Estudio de la Fotosíntesis

La fotosíntesis es un proceso vital que transforma el CO2 en azúcares, y fue descifrada gracias a la técnica de pulso y lavado. El ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) se identificó como el primer compuesto radiomarcado, siendo precursor en la biosíntesis de carbohidratos. La ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP) captura CO2, iniciando el Ciclo de Calvin-Benson, que regenera la RuBP y forma azúcares. La luz regula las enzimas fotosintéticas, incluida la Rubisco, esencial para la fijación de carbono.

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Técnicas de Pulso y Lavado en el Estudio de la Fotosíntesis

La técnica de "pulso y lavado", desarrollada por Melvin Calvin y su equipo, fue fundamental para desentrañar el proceso de asimilación de CO2 en la fotosíntesis. Este método consistía en exponer células fotosintéticas, como las de algas, a CO2 radiactivo por un breve periodo y luego sustituirlo por CO2 no radiactivo. Este enfoque permitió seguir la incorporación de carbono radiactivo en los compuestos orgánicos a lo largo del tiempo. Para detener las reacciones y aislar los compuestos formados, las células se inactivaban rápidamente en metanol caliente. Los compuestos se separaban después mediante cromatografía en papel y se detectaban los radiomarcados por autoradiografía, proporcionando una imagen detallada de la secuencia de reacciones fotosintéticas.

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Descubrimiento del Primer Compuesto Radiomarcado en la Fotosíntesis

Los experimentos de pulso y lavado revelaron que el ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) era el primer compuesto marcado durante la fijación de CO2 en la fotosíntesis. Se observó que la radioactividad en el 3-PGA disminuía progresivamente, mientras que aumentaba en compuestos como la sacarosa, indicando que el 3-PGA es un precursor en la biosíntesis de carbohidratos. Experimentos adicionales demostraron que al interrumpir la iluminación tras un corto periodo de exposición al CO2 radiactivo, se acumulaba 3-PGA, confirmando su papel como el primer producto estable de la fijación de carbono.

La Ribulosa 1,5-Bifosfato y su Función en la Captura de CO2

El equipo de Calvin investigó cuál era el aceptor inicial de CO2 que daba lugar al 3-PGA. La evidencia apuntó a la ribulosa 1,5-bifosfato (RuBP), un azúcar de cinco carbonos. Al cesar la exposición al CO2 radiactivo, la radioactividad en la RuBP disminuía drásticamente, sugiriendo que era el sustrato inicial. Se propuso que un intermediario inestable de seis carbonos se formaba y se dividía rápidamente en dos moléculas de 3-PGA. Este intermediario, identificado como 2-carboxi-3-keto-D-arabinitol 1,5-bifosfato, fue confirmado posteriormente con técnicas como la cristalografía de rayos X y la resonancia magnética nuclear.

El Ciclo de Calvin-Benson y la Formación de Azúcares

Las reacciones que convierten el 3-PGA en azúcares forman parte del Ciclo de Calvin-Benson, presente en cianobacterias y plantas. Este ciclo comprende una serie de reacciones enzimáticas que transforman el 3-PGA y otros intermediarios en azúcares de diversas longitudes de cadena carbonada. Enzimas como la transketolasa y la aldolasa catalizan la formación de azúcares de cinco, cuatro y siete carbonos. Estas reacciones son cruciales para la regeneración de la RuBP, lo que permite la continuidad del ciclo fotosintético.

Regulación de Enzimas Fotosintéticas por la Luz

Las investigaciones de Calvin revelaron que la luz regula la actividad de las enzimas del Ciclo de Calvin-Benson. La enzima clave, la ribulosa 1,5-bifosfato carboxilasa/oxigenasa (Rubisco), se activa mediante un mecanismo que incluye la activasa de Rubisco y la carbamilación en presencia de magnesio, ambos procesos dependientes de la luz. Otras enzimas del ciclo se activan mediante el sistema ferridoxina-tiorredoxina, que transfiere electrones desde el Fotosistema I a las enzimas, alterando su estado redox y promoviendo su actividad catalítica.

Estructura y Función de la Enzima Rubisco

La Rubisco es una enzima de gran tamaño y complejidad, formada por subunidades grandes y pequeñas. Las subunidades grandes albergan el sitio activo de la enzima, mientras que el papel exacto de las subunidades pequeñas es menos claro. Los genes que codifican las subunidades grandes se encuentran en el genoma del cloroplasto, y los de las subunidades pequeñas, en el genoma nuclear. El ensamblaje de la Rubisco requiere chaperonas y un sistema de señalización que guía las subunidades pequeñas al cloroplasto, donde se ensambla la enzima completa.

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El método implicaba exponer células de ______ a CO2 ______ por un tiempo corto y después cambiarlo por CO2 no ______.