FOTOSÍNTESIS
Es la captación y transformación de la E. luminosa en E. química, que posteriormente se puede utilizar para la síntesis de compuestos orgánicos complejos a partir de compuestos inorgánicos simples.
Reacción endergonica: CO2 + H2O (CH2O)n + O2 La E proviene de la luz.
La mayor parte de los cloroplastos funcionales están situados en el mesófilo de las hojas. En los tejidos de la vaina no se forman granas (ausencia del fotosistema II por lo que no se produce O2, la Rubisco funciona mejor cuando hay menos O2).
Espectro de absorción de clorofilas y carotenoides
Clorofila: tetrapirrol (4 átomos de nitrógeno) con ion magnesio en el centro y una cadena lateral (alcohol) que les permite anclarse en la membrana lipídica del cloroplasto. Están asociadas a proteínas que modifican sus capacidades de absorción de la luz. Poseen dos picos de absorción en el azul (longitud de onda de mayor E.) y el rojo (longitud de onda de menor E.). Existen varios tipos de clorofilas (a, b, c, d, etc.), la clorofila a esta en todos los organismos que producen O2 a partir de H2O. En tilacoides (P700 y P680), no en bacterias fotosintéticas. Es el primer fotorreceptor.
Carotenoides: se localizan en membranas tilacoidal y externa del cloroplasto. Los carotenos no tienen O2. Absorben longitud de onda de mayor E. en el azul y no en la zona del rojo. Formados por carbono e hidrogeno. Sirven para absorber la luz poco absorbida por las clorofilas. Transmiten la E. luminosa por resonancia a los centros de reacción. Las Xantofilas están formadas por carbono, hidrogeno y O2.
Ficobilinas: tetrapirroles unidos covalentemente a proteínas. Solo en algas rojas, verde- azules y criptófitas. Captan longitudes de onda poco utilizadas por las clorofilas.
Energía
C
2º S
C C
1º S
C
Triplete
Fluorescencia fosforescencia
(Azul) 400 – 500 nm 600 – 700 nm (rojo)
Estado Estado Estado
Basal Singlete triplete
Espectro de absorción: relaciona la longitud de onda con la absorción.
Espectro de acción: relaciona la longitud de onda con la respuesta fotosintética.
Cuando un pigmento absorbe luz, absorbe E., y un electrón que esta ocupando determinada orbita salta a una que requiere más E para permanecer en ella. Este estado no es estable por mucho tiempo, y el electrón tiende a volver a su estado basal, sea directamente o por etapas. En una 1º etapa, la E es liberada en forma de calor, y en una 2º etapa es transferida al medio en forma de luz (fluorescencia con baja E que la luz incidente inicial porque parte se perdió por calor), que puede ser captada por otros pigmentos.
También puede suceder que el electrón cambie su spin, al hacerlo no puede volver a su estado basal, por lo que cambia nuevamente de spin, quedando en un estado llamado triplete (un poco mas estable), y luego vuelve a su estado basal cambiando otra vez su spin. Al hacerlo, pierde E en forma de luz (fosforescencia con menor E que la fluorescencia).
Forma de disipar la E por parte del pigmento.
La E se pierde por: calor, luz, resonancia y por reacciones fotoquímicas. La resonancia es cuando dos pigmentos están asociados se puede transmitir la E de excitación de un electrón que este en el lugar y a la distancia precisa. La reacción fotoquímica es cuando un pigmento excitado pierde un electrón, se oxida, y el electrón es transportado por una serie de transportadores hacia un aceptor final. En esa transferencia, hay perdida de E, que en la fotosíntesis queda atrapada en compuestos de alto valor energético. Este proceso no es llevado a cabo por todas las clorofilas ni por los carotenos (estos últimos la disipan mayoritariamente por calor).
Rendimiento cuántico: (eficiencia fotosintética), relación entre cantidad de luz incidente y cantidad de luz utilizada. Es casi del 100%.
Rendimiento energético: relación entre luz incidente y productos almacenados ricos en E. es menor o igual al 30% (eficiencia energética).
El tejido mas activo de la fotosíntesis en plantas superiores es el mesófilo de las hojas. Las células del mesófilo tienen muchos cloroplastos que contienen clorofilas (pigmentos especializados en la absorción de luz). En la fotosíntesis la planta usa E solar, para oxidar agua, producir oxigeno y reducir dióxido de carbono para producir compuestos orgánicos, principalmente azucares.
Las reacciones del tilacoide dan como producto final compuestos de alta E ATP y NADPH, que son usados en la síntesis de azucares en las reacciones de fijación del carbono. Este proceso de síntesis tiene lugar en el estroma del cloroplasto.
En el cloroplasto, la E lumínica es captada por los 2 fotosistemas. Esta E es usada para impulsar la transferencia de electrones. La mayoría de los electrones finalmente reducen NADP+ a NADPH. La E también se usa para generar un gradiente de protones a través de la membrana tilacoidal, para sintetizar ATP.
Reacción clara:
Complejo antena: captan y transfieren la E luminosa a los centros de reacción, donde se transforma en E química por oxido reducción.
Hacia el exterior (proteínas trimeritas, clorofilas a, b y carotenos), se localizan los pigmentos que captan longitudes de onda de mayor E, y mas hacia el centro, los que absorben longitudes de onda de menor E, hasta que llegan a los centros de reacción ocupados por una clorofila especial (P680 – P700) que absorbe a 680 nm (rojo), la otra clorofila en el centro de reacción absorbe a 700 nm (rojo lejano).
Los complejos antena son diferentes de acuerdo al organismo, a diferencia de los centros de reacción que son todos iguales.
La función del complejo antena es entregar E eficientemente al centro de reacción asociado. El mecanismo por el cual la E de excitación es transportada desde la clorofila que absorbió la luz hasta el centro de reacción es por resonancia. La E de excitación es transferida de una molécula a otra por procesos no radiactivos.
En el complejo antena, la transferencia de E es puramente un fenómeno físico y la transferencia de electrones engloba cambios químicos en las moléculas.
La E absorbida por los pigmentos del complejo antena son canalizados hacia el centro de reacción por una secuencia de pigmentos con máxima absorción que van cambiando progresivamente hacia longitudes de onda rojas, mas largas (menor E). Este cambio al rojo en la máxima absorción significa que la E del estado de excitación es algo menor cerca del centro de reacción que en las regiones periféricas del complejo antena. La deficiencia en E entre las dos clorofilas excitadas se pierde como calor al entorno.
Luz
Alta
Longitud Energía Energía E perdida por
de onda calor durante la
transferencia de
las excitaciones
E disponible
para
Baja almacenamiento
La transferencia de E es unidireccional y casi irreversible.
Estos complejos están formados principalmente por clorofila a y b, y carotenoides. De acuerdo al FS al que este asociado, están el LHC II, asociado al FS II, y el LHC I asociado al FS I.
La luz absorbida por los carotenoides y la clorofila b en la proteína LHC es rápidamente transferida a la clorofila a, y luego a otros pigmentos del complejo antena que están íntimamente asociado al centro de reacción.
El principal dador de electrones es el agua cuando se oxida. El primer aceptor de electrones es el P680 y el aceptor final de electrones es el NADP+ que se reduce.
Casi todos los procesos que constituyen las reacciones claras de la fotosíntesis son llevadas a cabo por cuatro complejos proteicos principales: el FSII, el complejo cit b6f, el FSI y la ATP sintetasa. Estos complejos integrales de membrana están vectorialmente orientados en la membrana tilacoidal, por eso el agua es oxidada a oxigeno en el lumen del tilacoide, el NADP+ es reducido a NADPH es el estroma, y el ATP es liberado en el estroma por transporte de protones desde el lumen hacia el estroma. El agua es oxidada y los protones son liberados en el lumen por el FS II. El FS I reduce NADP+ a NADPH en el estroma por la vía de acción de la ferredoxina (Fd) y la flavoproteina ferredoxina – NADP reductasa (Fp). Los protones también son transportados al lumen por la acción del complejo cit b6f y contribuye al gradiente electroquímico de protones. Estos protones deben entonces difundir por la enzima ATP sintetasa, donde esta disminución por difusión del gradiente de la E electroquímica, es usado por sintetizar ATP en el estroma.
La plastoquinona reducida (PQH2) y la plastocianina transfieren electrones al cit b6f y al FS I respectivamente.
La función de la luz es excitar una clorofila especializada que esta en el centro de reacción desde un estado electrónico basal a un estado electrónico excitado, ya sea por absorción directa o por transferencia de E vía pigmentos del complejo antena.
El estado de excitación de las clorofilas del centro de reacción es por lo tanto un agente reductor extremadamente fuerte, lo suficiente como para reducir moléculas que no son capaces de aceptar un electrón. La primera reacción que convierte la E del electrón en E química es la transferencia de un electrón desde el estado excitado de una clorofila en el centro de reacción a una molécula aceptora. La E de la luz es usada para convertir la clorofila de un agente reductor débil a uno muy fuerte. El aceptor transfiere su electrón extra a un aceptor secundario y así sucesivamente siguiendo la cadena transportadora de electrones. El centro de reacción oxidado de la clorofila que había donado un electrón es reducido a un segundo donador, el cual es reducido por un tercer donador. En plantas, el último donador de electrones es el agua y el último aceptor de electrones es el NADP+. La esencia del almacenamiento de E fotosintética es por lo tanto la transferencia de un electrón desde una clorofila excitada a una molécula aceptora, seguida por una separación de cargas positivas y negativas dado por una serie de rápidas reacciones químicas. Con las cargas separadas, la reacción inversa es mucho mas lenta, y la E ha sido capturada con transferencia secundaria de un electrón, acompañada por la perdida de algo de E, haciendo así el proceso irreversible.
Fotosistema II: se encuentra en la membrana tilacoidal que forma grana. Su núcleo esta formado por el par D1 y D2, insertadas a través de la membrana tilacoidal. (P680 se asocia a una o se encuentra entre ambas). La reacción que cataliza es
2Q + 2H2O O2 + 2 QH
Plastoquinona plastoquinol
Esta reacción tiene lugar en un centro especial que contiene iones Mn.
Corrección: en donde dice D2 tiene que decir D1, y donde dice D1 debe decir D2.
2H2O
Tirosina
4 Mn
O2 + 4H+
Al excitarse P680 transfiere un electrón a la feofitina en D1 (clorofila con 2 protones). Desde esta, el electrón se transfiere primero a la plastoquinona unida permanentemente al centro (QA en D2), y de aquí a la plastoquinona de intercambio del centro (QB en D1).
Con la llegada de un nuevo electrón y la captura de dos protones del estoma, se reduce QB a QH2 (quinonas: muy solubles en lípidos, se mueven libremente en las membranas). Esta última pierde afinidad por D1 y se separa, transfiriéndose al resto de la membrana, siendo capaz de transferir E a otros aceptores de electrones.
P680 pierde los electrones de a uno, y los recupera de un aa (tirosina) de su mismo polipéptido, que a su vez lo recupera de una proteína que contiene 4 Mn y que esta asociada a D1 y D2 mirando hacia el lumen tilacoidal. Esta proteína recupera 4 electrones de 2 moléculas de agua. El agua se oxida y se liberan protones y oxigeno (fotolisis del agua).
Los protones producidos por la oxidación del agua son liberados al lumen del tilacoide, porque el complejo generador de oxigeno, esta ubicado en la cara interna del tilacoide. Los protones son liberados desde el lumen al estroma a través de la síntesis de ATP. De este modo el potencial electroquímico formado por la liberación de protones durante la fotolisis del agua, contribuye a la formación de ATP.
El Mn es un cofactor esencial del proceso de oxidación del agua. Cuatro iones de Mn están asociados al complejo generador de oxigeno. También el cloro y el calcio estarían involucrados.
El transportador de electrones Yz, funciona entre el complejo generador de oxigeno y el P680. Para ocupar esta posición el transportador Yz debe tener un potencial rédox extremadamente positivo, con una fuerte tendencia a retener los electrones. Estos transportadores son radicales formados por residuos de la tirosina de la proteína D1 del centro de reacción del FS II.
La feofitina es una clorofila en donde el átomo central de Mg ha sido reemplazado por dos átomos de H. estos cambios químicos le dan a la feofitina propiedades químicas diferentes a las otras clorofilas.
Un electrón es transferido desde la feofitina a una primera quinona y luego rápidamente transferido a una segunda quinona, donde permanece. Durante este tiempo, el P680 oxidado recupera un electrón del Yz. Un segundo electrón es transferido desde la feofitina a la primer quinona y luego a la segunda quinona. Dos protones son capturados del medio circundante, produciendo una reducción total de la quinona (QH2). Esta hidroquinona luego se disocia del complejo, y entra a los hidrocarburos de la membrana, en donde transfiere sus electrones al cit b6f.
El paso de electrones a través del complejo cit b6f transporta protones al lumen del tilacoide.
El resultado neto de los dos pasos por el complejo es que dos electrones fueron transferidos al P700, dos plastoquinonas fueron oxidadas a quinonas, y una plastoquinona oxidada fue reducida a hidroplastoquinona. Además cuatro protones fueron transferidos desde el estroma al lumen. De esta forma, el paso de electrones conecta al sitio aceptor del centro de reacción del FS II con el sitio dador del centro de reacción del FS I, y genera una diferencia de potencial a ambos lados de la membrana. Este potencial electroquímico es usado para energizar la síntesis de ATP.
Todas estas reacciones conforman el primer centro de conservación de la E (fotosistema II).
Citocromo b6f: complejo formado por un citocromo b, una proteína Fe – S, un citocromo f con un citocromo C. Este cataliza la reacción a través del ciclo de las quinonas. Primero la QH2 se oxida a Q, liberándose 2 protones en el lumen tilacoidal. Los electrones de QH2 fluyen a través de la proteína Fe – S, convirtiendo la plastocianina oxidada (PC) a su forma reducida (proteína soluble con un solo ion cobre). Por ultimo, se reduce una segunda molécula de Q, procedente de la reserva de quinonas, a QH2. Se toman dos protones del estroma, para reoxidar el QH2, liberando dos protones en el lumen tilacoidal. De esta forma se contribuye al gradiente de protones.
La heterogeneidad a lo largo de la membrana fotosintética requiere de que al menos un componente sea capaz de moverse a lo largo o dentro de la membrana para llevar los electrones producidos por el FS II al FS I. el complejo cit b6f esta distribuido en forma pareja entre las regiones de la membrana del estroma y de la grana, aunque su gran tamaño hace improbable que sea el transportador móvil. En cambio la plastoquinona o la plastocianina, o posiblemente las dos, son pensados como transportadores móviles para conectar los dos fotosistemas. La plastocianina es pequeña, soluble en agua, es una proteína que contiene cobre que transfiere electrones entre el complejo cit b6f y el P700. La proteína se encuentra en el lumen. Algunos de los complejos cit b6f se encuentran en la región de la membrana del estroma, donde se encuentra el FS I, pasando a través del complejo cit b6f y vuelve al P700. Este flujo cíclico de electrones esta acoplado al bombeo de protones al lumen, los cuales serán usados en la síntesis de ATP, pero no se usa para oxidar agua o reducir NADP+. El flujo cíclico de electrones es especialmente importante como fuente de ATP en la fijación de C en plantas C4, que no poseen FSII.
Fotosistema I: localizado en la membrana expuesta al estroma. Cuando P700 perdió un electrón por efecto de la luz, la plastocianina asociada a este le transfiere un electrón. El primer aceptor del electrón que pierde P700 es un tipo especial de clorofila “Ao”. Esta se lo cede a un derivado de una quinona “Ai”, que no es móvil sino que esta firmemente asociada a la PC. Esta quinona cede un electrón a una proteína 4 Fe – 4 S, la cual finalmente da su electrón a la ferredoxina.
Primero la ferredoxina NADP reductasa acepta un electrón de la ferredoxina reducida, formando un intermediario flavina semiquinona. La enzima acepta un segundo electrón para formar FADH2, el cual transfiere dos electrones y un protón al NADP que dará lugar al NADPH. Esto contribuye a la generación del gradiente de protones.
El centro de reacción del FS I esta compuesto por un complejo multiproteico. Algunas de estas proteínas sirven como sitios de amarre para la plastocianina (transportadora de electrones soluble) y la ferredoxina. Algunas proteínas contienen centros de Fe – S que sirven como primeros aceptores del FS I.
Los pigmentos antena forman un cuenco alrededor de los cofactores de transferencia de electrones, los cuales están en el centro del complejo. Así la distribución entre el antena y el centro de reacción queda sin efecto en esta instancia porque son parte del mismo complejo.
En su forma reducida, los transportadores de electrones funcionan en la región aceptora del FS I, son todos agentes reductores extremadamente fuertes. Estas formas reducidas son muy inestables. Uno de los aceptores primarios son moléculas de clorofila y otras son las quinonas. Un aceptor de electrones adicional incluye tres proteínas asociadas a membrana de Fe – S, o enlaces ferredoxina, conocida también como centros X, A y B Fe- S. el centro X Fe – S es parte de la proteína unida al P700. Los centros A y B residen en una proteína que es parte del complejo del centro de reacción del FS I.
La flavoproteina ferredoxina NADP reductasa asociada a membrana reduce NADP+ a NADPH, completando así la secuencia no cíclica de transporte de electrones que empieza con la oxidación del agua.
Además de la reducción de NADP+, la ferredoxina reducida producida por el FS I sirve para muchas otras funciones en el cloroplasto, incluyendo la provisión de reluctantes para reducir nitrato y regular algunas enzimas de la fijación del C.
Síntesis de ATP: en los cloroplastos, toda la fuerza protón motriz proviene del gradiente de pH. La transferencia de protones al espacio tilacoidal inducida por la luz, va acompañada por la transferencia de cloro en el mismo sentido, o de magnesio en sentido opuesto. En consecuencia, se mantiene la neutralidad eléctrica y no se genera potencial de membrana.
La fuerza protón motriz se transforma en ATP mediante la ATP sintetasa, también llamada complejo CF1 – CF0. El CF0 esta incrustado en la membrana tilacoidal y es el que conduce los protones a través de esta. Esta formado por cuatro cadenas polipeptídicas. El CF1 se localiza en la membrana tilacoidal del lado del estroma, y es el que cataliza la formación de ATP a partir de ADP y P inorgánico. Se compone de las subunidades α, β, δ y ε.
Los protones fluyen del lumen tilacoidal al estroma (lugar donde también se libera NADPH), a través de la ATP sintetasa.
Esta proteína esta regulada por la ε, evitando la hidrólisis de ATP (ATPasa).
Fotofosforilación cíclica: el electrón de la ferredoxina reducida puede transferirse a complejo cit b6f en vez de al NADP+. Luego, este electrón regresa a través del complejo para reducir a la plastocianina, la cual puede ser reoxidada por el P700, completando el ciclo. Este flujo cíclico de electrones es un bombeo de protones posibilitando la síntesis de ATP sin la formación de NADPH.
Aquí solo se forman dos moléculas de ATP (8 protones), en vez de tres moléculas de ATP como en la fosforilación acíclica.
El sistema fotosintético esta diseñado para absorber grandes cantidades de E lumínica y procesarlo a E química. Bajo ciertas condiciones, sin embargo, no son capaces de lidiar con toda la E entrante. El exceso de E puede permitir la producción de especies toxicas y daño en el sistema si esta no es disipada eficientemente.
Los organismos fotosintéticos tienen complejos mecanismos de regulación y reparación. Algunos de los mecanismos regulan el flujo de E en el sistema antena, para evitar excitación excesiva de los centros de reacción y asegurar que los dos fotosistemas sigan iguales. Aunque son muy efectivos algunas especies toxicas son producidas.
Hay mecanismos aparte que son necesitados para disipar estos compuestos, en particular especies toxicas oxigénicas.
Igual, con todos estos mecanismos, a veces el aparato fotosintético resulta dañado y hay mecanismos para repararlos.
Los carotenoides sirven como pigmentos accesorios y agentes fotoprotectores. Los diferentes tipos de carotenoides encontrados en los organismos fotosintéticos tienen bandas de absorción en los 400 y 500 nm, dando a los carotenoides el característico color naranja.
Los carotenoides están usualmente asociados con los pigmentos proteicos del complejo antena y del centro de reacción, y son constituyentes integrales de membrana. La E lumínica absorbida por los carotenoides es rápidamente transferida a la clorofila, por eso se llaman pigmentos accesorios.
Los carotenoides también juegan un rol fundamental en la fotoprotección. La membrana fotosintética puede ser dañada por la absorción de grandes cantidades de E por pigmentos, si esta E no es almacenada fotoquímicamente, de aquí la necesidad de un mecanismo protector.
Cuando la E almacenada en las clorofilas en estado excitado es rápidamente disipada por transferencia de excitación o fotoquímicamente, se dice que el estado excitado esta acoplado. Si la clorofila excitada no esta acoplada, puede reaccionar con oxigeno molecular para formar un estado excitado del oxigeno que reacciona y daña muchos componentes celulares, especialmente lípidos.
Los carotenoides emplean su acción fotoprotectora con el rápido acople de las clorofilas excitadas. Los carotenos excitados no tienen suficiente E como para formar oxigeno en estado excitado, así que vuelve a su estado basal mientras pierde E como calor.
