0 Fisiologia Vegetal II 2008

FISIOLOGA VEGETAL II: METABOLISMO, CRECIMIENTO Y DESARROLLO

1/. Docente de la Facultad de Agronoma UNAS. 2008.

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DEPARTAMENTO ACADMICO DECIENCIAS AGRARIAS

Metabolismo, Crecimiento

y Desarrollo VegetalING. M.Sc. FERNANDO S. GONZLES HUIMAN

2008



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INDICE

CONTENIDO Pg.

I. ENZIMAS VEGETALES 41.1. Introduccin 41.2. Estructura enzimtica 51.3. Activadores enzimticos 51.4. Localizacin de las enzimas: 61.5. Nomenclatura 61.6. Clasificacin de las enzimas 61.7. Catlisis molecular 81.8. Relaciones entre la enzima y el sustrato 111.9. Factores que afectan la actividad de las enzimas 131.10. Estructura y funciona de la rubisco 161.11. Distribucin de las enzimas en la clula 191.12. Modulacin alostrica de la actividad enzimtica 191.13. Efecto de la modificacin covalente sobre la actividad enzimtica 20

II. LA FOTOSINTESIS 212.1. Introduccin 212.2. Historia de la fotosntesis 212.3. Los factores ambientales y la fotosntesis 232.4. Localizacin de la fotosntesis: 252.5. Pigmentos fotosintticos 262.6. Plantas rojas 262.7. Fases de la fotosntesis 292.8. En el contexto ecolgico 382.9. Fotosntesis: diferencias en las vas metablicas C3, C4 y CAM 382.10. Aproximacin al anlisis de gasto energtico y poder reductor en las vas de fijacin y

asimilacin de co2. 412.11. Fotosntesis sin clorofilas 422.12. Factores que influyen en la fotosntesis 422.13. Fotorrespiracin 432.14. Importancia biolgica de la fotosntesis 452.15. Ciclo del carbono 452.16. Fotosntesis artificial: cuando la ingeniera imita a las plantas 502.17. Un nuevo material permite la fotosntesis artificial de forma econmica 53

III. RESPIRACION VEGETAL 553.1. Conciente respiratorio (CR) 563.2. Tipos de respiracin 573.3. Reacciones de la respiracin aerbica 583.4. cadena de transporte de electrones (CTE) 653.5. Respiracin anaerbica 683.6. ATP como reservorio de energia 693.7. Ecuaciones globales de las diferentes vas de degradacin de la glucosa y rendimiento

Energtico en moles de ATP/mol de glucosa 713.8. Factores que afectan la respiracin 713.9. Va de las fosfatos pentosas (VFP) 723.10. El ciclo del glioxilato y los glioxisomas 74

IV. CRECIMIENTO Y DESARROLLO 764.1. Conceptos iniciales 764.2. Bases del desarrollo vegetal 774.3. Factores condicionantes del crecimiento y desarrollo vegetal 77



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4.4. Efecto de la luz en el crecimiento y desarrollo de las plantas 78

V. HORMONAS VEGETALES 895.1. Auxinas 905.2. Giberelinas (cidos giberlicos) 945.3. Cinetinas (citoquininas, fitoquiminas) 955.4. Acido abcsico. 965.5. Alteracin poscosecha en la concentracin de fitohormonas 965.6. Otros reguladores vegetales 975.7. Fitohormonas no hormonales o bioestimualntes 99

VI. ORGANIZACIN EN EL ESPACIO 1016.1. Respuestas trpicas 1016.2. Respuestas nsticas 105

VII. REPOSO Y VERNALIZACIN 1087.1. El reposo 1087.2. Vernalizacin 113

VIII. ESTRES: RESISTENCIA Y TOLERANCIA 1148.1. Tipos de estrs 1148.2. Tipos de resistencia 1148.3. Respuesta de los organismos al estrs en funcin del tiempo 1158.4. Factores generales que inducen estrs en las plantas y sus interrelaciones 1168.5. Estrs hdrico 1178.6. Estrs salino 1238.7. Estrs inico 125

IX. EL RELOJ BIOLGICO 1309.1. Cmo funcionan los relojes biolgicos? 1329.2. Funciones del reloj biolgico 1329.3. Implicancia de reloj biolgico en la agricultura 132

X. ALELOPATA 13310.1. El modo de accin de las molculas alelopticas sobre sus plantas objetivos 13310.2. Las sustancias de efecto alelo tpico 13410.3. Naturaleza qumica de los agentes alelopticos 13410.4. Biosntesis de los agentes alelopticos 13610.5. Modo de liberacin de los agentes alelopticos 13710.6. Mecanismos de accin de los agentes alelopticos 13810.7. Importancia del conocimiento de los procesos alelopticos 14210.8. Efectos aleloqumicos 14310.9. Plantas tiles en el control y empleo orgnico de parsitos, plagas y enfermedades en

animales domsticos 14410.10. Control orgnico de insectos y plaga algunos cultivos alelopticos 14510.11. Mezclas botnicas 146

10.12. Cultivos mixtos 14610.13. Control de patgenos con sustancias animales y minerales 14710.14. Otras investigaciones 150

XI. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA 152



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I. ENZIMAS VEGETALES1/. Ing.M.Sc. Fernando S. Gonzles Huiman

1.1. INTRODUCCIN

Las enzimas son biocatalizadores de naturaleza proteica. Todas las reacciones qumicas del metabolismo celularse realizan gracias a la accin de catalizadores o enzimas. La sustancia sobre lo que acta una enzima sedenomina substrato. Pasteur descubri que la fermentacin del azcar mediante levaduras, con su conversin enalcohol etlico y anhdrido carbnico es catalizada por fermentos o enzimas. En 1897 Buchner logro extraer de lasclulas de levadura las enzimas que catalizan la fermentacin alcohlica. Summer en 1926, aisl en formacristalina la enzima ureasa, a partir de extractos obtenidos de Cannavalia enzyformis (Fabaceae) la que hidrolizala urea segn la siguiente reaccin:

ureasa

(NH2)2CO + H2O CO2 + 2NH3

En 1930, Northrop aisl en forma cristalina las enzimas digestivas: pepsina, tripsina y quimo tripsina. En laactualidad se conocen mas de 2 000 enzimas que han sido aisladas en forma cristalina.

Cada clula y cada tejido tienen su actividad propia, lo que comporta continuos cambios en su estadobioqumico, en la base de la cual estn las enzimas, que tienen el poder de catalizar, facilitar, y agilizardeterminados procesos sintticos y analticos. Los propios genes son reguladores de la produccin de lasenzimas; por tanto, genes y enzimas pueden considerados como las unidades fundamentales de la vida.

Este concepto poco difundido casi hasta el siglo XX, se ha desarrollado y concretado cada vez mas, y constituyeun componente esencial de diversas disciplinas: la microbiologa, la fisiologa, la bioqumica, la inmunologa y lataxonoma, formando adems parte del campo aplicado, en gran variedad de industrias. El rasgo particular de lasenzimas es que pueden catalizar procesos qumicos a baja temperatura, compatible con la propia vida, sin elempleo de sustancias lesivas para los tejidos. La vida es, en sntesis, una cadena de procesos enzimticos,desde aquellos que tienen por sustratos los materiales mas simples, como el agua (H2O) y el anhdrido carbnico(CO2), presentes en los vegetales para la formacin de hidratos de carbono, hasta los mas complicados queutilizan sustratos muy complejos.

La formacin de los prtidos, los glcidos y los lpidos es un ejemplo tpico: Son a la vez degradados yreconstruidos por otras reacciones enzimticas, produciendo energa a una velocidad adecuada para elorganismo, sin el gasto energtico que exigen los mtodos qumicos de laboratorio.

Desde el punto de vista qumico, las enzimas estn formadas de carbono (C), Hidrgeno (H), oxigeno (O),Nitrgeno (N), y Azufre (S) combinados, pero siempre con peso molecular bastante elevado y comnpropiedades catalticas especificas.En trminos generales los catalizadores se caracterizan por las siguientes propiedades:

1o Son eficaces en pequeas cantidades. Tienen un nmero de recambio alto, que varia entre 100 y 36millones (anhidrasa carbnica). El nmero de recambio o actividad molar, se define como la cantidad desubstrato transformado en la unidad de tiempo por una cantidad dada de enzima, por Ej. La catalasahidroliza 5,6 * 105 molculas de H2 O2 por molcula de enzima por minuto, por lo que su nmero derecambio es 5,6 * 105.

2o No se alteran durante las reacciones en que participan.3o Aceleran el proceso para la obtencin del equilibrio de una reaccin reversible.4o Muestran especificidad. La accin de la enzima es extremadamente selectiva sobre un substrato especfico.

Las enzimas tienen pesos moleculares que oscilan entre 12,000 y Un milln. Algunas enzimas son protenasconjugadas; ya que poseen un grupo no proteico o prosttico, por Ej. Un azcar - glucoprotenas, un lpido lipoprotena, un cido nucleico nucleoprotenas.



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1.2. ESTRUCTURA ENZIMTICA

Por su estructura y composicin qumica puede afirmarse que el origen de las enzimas esta vinculando al origende las sustancias proteicas. Al hablar del origen de la vida se ha citado el xito de los experimentos realizados enel laboratorio para la produccin de aminocidos; estos aminocidos son los que precisamente constituyen labase del edificio proteico. Tambin en el laboratorio se ha intentado la sntesis de protenas a partir deaminocidos.

La sede de las enzimas es el citoplasma. Los cloroplastos vegetales contienen una amplia gama enzimasencargadas de la funcin cloroflica, proceso que a travs de reacciones qumicas complejas y encadenadastransforman compuestos inorgnicos, como el agua, y el anhdrido carbnico, en sustancias complejasadecuadas para ser entre otras cosas el alimento fundamental de los animales.

En las mitocondrias existe un sistema de transporte de electrones que determinan importantes fenmenos deoxidorreduccin, durante los cuales se forman notables cantidades de ATP, que es un compuesto altamenteenergtico del que depende la mayor parte de metabolismo, y coma, por tanto el trabajo de las clulas; en lasmitocondrias se produce el metabolismo enzimtico de los cidos grasos, los cuales son en parte elaboradostambin en el citoplasma.

En los ribosomas tiene lugar concretamente todas la s sntesis de las sustancias proteicas, mientras que en loslisosomas se producen enzimas hidrolticos cuya misin escindir, con la intervencin del agua, molculasgrandes en otras menores, que pueden a su vez ser utilizadas por las clulas; en cambio, las enzimasglucolticos estn difundidos en el citoplasma.

La localizacin de las sedes de las distintas operaciones enzimticas antes mencionadas ha sido posible a travsdel sistema de ruptura de las clulas y de la separacin de los distintos componentes mediante centrifugacindiferencial del homogeneizado de estas la ruptura celular y la subdivisin de los componentes subcelulares serealizan actualmente utilizando los tejidos, por ejemplo con saltos bruscos desde temperaturas inferiores a 0 Chasta temperaturas mas elevadas con cambios de presin osmtica o mediante ultrasonidos.

