Fase escura

A fase escura da fotosíntese ou reaccións independentes da luz da fotosíntese é a fase da fotosíntese consistente na síntese de azucres por medio de reaccións encimáticas utilizando como fonte de carbono o CO2 atmosférico. Estas reaccións denomínanse ciclo de Calvin, teñen lugar no estroma dos cloroplastos e non precisan a absorción de enerxía da luz. A fotosíntese ten tamén unha fase previa, chamada fase luminosa na que se absorbe enerxía luminosa. O nome de escura procede, precisamente, desta non absorción de luz, pero non quere dicir que se produza de noite; de feito, as dúas fases da fotosíntese, luminosa e escura, teñen lugar de día; por iso ás veces se prefire falar de reaccións independentes da luz en vez de fase escura. De todos modos, este termo tamén ten algúns problemas, porque de forma indirecta a fase escura tamén está influída pola luz.
A síntese de azucres da fase escura require o gasto de enerxía en forma de ATP e de poder redutor en forma de NADPH, os cales se formaron na fase luminosa, polo que a fase escura non pode funcionar sen a fase luminosa. Para formar unha molécula de glicosa hai que gastar 18 ATP e 12 NADPH. Ademais, moitos dos encimas da fase escura só están activos se hai luz.
A substancia externa que absorbe a planta durante a fase escura é o CO2 atmosférico, que entra polos estomas das follas (na fase luminosa utilizábase auga). O CO2 únese a un azucre de 5 carbonos presente na planta chamado ribulosa 1, 5-bifosfato (ou ribulosa 1, 5-difosfato) nun proceso chamado fixación do carbono no cal o carbono do CO2 ao unirse a dito azucre forma un composto de 6 carbonos (que axiña rompe en dúas moléculas de 3 carbonos), que dá inicio ás reaccións do ciclo de Calvin. Para formar unha molécula de glicosa hai que absorber 6 CO2.
A ecuación xeral da fase luminosa para a formación dunha molécula de glicosa é: 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+→ C6H12O6 (glicosa) + 18 ADP + 18 Pi + 12 NADP+
Para sintetizar unha molécula de glicosa cómpre completar seis voltas do ciclo de Calvin. Tipos de fotosíntese segundo o tipo de fase escura
Existen tres tipos de fotosíntese segundo a forma en que ten lugar a fase escura: C3, C4 e CAM. A fotosíntese é C3 se o primeiro produto estable despois da fixación do carbono é un composto de 3 carbonos. Este composto é o 3-fosfoglicerato. Dáse en plantas de climas temperados ou fríos.
A fotosíntese é C4 se o primeiro produto estable despois da fixación do CO2 é un composto de 4 carbonos, o oxalacetato, que se produce a partir de fosfoenolpiruvato + CO2 nunha zona da folla (o mesofilo) distinta a onde ten lugar o ciclo de Calvin (a vaíña vascular), aínda que ambos os procesos teñen lugar de día. O carbono fixado no oxalacetato orixina despois, na vaíña vascular, o CO2 que entra no ciclo de Calvin. Pódese dicir que esta é unha forma de almacenar CO2 dentro da planta en forma de oxalacetato. Dáse en plantas de climas tropicais.
A fotosíntese CAM (Crassulacean Acid Metabolism) tamén orixina un primeiro produto estable de 4 carbonos, o oxalacetato, de xeito similar ás C4, pero este prodúcese no mesofilo de noite, entanto que o ciclo de Calvin ten lugar tamén no mesofilo pero de día. O carbono fixado no oxalacetato orixina despois, de día no mesofilo, o CO2 que entra no ciclo de Calvin. Dáse en plantas de climas áridos. Fixación do carbono
A fase escura comeza coa fixación redutiva do carbono procedente do CO2 no azucre presente nos cloroplastos ribulosa 1, 5-bifosfato (RuBP ou Ru1, 5DP). A reacción está catalizada polo encima ribulosa bifosfato carboxilase oxixenase ou, abreviadamente, rubisco (ou RuBisCO).
A ribulosa 1, 5-bifosfato é unha pentosa (de 5 C) cun fosfato unido a cada un dos carbonos dos extremos da molécula e un grupo cetona no carbono 2 (é unha cetosa).