La tasa fotosintética esta limitada por la disponibilidad de luz, y la tasa del flujo de electrones será limitada por el FS que reciba menos E. La situación más eficiente seria aquella, en donde el ingreso de E sea igual para ambos FS. La membrana tilacoidal contiene una proteína quinasa que fosforila un residuo específico de la treonina de la superficie de una membrana enlazada a proteínas de pigmentos del complejo antena.
El complejo proteína – pigmento es el LHC II. Cuando el LHC II no esta fosforilado, entrega mas E al FS II. La quinasa es activada cuando la plastoquinona, uno de los transportadores de electrones entre los FS, se acumula en estado reducido, lo cual ocurre cuando el FS II esta siendo mas activado que el FS I.
El LHC II fosforilado entonces, migra fuera de la región apilada de la membrana hacia la zona no apilada, probablemente por las interacciones repulsivas de las cargas negativas en membranas adjuntas.
La migración lateral del LHC II cambia el balance energético hacia el FS I, localizado en las lamelas y lejos del FS II, el cual esta en la zona apilada.
Esta situación se llama estado 2. Si la plastoquinona se vuelve mas oxidada por excesiva excitación del FS I, la quinona es desactivada y el nivel de fosforilación del LHC II es disminuido por la acción de una fosfatasa. El LHC II entonces se mueve de vuelta a la grana, y el sistema esta en estado 1. El resultado neto es un control preciso de la distribución de la E entre los FS, permitiendo un uso mas eficiente de la E disponible.
La fotoinhibición es la inhibición de la fotosíntesis por exceso de luz. Muchos de los efectos del exceso de luz están localizados en el FS II, y la inhibición de los sitios aceptores y dadores identificados.
La inhibición es reversible en los primeros estadios; en estadios tardíos de inhibición, resulta dañado el sistema, así el centro de reacción del FS II debe ser desensamblado y reparado. El mayor efecto es el daño de la proteína D1 que forma parte del centro de reacción del FS II. Esta proteína se daña fácilmente y se reemplaza con una nueva copia sintetizada.
El FS I esta protegido de especies de oxigeno activa: el FS I es vulnerable al daño provocado por especies de oxigeno activa. El aceptor del FS I, ferredoxina, es un fuerte reductor de especies que reducen fácilmente oxigeno molecular a la forma súper oxido
(O2-). Esta reducción compite con la normal canalización de electrones para reducir dióxido de carbono y otros procesos.
El superóxido es una de las especies que son potencialmente dañinas para las membranas biológicas. El superóxido formado de esta forma puede ser desintoxicado por acción de enzimas como la superóxido dismutasa.
Reacciones del Carbono u oscuras
Comprende la fijación del CO2 y su posterior reducción para la formación de componentes orgánicos. Estas reacciones requieren luz, ya que proveen ATP, NADPH y además modulan distintas enzimas claves del ciclo de Calvin, el cual se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto.
La molécula de CO2 se condensa con la Ribulosa 1 – 5 di P para formar un componente inestable de 6C que se hidroliza rápidamente en dos moléculas de 3 – fosfoglicerato. Esta reacción esta catalizada por la Rubisco (Carboxilación). Esta enzima esta localizada en la superficie de las membranas tilacoidales que da al estroma. Consta de 8 subunidades grandes (cada cadena “l” contiene un centro catalítico y un centro regulador), y 8 pequeñas (cada cadena “s” estimula la acción catalítica de cada cadena “l”).
Cuando la Rubisco se asocia a la Ribulosa 1 – 5 de P se inactiva. Cuando la activasa se activa por la luz, que provee ferredoxina, disocia el complejo, permitiendo la unión de la Rubisco con el Mg y CO2 activador. El pH alcalino es otro activante de la Rubisco. La salida de protones hacia el lumen por la luz permite el ingreso de Mg al estroma.
Además de carboxilasa, la Rubisco es oxigensa, por lo que el CO2 y el O2 compiten por el sitio activo de la enzima, pero tiene mayores probabilidades el O2 ya que la atmósfera presenta más este gas. En este ultimo proceso se forman fosfoglicolato y 3 – fosfoglicerato.
El 3 – fosfoglicerato se reduce en distintos tipos de azucares (hexosas) a partir de ATP y NADPH.
Por ultimo, se regenera la Ribulosa 5 P (a partir de azucares de 6 y 3 C), la cual se convierte en Ribulosa 1 – 5 di P mediante la fosforibulosa quinasa, consumiendo una molécula de ATP.
El ATP y el NADPH formados en la fase luminosa se utilizan para convertir el CO2 y el agua en hexosas y otros compuestos orgánicos. Por cada molécula de CO2 que se convierte, se consumen 3 moléculas de ATP y 2 de NADPH. Por lo tanto, se requieren 6 vueltas del ciclo para sintetizar una hexosa.
6 CO2 + 18ATP + 12 NADPH + 12 H2O C6H12O6 + 18ADP + 18Pi + 12NADP+ + 6H
Todos los eucariontes fotosintetizantes reducen CO2 a carbohidratos por el mismo mecanismo básico, el Ciclo de Calvin, descrito para plantas C3.
Otros mecanismos metabólicos asociados con la fijación de CO2 fotosintético, como el Ciclo de asimilación de C en plantas C4, y el Ciclo de oxidación del C por fotorrespiración, son caminos auxiliares que dependen del Ciclo de Calvin principal.
Los organismos procariotas fotosintetizantes anaerobios no poseen Ciclo de Calvin, y asimilan el CO2 por otras vías.
En el Ciclo de Calvin el CO2 y el agua provenientes del entorno, son combinados enzimáticamente con una molécula aceptora de 5 C, para generar dos moléculas intermediarias de 3 C. Este intermediario (3 – P –glicerato) es reducido a carbohidratos usando el ATP y NADPH generado fotoquímicamente. El ciclo es completado por la regeneración del aceptor de 5 C (Ribulosa 1,5 – di P). Por el hecho que entre CO2 continuamente, la síntesis de carbohidratos (sacarosa, almidón) provee la salida para mantener un adecuado flujo de átomos de C en el ciclo.
El ciclo de Calvin tiene tres procesos o etapas:
a) Carboxilación: del aceptor de CO2, Ribulosa 1,5 di P, formando dos moléculas de 3 – fosfoglicerato, el primer intermediario estable del Ciclo de Calvin.
b) Reducción: del 3 – fosfoglicerato, formando 3 – fosfogliceraldehido, un carbohidrato.
c) Regeneración: del aceptor de CO2, Ribulosa 1,5 di P, desde 3 – fosfogliceraldehido.
La luz es requerida para la generación de ATP y NADPH. El ATP y el NADPH son consumidos por las reacciones del C, las cuales reducen al CO2 en carbohidratos.
La carboxilación de la Ribulosa di P es catalizada por la Rubisco.
El CO2 entra al Ciclo de Calvin reaccionando con la Ribulosa di P para producir 3 – fosfoglicerato (dos moléculas), reacción catalizada por la Rubisco, una enzima del cloroplasto. La propiedad de la Rubisco de tener actividad oxigenasa y carboxilasa limita la fijación del CO2 total.
La triosa fosfato es formada en el paso de reducción del Ciclo de Calvin. La actividad del Ciclo de Calvin requiere la regeneración de Ribulosa di P.
El índice de operación del ciclo de Calvin puede ser realzado por incrementos en la concentración de sus intermediarios, esto es que el Ciclo de Calvin es autocatalítico. Además, el Ciclo de Calvin tiene una característica metabólica deseable, de ser capaz de producir mas sustrato (Ribulosa di P) del que es consumido, ya que la triosa fosfato (3 – PGA) no es derivada a otra parte.
El incremento en el nivel de la fotosíntesis, durante el periodo de inducción, esta dado en parte por el aumento en la concentración de intermediarios del Ciclo de Calvin, y en parte por la activación de las enzimas por la luz.
Cuando la fotosíntesis alcanza un estado estable, 5 de 6 de las triosas fosfato, contribuyen a la regeneración de la Ribulosa di P, y una de las 6 es exportada al citosol para la síntesis de diferentes metabolitos, que son convertidos en el cloroplasto en almidón.
El Ciclo de Calvin consume dos moléculas de NADPH y 3 moléculas de ATP por cada molécula de CO2 fijada en carbohidratos.
La alta eficiencia energética del Ciclo de Calvin indica que algunas formas de regulación deben asegurar que todos los intermediarios del Ciclo de Calvin están presentes en concentraciones adecuadas, y que el ciclo es desactivado cuando no es necesario en la oscuridad. La cantidad de cada enzima presente en el estroma del cloroplasto es regulada a nivel genético, por mecanismos que controlan la expresión del genoma nuclear y del cloroplasto. La regulación a corto plazo de ciclo de Calvin es realizada por varios mecanismos que actúan en conjunto para minimizar la inutilidad del ciclo.
El Ciclo de Calvin es regulado por enzimas que dependen de la luz para ser activadas. La actividad de la Rubisco es controlada por la luz vía ferredoxina – tiorredoxina, que es un mecanismo de oxido reducción. El proceso de activación comienza en la luz, con la reducción de ferredoxina por el FS I. la ferredoxina reducida mas dos protones, son usados para reducir la tiorredoxina.
Luz FS I
Fd oxidada Fd reducida
Fd – tiorredoxina reductasa
Tiorredoxina reducida Tiorredoxina oxidada
Enzima blanco oxidada Enzima blanco reducida
INACTIVA ACTIVA
Activación de la Rubisco: se da por distintos factores:
a) CO2: en la reacción clara de la fotosíntesis, se produce un aumento de pH (lo alcaliniza) dentro del estroma. Esto permite que el CO2 se encuentre en esta forma y no como HCO3. Si esta como HCO3 la Rubisco no lo puede incorporar. Hay un CO2 que se une a la Rubisco y no ingresa al Ciclo, y que al unirse la activa. Esta carbaminación hace que el Mg se una para producir el complejo activado.
b) El Mg se une a la lisina, la cual esta unida al CO2 y entre todos activan la Rubisco.
c) Azucares: la Rubisco es capaz de reaccionar con la Ribulosa di P y combinarse, quedando de esta manera inactiva. Una vez presente en el cloroplasto la activasa, es capaz de romper esta unión, pero para que esto ocurra la activasa se debe reducir. Esto se produce indirectamente por electrones que provienen de la ferredoxina del FS I.
H+ CO2 H+ Mg 2+
Rubisco Rubisco Rubisco Rubisco
H+ H+ Mg 2+
Lis Lis Lis Lis
NH3+ NH2 NH NH
COO- COO-
Mg 2+
La inhibición de la Rubisco se da por la noche, y esta es activada por la mañana cuando aumenta la densidad del flujo de fotones.
Los movimientos de iones dependientes de la luz regulan las enzimas del Ciclo de Calvin. La luz causa cambios reversibles en los iones del estroma del cloroplasto que influyen en la actividad de la Rubisco y otras enzimas del cloroplasto. Después de la iluminación, los protones son expulsados desde el estroma al lumen del tilacoide. Este flujo de protones, el cual esta acoplado al Mg captado, tiene como resultado un incremento en el pH del estroma, desde 7 a 8 aproximadamente. Estos cambios de pH son revertidos después del oscurecimiento.
La dependencia de luz del Mg estromático aumenta y también aumenta la actividad de algunas enzimas del Ciclo de Calvin.
La eficiencia del Ciclo de Calvin es aumentada por la unión de enzimas a la membrana del tilacoide, por ende realizando un aumento del nivel de organización que favorece la canalización y protección de los sustratos.
Fotorrespiración: Ciclo oxidativo del Carbono.
Una propiedad de la Rubisco es su habilidad de catalizar la carboxilación y la oxigenación de Ribulosa di P. La oxigenación es la reacción primaria en la fotorrespiración.
En los cloroplastos, en ausencia de luz, funciona el ciclo oxidativo de las pentosas. Esto se da ya que la ferredoxina también reduce enzimas de este ciclo, pero están inactivas cuando están reducidas. Así los cloroplastos se aseguran que fotosíntesis y respiración se den en diferentes momentos.
La fotorrespiración reduce a la mitad el rendimiento de la fotosíntesis porque:
1 molécula de 3 PGA (3C)
Rubisco
Ribulosa di P (RuBP)
O2 1 molécula 2 – fosfoglicolato (2C)
Metaboliza
Ribulosa 1,5 di P 3 fosfoglicerato CLOROPLASTO
O2
2- fosfoglicolato
H2O
Glicolato glicerato
Glicolato glicerato
PEROXISOMA
Glioxilato Hidroxipiruvato
Glicina serina
Glicina serina
CO2 Metileno MITOCONDRIA
La fijación de CO2 fotosintético y la fotorrespiración oxigénica son reaccione opuestas.
El ciclo fotorrespiratorio de oxidación del C actúa como un sumidero para recuperar el flujo de CO2 perdido por la reacción oxigenasa de la Rubisco, esta es su función. El 2 – fosfoglicolato formado en el cloroplasto por oxigenación de RuBP es rápidamente hidrolizado a glicolato por una fosfatasa específica del cloroplasto.
El glicolato abandona el cloroplasto vía una proteína transportadora específica en la membrana y difunde a un peroxisoma, donde es oxidado a glioxilato y peroxido por una oxidasa. El peroxisoma es destruido por una catalasa y el glioxilato es sometido a transaminación produciendo glicina (aa). La glicina entra a la mitocondria, allí las molécula de glicina son convertidas a serina y CO2. La serina abandona la mitocondria y entra a un peroxisoma, donde es convertida primero por transaminación a hidroxipiruvato y después por reducción a glicerato. Finalmente este vuelve a entrar al cloroplasto donde es fosforilado para producir 3 – PGA.
Así, dos moléculas de fosfoglicolato (4C), perdido del ciclo de Calvin por la oxigenación de RuBP, son convertidos en una molécula de 3 – PGA (3C) y una molécula de CO2. En otras palabras, el 75% del C perdido por oxigenación de RuBP es recuperado por el ciclo fotorrespiratorio de oxidación del C y devuelto al Ciclo de Calvin.
La competencia entre la carboxilación y oxigenación desciende la eficiencia fotosintética. Uno de cuatro carbonos que entra al ciclo fotorrespiratorio de oxidación de C es devuelto como CO2. Esto indica que la tasa fotosintética verdadera es aproximadamente de 120 a 125 % de la tasa fotosintética neta. La fotorrespiración baja la eficiencia de la fijación fotosintética de C desde un 90 a 50 %. Esto puede medirse como un aumento en el requerimiento cuántico para la fijación de CO2 bajo condiciones fotorrespiratorias (alta concentración de O2 y baja concentración de CO2) frente a condiciones no fotorrespiratorias (baja concentración de O2 y alta concentración de CO2).
La fotorrespiración depende del Ciclo de Calvin porque provee de RuBP. El balance entre los dos ciclos esta determinado por tres factores:
a) Las propiedades cinéticas de la Rubisco.
b) Las concentraciones de CO2 y O2 (sustratos).
c) Temperatura.
Cuando aumenta la temperatura, la concentración de CO2 en una solución en equilibrio con aire disminuye más que la concentración de O2. Como resultado de esta propiedad, la fotorrespiración (oxigenación) aumenta en relación a la fotosíntesis (carboxilación) cuando la temperatura aumenta.
Mecanismo I de concentración de CO2: bombas de algas y cianobacterias. Algunas plantas carecen de fotorrespiración, tienen la Rubisco normal pero están limitadas por un mecanismo que concentra CO2 en el medio ambiente de la Rubisco y esta suprime la reacción de oxigenación.
Cuando células de algas y cianobacterias son cultivadas en aire enriquecido con 5% de CO2 y son transferidas a un medio con bajo CO2, estas muestran síntomas típicos de la fotorrespiración (inhibición por O2 de la fotosíntesis a bajas concentraciones de CO2). Pero si las células son cultivadas en aire con 0,03% de CO2, este rápidamente desarrolla la habilidad para concentrar carbono inorgánico (CO2 + HCO3-) internamente. Bajo estas condiciones, las células no fotorrespiración mas.
La acumulación de CO2 inorgánico es llevada a cabo por una bomba de CO2 - HCO3- en la membrana plasmática que son impulsados por ATP derivado de la reacción luminosa.
Las proteínas que funcionan como bombas CO2 - HCO3- no están presentes en células a altas concentraciones de CO2 pero son inducidas al exponerlas a bajas concentraciones de CO2. El HCO3- acumulado es convertido a CO2 por la enzima anhidrasa carbónica, y el CO2 entra al Ciclo de Calvin.
La consecuencia metabólica de enriquecimiento con CO2 es la supresión de la oxigenación de RuBP y así también la supresión de la fotorrespiración. El costo energético de esta adaptación es el ATP adicional necesitado para concentrar el CO2 (transporte activo). La Rubisco es menos específica en cianobacterias.
Rubisco
CO2
HCO3-
CO2
3 HCO3-
HCO3- 2 Tilacoide
HCO3- 1
Mecanismo II de concentración de CO2: el ciclo del Carbono en plantas C4. Las plantas con metabolismo C4 se encuentran en lugares calidos. Una típica hoja C4 tiene dos tipos de células que contienen cloroplastos: células del mesófilo y de la vaina. La operación del ciclo C4 requiere el esfuerzo cooperativo de ambos tipos de células. Una extensa red de plasmodesmos conectan las células del mesófilo y las células de la vaina, así proveen un sendero para el flujo de metabolitos entre los tipos de células.
El malato y el aspartato son productos de carboxilación en el ciclo C4. El malato y aspartato son intermediarios de la fotosíntesis. La primera carboxilación en las hojas es catalizada por la PEP carboxilasa.
Las enzimas participantes ocurren en uno de los dos tipos de células: la PEP carboxilasa y la piruvato ortofosfato di quinasa están restringidas a las células del mesófilo; la descarboxilasa y la enzima de el Ciclo de Calvin están en las células de la vaina.
El malato y el aspartato funcionan como transportadores del poder reductor.
Si las células de la vaina no pueden formar malato en sus cloroplastos, ya que estos no suelen tener un FS, no pueden formar NADPH2. Cuando en las células de la vaina el malato se descarboxila genera NADPH2. Estos producen ATP por fosforilación cíclica.
El ciclo C4 concentra CO2 en las células de la vaina. El ciclo del carbono en plantas C4 se da en cuatro pasos:
a) Fijación de CO2: por la carboxilación de PEP en las células del mesófilo para formar un acido de 4 C: malato y/o aspartato.
b) Transporte: del acido de 4 C a las células de la vaina.
c) Descarboxilación: del acido de 4 C en las células de la vaina y generación de CO2 + NADPH, el cual es reducido a carbohidratos en el Ciclo de Calvin.
d) Transporte: del acido de 3 C (piruvato o alanina) que es formado por la descarboxilación de vuelta en las células del mesófilo y regeneración del aceptor de CO2: PEP.
El ciclo así, efectivamente transporta CO2 de la atmósfera a las células de la vaina. Este transporte genera una mayor concentración de CO2 en el sitio de carboxilación de RuBP y resulta de la supresión de la oxigenación de RuBP y así de la fotorrespiración.
Hay tres variaciones del camino básico de C4, difieren principalmente en el acido de 4 C transportado en las células de la vaina (malato o aspartato), y en la manera de descarboxilación. La primera es la que forma malato usando la enzima málica NADP (E). La segunda es la que forma aspartato usando la enzima málica NAD (E1). Y por ultimo la que forma aspartato usando la enzima PEP carboxiquinasa (E3).
La primera reacción de carboxilación es catalizada por PEP carboxilasa, esta es común para las tres variantes, ocurren en el citosol de las células del mesófilo y usa HCO3- como sustrato. El CO2 liberado dentro de las células de la vaina es convertido a carbohidrato por el Ciclo de Calvin. El acido de 3 C residual es transportado de vuelta al mesófilo como piruvato y convertido a PEP en los cloroplastos de las células del mesófilo. El ciclo comienza otra vez con la carboxilación del PEP para reducir oxalacetato. Otro proceso en los cloroplastos del mesófilo de las 3 variantes de C4 es la reducción de 3 – PGA a triosa fosfato, en el Ciclo de Calvin (como en C3). En contraste, todas las C4 exportan 3 – PGA desde la vaina para la reducción en los cloroplastos del mesófilo. Desde la reducción, las triosas fosfato son transportadas a los cloroplastos de las células de la vaina para usarlos en el Ciclo de Calvin.
La razón de la separación de el Ciclo de Calvin entre los cloroplastos de la vaina y del mesófilo es la limitación de la actividad de transporte de electrones y de la evolución del oxigeno en la vaina, y así evitar el nivel de oxigeno que favorecería la fotorrespiración.
El transporte de metabolitos del camino C4 es acompañado por movimientos de protones y otros iones para mantener el pH y el balance de cargas.
La concentración de CO2 en las células de la vaina tiene un costo energético. El proceso de concentración de CO2 consume dos moléculas extras por cada molécula de CO2 transportada. Así, el total de E requerida para la fijación de CO2 por la combinación de los ciclos C4 y de Calvin es 5 ATP + 2 NADPH por cada CO2 fijado.
A causa de la alta demanda de E, las plantas C4 fotosintetizan bajo condiciones de no fotorrespiración (baja concentración de O2 y alta concentración de CO2) requieren mas cuantos de luz por CO2 que las C3.