Una enzima completa se denomina holoenzima, y esta formada por una parte proteica (apoenzima) y uncofactor no proteico (coenzima):

HOLOENZIMA = APOENZIMA + COENZIMA

Entre los cofactores que requieren las enzimas para su funcionamiento estan las coenzimas: NADPH+H(nicotinamida adenina dinucletido fosfato reducido), NAD (nicotinamida adenina dinucletido), FAD (flavinaadenina dinucletido), piridoxal, biotina, tiamina, acido tetrahidroflico, cobalamina de los minerales para el buenfuncionamiento y crecimiento de las plantas.

1.3. ACTIVADORES ENZIMATICOS

Es cualquier factor que permita por una parte atraer al sustrato a su centro activo; adems, algo que permita larpida salida de los productos tambin pude considerarse como un activador. As se reconocen diversasposibilidades:

1. Activacin inica. Numerosos metales monodivalentes son necesarios para la actividad enzimtica dediversos sistemas. Destacan entre ellos los siguientes: K+, Mn++, Mg++, Ca++, Fe+++, Cu+, Cu++, etc. A menudoel metal, a estas condiciones, es el centro que permite la unin conjunta del sustrato, de la coenzima y de lamisma apoenzima con la que forma quelatos (de chelos, garra; complejos moleculares sostenidos por unmetal) al unirse con grupos cargados elctricamente. Muy a menudo se demuestra que es posible sustituirlos metales divalentes entre ellos, sin grandes modificaciones de la velocidad de la reaccin.

Los metales como el hierro, el cobre y el molibdeno, actan a menudo como transportadores de electrones yno se les puede considerar activadores en el sentido estricto pues forman parte integral del grupo prosttico.



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Algunos aniones tambin son necesarios para la actividad de ciertas enzimas; bien conocido es el caso delCl-, el que puede sustituirse, a un cuando con baja de la velocidad, por Br-, para la amilasa salival; o elpropio radical fosfato que se requiere en reacciones de fosforilacin.

2. Activacin por el grupo prosttico. En determinadas reacciones estos son indispensables para el trabajode la enzima y constituyen, en rigor, la parte funcional activa del sistema.

3. Activacin de la apoenzima. Consiste en la obtencin de una correcta estructura del centro activo de laprotena con actividad enzimtica, ya referido anteriormente.

Varias enzimas slo pueden funcionar en presencia de uno o ms iones o de determinadas molculas llamadasactivadores enzimticos. Estas molculas no toman parte directa en la accin, pero mantienen a la enzima, en unestado cataltico activo. Entre los iones ms comunes encontramos al potasio (K+), el magnesio (Mg++), el calcio(Ca++), el cobalto (Co++), el zinc (Zn++) y el aluminio (Al+++). A estas molculas activadoras se les llama coenzimasy tambin pueden ser protenas.

Cuadro 1. Iones activadores de enzimas

Elemento Enzimas ActivadasZn++ Deshidrogenasas, anhidrasa carbnica, ARN y ADN polimerasas.Mg++ Fosfohidrolasas, RUBISCO, fosfotransferasas, fosfatasas.Mn++ Arginasas, peptidasas, quinasas.Mo Nitratoreductasa, nitrogenasa.Fe2+ , Fe3+ Citocromos, catalasas, ferredoxina, peroxidasas, nitritoreductasa.Cu2+ Citocromo oxidasa, tirosinasa, acido ascrbico oxidasa, plastocianina.Ca2+ 1,3 b glucan sintetasa, calmodulina.K+ Piruvato fosfoquinasa, ATPasa.Co Vitamina B12 hallada en microorganismos y animales, pero no en plantas.

Importante en la fijacin simbitica de nitrgeno.Ni Ureasa.

1.4. LOCALIZACIN DE LAS ENZIMAS:

En los eucariontes, muchas enzimas se localizan en organelos especficos en la clula. Estacompartamentalizacin ayuda a aislar los substratos de la reaccin o productos de la misma, de tal forma que nohay competencia de reacciones, de esta manera se provee un medio favorable para la reaccin, de tal forma quees posible localizar diferentes partes del metabolismo en diferentes organelos, haciendo a la clula una entidadorganizada en donde simultneamente funcionan miles de enzimas. La mayor cantidad de enzimas seencuentran en el citoplasma.

1.5. NOMENCLATURA

Antiguamente las enzimas fueron nombradas atendiendo al substrato sobre el que actuaban, aadindole elsufijoasa o haciendo referencia a la reaccin catalizada. As tenemos que la ureasa, cataliza la hidrlisis de laurea; la amilasa, la hidrlisis del almidn; la lipasa, la hidrlisis de lpidos; la ADNasa, la hidrlisis del ADN; laATPasa, la hidrlisis del ATP, etc.

1.6. CLASIFICACION DE LAS ENZIMAS

Debido al gran nmero de enzimas conocidas en la actualidad, se ha adoptado una clasificacin y nomenclaturams sistemtica, en la que cada enzima tiene un nmero de clasificacin que la identifica.

1. Oxidorreductasas. Reacciones de transferencia de electrones.2. Transferasas. Transferencia de grupos funcionales. Ej. UDP-glucosa-fructosa-glucotransferasa.3. Hidrolasas. Reacciones de hidrlisis. Ej. Lipasa, proteasa, celulosa.



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4. Liasas. Adicin a dobles enlaces. Ej. Carboxilasa, fenilalanina amonioliasa.5. Isomerasas. Reacciones de isomerizacin Ej. Fosfoglucosa isomerasa.6. Ligasas. Se conocan como sintetasas. Participan en la formacin de enlaces con hidrlisis de ATP.

Cuadro 2. Grupos de enzimas, accin y ejemplos.

Grupo Accin ejemplos

1. Oxidorreductasas

Catalizan reacciones de oxidorreduccin. Tras la accincataltica quedan modificados en su grado de oxidacin porlo que debe ser transformado antes de volver a actuar denuevo.

DeshidrogenasasAminoxidasaDesaminasasCatalasas

2. Transferasas

Transfieren grupos activos (obtenidos de la ruptura de ciertasmolculas) a otras sustancias receptoras. Suelen actuar enprocesos de interconversiones de azucares, de aminocidos,etc.

TransaldolasasTranscetolasasTransaminasas

3. Hidrolasas

Verifican reacciones de hidrlisis con la consiguienteobtencin de monmeros a partir de polmeros. Suele ser detipo digestivo, por lo que normalmente actan en primerlugar.

Glucosidasas LipasasPeptidasas EsterasasFosfatasas

4. Isomerasas

Actan sobre determinadas molculas obteniendo de ellassus ismeros de funcin o de posicin. Suelen actuar enprocesos de interconversin

Isomerasas de azcar.Epimerasas Mutasas

5. Liasas

Realizan la degradacin o sntesis (entonces se llamansintetasas) de los enlaces denominados fuertes sin iracoplados a sustancias de alto valor energtico.

AldolasasDecarboxilasas

6. Ligasas

Realizan la degradacin o sntesis de los enlaces fuertesmediante el acoplamiento a sustancias ricas en energacomo los nucletidos del ATP

CarboxilasasPeptidosintetasas

1.6.1. Funcin de los grupos enzimticos

1. Oxido-reductasas: Son las enzimas relacionadas con las oxidaciones y las reducciones biolgicas queintervienen de modo fundamental en los procesos de respiracin y fermentacin. Las oxidorreductasas sonimportantes a nivel de algunas cadenas metablicas, como la escisin enzimtica de la glucosa, fabricandotambin el ATP, verdadero almacn de energa. Extrayendo dos tomos de hidrgeno, catalizan las oxidacionesde muchas molculas orgnicas presentes en el protoplasma; los tomos de hidrgeno tomados del sustrato soncedidos a algn captor.

En esta clase se encuentran las siguientes subclases principales: Deshidrogenasas y oxidasas. Son ms de uncentenar de enzimas en cuyos sistemas actan como donadores, alcoholes, oxcidos aldehdos, cetonas,aminocidos, DPNH2, TPNH2, y muchos otros compuestos y, como receptores, las propias coenzimas DPN yTPN, citocromos, O2, etc.

2. Las Transferasas: Estas enzimas catalizan la transferencia de una parte de la molcula (dadora) a otra(aceptora). Su clasificacin se basa en la naturaleza qumica del sustrato atacado y en la del aceptor. Tambineste grupo de enzimas actan sobre los sustratos mas diversos, transfiriendo grupos metilo, aldehdo, glucsido,amina, sulfat, sulfrico, etc.

3. Las Hidrolasas: Esta clase de enzimas actan normalmente sobre las grandes molculas del protoplasma,como son la de glicgeno, las grasas y las protenas. La accin cataltica se expresa en la escisin de losenlaces entre tomos de carbono y nitrgeno (C-N) o carbono oxigeno (C-O); Simultneamente se obtiene la



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hidrlisis (reaccin de un compuesto con el agua) de una molcula de agua. El hidrgeno y el oxidrilo resultantesde la hidrlisis se unen respectivamente a las dos molculas obtenidas por la ruptura de los mencionadosenlaces. La clasificacin de estas enzimas se realiza en funcin del tipo de enlace qumico sobre el que actan.A este grupo pertenecen protenas muy conocidas: la pepsina, presente en el jugo gstrico, y la tripsina y laquimiotripsina, segregada por el pncreas. Desempean un papel esencial en los procesos digestivos, puestoque hidrolizan enlaces ppticos, esfricos y glucosiditos.

4. Las isomerasas: Transforman ciertas sustancias en otras ismeras, es decir, de idntica formula empricapero con distinto desarrollo. Son las enzimas que catalizan diversos tipos de isomerizacin, sea ptica,geomtrica, funcional, de posicin, etc. Se dividen en varias subclases.

Las racemasas y las epimerasas actan en la racemizacin de los aminocidos y en la epimerizacin de losazcares. Las primeras son en realidad pares de enzimas especficas para los dos ismeros y que producen unsolo producto comn. Las isomerasas cis trans modifican la configuracin geomtrica a nivel de un dobleligadura. Las xido reductasas intramoleculares catalizan la interconversin de aldosas y cetosas, oxidando ungrupo CHOH y reduciendo al mismo tiempo al C = O vecino, como en el caso de la triosa fosfato isomerasa,presente en el proceso de la gluclisis ; en otros casos cambian de lugar dobles ligaduras, como en la (tabla)isopentenil fosfato isomerasa, indispensable en el cambio biosintico del escualeno y el colesterol. Por fin lastransferasas intramoleculares (o mutasas) pueden facilitar el traspaso de grupos acilo, o fosforilo de una parte aotra de la molcula, como la lisolecitina acil mutasa que transforma la 2 lisolecitina en 3 lisolecitina, etc.Algunas isomerasa actan realizando inversiones muy complejas, como transformar compuestos aldehdos encompuestos cetona, o viceversa. Estas ultimas desarrollan una oxidorreduccin dentro de la propia molcula(oxidorreductasa intramoleculares) sobre la que actan, quitando hidrgeno, a algunos grupos y reduciendootros; actan ampliamente sobre los aminocidos, los hidroxcidos, hidratos de carbono y sus derivados.

