El otro día, o más bien el año pasado, veíamos una introducción al proceso de utilización del CO₂ por las plantas y hoy vamos a verlo ya casi al completo.
Para empezar, el proceso de la fotosíntesis se puede dividir en dos fases diferentes: una fase que consiste en el almacenamiento de la energía del sol en forma de ATP y otra fase que consiste en el ciclo de Calvin. Hoy nos vamos a centrar en el ciclo de Calvin y el próximo día hablaremos de la formación del ATP con más detalle.
Pero antes de meternos de lleno, quiero insistir en que el ciclo de Calvin es un ciclo, que se regula a sí mismo y que se repite continuamente. Se realiza en un líquido gelatinoso que hay dentro de los tilacoides, concretamente, en el estroma.
A veces a este ciclo también se le llama ciclo de Calvin-Benson o "fase oscura de la fotosíntesis" porque, aunque la fotosíntesis requiere luz, el ciclo de Calvin no la utiliza para nada. Su importancia radica en explicar la formación de energía en forma de glucosa a partir del CO₂ del aire y del H₂O y supuso un descubrimiento tan importante que llevó a que Calvin ganara el Premio Nobel de Química en el año 1961.
Tras esta pequeña introducción, empecemos imaginando que el ciclo de Calvin funciona como una fábrica de producción en serie, así que bienvenidos a la fábrica más pequeña del mundo.
Empezamos con la unión de una molécula de CO₂ y otra de H₂O a una cadena de 5 carbonos llamada ribulosa 1, 5-bifosfato (o RuBP) a través de una enzima llamada RuBisCO. Como el O₂ sobrante no se necesita, se expulsa al aire y de ahí viene el oxígeno que respiramos gracias a las plantas.
Como esta cadena de 6 carbonos es muy inestable, casi al instante se divide a la mitad formando 2 cadenas de 3 carbonos cada una, que son las cadenas de 3-fosfogliceratos (o 3PGA). Esto es bastante sencillo de entender y solo sirve para captar una molécula de CO₂ del aire y fijarla a una cadena orgánica. Todo esto se llama fase de fijación o de carboxilación.
La siguiente fase es la de reducción. Si os acordáis de las reacciones de oxidación-reducción, en las que un elemento cede electrones (se oxida) y otro elemento los capta (se reduce), esta fase viene a ser lo mismo, solo que aquí nos interesa la parte de la reducción.
Aquí, los 3-fosfogliceratos de antes se fosforilan por el ATP (el ATP les da un grupo fosfato y se convierte en ADP) y justo a continuación pierden ese grupo fosfato y lo sustituyen por un hidrógeno que proviene del NADPH. Al final de todo esto, esos 3-fosfogliceratos se convierten en gliceraldehído 3-fosfato, que son casi lo mismo que un 3-fosfoglicerato normal, pero con un hidrógeno a mayores.
Esta fase se llama así porque el NADPH cede un ion hidruro (formado por un protón y 2 electrones) al 3-fosfoglicerato y cuando se convierte en gliceraldehído 3-fosfato, gana 2 electrones más y, por tanto, se reduce. Al final, el ATP se puede considerar como un transportador de energía y el NADPH como un transportador de electrones.
Ahora llegamos por fin a la última fase, que es la de regeneración. Fijaros bien en el dibujo para seguirlo. Si se usaran los 2 gliceraldehídos 3-fosfatos para formar la glucosa, el ciclo se terminaría ahí y no se podría autorregular. Así que la mejor solución es utilizar un solo carbono en cada para la formación de la glucosa y utilizar el resto de carbonos para generar esa cadena de 5 carbonos que vimos al principio que era la RuBP. Es un proceso complejo con muchos pasos intermedios que no vamos a ver, pero lo importante es que en ese proceso se va a utilizar energía en forma de ATP. Como la glucosa está formada por 6 carbonos, se necesitarán 6 ciclos de Calvin para poder formarla.
En vez de pensar en una sola línea de producción, pensemos que en esa fábrica existen 6 líneas de producción funcionando al mismo tiempo. Esto lleva a que se creen 12 gliceraldehídos 3-fosfato y que haya 36 carbonos en producción (contad los triángulos del dibujo anterior), que sería el número justo para formar las glucosas y reconstruir esas RuBP.
Ya os dije antes que de esos 12 gliceraldehídos 3-fosfato, 2 siguen la ruta para convertirse en glucosa y los otros 10 se utilizan para formar 6 RuBP (esto requiere de los 30 carbonos restantes).
Ocurre una mezcla de cadenas, donde 2 cadenas de gliceraldehído 3-fosfato se vuelven a unir formando una cadena de 6 carbonos y añadiendo un tercer gliceraldehído 3-fosfato se forma una cadena final de 9 carbonos. Esta cadena tan larga se divide en un RuBP (de 5 carbonos) y en otra cadena de 4 carbonos.
Esa cadena de 4 carbonos sobrante se une a otras 2 cadenas de gliceraldehído 3-fosfato y se forma una cadena de 10 carbonos. La de 10 carbonos se divide justo a la mitad y se forman 2 nuevas RuBP. Creo que siguiendo el dibujo se entiende mucho mejor que explicándolo con palabras.
Ahora solo quedaría duplicar otra vez este mismo ciclo y obtendremos 6 nuevos RuBP para reiniciar el ciclo de Calvin.
En conclusión, el ciclo de Calvin crea secuencias que reúsan y reconstruyen los ingredientes tantas veces como sea necesario. Si contamos con que el ciclo de Calvin se haga 6 veces, el balance final es la siguiente ecuación. Fijaros que para formar una sola cadena de glucosa se tienen que hacer 6 ciclos de Calvin y coger moléculas de 6 CO₂ del aire. Por eso se dice que las plantas son una reserva de importante de CO₂:
6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+→ Glucosa + 18 ADP + 18 fosfatos + 12 NADP++ 12 H2O
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