Ciclo de Calvin: qué es, características y resumen

El ciclo de Calvin constituye la segunda etapa de la fotosíntesis y es la ruta metabólica en la que el carbono presente en el CO2 atmosférico se incorpora a moléculas orgánicas para formar azúcares.
Ciclo de Calvin

Como ya sabemos, la vida, tal y como la conocemos, está basada en el carbono. Este elemento químico, por sus propiedades, constituye el esqueleto de todas y cada una de las moléculas orgánicas que acaban conformando a los seres vivos, desde bacterias hasta las personas. El carbono es la base de la vida.

Pero, ¿alguna vez te has preguntado de dónde viene el carbono que forma tu cuerpo? Gracias a que las plantas disponen de una increíble ruta metabólica conocida como ciclo de Calvin, el carbono, que está en la atmósfera en forma de CO2, puede fijarse (incorporarse) a moléculas orgánicas, dando lugar a azúcares.

El ciclo de Calvin, pues, permite que el carbono haga el salto de la pura química a la biología. Y es que cuando las plantas unen el carbono a moléculas orgánicas, este carbono fluye por la cadena alimenticia hasta llegar a nosotros, dándonos el cemento que conforma todos y cada uno de nuestros órganos y tejidos.

En el artículo de hoy hablaremos sobre el ciclo de Calvin, analizando las particularidades de esta ruta metabólica, su relación con la fotosíntesis y sus principales objetivos y finalidades.

¿Cuáles son las dos etapas de la fotosíntesis?

La fotosíntesis es un proceso químico exclusivo de los organismos con clorofila en la que se utiliza luz para transformarla en energía química y se captura el carbono atmosférico en forma de CO2 para incorporarlo en las moléculas de materia orgánica, formando así azúcares que avanzan en la cadena alimenticia.

La fotosíntesis es la reacción química más importante del mundo en cuanto a volumen de masa que mueve. De hecho, se estima que cada año, más de 200.000.000.000 de toneladas de carbono son fijadas a través de ella, es decir, se consigue el salto de la materia inorgánica a la orgánica, la cual irá pasando a través de todos los seres vivos.

Por lo tanto, la fotosíntesis puede entenderse como una ruta metabólica en la que se utiliza una energía obtenida a partir de la luz y en la que, partiendo de CO2 y agua, se consigue la síntesis de materia orgánica. Es el “inverso” a lo que hacemos nosotros.

Los organismos heterótrofos consumimos materia orgánica y la degradamos para obtener energía, generando materia inorgánica (el CO2 que exhalamos) como producto de desecho. Las plantas y otros organismos fotosintéticos, como las algas y las cianobacterias, tienen la increíblemente importante función de devolver todo este carbono inorgánico a su forma orgánica.

Y como no pueden degradar materia orgánica para obtener energía, consiguen este “combustible” de la luz, mediante el proceso de la fotosíntesis. Y aunque suele llevarse toda la atención la fase en la que la energía lumínica se convierte en combustible celular, lo cierto es que es igual de importante la fase en la que ya no interviene la luz pero se fija el carbono, una fase que analizaremos más detalladamente, pues es el ciclo de Calvin. Sea como sea, ahora veremos las dos etapas de la fotosíntesis.

Fotosíntesis

1. Etapa clara o fotoquímica

La etapa clara o fotoquímica es la primera fase de la fotosíntesis. Su principal función es la de, a través de la radiación solar, es decir, de la luz, obtener energía en forma de ATP, unas moléculas que constituyen el principal combustible de nuestras células. De hecho, todas las rutas metabólicas para conseguir energía culminan con la obtención de estas moléculas.

Sea como sea, esta etapa de la fotosíntesis es dependiente de la luz y tiene lugar en los tilacoides de cloroplastos de las células fotótrofas, ya sean plantas, algas o cianobacterias. Estos cloroplastos contienen clorofila, un pigmento verde que, en cuanto entra en contacto con la radiación solar, se excita.