La luz regula la actividad de las enzimas claves de C4. La operación del ciclo C4 requiere varios niveles de regulación metabólica. Un nivel de regulación es activación de enzima por luz. Por ejemplo: la actividad de la PEP carboxilasa, NADP malato deshidrogenasa y piruvato ortofosfato di quinasa, son reguladas por variación en la densidad del flujo de protones, por dos procesos diferentes, reducción - oxidación de grupos tiol y fosforilación – desfosforilación.
Células
del Regeneración
Mesófilo Fijación
Transporte
Células
De la
Vaina Descarboxilación
CO2
En calor, climas secos, el ciclo C4 reduce la fotorrespiración y la perdida de agua. Dos características del ciclo C4 es que evitan el efecto deletéreo de altas temperaturas sobre la fotosíntesis.
a) La afinidad de la PEP carboxilasa por sus sustratos es suficientemente alta que la enzima es saturada por el equivalente nivel de CO2 en aire. El oxigeno no es un competidor en la reacción. Esta alta actividad de la PEP carboxilasa permite que las plantas C4 reduzcan la apertura estomática y así conserven agua al tiempo que fija CO2 a una tasa igual o mayor que las plantas C3.
b) El CO2 concentrado en las células de la vaina suprimen la fotorrespiración.
Estas características permiten que las plantas C4 fotosinteticen mas eficientemente a altas temperaturas que las plantas C3, por esto las plantas C4 son mas abundantes en climas secos y calurosos.
Mecanismo III de concentración de CO2: plantas CAM. El mecanismo CAM permite que las plantas mejoren el uso eficiente de agua. Así, las plantas CAM tienen una ventaja competitiva en ambientes secos.
El mecanismo CAM es similar al C4, pero se diferencian en dos importantes características: en plantas C4 la formación del acido de 4C esta separado espacialmente de la descarboxilación de el acido de 4 C y de la refijación de el CO2 (resultante) por el Ciclo de Calvin. En plantas CAM, la formación del acido de 4 C esta separado temporalmente. A la noche el CO2 es capturado por la PEP carboxilasa en el citosol, y el malato que se forma del oxalacetato, es almacenado en la vacuola. Durante el día, el malato almacenado es transportado por el cloroplasto y descarboxilado, y el CO2 liberado es fijado por el Ciclo de Calvin.
Los estomas de las plantas CAM se abren de noche y cierren de día. Las plantas CAM logran un uso eficiente del agua abriendo sus estomas durante las noches frías del desierto y cerrándolos en el calor de los secos días, ya que el agua y CO2 debe ser tomado durante la noche.
El CO2 es metabolizado vía carboxilación de PEP a oxalacetato, que es reducido a malato. El malato se acumula y se almacena en las vacuolas.
La cantidad de acido málico acumulado, es equivalente a la cantidad de CO2 asimilado durante la noche: acidificación nocturna.
El PEP se origina por rotura de almidón y otros azucares por glucólisis, durante la noche. Al comienzo del día, las células de las hojas se acidifican porque el acido málico vacuolar es consumido. La descarboxilación es acompañada por la acción de NADP – málica sobre malato, o PEP carboxiquinasa sobre oxalacetato. A causa del cierre estomático, el CO2 acumulado no puede escapar de la hoja y es fijado y convertido en carbohidratos por el Ciclo de Calvin. La elevada concentración de CO2 interna suprime la oxigenación fotorrespiratoria de RuBP y favorece la carboxilación. El acido de 3 C resultante de la carboxilación es convertido primero en triosa fosfato y después en sacarosa o almidón, así regenera el aceptor de carbono original.
CAM es regulada por fosforilación de PEP carboxilasa. El mecanismo CAM requiere de la PEP carboxilasa y las descarboxilasas, las cuales están localizadas en el citosol, funcionan a diferentes tiempos.
La CAM PEP carboxilasa existe en dos formas:
a) La especie molecular que opera a la noche y es insensible al malato;
b) La especie molecular que opera durante el día y es inhibida por baja concentración de malato.
Las dos formas son interconvertidas vía fosforilación.
La sacarosa es la forma principal de carbohidratos transportado por toda la planta por el floema. El almidón es un estado insoluble de reserva de carbohidratos. Ambos son sintetizados desde triosa fosfato que es generado en el Ciclo de Calvin.
El almidón es sintetizado en el cloroplasto y la sacarosa en el citosol. La disposición y síntesis de almidón esta localizado en el cloroplasto. El almidón es sintetizado a partir de triosa fosfato, vía fructosa- 1,6- di- P. El intermediario glucosa- 1- P es convertido a ADP- glucosa en una reacción que requiere ATP y genera Pi. La sacarosa es sintetizada en el citosol desde triosa fosfato por un camino similar al del almidón (de fructosa- 1,6- di- P y glucosa- 1- P). La glucosa- 1- P es convertida a UDP- glucosa.
La separación de triosa fosfato entre la síntesis de sacarosa y almidón es determinado en parte por la concentración de Pi en los compartimentos de la célula. Cuando la concentración de Pi es alta, la triosa fosfato del cloroplasto es exportada al citosol en intercambio con Pi, y la sacarosa es sintetizada. Cuando la concentración de Pi en el citosol es baja, la triosa fosfato es retenida en el cloroplasto, y el almidón es sintetizado.
La síntesis de sacarosa es regulada por el nivel de sacarosa P sintetasa, una enzima alostérica que es activada por glucosa- 6- P e inhibida por Pi. La enzima es inactivada (en la noche) por fosforilación de un residuo de serina especifica y activada (en la luz) por desfosforilación.
Cloroplasto
Citosol
El transporte de hexosas desde el cloroplasto al citosol es también importante, especialmente a la noche, cuando el almidón es roto por amilasas.
La síntesis de sacarosa y almidón son reacciones opuestas. El traslocador de P cataliza el movimiento de Pi y triosa fosfato en direcciones opuestas entre el cloroplasto y el citosol.
El Pi y la triosa fosfato controlan la actividad de varias enzimas reguladoras en la biosíntesis de almidón y sacarosa.
El Pi inhibe la enzima que regula la síntesis de almidón en el cloroplasto (ADP- glucosa fosforilasa) y esta es activada por 3 - PGA.
La fructosa- 2,6- di- P es inhibidor de la fructosa 1,6- di- P fosfatasa citosólica y activador de la fosfofructoquinasa dependiente Pi.
La fructosa- 2,6- di- P es sintetizada desde fructosa- 6- P por una fructosa- 6- P- 2 quinasa y degradada por fructosa- 2,6- di- P fosfatasa.
El Pi estimula la fructosa- 6- P- 2 quinasa e inhibe la fructosa- 2,6- di- P fosfatasa, la triosa fosfato inhibe la 2- quinasa.
Así, una baja proporción de triosa fosfato citosólica a Pi, promueve la formación de fructosa- 2,6- di- P, con lo que inhibe la hidrólisis de fructosa- 1,6- di- P y disminuye la síntesis de sacarosa.
CO2 atmosférico estoma cerrado
HCO3- Pi CO2 malato
PEP oxalacetato Ciclo de Calvin
Triosa fosf malato piruvato
Almidón almidón
Vacuola con
NOCHE ácido málico DÍA
Eficiencia de la asimilación de C y la especificidad al sustrato (CO2/O2):
C3 > C4 > algas verdes > cianobacterias > bacterias fotosintetizadotas.
RESPIRACION
La respiración es una reacción oxido – reducción, en la que sustratos se oxidan a CO2, y el O2 se absorbe y se reduce para formar agua. Los sustratos respirables son azucares (almidón, fructanos, sacarosa), grasas, ácidos orgánicos e incluso proteínas.
Solo algunos sustratos respiratorios se oxidan por completo a CO2 y agua, el resto sufre una oxidación parcial a otros compuestos carbonados que son utilizados para procesos fotosintéticos, y como intermediarios de otros productos vegetales esenciales (aa, nucleótidos, precursores de pigmentos, grasas, etc.). La respiración genera E (además de CO2 y agua), parte de la cual se libera como calor; el resto se acumula en el ATP. Esta E almacenada puede utilizarse para sintetizar otras moléculas necesarias para el crecimiento.
La respiración tiene lugar en tres etapas:
a) Glucólisis: es un proceso de oxidación parcial del sustrato, que lleva a la formación de algo de ATP y de algo de coenzima reducida (NADH), la cual puede reoxidarse en una cadena transportadora de electrones (cadena respiratoria principal) y generar ATP. Las enzimas de la glucólisis son solubles. Es un proceso independiente de la presencia de O2. La oxidación total al principio, a nivel del Ciclo de Krebs (ciclo oxidativo) que tiene lugar en la matriz mitocondrial, genera algo de ATP, mucho de NADH y CO2 porque los sustratos se oxidan totalmente.
Ocurre en el citoplasma y estroma del cloroplasto. Si proviene del almidón ocurre parcialmente en el cloroplasto; si proviene de sacarosa ocurre totalmente en el citoplasma. A partir de la sacarosa (azúcar de transporte), se obtiene fructosa y luego dos moléculas de gliceraldehído o un gliceraldehído y una dihidroxiacetona. Hasta aquí es un proceso degradativo que requiere E (transporte de azucares).
En la formación de glucosa- 6- P, los azucares pueden seguir en la glucólisis y finalmente entrar al Ciclo de Krebs o entrar en el Ciclo de las pentosas.
Los compuestos de 3 C se pueden oxidar y generar coenzima reducida (NADH2) o desfosforilar y generar ATP, formas de conservación de E. La reacción PEP a piruvato es irreversible en la glucólisis por lo que en las plantas adultas la formación de azucares es un proceso imposible (no así en semillas y plantas viejas), este proceso es independiente del O2.
En presencia de O2 ocurre la oxidación completa de los azucares en la matriz de la mitocondria, gracias a que por el O2, el piruvato penetra en la matriz y puede oxidarse formando CO2 y agua, y grandes cantidades de E, que es retenida por las reacciones de la cadena respiratoria principal.
b) Ciclo de krebs: no requiere O2, pero ante su falta puede llegar a inhibirse. Es la descarboxilación oxidativa del piruvato, formación de poder reductor, un ATP y liberación de CO2. Se realiza en la matriz mitocondrial. Al entrar en el Ciclo de Krebs, el grupo acetilo de dos carbonos se combina con un compuesto de 4 C (oxalacetato) para producir un compuesto de seis carbonos (ac. Cítrico). En el curso de este ciclo se oxidan dos de los seis carbonos a CO2 y se regenera el acido oxalacético, y de esta serie se hace literalmente un ciclo. Cada giro del ciclo consume un grupo acetilo y regenera una molécula de acido oxalacetico, que queda lista entonces para comenzar la secuencia nuevamente. En el curso de estos pasos, parte de la E liberada por la oxidación de los enlaces C – H y C –C se usa para convertir ADP a ATP (una molécula por ciclo) y parte se usa para producir NADH y protones a partir de NAD (tres moléculas por ciclo). Además, una fracción de la E se utiliza para reducir un segundo transportador de electrones, la FAD. No se requiere O2 para el Ciclo de Krebs: los electrones y protones eliminados en la oxidación del C son aceptados por la NAD+ y la FAD.
La molécula de acido oxalacetico con la cual finaliza el ciclo no es la misma con la cual comenzó. Si se comenzara con una molécula de glucosa, cuyos átomos de carbono fueran radiactivos, los átomos de carbono radiactivos pasarían a formar parte del acido oxalacetico.
El piruvato del citoplasma entra en la mitocondria donde se descarboxila y genera acetil CoA, con generación de NADH (va a la cadena respiratoria principal). El acetil CoA comienza el ciclo, en donde los puntos importantes son los que producen poder reductor.
Este ciclo provee de intermediarios para otros ciclos, los más importantes son: el alfa ceto glutarato es la vía de entrada de nitrógeno a las plantas, ya que es capaz de incorporar nitrógeno y generar un aa (acido glutárico) este aa es útil para otros ciclos como el de nitrógeno. Forma parte del ciclo de los 5 C. El succinato es el dador de electrones en la cadena respiratoria principal. El malato exporta el poder reductor de la mitocondria al citoplasma (en C4). El oxalacetato forma aa en C4.
Toda la coenzima reducida que se produce tanto en la glucólisis como en la mitocondria, se reoxida (pierde electrones y protones) en la cadena respiratoria principal, que esta en la cresta mitocondrial.
c) Cadena transportadora de electrones: esta asociada al Ciclo de Krebs. Permite la formación de ATP, a partir de la E que se libera en la oxidación de sustrato que queda temporariamente almacenada en la coenzima reducida (NADH). Los electrones son tomados de los dadores NADH y ubiquinol provenientes del Ciclo de Krebs, y son conducidos por una cadena transportadora desde portadores termodinámicamente difícil de reducir (con potenciales de reducción negativos) hasta la de mayor tendencia a aceptar electrones (potenciales de reducción positivos).El aceptor final es el O2 que toma protones de la matriz mitocondrial y forma agua.
Los electrones son transferidos del cit c al O2 por la citocromo oxidasa, transfiriendo otro par de protones al espacio intermembranal. El O2 se reduce y toma protones de la matriz formando agua. El transporte de cuatro pares de protones a través de la membrana hacia el espacio intermembranal genera un gradiente de pH suficiente para permitir la formación de 3 ATP por la ATP sintetasa por cada NADH oxidado. El ATP formado en la matriz mitocondrial es transportado hacia el citosol por intercambio con ADP que entra. La membrana externa es atravesada con facilidad.
La fosforilación oxidativa es impedida por compuestos desacoplantes (al igual que en cloroplastos) que neutralizan el gradiente de pH, llevando protones a la matriz sin impedir el transporte de electrones.
La mayor parte de la E permanece en los electrones de alto nivel energético que han sido extraídos en los enlaces C – C y C – H, y transferidos a los transportadores de electrones NAD+ y FAD. En la etapa final de la respiración, estos electrones de un nivel alto de E, pasan gradualmente al oxigeno que tiene un nivel de E bajo. La E así liberada en el curso de este pasaje se usa finalmente para regenerar ATP a partir de ADP. Este pasaje escalonado es posible debido a la presencia de una serie de transportadores de electrones, cada uno de los cuales mantiene los electrones a un nivel ligeramente inferior al precedente. Los electrones son mantenidos transitoriamente en la cima de la colina energética por la NADH y la FADH2. La mayor parte de la E de la molécula de glucosa reside ahora en estos aceptores de electrones. En presencia de oxigeno, los electrones que llevaban esas dos moléculas de NADH también son transportados a la mitocondria, donde ingresan en la cadena de transporte de electrones. En el proceso se regenera NAD+ en el citoplasma, permitiendo que la glucólisis continúe.
Entre los principales componentes de la cadena transportadora se encuentran moléculas conocidas como citocromos. Estas moléculas están formadas por una proteína y un grupo hemo, en la cual hay un átomo de hierro encerrado en un anillo de porfirina. El átomo de Fe de cada citocromo que se encuentra en un nivel de E ligeramente inferior, hasta los electrones en el nivel mas bajo de E, son aceptados por el O2. La E liberada en este pasaje cuesta abajo de los electrones, es utilizada para formar moléculas de ATP a partir de ADP. Esta formación es conocida como fosforilación oxidativa. Al final de la cadena, los electrones son aceptados por el oxigeno, que se combina entonces con protones de la solución para producir agua.
Los componentes de la cadena transportadora de electrones están dispuestos ordenadamente en serie, sobre la membrana interna de la mitocondria. La mayoría de los aceptores de electrones están íntimamente asociados con proteínas integrales de membrana, formando tres complejos bien diferenciados. Los complejos proteicos son bombas de protones. En tres puntos de transición de esta cadena, se desprende una cantidad relativamente grande de E libre: cuando los electrones se mueven de la flavina mono nucleótido (FMN) a la coenzima Q, del citocromo b al cit c, y del cit a al cit a3. Esta E impulsa el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial, a través de la membrana interna, el espacio intermembranoso, o sea, al espacio entre las membranas externa e interna.
La respiración en total aporta 36 moléculas de ATP. Su eficiencia es de 40%. En ella se forman compuestos que pueden ser derivados hacia la producción de sustancias necesarias para el crecimiento (lípidos, proteínas, clorofila, ácidos nucleicos), se requieren ATP y NADH o NADPH.
La reducción de nitratos o nitritos también requiere grandes cantidades de NADH.
Fermentación: cuando el oxigeno se vuelve limitante, se acumulan piruvato (sustrato) y NADH (reductor).
Los productos de la fermentación (acido láctico y etanol) se acumulan en la célula y pueden resultar tóxicos para la misma. Esto es negativo para el crecimiento, ya que la respiración no puede funcionar y su aporte de ATP necesario para la absorción de solutos, formación de proteínas, almidón, sacarosa, ácidos nucleicos, lípidos, esta limitada.
Aunque la glucólisis puede funcionar bien sin O2, la ulterior oxidación de NADH y piruvato por las mitocondrias requiere oxigeno. Así, cuando el O2 se vuelve un factor limitante, se empiezan a acumular NADH y piruvato. En estas condiciones las plantas efectúan fermentación (respiración anaerobia) formando etanol o acido láctico.
Respiración resistente a cianuros: ocurre cuando la cadena respiratoria se ve saturada (el Ciclo de Krebs produce mucha coenzima reducida y no hay capacidad para transportar a altas velocidades los electrones, la cadena respiratoria queda totalmente reducida, si esto quedara así, si no hubiera forma de donar los electrones hacia el O2 por otra vía, el Ciclo de Krebs se frenaría por acumulación de la coenzima reducida, también se frenarían otros ciclos metabólicos que dependen de intermediarios del ciclo de Krebs para funcionar). El cianuro inhibe el transporte de electrones desde el citocromo aa3 al O2 (inhibe su reducción). Pero las plantas pueden transportar electrones, aun en presencia de cianuro, hacia el O2, por una vía llamada, resistente al cianuro.
El proceso es el siguiente: los electrones que provienen de la NAD o FAD deshidrogenasa son trasladados a las quinonas, las cuales transportan sus electrones hacia las quinonas oxido reductasas, cuando esto esta acoplado por que esta todo reducido, la quinona reducida transfiere sus electrones a una proteína llamada oxidasa alternativa, que transfiere los electrones de las quinonas al O2 directamente.
La función importante de esta vía, es permitir que se descomprima la cadena respiratoria principal y permitir que siga actuando el ciclo de krebs.
La reducción de O2 a agua es catalizada por la oxidasa alternativa. No hay fosforilación oxidativa acoplada a esta ruta, entonces toda la E se libera en forma de calor, no se forma ATP. Mantiene el transporte de electrones aun a elevadas concentraciones de ATP.
La oxidasa alternativa es un dímero que esta incluida en la cresta mitocondrial que tiene dos formas:
a) Oxidada con puentes disulfuro, no muy activa.
b) Reducida, el puente disulfuro se rompe, mas activa (se reduce vía tiorredoxina).
Vía de las pentosas fosfato: ocurre en el citoplasma y en el cloroplasto. Su función específica es la formación de NADPH (coenzima importante para determinadas vías metabólicas). Esta vía también genera intermediarios importantes para la biosíntesis de otras macromoléculas. Ejemplo: la Ribosa que forma parte de los ácidos nucleicos. La eritrosa es un compuesto precursor de aa cíclicos y fenoles utilizados como parte del mecanismo de defensa contra patógenos.
El NADPH puede reoxidarse a nivel de la cadena respiratoria principal en la mitocondria. El ciclo reductor (Calvin) y el oxidativo de las pentosas funcionan en el mismo compartimiento celular pero en tiempos distintos (cloroplastos).
Ciclo de Calvin: funciona cuando hay luz porque la Rubisco se activa con la luz.
Ciclo de las pentosas: se da en la oscuridad.
De esta manera se controla que los compuestos formados en un Ciclo no sean inmediatamente degradados u oxidados en el otro.
La vía de las pentosas fosfato son reacciones de degradación de glucosa (conversión de glucosa 6 P en fructosa 6 P). Varios de los compuestos de esta vía participan en el Ciclo de Calvin, donde se forman azucares en lugar de ser degradados. Al igual que la Glucólisis, la vía de las pentosas fosfato degrada azucares fosfatadas en el citosol. A diferencia de ella, tiene como aceptor de electrones al NADP+ (y no al NAD+).
Produce NADPH que puede oxidarse en las mitocondrias para formar ATP o utilizarse en reacciones biosintéticas. Se produce eritrosa 4 P inicial para producir compuestos fenolitos como lignina. También se produce Ribosa 5 P, precursor de unidades de ribosa y desoxirribosa en nucleótidos.
Los productos finales son 3 – PGA y fructosa 6 P, que son intermediarios de la glucólisis, luego degradados por ella.
En determinados momentos del desarrollo de las plantas, estas pueden respirar proteínas, grasas, etc., las cuales entran a la Glucólisis y al Ciclo de Krebs, y tienen una vía metabólica común al de los azucares. Las proteínas antes de ser metabolizadas deben ser hidrolizadas, los aa pueden entrar en la respiración (Krebs o Glucólisis, dependiendo del aa). Por ejemplo la alanina (pierde Nitrógeno) se transforma en piruvato y entra al final de la Glucólisis, al Ciclo de Krebs (en presencia de O2 o sin O2 a la Fermentación).
El aspartato cuando pierde N se transforma en oxalacetato, el cual ingresa al Ciclo de Krebs, también el Glutamato pierde N e ingresa como alfa ceto glutamato al Ciclo de Krebs.