5. Las Liasas: Estas enzimas escinden (raramente construyen) enlaces entre tomos de carbono, o bien entrecarbono y oxigeno, carbono y nitrgeno, y carbono y azufre. Los grupos separados de las molculas que desustrato son casi el agua, el anhdrido carbnico, y el amoniaco. Algunas liasa actan sobre compuestosorgnicos fosforados muy txicos, escindindolos; otros separan el carbono de numerosos sustratos.

6. Las Ligasas: Es un grupo de enzimas que permite la unin de dos molculas, lo cual sucede simultneamentea la degradacin del ATP, que, en rigor, libera la energa necesaria para llevar a cabo la unin de las primeras.Se trata de un grupo de enzimas muy importantes y recin conocidas, pues antes se pensaba que este efecto sellevaba a cabo por la accin conjunta de dos enzimas, una fosfocinasa, para fosforilar a una sustancia A (A +ATP A - + ADP) y una transferasa que pasara y unira esa sustancia A, con otra, B (A - + B A B + Pi). Aeste grupo pertenecen enzimas de gran relevancia reciente, como las aminocido ARNt ligasas conocidashabitualmente con el nombre de sintetasas de aminocidos ARNt o enzimas activadoras de aminocidos querepresentan el primer paso en el proceso biosinttico de las protenas, y que forman uniones C-O; las cido-tiolligasas, un ejemplo tpico de las cuales es la acetil coenzima. A sintetasa, que forma acetil coenzima. A partir decido actico y coenzima A; las ligasas cido amoniaco (glutamina sintetasa), y las ligasas cido-aminocido osintetasas de pptidos, algunos de cuyos ejemplos ms conocidos son la glutacin sintetasa, la carnosinasintetasa, etc.

La accin de estas enzimas se manifiesta con la formacin de enlaces entre tomos de carbono y oxigeno dediversas molculas, o bien entre carbono y azufre, carbono y nitrgeno y carbono y carbono. Las ligasas utilizansiempre, para el proceso de reaccin, la energa proporcionada por el ATP o compuestos homlogos que sondegradados, Por consiguiente las enzimas de esta clase son los nicos que intervienen en reaccin noespontnea desde un punto de vista termodinmico; Actan sobre los sustratos ms diversos y revisten particularimportancia en el metabolismo de los cidos nucleicos. Estas reacciones enzimticas se desarrollan en dostiempos: en el primero se forma un complejo intermedio con potencia energtica muy alta-, en el segundo utilizanla energa obtenida para realizar la reaccin de sntesis.

1.7. CATLISIS MOLECULARUn catalizador modifica la velocidad de una reaccin qumica sin ser utilizado o aparecer como uno de losproductos de la reaccin. Una reaccin qumica en la que un substrato (S) se transforma en un producto (P),ocurre por cierta fraccin de molculas de S, posee mucha mas energa que el resto de ellas, lo que es suficiente



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para que alcancen un estado activado, en el que pueda formarse o romperse un enlace qumico y se forme elproducto (P).

La energa de activacin es la cantidad de energa expresada en caloras, necesaria para que todas lasmolculas de un mol, a una temperatura dada alcancen el estado reactivo.

Mientras que, el estado de transicin es el estado rico en energa de las molculas que interaccionan en la cimade la barrera de activacin. La velocidad de una reaccin qumica es proporcional a la concentracin delcomplejo en el estado de transicin.Una reaccin qumica se puede acelerar de la siguiente forma.

1. Al aumentar la temperatura se incrementa la energa cintica, por lo que es mayor el nmero de molculas quealcanzan el estado de transicin. Generalmente el Q10 =2, lo que indica que la velocidad de una reaccinqumica se duplica al aumentar la temperatura en 100 C.

2. Aadiendo un catalizador, que disminuye la energa de activacin y aumenta la velocidad de reaccin.

La enzima (E), se combina con el substrato (S) formando el complejo de transicin, enzima-substrato (E-S),mediante una reaccin reversible, cuya energa de activacin es menor que la de la reaccin no canalizada.Cuando se forma el producto de la reaccin (P), se regenera de nuevo la enzima (E) de forma libre, la que puedecombinarse de nuevo con otra molcula de substrato (S).

E + S E S E + P

Una enzima reduce ms eficiente la energa de activacin (Ea) de una reaccin que un catalizador inorgnico, loque permite que una reaccin se realice a menor temperatura.El siguiente ejemplo ilustra mejor lo que hemos discutido:

Cuadro 3. Actividad de algunas enzimas sobre la energa de activacin del perxido de hidrgeno

ReaccinEnerga de Activacin

(Kcal*mol-1)a) el peroxido de hidrgeno se descompone en:H2O2 H2O + O2 18b) el hierro cataltico (Fe) realiza la reaccin:H2O2 H2O + O2 13c) el platino cataltico (Pt) realiza la reaccin:H2O2 H2O + O2 12d) la catalasa una enzima heptica la realizaH2O2 H2O + O2 5

Figura 1. Representacin del cambio en la energa libre de una reaccin catalizada enzimticamente (lneacontinua) y la misma no catalizada (lnea punteada).



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Una enzima no modifica la energa libre, ni la constante de equilibrio, sino que disminuye la energa deactivacin de la reaccin

1.7.1. Eficiencia cataltica

La mayora de las reacciones catalizadas por enzimas son muy eficientes y transcurren desde 106 hasta 1014veces ms rpido que la misma reaccin no catalizada. Tpicamente, cada molcula de enzima es capaz detransformar cada segundo de 100 a 1000 molculas de substrato en producto. El nmero de estas molculastransformadas a producto por molcula de enzima en cada segundo, se conoce como el nmero de recambio.

Cuadro 4. Eficiencia de las reacciones catalizadas por algunas enzimas

Enzima Velocidad enausencia de enzima

Velocidad dereaccin catalizada

Rendimiento

Anhidrasa carbnicaCorismato mutasaTriosafosfato isomerasaCarboxipeptidasa AAMP nucleosidasaNucleasa estafilococal

1.3 X 10 12.6 X 10 54.3 X 10 63.0 X 10 91.0 X 10 111.7 X 10 -13

1.0 X 10650

43005786095

7.7 X 1061.9 X 1061.0 X 1091.9X 10116.0 X 10125.6 X 1014

1.7.2. Efecto de la concentracin del substrato sobre la catlisis enzimtica

La actividad enzimtica de una enzima se puede estudiar in vitro, bajo condiciones controladas aadindole unaenzima a un substrato. Si se trabaja con la condicin de que la concentracin del substrato sea saturante,variando entonces la concentracin de enzima, se observa que aumenta el producto de la reaccin, a pH ytemperatura constantes.

Si se mantiene la concentracin de la enzima constante y variando la concentracin de substrato se obtiene unacurva hiperblica como la de la figura. Al principio un aumento de la concentracin de substrato produce unaumento rpido de la velocidad de reaccin, pero si se sigue aumentando la concentracin de substrato lavelocidad de reaccin comienza a disminuir y a muy altas concentraciones de substrato se observa que nocambia la velocidad de reaccin se dice que los centros activos de la enzima se encuentran saturados. Lavelocidad de reaccin. La velocidad de reaccin que se obtiene a esa alta concentracin de substrato se definecomo la velocidad mxima (V) de la reaccin enzimtica bajo las condiciones especificadas. La concertacin desubstrato (S), a la semi velocidad mxima de reaccin (V/2) se puede determinar de la figura y representa laconstante de Michaelis o Km., la cual es una caracterstica para cada enzima. La inversa de Km, o 1/Km, mideaproximadamente la afinidad de la enzima por el substrato. Si varias enzimas compiten en el metabolismo por elmismo substrato, este ser transformado preferentemente por la enzima con mayor afinidad.La ecuacin de Michaelis describe la relacin cuantitativa entre la velocidad de reaccin y la concentracin desubstrato [S], si se conoce Vmax o Km:

V= Vmax [S]Km + [S]

En donde V= es la velocidad de reaccin observada a una concentracin de substrato determinada [S]Km = constante de Michelis en moles/litro

Figura 2.



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Vmax= velocidad mxima a concentracin saturante de substrato.Si v = Vmax/2; entoncesVmax Vmax + [S]-------- = -----------------

2 Km + [S]

Km + [S] = 2 [S]Km = [S]

De tal forma que podemos concluir que Km es igual a la concentracin de substrato a la semivelocidadmxima de reaccin.

1.7.3. Representacin grfica de LINEWEAVER Y BURK

Si se toma en inverso en ambos miembros de la ecuacin de Michelis tenemos:

1/v = Km/ Vmax [S] + 1/Vmax

Es la ecuacin de una lnea recta, cuya pendiente es Km/Vmax, que interpreta al eje de las ordenadas en1/Vmax y la abscisa en el punto 1/Km lo que es evidente al hacer 1/v 0, ya que se convierte en 1/S = -1/Km

Si se hace una grafica con los dobles inversos, colocando los valores de 1/v en el eje de las ordenadas y 1/[S]en el eje de las abscisas, se obtiene una lnea recta a partir de la cual se puede calcular fcilmente Km.

Figura 3.

1.8. RELACIONES ENTRE LA ENZIMA Y EL SUSTRATO

Es universalmente aceptado, que la enzima, como todo catalizador, participa de una manera activa en lareaccin. Existen pruebas experimentales de esta situacin cuando menos para algunos.

Un ejemplo bien conocido es el de la peroxidasa que, en presencia de perxido de hidrgeno, H2O2, y un aceptorde hidrgeno adecuado, produce la reduccin del H2O2, La peroxidasa en ausencia de H2O2 muestras unasbandas de absorcin caractersticas en el espectro visible; cuando se combina con el H2O2, pero sin que exista elaceptor de los hidrgenos, aparece una nueva distribucin de las bandas. Si se permite el paso de loshidrgenos a un aceptor, automticamente desaparecen las bandas nuevas y reaparecen las originales deperoxidasa.

Se acepta corrientemente una hiptesis propuesta por Michaelis para explicar la actividad enzimtica, sobre labase de la informacin de un compuesto de la enzima con el sustrato (complejo enzima sustrato), previamente



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al ataque del sustrato por la enzima y a la liberacin de los productos de la reaccin. El desarrollo matemticoque permiti a Michaelis formular su hiptesis, estuvo acorde con los datos experimentales obtenidos una vezvencidos los enormes obstculos de orden tcnico para llevar a cabo la confirmacin de la teora en ellaboratorio.

