Fotorrespiração - Photorespiration
A fotorrespiração (também conhecida como ciclo oxidativo do carbono fotossintético , ou fotossíntese C 2 ) refere-se a um processo no metabolismo da planta onde a enzima RuBisCO oxigena RuBP , desperdiçando parte da energia produzida pela fotossíntese. A reação desejada é a adição de dióxido de carbono ao RuBP ( carboxilação ), uma etapa fundamental no ciclo de Calvin-Benson , mas aproximadamente 25% das reações por RuBisCO adicionam oxigênio ao RuBP ( oxigenação ), criando um produto que não pode ser usado dentro o ciclo Calvin-Benson. Este processo reduz a eficiência da fotossíntese, reduzindo potencialmente a produção fotossintética em 25% em plantas C 3 . A fotorrespiração envolve uma rede complexa de reações enzimáticas que trocam metabólitos entre cloroplastos , peroxissomos foliares e mitocôndrias .
A reação de oxigenação de RuBisCO é um processo de desperdício porque o 3-fosfoglicerato é criado a uma taxa reduzida e a um custo metabólico mais alto em comparação com a atividade da carboxilase RuBP . Enquanto o ciclo do carbono fotorrespiratório resulta na formação de G3P , eventualmente, cerca de 25% do carbono fixado pela fotorrespiração é re-liberado como CO
2e nitrogênio, como amônia . A amônia deve então ser desintoxicada a um custo substancial para a célula. Fotorrespiração também incorre custos directos de um ATP e uma NAD (P) H .
Embora seja comum se referir a todo o processo como fotorrespiração, tecnicamente o termo se refere apenas à rede metabólica que atua para resgatar os produtos da reação de oxigenação (fosfoglicolato).
Reações fotorrespiratórias
A adição de oxigênio molecular à ribulose-1,5-bisfosfato produz 3-fosfoglicerato (PGA) e 2-fosfoglicolato (2PG ou PG). O PGA é o produto normal da carboxilação e entra produtivamente no ciclo de Calvin . O fosfoglicolato, no entanto, inibe certas enzimas envolvidas na fixação fotossintética de carbono (por isso é freqüentemente considerado um 'inibidor da fotossíntese'). Também é relativamente difícil de reciclar: nas plantas superiores, é recuperado por uma série de reações no peroxissomo , na mitocôndria e novamente no peroxissomo, onde é convertido em glicerato . O glicerato entra novamente no cloroplasto e pelo mesmo transportador que exporta o glicolato . Um custo de 1 ATP está associado à conversão em 3-fosfoglicerato (PGA) ( Fosforilação ), dentro do cloroplasto , que fica então livre para reentrar no ciclo de Calvin.
Vários custos estão associados a essa via metabólica; a produção de peróxido de hidrogênio no peroxissomo (associada à conversão de glicolato em glioxilato). O peróxido de hidrogênio é um oxidante perigosamente forte que deve ser imediatamente dividido em água e oxigênio pela enzima catalase . A conversão de 2 × 2Carbon glicina a um C3- serina na mitocôndria pela enzima glicina-descarboxilase é um passo-chave, que liberta CO
2, NH 3 e reduz o NAD a NADH. Assim, 1 CO
2molécula é produzida para cada 2 moléculas de O
2(dois derivados de RuBisCO e um de oxidações peroxissomais). A assimilação do NH 3 ocorre via ciclo GS - GOGAT , ao custo de um ATP e um NADPH.
As cianobactérias têm três vias possíveis pelas quais podem metabolizar o 2-fosfoglicolato. Eles são incapazes de crescer se todas as três vias forem eliminadas, apesar de terem um mecanismo de concentração de carbono que deve reduzir drasticamente a taxa de fotorrespiração (veja abaixo) .
Especificidade de substrato de RuBisCO
A reação do ciclo do carbono fotossintético oxidativo é catalisada pela atividade da oxigenase RuBP :
-
RuBP + O
2→ Fosfoglicolato + 3-fosfoglicerato + 2 H+
Durante a catálise por RuBisCO, um intermediário 'ativado' é formado (um intermediário enodiol) no sítio ativo de RuBisCO. Este intermediário é capaz de reagir com CO
2ou O
2. Foi demonstrado que a forma específica do sítio ativo RuBisCO atua para estimular reações com CO
2. Embora haja uma taxa de "falha" significativa (~ 25% das reações são oxigenação em vez de carboxilação), isso representa um favorecimento significativo do CO
2, quando a abundância relativa dos dois gases é levada em consideração: na atmosfera atual, O
2é aproximadamente 500 vezes mais abundante, e na solução O
2é 25 vezes mais abundante que o CO
2.
A habilidade do RuBisCO em especificar entre os dois gases é conhecida como seu fator de seletividade (ou Srel), e varia entre as espécies, com angiospermas mais eficientes que outras plantas, mas com pouca variação entre as plantas vasculares .
