoenolpiruvato. Fig.3. Fig. 11.2: Aspectos generales de la ruta C-4 (tomado de Buchanan, Gruissem and Jones, Illustrations from Biochemistry & Molecular biology of plants ). Así se produce un transporte de CO2 a las células de la vaina donde está la mayor parte de la rubisco. La elevada concentración de CO2 que se puede conseguir en dichas células de la vaina (20 veces superior a las células del mesófilo) aumenta la eficiencia de carboxilación de la rubisco quedando prácticamente anulada la actividad oxigenasa (como ya antes comentábamos) y por tanto la fotorrespiración. Con lo que los rendimientos fotosintéticos son superiores a los que se consiguen en una planta C-3. Por tanto hay dos fases fundamentales en la bioquímica de las plantas C4: Descarboxilación: Libera CO2 al ciclo de Calvin. Fosforilación: Regenerar el fosfoenolpiruvato. En estas dos etapas se gastan más ATP que en plantas C3, en concreto 2 ATPs más. Por tanto en general en las plantas C4 para la asimilación del CO2 se gastan 5 ATPs, pero esto no reduce la biomasa al no haber fotorrespiración. Las plantas C4 no discriminan isotópicamente para ser más efectivas ya que les sirve cualquier isótopo del CO2, en cambio en las plantas C3 si hay una discriminación isotópica ya que sólo les sirve el isótopo 12 del CO2. Por tanto basándonos en la cantidad de isótopos que hay en la atmósfera podremos saber si una planta es C4 o C3. Esto es muy utilizado en aspectos ecológicos. Tipos de plantas C4 Según el tipo de enzima descarboxilativo hay tres subtipos (Tabla. 1): de plantas C-4. Nombre subtipo del 1. NADP-ME Ácido C-4 principal en las células de la vaina Málico 2. NAD-ME Aspártico 3. PEP-CK Málico Enzima de descarboxilación Enzima málica dependiente de NADP (cloroplasto) Enzima málica dependiente de NAD(mitocondria) Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (citoplasma) Ácido C-3 devuelto a las células del mesófilo Piruvato Ejemplos Alanina Panicum milliaceum Piruvato/alanina Panicum máximum Maíz, caña de azúcar Tabla. 1. Subtipos del ciclo fotosintético C-4, mostrando las características diferenciales y lugares de descarboxilación. 1. Málico NADP dependiente: Todo el proceso se realiza en los cloroplastos, tanto de las células del mesófilo como las células de la vaina. (Fig. 5) . Fig.5. Vía fotosintética en plantas c4 tipo malico NADP dependiente 2. Málico NAD dependiente. (Fig. 6) Fig.6. Vía fotosintética en plantas C4 tipo Málico NAD dependiente. 2. Fosfoenolpirúvico carboxikinasa. Vía fotosintética en plantas C4 tipo PEP carboxikinasa (Fig. 7). En estos dos últimos tipos intervienen las mitocondrias aportando poder reductor extra. Fig.7. C4 tipo PEP carboxikinasa Regulación del proceso El proceso esta regulado principalmente por luz en la actividad de la fosfoenolpiruvato carboxilasa (asimila CO2) y en la piruvato dikinasa (regenera el oxalacetato). Están regulados por luz produciendo cambios alostéricos en la estructura proteica del enzima entre periodos de luz y de oscuridad: Piruvato-fosfato dikinasa (PPDK): Modificación o fosforilación de un residuo siempre unido a un residuo de treonina ya que esa modificación activa en presencia de luz e inactiva en oscuridad. Fosfoenolpiruvato carboxilasa (PEP carboxilasa): Modificación o fosforilación de un residuo siempre unido a serina para que sea más activa en presencia de luz y menos activa en oscuridad. Significado ecofisiólogico de las plantas C4 La estructura Kranz crea un microambiente donde predomina el CO2 teniendo la enzima rubisco actividad carboxilasa aunque la presión de oxígeno sea desfavorable. Esto les permite tener los estomas prácticamente cerrados evitando las pérdidas de agua por transpiración. Las plantas C-4 se adaptan, pues, mejor a climas áridos al desarrollar el mecanismo, ya descrito, de bombeo de CO2. PLANTAS CAM Contenidos: Concepto de diferenciación temporal. Caracteristicas anatómicas de las plantas CAM. Adaptaciones de las plantas CAM: economía hídrica, dinámica estomática, disminución de la fotorrespiración. Ruta bioquímica CAM: almidón y ácidos orgánicos, variación temporal y uso de metabolitos. Plantas acuáticas: caracteristicas del medio acuatico, uso del ion bicarbonato, anhidrasa carbónica. Objetivos: Establecer claramente las bases del proceso. Conocer la fisiología del proceso. Conocer la morfología específica. Conocer la presión ambiental que lo ha hecho posible. Conocer la evolución temporal (día/noche) que tiene lugar. Significado fisiológico de las plantas CAM Estas especies vegetales tienen hojas carnosas con una baja relación superficie/volumen. Esto es debido principalmente a que estas plantas viven en climas áridos y/o desérticos, y dicha modificación surge como una adaptación al medio. Su metabolismo se estudio inicialmente en algunas especies de Crasuláceas y