Si se hace el estudio de la actividad de una enzima en relacin con la concentracin de sustrato. En ella seregistran, en las abscisas, la cantidad creciente de sustrato y, en las ordenadas, la cantidad de uno de losproductos de la reaccin liberada de un tiempo dado, que expresa, en rigor, la actividad de la enzima. La curvaobtenida es la de una hiprbola rectangular, la cual tiene algunas propiedades interesantes; por ejemplo, lavelocidad lmite o velocidad mxima, es el valor que trata de alcanzar la curva a medida que se aumenta elsustrato y que, en la figura, est sealada con la lnea V. Existe un punto, fijado arbitrariamente, en el que lamitad de la velocidad lmite corresponde a una concentracin especfica del sustrato; esta concentracin desustrato se representa habitualmente como KM, y se denomina constante de Michaelis, valor caracterstico paraun par enzima sustrato y que, por lo tanto, es la concentracin de sustrato con la cual se alcanza la mitad dela velocidad lmite o velocidad mxima de la reaccin. Los resultados obtenidos experimentalmente concuerdancon los derivados de modo matemtico, sobre la hiptesis de formacin de un complejo enzima sustrato.

La constante de Michaelis, KM, indica en trminos generales, las relaciones de afinidad entre el sustrato y laenzima; un KM, implica la necesidad de una alta concentracin de sustrato que, al combinarse con una enzima,produzca la mitad de la velocidad mxima, o sea, que la afinidad por la enzima y sustrato es pobre; por elcontrario, si la concentracin de sustrato que se requiere para alcanzar la mitad de la velocidad es muy pequea(KM pequea), quiere decir que el sustrato tiene una gran afinidad por la enzima.

En ocasiones, la misma enzima puede ser ms afn a un sustrato que a otro; por ejemplo, la sacarasa es 16veces ms activa para atacar a la sacarosa que a la rafinosa. Se conocen con exactitud los valores de KM paramuchos sustratos y enzimas, con los siguientes: la pepsina, actuando sobre albmina, de huevo: KM de 4.5%; latripsina sobre la casena: KM de 2%; la amilasa sobre el almidn en presencia de Cl : KM de 0.4%; la sacarasade levadura, sobre la sacarosa: KM 0.016 a 0.04 M, etc.

La explicacin de la curva hiperblica que implica la formacin del complejo enzima sustrato parece dependerde la existencia fsica, en la enzima, de determinados sitios donde se absorbe el sustrato para ser activado. Alprincipio de la curva se puede aumentar la concentracin del sustrato y la enzima es capaz de activarlo con todaeficiencia; pero como una vez activado el sustrato se separa en forma de los productos, y la velocidad con la questos se separan no es igual a la velocidad con la que captado el sustrato, y en vista de la cantidad creciente delsustrato, la lnea obtenida no es una recta, sino la curva sealada. Cuando la cantidad de sustrato hasobrepasado la capacidad fsica de la enzima para recibirlo y poder transformarlo, la curva alcanza una meseta,lo que significa que la reaccin prosigue a la misma velocidad, independientemente de la cantidad de sustratoadicionada. De acuerdo con los trminos ligados a la velocidad de reaccin, expresados en la pgina 36, seencuentra que, al principio del experimento, la reaccin depende exclusivamente de la concentracin del sustratoy se trata de una reaccin de primer orden; al final de ella, cuando hay un exceso de sustrato, la reaccin esindependiente de la cantidad de sustrato y, por lo tanto, es de orden cero.

Otra caracterstica en relacin con la finalidad de la enzima por el sustrato es la comprendida en el llamadonmero de recambio, el cual representa los moles de sustrato atacados por un mol de enzima en una unidad detiempo determinada, generalmente un minuto. Este nmero de recambio, en algunas ocasiones, es muy elevado,como sucede con la catalasa que a 0 C., tiene un nmero de recambio de 2.5 millones; es decir, un mol deenzima es capaz, en un minuto, de desdoblar dos y medio millones de moles de H2O2; el citrocomo c, a 38 C,tiene un nmero de recambio de 1.4 X 103; la carboxilasa a 30 C., da un nmero de recambio de 1 X 103, etc.

Mecanismo Ping Pong: En la transaminacin, la reaccin avanza a travs de los fenmenos alternos de adicinde sustrato y liberacin de producto .

Iones sustrato: Estos facilitan la fijacin del sustrato y la catlisis por creacin de varias de complejo de puenteconstituidos por un enzima, metal y sustrato en la que os iones metlicos pueden actuar como catalizadorescidos generales o facilitar la aproximacin de los reactantes.



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1.9. FACTORES QUE AFECTAN LA ACTIVIDAD DE LAS ENZIMAS

1.9.1. Efecto del pH sobre la actividad enzimtica

Sabiendo que las enzimas son protenas, cualquier cambio brusco de pH puede alterar el carcter inico de losgrupos amino y carboxilo en la superficie proteica, afectando as las propiedades catalticas de una enzima. A pHalto o bajo se puede producir la desnaturalizacin de la enzima y en consecuencia su inactivacin. La fosfatasaacida es mas activa a pH 5.0, mientras que la fosfatasa alcalina lo es a pH 9.0. Muchas enzimas tienen mximaactividad cerca de la neutralidad en un rango de pH de 6 a 8.

El pH per se no afecta la actividad enzimtica, sino la concentracin de protones. Los protones adems dealterar la estructura de la enzima y el substrato, pueden participar tambin en la reaccin como substrato oproducto. En esos casos, la concentracin de protones afecta directamente la velocidad de la reaccin.

Cuadro 5. pH ptimo de enzimas vegetales

ENZIMA pH OPTIMO

Pepsina 1.5

Tripsina 7.7

Catalasa 7.6

Arginasa 9.7

Fumarasa 7.8

Ribonucleasa 7.8

Figura 4.

1.9.2. Efecto de activadores

Un aumento en la temperatura provoca un aumento de la velocidad de reaccin hasta cierta temperatura ptimaya que despus de aproximadamente 450 C se comienza a producir la desnaturalizacin trmica. Las enzimas demuchos mamferos tienen una temperatura optima de 370 C, por encima de esa temperatura comienzan ainactivarse y se destruyen. Sin embargo existen especies de bacterias y algas que habitan en fuentes de aguastermales y en el otro extremo ciertas bacterias rticas tienen temperaturas optimas cercanas a 00 C.

Figura 5.



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1.9.3. Especificidad absoluta

El tripsingeno es convertido en tripsina por la misma accin de la tripsina, que remueve un hexapptido.

Tripsingeno Tripsina + Val (Asp)4 lisina

Otra forma de activacin consiste en mantener los grupos SH reducidos. Estos grupos pueden formar parte decentros activos de ciertas enzimas. Si se oxidan estos grupos a S-S- la enzima se inactiva. As tenemos que laenzima papana, se inactiva despus de exponerla al oxigeno; pero cuando se le aade un reductor apropiado laenzima se reactiva. Los grupos S-S- se convierten en SH, activndose la enzima.

Otra forma de activacin requiere la presencia de otra substancia que se enlaza al sitio alostrico, el compuestoque se enlaza se denomina un efector alostrico. El centro alostrico es bien especifico para el efector omodulador alostrico.

Figura 6.

Ciertas enzimas se encuentran como apoenzimas o zimogenos que son inactivos.

1.9.4. Especificidad relativaOxigeno

L-aminocido a-cetocido + NH3 + H2O2L-aminocido oxidasa

OxigenoD-aminocido a-cetocido + NH3 + H2O2

D-aminocido oxidasa

En este ejemplo se muestra la estereo-especificidad. Una enzima puede tener una especificidad ptica paraismeros D o L.Hay enzimas que muestran especificidad absoluta como la aspartasa, que cataliza la adicin reversibles deamoniaco al doble enlace del acido fumrico, pero no al de otros cidos insaturados.

HOOC CH = CH COO- + NH4+ HOOC CH2 CHNH2 COO- + H+

1.9.5. Inhibicin enzimtica

Mediante el uso de inhibidores enzimticos se ha obtenido informacin muy valiosa sobre la conformacin delteatro activo de algunas enzimas.

a. Inhibicin irreversible: Este tipo de inhibidores forman un enlace covalente con las enzimas cerca delcentro activo. Un ejemplo son los gases nerviosos, como el fluorofosfato de diisopropilo (DFP) que forma uncomplejo con la enzima acetilcolinesterasa. Los animales envenenados con este gas quedan paralizados,debido a la imposibilidad de transmitir adecuadamente los impulsos nerviosos.



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Figura 7.

b. Inhibicin competitiva: Es cuando el inhibidor compite con el substrato por la unin con el centro activode la enzima.Este tipo de inhibicin puede reducirse si se aumenta la concentracin de substrato. En la inhibicincompetitiva la enzima se combina con el inhibidor para formar un complejo enzima-inhibidor:

E + I E I en competencia con la reaccin normal E + S E S

La sulfanilamida (bactericida) interfiere con la sntesis del acido flico compitiendo con el acido p-aminobenzoico, de una forma competitiva.

c. Inhibicin no Competitiva: Esta inhibicin se caracteriza por que no se puede revertir el efecto delinhibidor, aumentando la concentracin del substrato.Por ejemplo la inhibicin de la deshidrogenasa del gliceraldehido-3-fosfato por la yodo-acetamida:

Enzima-SH + I-CH2CONH2 Enzima-SCH2CONH2 + IH

La deshidrogenasa del gliceraldehido-3 fosfato puede ser inhibida tambin por el cido iodo-actico:

Enzima-SH + ICH2COOH Enzima-SCH2COOH + IH

d. Inhibicin por metales: Ciertos metales como el plomo, mercurio y arsnico inhiben enzimas que tienenen su centro activo grupos SH libres.

Ejemplo de enzimas

1. PGA quinasa2. GPA deshidrogenasa: es dependiente del NADP es exclusiva de los cloroplastos

RESUMEN

Las mltiples reacciones qumicas que tienen lugar en las plantas apenas alcanzaran una velocidad medible sino fuese por la presencia de los enzimas celulares, catalizadores especficos que aumentan dicha velocidad sinaparecer alterados ni destruidos cuando la reaccin se ha efectuado. Cada enzima es especifico de una reaccino de un grupo de reacciones muy semejantes entre si, existiendo un gran numero de ellos diferentes en cadaclula, quizs un millar o mas aun.



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Muchas enzimas, al ser extrados de las clulas, continan poseyendo la propiedad de catalizar sucorrespondiente reaccin especfica aun estando independizados de la materia viva organizada. Los enzimasque se han estudiado qumicamente pertenecen al grupo de las protenas y poseen propiedades tpicas de estas,como ser fcilmente desnaturalizados e inactivados por el calor o por otros agentes.

Con frecuencia, la protena enzimtica esta asociada a un grupo funcional activo no protenico de menor tamaoque ella, que recibe el nombre de grupo prosttico. Entre los grupos prostticos conocidos se encuentran algunosde los metales pesados, hierro, manganeso, cobre y zinc, que sabemos son oligoelementos esenciales en lanutricin vegetal. En otros casos el grupo prosttico puede ser una sustancia orgnica y con frecuencia entra enalguno de los miembros del complejo vitamnico B.