Diferentes aa, luego de una transaminación pueden entrar al Ciclo de krebs o a la Glucólisis.
Las grasas y proteínas se respiran bajo condiciones en donde la concentración de carbohidratos es poca (ya que estos sustratos son de preferencia).
Las grasas deben ser hidrolizadas para poder ser respiradas a partir de triglicéridos (por la acción de una lipasa) se generan ácidos grasos libres y glicerol (la hidrólisis ocurre en el estroma), el glicerol es exportado al citoplasma donde es oxidado y entra a la Glucólisis como gliceraldehído o como fosfo- di- hidroxi- acetona, luego continua la Glucólisis citoplasmática y en presencia de O2 puede entrar al Ciclo de krebs.
Los ácidos grasos que se liberan del estroma en un órgano maduro (ejemplo: hoja), entran a la mitocondria donde se oxidan, esto lleva a la formación de acetil CoA y coenzima reducida, el cual entra al ciclo de Krebs directamente (beta oxidación).
Grasas, proteínas, azucares, comparten vías metabólicas comunes que llevan a la generación de proteínas.
Ciclo del Glioxilato: Ocurre en partes de la planta muy jóvenes (ejemplo: embrión) y en partes muy maduras (hojas mas viejas); la beta oxidación de ácidos grasos ocurre en los glioxisomas; a medida que el embrión va madurando, los glioxisomas se transforman en peroxisomas (donde ocurre la fotorrespiración), pero cuando los tejidos envejecen los peroxisomas se transforman en glioxisomas y nuevamente ocurre la beta oxidación de ácidos grasos. Esto es muy importante, porque los glioxisomas permiten la gluconeogénesis (transformación de ácidos grasos en azúcares).
En los tejidos maduros al no haber glioxisomas, esto no ocurre, solo ocurre en tejidos muy jóvenes y muy viejos, y esto tiene una importancia biológica muy grande porque en estos tejidos la fotosíntesis se ve reducida, los cuales no pueden generar la suficiente cantidad de carbohidratos en presencia de CO2, es necesario una fuente extra de carbohidratos que pueda cubrir la respiración y el aporte de E, pero sobre todo para que ocurra una redistribución de compuestos (ejemplo: el N que lo hace utilizando un esqueleto carbonoso) que en plantas jóvenes no se podría reciclar y se perdería el N utilizable.
Las grasas se hidrolizan y generan por un lado ácidos grasos y por el otro glicerol el cual sale al citoplasma, entra a la glucólisis. Los ácidos grasos, en lugar de entrar a la mitocondria, son llevados al glioxisoma donde se oxidan, genera acetil CoA y es incorporado por el oxalacetato (transportado desde la mitocondria) el cual forma citrato a isocitrato. El isocitrato no sigue el Ciclo de krebs sino que se parte en dos por una enzima (isocitrato liasa) y origina por un lado succinato y por el otro glioxilato. El succinato es explorado a la mitocondria donde entra al Ciclo de Krebs; pero el glioxilato junto con otra CoA forma malato.
Este ciclo tiene como objetivo formar azucares. El precursor de estos es el malato, el cual sale del glioxisoma y en el citoplasma se oxida a oxalacetico, que se descarboxila (PEP carboxilasa) y se genera PEP.
Recordando la Glucólisis, donde todas las reacciones eran reversibles, excepto la formación de piruvato a partir de PEP, al no ser esta reacción reversible, los tejidos que no tengan la capacidad de formar PEP de otra manera, no pueden hacer gluconeogénesis (la Glucólisis no puede ir en sentido reversible o contrario). Este ciclo permite que a partir de malato, vía oxalacetato genere PEP, el cual podría ser importado a la mitocondria y ser respirado (vía Glucólisis), o también puede seguir la vía inversa de la Glucólisis y generar azúcares a partir de grasas.
Cadena Respiratoria Principal: Es un conjunto de procesos asociados a la membrana mitocondrial que intervienen en el transporte de electrones desde el dador NADH hasta el aceptor final de O2, que se reduce y forma agua. Funciona únicamente en presencia de O2.
Cuando el NADH cede sus electrones lo hace por etapas, para liberar la E de los sustratos respirables de una forma que pueda ser retenida y utilizada para la conversión de ATP. Las proteínas de la cadena tiene núcleos protéticos que son capaces de tomar y ceder electrones, mirando hacia la matriz mitocondrial o hacia el espacio intermembrana (para el NADH del citoplasma, que puede atravesar la membrana externa pero no la de la cresta).
Complejo I: primer sitio de conservación de E. Tiene dos subunidades: una incluida en la membrana y otra hacia la matriz con el sitio activo para el dador. El NADH cede sus electrones a uno de los grupos protéticos que es el FMN, este se los cede a otro grupo prostético que contiene Fe – S, al cual esta asociado fuertemente una quinona, que es la que recibe finalmente el electrón. Esta quinona para reducirse toma protones del medio y cuando se oxida pasa sus protones hacia el espacio intermembrana.
complejo II: no conserva E. Tiene varias subunidades: FAD, que es el sitio activo para el sustrato, Fe – S y UBQ. El dador de electrones es el succinato (del Ciclo de Krebs) que se los cede a un núcleo prostético FADH, este se los cede a unos grupos Fe – S (dos subunidades) y de allí unas quinonas que se encuentran en la membrana, y de estas a un grupo de quinonas libres (pool). No hay transporte de protones, y simplemente toma los electrones y los cede a las quinonas. Las quinonas pueden reducirse por electrones que vengan de las NADPH deshidrogensas situadas hacia la cara interna o externa de la cresta. Estas pueden captar electrones del NADH que vengan del citoplasma (Glucólisis) o del NADPH que venga del ciclo de las pentosas. Estas coenzimas reducidas no pueden atravesar la cresta.
complejo III: segundo sitio de conservación de la E. Varias subunidades, sitios activos para las quinonas. Las quinonas que se habían reducido, se oxidan y ceden sus electrones a esta proteína. Las quinonas ceden un electrón a un núcleo Fe – S, que lo transfiere a un citocromo incorporado a esta proteína, y este a un citocromo C, ubicado en el exterior (E1), este cuando esta oxidado se encuentra unido al complejo y cuando se reduce se libera. El otro electrón lo ceden a un núcleo prostético citocromo b, y de ahí a una quinona oxidada (no está muy fuertemente unida), esta cuando se reduce toma protones del medio y vuelve a formar parte del pool de quinonas reducidas. El citocromo c luego se asocia a otro complejo proteico IV y se reoxida, y cede sus electrones al O2 que es el aceptor final.
Complejo IV: tercer sitio de conservación de E. Tiene varias subunidades con sitios activos para el O2 hacia la matriz, y para el citocromo C hacia E1. Núcleos prostéticos con Cu y citocromo aa. El Citocromo C cede sus electrones al núcleo con Cu, de este pasan al citocromo a, y de este al citocromo a3; este los cede al O2 que con protones forma agua. La acumulación de protones en el lado externo se debe a su transporte activo, en el cual la E utilizada es la del transporte de electrones. Estos protones no pueden ingresar a la matriz por cualquier parte ni tampoco escapar de la mitocondria ya que la membrana externa es totalmente impermeable. Cuando vuelven a la matriz lo hacen por la ATP sintetasa, en la cual la E que liberan los protones provoca cambios conformacionales que permiten la unión de ADP + Pi, y la liberación de ATP.
Cuando se acumula NADH en la matriz y en el citoplasma, porque la Cadena respiratoria esta saturada y los electrones no pueden llegar al O2, el Ciclo de Krebs se hace más lento y ciertos procesos se ven afectados. Pero las plantas mantienen el Ciclo de Krebs y la Glucólisis funcionando a pesar de la cadena respiratoria, esto lo hacen cediendo sus electrones a una proteína oxidasa alternativa (OA). Esta forma parte de una vía resistente al cianuro. Su funcionamiento se basa en que los electrones pasen de los sustratos y en vez de llegar al complejo III, pasen desde las quinonas hacia esta OA y de allí al O2.
La OA es un dímero ubicado en la membrana que tienen dos formas, oxidad (inactiva, puente de dos grupos sulfhídricos) o reducida (activa, puente disulfuro).
Posee dos sitios activos: uno para las quinonas, en las zonas más plegadas que atraviesan la membrana, y otro sitio activo para el O2, que esta hacia la matriz.
La acumulación de NAD reduce a la tiorredoxina que transfiere los electrones a la OA, la cual se reduce y se activa. Su acumulación también hace más lento el Ciclo de Krebs y se acumulan intermediarios como el piruvato; esta acumulación activa la OA.
METABOLISMO DEL NITROGENO
Las plantas pueden vivir en ambientes totalmente inorgánicos. Pueden utilizar diferentes fuentes de nitrógeno, como nitratos, nitritos y amonio. No pueden absorber nitrógeno atmosférico pero otros organismos si, por ejemplo microorganismos que realizan simbiosis con plantas. Casi todo el nitrógeno que absorbe es en forma de nitratos, porque es el más abundante, el cual debe ser reducido antes de ser incorporado a compuestos orgánicos.
El metabolismo del nitrógeno esta muy asociado y coordinado con el metabolismo del carbono (provee E y esqueletos carbonosos). El metabolismo del N regula el metabolismo del C, porque el metabolismo del N utiliza esqueletos carbonosos que vienen del metabolismo del C, y de esta manera permite que el metabolismo del C siga funcionando para que no se acumulen productos finales.
Si se inhibe el metabolismo del N también se inhibe el metabolismo del C.
Existen tres puntos de coordinación o regulación:
· reducción total del nitrato en amonio
· Regeneración de aceptores de N (especialmente el alfa ceto glutarato)
· Síntesis de sacarosa que es el componente de transporte de carbono en la planta.
Las enzimas relacionadas con las tres vías metabólicas, son enzimas que regulan y coordinan el metabolismo del N y C.
La reducción de nitrato esta regulada por la Nitrato Reductasa (NR), lo reduce a nitrito, el cual no se acumula porque es toxico y se reduce a amonio por la Nitrito reductasa (NiR), pero la NR es la mas importante.
La NR deriva carbonos a la síntesis de aa porque provee el N necesario para que se incorpore a aa.
La NR establece el nexo entre el metabolismo del N y el metabolismo del C.
Otra enzima importante que también participa en la derivación de C hacia la síntesis de aa es la PEP carboxilasa (asociada al metabolismo del N). Esta carboxila el PEP y forma oxalacetato, este puede incorporar amoniaco por transaminación y formar aspartato que ya no se va a descarboxilar y va a ir a formar parte de proteínas. El oxalacetato puede generar malato reduciéndose y este puede entrar al ciclo de krebs (en la mitocondria) formando alfa ceto glutarato, o sea que alimenta al ciclo de Krebs de forma tal que se genere alfa ceto glutarato, que es el aceptor de N.
El alfa ceto glutarato incorpora amonio y forma un aa por un proceso de aminación reductiva que es el glutamato, este puede ser exportado y va a formar parte de proteínas, o puede formar otros aa por procesos de transaminación, y también puede ingresar al cloroplasto donde forma otros aa y regenera en el cloroplasto alfa ceto glutarato y también en el cloroplasto puede incorporar amonio. Entonces el alfa ceta glutarato evita que se forme carbohidratos y permite que se formen aa; la PEP carboxilasa es una enzima que deriva el C de la posible vía de síntesis de azúcares hacia la síntesis de aa. Entonces la NR y la PEP carboxilasa regulan la derivación del flujo del C desde la síntesis de compuestos carbonosos hacia la síntesis de aa. La NR y PEP carboxilasa están reguladas de forma tal que cuando una esta activa la otra también, o sea que cuando se genera amonio hay síntesis de alfa ceto glutarato (o sea el aceptor de N). La luz y nitrato son dos factores ambientales que regulan ambas enzimas de la misma manera, o sea que la luz y el nitrato activan la NR y también activan la PEP carboxilasa.
Otro paso clave en la regulación de ambos metabolismos es la síntesis de sacarosa. La síntesis de sacarosa esta regulada por la sacarosa fosfato sintetasa (SPS). La sacarosa se sintetiza en el citoplasma; las triosas que van a dar origen a las hexosas que forman la sacarosa pueden provenir del citoplasma (glicólisis), o pueden provenir del cloroplasto por síntesis de triosas. Las triosas en el citoplasma forman primero glucosa y fructosa, y son activadas por fósforo y la SPS va a formar una sacarosa fosfato, la cual pierde el fósforo por una fosfatasa y se forma sacarosa. La SPS esta regulada por luz que la activa y por nitrato que la inactiva, o sea aunque allá luz si hay nitrato la SPS se inactiva. Entonces cuando hay nitrato suficiente el metabolismo de C se deriva al metabolismo de aa.
Para reducir el nitrato se requiere de una coenzima reducida que cede electrones, puede ser NADPH, pero suele ser el NADH en las hojas es donde se produce por lo general.
La reducción del nitrato se puede reducir en cualquier parte de la planta; como hay mucho nitrato en el suelo se transporta a las hojas y allí se produce la mayor cantidad de reducción de nitrato por una NR que utiliza al NADH como dador de electrones. La fotosíntesis provee de reductores como triosas (fosfo gliceraldehído) que puede ser exportado y que podría ir a parar a la síntesis de sacarosa pero que en presencia de nitrato va a parar a la glucólisis y se oxida y genera la coenzima reducida que utiliza la NR para reducir nitrato a nitrito. Entonces en el citoplasma se genera el poder reductor para que esta enzima que es citoplasmática (NR) pueda reducir nitrato a nitrito.
El nitrito es transportado al cloroplasto y allí es reducido a amonio y el poder reductor proviene de la ferredoxina reducida que proviene de la reacción clara de la fotosíntesis. El amonio no se acumula porque es toxica y es incorporado a través del alfa ceto glutarato (que hay en el cloroplasto porque allí hay glutamato que pierde N y genera por alfa ceto glutarato), y es incorporado a aa inmediatamente. Para esta reacción de incorporación de amonio a glutamato necesita un poder reductor que es el NADPH proveniente de la reacción clara de la fotosíntesis.
Entonces entre el metabolismo del N y del C hay una estrecha relación; el metabolismo del C provee poder reductor y provee esqueletos carbonosos que finalmente van a formar el aceptor de N para la síntesis de aa.
La NR es la enzima clave y la enzima regulatoria esta en todos los órganos, esta en raíces, hojas y hasta en flores. Cuando hay muy poco nitrato en el suelo esta enzima se encuentra solo en raíces y allí se reduce todo el nitrato pero en suelos normales algo se reduce en raíz pero más que todo en hojas. Dentro de un mismo órgano no todos los tejidos tienen NR. Las células del mesófilo tienen NR. No esta en el tejido de conducción, tampoco en la epidermis. La NR mas común es una enzima citoplasmática en plantas superiores pH optimo 7,5 y utiliza NADH. La NR cataliza la reducción de nitrato a nitrito, pero bajo ciertas condiciones cuando se acumula mucho nitrito en el citoplasma la NR también puede reducir nitrito pero tiene baja afinidad por este de modo que debe acumularse mucho. El producto es el oxido de N, este es una molécula que señaliza diferentes procesos de desarrollo o metabólicos. También actúa en mecanismos de defensa contra patógenos.
Existen dos tipos de NR:
a) Disimilatoria: forma nitritos que son utilizables como fuente de N y son exportados o son transformados en óxidos de N que luego difunde.
b) Asimilatoria: esta en plantas superiores, forma nitritos que es luego utilizado en la formación de compuestos orgánicos.
Todas las NR son mini cadenas transportadoras de electrones, transportando electrones desde un dador a un aceptor. La NR en plantas superiores es citoplasmática, tiene un cofactor de Mo (tiene que estar para que la enzima sea activa), es importante porque transporta los electrones al nitrato. Es un dímero homo dímero que tienen diferentes transportadores. Grupos prostéticos: FAD, citocromo b y una molibdoproteina.
En bacterias hay dos tipos de NR disimilatorias; estas tienen funciones respiratorias, toman electrones de las quinonas de la cadena transportadora de electrones y los trasfieren al nitrato, o sea que este es un aceptor de electrones que reemplaza al O2 en la respiración. Parte de la molécula esta incluida en el plasmalema y parte esta afuera. Tiene diferentes tipos de transportadores como el citocromo. Los nitritos que se forman están fueran de la célula.
Otra NR tiene una parte incluida en la membrana y también tiene subunidades que están mirando hacia el citoplasma que contienen núcleos prostéticos transportadores como Fe – S, y luego tienen un cofactor de Molibdeno (Mo) que siempre esta asociado a la transferencia de electrones hacia el nitrato. Igual que en la disimilatoria de bacterias, las quinonas son las que ceden electrones a la NR. Los tres dominios están unidos por zonas desplegadas del polipéptido que se llaman bisagras y separan los dominios, así separados se pierde la actividad NR porque los electrones pueden ser tomados del dador pero no llegan al aceptor nitrato. Experimentalmente se puede recuperar la actividad NR utilizando dadores de electrones apropiados y se puede recuperar otras actividades que no sea NR utilizando aceptores de electrones apropiados.
El cofactor de Molibdeno producido sale al exterior entonces salen nitritos y entran nitratos para equilibrar cargas.
Los dos homidímeros están unidos por un puente disulfuro que se puede romper por reducción y cada monómero tiene actividad NR. O sea que el puente disulfuro brinda cierta estabilidad pero aunque estén separadas tienen actividad NR.
Los centros activos para el dador de electrones y para el aceptor que es el nitrato están en posiciones diferentes de la molécula. El centro activo para el dador de electrones (NADH) esta asociado al FAD que es uno de los núcleos prostéticos y el centro activo para el nitrato esta asociado al cofactor de Molibdeno, de modo que el transporte de electrones es
NADH FAD Cit b Cofactor Mo Nitrato
Regulación de la NR: Gráfico 1
800 80
400 40
2 4 6 8 10 12 Nitrato
NR ARNm Actividad NR
La luz es otro factor de regulación. La NR es activa a la luz e inactiva en la oscuridad. La NR esta regulada por más de un factor, porque de esa manera puede responder rápidamente a cambios de las condiciones ambientales. El factor de regulación mas importante es el sustrato nitrato.
Grafico 1: casi inmediatamente que se pone un tejido en presencia de nitrato hay un incremento de ARNm, o sea que hay transcripción del gen, el nitrato entonces regula la enzima a nivel de transcripción, genera ARNm.
La síntesis de proteína comienza rápidamente, pero después que el ARNm. A medida que pasa el tiempo en presencia de nitrato aumenta la síntesis de proteína, o sea que el nitrato también regula la enzima a nivel post transcripcional. Y también aumenta la actividad de la enzima, entonces, como primero aumenta la síntesis de ARNm, luego la síntesis de proteína, y finalmente la actividad, eso indica que la proteína que se sintetiza al principio es inactiva y después se activa. Se piensa que esa activación de la proteína implica la síntesis del cofactor de Mo. Cuando este esta formado, se asocia a la proteína y entonces se tiene una proteína activa. A partir de allí, el nitrato ya no regula más el estado de activación de la enzima.
NR Gráfico 2
3000
En presencia de
Nitrato
2000
1000
-4 0 8 16 24
Tiempo de iluminación
NR
Actividad NR
Cuando no hay luz y se le agrega nitrato, aumenta ligeramente la proteína y la actividad prácticamente se mantiene nula. Cuando a este tejido que contiene nitrato se lo pasa a la luz aumenta mucho la síntesis de proteína aunque haya luz. Lo que hace la luz es activar la traducción del ARNm, entonces hay más proteína en la luz y está activa, en la oscuridad hay menos proteínas y está prácticamente inactiva.
O sea que a nivel de transcripción del gen hay dos reguladores: nitrato y luz. Hace falta muy poco nitrato adentro del tejido para que haya transcripción, prácticamente no hace falta que entre a la célula, esto indica que el nitrato está actuando como una señal, simplemente se pone en contacto con el plasmalema y se emite una señal que permite la síntesis de NR.
Entonces el nitrato permite la síntesis de una enzima activa porque a su vez regula la síntesis del cofactor de Mo, pero después esta enzima puede ser activada o inactivada por distintos factores. La luz la activa y la oscuridad la inactiva. La luz actúa a través de la Fotosíntesis, la enzima se activa o se inactiva dependiendo de que se acumulen o no algunos productos de la fotosíntesis que son directos activadores de esta enzima (estos productos son los azucares los cuales regulan la actividad de la NR).
En la luz la NR esta desfosforilada, y así esta activa. En la oscuridad la enzima es fosforilada y también se activa, pero estando así fosforilada se le puede unir una proteína inactivante y así se impide el transporte de electrones desde el dador al aceptor de electrones y se inactiva.
Este proceso de inactivación es reversible y ocurre en la oscuridad. La proteína se une y se separa con facilidad de la enzima fosforilada, y cuando se separa, si la proteína sigue fosforilada se puede volver a unir, pero si la proteína cuando se separa de la enzima, esta desfosforilada, entonces no se puede volver a unir y la enzima se inactiva. La desfosforilacion de la NR ocurre en la luz. La luz activa fosfatasas que producen desfosforilacion de la NR y entonces la enzima fosforilada permanece unida a la proteína inactivante y la enzima esta inactiva.
