Algunas plantas dominan una forma especial de utilización de la energía solar que ofrece grandes ventajas en condiciones cálidas. Un estudio reciente proporciona ahora nuevos conocimientos sobre una enzima que desempeña un papel central en la llamada fotosíntesis C4.
por la Universidad de Bonn
El trabajo, dirigido por la Universidad de Bonn, también involucró a investigadores de Argentina, Canadá y la Universidad de Düsseldorf. Ha sido publicado en la revista The Plant Cell .
Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan la luz solar para convertir el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos y oxígeno. Captan el dióxido de carbono del aire ambiente a través de estomas en la superficie de sus hojas. Sin embargo, a temperaturas muy cálidas, estos cierran para evitar una pérdida excesiva de agua.
Por lo tanto, alrededor del 3 por ciento de todas las plantas han desarrollado un truco que les permite utilizar incluso las cantidades más pequeñas de fotosíntesis de CO 2 : C4. En este proceso, primero fijan previamente el dióxido de carbono uniéndolo a una molécula de transporte. Este paso funciona incluso a concentraciones de CO 2 muy bajas ; por lo tanto, la planta solo tiene que abrir sus estomas brevemente. Esta pre-fijación tiene lugar en el mesófilo, las células del interior de la hoja adyacentes al aire ambiente. Rodean las células de la vaina del haz, que no están en contacto directo con el aire.
La pre-fijación química produce un compuesto orgánico que contiene cuatro carbonos, de ahí el nombre de fotosíntesis C4. Esto se transporta a las celdas de la envoltura del haz, que están especialmente selladas. Aquí, el dióxido de carbono se libera nuevamente y luego está disponible para otras reacciones de fotosíntesis. «Este paso de liberación es catalizado por una enzima especial», explica la Prof. Dra. Veronica Maurino del Departamento de Fisiología Vegetal Molecular de la Universidad de Bonn, quien dirigió el estudio. «Algunas de las plantas usan la llamada enzima NAD-malato para este propósito».
Enzimas similares, diferentes tareas.
Hasta ahora, no estaba claro exactamente cómo está estructurado y funciona C4-NAD-ME (como se abrevia), que está involucrado en la fotosíntesis de C4. Los socios de Alemania, Canadá y Argentina ahora han investigado esto usando una planta ornamental del género Cleome como ejemplo. Según el estudio, NAD-ME consta de dos grandes bloques de construcción, la subunidad alfa y beta . Mientras que la unidad alfa es responsable de la liberación de CO 2 , la subunidad beta sirve principalmente para regular la actividad de la enzima.
Y es precisamente esta regulación la que probablemente sea extremadamente importante. Esto se debe a que la liberación de dióxido de carbono tiene lugar en los «motores de potencia» de las células, las mitocondrias, donde se producen constantemente importantes procesos metabólicos. Algunos de estos también son catalizados por NAD-ME, pero por una variante completamente diferente. «Éste es mucho más lento en términos de velocidad de reacción que el C4-NAD-ME utilizado en la fotosíntesis C4», enfatiza el profesor Maurino.
La subunidad beta aparentemente evita que las dos enzimas se interpongan en el camino de la otra. Esto se debe a que regula la velocidad de reacción de C4-NAD-ME. Para hacer esto, une un producto intermedio del ciclo de fotosíntesis de C4 llamado aspartato. Y este aspartato asegura que la variante fotosintética de NAD-ME se vuelva particularmente activa. Por tanto, el CO 2 prefijado y destinado a la fotosíntesis es procesado principalmente por la variante enzimática que lo «iguala» (y funciona mucho más rápido).
La subunidad beta ha cambiado mucho en el curso de la evolución.
Por cierto, la versión fotosintética de NAD-ME evolucionó a partir de la variante lenta responsable de las tareas generales de NAD-ME en la mitocondria de la planta. «Tanto los genes de las subunidades alfa como beta se duplicaron en algún momento durante la evolución», explica Maurino. «La segunda versión del gen alfa se perdió de nuevo, y el único gen restante cambió poco después de eso. Una de las copias beta duplicadas, por otro lado, mutó en muchos sitios diferentes. Por lo tanto, perdió su función original y en su lugar adquirió la capacidad de regular la actividad de la nueva enzima «.
Esta compleja evolución también puede ser la razón por la cual la liberación del dióxido de carbono prefijado funciona de manera diferente en la mayoría de las plantas C4 que en el género Cleome. Un ejemplo es el maíz: la hierba dulce, que se originó en México donde tuvo que desarrollar la capacidad de fotosíntesis sin perder demasiada agua, tiene una enzima distinta a NAD-ME para hacerlo. «Nuestros resultados nos ayudan a comprender mejor la evolución de los diferentes grupos de plantas C4», dice el científico. «También podría ayudar a transferir el mecanismo C4 a cultivos que no han dominado esta forma eficiente de fotosíntesis «.
