MECANISMOS DE LAS PLANTAS CAM

Diferencias contra las plantas C3 y C4

Para la transformación de hidratos de carbono usan todas las plantas verdes la fotosíntesis. En la "fase oscura" de ésta, el dióxido de carbono se fija y se transforma en hidratos de carbono. La mayoría de las plantas (C3) utilizan el metabolismo C3, donde el dióxido de carbono pasa pasivamente por los estomas de las células y durante el día se fija como sustrato en el ciclo de Calvin. 

Una adaptación de este mecanismo se encuentra en las plantas C4, que aumentan activamente la concentración de dióxido de carbono, con consumo energético para su fijación. Aquí existe una separación física (dos tipos de células, células mesófilas y las células de la vaina) para la previa fijación y metabolización del dióxido de carbono. Esto permite a las plantas, cerrar sus estomas parcialmente, que al contrario de las plantas C3 no se ven limitadas por la simple difusión de dióxido de carbono en las células. Cuando los estomas están cerrados parcialmente se reduce la pérdida de agua en la planta. Por ello se les encuentra en zonas más secas y calientes. La fijación de dióxido de carbono en el ciclo de Calvin es igual al de las plantas C3.

Para sobrevivir en regiones áridas, utilizan las plantas CAM otro mecanismo, los pasos para la fijación del CO2 del ciclo de Calvin se separan en el tiempo. Los estomas pueden permanecer de esa manera cerrados durante parte del día para minimizar la pérdida de agua. Durante la noche, con temperaturas más bajas, se abren para tomar el CO2 y fijarlo en forma de malato, que se guarda en las vacuolas. Ya durante el día se libera y mediante RuBisCO, la enzima clave en la fase oscura, de manera análoga a las plantas C3 es transformado.

Esquema del metabolismo ácido de las crasuláceas durante la noche (a la izquierda, fase I) y durante el día (a la derecha, fase III).

CA Anhidrasa carbónica-α.

CC Ciclo de Calvin.

PEP Fosfoenolpiruvato.

PEPC Fosfoenolpiruvato carboxilasa.

PEPCK Fosfoenolpiruvato carboxiquinasa.

MDH Malato deshidrogenasa.

ME Malato deshidrogenasa (descarboxilante) = Malatoenzima.

PPDK Piruvato fosfato diquinasa.

Fijación del dióxido de carbono por la noche

Por la noche se logra la fijación de CO2 en ácido fosfoenolpirúvico (PEP) mediante una PEP-caboxilasa, parecido a como lo hacen las plantas C4. La enzima condensa carbonato (HCO3-) con el PEP. Esto requiere la obtención de PEP a partir de almidón, otros tipo de plantas utilizan azúcares solubles como sacarosa o fructosano. Las plantas CAM deben tener suficiente PEP a disposición para que una ración nocturna de dióxido de carbono pueda ser fijada. Para ello durante el día se repone las reservas de almidón, para suministrar el suficiente PEP por la noche.

En soluciones acuosas se encuentra en una proporción igual el dióxido de carbono y el HCO3, pero esta transformación es muy lenta. Una anhidrasa carbónica acelera la reacción para equilibrar la proporción de HCO3, que posteriormente, mediante la acción de la PEPC es transformado a oxalacetato (OA). Después, el OA formado es reducido por la NAD-malato deshidrogenasa a L-Malato. Con ello se oxida NADH a NAD+.

El malato se transporta a las vacuolas para ser almacenado. Las vacuolas de las plantas CAM son mucho más grandes que la de otras especies y pueden almacenar en comparación una alta concentración de malato (hasta 0.2 M), lo que genera una alta capacidad de almacenamiento. Al depositar el malato en las vacuolas mantiene los niveles de pH constantes en el citoplasma.

Para transportar el malato en contra del flujo por el gradiente de concentración, se transportan dos protones por cada molécula de malato bajo consumo de ATP. La reacción se cataliza por una ATPasa de clase V que se localiza firme en el tonoplasto. Por un transporte activo secundario, sigue el malato a los protones mediante un transportador dicarboxilato. 