Y por excitación entendemos que los electrones de sus capas exteriores son liberados y transportados por unas moléculas que constituyen lo que se conoce como cadena transportadora de electrones. Sin entrar demasiado en profundidad, lo importante es tener en cuenta que este complejo celular permite que los electrones viajen (como si fuera electricidad) a través de esta especie de cadena.

Cuando esto se consigue, mediante una reacción química en la que el agua juega un papel imprescindible, se sintetiza el tan ansiado ATP. En este momento, el organismo tiene energía. Pero este combustible no sirve de nada sin un motor que, en este caso, sea capaz de convertir unas moléculas inorgánicas en otras de orgánicas. Esto se consigue con la siguiente fase, que es el ciclo de Calvin propiamente dicho.

2. Etapa oscura o ciclo de Calvin

La etapa oscura o ciclo de Calvin es la fase de la fotosíntesis independiente de la luz, es decir, los organismos fotótrofos son capaces de realizarla (y, de hecho, es cuando lo suelen hacer) en condiciones de oscuridad, pues ya han obtenido la energía que necesitan y ya no requieren de luz.

El ciclo de Calvin tiene lugar en el interior de los estromas, unas cavidades internas de los cloroplastos distintas a aquellas en las que tiene lugar la etapa clara o fotoquímica. Sea como sea, lo importante es que es en esta fase cuando se consigue la conversión de materia inorgánica en materia orgánica que fluye por las cadenas tróficas, llegando también, evidentemente, hasta nosotros.

Todos nuestros tejidos y órganos están hechos de carbono. Y todo este carbono, en algún momento, fue gas en forma de CO2 que las plantas y otros organismos fotosintéticos fueron capaces de atrapar y convertir en azúcares que formaron moléculas orgánicas complejas.

Pero pasar de una molécula de CO2 a un azúcar complejo es algo que requiere de energía. Precisamente por eso las plantas hacen la fotosíntesis: para conseguir un combustible que alimente al ciclo de Calvin, dándole así ATP que pueda consumir para sintetizar materia orgánica.

Ahora que ya hemos entendido qué es la fotosíntesis, qué papel tiene en ella el ciclo de Calvin y cómo se relaciona este con la energía y la materia, podemos pasar a analizarlo de forma más detallada.

¿Qué es el ciclo de Calvin?

El ciclo de Calvin es una ruta metabólica de tipo anabólica en la que, partiendo de moléculas de CO2 atmosférico, se consigue la síntesis de glucosa, es decir, materia orgánica en forma de azúcares complejos que pueden entrar en la cadena alimenticia.

Que sea una ruta metabólica significa que es una reacción bioquímica que tiene lugar en el interior de las células (concretamente en el los estromas de los cloroplastos) y en la que, a partir de un metabolito inicial (en este caso el CO2) y a través de la acción de unas moléculas que guían y catalizan el proceso conocidas como enzimas, se van obteniendo distintos metabolitos intermediarios hasta llegar a uno final, que en este caso es la glucosa.

Y que sea anabólica significa que el metabolito final (glucosa) es más complejo a nivel estructural que el metabolito inicial (CO2), por lo que cada conversión requiere que las enzimas consuman energía para funcionar. Es decir, el ciclo de Calvin es una ruta metabólica en la que hay que gastar combustible para sintetizar unas moléculas orgánicas complejas, que en este caso son azúcares.

El ciclo de Calvin consiste en distintas reacciones bioquímicas con muchos metabolitos intermedios y distintas enzimas que actúan sobre ellos. Cada enzima, para hacer su paso de un metabolito A a otro de B, necesita que la célula le dé energía en forma de ATP, las moléculas energéticas que se habían conseguido en la primera fase de la fotosíntesis.

En resumen, el ciclo de Calvin es una ruta metabólica en la que el CO2 atmosférico es capturado por la planta y los carbonos que lo constituyen se van uniendo a distintas moléculas y pasando por diferentes cambios químicos hasta dar lugar a materia orgánica compleja y asimilable por otras seres vivos, que está en forma de glucosa.