Uma explicação sugerida da incapacidade de RuBisCO de discriminar completamente entre CO
2e O
2é que é uma relíquia evolutiva: a atmosfera inicial na qual as plantas primitivas se originaram continha muito pouco oxigênio, a evolução inicial do RuBisCO não foi influenciada por sua capacidade de discriminar entre O
2e CO
2.
Condições que afetam a fotorrespiração
As taxas de fotorrespiração aumentam em:
Disponibilidade de substrato alterada: CO 2 reduzido ou O 2 aumentado
Os fatores que influenciam isso incluem a abundância atmosférica dos dois gases, o fornecimento dos gases ao local de fixação (ou seja, em plantas terrestres: se os estômatos estão abertos ou fechados), o comprimento da fase líquida (a que distância esses gases têm difundir através da água para atingir o local da reação). Por exemplo, quando os estômatos são fechados para evitar a perda de água durante a seca : isso limita o CO
2fornecer, enquanto O
2a produção dentro da folha continuará. Em algas (e plantas que fazem a fotossíntese subaquática); os gases têm que se difundir por distâncias significativas através da água, o que resulta em uma diminuição na disponibilidade de CO
2em relação a O
2. Foi previsto que o aumento do CO ambiente
2as concentrações previstas nos próximos 100 anos podem reduzir a taxa de fotorrespiração na maioria das plantas em cerca de 50%. No entanto, em temperaturas mais altas do que o ótimo térmico fotossintético, os aumentos na taxa de rotatividade não se traduzem em aumento de CO
2 assimilação devido à diminuição da afinidade da Rubisco pelo CO2.
Temperatura elevada
Em temperaturas mais altas, RuBisCO é menos capaz de discriminar entre CO
2e O
2. Isso ocorre porque o intermediário enodiol é menos estável. O aumento das temperaturas também reduz a solubilidade do CO
2, reduzindo assim a concentração de CO
2em relação a O
2no cloroplasto .
Adaptação biológica para minimizar a fotorrespiração
Certas espécies de plantas ou algas têm mecanismos para reduzir a absorção de oxigênio molecular por RuBisCO. Estes são comumente referidos como Mecanismos de Concentração de Carbono (CCMs), pois aumentam a concentração de CO
2de modo que RuBisCO é menos provável de produzir glicolato por meio da reação com O
2.
Mecanismos bioquímicos de concentração de carbono
Os CCMs bioquímicos concentram o dióxido de carbono em uma região temporal ou espacial, por meio da troca de metabólitos . A fotossíntese C 4 e CAM usam a enzima Fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPC) para adicionar CO
2a um açúcar de 4 carbonos. PEPC é mais rápido do que RuBisCO e mais seletivo para CO
2.
C 4
As plantas C 4 capturam dióxido de carbono em suas células mesófilas (usando uma enzima chamada fosfoenolpiruvato carboxilase que catalisa a combinação de dióxido de carbono com um composto chamado fosfoenolpiruvato (PEP)), formando oxaloacetato. Este oxaloacetato é então convertido em malato e é transportado para as células da bainha do feixe (local de fixação do dióxido de carbono por RuBisCO), onde a concentração de oxigênio é baixa para evitar a fotorrespiração. Aqui, o dióxido de carbono é removido do malato e combinado com RuBP por RuBisCO da maneira usual, e o Ciclo de Calvin prossegue normalmente. O CO
2 as concentrações na bainha do feixe são aproximadamente 10–20 vezes maiores do que a concentração nas células do mesofilo.
Essa capacidade de evitar a fotorrespiração torna essas plantas mais resistentes do que outras plantas em ambientes secos e quentes, onde os estômatos são fechados e os níveis internos de dióxido de carbono são baixos. Nessas condições, a fotorrespiração ocorre em plantas C 4 , mas em um nível muito reduzido em comparação com plantas C 3 nas mesmas condições. As plantas C 4 incluem cana-de-açúcar , milho (milho) e sorgo .
CAM (metabolismo do ácido crassuláceo)
Plantas CAM, como cactos e plantas suculentas , também usam a enzima PEP carboxilase para capturar dióxido de carbono, mas apenas à noite. O metabolismo do ácido crassuláceo permite que as plantas conduzam a maior parte de suas trocas gasosas no ar noturno mais frio, sequestrando carbono em açúcares de 4 carbonos que podem ser liberados para as células fotossintetizantes durante o dia. Isso permite que as plantas CAM reduzam a perda de água ( transpiração ) mantendo os estômatos fechados durante o dia. As plantas CAM geralmente exibem outras características de economia de água, como cutículas grossas, estômatos com pequenas aberturas e, normalmente, perdem cerca de 1/3 da quantidade de água por CO
2 fixo.
Algas
Houve alguns relatos de algas operando um CCM bioquímico: transportando metabólitos dentro de células individuais para concentrar CO
2em uma área. Este processo não é totalmente compreendido.
