miniatura |Cianobacterias filamentosas fotosintéticas. A súa aparición anunciou a evolución de moitas plantas fotosintéticas, o que cambiou a atmosfera da Terra.
A fixación do carbono é a conversión do carbono inorgánico (en forma de dióxido de carbono) en compostos orgánicos realizada polos organismos vivos. O exemplo máis importante de fixación do carbono ten lugar na fotosíntese durante a fase escura, aínda que na quimiosíntese ten lugar outra forma de fixación do carbono en ausencia de luz. Os organismos que crecen fixando carbono denomínanse autótrofos. Os autótrofos inclúen os fotoautótrofos, que sintetizan compostos orgánicos utilizando a enerxía da luz, e os litoautótrofos, que sintetizan compostos orgánicos utilizando a enerxía de oxidacións inorgánicas. Os heterótrofos son os organismos que crecen utilizando o carbono que foi fixado en compostos orgánicos polos autótrofos. Os heterótrofos utilizan os compostos orgánicos para producir enerxía e para construír as estruturas corporais. As expresións "carbono fixado", "carbono reducido", e "carbono orgánico" son equivalentes para varios compostos orgánicos.
Fixación neta e bruta do CO2 600px|miniatura|center|Gráfico que mostra as cantidades netas anuais de fixación de CO2 en organismos terrestres e acuáticos. Estímase que a fotosíntese converte aproximadamente 258.000 millóns de toneladas de dióxido de carbono cada ano. A maioría da fixación ocorre nos océanos, especialmente nas áreas ricas en nutrientes con abundancia de fitoplancto. A cantidade bruta de dióxido de carbono fixada é moito maior, xa que aproximadamente o 40% do total fixado se consome na respiración diariamente.Geider, R. J., et al., "Primary productivity of planet earth: biological determinants and physical constraints in terrestrial and aquatic habitats", Global Change Biol. 2001, 7, 849-882. O encima fixador de carbono RuBisCO considérase a proteína máis abundante na Terra.
Introdución ás vías de fixación En 2011 coñecíanse seis vías de fixación do carbono autótrofas. O ciclo de Calvin fixa o carbono nos cloroplastos das plantas e algas, e nas cianobacterias. Tamén se fixa carbono na fotosíntese anoxixénica realizada polo grupo de proteobacterias chamadas bacterias púrpuras, e nalgunhas proteobacterias non fototróficas.
Fotosíntese oxixénica Na fotosíntese, a enerxía da luz impulsa a vía da fixación do carbono. A fotosíntese oxixénica utilízana as plantas, algas e cianobacterias (produtores primairos), que posúen o pigmento clorofila, e utilizan o ciclo de Calvin para fixar o carbono autotroficamente. O proceso funciona así: durante a fase luminosa da fotosíntese absórbese luz, utilízase a auga como doante de electróns, despréndese oxíxeno (procedente da auga) e prodúcese enerxía química almacenada como ATP e moléculas redutoras (NADPH). Este ATP e NADPH serán utilizados na fase escura para fixar o carbono e formar azucres. O ciclo de Calvin utiliza o carbono do dióxido ce carbono para formar triosas fosfato (TP), como o gliceraldehido 3-fosfato (GAP) e a dihidroxiacetona fosfato (DHAP): 3 CO2 + 12 e- + 12 H+ + Pi → TP + 4 H2O Se engadimos á ecuación o ATP e NADPH consumidos (procedentes da fase luiminosa), queda así:
3 CO2 + 6 NADPH + 6 H+ + 9 ATP + 5 H2O → TP + 6 NADP+ + 9 ADP + 8 Pi
Pi é o fosfato inorgánico, HOPO32- + 2H+.
A fotosíntese oxixénica evolucionou hai entre 3,5 e 2,3 miles de millóns de anos nas cianobacterias.