Un resumen del ciclo de Calvin

El ciclo de Calvin, al igual que el resto de rutas metabólicas, es un fenómeno bioquímico muy complejo, pues entran en juego muchos metabolitos y enzimas distintas. De todos modos, como el objetivo de este artículo no es impartir una clase de bioquímica, veremos el ciclo de Calvin de una forma resumida y fácilmente entendible.

Repasemos el objetivo del ciclo de Calvin: obtener una molécula de glucosa. Y la fórmula química de esta glucosa es C6H12O6. Es decir, ¿cuántos átomos de carbono tiene una molécula de glucosa? Seis. Por lo tanto, teniendo en cuenta que todos los átomos de carbono tienen que venir del dióxido de carbono y que una molécula de CO2 solo tiene un átomo de carbono, ¿cuántas moléculas de CO2 necesitaremos al principio? Exacto. Seis.

El ciclo de Calvin empieza, pues, cuando la planta (u otro organismo fotosintético) fija 6 moléculas de dióxido de carbono, es decir, los captura de la atmósfera. El primer paso del ciclo de Calvin es también el más importante, pues es el momento en el que cada uno de estos átomos se incorporan en la materia orgánica que ya tiene la planta, es decir, a una molécula propia del organismo se une un átomo de carbono que procede del CO2.

Esta fijación (que es la primera etapa del ciclo de Calvin) viene mediada por una enzima muy importante conocida como RuBisCo. Esta enzima permite que los átomos de carbono del CO2 se unan a una molécula que ya tiene cinco carbonos y que se conoce como ribulosa-1,5-bifosfato, dando lugar a una molécula de seis carbonos que “se parte en dos”. De este modo, da lugar a dos moléculas de ácido-3-fosfoglicérico, el cual tiene tres carbonos.

En este momento, se entra en la segunda etapa del ciclo de Calvin: la reducción. En esta fase tienen lugar distintas conversiones mediadas por enzimas diferentes, pero lo importante a tener en cuenta es que es aquí cuando empieza a consumirse el ATP para dar lugar a moléculas estructuralmente cada vez más complejas hasta conseguir el gliceraldehído-3-fosfato, más conocido como G3P.

Llegados a este punto, disponemos de seis moléculas de G3P. Una de ellas “sale del ciclo” y se utiliza para formar la glucosa, momento en el que hemos conseguido la tan ansiada formación de materia orgánica compleja asimilable por otros seres vivos. Esta es la finalidad del ciclo de Calvin.

Pero las otras cinco moléculas de G3P entran en la tercera etapa del ciclo de Calvin, que se conoce como regeneración. En esta fase final, como su propio nombre indica, las cinco moléculas restantes de G3P pasan por una serie de conversiones en las que se sigue gastando energía para volver a generar las moléculas de ribulosa-1,5-bifosfato, la molécula a la que, como veíamos al principio, se unía el CO2 en la fijación. De esta manera se cierra el ciclo.

Referencias bibliográficas

  • Knight, T., Cossey, L., McCormick, B. (2014) “An overview of metabolism”. Update in Anaesthesia.
  • Almeraya del Valle, E., Sánchez Quintanar, E. (2015) “Adaptaciones fotosintéticas en las plantas para mejorar la captación del carbono”. 72 ciencia.
  • Jablonsky, J., Bauwe, H., Wolkenhauer, O. (2011) “Modeling the Calvin-Benson cycle”. BMC Systems Biology.
Pol Bertran Prieto

Pol Bertran Prieto

Microbiólogo y divulgador

Pol Bertran (Barcelona, 1996) es Graduado en Microbiología por la Universidad Autónoma de Barcelona. Máster en Comunicación Especializada con mención en Comunicación Científica por la Universidad de Barcelona. Apasionado por la divulgación de la salud y la medicina y aficionado del deporte y el cine.