la proteína de la que depende toda la vida del planeta

Las proteínas son parte de la vida. No sería posible la vida sin proteínas como la queratina o el colágeno, por su función estructural; otras como la insulina que se encargan de transportar sustancias de un lugar a otro; y otras, las enzimas, que actúan como catalizadores en las reacciones químicas que conforman el metabolismo.

Muchas proteínas son esenciales para algunos seres vivos, pero no hay ninguna conocida que sea común a todos ellos. Si bien es habitual que una función determinada esté regida por proteínas en todos o en la mayoría de seres vivos, cada grupo tiene sus proteínas específicas, y normalmente, las que tiene una planta poco o nada tienen que ver con las de un animal o una bacteria. Aunque cumplan las mismas funciones.

Sin embargo hay una enzima que está presente en plantas, algas y bacterias fotosintéticas, y aunque no aparece en hongos, animales y otros organismos heterótrofos, la existencia de todos ellos depende directamente de ella y de su correcto funcionamiento. Es, además, la proteína más abundante del planeta. Hablamos de la rubisco.

¿Qué es la rubisco?

El nombre de ‘rubisco’ (originalmente RuBisCO) es el acrónimo de ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa-oxigenasa. Se trata de una enzima que está involucrada directamente en la mal llamada ‘fase oscura’ de la fotosíntesis. Su origen es muy antiguo. De hecho, es muy probable que versiones primitivas de la rubisco existieran ya hace más de tres mil millones de años, dado que la atmósfera primitiva del planeta Tierra, donde los primeros seres vivos comenzaron a desarrollarse, era muy rica en dióxido de carbono.

Surgió en bacterias, como mecanismo para incorporar el carbono de la atmósfera como nutriente. Cuando las células aumentaron su complejidad y comenzaron a tener núcleo, algunas adquirieron bacterias mediante endosimbiosis, que daría lugar a los cloroplastos, los orgánulos celulares que permiten a las plantas realizar la fotosíntesis. Y la rubisco continuó realizando su función en estos orgánulos.

Esta enzima está formada por dos tipos de cadenas proteicas, una grande, denominada subunidad L —del inglés large—, y otra pequeña, subunidad S —del inglés small—. La rubisco original que hallamos en las bacterias fotosintéticas tiene dos subunidades de cada tipo, aunque en los cloroplastos de algas y plantas ha sucedido una reorganización, producto del proceso evolutivo, y se constituye con ocho subunidades de cada tipo, las L formando un conjunto central, y las S rematando los extremos.

Esta estructura la convierte en una molécula enorme. La masa de una molécula de rubisco es de 490 000 Dalton —para visualizar la magnitud, una molécula de agua pesa 18 Dalton, y una molécula de insulina, 5700 Dalton—. Aún así, hablamos a escala molecular, por lo que sigue siendo una medida ínfima; necesitamos más de un trillón de moléculas para hacer un gramo de rubisco.

Imaginen ahora cuál es la abundancia de esta proteína al desvelar el hecho de que toda la rubisco del mundo pesa más que todas las personas.

¿Qué hace la rubisco?

En su origen evolutivo, en una atmósfera sin oxígeno, la rubisco se encargaba de obtener el dióxido de carbono del ambiente, e incorporarlo en el metabolismo. El proceso actual es predominante en organismos fotosintéticos, aunque también ocurre en otros organismos autótrofos no dependientes de la luz, como las bacterias quimiosintéticas.

Si nos centramos en el proceso mayoritario, la fotosíntesis consta de dos fases, la ‘fase luminosa’, durante la cual se capta la luz solar y se almacena su energía en las membranas del cloroplasto, y la ‘fase oscura’, en la que se aprovecha esa energía almacenada para construir moléculas complejas, que serán los nutrientes.

Durante la fase ‘oscura’ sucede el ciclo de Calvin, en el que la enzima rubisco juega el papel protagonista. Se encarga de obtener del medio celular un azúcar activado energéticamente, de cinco carbonos, llamada ribulosa-1,5-bisfosfato, e incorporar en ella una molécula de dióxido de carbono. Esto genera una estructura de seis carbonos que, gracias a la acción de una molécula de agua, se rompe en dos estructuras de tres carbonos cada una, llamadas 3-fosfoglicerato, y se liberan dos protones en el proceso.

Las moléculas de 3-fosfoglicerato continuarán el ciclo de Calvin, en una etapa de reducción. Parte conformará glucosa como producto final —se necesita incorporar seis moléculas de dióxido de carbono para producir una de glucosa—, que se liberará a la célula para su uso o almacenamiento; y otra parte se regenerará, para cerrar el ciclo, volviendo a formar ribulosa-1,5-bisfosfato que quedará a disposición, de nuevo, de la rubisco.