La actividad de los enzimas al catalizar las transformaciones qumicas es considerable, bastando una solamolcula para catalizar la reaccin de varios millones de molculas del substrato (sustancia reaccionante) porminuto. El enzima acelera la reaccin combinndose con el substrato y disminuyendo la barrera de energa(energa de activacin) que las molculas de dicho substrato deben superar para transformarse en el producto dela reaccin.

1.10. ESTRUCTURA Y FUNCION DE LA RUBISCO

La Rubisco es la enzima mas abundante en las plantas; algunos cientficos consideran que es la enzima masabundante del planeta (Ellis, 1970).

1.10.1. Estructura de la Rubisco

Existen dos tipos principales de rubisco en los organismos fotosintticos. En Rhodospirillum rubrum y otrasbacterias fotosintticas existe una rubisco relativamente sencilla, formada por dos grandes sub unidadesidnticas, la cual es denominada rubisco L2. Cada sub unidad incluye una estructura peculiar que puede serimaginada como un barril. El barril es el sitio activo donde se une la RuBP. Esta estructura de barril aparece enotras enzimas como la glicolato oxidasa y la triosa isomerasa.

1.10.2. Sntesis y Ensamblaje de la Rubisco

En algunas algas se presentan una enzima L8S8 los genes que codifican para las dos subunidades se localizanjuntos en los cromosomas. Sin embargo, en todas las plantas superiores, el gen para la subunidad grande selocaliza en el DNA del cloroplasto, mientras que el gen de la subunidad pequea esta en el DNA nuclear.

Se cree que los cloroplastos han tenido su origen como endosimbiontes. En este sentido, se considera que algasde vida libre fueron incorporadas por colillas pro-eucariotas, y que la endosimbiosis se estabilizo resultando laformacin de una autentica clula eucaritica. Es probable que este sea tambin el origen de las mitocondrias, yque este evento de endosimbiosis mitocondria precedi incluso al que tuvo lugar en el caso de los cloroplastos.

Los genes fueron posteriormente transferidos desde las mitocondrias y los cloroplastos hasta el ncleo. El genque codifica para la subunidad pequea de la rubisco es uno de los genes transferidos al ncleo. Para asegurarque la protena fabricada a partir de la informacin contenida en el gen nuclear se dirija al cloroplasto. Se leadosa un polipptido corto denominado pptido de transito. El pptido de transito permite que la protena de lasubunidad pequea, la cual se forma fuera del cloroplasto, pueda ser incorporada por este organillo, y en elinterior del cloroplasto el pptido de transito es cortado y subunidad pequea se une a la grande. El gen de lasubunidad grande no se transfiri al ncleo. La subunidad polipeptdica grande se fabrica por completo en elinterior del cloroplasto.

Los cloroplastos se transmiten por va materna a la descendencia, mientras que el DNA nuclear se transmite porigual desde ambos progenitores a la descendencia. Como resultado de ello, la herencia de los genes quecodifican para la subunidad grande de la rubisco es materna, mientras que los genes de la subunidad pequeason heredados de forma mendeliana (igualmente por parte de ambos padres).



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La mayora de las protenas se pliegan espontneamente en la configuracin correcta una vez que sonsintetizadas, pero la subunidad grande de la rubisco se pliega incorrectamente y no llegar a ser activa. Unaprotena especial denominada protena de unin a la rubisco, se une a las subunidades grandes produciendo unplegamiento correcto de las mismas. La protena de unin a la rubisco es un miembro de una clase de protenasdenominadas chaperoninas. Cuando se mezclan las subunidades grandes correctamente plegadas y lassubunidades pequeas, se ensamblan espontneamente, resultando la enzima rubisco funcional (Andrews yLoriiner, 1987).

1.10.3. Regulacin de la Rubisco

La regulacin y los lmites de la tasa o velocidad de fotosntesis se comprenden mas fcilmente desde el puntode vista de la rubisco, tiene dos substratos, CO2 y RuBP.Un exceso de uno de los substratos no puede compensar la diferencia del otro. Ya que la RuBP se une primero ala rubisco, vamos a considerar en primer lugar el efecto del suministro de RuBP sobre la fotosntesis. En muchossistemas bioqumicos, la velocidad de una reaccin resulta lentamente saturada cuando se incrementa laconcentracin del substrato. Ello esta descrito en la ecuacin de Michaelis-Mendel.

Una de las asunciones que se hacen para obtener esta ecuacin es que la concentracin de la enzima esextremadamente pequea (o, ms correctamente, que solo se considera el substrato no unido). Esta asuncin noes posible para la rubisco y la RuBP medidas en hojas. La concentracin de rubisco es mucho mayor que suafinidad de unin (constante de Michaelis, KM) por la RuBP. Ello origina una cintica inusual.

Cuando la velocidad de reaccin de la rubisco se representa en funcin de la concentracin de RuBP(asumiendo saturacin de CO2), se observan dos lneas rectas, de manera que se produce una fuerte transicinentre la limitacin y la saturacin de la velocidad de fotosntesis por la RuBP. La afinidad de unin por el CO2 esmucho menor (la KM, es mayor), y esta relacin inusual no tiene lugar con el CO2.

La RuBP debe ser sintetizada a la misma velocidad que la de su utilizacin por la rubisco. Si la tasa de sntesisde RuBP es demasiado lenta, la rubisco estar trabajando por debajo de sus posibilidades, y si esta tasa deinters es demasiado rpida, se acumulara RuBP. La transicin entre estas dos condiciones puede ser muybrusca (fig. 5-10). Dichas condiciones pueden ser estudiadas en las hojas intactas cambiando la presin parcialde CO2 pCO2, en el aire que rodea las hojas. A baja presin de CO2 la RuBP se sintetiza ms rpidamente que latasa de uso por la rubisco. A medida que aumenta la presin de CO2 la rubisco usara mas RuBP,incrementndose la tasa o velocidad total de fotosntesis. Esta situacin se conoce como fotosntesis limitada porrubisco. Cuando la pCO2 es tan alta como para que la rubisco pueda usar la RuBP mas rpidamente que la tasaen que la RuBP puede ser regenerada, no se producir un incremento adicional en la fotosntesis al aumentaraun mas la pCO2 y se dice que la fotosntesis esta limitada por la regeneracin de RuBP. Este es, a menudo, elresultado de limitaciones en las reacciones luminosas de la fotosntesis, aunque la sntesis reducida de almidn yde sacarosa puede tambin limitar la velocidad de la regeneracin de RuBP mediante la reduccin de lavelocidad a la que el fosfato se hace disponible para el cloroplasto.

Cuando la regeneracin de RuBP limita la velocidad de fotosntesis, es lgico asumir que la concentracin deRuBP cae a niveles limitantes, pero no suele ocurrir as, excepto con luz muy escasa. Esto es debido a quealgunas molculas de rubisco se desactivan, de forma que la capacidad para la regeneracin de la RuBP secompensa con la capacidad de la rubisco que permanece activa para utilizar la RuBP. La va ms importante porla que la rubisco se desactiva se discutir posteriormente.

Despus de su traduccin la rubisco debe ser modificada para que pueda catalizar la fijacin de CO2. Estamodificacin ocurre en una lisina especfica localizada en la base del barril, mediante la adicin de dixido decarbono y posterior perdida de dos protones de la lisina, para formar un carbamato. Esto hace que el barrilcambie de estar positivamente cargado a estarlo de forma negativa, de manera que el Mg2+ tambin puedeunirse, manteniendo en parte por la carga negativa del carbamato (fig. 5-11). El CO; implicado en lacarbamilacin se denomina CO; activador y es diferente del CO; substrato que se unir a la RuBP. Lascondiciones requeridas para la carbamilacin son pH elevado y altas concentraciones de CO2 y Mg2+.

Cuando los cloroplastos son iluminados, los H1 son traslocados al interior del lumen tilacoidal, originando unincremento de pH del estroma. La concentracin de Mg2+ tambin aumenta en el estroma y estos dos cambios



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favorecen la carbamilacin de rubisco. Sin embargo, estos cambios, por si mismos, no son suficientes paraconducir a los altos niveles de carbamilacin que se observan a menudo en las hojas. Es necesaria una enzimaadicional para conseguir estos niveles de carbamilacin en hojas.Esta enzima se denomina Rubisco activasa (Portis, 1990). El mecanismo exacto de la rubisco activasa no seconoce aun, pero se piensa que la razn es que en las hojas la rubisco puede estar completamente carbamiladasolo en un 30% en las mismas condiciones.

Son reguladores los cambios citados en la carbamilacin o solo reflejan la dificultad que la planta tiene paramantener la rubisco en un estado activo?La dependencia de CO; de la carbamilacin indica que es probablemente de tipo regulador. Si las variaciones enla carbamilacin son solo un reflejo de la dificultad de mantener el estado carbamilado, entonces la carbamilacinen las plantas debera incrementarse con el CO; como ocurre en el tubo de ensayo. Alternativamente, debido aque el aumento de CO; hace a la rubisco mas activa, se necesita menos actividad rubisco a altasconcentraciones de CO2 que a bajas concentraciones de CO2 cuando la regeneracin de RuBP esta limitando lafotosntesis. Por tanto, si en las hojas la carbamilacin de rubisco es reguladora, lo cual servira para mantener laactividad rubisco al nivel requerido, esta carbamilacin disminuira a medida que se incrementasen los niveles deCO2. Esto es, de hecho, lo que se observa, excepto las concentraciones muy bajas de CO2.

Adems de los cambios en la cantidad de rubisco que es carhamilad; algunas plantas producen un inhibidor de larubisco durante la noche. Este inhibidor, el carboxiarabinitol 1-fosfato, es un anlogo estructural del intermediariode 6 tomos de carbono implicado en la catlisis de la rubisco. No todas las plantas tienen cantidadessignificativas de este inhibidor, y su papel en la regulacin de la rubisco no esta aun del todo claro (Seemann ycois., 1990).

1.10.4. La Rubisco activasa ayuda la actividad de la Rubisco

Las plantas verdes necesitan una enzima trabajadora--llamada 'rubisco'--en sus hojas para poder crecer.Investigaciones en curso por los cientficos del Servicio de Investigacin Agrcola (ARS) en Phoenix, Arizona, handescubierto unos secretos sobre el papel decisivo de una enzima relacionada, 'rubisco activase'.

Rubisco activase ayuda a convertir la enzima rubisco de una forma inactiva a activa. Esto es esencial. Solamentela enzima rubisco activa puede ayudar a la planta a convertir la luz del sol, el agua del suelo, y el bixido decarbono del aire, a la alimentacin necesaria para crecer.

El proceso, llamado fotosntesis, se demora si las clulas de la hoja tienen ms rubisco inactiva que activa. Elresultado' Las plantas no crecen tan rpido y los rendimientos no son abundantes, segn Steven J. Crafts-Brandner, un fisilogo de planta en el Laboratorio Occidental de Investigacin del Algodn en Phoenix. lcondujo los estudios del rubisco activase con Michael E. Salvucci, otro fisilogo de planta en el laboratorio.