La luz actúa a través de la fotosíntesis, y los azucares son los directos reguladores del estado de activación de la enzima. Los azucares son capaces de regular la síntesis de proteína porque la luz activa la transcripción en presencia de nitrato, y lo hace a través de azucares, que son reguladores del estado de activación de la enzima, es decir, cuando hay azucares es lo mismo que cuando hay luz, cuando hay fotosíntesis activa, la enzima permanece activa. Cuando hay gran producción de azucares hay necesidad de que estos azucares sean secuestrados para que el ciclo de fotosíntesis pueda seguir, entonces es necesario que la NR, que provee de amonio para la síntesis de aa y para el secuestro de azucares del metabolismo de C, esté activa.
La NR también se puede inactivar pero de manera permanente por proteólisis, entonces hay proteasas que rompen la molécula, por ejemplo, a nivel de las bisagras, e impiden la activación de la NR. Cuando hay azucares disponibles la NR es mas estable y es mas resistente a la proteólisis, probablemente los azucares regulen la síntesis de proteasas que degradan a la NR.
Entonces los azucares regulan el estado de activación a través de la regulación de las fosfatasas y quinasas, y regulan la estabilidad de la enzima a través de la regulación de la actividad de proteasas de la NR.
Tenemos nitritos que se originan por reducción de nitrato en el citoplasma, el nitrato es transportado al cloroplasto donde contiene su reducción a amonio por medio de la NiR, que utiliza la ferredoxina reducida como reductante.
Existen distintos tipos de NiR, algunas asimilatorias y otras disimilatorias. Hay también NiR productoras de amonio y otras productoras de oxido de nitrógeno. En plantas superiores hay una NiR asimilatoria (en el cloroplasto) que genera amonio. Los diferentes tipos de NiR tienen distintos tipos de núcleos prostéticos (transportadores de electrones).
La NiR de plantas superiores tienen dos núcleos prostéticos, uno de Fe – S y el otro es un grupo ciro hemo, que es parecido a un grupo hemo (como el del citocromo), difiere de un citocromo por la posición de algunos dobles enlaces, pero esas pequeñas diferencias le permite ubicarse en la posición adecuada con respecto al núcleo Fe – S para que se transfiera directamente todos los electrones necesarios para reducir el nitrito a amonio. Entonces el centro activo para el nitrito esta a nivel del ciro hemo, y el centro activo para el dador de electrones (ferredoxina reducida), esta a nivel del Fe – S.
El amonio es incorporado a aa en el cloroplasto, pero cuando se acumula mucho nitrato puede haber amonio disponible en otros compartimientos celulares, por ejemplo en la mitocondria, y entonces la incorporación de amonio a aa se produce tanto en el cloroplasto como en la mitocondria.
El aceptor primario de amonio es el alfa ceto glutamato, que es un ceto acido que se produce en el Ciclo de krebs, pero cuando se alimenta el Ciclo de Krebs vía PEP carboxilasa se genera un exceso de alfa ceto glutamato, se incorpora amonio a aa, y el aa es exportado de la mitocondria a otros compartimientos celulares, entre ellos el cloroplasto, y allí el aa puede generar otros aa por transaminación regenerando alfa ceto glutamato que va a volver a aceptar amonio que esta siendo generado en el mismo cloroplasto. El alfa ceto glutamato es capaz de incorporar amonio, y el proceso es una aminación reductiva (se incorpora amonio y se reduce). La enzima que permite esta incorporación se llama Glutamato deshidrogenada y se produce glutamato (lo que hace la enzima normalmente es sacarle amonio al glutamato, formando alfa ceto glutamato), pero cuando hay mucho amonio se produce lo inverso, o sea que se produce acido glutámico por incorporación de amonio a alfa ceto glutamato. Esto ocurre en la mitocondria, y el glutamato puede ser utilizado para síntesis de aa.
En el cloroplasto el glutamato es capaz de incorporar otra molécula de amonio. Esa reacción requiere E y esta catalizada por la glutamina sintetasa porque el producto de la incorporación es la glutamina.
La glutamina es la forma mas común de redistribución del nitrógeno en plantas, es decir un esqueleto carbonoso que puede transportar dos nitrógenos, eso es importante en ciertas etapas de la vida de la hoja, porque cuando ésta envejece se reciclan materiales, y como el nitrógeno es un elemento muy valioso y la planta no se puede dar el lujo de perderlo, entonces recicla el nitrógeno y se transporta a otras partes de la planta en crecimiento y lo hace en forma de amidas, por ejemplo, glutamina. La glutamina transporta dos nitrógenos en una sola molécula, y esto es importante porque cuando envejece la hoja, disminuye la fotosíntesis y disminuye la producción de esqueletos carbonosos, y la glutamina ahorra carbonos. La glutamina puede transferir un nitrógeno a otro alfa ceto glutamato produciendo acido glutámico. La enzima que cataliza el proceso de transaminación entre la glutamina y el alfa ceto glutamato se llama glutamato sintetasa, y se forman dos glutamatos. La importancia es que la glutamato sintetasa tiene mucha mas afinidad por el amonio que la glutamato deshidrogenasa (GDH) por el amonio, esta ultima requiere mucha cantidad de amonio para la síntesis de aa que la glutamato sintetasa. Entonces cuando hay mucho amonio puede funcionar la glutamato deshidrogenada, pero si hay poco funciona la glutamato sintetasa, y forma dos moléculas de glutamato, y este sistema es en cloroplasto. En cambio la GDH esta tanto en mitocondria y en cloroplasto.
Fijación biológica del nitrógeno atmosférico: el nitrógeno atmosférico es reducido por la nitrogenasa, que existe solo en microorganismos, las plantas no lo tienen.
La fijación de N2 apareció muy temprano cuando la atmósfera era con poco oxígeno. Cuando la atmósfera se volvió oxidante, la cosa se complicó porque la nitrogenasa es inhibida por oxígeno. Ahora hay muy pocos organismos capaces de reducir N2, estos tienen mecanismos para que haya poco oxígeno en las células donde está la nitrogenasa. Adquirieron mecanismos de defensa contra el oxígeno, que pueden ser de tipo morfológico, por ejemplo la adquisición de mucílago alrededor de células que reducen N2; el mucílago impide el libre paso del oxígeno. Otros mecanismos son, por ejemplo, anatómicos en organismos coloniales, entonces en el centro de la colonia donde hay menos oxígeno, se fija N2 y en la parte más expuesta no se fija N2.
Las leguminosas forman nódulos (simbiosis con microorganismos que pueden fijar N2) que son estructuras que protegen a la nitrogenasa del oxígeno. La nitrogenasa esta constituida por dos proteínas diferentes que cuando se asocian tienen actividad nitrogenasa (no son subunidades son dos proteínas diferentes). Todas las nitrogenasas tienen Fe. Algunas tienen Mo y otros en lugar de Mo, tienen Venadio o Fe, la más común es la de Mo. Hay organismos que tienen las tres nitrogenasas.
NITROGENASA
Fe proteína. Mo Fe proteína
Núcleo prostético Fe – S
(Reduce a la Mo Fe proteína)
Di nitrogenasa reductasa Di nitrogenasa
Tiene el sitio activo para Tiene el sitio activo para el N2
el dador de electrones
El dador de electrones es la ferredoxina (Fd) en la mayoría de los casos, la cual debe reducirse antes para poder transferir electrones. La reducción de Fd ocurre porque hay una coenzima que puede ser el NADH, pero generalmente es el NADPH, que es capaz de ceder electrones a la Fd.
La reducción de N2 requiere de ATP, que puede ser la fotosíntesis o la respiración. Se gasta tanta E que tanto los organismos de vida libre o las leguminosas si tienen nitrato a su disposición, utilizan éste en vez de fijar el N2, porque energéticamente es mucho más conveniente utilizar el nitrato. Las plantas han evolucionado de modo que utilizan primero el nitrato y luego el N2 si no hay nitratos. O sea que el nitrato es un inhibidor de la nitrogenasa. Los protones también son sustratos de esta enzima. Es inevitable que se gaste ATP en la formación de hidrógeno cuando se va a reducir N2.
La hierro proteína es una proteína que esta constituida por dos subunidades iguales entre sí, y se llaman subunidades alfa. En la interfase entre las dos subunidades hay un núcleo prostético de Fe – S. La di nitrogenasa tiene dos subunidades iguales que son llamadas alfa, y otras dos subunidades iguales llamadas beta, que son diferentes a las dos primeras. En la interfase entre las subunidades alfa y beta hay un cofactor que contiene Fe constituido por dos cubos de Fe – S asociados, ese es uno de los núcleos encargados del transporte de electrones dentro de esta proteína que contiene cofactor de Mo. En las subunidades alfa si esta el cofactor de Mo, este cofactor es derivado del anterior porque tiene cubos de Fe – S, y uno de esos cubos, uno de los Fe fue reemplazado por Mo. Los cubos son abiertos no son completos. El Mo es el encargado de la transferencia de electrones hacia el N2.
Cuando hay acetileno la enzima reduce acetileno y no N2. El acetileno es capaz de ser reducido a etileno. El acetileno es inhibidor de la actividad nitrogenasa porque cuando hay mucho acetileno no se reduce N2.
La hierro proteína se puede asociar al ATP y al ADP. Cuando está asociado al ATP puede tomar electrones de la Fd reducida, ésta provoca un cambio conformacional que hace que la hierro proteína se une a la Mo Fe proteína formándose nitrogenasa. La hierro proteína, en realidad, tiene actividad oxido – reducción, pero cuando se asocia al ATP se hidroliza y se produce E suficiente para que se transforme en reductante para reducir a la di nitrogenasa. El ADP es inhibidor por eso se intercambia con ATP y se repite el ciclo.
Existen diferentes sustratos alternativos de la nitrogenasa que inhiben en mayor o menor medida la actividad nitrogenasa de la enzima. El acetileno es un inhibidor no competitivo porque se une a la proteína en otro estado conformacional que no es el que permite la actividad nitrogenasa.
El hidrógeno también inhibe la actividad nitrogenasa (nitrógeno reductasa), y es un inhibidor competitivo, porque se une al lugar del N2 y forma mas hidrógeno. El CO también es un inhibidor no competitivo, inhibe la actividad porque se asocia y no permite el transporte de electrones.
La hidrogenasa oxida el hidrógeno y libera electrones y protones, en luz esos electrones pueden ser transferidos a la plastoquinona y de allí al FS I y de allí a la nitrogenasa. Entonces los hidrógenos producidos por la nitrogenasa luego son reoxidados por la hidrogenasa liberando electrones y protones que son utilizados nuevamente por la nitrogenasa.
En la oscuridad los electrones y protones que van a la plastoquinona pasan al oxígeno formando agua. De esta manera la hidrogenasa protege a la nitrogenasa del oxígeno transformándolo en agua. El hidrógeno puede regular la actividad nitrogenasa.
El nitrato también puede regular la actividad nitrogenasa, y es un inhibidor. Es muy probable que en organismos de vida libre, el nitrato compita vía NR por el poder reductor que es el mismo para las dos enzimas.
En organismos simbiontes, el nitrato podría hacer lo mismo pero actúa de otra forma, modulando el ingreso de oxígeno, y regular así la actividad nitrogenasa. O sea que el nitrato puede hacer dos cosas:
a) Competir con la nitrogenasa por los electrones.
b) Puede modular la actividad nitrogenasa modulando la cantidad de oxígeno que llegue a la célula que está reduciendo N2.
El oxígeno es un regulador e inhibidor de la actividad nitrogenasa. A veces lo inhibe irreversiblemente (destruye a la enzima). Inhibe a las dos proteínas.
Otro mecanismo de inhibición del oxígeno que es reversible es cuando aumenta mucho la presión de oxígeno, donde se activa una proteína que está asociada a la nitrogenasa. Inhibe el transporte de electrones, pero también impide que el oxígeno destruya la nitrogenasa.
Cuando la presión de oxígeno disminuye parece activarse otra proteína que es una proteína activadora que despega a la inactivante de la nitrogenasa, y entonces ésta, que no fue dañada por el oxígeno, recupera su actividad.
Entonces la inhibición irreversible implica la destrucción de la enzima. Para recuperar la actividad nitrogenasa en un organismo que ha sido expuesto a altas presiones de oxígeno, debe sintetizar de nuevo la enzima. La inhibición reversible es posible solo in vivo, y el oxígeno modula la asociación de proteínas extras a la nitrogenasa, que a su vez inhiben la actividad nitrogenasa, pero a su vez la protegen del efecto deletéreo del oxígeno.
Las leguminosas no pueden utilizar el N2, pero puede establecer una asociación con microorganismos del suelo y brindarle a este un ambiente bajo en oxígeno y el microorganismo reduce el N2 y se lo transfiere reducido a la planta. Esta lo incorpora a compuestos orgánicos. La planta forma unas estructuras llamadas nódulos, donde se produce la simbiosis. Están en la zona de los pelos radiculares, porque es aquí por donde entran las bacterias.
Hay dos tipos de nódulos: uno de crecimiento indeterminado que mantiene un meristema o sea una zona de continua reproducción celular que va agregando nuevos tejidos a esos nódulos (duran más que los otros). Y otro de crecimiento determinado, tiene vida más corta que el otro. También se origina a partir del meristema pero una vez que el nódulo está formado el meristema desaparece.
En un nódulo se ve la parte superficial, la corteza externa y luego el sistema de conducción rodeado por células parenquimáticas. En un extremo apical vemos el tejido meristemático que es el que genera nuevas células. Dentro del nódulo hay distintas zonas, la zona más basal, más cerca del sistema de conducción de la raíz, es una zona de envejecimiento y allí no hay reducción ni fijación de N2. La zona más cerca al ápice se llama zona de infección porque por allí están constantemente entrando bacterias. En el centro está la zona de fijación, aquí hay bacterias que reducen el N2 y ese luego es incorporado por los tejidos de la planta.
Para que se reduzca el N2 hace falta oxígeno, porque hace falta ATP (por respiración), pero no tanto porque se inhibiría la nitrogenasa. Hay un gradiente de concentración de oxígeno desde el exterior al interior del nódulo. Por el meristema el oxígeno ingresa más rápido. Cuando llega al nódulo el oxígeno se encuentra con membranas que rodean a un grupo de bacterias que se llama membrana peribacterial que son vesículas membranosas que derivan de la membrana plasmática de las células de la planta. Esta membrana tiene incorporado un transportador de oxígeno llamado Leg Hemoglobina (Leg por leguminosa), y está asociado a la membrana peribacterial. Entonces cuando el oxígeno llega a esta zona la fijación y reducción va a tener que atravesar la membrana peribacterial para poder llegar a las bacterias, entonces el oxígeno ingresa a la Leg Hemoglobina que lo transporta hacia adentro, entonces la cantidad de oxígeno que entra es muy baja, suficiente para que el bactereoide respire e insuficiente para que se inhiba la nitrogenasa.
En un nódulo de fijación determinado, la zona de fijación también está en el centro, la zona de envejecimiento está bien al centro rodeada por la zona de reducción y fijación. Este tipo de nódulo se muere mucho más rápido porque no tiene meristema.
Formación de nódulos: en el suelo hay bacterias y algunas de ellas pueden establecer simbiosis con algunas plantas. El sistema radicular de la planta secreta al medio compuestos fenólico (solo las plantas que pueden establecer simbiosis con microorganismos del suelo). Estos fenoles por un lado tienen un efecto quimiotáctico, atraen a microorganismos, y por otro lado estimulan la síntesis de compuestos, que se llaman factores de nodulación, en aquellos microorganismos que pueden establecer simbiosis con algunas plantas. A esto no lo hacen directamente, los compuestos fenólicos activan proteínas afectadas al metabolismo de la nodulación; estas proteínas activan genes y esos genes terminan sintetizando proteínas que intervienen en la síntesis de factores de nodulación.
Entonces las bacterias se acercan a la raíz por efecto quimiotáctico y se ponen en contacto con la raíz a través de los pelos radiculares. Como solo se pueden asociar a estos pelos, si existen se asocian a ellos, y si no existen inducen la formación de estos pelos radiculares. Se pegan a estos porque en su pared celular tienen proteínas lectinas, que pueden establecer asociaciones transitorias con azucares (las paredes de las bacterias tienen muchos azucares). Las lectinas reconocen esos azucares y asocian a las bacterias a los pelos radiculares.
Entonces tenemos bacterias asociadas a pelos radiculares y que están generando factores de nodulación; estos son excretados por las bacterias y difunden, atraviesan las paredes celulares de los pelos radiculares y llegan al plasmalema en donde hay receptores. Hay diferentes tipos de receptores, así como hay distintos tipos de factores de nodulación. Algunos factores de nodulación se unen a determinados receptores, pero si esos receptores no son específicos, los que la planta requiere para iniciar el proceso de formación del nódulo, se van a producir algunos de los primeros eventos de formación del nódulo, y luego todo un proceso amorfo, o sea que la señal no es la adecuada para que se forme el nódulo. Si por el contrario el factor de nodulación encuentra un receptor que es específico, esa señal va a iniciar el proceso de nodulación y lo va a terminar.
La selectividad, o sea que tipo de bacteria se puede asociar a que tipo de planta, está dado por los receptores que tiene la planta, que puede asociarse a determinados tipos de factores de nodulación producidos por esas bacterias. O sea, muchos tipos de bacterias se van a asociar a las raíces atraídos por los fenoles, pero solo se van a asociar a la planta y van a formar un nódulo aquellas que produzcan factores de nodulación específicos para el tipo de receptor que tenga la planta.
Lo primero que ocurre cuando la bacteria se pega al pelo radicular es que el pelo se empieza a curvar y engloba a las bacterias, o sea que empieza a señalizar para que se produzcan cambios anatómicos en el pelo radicular y este se curva englobando a las bacterias. Esto lo hacen las bacterias que van a formar finalmente el nódulo, y también aquellas que finalmente no lo van a formar pero que pueden asociarse en un primer momento. Después que se curva, las bacterias que producen los factores de nodulación específicos para el receptor de la membrana plasmática del pelo radicular, van a estimular la síntesis de enzimas que rompen la pared celular del pelo radicular formando un poro en el pelo, por donde finalmente van a penetrar las bacterias a través de la pared del pelo hacia la raíz, pero además se provoca la invaginación del plasmalema del pelo y se forma un canal llamado canal de infección, que va a llegar hasta la base del pelo, por donde van a penetrar estas bacterias. Entonces las bacterias no entran en contacto con el citoplasma del pelo radicular, entran a través del canal de infección siempre por fuera de la célula de la planta, hasta un punto. Es por fuera que a veces se forma pared celular rodeando el canal de infección. Mientras ocurre todo esto también se está formando adentro el nódulo, o sea hay cambios en la raíz de la planta. Cuando las bacterias llegan a la pared del pelo que esta en contacto con el resto de la corteza de la raíz, nuevamente se destruye (se hidroliza) la pared y las bacterias comienzan el mismo proceso con las células de la corteza de la raíz, rompen la pared celular, forman la invaginación del plasmalema formando el canal de infección por donde siguen entrando las bacterias; llegan a la pared basal de la célula de la corteza, hasta que llegan a las células blanco. En estas células blanco ya no se forma un canal de infección sino que el plasmalema forma vesículas que engloban a un número determinado de bacterias y las dejan metidas en esas células blanco.
La membrana peribacterial es esa membrana que deriva de la membrana de las células blanco, y que engloba a un determinado número de bacterias. Esa membrana entonces es la que regula el paso de oxígeno desde el exterior hacia el interior de esa vesícula, que es donde están las bacterias que van a fijar el N2.
Entonces las bacterias siempre quedan por fuera de las células, es decir, fuera del citoplasma de las células de planta pero rodeadas de su plasmalema.
Entonces dijimos que a medida que se formaba el canal de infección ocurrían cosas en la raíz. Primero las bacterias se acercan a un pelo radicular, y el solo hecho de acercarse hace que se produzcan factores de nodulación, que están siendo producidos por la bacteria, induzcan o estimulen la división celular en determinadas células de la corteza de la raíz (corteza externa e interna). Luego se ve que el pelo está curvado y ya ha habido bastante división celular y se está formando el canal de infección, y luego ya se ve que hay células que van a ser las células blanco, que van a formar las vesículas que engloban al bacteroide. Es un proceso obviamente simbiótico, la bacteria produce señales que inciden sobre las células de la planta, a su vez éstas producen señales que inciden sobre la bacteria, que permiten que la bacteria produzca otras señales que van a modificar el metabolismo de la planta y finalmente se tiene un nódulo, el sistema de conducción del nódulo que está asociado al sistema de conducción de la planta y todas las células infectadas, en el medio que es donde va a ocurrir la reducción y fijación del N2.
Entonces si hacemos un corte longitudinal por un nódulo, se ve la corteza, el sistema de conducción, esto es barrera contra el oxígeno, y en la parte central vamos a encontrar una zona que tiene células no infectadas y células infectadas. Dentro de una vesícula hay un número determinado de bacterias reductoras de N2. Lo que pasa en las células infectadas no es lo mismo que pasa en las células no infectadas. Lo que se llama bacteroide es una sola bacteria que ya está adentro de la vesícula y se la llama así porque cuando llega a la células blanco se fue modificando y pierde algunas estructuras y características, por ejemplo, aquí la bacteria ya no hace fotosíntesis porque evidentemente está dentro de la raíz bajo tierra, y allí no puede fotosintetizar, pero tiene Ferredoxina (Fd), o sea que han modificado su metabolismo, ya que no es igual a la bacteria de vida libre, por eso se llama bactereoide. Lo único que ocurre en el bactereoide es la reducción del N2, porque tiene nitrogenasa, en cambio el resto de tejido que corresponde a la planta no tiene nitrogenasa.
Entonces el oxígeno que proviene del ambiente tiene la primera barrera a nivel del sistema de conducción, llega a la membrana peribacterial en donde hay Leg Hemoglobina (que es el que transporta el oxígeno), entonces esta es la que permite el paso del oxígeno de una manera muy controlada. Una vez que atravesó la membrana peribacterial, difunde hasta llegar al bactereoide. Dentro de éste está la nitrogenasa, y en el bactereoide como hay oxígeno hay respiración y como hay respiración hay formación de ATP. Este bactereoide no realiza fotosíntesis, pero tiene ferredoxina que se reduce porque hay otro ciclo respiratorio que es el ciclo de las pentosas fosfato, que genera NADPH a partir de carbohidratos, que provienen de la planta, o sea, la planta le provee al bactereoide los carbohidratos, que llegan a través del sistema de conducción. Cuando llegan al bactereoide producen NADPH a través del ciclo de las pentosas fosfato. El NADPH y ATP son los dos elementos necesarios para que pueda haber reducción de N2 vía nitrogenasa.
Lo que genera el bactereoide es nitrógeno reducido, es decir amonio. El amonio es exportado y en los tejidos de la planta es incorporado en la materia orgánica utilizando esqueletos carbonosos que provee la fotosíntesis. La fotosíntesis entonces provee de sustratos respirables para la formación de NADPH y ATP, y provee esqueletos carbonosos para la incorporación de nitrógeno reducido a compuestos orgánicos en los tejidos de la planta.
Hay dos tipos de leguminosas con respecto al tipo de compuestos que forman en un principio con el nitrógeno, para poder exportarlo. El nitrógeno se exporta al resto de la planta en forma de amidas. O sea, el bactereoide le provee a las células de la planta que hay a su alrededor amonio. Estas células lo incorporan a la materia orgánica y forman amidas que es la forma que el nitrógeno se transporta al resto de la planta.
En las células infectadas se forman amidas como glutamina o aspargina, en aquellas leguminosas que exportan N en forma de amidas. Pero hay otras leguminosas que exportan N en forma de otros compuestos nitrogenados que se llaman ureidos, por ejemplo la alantoina. Los ureidos derivan de la glutamina, es decir, todas las leguminosas forman primer compuesto orgánico nitrogenado a la glutamina, algunas leguminosas exportan el N como amidas y otras la metabolizan y forman ureidos, y los exportan. La formación del ureido ocurre en las células no infectadas. La glutamina y aspargina se forman en las células infectadas.
En un nódulo hay una estrecha colaboración entre el bactereoide y la célula infectada y la célula no infectada, y también hay una estricta separación de tareas.
La aspargina deriva del ácido aspártico que es un aa. El ácido aspártico incorpora otro N y forma aspargina, así como la glutamina que es una amida, deriva del ácido glutámico que es un aa.
El ácido aspártico se forma a partir del oxalacetato, el oxalacetato se forma por carboxilación de PEP que proviene de la glucólisis. O sea que la carboxilación del PEP ocurre en hojas y también ocurre en raíces en las células infectadas del nódulo.
Reducción y fijación del N atmosférico en cianobacterias: existen distintos tipos de cianobacterias, algunas forman colonias, y las colonias son de distintos tipos, algunas son colonias ovilladas en las cuales la fijación de N ocurre en el centro, porque hay menos oxígeno, y no en las partes más externas. Pero existen otras cianobacterias que forman colonias en filamento y en este se distinguen dos tipos de células, células vegetativas que tiene metabolismo normal, fotosíntesis normal, y unas células especiales que son los heterocistos, estos tienen mucho mucílago que limita el intercambio gaseoso, o sea que es una barrera contra el oxígeno pero también contra el N2. Entonces el N2 es transportado desde las células vegetativas hacia el heterocisto. Este no tiene FS II, es decir que tiene poco oxígeno en su interior y además, tiene nitrogenasa activa. Las células vegetativas también tienen nitrogenasa, pero como hay mucho oxígeno la nitrogenasa está inactiva.
Entonces la reducción del N2 ocurre solo en los heterocistos. Las células vegetativas tienen toda la maquinaria metabólica normal y exporta hacia el heterocisto esqueletos carbonosos que se oxidan por respiración y entre otras cosas producen NADPH en el ciclo de las pentosas. El NADPH va a reducir a la ferredoxina y entonces la nitrogenasa tiene ATP y NADPH suficiente para reducir N2. En el mismo heterocisto el N reducido se incorpora a glutamina, esta es exportada a las células vegetativas donde ceden N y forma aa.
Un nódulo y un heterocisto anatómicamente son diferentes, pero funcionalmente son parecidos.
NUTRICIÓN MINERAL
Las plantas pueden absorber más elementos que otros, aunque estos sean poco bajos en el medio, porque la membrana selecciona los nutrientes. Cualitativamente las plantas tienen sustancias parecidas a las del medio, pero cuantitativamente no porque absorben más de unos nutrientes que de otros.
Hay elementos esenciales y otros no esenciales. Los esenciales son, por ejemplo, N, S, Ca, Mg, K, C, H, O, Fe, Mn, Cu, P, Zn, Mo, Cl, Co. Estos tienen un papel biológico muy claro, y en su ausencia la planta no puede completar su ciclo, y además, son irremplazables. El resto de los elementos son no esenciales.
A los elementos esenciales se los clasifica en macroconstituyentes y microconstituyentes. Los elementos pueden encontrarse en concentraciones muy grandes, estos son los macroconstituyentes (entre 0,1 y 2 %), y otros que están en menores concentraciones, son los microconstituyentes (en menos del 0,05 %).
Macroconstituyentes: N, S, P, Ca, Mg, K, C, H, O. Microconstituyentes: Mn, Cu, Zn, Mo, Cl, Co, Fe (este último está en el medio, pero generalmente se lo considera como microconstituyente).
Los elementos pueden estar firmemente fijados en los tejidos siendo inmóviles (no se redistribuyen en la planta) Ca, Fe, Mo por ejemplo, los primeros síntomas aparecen en las hojas jóvenes, ya que estos elementos quedan fijos en las hojas viejas. Otros son muy móviles, N, P y K por ejemplo, los primeros síntomas aparecen en las hojas viejas, ya que estos elementos se desplazan a los meristemas durante el crecimiento. Cuando un órgano envejece se le extrae el N.
Generalmente los microconstituyentes no son limitantes en el medio.
Funciones de los elementos minerales:
· Mn: participa en la fotosíntesis, en la fotólisis del agua.
· Cl: en el movimiento de la diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana y también interviene en la fotosíntesis.
· Ca: forma parte de las paredes celulares pero también interviene en la amplificación de señales, mensajero secundario.
· Fe: transporte de electrones formando parte de grupos prostéticos (Hemo por ejemplo). En fotosíntesis, respiración, también en enzimas como la NR.
· Mo: forma parte del núcleo prostético de la NR y de la nitrogenasa.
· Cu: interviene en el transporte de electrones en la fotosíntesis.
Para saber si un elemento es esencial se realizan estudios con diferentes soluciones nutritivas, y que también contienen hormonas. Para el estudio de la esencialidad o no de un nutriente se hace una solución nutritiva que tenga todos los nutrientes menos el que uno está estudiando y ve si la planta puede completar su ciclo. Y si este elemento puede ser reemplazado por otro, entonces se determina si un elemento es esencial o no.
Este tratamiento se puede realizar cultivando la planta en un medio líquido, en ese caso se llama hidroponía; tiene soportes especiales y las raíces están en contacto con la solución nutritiva directamente, es un sistema bastante caro porque requiere de constante aireación para que no falte oxígeno y requiere de una constante renovación de la solución nutritiva.
También puede ser un soporte sólido inerte como la vermiculita, entre otros. En un principio este medio no contiene ningún nutriente que puede ser utilizado por la planta. Allí se riegan. Entonces llega un momento de hacer una determinación en las plantas para ver cual es su composición mineral, que se supone que tiene una deficiencia en comparación con plantas que no tienen deficiencia. Entonces uno hace análisis de la planta. Elije tejidos que sean centros de asimilación de nutrientes y no a aquellos tejidos que básicamente son zonas de paso (transporte) de nutrientes. Para hacer este tipo de análisis no utilizaría raíces por ejemplo, porque está en contacto con la solución del suelo, los nutrientes entran por las raíces y la mayor parte sigue viaje hacia la parte aérea. Entonces se utiliza generalmente la hoja, y especialmente las maduras, que son las zonas donde se asimilan generalmente los nutrientes.
También se puede hacer análisis de suelo. En este tipo de análisis se puede saber si un nutriente está o no en el suelo.
A veces los nutrientes están en el suelo pero no están disponibles, es decir, algunos nutrientes están precipitados en forma insoluble y no están disponibles para las plantas. El análisis de suelo dice si hay o no hay, pero no dice si está disponible o no. Este es un análisis que complementa al análisis de tejido. Entonces los elementos que están en el suelo y disponibles para la planta son los que están adheridos a la superficie de los micelios, pero no fuertemente, y los que están en la solución del suelo. Los no intercambiables no están disponibles para la planta. Por lo general los nutrientes, si el suelo está a un pH debajo de 4, están indisponibles, excepto el Mn y el Zn. Otros nutrientes, por ejemplo el Mn, el B, el P, que a pH entre 7 y 8 ya están indisponibles. Otros como el N, excepto en zonas muy ácidas o extremadamente básicas, está totalmente disponible. Entonces hay nutrientes que dependen mucho del pH del suelo para estar disponibles o no, y hay otros que dentro de rangos muy amplios están siempre disponibles.
Los nutrientes se ponen en contacto con la raíz y penetran a la planta, ingresan junto con la corriente de agua. Los nutrientes ingresan, llegan al cilindro central donde está el sistema vascular, y a partir de allí se distribuyen vía xilema por toda la planta, y se distribuyen con la corriente de agua.
Los nutrientes en un principio ingresan a la raíz y difunden simplemente por los espacios intercelulares o por las paredes hasta que llegan a la banda de caspary que rodea al cilindro central. Hasta allí no requieren de E metabólica y tampoco tienen necesariamente que ingresar a las células. Cuando llegan a la banda de caspary, como es impermeable, ya no pueden pasar por los espacios intercelulares ni por las paredes, tienen que ingresar si o si a las células, ingresando por distintas formas de transporte pero no ya por simple difusión sin uso de E. Algunos si penetran por difusión hacia adentro de la célula, luego siguen por el cilindro central hasta llegar al xilema. Para cargarse al xilema algunos iones necesitan transporte con gasto de E, otros pueden penetrar sin necesitar E. Como el xilema se carga en contra de un gradiente de concentración, para eso se requiere E.
Una vez que llegan al xilema se mueven con la corriente de agua y se distribuyen por la planta. El movimiento de estos solutos de una célula a otra, o de una parte de la planta a otra, es lo que se denomina transporte. Ese transporte puede ser pasivo o activo. Es pasivo cuando no se usa E metabólica y el movimiento se realiza a favor de un gradiente de concentración o de carga. No hay gasto de E metabólica, pero si hay gasto de otro tipo de E, este es el movimiento pasivo. El transporte activo es aquel que requiere de la E metabólica y se realiza en contra de un gradiente de concentración o de carga.
MOVIMIENTO PASIVO: la dirección del movimiento está dada por la diferencia de potencial electroquímico. La cantidad que va a ingresar en B está dada también por la diferencia de potencial electroquímico. La velocidad de ingreso ya no depende solo del potencial electroquímico sino que también depende de las propiedades de la membrana. Aparte hay moléculas que ingresan más rápidamente por ser más pequeñas, por ejemplo. Hay moléculas que son muy grandes y tienen una carga muy fuerte e ingresan más lentamente, además les resulta más difícil disolverse en la matriz lipoproteica de la membrana.
A B
+ +
+ + +
+
La concentración y la carga son las fuerzas que aportan la E para el movimiento pasivo y constituyen lo que se denomina potencial electroquímico que es la capacidad que tiene una sustancia para realizar un trabajo. La dirección del movimiento está dada por la diferencia de potencial electroquímico entre ambos compartimientos para esa sustancia, y de esta diferencia también depende cuanto va a ingresar de A a B.
Difusión Simple: tipo de movimiento pasivo que depende exclusivamente del potencial electroquímico a través de la membrana.
Absorción A
(Hacia el
Interior)
[A] afuera
Lo que ingresa a la célula (absorción) es directamente proporcional a la cantidad que hay afuera [A] exterior. A veces no es lineal y entonces se llama cinética de saturación.
Membrana externa (+) Citoplasma (-)
A+
C- Sigue el gradiente
En algunos casos hay movimiento pasivo por difusión y a pesar de eso se acumulan iones de un lado de la membrana, eso ocurre porque el citoplasma siempre es negativo con respecto al exterior, entonces si tenemos dos iones afuera, por ejemplo A+ y C-, los dos iones ingresaran al citoplasma siguiendo un gradiente de concentración. En el equilibrio las concentraciones se igualarían, pero como el C- es negativo y cuando ingresa hace que el interior del citoplasma sea más negativo aún (hiperpolarización), cuando ingresa el catión A+ y cuando llega a su concentración de equilibrio (la concentración interior y exterior), puede que no llegue a compensar el aumento de carga negativa producida por el anión C-, entonces puede ocurrir que A+ ingrese en más cantidad y ya no esté en equilibrio la concentración de A+ afuera y adentro, es decir, que haya más cantidad de A+ adentro. Esto sucede para que se pueda volver a tener los valores iniciales (normales) de diferencia de potencial entre la membrana.
En el equilibrio, entonces, el ion A+ queda más concentrado adentro que afuera, a pesar de que no se gastó E metabólica para eso, simplemente entra para equilibrar cargas, y esa diferencia de cargas es la que brinda la E suficiente para que el ion pueda entrar. Este equilibrio que logra este catión se llama Equilibrio de Donnan, aquí las cargas se equilibran, pero lo que no se equilibra son las concentraciones, es decir, la absorción depende de las cargas, los iones pueden entrar a la célula en contra del gradiente de concentración, pero a favor del gradiente eléctrico para igualar las cargas. La dirección viene determinada por la carga del ion no permeable. Este es un movimiento pasivo de sustancias que sigue un gradiente electroquímico.
Difusión Facilitada: es lineal en un principio, pero después aunque se aumente la [A] en el exterior ya no hay más absorción, eso demuestra que hay una molécula que le facilita su difusión, pero por más que haya mucha cantidad de esta molécula en la membrana, no es infinita, entonces ocurre un momento en el que ya no puede absorber más, aunque se aumente la [A] en el exterior (cinética de saturación). No hay gasto de E metabólica, es movimiento pasivo, es una absorción que sigue un gradiente electroquímico, pero requiere de una molécula que facilite el movimiento.
Las moléculas facilitadoras son de dos tipos (siempre proteínas):
a) Transportadores: cuando se asocian con una sustancia se produce un cambio conformacional que expone el sitio activo hacia el interior y libera la molécula. Este tipo de molécula facilitadota puede estar en cualquier membrana, tanto plasmática como de organelas.
b) Canales: no sufren cambios conformacionales, solo permiten el ingreso a través de la membrana de compuestos orgánicos o iones, a través de un poro. Regulan el paso de sustancias, son selectivos, es decir, dejan pasar determinadas sustancias. Unos permiten el ingreso y otros permiten la salida, es decir que el mismo canal no puede dejar entrar y salir a la misma sustancia. Responden a condiciones fisiológicas de la célula. Los canales para agua se llaman Acuaporinas y son tetrámeros. Cada monómero forma un canal para agua y cada monómero tiene varios dominios (zonas plegadas) metidos en la membrana, unidos por bisagras, algunos de estos se extienden de manera horizontal con la membrana y esos son los que forman el poro. Estas acuaporinas se abren o se cierran de acuerdo a las condiciones. El estrés hídrico los cierra. La deficiencia de agua estimula la desfosforilacion de algunos aa de cada dominio. Se produce un cierre del canal, o sea, la fosforilación y desfosforilacion causa cambios conformacionales, lo que modifica la posición de las bisagras. O sea que los canales están regulados de diferentes maneras, algunas por fosforilación – desfosforilacion. Canales para iones: para K+. Permite el ingreso de K+, cuando la membrana se hiperpolariza. Son tetrámeros, el poro está formado en el medio. Detectan cambios de voltaje a ambos lados de la membrana, es decir, cuando hay un ingreso de cargas negativas y se profundiza el gradiente de cargas a ambos lados de la membrana (está muy negativo adentro), esa membrana debe recuperar el potencial de membrana original y los recupera haciendo ingresar cargas positivas (como K+). El canal para potasio es un tetrámero y cada monómero tiene 6 dominios unidos por bisagras. Hay una bisagra que esta horizontal a la membrana y es la que forma el poro. Estos canales detectan los cambios de voltaje a ambos lados de la membrana. En algunos de los dominios hay aa que detectan los cambios de voltaje y entonces ocurren cambios conformacionales que permiten el ingreso de K+. Hay otros canales de K+ que permiten la salida de este cuando, por ejemplo, hay un incremento de cargas positivas en el interior, lo que también puede causar la apertura de canales que ingresan iones negativos
TRANSPORTE ACTIVO: siempre está mediado por transportadores, unos utilizan directamente la E de la hidrólisis del ATP o Pi, estos son las bombas, o sea que utilizan directamente la E metabólica.
Los transportadores simporte y antiporte, utilizan indirectamente la E metabólica. Son cotransportadores (transportan 2 moléculas), una de las moléculas se mueve siguiendo un gradiente de E potencial creado por las bombas y la otra en contra de un gradiente
Bombas Electrogénicas: son ATPasas o Pirofosfatasas. Utilizan E liberada por la hidrólisis del ATP o del PPi para transportar sustancias. Sacan protones o iones Ca, y lo acumulan hacia fuera del citoplasma y los llevan a la vacuola o hacia fuera de la célula, según estén situadas en el plasmalema o en el tonoplasto.
Por ejemplo, una protón ATPasa con dos subunidades tiene un sitio activo para los protones y un sitio activo para el ATP. El ATP se asocia al transportador y se hidroliza. Cuando se hidroliza, la proteína se fosforila porque el ATP le cede un P, y cuando se fosforila gana afinidad por el protón. Esta asociación con el protón y la fosforilación provoca cambios conformacionales en la proteína que permitirían la exposición de los sitios hacia fuera y se pierde afinidad por el protón y se libera afuera y se va acumulando en la pared o en la vacuola, en contra de un gradiente electroquímico. Cuando se libera el protón, se desfosforila y vuelve a su estado inicial.
La protón ATPasa del plasmalema tiene varios dominios asociados a bisagras. Una de las bisagras tiene el sitio activo para el ATP y uno de los dominios tiene el sitio activo para el protón. La protón ATPasa de vacuolas pertenece a la familia de las ATP sintetasa de mitocondria y cloroplastos, es muy parecida pero descompone el ATP y permite el pasaje de protones. Las protón ATPasas siempre sacan protones del citoplasma, ya sea hacia fuera o hacia las vacuolas.
Ejemplo: Protón ATPasa del plasmalema: a partir de la E provista por la hidrólisis del ATP, está sacando protones hacia la pared celular. Hay compuestos que ingresan al citoplasma en contra de gradiente de concentración, a través de transportadores que requieren de E para funcionar (cotransportadores), estos pueden ser antiporters o simporters. Son simporters cuando cotransportan, por ejemplo protones junto con otra sustancia, utilizando la E potencial generada por las bombas para hacer el ingreso de la otra sustancia. O sea el protón que se acumula afuera del citoplasma vuelve a ingresar, pero no ingresa por cualquier parte, ingresa porque hay un transportador capaz de asociarse a él y utilizar la E potencial originada por el acumulamiento de protones fuera del citoplasma, para hacer ingresar otra molécula en contra de su gradiente.
El transporte activo mediado por bombas se llama transporte activo primario, y el transporte mediado por cotransportadores se llama transporte activo secundario porque utiliza indirectamente la E metabólica, y siempre funcionan en conexión con una bomba que es la que genera la E potencial.
En los simporters el transporte de un ion y del protón es en el mismo sentido, por ejemplo: protón – nitrato.
En los antiporters el ingreso del protón está acoplado a la salida del otro ion, o sea en dirección contraria, por ejemplo bomba sodio – potasio.
El mecanismo es el mismo, los dos utilizan la E potencial producida por las bombas, es decir, utilizan indirectamente la E metabólica. El de antiporters entra protones y sale Na+ del citoplasma, otro ejemplo es la salida de protones e ingreso de Ca2+ a la vacuola. También hay transporte de sacarosa a la vacuola, en donde salen protones y entra sacarosa.
La ubicación de antiporters y simporters, y de bombas no es específica para un tipo de membrana.
Hay un tipo de transporte asociado a fotosíntesis y respiración que es un transporte de protones por quinonas. Este tipo de transporte activo utilizan E pero no es del ATP, sino, por ejemplo, en la Fotosíntesis utilizan la E proveniente de la luz y en la Respiración utilizan la e proveniente de la reoxidación de la coenzima (NADH) que se forma en el Ciclo de krebs.