Irónicamente, este proceso solo puede suceder mientras hay luz. Algunas de las moléculas que se consumen en el ciclo de Calvin se fabrican en la fase luminosa de la fotosíntesis, y no se pueden almacenar. Por lo tanto, esa ‘fase oscura’ solo es oscura en el nombre. Sin luz, el ciclo no funciona.

¿Por qué la rubisco es esencial para la vida?

En nuestro mundo, hay dos tipos de seres vivos. Los autótrofos, que producen sus propios nutrientes gracias a fuentes de energía externa —el sol o reacciones químicas del ambiente—, y los heterótrofos, que consumen a los autótrofos para obtener su energía química almacenada.

La rubisco es la enzima central del ciclo de Calvin, que es el eje para la producción de materia orgánica en organismos autótrofos. Tanto los seres vivos fotosintéticos como los quimioautótrofos requieren del ciclo de Calvin, y por lo tanto, de la rubisco, para funcionar y sintetizar sus nutrientes. Nutrientes de los que también dependen los organismos heterótrofos, como hongos y animales —incluido el ser humano—.

Analizado en conjunto, la rubisco es la enzima más importante en el proceso de síntesis de nutrientes para toda la biosfera, y por lo tanto es, de facto, la proteína de la que depende la vida en la tierra.

Los fallos en la eficiencia de la rubisco

La enzima más importante del mundo dista mucho de ser perfecta. Un problema de la evolución es que no tiene la capacidad de anticiparse a las consecuencias de sus propios procesos. En la fotosíntesis no solo se consume luz solar, agua y dióxido de carbono para producir azúcares, también se libera oxígeno, como sustancia de desecho, que se incorpora a la atmósfera.

Cuando el dióxido de carbono era un gas predominante, junto con el nitrógeno, no había problema. La rubisco tenía una fuente aparentemente inagotable. Sin embargo, tras el evento de gran oxidación, la atmósfera dejó de tener tanto carbono, y el gas predominante —de nuevo, junto al nitrógeno— fue el oxígeno. Un problema, consecuencia de la evolución, pero que la propia evolución no había anticipado.

La rubisco evolucionó en ese mundo rico en dióxido de carbono, y no estaba adaptada a un entorno rico en oxígeno. Cuando la atmósfera cambió, la rubisco comenzó a aceptar oxígeno, ocasionalmente, en lugar de dióxido de carbono. La evolución no puede dar marcha atrás y volver a empezar, solo puede adaptar a los seres vivos a las nuevas condiciones, trabajando con lo que ya tiene.

Probablemente, el origen de que en plantas y algas la estructura de la rubisco tenga 8 subunidades de cada tipo, en lugar de sólo 2, como en bacterias, se relacione con este evento. Este avance evolutivo permitió que la enzima tuviese mayor especificidad por el CO₂ y menos por el oxígeno. Actualmente, el oxígeno representa cerca del 21 % de la composición total del aire, mientras el CO₂ tiene una concentración de en torno al 0,04 %. Sin embargo, esta alta especificidad hace que hasta cuatro de cada cinco veces, la rubisco acepte dióxido de carbono.

Cuando la rubisco ‘se equivoca’ y acepta oxígeno en lugar de CO₂, sucede un nuevo proceso metabólico conocido como fotorrespiración, que acaba por eliminar dióxido de carbono y consumir energía, lo que reduce la eficiencia fotosintética. Este fenómeno es el principal factor limitante de la fotosíntesis.

Plantas CAM, un atajo para evitar la fotorrespiración

Cuando los cambios físicos de la enzima rubisco ya no pueden mejorar más la eficiencia del proceso fotosintético, algunas plantas desarrollan avances evolutivos distintos, que permitan a la rubisco hacer su trabajo sin distracciones: si no puedes hacer que la enzima rechace el oxígeno de forma eficiente, la solución es evitar que el oxígeno llegue a la enzima. Y esa es la solución a la que han llegado muchas plantas crasas, como los cactus o las crasuláceas. Son las plantas CAM.

CAM es el acrónimo en inglés de ‘metabolismo ácido de crasuláceas’. Su fundamento está en una nueva ruta metabólica que permite almacenar el carbono en una molécula intermedia con la que se alimenta después la rubisco.

Para que el oxígeno y el dióxido de carbono entren libremente en la planta, se tienen que abrir unas válvulas, denominadas estomas. Pero las plantas CAM abren sus estomas durante la noche, cuando la fotosíntesis está ‘apagada’. En este momento, una nueva enzima denominada anhidrasa carbónica obtiene el dióxido de carbono de la atmósfera y, mediante una ruta metabólica sencilla, lo almacena en una molécula de malato.

Cuando sale el sol, los estomas se cierran impidiendo la entrada de oxígeno, y la ruta se revierte. Se rompe el malato, se libera el CO₂ previamente almacenado, y se alimenta el ciclo de Calvin sin las posibles interferencias del oxígeno. Se consigue maximizar así la eficiencia de esta enzima esencial para la vida, la rubisco.

Referencias: