Clororrespiración

A clororrespiración é un proceso respiratorio que ten lugar nas plantas. As plantas posúen un orgánulo de dobre membrana e con tilacoides no seu interior chamado cloroplasto, que ten como misión principal a fotosíntese, pero que tamén é o lugar onde se produce a clororrespiración. As membranas tilacoidais conteñen un encima chamado NAD(P)H deshidroxenase que transfire electróns nunha cadea linear a moléculas de oxíxeno. Esta cadea de transporte de electróns (CTE) fotosintética tamén interacciona coa da respiración celular. A fotosíntese é tamén un proceso co que interacciona a clororrespiración. Se a fotosíntese é inhibida por estresantes ambientais como o déficit de auga, aumento de calor e/ou aumento ou diminución da exposición á luz, ou incluso o estrés ao frío, entón a clororrespiración é unha das vías cruciais que usan as plantas para compensar a síntese de enerxía química.

Fundamentos da clororrespiración.

A clororrespiración: o último modelo

Véxase tamén: Cloroplasto.

Diagrama que ilustra un dos modelos iniciais do proceso da clororrespiración.

Inicialmente, a presenza da clororrespiración como proceso respiratorio verdadeiro nas plantas poñíase moi en dúbida. Porén, en experimentacións na alga unicelular Chlamydomonas reinhardtii descubriuse que a plastoquinona (PQ) era un transportador redox. O papel deste transportador redox é transportar electróns desde o encima NAD(P)H deshidroxenase a moléculas de oxíxeno na membrana tilacoidal. Usando esta cadea de transporte de electróns cíclica no fotosistema I, a clororrespiración compensa a falta de luz. Esta vía cíclica tamén permite que os electróns volvan entrar no conxunto (pool) de plastoquinonas por medio da produción e actividade do encima NAD(P)H deshidroxenase, que se usa despois para subministrar moléculas de ATP (enerxía) ás células da planta.

Diagrama que mostra as novas moléculas descubertas PTOX e o complexo NDH deshidroxenase como parte do proceso clororrespiratorio en plantas superiores como Rosa da variedade Meillandina.

No ano 2002, o descubrimento de novas moléculas como a oxidase terminal plastidial (PTOX) e os complexos NDH (da NADH deshidroxenase) revolucionaron o concepto da clororrespiración. Usando evidencias da experimentación na planta Rosa variedade Meillandina, este último modelo considera o papel de PTOX como encima que impide que o conxunto de plastoquinonas se sobrerreduzan, ao estimular a súa reoxidación. Mentres que, os complexos NDH deshidroxenase son responsables de proporcionar unha porta de saída para os electróns para formar unha cadea de transporte de electróns. A presenza de tales moléculas é aparente nas membranas dos tilacoides que dan ao estroma de plantas superiores como Rosa variedade Meillandina.

Relación entre a clororrespiración, a fotosíntese e respiración

Véxase tamén: Fotosíntese e Respiración nas plantas.

Chlamydomonas, unha especie na cal ocorren a clororespiración, a fotosíntese e a respiración.

A experimentación cos inhibidores da oxidase respiratoria (por exemplo o cianuro) en algas unicelulares revelou que existen vías interactivas entre os cloroplastos e as mitocondrias. As vías metabólicas responsables para a fotosíntese están presentes nos cloroplastos, mentres que as vías metabólicas respiratorias están presentes na mitocondrias. Nestas vías os transportadores metabólicos (como o fosfato) intercambian moléculas de NADH ou NADPH entre as cadeas de transporte electrónico fotosintéticas e respiratorias. En experimentos usando espectroscopia de masas en algas e mutantes fotosintéticos de Chlamydomonas descubriuse que as moléculas de oxíxeno se intercambiaban entre as CTEs fotosintéticas e clororrespiratorias. A especie de alga mutante Chlamydomonas, carece de fotosistemas I e II, así que cando na alga hai actividade do fotosistema I inducido por un flash de luz, non produce efectos nas vías mitocondriais da respiración. En vez diso, esta actividade do fotosistema I inducido polo flash causaba un intercambio entre as CTEs fotosintéticas e clororrespiratorias, que se observou con polarografía. Esta actividade do fotosistema I inducida polo flash é desencadeada por unha sobrerredución do conxunto de plastoquinonas e/ou a falta de nucleótidos de piridina na membrana do tilacoide. Unha redución de tales moléculas estimula despois as moléculas de NADPH e PTOX para que poñan en funcionamento as vías clororrespiratorias.