es comúnmente conocido como metabolismo ácido de las Crasuláceas, o abreviadamente CAM. Características generales de las plantas CAM El nombre de metabolismo ácido hace referencia a la acumulación de ácidos orgánicos durante la noche por las plantas. La fotosíntesis CAM va asociada con hojas de anatomía suculenta. En estas plantas la separación de las dos carboxilaciones no es espacial sino temporal. Esta separación temporal hace que la asimilación del carbono tenga lugar durante la noche, de este modo pueden mantener los estomas abiertos sin que se produzcan pérdidas de agua y cerrarlos por el día. La fotosíntesis CAM se asocia con una elevada eficiencia en el uso del agua. La anatomía de las plantas suculentas se caracteriza por la ausencia de una capa de células de empalizada bien definida. En su lugar, un mesófilo esponjoso llena la mayor parte de la estructura fotosintética. Incluso la vaina de células que rodea a los conductos vasculares es mesofílica. Las células del mesófilo contienen, además de cloroplastos, grandes vacuolas. Es frecuente que las plantas C3 desarrollen estructuras suculentas con fotosíntesis CAM en condiciones de sequía. Fig. 8 Anatomía característica de las plantas CAM (cáctus). Obsérvese la estructura suculenta y carnosa de la planta. Rutas metabólicas de las plantas CAM 1. Sucede durante la noche. Hay una disminución de la resistencia estomática y un aumento del ácido málico. Al final de la noche, a medida que se va agotando el fosfoenolpiruvato, la concentración de malato va a alcanzar un estado estacionario y esa fijación de CO2 disminuye rápidamente porque no hay sustrato. 2. Primeras horas tras el amanecer. Sigue siendo una disminución de la resistencia estomática y aquí puede haber una fijación de CO2 por la vía C3. 3. Estamos al mediodía. Va a tener la fase CAM propiamente dicha, estomas totalmente cerrados, no entra prácticamente CO2, el malato se descarboxila y la rubisco puede actuar mediante el ciclo de Calvin. 4. Estamos en el atardecer. A medida que disminuye la cantidad de malato, la tasa de reducción de CO2 es mayor que la tasa de liberación interna por malato, por tanto hay una disminución de la presión del CO2 en el entorno de rubisco, esto conlleva a que se abran los estomas y si hay algo que fijar es por la vía C3. (Figs. 9 y 10.Fig.15.6). La dinámica del almidón es al revés que la del ácido málico, ya que hay mucho almidón durante el día y poco por la noche. Las reservas del almidón generadas durante el día van al bul de triosas fosfato para generar el fosfoenolpiruvato que darán lugar al piruvato que sirve de esqueleto para volver a generar otra vez almidón y volver a empezar el ciclo. Fig. 9. Vía de fijación del CO2. Es necesario destacar la separación espacial que existe en el proceso de fijación de CO2 atmosférico que tiene lugar durante la noche y la posterior decarboxilación, durante el día, de una molécula intermediaria, malato, obteniéndose en el proceso una molécula de CO 2 el cual entre directamente al ciclo de Calvin. El ATP y el poder reductor requeridos en diversas etapas son proporcionadas por el transporte electrónico fotosintético. Fig. 9. Metabolismo fotosintético en CAM Significado Fisiológico y ecológico de las plantas CAM Por su ciclo anormal de apertura estomática, las plantas CAM están especialmente adaptadas a climas áridos. Mientras que las plantas C4 están adaptadas a ambientes de continua a lo largo del día, las plantas CAM parecen mejor adaptadas a ambientes con aridez cíclica diurna, debido a los cambios acusados de temperatura del día a la noche. Las plantas C4 parecen, además, adaptadas a ambientes con aridez que fluctúa con periodos largos, como ocurre en las zonas tropicales. A continuación se presentan cuadros resumen sobre las características principales y diferenciales de plantas C3, C4 y CAM. Ejemplo de especie Hábitat Organización anatómica diferencial Enzima de carboxilación PLANTAS C3 Castaño Clima templado Normal: Parénquima en empalizada Parénquima lagunar Rubisco PLANTAS C4 PLANTAS CAM Maíz / caña de azúcar Clima cálido Cáctus Separación espacial: Células del mesófilo Células de la vaina PEP carboxilasa/ Rubisco Lugar de Estroma del La 1ª carboxilación cloroplasto carboxilación en células del mesófilo La 2ª carboxilación en células de la vaina Asimilación del CO2 Producción de biomasa Coste energético de fijar una molécula deCO2 Ciclo de Calvin Menor que en plantas C4 3 ATP / 2 NADPH Ciclo de Calvin Gran tasa de producción de biomasa 5 ATP / 4 NADPH Clima árido/desértico Separación temporal: vacuola Hojas suculentas PEP carboxilasa/ Rubisco La 1ª carboxilación en el citoplasma por la noche La 2ª carboxilación por el día en el estroma Ciclo de Calvin Gran tasa de producción de biomasa 5 ATP / 4 NADPH Alexia Viqueira Fernández (2005-06)