Metabolisme de les plantes C4

RuBisCO és una proteïna que regula els nivells de CO2 a les plantes. Té una estructura complexa i un centre catalític que s'inhibeix per diferents sucres-P.

La RuBisCO té una elevada afinitat pel CO2, tot i que la seva velocitat de catàlisi és lenta. Aquesta baixa eficiència s'aborda a través de la síntesi d'una gran quantitat d'aquest enzim.

La primera etapa del cicle de Calvin és la carboxilació, que requereix la unió del CO2 amb una molècula de RuBP. Aquest procés allibera energia i es porta a terme per l'enzim RuBisCO.

En la reducció del 3-fosfoglicerat, un grup carboxílic es converteix en un grup aldehid a través de dues reaccions consecutives. La primera reacció requereix ATP i un enzim cinasa que fosforil·la el 3PGA. La segona reacció requereix l'ús de NADPH i una deshidrogenasa.

Les proteïnes d'alt pes molecular de RuBisCO s'elaboren al cloroplast, mentre que les de baix pes molecular es sintetitzen al citosol.

RuBisCO està formada per subunitats d'alt pes molecular, codificades al gen del cloroplast, i subunitats de baix pes molecular, codificades pel DNA nuclear.

RuBisCO té una alta concentració a les fulles, reflectint la seva funció essencial en la fotosíntesi.

S'utilitza ATP i NADPH per transformar 3 PGA en GA3P, un sucre de 3 carbonis que s'utilitza per a la formació d'altres sucres i estructures.

Es produeix a la molècula d'enzim per augmentar la seva velocitat de catalització. Aquest canvi és ràpid i permet adaptar-se a canvis bruscs en l'ambient.

El nivell d'activitat dels enzims depèn de la concentració de Mg2+ i el pH de l'estroma. La llum afecta aquests factors.

L'augment del nivell de fosfoglicerat inhibeix l'activitat de la ribulosa 5-P cinasa. Això evita un desaprofitament d'ATP quan la fotosíntesi està aturada.

Procés que controla la quantitat d'enzims a través de la transcripció i traducció de l'RNA.

Fase del cicle de Calvin on s'utilitza la RuBisCO per fixar el CO2.

Fase del cicle de Calvin que converteix el GA3P a fructosa 1,6-bifosfat.

Fase del cicle de Calvin que crea sucres de 5 i 7 carbonis per regenerar RuBP.

El metabolisme d'un organisme, en aquest cas, la fotosíntesi, pot ser regulat a tres nivells: transcripció, traducció i post-traduccional.

Les plantes CAM emmagatzemen CO2 a la nit i el fixen durant el dia. Això els permet reduir la pèrdua d'aigua per evaporació.

L'àcid màlic s'acumula a les plantes CAM durant la nit.

Durant la nit, les plantes CAM concentren CO2 en forma d'àcid màlic al vacúol.

Al matí, l'àcid màlic es transfereix al cloroplast per ser utilitzat en la fotosíntesi.

Les plantes CAM realitzen la fotosíntesi amb els estomes tancats, reduint al mínim la pèrdua d'aigua.

La RuBisCO, en les plantes CAM, no oxigena perquè els estomes es troben tancats durant el dia.

Les plantes CAM concentren CO2 per tal de reduir la fotorespiració.

Les plantes CAM tenen una alta eficiència en l'ús de l'aigua, la qual cosa els permet sobreviure en ambients àrids.

La PEP-carboxilasa és un enzim que catalitza la primera etapa de la fotosíntesi C4. Té major afinitat pel bicarbonat que la RuBisCO, permetent una fixació més eficient del CO2 en condicions de baixa concentració d'aquest gas.

La PEP-carboxilasa presenta una alta activitat enzimàtica, especialment a concentracions baixes de CO2. Aquest fet explica la seva importància en la fotosíntesi C4.

La PEP-carboxilasa no és afectada per temperatures altes, mantenint la seva activitat en condicions de calor.

En la primera etapa de la fotosíntesi C4, el bicarbonat es fixa i es forma oxalacetat, que es redueix a malat amb el consum de NADPH.

La molècula de malat, formada al citosol, es transporta a les cèl·lules de la beina on se li treu el CO2, que s'utilitzarà en el cicle de Calvin.