Ademais, en ausencia de luz (e, por tanto, de fotosíntese), a clororrespiración ten un papel fundamental para que as vías metabólicas poidan compensar a síntese de enerxía química. Isto conséguese pola oxidación de compostos estromáticos, o cal incrementa o conxunto de plastoquinonas e permite que o transporte de electróns clororrespiratoria teña lugar.

Estimulación da clororrespiración

A calor e a luz como estímulos

Experimento de Quiles

Plantas de avea.

Un experimento en plantas de avea feito pola científica María José Quiles, revelou que unha intensidade extrema de luz pode inhibir a fotosíntese e causa unha a inactividade do fotosistema II. Esta redución orixina un incremento dos niveis de NAD(P)H deshidroxenase e PTOX que despois causa a estimulación da clororrespiración.

Incubáronse follas de avea e utilizouse a emisión de fluorescencia da clorofila para examinar o efecto da intensidade extrema de luz. A medida que se incrementaba a fluorescencia da clorofila, a do conxunto de plastoquinonas diminuía. Isto estimulaba o fluxo de electróns, causando que os niveis de NAD(P)H deshidroxenase e PTOX finalmente aumenten e inicien o proceso de clororrespiración na membrana dos tilacoides da avea.

Tamén se examinou o efecto de engadir n-propil galato ás follas incubadas. O n-propyl galato é unha molécula que axuda distinguir entre as actividades da redución e oxidación das plastoquinonas ao inhibir a PTOX. Quiles notou un incremento na fluorescencia da clorofila dentro da membrana do tilacoide das células das plantas despois da adición de n-propil galato. O resltado causou a estimulación do encima NAD(P)H deshidroxenase e a súa vía ciclica; causando un continuo incremento na fluorescencia da clorofila na avea.

Conclusión de Quiles

Despois de comparar as respostas metabólicas entre as plantas de avea baixo unha intensidade media de luz coa das plantas de avea baixo unha intensidade extrema da luz, obsérvase que o rendemento do fotosistema II producido era menor nas follas que experimentaran clororrespiración en luz extrema, mentres que se obtiña un rendemento maior nas follas baixo intensidade de luz media. Un maior rendemento do fotosistema II é máis eficiente para a síntese de enerxía química e así para a supervivencia das plantas. Quiles indicou que aínda que a vía clororrespiratoria é menos eficiente, aínda serve como unha resposta de seguridade para a produción de enerxía nas plantas. Finalmente, concluíu que a luz intensa na avea causaba que se reducise o rendemento do fotosistema II e así se iniciase un influxo de proteínas de entrada (NAD(P)H deshidroxenase) para empezar o proceso de clororrespiración.

A seca como estímulo

Experimento de Paredes e Quiles

Rosa Meillandina

As científicas Miriam Paredes e María José Quiles dirixiron unha investigación na planta Rosa var. Meillandina sobre a súa resposta metabólica ao déficit de auga. Observaron como un rego limitado podía causar unha redución na actividade do fotosistema II, o cal tiña como resultado a inhibición da fotosíntese. Observaron un incremento na actividade clororrespiratoria como mecanismo protector ante a falta de fotosíntese.

No experimento analizáronse plantas con déficit de auga con técnicas de imaxe por fluorescencia. Esta forma de análise detectou un aumento dos niveis de of PTOX e de actividade da NAD(P)H deshidroxenase na planta. Un incremento nestas dúas moléculas causaba o inicio da clororrespiración.