A rubisco une o CO2 ao azucre formando un grupo COO- unido ao carbono 2 do azucre (onde estaba o carbonilo). Orixínase así no centro activo do encima un produto de seis carbonos chamado 3-ceto-2-carboxiarabinitol-1, 5-bisfosfato, que é moi inestable, polo que case instantanemente rompe en dúas moléculas de 3 carbonos de 3-fosfoglicerato (3PG). Este 3-fosfoglicerato é unha molécula estable, o primeiro produto estable da fase escura, que continuará as reaccións do ciclo de Calvin. CO2 + ribulosa 1, 5-bifosfato → 23-fosfoglicerato
Fotorrespiración
O encima rubisco ten propiedades especiais. É un encima que normalmente carboxila á ribulosa 1, 5-bifosfato (introduce CO2), pero en certas condicións en vez de carboxilar ten unha actividade oxidativa, na que en vez de introducir CO2 introduce O2 no azucre. Isto ten como consecuencia que en lugar de formárense dúas moléculas de 3-fosfoglicerato se forme unha molécula de fosfoglicerato e outra de fosfoglicolato. Esta actividade oxidativa ten lugar cando hai na planta concentracións altas de O2, baixas de CO2 e altas temperaturas. O fosfoglicolato así formado debe converterse en 3-fosfoglicerato por medio dun conxunto complexo de reaccións que se chama fotorrespiración. Na fotorrespiración hai que gastar ATP e poder redutor, polo que fai decrecer o rendemento da fotosíntese, e é prexudicial para a planta. Como nos climas tropicais e cálidos estarían favorecidas as condicións que promoven a fotorrespiración, as plantas desas zonas desenvolveron os tipos de fotosíntese C4 e CAM, que minimizan a fotorrespiración. Ciclo de Calvin
O ciclo de Calvin comeza coa fixación do carbono na ribulosa 1, 5-bifosfato e a formación de dúas moléculas de 3-fosfoglicerato. Despois o 3-fosfoglicerato inicia unha serie de reaccións nas que se rexenerará a ribulosa 1, 5-bifosfato, e se formará unha molécula de glicosa (produto neto que sae do ciclo) e se gastará ATP e NADPH producidos na fase luminosa. O ciclo divídese tradicionalmente en tres fases: fase carboxilativa ou de fixación do CO2 (da que xa falamos), fase redutiva e fase rexenerativa, das que falaremos agora.
Fase redutiva
O 3-fosfoglicerato convértese en 1, 3-difosfoglicerato con gasto de ATP en reacción catalizada pola fosfoglicerato quinase. 3-fosfoglicerato + ATP → 1, 3-difosfoglicerato + ADP
Despois, o 1, 3-difosfoglicerato (1, 3DPG) perde un dos seus fosfatos e redúcese con gasto de NADPH, orixinando gliceraldehido 3-fosfato (G3P), en reacción catalizada pola gliceraldehido 3-fosfato deshidroxenase. 1, 3-difosfoglicerato + NADPH + 12 H+ → gliceraldehido 3-fosfato + NADP+ + 12 Pi
Por cada 6 voltas do ciclo de Calvin (necesarias para formar unha glicosa) orixínanse 12 moléculas de gliceraldehido 3-fosfato. Cinco delas isomerízanse a dihidroxiacetona fosfato (DHAP) en reacción catalizada pola triosa fosfato isomerase e as outras sete permanecen como gliceraldehido 3-fosfato. Estas dúas moléculas forman un conxunto de triosas fosfato que intervirá nas reaccións da fase rexenerativa do ciclo. gliceraldehido 3-fosfato → dihidroxiacetona fosfato
Fase rexenerativa
Nesta fase, en cada 6 voltas do ciclo de Calvin, utilízanse 2 moléculas de triosas fosfato para formar a glicosa que sae do ciclo, e outras 10 para rexenerar a ribulosa 1, 5-bifosfato. Orixínanse azucres de 4, 5 e 7 átomos de carbono.