RuBisCO e a fixación do carbono O encima encargado de realizar a fixación do carbono no ciclo de Calvin denomínase RuBisCO (ribulosa bisfosfato carboxilase oxidase). No centro activo deste encima entra un azucre de 5 carbonos preexistente na planta chamado ribulosa 1,5-bisfosfato e o CO2. O CO2 actívase reaccionando cunha lisina do centro activo (forma o "CO2 activante") formando un carbamato, e despois fíxase no mencionado azucre ao reaccionar co grupo carbonilo do carbono 2 do azucre e orixinar nel un grupo carboxilato (COO-). Isto orixina que o azucre pase a ser un composto de 6 carbonos chamado 3-ceto-2-carboxiarabinitol-1,5-bisfosfato, que é moi inestable e que axiña rompe formando dúas moléculas de 3 carbonos de 3-fosfoglicerato. Este 3-fosfoglicerato é o primeiro produto estable do ciclo de Calvin que leva o carbono fixado, polo que as plantas que fixan directamente o carbono no ciclo de Calvin denomínanse C3, xa que o 3-fosfoglicerato ten 3 carbonos.Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L. Biochemistry. 5th edition. New York: W H Freeman; 2002. section 20.1
RuBisCO e a fotorrespiración O encima RuBisCO, como o seu nome indica, ademais da súa actividade carboxilativa fixando CO2 (o que orixina dúas moléculas de 3-fosfoglicerato), ten tamén unha actividade de oxixenase na cal o O2 entra no centro activo, únese á ribulosa 1,5-bisfosfato e dá lugar a só unha molécula de 3-fosfoglicerato (3 carbonos) e mais outra de fosfoglicolato (2 carbonos). Na actividade de oxixenase non hai fixación do carbono e, ademais, o fosfoglicolato formado debe transformarse nunha segunda molécula de 3-fosfoglicerato por medio dun proceso chamado fotorrespiración. A fotorrespiración gasta enerxía e supón unha baixa do rendemento da fotosíntese. A actividade de oxixenase do encima está favorecida cando hai no cloroplasto baixas concentracións de CO2, altas de O2 e altas temperaturas, polo que nas plantas de climas que favorecen esas condicións evolucionou a adaptación das fixacións do carbono C4 e CAM, que evitan a fotorrespiración e manteñen un rendemento fotosintético alto, ao aseguraren que a concentración de CO2 que entra no ciclo de Calvin sempre será alta ao fixalo previamente noutros compostos.
Mecanismos de concentración do carbono Moitos organismos fotosintéticos adquiriron ao longo da evolución mecanismos para a concentración do carbono inorgánico (MCC), que incrementan a concentración do dióxido de carbono dispoñible para o encima inicial do ciclo de Calvin, a RuBisCO. O CO2 é un factor limitante da fotosíntese. Os beneficios dos MCC son o aumento da tolerancia a concentracións externas baixas de carbono inorgánico, e a redución das perdas por fotorrespiración. A existencia de MCC fai que as plantas sexan máis tolerantes á calor e ao estrés por falta de auga.
Os mecanismos de concentración de carbono utilizan o encima anhidrase carbónica, que cataliza tanto a deshidratación do bicarbonato a dióxido de carbono coma a hidratación do dióxido de carbono a bicarbonato
HCO3- + H+ CO2 + H2O
As membranas lipídicas son moito menos permeables ao bicarbonato que ao dióxido de carbono. Para capturar carbono inorgánico máis efectivamente, algunhas plantas adaptaron a seguinte reacción anaplerótica:
HCO3- + H+ + PEP → OAA + Pi
catalizada pola PEP carboxilase (PEPC), para carboxilar o fosfoenolpiruvato (PEP) a oxalacetato (OAA), o cal é un ácido dicarboxílico C4, é dicir, de 4 carbonos. Posteriormente o oxalacetato dá lugar a malato ou a aspartato.
Plantas C3 A gran maioría das plantas teñen unha fixación do carbono C3, na cal o CO2 se fixa directamente no ciclo de Calvin sen que haxa fixacións previas. O primeiro produto estable no que queda fixado o carbono no ciclo de Calvin é un composto de 3 carbonos, chamado 3-fosfoglicerato, o que explica a denominación C3. Están peor adaptadas para evitar a fotorrespiración e a perda de auga en climas cálidos, pero son eficientes noutros ambientes. As plantas C3 teñen unha sinatura de isótopos do carbono de -24 a -33‰.
