¿Es necesaria la fotorrespiración para la fotosíntesis?
Mary Lederman
El modelado revela el papel de la fotorrespiración en la estabilización del ciclo de Calvin.
El ciclo de Calvin es la fase 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 disminuye las tasas de carboxilación y, por lo tanto, disminuye 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 potente 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 crítica para la estabilidad metabólica general y, por lo tanto, esencial para la capacidad de la planta para hacer frente a las fluctuaciones ambientales, p. B. Cambios en la intensidad de la luz o la temperatura.
Se están realizando investigaciones para utilizar la ingeniería genética para reducir las pérdidas por fotorrespiración y, por lo tanto, aumentar la fotosíntesis neta.
En un artículo reciente en en silico Plants, el profesor Thomas Nagele y su estudiante de doctorado Jakob Hernandez de la Universidad Ludwig-Maximilians de Munich utilizan modelos cinéticos de estructura para determinar qué tan necesarios son los elementos fotorrespiratorios 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 sí misma. sustrato, la velocidad de una reacción y la susceptibilidad de la enzima a la inhibición por moléculas reguladoras. El ciclo de Calvin está impulsado por 11 enzimas diferentes que catalizan 13 reacciones. Según Hernández, “los valores de los parámetros para las enzimas del ciclo de Calvin son escasos porque son difíciles de medir y variables con factores como la temperatura y el pH. Superamos este obstáculo al combinar el modelado cinético con el modelado estructural”.
Usar Modelado cinético estándarnormalmente se requieren los siguientes valores de parámetro:
- máxima velocidad de reacción,
- afinidad que tiene una enzima por el sustrato, y
- Afinidad que tiene una enzima por un inhibidor.
En modelado estructural-cinéticoSe utilizan valores alternativos que son más fáciles de obtener:
- Cantidad de sustratos y productos, y
- Tasas de conversión enzimática.
En primer lugar, se ejecutaron dos versiones del modelo de estructura cinética, con y sin fotorrespiración, para determinar si la fotorrespiración estabiliza el ciclo de Calvin y en qué medida. La estabilidad indica que los niveles de los metabolitos esenciales se encuentran en un estado estable a lo largo del tiempo, lo que permite que el ciclo continúe. Hernández y Nagele 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 examinaron qué elementos de la fotorrespiración son necesarios para la estabilidad del ciclo de Calvin. Inicialmente se centraron en el inhibidor 2-PG, que es un producto de la fotorrespiración. El modelo de fotorrespiración se ejecutó con diferentes niveles de inhibición por 2-PG para determinar su efecto sobre la estabilidad del ciclo de Calvin. Se ha encontrado que la regulación por 2-PG aumenta la estabilidad del ciclo de Calvin.
Hernández concluye: “El valor de este trabajo radica en evaluar una compensación entre la asimilación de carbono y la estabilización metabólica bajo el cambio ambiental”.
LEER EL ARTÍCULO:
Jakob Sebastian Hernandez, Thomas Nagele, La función de compensación de la fotorrespiración en un entorno cambiante. en silico plantas, 2022; diac022, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac022
Este artículo es parte del número especial sobre modelado multiescala de la fotosíntesis.
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