Abs
Punto de saturación
Concentración
En el gráfico de arriba se ve que el transporte por transportadores exhibe una cinética de saturación, es decir que cuando se mide absorción en función de la concentración, se tiene una curva en donde se ve que cuando se aumenta mucho la concentración, se aumenta el transporte y luego se produce una meseta, y así sucesivamente. Esta curva significa la presencia de distintos tipos de transportadores con diferentes grados de afinidad por el sustrato transportado. Cuando las concentraciones son bajas, funcionan transportadores con alta afinidad, a medida que se aumenta la concentración externa se van activando transportadores que tienen menos afinidad y que por lo tanto requieren de mas concentración de la sustancia para activarse.
Las sustancias en la planta son transportadas a los centros de asimilación (las sustancias inorgánicas) y redistribuidas por la planta en forma ya de compuestos orgánicos. Ejemplo: C, H y O redistribuidos como azucares. El N como amidas. Esa redistribución de sustancias orgánicas se realiza a través del floema.
El movimiento de sustancias por el xilema es un movimiento pasivo y las sustancias se mueven por la corriente de agua directamente. El movimiento por el xilema es siempre unidireccional, de la zona de absorción hacia la zona de utilización. Siempre desde la raíz hacia la parte aérea.
El movimiento por el floema es bidireccional, las sustancias se redistribuyen desde donde se producen hasta donde se utilizan. Por ejemplo, si tenemos una hoja madura que está produciendo cosas y tenemos una hoja joven o un fruto o una flor en el ápice que está requiriendo de elementos, las sustancias se van a transportar por el floema desde la hoja madura hacia las hojas jóvenes (hacia arriba). Pero si tenemos una rama inferior que tiene hojitas jóvenes, también esas sustancias se van a mover hacia abajo, hacia esas hojas jóvenes.
El floema está constituido por células vivas. En una misma célula el movimiento es unidireccional, en el floema como tejido es bidireccional. O sea para enviar en dirección contraria se utiliza otra célula.
El movimiento por el floema, sea en la dirección que sea, es pasivo, y las sustancias se muevan en masa con la corriente de agua que va redistribuyéndose por el floema.
La carga y la descarga del floema pueden ser de forma activa. Es decir, los compuestos asimilados se cargan en el floema y se acumulan en contra de un gradiente de concentración. Por ejemplo, en el mesófilo se forman amidas (en el cloroplasto), esas amidas se pueden redistribuir por la planta y para ello salen del mesófilo y llegan al floema. Esas sustancias pueden moverse desde la célula que lo genera hasta el floema por las paredes celulares o por los plasmodesmos hasta que llegan al floema donde se acumulan (dentro del floema), y esto lo hacen en contra de su gradiente, por lo tanto es un transporte activo. Por el floema se mueven con la corriente de agua, pero cuando llegan a la célula que la va a utilizar, en ella se está acumulando el compuesto por lo tanto se produce nuevamente transporte activo.
También puede haber descarga por transporte pasivo, pero por lo general es activo.
Ósmosis: la difusión de agua a través de una membrana selectivamente permeable (una membrana que permite el paso libre del agua pero evita o retarda el paso de un soluto). En ausencia de otros factores que afecten el potencial hídrico, el movimiento neto de agua ocurre desde el lado que tiene una concentración menor de soluto al lado que contiene una concentración más alta.
Difusión: es el movimiento neto de partículas suspendidas o disueltas a favor de un gradiente de concentración como consecuencia de movimientos espontáneos aleatorios de partículas individuales; el proceso tiende a distribuir uniformemente las partículas a través de un medio.
BALANCE HÍDRICO
Estructura de la molécula de agua: es la que confieren las propiedades muy especiales, y son las que permiten la vida. Esa distribución y el ángulo entre los átomos de H y O produce, que a pesar de que la molécula es eléctricamente neutra, sea el agua una molécula dipolo, ya que hay una distribución desigual de los electrones en cuanto a permanencia en cada uno de los núcleos. Por eso la molécula de H2O es un dipolo por un lado electronegativo con eje en el átomo de O y por otro lado electropositivo con eje en los átomos de H. Al generarse este dipolo pueden formarse puentes de H entre las diferentes moléculas de H2O. Esto es lo que le confiere las propiedades que permiten la vida.
Propiedades del H2O:
a) Es líquido a temperatura ambiente.
b) Tiene elevado calor específico, es decir que para hacer cambiar 1º a 1g de H2O se necesita proveer de mucha E la cual permite amortiguar cambios de temperatura.
c) Elevado calor latente de vaporización. Para que una molécula pase de estado líquido a estado gaseoso se requiere una entrada de mucha E, lo que a su vez tiene implicancia en cuanto a la refrigeración.
d) Tención superficial, permite la formación de meniscos en la superficie del líquido y también permite la formación de las gotas de H2O, debida a los puentes hidrógeno.
Ψ= - Ψo + Ψp
Si colocamos la célula es un medio hipotónico, (Ψo mayor en célula), va a haber un ingreso de agua; si la colocamos en un medio hipertónico (Ψo mayor en el medio), es decir, que tenga más osmolitos que los que tiene la célula, el agua va a tender a salir.
Ψ= 0 turgencia máxima
Ψp= 0 plasmólisis (la membrana no toca la pared celular)
Si tengo una célula en plasmólisis y la pongo en una solución, el agua va a ingresar hasta que se iguale el Ψ de la célula con el Ψ de la solución, entonces el Ψ no va a ser cero.
Se define como potencial químico de una sustancia a la E libre por mol de esa sustancia, la cual está indicando la potencialidad para realizar trabajo. Ese trabajo puede consistir en un desplazamiento desde un punto hacia otro. El desplazamiento se produce a favor de un gradiente de E libre, es decir desde zonas con alta E libre por mol, hacia zonas con baja E libre por mol (eso en cuanto a la difusión). Igual sucede con el agua. Si a un determinado volumen de agua le agregamos un soluto, estamos modificando la cantidad de moléculas de agua que tenemos en un determinado volumen, debido a que agregamos un soluto. También se puede comprender esto como que independientemente del soluto que estemos hablando, agregados a un volumen de agua pura disminuye la cantidad de moléculas de agua en ese volumen, entonces esta disminuyendo la E libre del agua en ese volumen.
La densidad de vapor es la cantidad de moléculas de agua que encontramos en un determinado volumen gaseoso. La presión de vapor es la presión que ejercen esas moléculas de agua en estado gaseoso sobre las paredes de un recipiente.
Si tenemos un frasco cerrado con un termómetro, un manómetro, y con agua, luego de un determinado tiempo se va a equilibrar la cantidad de moléculas de vapor de agua en la atmósfera de ese frasco. Si a esto le agregamos solutos, por ejemplo un mol de sacarosa en 1000g de agua, el manómetro nos indica que la densidad de vapor de agua disminuyó, es decir, como desciende la capacidad de realizar trabajo del agua del sistema, también baja el intercambio de moléculas de agua del estado líquido al estado gaseoso, y por ello baja la densidad de vapor, y por lo tanto también disminuye la presión de vapor sobre las paredes del frasco, lo que me está indicando que la capacidad de realizar trabajo por la E libre de las moléculas de agua de este líquido de este sistema disminuyó. Esto es independiente del soluto del que estemos hablando, pero no es independiente de si este soluto se disocie o no, no es lo mismo agregar un mol de sacarosa que agregar un mol de NaCl, este se disocia, entonces el efecto de disminuir la E libre de este sistema es el doble que con respecto a un mol de sacarosa.
Si al frasco con agua pura le aumentamos la temperatura aumentará la vibración de las moléculas de agua, tenemos que dejar abierto el frasco de manera que al agregar calor no aumente la presión demasiado. Por lo tanto, aumenta la E libre de las moléculas de agua de ese sistema.
También se puede aumentar la E libre del sistema aumentando la presión. Esto ocurre porque los líquidos son incompresibles, entonces la presión se traduce en una mayor vibración de las moléculas de agua.
Entonces aumentando la presión y aumentando la temperatura, aumentamos la E libre del sistema. Aumentando los solutos por propiedades coligativas de los solutos, diminuye la E libre del agua líquida en ese sistema
En las células se producen cambios en la presión y cambios en la concentración de solutos.
El osmómetro es un aparatito que es un modelo de aproximación de lo que ocurre en la célula. Es un recipiente que contiene agua destilada, que contiene otro recipiente cuyas paredes es una membrana de permeabilidad selectiva, que en este caso separa moléculas por tamaño molecular, es una membrana de diálisis que permite el paso de moléculas e iones hasta un determinado tamaño molecular. En este caso, por ejemplo, permite el pasaje de moléculas de agua pero no permite el pasaje de moléculas de sacarosa. Entonces dentro de la bolsa de diálisis tenemos una solución de sacarosa, y la bolsa de diálisis está conectada con una columna de vidrio abierto en el extremo, es decir, sometida a presión atmosférica. El frasco está bien cerrado, y en el momento que le introducimos la bolsa de diálisis lo denominamos momento t0. Por lo que vimos por las propiedades coligativas de los solutos, la E libre del agua de esta bolsa va a ser menor que la E libre del agua que se encuentra fuera de la bolsa (por contener sacarosa).
La difusión se produce desde el lugar de mayor concentración de agua hacia los lugares de menor concentración (del agua en la bolsa), o sea, de sitios con mayor E libre hacia sitios con menor E libre del agua en el sistema. Por lo tanto comienza a haber un movimiento del agua desde afuera de la bolsa hacia adentro y el soluto no se puede mover porque el tamaño del poro de la bolsa no lo permite. Entonces en un momento t1 debido al ingreso de agua la altura de la columna se va a elevar, y lo vemos a esto en la probeta graduada.
La columna se elevará hasta que se equilibren las E libres, se equilibran porque la presión hidrostática (peso de la columna de agua) de la columna de agua se equilibra con la presión osmótica (es decir con la atracción de los solutos con las moléculas de agua de afuera), o lo que es lo mismo se equilibra la E libre de adentro de la bolsa con la E libre del agua de afuera. O sea que en el t0 la E libre de la bolsa era menor que la E libre del agua afuera. A medida que el agua ingresa, en t3 la E libre de adentro y de afuera se equilibran porque la presión hidrostática generada por la columna de agua hizo aumentar la E libre de adentro de la bolsa, equilibrando la E libre que le resta presencia de solutos.
Supongamos que tenemos una célula que básicamente es una gran vacuola con un poco de citoplasma alrededor, luego la membrana celular y luego la pared. Si a esta célula la comparamos con el modelo experimental diríamos que entonces es un momento t0 ponemos la célula en un medio con agua destilada, y va a comenzar a entrar agua, pero en un determinado momento, ese movimiento de agua cesa porque, conforme empieza a entrar agua a favor de un gradiente de E libre, la membrana celular va a ejercer presión sobre la pared celular, y como la pared es rígida, la pared devuelve esa presión pero con sentido contrario. Conforme sigue entrando agua a favor de un gradiente de E libre, la membrana ejerce más presión sobre la pared hasta que llega un momento en que la presión que ejerce la pared sobre la membrana y sobre el agua del sistema, se asemeja al peso de la columna de agua (del modelo experimental). Entonces la presión que ejerce la pared celular compensa la disminución de la E libre del agua de este sistema producida por los solutos, y por lo tanto tenemos que la célula (el agua) va a tener igual E libre o potencialidad para realizar trabajo.
El Ψ resulta de comparar el potencial químico del agua en un sistema a una determinada presión y temperatura, con respecto al agua pura a la misma presión y temperatura. Entonces si el potencial químico de agua en un sistema es igual al potencial químico del agua pura, entonces me está indicando que tiene el máximo de capacidad para realizar trabajo, o sea que Ψ= 0, entonces tiene máxima capacidad para realizar trabajo en un sistema. O sea que:
Ψ= - Ψo + Ψp
Cuando la presión de la pared, que es equivalente a la presión generada por la columna de agua, equilibra al potencial osmótico, entonces el Ψ es igual a cero, que es lo mismo que el Ψ del agua pura.
Diagrama de Hoefler:
Si colocamos una célula en un medio hipertónico, es decir que la concentración de soluto en el medio es superior que la que tiene la célula, sabemos que va a haber un movimiento de agua hacia fuera de la célula porque va a haber un movimiento a favor de un gradiente de E libre. En un medio hipertónico la membrana no está apoyando en la pared, por lo tanto el potencial de la pared desaparece, por lo tanto el Ψ= - Ψo de la célula.
Si ahora ponemos la célula en un medio hipotónico, o sea el movimiento de agua va a ser desde afuera de la célula hacia adentro porque afuera hay menos concentración de solutos. Conforme ingresa agua a la célula está variando la concentración de agua adentro de la célula, como hay más moléculas de agua empieza el Ψo a acercarse a cero, porque estamos diluyendo los solutos, y conforme entra agua, la célula aumenta de volumen y empieza la membrana a apoyarse en la pared. Cuando la membrana apoya bien en la pared, entonces el Ψp deja de ser cero y empieza a aumentar su valor mientras más agua entre. En el instante en el que Ψp deja de ser cero, el Ψ deja de ser igual al Ψo. Llega un punto que el Ψp compensa el Ψo, y entonces el Ψ es cero, y la célula tiene turgencia máxima.
El potencial de pared es la presión que se ejerce sobre el sistema por sobre la atmósfera.
Si tenemos un recipiente con agua pura, allí el Ψ es igual a cero, porque el Ψo es igual a cero, lo mismo que el Ψp.
Le agregamos el soluto y este baja la E libre del agua del sistema, entonces Ψ= - Ψo. En una célula en plasmólisis (membrana no toca la pared), esta célula no tiene Ψp, su Ψ= - Ψo. A esta célula la ponemos en el medio que tenía solutos, y aunque las dos tienen Ψ negativos el medio tiene mayor E libre porque tiene menor concentración de solutos por lo tanto el agua va desde afuera hacia adentro de la célula. El agua va a entrar hasta que se equilibre el Ψ de la solución interna.
En un caso contrario tenemos la célula turgente llena de agua pero el Ψ no llega a ser cero, y la pongo en una solución con un Ψ mas bajo, o sea con una concentración de soluto más alta, entonces el agua se va a mover a favor de un gradiente de E libre desde la célula al medio hasta que la membrana se va a despegar de la pared y va a seguir saliendo agua hasta que el Ψo de la célula se equilibre con el Ψo de la solución.
En otro caso tenemos la misma célula del caso anterior, la metemos en una prensa, esta aumentando el Ψp. Si la ponemos en una solución con su mismo Ψ sin prensarlo no pasa nada porque está en equilibrio, pero si la prensamos entonces va a aumentar la E libre del sistema celular y va a varias el Ψ, por lo tanto sale agua de la célula hacia el medio. De esta manera dentro de la célula, al perder agua, se va a aumentar el Ψo por lo tanto el Ψ disminuirá pero la prensa hace que aumente el Ψ porque aumenta Ψp hasta llegar al equilibrio con el exterior. Si quitamos la prensa el Ψp se hace cero, entonces el Ψ va a ser igual al Ψo, por lo tanto va a entrar agua a la célula porque allí hay mayor concentración de solutos por el agua que salió.
Hay tres formas de medir los potenciales:
a) Una forma es medir el Ψ con un sicrómetro.
b) Otra forma es el método de la pesada.
c) También está la bomba de Sholander.
En todos estos métodos lo que se hizo fue calcular el Ψ de un tejido, teniendo como referencia una solución cuyo Ψ lo conocíamos.
Si nosotros queremos saber el Ψo y el Ψp por separado, se calcula el Ψo extrayendo el jugo celular del tejido de nuestro interés, y estudiando el descenso del punto de congelamiento siempre en comparación con el agua pura. Para esto hay un aparato, el criosmómero. Consiste en un plato que tiene una serie de receptáculos, y a cada uno de estos se le puede dar una temperatura determinada, entonces colocamos el jugo celular en cada uno de los receptáculos y se comienza a variar la temperatura en cada uno, esa variación de temperatura está asociada a el punto de congelamiento de soluciones conocidas, entonces comparando el punto de congelamiento de soluciones conocidas con la temperatura a la cual el jugo celular de nuestro interés formó cristal de hielo, en esa temperatura nos está indicando cual es el Ψo del jugo celular de nuestro interés. De esta forma conociendo el Ψ y el Ψo podemos calcular el potencial de pared que tiene ese tejido.
En general se habla de suelo – planta – atmósfera como un gradiente de Ψ. El Ψ del suelo va a ser cercano a cero, el movimiento de agua se produce del suelo a la raíz hacia las células o entre las células, y ese movimiento se produce a favor de un gradiente de Ψ, porque las células tienen acumulados solutos y esa acumulación de solutos hace que el Ψ de los células sea menor que el del suelo.
Este movimiento se produce hasta que el agua llega a la banda de caspary, que es una banda impermeable tanto en el agua como a los iones, por lo tanto a la altura de la banda de caspary el agua entra necesariamente al simplasto (a las células).
Los iones se van acumulando en la estela de la raíz. Por lo tanto todo el movimiento de agua desde el suelo hasta llegar al vaso del xilema es a favor de un gradiente de Ψ sin gasto de E química.
Lo que se produce activamente es la acumulación de iones y esto hace que baje el Ψo, y por lo tanto baja el Ψ e ingresa agua. El paso de agua se puede producir a través de la membrana plasmática o a través de las acuaporinas que regulan el paso de agua célula a célula. Como la banda de caspary es impermeable para la entrada de agua e iones, también es impermeable para la salida de estos, por lo tanto como en la estela de la raíz se están acumulando iones se produce la entrada de agua entonces esta no puede salir y como la banda de caspary es rígida, el agua empieza a subir por el xilema. Esta subida de agua se denomina presión de raíz. La presión de raíz se produce por un aumento en la presión hídrica en la estela del xilema debido a la acumulación de iones que produce la entrada de agua (que aumenta el Ψ).
Desde el suelo hasta los vasos del xilema el agua se mueve por difusión, pero dentro del xilema el agua se está moviendo con los iones y se denomina flujo en masa, y es producido por un aumento de Ψ. La presión de raíz también se ve favorecida por la arquitectura capilar de los vasos del xilema, y eso guarda relación con la propiedad de adhesión de las moléculas de agua. Entonces si sumamos el ascenso de agua por capilaridad más el aumento de Ψ obtenemos lo que se denomina presión de raíz, y esto alcanza a explicar el ascenso del agua hasta unos 60 cm a 1 m, pero hay plantas de más de un metro.
¿Cómo llega el agua a las hojas en plantas de más de un metro? Se explica a través de la transpiración (perdida de agua en forma de vapor a nivel foliar). Se produce a favor de un gradiente de Ψ entre las células de la hoja y el Ψ de la atmósfera. El Ψ de la atmósfera es extremadamente bajo, aún en el caso de un 99% de humedad, siempre es más bajo que el de la hoja.
Tenemos la atmósfera – cámara subestomática – espacios aéreos y las células, todo esto forma un gradiente de Ψ desde más bajo en la atmósfera hasta más alto en las células. Entonces el agua se va a evaporar desde las células hacia los espacios aéreos, de allí a las cámaras subestomáticas y de allí a la atmósfera. Entonces una célula que se le evaporó una molécula de agua, le pide a la de al lado y esta a la siguiente, y así hasta que llega a las células que rodean los vasos del xilema, ésta finalmente le pide la molécula de agua al xilema.
La resistencia tensil es la resistencia que ofrece una columna de agua para ser cortada. Entonces cuando la célula cercana al xilema pierde una molécula de agua se baja el Ψ, por lo tanto, el agua va a correr desde el xilema hacia esa célula. Al moverse esa molécula de agua, debido a la resistencia tensil otorgada por el puente de hidrógeno, van a traccionar moléculas de agua adyacentes y así sucesivamente hasta llegar abajo y de esa manera sube la columna de agua.
Teóricamente es posible que una molécula de agua en un capilar suba hasta 100m, el problema es que hay micro burbujas de aire disueltas en el xilema, porque los gases se expanden indefinidamente. Entonces cuando se está traccionando la columna de agua que esta sometido así una tensión muy grande, llamada tensión negativa, esas burbujas de aire comienzan a expandirse y se produce lo que se denomina cavitación, y que impide el flujo de agua. Hay mecanismos para resolver esto, tienen que ver con la estructura de los elementos del xilema, por ejemplo, las placas perforadas impiden que la burbuja de aire pase a los diferentes elementos del xilema.
La burbuja de aire podría eliminarse a la noche porque la tensión a la que está sometida la columna de agua disminuye porque no hay transpiración, pero si hay absorción de agua, entonces el gas que forma la burbuja de aire vuelve a redisolverse en el agua y se establece nuevamente la columna continua.
La tensión negativa se produce por: tenemos las células y las paredes celulares, estas están embebidas en agua, conforme la planta transpira va perdiendo agua, y como la pared celular es rugosa, lo que resulta que se formen meniscos, cuanto más pequeño sea el ángulo del menisco, más difícil es quitar el agua que está en ese menisco.
El suelo también tiene espacios aéreos en los cuales se forman meniscos cuando disminuye el agua, y los radios de curvatura de los meniscos disminuyen, y se hace más difícil sacar el agua de allí, por eso es que en las plantas se produce un estrés hídrico.