Engadiuse n-propil galato a estas plantas en déficit hídrico. O efecto resultante foi un incremento dos niveis de fluorescencia da clorofila. Quiles rexistrou un resultado similar na mesma especie de planta cando estaba baixo luz intensa. Este incremento na fluorescencia da clorofila atribúese ao influxo de NAD(P)H na membrana tilacoidal. Isto causaba un incremento do produto secundario, o peróxido de hidróxeno, dentro da membrana tilacoidal.

Conclusión de Paredes e Quiles

Paredes e Quiles concluíron que os cloroplastos baixo estrés de déficit hídrico dependen de procesos como a apetura dos estomas para dispersar o exceso de calor acumulada nos procesos metabólicos. Estes procesos metabólicos son responsables da síntese de enerxía química que se pode conseguir a través da cadea de transporte de electróns da clororrespiración cando se produce unha redución da actividade fotosintética.

A escuridade como estimulante

Experimento de Gasulla, Casano e Guéra

Os científicos Francisco Gasulla, Leonardo Casano e Alfredo Guéra observaron a resposta metabólica dos liques cando eran situados en condicións de escuridade. O complexo captador de luz (LHC) dos cloroplastos do lique é activado cando están en escuridade. Gasulla, Casano e Guéra notaron que este incremento na actividade do LHC causaba unha diminución do conxunto de plastoquinonas e do fotosistema II, o que indicaba o inicio da clororrespiración.

Utilizaron unha análise de inmunodetección para determinar a cantidade de moléculas de LHC dentro do clorobionte do lique en ambiente escuro e en ambiente luminoso. Esta cantidade de LHC no cloroplasto servía para detectar a redución da actividade do fotosistema II. Esta redución era causada por unha perda de enerxía de excitación na cadea de transporte de electróns do fotosistema II, o cal despois estimulaba un aumento das vías clororrespiratorias. Gasulla, Casano e Guéra observaron que o nivel de moléculas LHC en liques adaptados á escuridade duplicárase en comparación cos liques adaptados á luz. Tamén atoparon que se activaban as cadeas de transporte electrónico clororrespiratorias moito tempo antes nos liques adaptados á escuridade que nos adaptados á luz. Isto orixinaba unha velocidade metabólica máis rápida e unha resposta de síntese química nos liques adaptados á escuridade debido á clororrespiración.

Conclusión de Gasulla, Casano e Guéra

Os autores concluíron que canto máis tempo se mantiña o liquen na escuridade, máis rápido empezaban as vías clororrespiratorias. Isto débese á rápida depleción de moléculas PTOX, que reduce o conxunto de plastoquinonas. Estes feitos estimulaban entón a cadea de transporte electrónico da clororrespiración nun bucle continuo ata que o lique era situado nun ambiente luminoso.

Tamén atoparon que o LHC era outro indicador da clororrespiración. Cando se incrementaban as concentracións de LHC dentro do cloroplasto, a actividade do fotosistema II diminuía debido á perda de actividade da cadea transportadora de electróns. Esta redución estimulaba despois a actividade clororrespiratoria para compensar a síntese de enerxía química.

Lique.

Estrés ao frio como estimulante

Experimento de Segura e Quiles

Un experimento feito por María V. Segura e María J. Quiles estudou o estrés ao frío da planta tropical Spathiphyllum wallisii, mostrando as distintas respostas das vías clororrespiraorias cando diferentes partes da planta eran arrefriadas a 10 graos Celsius.