Una planta podra tener ms rubisco inactiva que activa si la rubisco activase est inhibida por temperaturas altaso niveles altos del bixido de carbono, segn los cientficos. Anteriormente, nadie ha identificado la rubiscoactivase como la culpable que limita la fotosntesis bajo estas condiciones climticas.

Las temperaturas altas que causan el dao pueden ocurrir en el suroeste rido as como en el sur y el sureste.Tambin, los datos mundiales sobre los ltimos 100 aos indican una tendencia gradual de calentamiento y unaumento del bixido de carbono en la atmsfera. Algunos expertos predicen que ambos cursos continuarn.

La investigacin no slo aumentar la exactitud de las proyecciones sobre como el cambio climtico global podraafectar las plantas verdes, sino tambin debera ayudar con el desarrollo de estrategias nuevas para ayudar a lasplantas de cosecha a evitar las influencias no deseadas del clima en la rubisco activase. Por ejemplo, Crafts-Brandner y Salvucci esperan encontrar o construir unos genes que podran alertar las plantas a sintetizar unarubisco activase ms estable en condiciones de mucho calor. Ellos estn colaborando con Pioneer Hi-BredInternational, Inc., de Des Moines, Iowa, en esta investigacin.



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1.11. DISTRIBUCIN DE LOS ENZIMAS EN LA CLULA

Otra cuestin importante referente a los enzimas de las plantas es la localizacin y cantidades en que sepresentan dentro de las clulas. Sabemos que la mayor parte, si no todos los enzimas celulares de los vegetales,estan contenidos en el protoplasma, 3- solo muy pocos, hay alguno, lo estan en la capsula de la secrecin o enlas vacuolas. Algunos son componentes solubles del citoplasma, e incluso parece muy probable que la materiaprotenica de este se encuentre formada a base de las protenas enzimticas. Muchas de las reacciones delmetabolismo catalizadas por los enzimas estan intervenidas de modo indudable por aquellos que son solubles enel citoplasma.

Existen, sin embargo, otros muchos que estan firmemente unidos y formando parte de la estructura de losdistintos orgnulos siempre presentes en el protoplasma. Mucho de ellos se hallan asociados funcionalmente alos cloroplastos, como, p. Ej., la fosforilasa, que interviene en las sntesis del almidn en el seno de dichoscorpsculos, mientras que otros se encuentran en los orgnulos no cloroflicos, en las mitocondrias, p. Ej., comosucede con todo el grupo de las enzimas que intervienen en la oxidacin respiratoria de los azucares. Unainterpretacin de la presencia de tales complejos enzimticos es la de que la unin intima y la integracin devarios enzimas es esencial para que se realicen aquellos procesos metablicos, algunas o muchas de cuyasreacciones se siguen las unas a las otras en una apretada serie de fases.

Si imaginamos que el producto de una de estas reacciones es inmediatamente el substrato de la siguiente,comprenderemos que pueda ser de gran importancia el que lo dos enzimas que intervienen en ellas estnasociados en una sola unidad bien organizada e integrada. Sea como fuere, lo cierto es que las cadenascomplejas de reacciones, como las de la respiracin o las de la fotosntesis, tienen sus respectivos enzimasunidos entre si y formando partculas complejas. Aun hay en la clula un tercer tipo de organillo, el ncleo, cuyasprotenas tienen la particularidad de que forman parte del material gentico del que depende el desarrollo ycaracteres hereditarios de los organismos.

Conocemos aun muy poco acerca de la filiacin de las protenas que forman los genes, pero si sabemos que endeterminados caos una mutacin, esto es, una alteracin qumica en el material-gentico puede provocar uncambio o incluso la desaparicin de un enzima determinado en el protoplasma exterior al ncleo. Esto haconducido a la hiptesis de que los genes estan relacionados casi siempre con la produccin de enzimas, y deque mediante los formados directamente por ello, los genes provocan, a su vez, la aparicin de otros.

Mientras que los enzimas del protoplasma extranuclear intervienen en los procesos metablicos de cadamomento de la respiracin y fotosntesis, las protenas del ncleo parecen servir para regular la clase y cantidadde los enzimas protoplasmticos, as como el paso de los caracteres genticos de la clula a clula y degeneracin a generacin.

1.12. MODULACIN ALOSTRICA DE LA ACTIVIDAD ENZIMTICA

Hay enzimas que pueden adoptar dos conformaciones interconvertibles llamadas R (relajada) y T (tensa). R es laforma ms activa porque se une al sustrato con ms afinidad. Las formas R y T se encuentran en equilibrio R T:

Ciertas sustancias tienden a estabilizar la forma R. Son los llamados moduladores positivos. El propio sustrato esa menudo un modulador positivo. Las molculas que favorecen la forma R pero que actan sobre una regin dela enzima distinta del centro activo son los activadores alostricos (Figura inferior izquierda).



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Activador alostrico: favorece launin del sustrato

Inhibidor alostrico: impide la unin delsustrato

Las sustancias que favorecen la forma T y disminuyen la actividad enzimtica son los moduladores negativos. Siestos moduladores actan en lugares distintos del centro activo del enzima se llaman inhibidores alostricos(Figura superior derecha).

1.13. EFECTO DE LA MODIFICACIN COVALENTE SOBRE LA ACTIVIDAD ENZIMTICA

Otros enzimas pasan de una forma menos activa a otra ms activa unindose covalentemente a un grupoqumico de pequeo tamao como el Pi o el AMP. Tambin se da el caso inverso, en el que un enzima muyactivo se desactiva al liberar algn grupo qumico. En las enzimas de las vas degradativas del metabolismo, laforma fosforilada es ms activa que la no fosforilada, mientras que en las vas biosintticas ocurre lo contrario. Enlas figuras inferiores se ilustra la activacin de una protena por fosforilacin.

Elementos de la reaccin El enzima no fosforiladoes inactivoEl enzima fosforilado

es activo



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II. LA FOTOSINTESIS

2.1. INTRODUCCIN

La fotosntesis es el proceso por el cual los vegetales son capaces de elaborar sus propios alimentos por lo queson llamados productores o auttrofos, estn representados por bacterias y organismos del Reino Vegetal.

La vida en la tierra depende fundamentalmente de la energa solar, la cual es atrapada mediante el procesofotosinttico, que es responsable de la produccin de toda la materia orgnica que conocemos, La materiaorgnica comprende los alimentos que consumimos diariamente tanto nosotros como los animales, loscombustibles fsiles (petr6leo, gas, gasolina carbn); as como la lea, madera pulpa para papel, inclusive lamateria prima para la fabricacin de fibras sintticas plsticos, polister etc.

La cantidad de carbono fijado por la fotosntesis es espectacular, como lo demuestran las cifras de la produccinanual de materia orgnica seca, estimada en 1,55 x 1011 toneladas, con aproximadamente 60% formada en latierra, el resto en ocanos y aguas continentales.

La fotosntesis es un proceso que se desarrolla en dos etapas, La primera es un proceso dependiente de la luz(etapa clara), requiere de energa de la luz para fabricar molculas portadoras de energa a usarse en la segundaetapa.

En la etapa independiente de la luz (etapa oscura) los productos de la primera etapa son utilizados para formarlos enlaces C-C de los carbohidratos. Las reacciones de la etapa oscura usualmente ocurren en la oscuridad silos transportadores de energa provenientes de la etapa clara estn presentes, La etapa clara ocurre en la granay la oscura en la estroma de los cloroplastos.

Para que la fotosntesis pueda realizarse es necesario contar con la luz solar que proporcionara la energanecesaria. Los vegetales verdes utilizan una sustancia muy importante: la clorofila, sin embargo para que stapueda efectuar la fotosntesis tiene que estar organizada en "paquetes" que se conocen corno cloroplastospresentes en las hojas mediante los cuales las plantas son capaces de producir los alimentos.

2.2. HISTORIA DE LA FOTOSNTESIS

Las primeras clulas que existieron surgieron y se adaptaron a vivir en una atmsfera primitiva que no tenaoxgeno. Como resultado de sus procesos vitales estos primeros organismos liberaban gran cantidad de dixidode carbono que se acumul en la atmsfera. Este proceso trajo como resultado el surgimiento de organismosfotosintticos que usaron el dixido de carbono y liberaban oxgeno que lentamente fue transformando laatmsfera primitiva. As, actualmente, la vida sobre la tierra contina dependiendo de la fotosntesis sobre todoen lo que concierne a la liberacin de grandes cantidades de oxgeno.

Los primeros organismos fotosintticos aparecieron hace tres mil millones de aos y fueron protocariontesunicelulares desnudos muy simples como Euglena, Diatomeas, algas verde-azules, bacterias, etc.; que tenan, enmuchos casos, un pigmento parecido a la clorofila actual llamada bacterioclorofila y funcionaban comoorganismos individuales independientes.

Estas cualidades extraordinarias presentes en organismos tan simples como Ceratium hirundinella (protistaunicelular) han provocado confusiones que persisten hoy en da como: Por un lado considerarlas como animalesporque se movan y capturaban partculas alimenticias y, por otro lado tratarlas como plantas porque tenanclorofila y realizaban la fotosntesis.

A pesar de que los primeros organismos que realizaban este proceso vital surgieron hace miles de millones deaos, la forma mediante la cual los vegetales crecan se descubri hace slo 370 aos despus de variosexperimentos sencillos, sorprendentes para la poca y qu juntos descubrieron el milagro.

Aqu les presentamos la evolucin de las investigaciones de la fotosntesis:



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Aristteles reconoce la posibilidad de que la luz intervenga en el desarrollo del color verde de las plantas.Acerca del crecimiento desarrolla la teora del humus.

Stephen Hales (1677-1761) Hace mencin de lo sealado por Aristteles sobre de la luz y su relacin con lasplantas, seala que la luz del sol puede actuar "ennobleciendo los principios de los vegetales" e incluso sealaque la toma de aire por las hojas sirve para alimentar las plantas.

Joseph Priestley (1780), observ la produccin de oxgeno durante la fotosntesis al demostrar que, si unaplanta se colocaba en un recipiente de vidrio aislado del ambiente, el aire contenido en l no extingua la llamade una vela ni era inconveniente para un ratn que coloc en su interior.

Jan Ingenhousz (1730-1799) Este mdico holands, en unas vacaciones en Inglaterra repite los experimentosde Priestley y con otros ensayos que realiza, concluye que las plantas "vician" el aire tanto en la luz como en laoscuridad, al igual que los animales; (evidencia la respiracin en los vegetales). Reconoce que al iluminar lasplantas con la luz del sol, la liberacin del aire "deflogisticado" excede al que se consume. Demuestra que parael desprendimiento fotosinttico de 02 se necesita luz solar y que este fenmeno slo ocurre en las partesverdes de las plantas. De manera sorprendente para nosotros recomend sacar las plantas de las casasdurante la noche para evitar que sus ocupantes se intoxicaran.