El almacenaje sucede en la forma protonada del malato, el ácido málico, que por las condiciones ácidas se encuentra en su forma no disociada. Lo que tiene como ventaja un valor osmótico inferior. En las vacuolas de las células de los estomas se guarda malato de potasio, que en comparación ejerce una mayor presión osmótica . Mientras que el pH de muchas C3 y C4 está en 5.5,10 puede alcanzar en las plantas CAM, a causa de la concentración de ácidos, el valor de 3. Por ello por la mañana tienen un sabor agrio.

La fotosíntesis en las plantas CAM durante el día  y

la fotosíntesis en las plantas CAM durante la noche.

Liberación del dióxido de carbono durante el día

Durante el día el proceso se invierte, el CO2 se libera. El malato almacenado es enviado fuera de la vacuola hacia el citoplasma junto con dos protones mediante un transportador.11 Es posible que el ácido málico con carga neutra se difunda por la membrana directamente.12 2 Durante el día de esa manera el pH en la vacuola vuelve a subir entre 7.5 y 8.2 A este proceso se le conoce como desacidificación.

La descomposición del malato y la liberación del CO2 se da como en el caso de las plantas C4 de manera diferente de acuerdo a la especie, lo que refleja la formación de las CAM en diferentes taxones. Los caminos existentes son: la enzima malato deshidrogenasa dependiente de NADP (en cáctus y agaves), la enzima malato deshidrogenasa dependiente de NAD (plantas Crassula) y la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (por ejemplo en las bromelias, liláceas, asclepiadaceas).

En las plantas con la enzima malato deshidrogenasa dependiente de NADP se descarboxila el L-malato proveniente de la vacuola a piruvato. Esta reacción se inicia en los cloroplastos. Con ello se reduce el NADP+ a NADPH.

Algunas plantas tienen una enzima malato deshidrogenasa dependiente de NAD mitocondrial, que utiliza NAD+ en lugar de NADP+ como cofactor. La reacción ocurre de manera similar a la previamente mencionada. Pero el piruvato no se transporta de la mitocondria al citoplasma, sino en un paso intermedio como L-alanina a los cloroplastos. Ahí se transforma a PEP y se devuelve al citoplasma. La formación de la alanina y su reacción inversa es catalizada por una alanina transaminasa.

Las plantas CAM con la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa presentan dos ciclos. Junto con el ciclo NAD-ME también tienen una PEP carboxiquinasa (PEPCK; EC 4.1.1.49). El L-malato es oxidado bajo consumo de NAD+ a oxalacetato por una enzima NAD-malato-DH. Después el oxalacetato es descarboxilado directamente a PEP por la PEPCK, esto bajo consumo de ATP.

Por las reacciones previamente mencionadas el CO2 liberado entra en el ciclo de Calvin y es transformado a ácido 3-fosfoglicérico, que lleva a la formación de monosacáridos (D-glucosa, D-fructosa), seguidos por la formación de polisacáridos (sacarosa). Por la reación de descarboxilación el piruvato formado bajo consumo de ATP es transformado en PEP por la piruvato, fosfato dikinasa. Por último el PEP toma el camino de la gluconeogénesis y se obtiene almidón, sacarosa o fructanato.

Debido a que la mayoría de los carbohidratos formados abastecen los requerimientos nocturnos con consumo del almidón almacenado, la ganancia de las plantas CAM en la fotosíntesis es muy poca. También el tamaño de la vacuola limita lo que se puede almacenar de malato. Ambos factores provocan que el aumento en biomasa esté limitado.

Por la transformación y descomposición del malato hay un cambio en el pH de 7.5 durante el día a 3 por la noche. Debido a este cambio se habla de un ritmo ácido diurno. Este ritmo se comprobó por primera vez en la Kalanchoe daigremontiana en 1984.