La descarboxilació del malat allibera CO2 i genera poder reductor, catalitzat per l'enzim màlic NADP dependent. Aquest CO2 es dirigeix a la RuBisCO, iniciant el cicle de Calvin.

El piruvat, resultat de la descarboxilació, se subministra a les cèl·lules del meso昀椀l·le on es regenera el PEP amb un cost de dues molècules d'ATP.

Les plantes C4 tenen una despesa energètica més alta per fixar el CO2 que les plantes C3, però són més eficients a baixa concentració de CO2. Aquest fet expliquen el creixement més ràpid de les plantes C4 en condicions de calor i sequera.

La radiació UVA afecta negativament el fotosistema II, degradant o inhibint la síntesi de clorofil·la. Això redueix la eficiència de la fotosíntesi i dificulta el transport electrònic.

Un valor alt de la ràtio (A+Z)/(V+A+Z) indica una major dissipació tèrmica. Això significa que el fotosistema té menys eficiència i el transport electrònic s'alenteix.

La sequera redueix l'eficiència del fotosistema, la qual cosa afecta negativament la taxa de fotosíntesi.

Cada espècie vegetal té una adaptació específica a diferents intensitats de llum, com ara el Gossypium, que tolera molt bé la llum intensa, i l'Oxalis, que s'adapta a condicions de poca llum.

La fluorescència mesura l'eficiència dels centres de reacció de les fulles, proporcionant una indicació de la capacitat fotosintètica de la planta.

L'eficiència dels centres de reacció de les fulles del bedoll varia segons l'hora del dia (intensitat de llum) i l'època de l'any.

L'Oxalis i el Prunus s'adapten a condicions ombrívoles, mentre que el Gossypium i la Malva prosperen en llum intensa.

Les plantes utilitzen diferents estratègies per adaptar-se a condicions ambientals variables, com ara la intensitat de la llum o la disponibilitat d'aigua.

La intensitat de la llum limita la fotosíntesi fins a un cert punt, després la seva disponibilitat no afecta més la producció.

Una vegada superada la saturació en llum, el diòxid de carboni, la RuBisCO i altres components del cicle de Calvin es converteixen en els factors limitants de la fotosíntesi.

Representa la quantitat mínima de llum que una planta necessita per a començar a produir mitjançant la fotosíntesi.

La quantitat màxima de llum que una planta pot utilitzar per a la fotosíntesi, a partir del qual no hi ha un augment en la producció.

Les plantes d'ombra necessiten menys llum per a arribar al punt de saturació que les plantes de sol, ja que estan adaptades a condicions d'ombra.

Les plantes d'ombra presenten una respiració mitocondrial inferior a les de sol, ja que necessiten menys energia per a les seves funcions vitals en condicions d'ombra.

Les plantes C4 necessiten més llum per a fixar el diòxid de carboni i tenen un punt de saturació molt alt, a diferència de les plantes C3.

Una planta C3 d'ombra té un punt de compensació més baix en relació a una C4 o una C3 de sol, ja que necessita menys llum per a començar a produir.

És un procés metabòlic en què les plantes fixen el CO2 durant la nit i l'utilitzen per a la fotosíntesi durant el dia.

La PEP carboxilasa és un enzim que fixa el CO2 durant la nit a les plantes CAM.

Les plantes CAM obren els estomes a la nit, de manera oposada al ritme estomàtic normal.

Les plantes CAM tenen un baix índex estomàtic, amb menys estomes i petita grandària.

Les plantes CAM tenen una capa de ceres a la cutícula, que ajuda a retenir l'aigua.

Les plantes CAM tenen una relació superfície/volum baixa, que redueix la superfície d'evaporació.

El Cicle de Calvin és un conjunt de reaccions que converteixen el diòxid de carboni (CO2) en sucres utilitzables per la planta. Aquest cicle es divideix en tres etapes: carboxilació, reducció i regeneració de la RuBP.

La RuBisCO és un enzim que catalitza la primera etapa del Cicle de Calvin, la carboxilació. Aquesta reacció consisteix a unir el CO2 a una molècula de ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP).

La carboxilació del Cicle de Calvin és la fixació del CO2 a la RuBP, catalitzada per l'enzim RuBisCO. Aquesta reacció forma dues molècules de 3-fosfoglicerat (3PGA).

La reducció del 3PGA al Cicle de Calvin implica transformar el 3PGA en gliceraldehid-3-fosfat (GA3P). Aquesta transformació requereix energia de l’ATP i poder reductor del NADPH.