Spathiphyllum wallisii

Atoparon que cando as raíces da planta se arrefriaban a baixas temperturas (10 graos Celsius), o nivel de moléculas clororrespiratorias (NADPH deshidroxenase e PTOX) variaban lixeiramente cando se comparaban co seu nivel en plantas control. Porén, cando se arrefriaba só o talo a 10 graos Celsius, as moléculas de NADPH, NDH (deshidroxenase) e PTOX incrementábanse como resultado da actividade reducida do fotosistema I. Compararon despois este resultado somentendo só ás follas a 10 graos Celsius, e viron que isto causaba que se detivese a actividade do fotosistema II e se inhibise a fotosíntese. A falta de actividade fotosintética, en combinación co aumento de moléculas de NADPH e PTOX, desencadeaba as vías clororrespiratorias para empezar a síntese de enerxía química.

Ademais, comprobaron que o arrefriamento simultáneo das follas e o quentamento das raíces (mentres a planta estaba iluminada), pode causar que as cadeas de transporte de electróns no fotosistema II funcionen máis lentamente e finalmente se inhiban. Isto despois levaba a unha sobrerredución do conxunto de plastoquinonas, o cal finalmente estimulaba a clororrespiración.

Despois utilizaron imaxes de fluorescencia para determinar o nivel de actividade fotosintética nas follas, o que permitía determinar a probabilidade de que se desencadeasen as vías clororrespiratorias. Notaron que a porcentaxe de eficiencia da fotosíntese permanecía alta nas plantas testadas nas que:

• soamente se arrefriaban as follas,
• soamente se arrefriaba o talo,
• soamente se arrefriaban as raíces

Esta alta porcentaxe de eficiencia fotosintética significaba que as posibilidades de que teña lugar a clororrespiración son escasas. Porén, isto non era así nas plantas que sufrían un arrefriamento do talo a 10 graos Celsius e un quentamento das raíces a 24 graos Celsius. A eficiencia da fotosíntese destas plantas testadas era significativamente menor cando se comparaban co control experimental. Isto tamén indicaba a inhibición da actividade do fotosistema II que despois causaba que empezase a clororrespiración.

Tamén utilizaron unha análise de inmunoblot para deducir o efecto de variar as temperaturas en distintas partes da planta. Concretamente, mediron a cantidade de PTOX e complexo NDH deshidroxenase acumulados na membrana tilacoidal do cloroplasto. Un incremento dos complexos NDH era evidente cando se arrefriaba o talo a 10 graos Celsius e se quentaba a raíz a 24 graos Celsius. Nesas condicións estimulábase a clororrespiración nesta planta. Ao contrario, o inmunoblot non detectou variación nos niveis de moléculas de complexo NDH e PTOX nas plantas cando:

• soamente se arrefriaban as follas,
• soamente se arrefriaba o talo,
• soamente se arrefriaban as raíces.

Estas plantas testadas tiñan concentracións similares de complexos NDH e PTOX cando se comparaban co control experimental.

Conclusión de Segura e Quiles

Segura e Quiles concluíron que o estrés de frío só induce clororrespiración cando o talo está significativamente arrefriado e simultaneamente as raíces están quentadas comparadas coas plantas Spathiphyllum wallisii en condicións control. Sinalaron que o fotosistema II está presente nos cloroplastos, que os talos posúen, pero dos que as raíces carecen, polo que ao arrefiar o talo (que contén cloroplastos), as cadeas de transporte de electróns do fotosistema II poden entón ser inhibidas e desencadear a redución do conxunto de plastoquinonas e, como resultado, a clororrespiración.

Importancia da clororrespiración

Aínda que a clororrespiración non é tan eficiente coma a fotosíntese en producir enerxía, a súa importancia atribúese ao seu papel como adaptación para a supervivencia das plantas cando están situadas en condicións nas que carecen de luz e auga ou están a temperaturas non confortables (as temperaturas óptimas varían segundo a especie de planta). Ademais, Cournac e Peltier atoparon que as cadeas de transporte electrónico clororrespiratorias xogan un papel no equilibrio do fluxo de electróns a través das cadeas respiratoria e fotosintética. Isto axuda a manter o balance da auga e regula a temperatura interna da planta.