Plantas C4 As plantas con fotosíntese C4 antes do ciclo de Calvin realizan reaccións nas que incorporan o CO2 atmosférico en compostos de 4 carbonos como o oxalacetato e despois no malato e o aspartato. En reaccións posteriores, o malato e o aspartato descompóñense desprendendo CO2, que entra no ciclo de Calvin, polo que hai unha fixación de carbono previa, e, despois, unha segunda fixación no ciclo de Calvin na que intervén a RubisCO. As plantas C4 teñen unha anatomía das follas especial. A fixación inicial ten lugar nas células do mesofilo das follas, e a fixación final no ciclo de Calvin ten lugar nas células da vaíña vascular que rodea os vasos condutores das follas (nervios). Son exemplos de plantas C4 moitas plantas tropicais como a cana de azucre e o millo. En total existen unhas 7.600 especies de plantas terrestres que fan unha fixación do carbono C4, que supoñen o 3% de todas as especies de plantas. Estas plantas teñen unha sinatura de isótopos do carbono de -16 a -10 ‰, e son máis eficientes facendo a fotosíntese en climas cálidos, xa que evitan a fotorrespiración ao manteren unha concentración elevada de CO2 na vaíña vascular.
Plantas CAM A fotosíntese CAM utilízana as plantas que teñen o metabolismo ácido das crasuláceas, pode considerarse unha variación da fotosíntese C4 que utilizan plantas de climas áridos como unha adaptación para evitar a perda de auga. Estas plantas non abren os estomas de día porque transpirarían e secarían, senón de noite, e durante a noite o CO2 entra nas follas e é convertido no composto de 4 carbonos oxalacetato e despois no malato, de xeito similar ao que ocorre nas plantas C4. O malato acumúlase e, despois, durante o día, e cos estomas pechados, libera o CO2, que será definitivamente fixado no ciclo de Calvin. Aquí non hai unha especialización anatómica nas follas para a fixación do carbono, senón unha separación temporal: durante a noite fíxase carbono no malato e durante o día no ciclo de Calvin. Son exemplos de plantas CAM as piñas ou ananás e os cactos. En total hai 16.000 especies de plantas CAM. Estas plantas teñen unha sinatura de isótopos de carbono de -20 a -10 ‰, e teñen unha fotosíntese máis eficiente en climas desérticos e semidesérticos.
Outras vías autótrofas Hai outras cinco vías autótrofas de fixación do carbono, das cales dúas se coñecen só en bacterias, dúas só en arqueas, e unha tanto en bacterias coma en arqueas.
Ciclo do ácido cítrico redutor O ciclo do ácido cítrico redutor é o ciclo do ácido cítrico que funciona en sentido inverso nalgúns organismos, como certas bacterias anaeróbicas e microaeróbicas. Descubrírono en 1966 Evans, Buchanan e Arnon, que estaban a traballar no estudo da fotosíntese anoxixénica da bacteria verde do xofre Chlorobium thiosulfatophilum. A este ciclo ás veces se lle chama ciclo de Arnon-Buchanan. No ciclo cáptase CO2 e H2O e transfórmanse en compostos orgánicos (no ciclo de Krebs normal é ao revés).
Vía do acetil-CoA redutora A vía do acetil-CoA redutora non é cíclica e opera só en bacterias anaerobias estritas (acetóxenos) e en arqueas (metanóxenos). A vía foi proposta en 1965 por Ljungdahl e Wood cando estaban a estudar a bacteria grampositiva produtora de ácido acético Clostridium thermoaceticum (hoxe chamada Moorella thermoacetica), polo que tamén se chama vía de Wood-Ljungdahl. A metanoxénese hidroxenotrófica, propia só de certas arqueas, supón o 80% de toda a metanoxénese global, e está baseada tamén na vía do acetil-CoA redutora. Na vía do acetil-CoA redutora o dióxido de carbono convértese en monóxido de carbono, que despois se converte en acetil-CoA, que pode ser utilizado nas biosínteses.
O ciclo do 3-hidroxipropionato e dous ciclos relacionados O ciclo do 3-hidroxipropionato utilízano só as bacterias verdes non do xofre (Chloroflexi). Propúxose en 2002 para explicar o metabolismo da bacteria fotosintética anoxixénica Chloroflexus aurantiacus. Ningún dos encimas que participan no ciclo do 3-hidroxipropionato son especialmente sensibles ao oxíxeno.
Encontrouse unha variante da vía do 3-hidroxipropionato na arquea aeróbica termoacidófila extrema Metallosphaera sedula. Esta vía, chámase ciclo do 3-hidroxipropionato/4-hidroxibutirato. Outra variante máis da vía do 3-hidroxipropionato é o ciclo do dicarboxilato/4-hidroxibutirato, que se descubriu en arqueas anaeróbicas, e foi proposto en 2008 para a arquea hipertermófila Ignicoccus hospitalis.
Quimiosíntese