La regeneració de la RuBP implica una sèrie de reaccions que generen una nova molècula de RuBP a partir de components del Cicle de Calvin. Aquesta etapa és fonamental per a mantenir el cicle en funcionament.

Les plantes C3 són les més comunes i realitzen la fotosíntesi amb el Cicle de Calvin com a únic mecanisme de fixació del CO2. En aquestes plantes, RuBisCO actua com a única carboxilasa.

Les plantes C4 presenten una adaptacions per a fixar CO2 amb més eficiència en condicions de baix CO2. Utilitzen l'enzim PEP-carboxilasa i un mecanisme de concentració de CO2 al voltant de la RuBisCO.

Les plantes CAM són adaptades a climes secs i utilitzen un mecanisme de fixació del CO2 que limita la pèrdua d'aigua. Obren els estomes de nit i emmagatzemen CO2 en forma d'àcid màlic per fixar-lo durant el dia.

Les fulles es mouen per a seguir el sol i captar al màxim la llum. Aquest moviment reversibles s'anomena heliotropisme.

Les fulles poden moure's per a evitar el sol excessiu, per exemple, per a evitar cremades. Aquest moviment reversible s'anomena solar-avoiding.

És un orgànul que es troba a la base del folíol o del pecíol responsable del moviment de les fulles.

El moviment de les fulles es deu a canvis en la quantitat d'aigua a les cèl·lules del pulvinus. Quan les cèl·lules inflen, la fulla es mou cap amunt.

Algunes plantes poden recordar la posició del sol i ajustar les fulles per a captar els raigs del matí abans de la sortida del sol.

Les fulles que estan més a l'exterior de la planta reben més llum que les que estan a l'interior.

Les fulles s'adapten a les condicions ambientals, com ara la quantitat de llum, la disponibilitat d'aigua i la temperatura.

Les plantes que viuen en boscos densos han d'adaptar-se a condicions d'ombra i poca llum. Per exemple, les fulles poden ser més amples per a captar més llum.

El metabolisme CAM (metabolisme de l'àcid crassulàceu) és una adaptació a les plantes que viuen en ambients àrids. Aquest metabolisme permet fixar CO2 durant la nit, quan les temperatures són més baixes i la pèrdua d'aigua per transpiració és mínima. La fixació del CO2 es realitza en forma d'àcid màlic, que s'emmagatzema als vacúols. Durant el dia, l'àcid màlic es descarboxila i el CO2 s'utilitza en la fotosíntesi pel cicle de Calvin.

Durant la nit, els estomes s'obren i la planta fixa CO2 en forma d'àcid màlic. Aquest CO2 s'emmagatzema als vacúols fins al dia següent.

Al matí, els estomes es tanquen per evitar la pèrdua d'aigua. L'àcid màlic emmagatzemat es descarboxila alliberant CO2, que s'utilitza en la fotosíntesi.

El metabolisme CAM permet a les plantes reduir la fotorespiració. La fotorespiració és un procés que redueix l'eficiència de la fotosíntesi. En el metabolisme CAM, la RuBisCO s'exposa a una alta concentració de CO2, i la fotorespiració és molt menor.

El metabolisme CAM permet a les plantes utilitzar l'aigua amb major eficiència. Les plantes CAM tenen un baix ritme de transpiració, i per tant perden menys aigua per evaporació.

Les plantes CAM es caracteritzen per un creixement lent. Aquest creixement lent es deu a la seva dependència del CO2 emmagatzemat durant la nit.

Hi ha plantes que poden canviar entre el metabolisme C3 i el metabolisme CAM. En condicions d'abundància d'aigua, la planta pot funcionar com una planta C3. En condicions d'estrès hídric, però, la planta canvia al metabolisme CAM.

El metabolisme CAM és un mecanisme adaptatiu que permet a les plantes sobreviure en ambients àrids. Les plantes CAM poden fixar CO2 durant la nit per evitar la pèrdua d'aigua per transpiració. Això permet a les plantes utilitzar l'aigua amb major eficiència i reduir la fotorespiració, tot i que siguin més lentes en el creixement.

Les plantes CAM són un tipus de plantes que tenen una adaptació especial per sobreviure en ambients àrids. En comptes de fixar el diòxid de carboni (CO2) durant el dia, com la majoria de les plantes, elles ho fan a la nit, quan els estomes es troben oberts i la humitat és alta. Això permet minimitzar la pèrdua d'aigua per transpiració.