O gliceraldehido 3-fosfato e a dihidroxiacetona fosfato orixinan, pola acción da frutosa-bisfosfato aldolase, frutosa 1, 6-difosfato (F1, 6DP). gliceraldehido 3-fosfato + dihidroxiacetona fosfato → frutosa 1, 6-difosfato
Seguidamente a frutosa 1, 6-difosfato perde un fosfato orixinando frutosa 6-fosfato (F6P) pola acción da hexosadifosfatase. frutosa 1, 6-difosfato → frutosa 6-fosfato + Pi
Parte das moléculas de frutosa 6-fosfato utilízanse para formar glicosa 6-fosfato ou G6P (actúa a glicosa-6-fosfato isomerase), a cal xa está fóra do ciclo e é o produto neto formado cada seis voltas do ciclo. Pode perder o seu fosfato e dar glicosa por acción da glicosa 6-fosfatase. Da glicosa formada vivirá a planta. A planta pode almacenar a glicosa como amidón ou mobilizala polos vasos do floema como sacarosa. frutosa 6-fosfato → glicosa 6 fosfato
glicosa 6-fosfato → glicosa + Pi
Outra parte das moléculas de frutosa 6-fosfato formadas reaccionan co gliceraldehido 3-fosfato, pola acción da transcetolase, orixinando xilulosa 5-fosfato (Xu5P) e eritrosa 4-fosfato (E4P). frutosa 6-fosfato + gliceraldehido 3-fosfato → xilulosa 5-fosfato + eritrosa 4-fosfato
Despois, a eritrosa 4-fosfato formada reacciona coa dihidroxiacetona fosfato pola acción dunha aldolase, dando sedoheptulosa 1, 7-difosfato (S1, 7DP). eritrosa 4-fosfato + dihidroxiacetona fosfato → sedoheptulosa 1, 7-difosfato
A sedoheptulosa 1, 7-difosfato desfosforílase en reacción catalizada pola sedoheptulosa-1, 7-bisfosfatase para dar sedoheptulosa 7-fosfato (S7P) e fosfato libre. sedoheptulosa 1, 7-difosfato → sedoheptulosa 7-fosfato + Pi
A sedoheptulosa 7-fosfato reacciona co gliceraldehido 3-fosfato (actúa o encima transcetolase) dando ribosa 5-fosfato (R5P) e xilulosa 5-fosfato. sedoheptulosa 7-fosfato + gliceraldehido 3-fosfato → ribosa 5-fosfato + xilulosa 5-fosfato
Tanto a ribosa 5-fosfato coma a xilulosa 5-fosfato poden orixinar por medio de isomerizacións (catalizadas pola fosfopentosa isomerase e a fosfopentosa epimerase) moléculas de ribulosa 5-fosfato. ribosa 5-fosfato → ribulosa 5-fosfato
xilulosa 5-fosfato → ribulosa 5-fosfato
A ribulosa 5-fosfato vai ser a molécula que se utilice para rexenerar a ribulosa 1, 5-bifosfato (RuBP ou Ru1, 5DP) e así pechar o ciclo de Calvin. Para iso vai ser fosforilada pola fosforribulosaquinase con gasto de ATP. ribulosa 5-fosfato + ATP → ribulosa 1, 5-bifosfato + ADP
Esta ribulosa 1, 5-bifosfato xa pode recomezar o ciclo cunha nova fixación de CO2. Regulación da fase escura
Malia o estendida que está a denominación de fase escura, esta fase non pode realizarse na escuridade ou pola noite. Isto é así non só porque require ATP e NADPH, que se producen na fase luminosa (que, obviamente tamén ten lugar de día), senón tamén porque moitos dos encimas implicados están regulados dun modo dependente da luz.
Hai dous sistemas de regulación que funcionan cando o ciclo debe ser regulado: o sistema de activación tiorredoxina/ferredoxina, que activa algúns dos encimas do ciclo, e a activación do encima rubisco, que implica ao seu propio encima rubisco activase.
O sistema tiorredoxina/ferredoxina activa os encimas glieraldehido 3-P deshidroxenase, gliceraldehido 3-P fosfatase, frutosa 1, 6-difosfatase, sedoheptulosa 1, 7-difosfatase, e ribulosa 5-fosfato quinase, que son puntos chaves na fase escura. Isto ocorre cando hai luz, xa que a proteína ferredoxina é reducida no complexo do fotosistema I da cadea de transporte electrónico tilacoidal cando os electróns están circulando por ela. A ferredoxina despois únese á proteína tiorredoxina e redúcea, a cal activa os encimas do ciclo ao romper os enlaces cistina (pontes disulfuro) que hai en todos eses encimas. Este é un proceso dinámico, xa que o mesmo enlace fórmase de novo pola acción doutras proteínas que desactivan os encimas. As implicacións deste proceso son que os encimas permanecen principalmente activados polo día e son desactivados na escuridade, cando xa non se dispón de ferredoxina reducida.
O encima rubisco ten o seu propio proceso de activación, que é máis complexo. Para activar o encima cómpre que sexa carbamilado un residuo específico de lisina. Esta lisina carbamilada únese á ribulosa 1, 5-bifosfato, e o encima está en estado inactivo se non está carbamilada. Un encima específico de tipo activase, chamado rubisco activase, intervén neste proceso de carbamilación eliminando un protón da lisina e facendo posible a unión da molécula de dióxido de carbono (o substrato). Mesmo así, o encima rubisco non é aínda funcional, xa que precisa o ión magnesio para unirse á lisina e poder funcionar. Este ión magnesio é liberado do lume do tilacoide cando o pH interno cae debido ao bombeo activo de protóns durante o fluxo de electróns. O encima rubisco activase é activado cando se incrementan as concentracións de ATP no estroma causadas pola súa fosforilación.