El metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM proveniente del inglés Crassulacean Acid Metabolism) es un metabolismo especial de diferentes tipos de plantas (otras vías son las C3 y C4). Mientras que la mayoría de las plantas absorben y fijan el dióxido de carbono durante el día, en las plantas CAM los dos procesos están separados en el tiempo. El dióxido de carbono utilizado en la fotosíntesis es absorbido en la noche y guardado en las vacuolas de las células en forma de ácido málico. Al día siguiente se libera el CO2 del ácido málico y es suministrado para la formación de hidratos de carbono en el ciclo de Calvin. Durante el día, la formación y descomposición de estos ácidos dicarboxílicos y la cantidad de los protones asociados en el cambio de día y noche también se le conoce a este metabolismo como ritmo ácido diurno.
La ventaja del mecanismo CAM es, que las plantas durante las horas (calientes) mantienen sus estomas cerrados, por ello se reduce considerablemente la pérdida de agua por transpiración y aun así tener suficientes cantidades de dióxido de carbono para su uso en el ciclo de Calvin. Además, las plantas con metabolismo CAM tienen una ventaja en respuesta a bajas concentraciones de CO2, como se puede ver en plantas de agua dulce sumergidas. Este tipo de metabolismo solo se había comprobado en tejidos que contienen clorofila.
El metabolismo ácido de las crasuláceas lleva el nombre de la familia Crassulaceae, donde fue descubierto por primera vez.
Historia Al comienzo del sigloXIX se reconocieron ciertos aspectos del metabolismo ácido de las crasuláceas. El naturalista suizo Nicolas de Saussure observó en 1804 que las bifurcaciones del cactus Opuntia en luz también producían oxígeno, aún sin que hubiera dióxido de carbono en el aire; este no es el caso con las plantas C3. Con ello concluyó que las plantas utilizaban sustancias propias con la liberación de CO2.de Saussure, T. (1804): Recherches chimiques sur la végétation. In: Chez la V. Nyon, Paris En 1813 Benjamin Heyne descubrió el ritmo ácido diurno en la hoja del Kalanchoe con un experimento: se percató que las hojas en la mañana tenían un sabor agrio, pero que en las noches tenían un sabor a hierbas. Heyne comunicó estas observaciones a la Sociedad Linneana de Londres y después publicó estos descubrimientos.Heyne, B. (1815): On the deoxidation of the leaves of Cotyledon calycina. In: Trans Linn Soc Lond. 11; 213–215
La denotación de Crassulacean Acid Metabolism se utilizó por primera vez en enero de 1947 por Meiron Thomas (1894-1977) en una presentación ante la Sociedad para la Biología Experimental. En 1949 el concepto fue una parte importante de la cuarta edición de su obra estándar Plant Physiology.J. T. Beatty Govindjee, H. Gest: Discoveries in photosynthesis. Springer, 2005, ISBN 9781402033230, S. 883 A mediados del sigloXX se impulsó la clarificación del metabolismo ácido de las crasuláceas, en su mayoría gracias a los trabajos de Walter Daniel Bonner (1878-1956) su hijo James Fredrick Bonner (1910-1996), Meiron Thomas, Thomas Archibald Bennet-Clark (1903-1975) y otros investigadores.
Mecanismo Diferencias con las plantas C3 y C4 Todas las plantas verdes utilizan la fotosíntesis para la transformación de hidratos de carbono. 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 CO2 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 CO2. 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 CO2 en el ciclo de Calvin es igual al de las plantas C3.
Para sobrevivir en regiones áridas, las plantas CAM utilizan 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.
thumb|600px|center|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. Traducciones: Apfelsäure: ácido málico, Malat: malato, Saccharose: sacarosa, Stärke: almidón, Fruktane: fructosano, Oxalacetat: oxalacetato
Fijación del dióxido de carbono por la noche Por la noche se realiza la fijación de CO2 en ácido fosfoenolpirúvico (PEP) mediante una PEP-carboxilasa (PEPC, ), 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 pueda ser fijada una ración nocturna de CO2. 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 CO2 y el HCO3-, pero esta transformación es muy lenta. Una anhidrasa carbónica (CA, ) 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 (MDH, ) 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 0.2M), 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, en las plantas CAM puede alcanzar en las plantas, a causa de la concentración de ácidos, el valor de 3. Por ello por la mañana tienen un sabor más ácido.
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. Es posible que el ácido málico con carga neutra se difunda por la membrana directamente. Durante el día de esa manera el pH en la vacuola vuelve a subir entre 7.5 y 8. 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 cactus 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 (NADP-ME, ) 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 (NAD-ME, ) 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; ). El L-malato es oxidado bajo consumo de NAD+ a oxalacetato por una enzima NAD-malato-DH (MDH, ). 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 reacción de descarboxilación el piruvato formado bajo consumo de ATP es transformado en PEP por la piruvato, fosfato dikinasa (PPDK, ). 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.
Formas de CAM Se puede clasificar a las plantas CAM en diferentes tipos según el momento en que se abren los estomas. Adicionalmente para la clasificación se puede incluir la cantidad de ácido málico que se produce durante la noche y la cantidad de CO2 que se absorbe.
CAM constitutivas mini|upright=0.5|La Kalanchoe daigremontiana es una planta CAM constitutiva. EL metabolismo de las plantas CAM constitutivas se expuso en la parte superior. Estas plantas abren sus estomas siempre durante la noche, momento en que se da el 99% de la absorción de CO2. Dependiendo de la intensidad de absorción del CO2 y la posterior formación de ácido málico se puede diferenciar entre una CAM constitutiva fuerte o débil. De las típicas representantes de este grupo se encuentran las plantas Crasuláceas (Kalanchoe daigremontiana) y los cactus (Opuntia basilaris o Opuntia ficus-indica). A diferencia de otros tipos de CAM, éstas siempre permanecen en su estado CAM, independientemente de la especie y el estrés por factores abióticos. Se ha observado que en plantas muy jóvenes de especies CAM constitutivas, como por ejemplo en la hoja del aire, el higo chumbo y la Kalanchoe daigremontiana, pueden tener un metabolismo C3.