Jean Senebier (1742-1809) realiza observaciones similares a las de Ingenhousz; incorpora a losconocimientos previos, la capacidad de las plantas para regenerar o purificar el aire depende de la presenciade aire "flogisticado" a fijado ( como se conoce actualmente, con presencia de CO2). Este aire es el quedisuelto en agua sirve a las plantas como. Las plantas terrestres extraen del aire el CO2 que necesitan.

Nicholas Theodore de Saussure (1767-1845) public al iniciarse el siglo XIX que el peso de la materiaorgnica y el oxgeno producido por las plantas era mayor que el del aire "fijado" (consumo de CO2). Como alas plantas se incorporaba aire y agua, concluy que este ltimo era el reactivo que hacia falta. Establece quepara la produccin de azcar en las plantas se necesita agua. Tambin se dio cuenta que durante lafotosntesis se intercambiaban volmenes mas o menos iguales de CO2 y O2.

Dutrochet (1837) demostr que solo las clulas que contienen clorofila realizan la incorporacin del CO2. Joseph Mayer (1842) demostr la funcin de la fotosntesis en la cadena de las transformaciones energticas

que ocurren en la tierra refirindose por primera vez a la importancia de las plantas verdes en el ciclo completode la materia y energa, demostrando que las plantas captan una forma de energa, la luz, y producen otraforma de energa con diferencias en la composicin qumica. Esta afirmacin completa los aportes dePriestley, Ingenghousz, Snebier y Saussure, y da lugar a una descripcin correcta de la reaccin bsica de lafotosntesis.

James Clerk Maxwell (1864) propone el modelo ondulatorio de la luz, lo que conduce a la idea de que la luzes la fuente ltima de energa de la fotosntesis.

Sachs, J. (1859) demostr que en el proceso de fotosntesis se formaban compuestos de carbono (hidratos decarbono). Para ello cubri la mitad de una hoja y la otra la dejo expuesta a la luz. Luego de algunas horasexpuso a vapores de iodo toda la hoja y observ que la mitad iluminada se tornaba de color violeta oscuro, loque se saba, se deba a la presencia de almidn y a su reaccin con el iodo. A este autor le debemos laecuacin clsica de la fotosntesis:

6CO2 + 6H2O + energa solar C6H12O6 + 6O2

Blackman, F. (1905) confirma que la fotosntesis tiene un paso dependiente de la luz e independiente de latemperatura y un paso independiente de la luz y dependiente de la temperatura. Lo que permiti reconocer unafase de la fotosntesis denominada lumnica y otra oscura o enzimtica.

C. B. Van Niel (1930-1940) propone que el O2 desprendido durante la fotosntesis se deriva del H2O y no delCO2.

Warburg, O. (1920) encuentra que la fotosntesis medida como CO2 asimilado es inhibida por altasconcentraciones de O2 en la atmsfera.

Hill, R.; Scarisbrick R. (1930) demostraron que cloroplastos aislados y fragmentos de estos mismos soncapaces de liberar oxgeno en presencia de luz, si se les proporciona un aceptor adecuado de los electronesque se extraen del agua. La ruptura del agua por efecto de la luz, denominada fotlisis, en ausencia de fijacinde CO2 se ha conocido como la reaccin de Hill.

Samuel R. y Kamen M, (1941) usando agua con oxgeno pesado (O18) probaron definitivamente que el O2resultante de la fotosntesis provena del H2O.

Calvin, M., Benson y Bassham J. (1949) con sus experimentos descubrieron los distintos pasos del procesoglobal de fijacin de CO2, que se ha denominado el ciclo de Calvin. Inicialmente se supona que la conversinde CO2 en hexosas y almidn inclua una serie de pasos intermedios y se dieron a la tarea de encontrar la



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secuencia de reacciones en este proceso, es decir la ruta del carbono. Para abreviar el problema de la bajaconcentracin de los compuestos intermedios, utilizan 14CO2, lo mismo que la cromatografia de papel corrido,tcnica adecuada para separar e identificar compuestos, comparando las distancias recorridas por ellos ensustancias conocidas. Adicionalmente, con una auto radiografa se poda verificar que sustancias tenan 14 C.

Arnon, D. (1954) encontr que al exponer a la luz cloroplastos de espinaca, aislados en presencia de ADP yfosfato, se origina ATP. A partir de sus experimentos se concluye que la formacin de ATP es el mecanismoprincipal a travs del cual la energa lumnica es absorbida por la clorofila y los pigmentos auxiliares. Seconserva la energa lumnica como energa qumica en los enlaces de alta energa del ATP. Este eventorecibi el nombre de fotofosforilacin fotosinttica.

Arnon, D., y sus colaboradores (1957) aislaron una protena de cloroplastos de espinacas que al aadirse abajas concentraciones de granas, cataliza la fotoreduccin de NADP+, y reduce menos el NAD+, tambinevidenciaron experimentalmente el acoplamiento entre fotofosforilacin y fotoreduccin del NADP+. En estecaso y a diferencia de la fotofosforilacin cclica la formacin de ATP esta acoplada a la transferencia deelectrones inducida por la luz desde el agua al NADP+ y a una liberacin de oxgeno:

LUZNADP+ + H2O + ADP + Pi NADPH + O2 + ATP + H+

San Prieto y Lang (1958) resuelven el problema sobre cual piridin nucletido era el que preferencialmente seformaba en fotosntesis al aislar de cloroplastos la piridin nucletido reductasa fotosinttica (enzima soluble)que inicialmente cataliza la reduccin de NADP+ y NAD+, pero al ser purificada solo reduce el NADP. En unprincipio, no se tena evidencia experimental para relacionar fotofosforilacin y reduccin de NADP+.

2.3. LOS FACTORES AMBIENTALES Y LA FOTOSNTESIS

1. CO2::

La cantidad de CO2 es determinante del rendimiento, a pesar de que algunas reacciones de la fotosntesispueden realizarse en su ausencia, sin embargo, sin este gas sencillamente no habra sntesis de carbohidratos.La concentracin de CO2 en la atmsfera no es optima para la fotosntesis, en la practica agrcola se utiliza unaadicin artificial de CO2 gaseoso, bajo condiciones de iluminacin constante, para aumentar la tasa fotosinttica ycon esta el rendimiento en la produccin de materias biolgicas.

2. AGUA:

El agua adems de ser materia prima de la fotosntesis, participa como reactivo en otras reacciones delmetabolismo. Los componentes del agua en forma de iones (OH) y (H) son recombinados para formar otra vezmolculas de agua. En las plantas superiores el agua en el exterior de las clulas tiene la funcin de medio detransporte mediante el cual las sales llegan desde las races a los dems rganos de la planta.

3. TEMPERATURA:

En la figura se puede apreciar la importancia de este factor para la fotosntesis en intensidades lumnicas bajas yaltas. Para el primer caso la intensidad fotosinttica permanece casi constante (la luz es en este caso el factorlimitante), para el segundo caso hay un incremento de la fotosntesis con el aumento de la temperatura dentro deun rango definido. Si se sobrepasa este rango hay un descenso de la actividad fotosinttica, el mecanismo sedaa entonces por calor excesivo.

De la dependencia de la fotosntesis de los factores luz y temperatura, se concluye que la fotosntesis no es unproceso constante, se compone de un conjunto de reacciones fotoqumicas que dependen de la luz y de unaserie de reacciones enzimticas dependientes de la temperatura. Estas ltimas se hacen evidentes en el estadode saturacin de luz punto en el cual un aumento de la temperatura aumenta la intensidad fotosinttica.

Con luz dbil la temperatura no influye casi en la fotosntesis, es decir solo el sistema de reacciones fotoqumicases activo o sea, este complejo es indiferente a la temperatura.

El transporte, la industria, la deforestacin, la agricultura y otras actividades humanas, estn provocando unaumento de la concentracin atmosfrica de CO2 (aprox. ppm por ao) y de otros gases como el metano. La



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acumulacin de estos gases tiende a calentar la atmsfera, lo cual podra conducir, a cambios regionales oglobales que afectaran parmetros como la temperatura, las precipitaciones, la humedad del suelo y el nivel delmar.

Se sabe que el CO2 produce un incremento inmediato de la tasa de la fotosntesis, especialmente en las plantasC3; sin embargo cuando las plantas crecen continuamente con CO2 elevado, tienen lugar cambios bioqumicosque disminuyen la capacidad fotosinttica de la hoja, as los grandes incrementos iniciales de la fotosntesis conalta concentracin de CO2 no suelen mantenerse tan elevados cuando pasan semanas o meses. Este fenmenose conoce como aclimatacin de la fotosntesis. La aclimatacin a largo plazo de la fotosntesis al CO2 no permiteque las plantas puedan expresar al mximo su potencial fotosinttico, lo que se ha relacionado con laacumulacin de carbohidratos y la reduccin de la concentracin de enzimas fotosintticas clave, como larubisco, que frecuentemente se observa en hojas crecidas con alto CO2, por lo cual las hojas presentan unareduccin en el contenido de N y un aumento de la relacin C/N.

Existen dos razones para justificar la aclimatacin de la fotosntesis; la planta puede no ser capaz de usar todoslos carbohidratos adicionales que la fotosntesis a alto CO2 produce y, por lo tanto, una reduccin de la actividadde las fuentes puede ocurrir. Adems la rubisco se requiere en cantidades menores a alto CO2 para realizartasas de fotosntesis similares a las de CO2 ambiente.

4. LUZ:

Sin luz no hay fotosntesis, esta requiere de la luz en trminos de intensidad y de calidad de la radiacin. Con unincremento de la intensidad lumnica aumenta la intensidad fotosinttica (ver grfico) primero en forma lineal,luego disminuye suavemente y por ultimo alcanza un valor constante, es decir la capacidad fotosinttica estasaturada de luz. Este valor de saturacin es alcanzado por las diferentes especies con diferente velocidad. Enplantas helifilas esto ocurre despus de llegar a intensidades de radiacin altas y en plantas umbrfilas estasaturacin se alcanza rpidamente, es decir se requieren intensidades de luz bajas.Naturaleza de la luz: La luz blanca se separa en diferentes colores (longitudes de ondas) al pasar a travs de unprisma, La longitud de onda () se define como la distancia entre dos crestas o dos valles de una onda. La

energa es inversamente proporcional a la longitud de onda; las longitudes de onda largas tienen menos energaque las de longitudes de onda cortas. La energa de un fotn se puede calcular con la ecuacin:

Donde: h es la constante de Planck con valor de 6,6262 x 10-34 J. S., C la velocidad de la luz 3,0 x 108 m.S-1 y longitud de onda en metros (m), La energa del fotn es inversamente proporcional a la longitud de onda, Elordenamiento de los colores del espectro luminoso, est determinado por las longitudes de onda de la luz, La luzvisible es una pequea parte del espectro electromagntico comprendida entre 390 nm y 770 nm (nanmetro).