Mecanismos biofísicos de concentração de carbono
Este tipo de mecanismo de concentração de carbono (CCM) depende de um compartimento contido dentro da célula no qual CO
2é transportado, e onde RuBisCO é altamente expresso. Em muitas espécies, os CCMs biofísicos são apenas induzidos sob baixas concentrações de dióxido de carbono. Os CCMs biofísicos são evolutivamente mais antigos do que os bioquímicos. Há algum debate sobre quando os CCMs biofísicos evoluíram pela primeira vez, mas é provável que tenha sido durante um período de baixo dióxido de carbono, após o Grande Evento de Oxigenação (2,4 bilhões de anos atrás). CO baixo
2 períodos ocorreram por volta de 750, 650 e 320–270 milhões de anos atrás.
Algas eucarióticas
Em quase todas as espécies de algas eucarióticas ( Chloromonas sendo uma exceção notável), após a indução do CCM, ~ 95% do RuBisCO é densamente compactado em um único compartimento subcelular: o pirenóide . O dióxido de carbono é concentrado neste compartimento usando uma combinação de CO
2bombas, bombas de bicarbonato e anidrases carbônicas . O pirenóide não é um compartimento delimitado por membrana, mas é encontrado dentro do cloroplasto, frequentemente envolto por uma bainha de amido (que não deve ter uma função no CCM).
Hornworts
Certas espécies de hornwort são as únicas plantas terrestres que são conhecidas por terem uma CCM biofísica envolvendo a concentração de dióxido de carbono dentro dos pirenóides em seus cloroplastos.
Cianobactéria
Os CCMs cianobacterianos são semelhantes em princípio aos encontrados em algas eucarióticas e hornworts, mas o compartimento no qual o dióxido de carbono está concentrado tem várias diferenças estruturais. Em vez do pirenóide, as cianobactérias contêm carboxissomos , que têm uma casca de proteína, e proteínas ligantes que empacotam RuBisCO em seu interior com uma estrutura bastante regular. Os CCMs cianobacterianos são muito mais bem compreendidos do que os encontrados em eucariotos , em parte devido à facilidade de manipulação genética dos procariotos .
Possível propósito de fotorrespiração
A redução da fotorrespiração pode não resultar em aumento das taxas de crescimento das plantas. A fotorrespiração pode ser necessária para a assimilação do nitrato do solo. Assim, uma redução na fotorrespiração por engenharia genética ou devido ao aumento do dióxido de carbono atmosférico (devido à queima de combustível fóssil) pode não beneficiar as plantas como foi proposto. Vários processos fisiológicos podem ser responsáveis por ligar a fotorrespiração e a assimilação de nitrogênio. A fotorrespiração aumenta a disponibilidade de NADH, que é necessário para a conversão de nitrato em nitrito . Certos transportadores de nitrito também transportam bicarbonato , e o CO 2 elevado demonstrou suprimir o transporte de nitrito para os cloroplastos. No entanto, em um ambiente agrícola, a substituição da via de fotorrespiração nativa por uma via sintética projetada para metabolizar o glicolato no cloroplasto resultou em um aumento de 40% no crescimento da cultura.
Embora a fotorrespiração seja bastante reduzida nas espécies C 4 , ainda é uma via essencial - mutantes sem o metabolismo do 2-fosfoglicolato em funcionamento não podem crescer em condições normais. Um mutante demonstrou acumular glicolato rapidamente.
Embora as funções da fotorrespiração permaneçam controversas, é amplamente aceito que essa via influencia uma ampla gama de processos, desde bioenergética, função do fotossistema II e metabolismo do carbono até a assimilação do nitrogênio e respiração. A reação de oxigenase de RuBisCO pode prevenir a depleção de CO 2 perto de seus locais ativos e contribui para a regulação da concentração de CO 2. na atmosfera. A via fotorrespiratória é uma importante fonte de peróxido de hidrogênio ( H
2O
2) em células fotossintéticas. Por H
2O
2produção e interações de nucleotídeos de pirimidina, fotorrespiração faz uma contribuição chave para a homeostase redox celular. Ao fazer isso, ele influencia várias vias de sinalização, em particular, aquelas que governam as respostas hormonais das plantas, controlando o crescimento, as respostas ambientais e de defesa e a morte celular programada.
Postulou-se que a fotorrespiração pode funcionar como uma "válvula de segurança", evitando que o excesso de potencial redutor proveniente de uma poça NADPH superreduzida reaja com o oxigênio e produza radicais livres , visto que estes podem danificar as funções metabólicas da célula por oxidação subsequente de lipídios de membrana, proteínas ou nucleotídeos. Os mutantes deficientes em enzimas fotorrespiratórias são caracterizados por um alto nível redox na célula, regulação estomática prejudicada e acúmulo de formato.
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Stern K (2003). Biologia Vegetal Introdutória . Nova York: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-290941-8.
- Siedow JN, Dia D (2000). "Capítulo 14: Respiração e fotorrespiração". Bioquímica e Biologia Molecular de Plantas . American Society of Plant Physiologists.