El ciclo de Calvin es la etapa de la fotosíntesis que utiliza la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos.
La fotorrespiración surge de la competencia de O2 y compañía2 en el sitio activo de la enzima Rubisco. La oxigenación reduce las tasas de carboxilación y, por lo tanto, reduce la asimilación neta de carbono y la eficiencia energética de la fotosíntesis. Además, uno de los productos de la oxigenación de Rubisco, el 2-fosfoglicolato (2-PG), es un fuerte inhibidor de varias enzimas esenciales (SBPasa y TPI) involucradas en el ciclo de Calvin.
Debido a que el ciclo de Calvin está directamente relacionado con la tasa de fijación de carbono, su regulación es crucial para la estabilidad metabólica general y, por lo tanto, es imperativa para la capacidad de la planta para hacer frente a las fluctuaciones ambientales, por ejemplo, cambios en la intensidad de la luz o la temperatura.
Se están haciendo investigaciones para reducir las pérdidas fotorrespiratorias, y por lo tanto aumentar la fotosíntesis neta, mediante ingeniería genética.
En un artículo publicado recientemente en in silico Plants, Prof. Thomas Nägele y su estudiante de doctorado Jakob Hernandez de Ludwig-Maximilians-Universität München utilice modelos cinéticos estructurales para determinar qué tan necesarios son los elementos de fotorrespiración para la estabilidad del ciclo de Calvin.
El modelado cinético describe los procesos físicos y bioquímicos en un sistema biológico mediante ecuaciones, y su resultado proporciona información sobre el comportamiento del sistema. El modelado cinético se basa en el conocimiento de los valores de los parámetros que describen la afinidad de una enzima por su sustrato, la velocidad de una reacción y la sensibilidad de la enzima a la inhibición por moléculas reguladoras. El ciclo de Calvin es operado por 11 enzimas diferentes que catalizan 13 reacciones. Según Hernández, “los valores de los parámetros de las enzimas del ciclo de Calvin son escasos porque son difíciles de medir y variables dependiendo de factores como la temperatura y el pH. Superamos este obstáculo al combinar el modelado cinético con el modelado estructural”.
El uso de modelado cinético estándar, normalmente se necesitan los siguientes valores de parámetro:
- velocidad máxima de reacción,
- afinidad que tiene una enzima por el sustrato, y
- afinidad que tiene una enzima por el inhibidor.
In modelado cinético estructural, se utilizan valores alternativos más fáciles de obtener:
- cantidad de sustratos y productos, y
- tasas de interconversión enzimática.
En primer lugar, se ejecutaron dos versiones del modelo cinético estructural, que incluían o excluían la fotorrespiración, para determinar si la fotorrespiración estabiliza el ciclo de Calvin y en qué medida. La estabilidad indica que las concentraciones de metabolitos esenciales se encuentran en un estado constante sostenible que permite que el ciclo continúe. Hernández y Nägele descubrieron que incluir la fotorrespiración estabilizó significativamente el ciclo de Calvin y, por lo tanto, es un proceso necesario en un entorno cambiante.
A continuación, los autores investigaron qué elementos de la fotorrespiración eran necesarios para la estabilidad del ciclo de Calvin. Primero se centraron en el inhibidor 2-PG, que se crea como producto de la fotorrespiración. El modelo que incluía la fotorrespiración se ejecutó con niveles variables de inhibición por 2-PG para determinar su efecto sobre la estabilidad del ciclo de Calvin. Se encontró que la regulación por 2-PG aumenta la estabilidad del ciclo de Calvin.
Hernández concluye, “el valor de este trabajo radica en la estimación de una compensación entre la asimilación de carbono y la estabilización metabólica bajo cambios ambientales”.
LEE EL ARTÍCULO:
Jakob Sebastián Hernández, Thomas Nägele, La función de compensación de la fotorrespiración en un entorno cambiante, in silico Plantas, 2022; diac022, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac022
Este artículo forma parte del número especial sobre Modelado multiescala de la fotosíntesis.