Cuadro 1. Caractersticas de varias regiones de longitud de onda de la luz

Color Rango de longitud deonda (nm)

Longitud de ondarepresentativa

Frecuencia(Ciclos/S)o

hertzios

Energa(KJ/mol)

Ultravioleta 740 1400 2.14 x 1014 85

hcE



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Mientras la longitud de onda de la luz visible sea mas larga, ms rojo es el color y si la longitud de onda es mscorta sta, estar ms cerca del violeta del espectro. Las longitudes de onda mayores que las rojas se, seconocen como infrarrojos y las ms cortas que las violetas son ultravioletas.

Figura 1. Comportamiento de la onda de luz

La luz se comporta como una onda y como una partcula. Las propiedades de onda de la luz incluyen lacurvatura de la onda cuando pasa de un medio a otro (Ej. A travs de un prisma, el arco iris, un lpizintroducido en un vaso de agua, etc.). Las propiedades de partcula se demuestran mediante el efectofotoelctrico. Por ejemplo cuando un tomo de Zn se expone a la luz ultravioleta, se carga positivamente (Zn+),debido a que la energa luminosa expulsa electrones del Zinc. Estos electrones pueden crear una corrienteelctrica. Los elementos sodio, potasio y selenio tienen una longitud de cada crtica, es la longitud de ondamxima (visible o invisible) que produce un efecto fotoelctrico. En 1905, Albert Einstein desarroll una teoraen la que se propuso que la luz estaba compuesta de partculas: llamadas fotones, cuya energa esinversamente proporcional a la longitud de onda de la luz. La luz tiene propiedades que se pueden explicartanto por el modelo de onda como por el de partcula.

2.4. LOCALIZACIN DE LA FOTOSNTESIS:

Cloroplastos

En clulas eucariotas, tanto las fases de la fotosntesis dependiente de la energa luminosa, como las reaccionesde asimilacin de carbono tienen lugar en los cloroplastos.

Lo cloroplastos son organelos intracelulares rodeados de una doble membrana, La membrana exterior espermeable a pequeas molculas e iones, mientras que la interior del cloroplasto. El comportamiento internocontiene multitud de sacos de vesculas aplanados rodeados de membrana llamados tilacoides, los cuales seapilan en unas estructuras denominadas grama.

Figura 2. Partes de un cloroplasto.



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Por clula se pueden encontrar de 20 a 200 cloroplastos. Cada cloroplasto esta envuelto por una membranadoble que controla el paso de molculas hacia fuera y hacia adentro. En el interior del cloroplasto hay un materialamorfo, gelatinoso y rico en enzimas llamado estroma. Este es el sitio donde se realiza la conversin del CO2 encarbohidratos.

En el estroma se encuentra un sistema de membranas en forma de lminas y sacos cerrados y aplanados,similares a vesculas, los tilacoides. Los tilacoides forman apilamientos, parecidos a monedas sobre puestas. Auna pila de tilacoides se le denomina grana. Los grana de un cloroplasto estn comunicados entre si portilacoides alargados que atraviesan como laminillas el estroma. Los cloroplastos tpicos de las plantas superiorescontienen unos 50 granas por cloroplasto y de 2 a 100 tilacoides por grana. Las membranas tilacoidalescontienen los pigmentos que participan en la absorcin de luz, las enzimas que realizan el transporte deelectrones y el factor de acoplamiento para la formacin de ATP. Los pigmentos principales en las membranastilacoidales son la clorofila a y la clorofila b. Tambin se encuentran pigmentos amarillo-naranja, los cuales sonde dos tipos: carotenos y xantofilas.En conjunto los pigmentos del cloroplasto representan casi la mitad del contenido lipdico de las membranastilacoidales.

Tilacoides (del griego thylakos = pequea bolsa): Es la unidad estructural de la fotosntesis. Procariotas yeucariotas poseen estos sacos/vesculas aplanados en cuyo interior se encuentran los productos qumicos queintervienen en la fotosntesis. Solo los eucariotas poseen cloroplastos con una membrana que los rodea. Laestructura de membrana especializada en la cual tiene lugar la fotosntesis. Membranas internas de loscloroplastos que conforman compartimentos, en las cuales tiene lugar, las "reacciones lumnicas" de lafotosntesis. Un conjunto de tilacoides forma la grana, El rea entre las granas se denomina estroma.

2.5. PIGMENTOS FOTOSINTTICOS2.5.1. ClorofilaLos cloroplastos producen un pigmento verde llamado clorofila que la planta utiliza para realizar la fotosntesis ofuncin clorofila, lo que la permite sintetizar compuestos orgnicos y liberar oxigeno. La clorofila est contenidaen unos discos aplanados llamados tilacoides y el conjunto de stos se llaman granas que estn dentro de loscloroplastos.

Las Plantas verdes logran sintetizar productos orgnicos de gran contenido energtico, como los azcares,hidratos de carbono, grasas, almidn, etc., a partir del dixido de carbono y el agua, mediante el complejoproceso de la fotosntesis, tambin llamado funcin cloroflica. Bsicamente podemos definir la clorofila como laencargada de absorber la luz necesaria para que la fotosntesis pueda ser llevada a cabo, proceso que culminacon la transformacin de la energa luminosa en energa qumica.

La fotosntesis es posible gracias a una sustancia denominada clorofila. Se trata de un pigmento de color verdeque se encuentra en las plantas y procariotas que realizan la funcin cloroflica. Esta sustancia se hallalocalizada en los cloroplastos de las clulas eucariotas vegetales. Su actividad biolgica es importantsima, yaque es la que hace posible la funcin cloroflica bsicamente podemos definir la clorofila como la encargada deabsorber la luz necesaria para que la fotosntesis pueda ser llevada a cabo, proceso que culmina, como ya sedijo, con la transformacin de la energa luminosa en energa qumica.

Figura 3. Rangos del espectro de absorcin de las ondas de luz por la clorofila a y b.



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Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe luz. El color de un pigmento es el resultado de la longitud deonda reflejada (no absorbida). La clorofila, el pigmento verde de todas las clulas fotosintticas, absorbe todaslas longitudes de onda de la luz visible excepto el verde, el cual es reflejado y percibido por nuestros ojos. Uncuerpo negro absorbe todas las longitudes de onda que recibe. El pigmento blanco o colores claros reflejan todoo casi todas las longitudes de onda. Las sustancias coloreadas tienen su espectro de absorcin caracterstico,que es el patrn de absorcin de un pigmento dado.

Los tipos de clorofilaLos tipos ms comunes de clorofilas son la a y b: las dems no tienen tanta importancia funcional.

Clorofila a y Clorofila bEn las plantas (seres auttrofos) el pigmento verde, la clorofila, se localiza en los cloroplastos que son losorganelos activos para la fotosntesis. El nombre clorofila proviene del griego chloros (verdoso) y phyllon(hoja). La fotosntesis es un proceso complejo a travs del cual se sintetizan hidratos de carbono y seproducto oxgeno, a partir de dixido de carbono y agua, con ayuda de energa luminosa perteneciente a laregin visible del espectro electromagntico.

En las plantas superiores existen dos tipos de clorofila (clorofila a y clorofila b), adems de otros pigmentosque en ocasiones enmascaran el color verde. La clorofila es una molcula compleja, formada por cuatroanillos pirrlicos, un tomo de magnesio y una cadena de fitol larga que le da la caracterstica de seraltamente hidrofbica. La clorofila b tiene la formula emprica C55H70O6N4Mg. Si en ella se sustituye un grupo-CHO por un grupo CH3 se obtiene la clorofila a (C55H72O5N4Mg).

Los tipos ms comunes de clorofila son la A y la B; las dems no tienen tanta importancia funcional La detipo A supone dentro de las plantas verdes alrededor de 75% de todas las clorofilas: capturan la energaluminosa dentro del espectro rojo y violeta. Por su parte, la clorofila de tipo B es un pigmento de menorentidad que no absorbe la luz dentro de la longitud de onda ms comn citado, pero que tiene la propiedadde transferir la energa recibida a las clorofilas de tipo A, las cuales finalmente si convierten esa energaluminosa en energa qumica.

Figura 4. La clorofila es una molcula compleja, formada por cuatro anillos pirrlicos, un tomo de magnesio yuna cadena larga de alcohol llamado fitol (C20H39OH).

2.5.2. Clorofila y pigmentos accesorios

La fotosntesis tiene lugar en los cloroplastos, orgnulos del citoplasma de forma discoidea verde, limitados poruna membrana definida, que son auto reproductivo. Separados del resto de la clula, los cloroplastos puedenrealizar el proceso completo de la fotosntesis. Cuerpos como stos se encuentran en las clulas de las algasrojas, pero stas adems de clorofila contienen como pigmento principal otro derivado tetrapirrlico: las



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ficobilinas. El microscopio ptico no revela una estructura definida de los cloroplastos, pero el microscopioelectrnico muestra que tienen una estructura altamente organizada, en las que las molculas de clorofila estnsituadas dentro de estructuras ordenadas llamadas grana y cada grana est conectada con otros por un retculode fibras o membranas. Segn esta teora las molculas planas de clorofila se encuentran orientadas entre capasde molculas de protenas y de molculas lipdicas, de forma que el cloroplasto completo puede ser consideradocomo una batera que contiene diversas clulas (las granas) poseedoras cada una de estas capas, de placas (lasmolculas de clorofila).

Un pigmento es cualquier sustancia que absorba la luz. El color del pigmento esta dado por la longitud de ondano absorbida (y por lo tanto reflejada). Los pigmentos negros absorben todas las longitudes de onda que lesllega.

La energa captada en la fotosntesis y el poder reductor adquirido en el proceso, hacen posible la reduccin y laasimilacin de los bioelementos necesarios, como nitrgeno y azufre, adems de carbono, para formar materiaviva.

La radiacin luminosa llega a la tierra en forma de pequeos paquetes, conocidos como cuantos o fotones. Losseres fotosintticos captan la luz mediante diversos pigmentos fotosensibles, entre los que destacan por suabundancia las clorofilas y carotenos.

Al absorber los pigmentos la luz, electrones de sus molculas adquieren niveles energticos, cuando vuelven asu nivel inicial liberan la energa que sirve para activar una reaccin qumica: una molcula de pigmento se oxidaal perder un electrn que es recogido por otra sustancia, que se reduce. As la clorofila puede transformar laenerga luminosa en energa qumica.

La clorofila, el pigmento verde comn a todas las clulas fotosintticas, absorbe todas las longitudes de onda delespectro visible, excepto las de la percepcin global del verde, detectado por nuestros ojos.

Si un pigmento absorbe luz puede ocurrir una de estas tres cosas: La energa se disipa como calor. La energa se emite inmediatamente como una de longitud de onda ms larga, fenmeno conocido

como fluorescencia. La energa puede dar lugar a una reaccin qumica como en la fotosntesis. La clorofila solo

desencadena una reaccin qumica cuando se asocia con una protena embebida en una membrana(como en el cloroplasto) o los repliegues de membrana encontradas en ciertos procariotas como lascianobacterias y clorobacterias.

a. Los carotenosEn las plantas y otros organismos fotosintticos existen diferentes tipos de clorofilas. La clorofila A se encuentraen todos los organismos fotosintticos (plantas, ciertos protistas, proclorobact

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