Durant la nit, les plantes CAM obren els seus estomes i absorbeixen CO2 de l'aire. Aquest CO2 es converteix en àcid màlic, el qual s'emmagatzema al vacúol de les cèl·lules de la planta.

Durant el dia, amb la presència de llum solar, les plantes CAM tancen els seus estomes per evitar la pèrdua d'aigua. Això significa que l'àcid màlic emmagatzemat al vacúol es transporta al cloroplast, on es descarboxila (allibera CO2) per ser utilitzat en el cicle de Calvin, el procés de fotosíntesi normal.

Les plantes CAM no fotorespiren perquè el CO2 es troba en alta concentració al cloroplast durant el dia, ja que s'ha emmagatzemat a la nit. Aquest fet és possible gràcies a la regulació d'obertura dels estomes, que només s'obren a la nit, quan la humitat és alta.

Les plantes CAM s'han adaptat a sobreviure en ambients àrids gràcies a la seva capacitat d'acumular CO2 durant la nit, minimitzant la pèrdua d'aigua per transpiració. Això les diferencia dels altres tipus de plantes que fixen CO2 durant el dia, exposant-se a una major transpiració en ambients secs.

La fulla d'Opuntia ficus-indica presenta un patró d'assimilació de CO2 molt diferent al de la majoria de les plantes. Durant el dia, els seus estomes es tanquen completament, impedint l'entrada de CO2. En canvi, durant la nit, s'obren per a fixar el CO2 i emmagatzemar-lo en forma d'àcid màlic.

A partir de les 18h, quan la nit comença, la conductància estomàtica de l'Opuntia ficus-indica s'incrementa, ja que els estomes s'obren. Això permet l'absorció del CO2 i la seva fixació en forma d'àcid màlic.

Durant el dia, els estomes de l'Opuntia ficus-indica es troben completament tancats. Això impedeix l'entrada de CO2, ja que la planta està realitzant la fotosíntesi amb el CO2 emmagatzemat durant la nit.

Les plantes C4 tenen una major eficiència en la fixació de CO2 que les plantes C3, i per tant, es saturen de CO2 més ràpidament. Això es deu a la seva capacitat de fixar CO2 a través del PEP carboxilasa, un enzim que no és afectat pel O2, a diferència del RuBisCO en les plantes C3.

La fotorespiració és un procés que es produeix en les plantes C3 i consisteix en la fixació d'O2 en lloc de CO2. Aquest procés redueix l'eficiència fotosintètica, ja que es perd carboni en forma de CO2.

La relació CO2/O2 és un indicador important de l'eficiència fotosintètica. En les plantes C4, la concentració alta de CO2 a les cèl·lules de la beina crea una relació CO2/O2 favorable que afavoreix l'activitat del RuBisCO i minimitza la fotorespiració.

La PEP carboxilasa és un enzim que catalitza la primera etapa de la fotosíntesi C4. Té una alta afinitat pel CO2, permetent una fixació més ràpida del CO2 en condicions de baixa concentració d'aquest gas. A més, és independent de l'O2, la qual cosa el fa ideal per a les condicions de calor i sequera.

L'eficiència en l'ús de l'aigua es calcula dividint la fotosíntesi neta per la transpiració. Les plantes C4 són més eficients en l'ús de l'aigua que les plantes C3, ja que no necessiten tanta concentració de CO2 per treballar al màxim.

Les plantes C3 de sol tenen un punt de saturació més alt que les plantes C3 d'ombra, el que significa que necessiten més llum per a arribar a la seva capacitat fotosintètica màxima. En canvi, les plantes C3 d'ombra tenen un punt de saturació més baix, adaptant-se millors a condicions d'ombra.

Les plantes CAM són les més eficients en l'ús de l'aigua, ja que concentren CO2 a la nit quan els estomes estan oberts i el fixen al dia amb els estomes tancats. D'aquesta manera, minimitzen la pèrdua d'aigua per transpiració.

Les plantes C4 es troben millor en ambients càlids amb altes quantitats de llum solar, mentre que les plantes C3 tenen un major èxit en ambients més frescos i humits. Aquestes adaptacions reflecteixen les diferents estratègies d'eficiència en la fixació de CO2 i resistència a la sequera.