El pasaje del estado líquido al gaseoso se produce a nivel de todas las paredes celulares de las células del mesófilo. Dijimos que el Ψ estaba determinado por el Ψo y el Ψp, pero en los casos de los árboles que son muy altos, tenemos que tener en cuenta la presión hidrostática. Entonces no será lo mismo la conformación del Ψ de una célula de la hoja en la base del árbol que el Ψ de una célula de una hoja de la copa del árbol, porque las células de las hojas de la base están soportando una presión hidrostática de toda la columna de agua del xilema. Como sabemos, la presión hidrostática aumenta el Ψ de un sistema, por lo tanto en esas hojas debemos tener en cuenta Ψo, Ψp y Ψh (potencial hidrostático).
En una hoja hay en las células un constante requerimiento de agua, debido a que estas transpiran. Si la provisión de agua no se equilibra con la pérdida de agua, como la columna de agua no se corta, los elementos del xilema se van a tensionar debido a la presión negativa que está produciendo la transpiración. Esa tensión negativa está dificultando que el agua se mueva para algún lado. Por lo tanto el Ψ estaría definido en ese caso por:
Ψ= Ψo + Ψp – Ψ xilema (presión negativa del xilema), porque esto dificulta que el agua pase a las células, por lo tanto baja el Ψ del agua del xilema. Esto va a ocurrir en las zonas de mucha transpiración.
Entonces en el xilema el movimiento de agua es por flujo en masa. En la raíz, desde el suelo hacia el xilema, es por gradiente de Ψ. En las hojas, desde el xilema hasta el estoma o atmósfera, es por gradiente de Ψ.
La transpiración es la responsable del movimiento ascendente de agua a través del xilema, pero cumple dos funciones:
Transporte, movimiento ascendente y de distribución de nutrientes absorbidos por las raíces.
Refrigeración de las hojas cuando el agua pasa de líquido a gaseoso al evaporarse.
La transpiración es la perdida de agua en forma de vapor. De hecho, una forma que se utiliza a campo para conocer las plantas y su estado de deficiencia hídrica, es medir la temperatura foliar. Es un método rápido y bastante preciso. Es necesario que haya transpiración para que haya absorción. El movimiento de las moléculas de agua es a favor de un gradiente de concentración o a favor de un gradiente de potencial hídrico. La transpiración, en su mayoría, se produce a nivel de los estomas, y en una minoría a través de las cutículas.
Métodos para medir la transpiración:
a) Método de la pesada: Es el método más primitivo que existe, es uno en el que regamos la planta que está en una maceta y envolvemos con una bolsa de plástico la maceta, dejando afuera solo la planta. Tomamos el peso del conjunto y luego de un determinado tiempo volvemos a pesarla. Si el tiempo es relativamente corto (horas), la variación de peso es atribuible a la perdida de agua y la variación de peso por asimilación fotosintética no va a representar mucho con respecto a la variación de peso por perdida de agua. Si el experimento dura mucho tiempo, la variación de peso no va a corresponder solo con la perdida de agua.
b) Método del Potómetro: es un aparato que permite medir la velocidad de transpiración. Consiste en un aparato de vidrio lleno de agua con la precaución de que se deja una burbuja de aire, y cerramos el sistema con un corcho, ponemos las hojas en las condiciones que nos interesan y vamos viendo como evoluciona la burbuja de aire. Entonces como tenemos un tubo graduado sabemos el volumen, y con un cronómetro podemos tomar el tiempo, y entonces ya podemos calcular una velocidad de transpiración.
c) Lisímetro: que es para medir a campo. Es más complicado y lleva más tiempo. Hablamos de una parcela de tierra que es removida, se coloca en el fondo del pozo una especie de neumático que tiene un líquido especial y se llena el pozo con la tierra y se siembra. La presión que ejerce la tierra sobre este neumático hace que eleve una columna de líquido, y se tiene una columna de referencia. Se siembra, se riega y tenemos la condición inicial, el peso de todo ese conjunto va a ser elevar la columna de líquido. Conforme las plantas empiezan a perder agua, el peso que se ejerce sobre los neumáticos va a ser menor y la altura de la columna va a descender. Esto mide evapotranspiración, es decir, el agua que se pierde a través del suelo por evaporación, y el agua que se pierde a través de las hojas por transpiración.
Regulación de la Transpiración: la transpiración regula la absorción de agua, pero a su vez la absorción regula la transpiración.
Cuando decimos absorción tenemos en cuenta la disponibilidad de agua porque, conforme la absorción disminuye por falta de disponibilidad de agua, va a disminuir la transpiración. Otro factor importante es el movimiento de las masas de aire y la apertura estomática. Se va abriendo el diámetro del estoma y aumenta la transpiración, y llega un determinado punto en que por más que sigamos abriendo el ostíolo, la velocidad de transpiración se hace constante.
Cuando hay una brisa no ocurre saturación, es decir, hay una relación casi lineal entre la apertura estomática y la transpiración. Esto ocurre porque la brisa remueve el gradiente, al barrer este gradiente, el cambio de Ψ es más abrupto, entonces no hay una resistencia a la perdida de moléculas de vapor de agua. Hablamos de brisa, porque el viento provoca una reacción de tipo mecánica que promueve el cierre estomático.
Otro factor que regula la transpiración es la relación entre la raíz y la parte aérea de la planta, la cual guarda relación con la disponibilidad de agua. Un sistema radical desarrollado permitirá explotar mucho más el recurso agua del suelo que un sistema radical joven.
Otros factores son la estructura foliar, los estomas que están por debajo del nivel de la epidermis, de manera de hacer un gradiente más débil entre la cámara subestomática y la atmósfera, lo cual dificulta la pérdida de moléculas de vapor de agua.
A nivel del ambiente tenemos la luz, que regula la apertura estomática; la humedad relativa atmosférica, conforme baja la humedad baja la concentración de moléculas de agua en la atmósfera y mayor es la diferencia de Ψ, por lo tanto será mayor la velocidad de transpiración.
La morfología de las células oclusivas, estas tienen una pared celular más engrosada en el centro y es más débil en los extremos. La turgencia no se expresa igual en toda la célula; cuando están hidratadas los extremos se expanden más que el centro, entonces se abre el estoma.
Nosotros sabemos que para que entre agua el Ψ debe bajar de manera de que genere un cambio de Ψ con las células vecinas e ingresa agua. Esta disminución de Ψ se produce según diferentes teorías
a) Se produce porque se acumulan solutos derivados de la fotosíntesis como puede ser la sacarosa.
b) Otra teoría posterior propuso que en realidad la sacarosa no tenía nada que ver y en realidad lo que importaba era la acumulación de iones.
Cuando el estoma está abierto la célula oclusiva tiene una concentración de iones mayor que las otras células, por lo tanto el Ψ de la célula oclusiva será más bajo que el Ψ de las células acompañantes. Cuando el estoma está cerrado hay un movimiento de K+ desde adentro hacia fuera, entonces esto hace variar el Ψ de todas las células, y el agua se va moviendo de acuerdo a donde vaya el K+, y así se cierra el estoma. Los ostíolos se abren y se cierran, y no es igual el diámetro en las distintos estomas de la planta, ni siquiera de la misma hoja.
En la primera teoría se pensaba que las células oclusivas realizaban fotosíntesis, acumulaban sacarosa y como ésta es un osmolito, baja el Ψ de estas células e ingresaba agua y el estoma se abría. Sin embargo, mediciones mostraron que la apertura estomática era extremadamente rápida y que casi no daba tiempo a que el aparato fotosintético acumulara sacarosa suficiente, y aparte, el estoma se abrió aún con muy baja intensidad de luz, teniendo un rendimiento fotosintético muy bajo. Conforme aumentaba la intensidad de luz roja, aumentaba la apertura estomática, esto coincidiría con la primera teoría, pero después vieron que llegado un determinado momento, conforme seguíamos aumentando la intensidad de luz, no se sigue aumentando la apertura estomática. Pero vieron que si iluminaban con luz azul de muy baja intensidad, había una mayor apertura estomática, y así se descubrió que la luz azul también regula la apertura estomática.
Hay un receptor que es un carotenoide que se llama ceaxantina que percibe la luz azul y genera una cascada de señales que conducen a la activación de la protón ATPasa de membrana que producen una hiperpolarización de la membrana de la célula oclusiva, y esto produce que canales de potasio activados por voltaje se abran, entrando los K+ a la célula. Así, se baja el Ψ adentro de la célula e ingresa agua.
Esto explica la regulación de la apertura estomática por la luz al amanecer, o sea, al amanecer el ingreso de K+ es lo que regula la apertura estomática, conforme la célula oclusiva comienza a fotosintetizar, comienza a incrementar el contenido de sacarosa, conforme avanza el día la apertura estomática está principalmente regulada por el contenido de sacarosa, mientras que la regulación por el contenido de iones comienza a perder importancia.
Otra variación de los contenidos de azucares en la célula oclusiva se denomina osmorregulación, como así también la variación del contenido de iones.
El cierre estomático se produce porque los iones salen de las células oclusivas porque, aparentemente, hay una señal que es el ácido abscísico (ABA) que es sintetizado a nivel de las raíces y cuando estas detectan baja disponibilidad de agua envían ABA a través del xilema; éste llega a las células oclusivas y a través de un receptor específico a nivel de membrana, induce la liberación de Ca en el citoplasma, ya sea que promueva la entrada de Ca desde la pared celular, como la salida de Ca desde la vacuola.
El Ca inhibe la protón ATPasa, lo que conduce a una despolarización de la membrana. Cuando se produce esta despolarización se abren canales rectificadores de K+, saliendo este potasio hacia fuera. Esto conduce a una variación del Ψ disminuyendo el de la célula acompañante, entonces el agua pasa desde la célula oclusiva a la acompañante, y el estoma comienza a cerrarse.
Los parámetros hídricos para conocer el estado hídrico de una planta son varios, el mejor es el Ψ, pero este es un poco complicado de determinar. Otro parámetro es el contenido relativo de agua que es la cantidad de agua que tiene la planta con respecto al máximo que podría tener, es fácil de calcular porque se calcula con el peso fresco, peso seco y el peso saturado. Otro es el déficit de saturación hídrica, que es la cantidad de agua que le falta a un tejido con respecto al máximo que podría tener, y se utiliza para calcularlo el peso fresco, peso seco y el peso saturado.
Capacidad de campo: es el agua que queda en los capilares del suelo una vez que ha escurrido el agua gravitacional. Se trata principalmente de agua capilar. La medida de la capacidad de campo es la humedad equivalente, es el que queda después de haber centrifugado el suelo a una determinada temperatura, en un cierto tiempo, etc. Es el agua capilar o capacidad de campo.
Marchites permanente: es el estado fisiológico de la planta en el cual la planta está sufriendo de falta de agua y no se puede recuperar a menos que se agregue agua al suelo. El punto de marchites permanente es la cantidad de agua que tiene el suelo cuando la planta está en marchites permanente.
Punto de marchites permanente: es el valor mínimo de agua que puede tener el suelo que le sea útil a la planta. El valor máximo sería la capacidad de campo.
El potencial hídrico del suelo es alto cuando el suelo está en capacidad de campo, tiene mucho agua; y es bajo cuando está en punto de marchites permanente. Cuando el potencial del suelo es alto, la planta puede tomar agua del mismo.
GERMINACIÓN
Germinación, desde el punto de vista agronómico, son todos los procesos que conducen a la instalación de una nueva plántula a partir de una semilla, pero si hablamos de plántula ya hablamos de crecimiento, por lo tanto este concepto involucra germinación y crecimiento.
En el sentido de la fisiología vegetal, el concepto de germinación involucra todos los procesos de reorganización celular y de reinicio del metabolismo celular en el embrión. El concepto de germinación se focaliza en los procesos de reorganización celular y reinicio de la actividad metabólica.
La germinación se inicia con la imbibición que es la entrada de agua a la semilla. La entrada de agua se produce a favor de un gradiente de Ψ. La imbibición se caracteriza por una brusca absorción de agua. En la imbibición una vez que se produce la entrada de agua, todas las membranas que estaban deshidratadas se reorganizan. Una vez que empieza la reorganización de las membranas comienza la reorganización de las mitocondrias en lo que se denomina germinación o Fase I, II o III.
La segunda entrada de agua (Fase III) se produce porque comienza a haber una movilización de las reservas, por ejemplo, hidrólisis de almidón en las semillas de reserva amilácea, se generan azúcares de menor tamaño que funcionan como osmolitos, y por lo tanto, producen una entrada de agua. Es en esta fase en que la radícula rompe el tegumento y entonces al haber crecimiento, también hay demanda de agua, por eso aumenta la entrada de agua. Pero cuando la radícula rompe el tegumento, ya comienza el crecimiento porque para romperlo debe agrandarse y eso ya es crecimiento. Cuando ponemos a imbibir la semilla hay reorganización de las membranas y hay salidas de iones. Cuando la salida de iones cesa quiere decir que terminamos la Fase I y hay compartimentalización.
La Fase I y II son reorganizadoras de membranas, pero de forma diferente porque en la Fase I son membranas que quedaron luego de la embriogénesis y maduración de la semilla, porque el embrión se forma a partir de la fecundación de la oosfera por el gameto masculino y que luego la maduración de la semilla implica una pérdida de agua, y como sabemos las membranas para ser funcionales tienen que estar organizadas, y su organización depende de que se encuentren en un medio acuoso.
En la Fase II ya hay síntesis de lípidos de membranas, es decir, formación de nuevas membranas, porque hay división celular. En la Fase I tenemos reorganización de mitocondrias preexistentes, y en la Fase II tenemos síntesis y organización de mitocondrias e implica que en Fase I, que hay proteínas preformadas y en la Fase II ya hay síntesis de proteínas.
Esta separación en fases es absolutamente artificial es para entender el concepto fisiológico, pero en realidad existe esta secuencia pero en tiempos variables.
En la fase III ya tenemos todos los elementos y comienza el crecimiento. Termina la germinación cuando la radícula rompe el tegumento, habiendo una absorción de agua y una movilización de reservas.
De todas maneras, la forma de evaluar la germinación es en el sentido agronómico, porque el poder germinativo que se utiliza para evaluar una semilla se ve a partir de la emergencia de la raíz. Es decir, cuantas semillas pusimos a germinar y en cuantas semillas emergió la raíz.
Si quisiéramos evaluar el poder germinativo sin evaluar la emergencia de la radícula, tendríamos que poner a germinar las semillas y antes de que emerja la radícula cortarlas por la mitad y colorearlas con un compuesto que detecta actividad mitocondrial, que es lo que se conoce como test de viabilidad, y se reduce en el transporte de electrones mitocondrial y de ser amarillo pasa a tener un color azul. O sea se le agrega el colorante y evalúan la cantidad que son viables de los que no son viables.
Factores reguladores de la germinación: las semillas pueden ser viables y puestos en condiciones adecuadas de germinación y no germinar, eso se debe a lo que se denomina latencia o dormición de la semilla. Esta latencia involucra varios mecanismos que permiten retardar la germinación de la semilla.
Pareciera que retardar la germinación de las semillas asegura una mejor dispersión de los mismos, y también asegura que germinen cuando las condiciones son absolutamente favorables.
Existen dos tipos de latencia:
a) Latencia tegumentaria: es aquella que está producida por los tegumentos. Nos damos cuenta porque si despojamos a la semilla del tegumento, ésta germina. Mientras que si despojamos al embrión de los tegumentos y éste sigue sin germinar estamos en presencia de una latencia embrionaria. Guarda relación con los siguientes aspectos: los tegumentos pueden impermeabilizar la semilla y dificultar la difusión del oxígeno necesario para la actividad mitocondrial, eso tiene que ver con la estructura misma del tegumento o con la presencia de unos compuestos químicos en el tegumento denominados fenoles. Los fenoles son compuestos que pueden secuestrar las moléculas de oxígeno impidiendo que estos lleguen al embrión. Otro tipo de latencia tegumentaria puede darse por un impedimento mecánico. La semilla puede haber terminado la fase II, pero no germina porque los tegumentos impiden la emergencia de la radícula.
b) Latencia embrionaria: se debe principalmente a relaciones entre las hormonas durante el proceso de maduración de la semilla tiene una importancia fundamental el ABA, mientras que otra hormona denominada ácido giberélico, está implicado en la promoción de la germinación, generalmente la latencia embrionaria está relacionada con una relación más alta de ácido abscísico respecto al ácido giberélico (ambas hormonas producidas a nivel embrionario). Modificando esa relación, disminuyendo proporcionalmente la representación del ABA con respecto al ácido giberélico, se rompe la latencia embrionaria. Una forma de modificar esa relación es mediante un proceso que se denomina estratificación y consiste en someter las semillas hidratadas a un período de frío, siempre sobre cero, que permite que se modifiquen esas relaciones hormonales, y de esa manera se rompe la latencia embrionaria. Se llama estratificación porque se ponían capas de semillas apoyadas sobre capas de suelo que se dejaban a la intemperie.
Durante la maduración de la semilla (deshidratación) hay mucho ABA que colabora con la maduración. Durante la germinación el ABA disminuye y el ácido giberélico aumenta. Este proceso es muy notable sobre todo en las semillas con reserva amiláceas. Para degradar el almidón (reserva) es necesaria la participación de enzimas como la alfa amilasa y la beta amilasa. En la Fase I, por ejemplo, hay proteínas preformadas beta amilasas, y en la Fase II hay proteínas sintetizadas de novo alfa amilasas.
En las semillas amiláceas, el embrión, luego de la imbibición, sintetiza el ácido giberélico, que en la capa de aleurona induce la síntesis de alfa amilasa, ésta es liberada luego al endosperma y produce la hidrólisis del almidón por lo cual se generan azúcares mono y disacáridos aprovechables para el embrión. Esa liberación de mono y disacáridos baja el Ψ de la semilla, y es lo que produce la segunda entrada de agua.
Otro factor que regula la germinación es la luz. Se denominan semillas fotoblásticas positivas, aquellas requieren luz para germinar. Las fotoblásticas negativas son aquellas que no tienen requerimientos de luz. La calidad de luz está involucrada en la germinación, porque la luz roja promueve la germinación y la luz roja lejana y azul, inhibe la germinación.
El fitocromo está involucrado en las respuestas de las semillas a la luz. El fitocromo es un fotorreceptor, que según el tipo de radiación recibida, puede adoptar dos formas distintas y fotoconversibles entre sí. Se trata de una cromoproteína azul verde, constituida por una proteína, con actividad quinasa, y un grupo cromóforo, que absorbe luz. La forma Pr, inactiva y más estable, absorbe luz roja, transformándose en la forma Pfr, activa y más inestable, la cual puede absorber luz roja lejana, transformándose a la forma Pr. Los tipos de irradiación necesarios son muy cortos (flashes) y la intensidad lumínica baja (luz roja y roja lejana).
La forma Pfr también se puede convertir en la forma Pr en ausencia de luz (oscuridad). El pigmento se sintetiza como Pr (forma absorbente de rojo) y se degrada como Pfr (forma absorbente del rojo lejano).
La respuesta depende de la calidad de luz del último flash irradiado, será positivo si éste fue de luz roja, o negativo si fue de luz rojo lejano.
Reacción de inducción - reversión
Luz roja + luz roja lejana -
Luz roja
Pr Pfr respuesta
Luz roja lejana
Destrucción del pigmento
Síntesis oscuridad
El fitocromo está presente en casi todos los órganos vegetales, incluyendo raíces. A nivel subcelular, hay fotocromo en el núcleo, y el citosol, pero no en organelas ni membranas. Si la respuesta es positiva, hay un incremento de procesos biosintéticos o de crecimiento. Si la respuesta es negativa hay una inhibición de procesos fisiológicos (incluidos los de crecimiento). El mecanismo de acción es a nivel de síntesis de enzimas.
Permanentemente vamos a tener una relación entre Pr y Pfr en la naturaleza, allí no hay luz monocromática. La cantidad de Pfr que haya es la que va a determinar la ocurrencia de determinados procesos.
Las respuestas mediadas por fitocromos generalmente (no siempre) son fotoconversibles. El sensor de la luz es el fitocromo que promueve o reprime la germinación conforme sea el último flash de luz que recibió. Es decir, si el último flash fue de luz roja entonces casi todo el Pr pasa a Pfr y se promueve la germinación. En cambio si se los ilumina con un flash de 730 nm, entonces los fitocromos quedan mayoritariamente como Pr y no hay germinación. Lo que hace es inhibir la germinación.
Procesos tempranos:
a) Inhibición de la semilla: el primer proceso tiene lugar durante la germinación es la toma de agua por la semilla. El agua entra al embrión e hidrata proteínas. Las sustancias alimenticias se hacen asequibles para el embrión en presencia de agua. Las enzimas que hidrolizan sustancias de reserva se activan en presencia de agua. La entrada de agua es pasiva (por diferencia de Ψ entre la semilla y el medio) y ocurre tanto en semillas viables como en aquellas no viables. En las semillas viables la toma de agua continúa en forma activa para lo que se requiere E proporcionada por el metabolismo celular.
b) Reorganización de las membranas: con la toma de agua, las membranas recuperan la permeabilidad y selectividad que habían perdido por su desorganización durante la desecación.
c) Reanudación de la respiración: la reorganización de las membranas, posibilita la incorporación de oxígeno y la eliminación de dióxido de carbono (intercambio gaseoso). Además, la entrada de agua permite la hidratación y activación de enzimas respiratorias. Un segundo alimento en el intercambio gaseoso se debe a la rotura de la testa por la radícula. La formación de ATP y NADH aumenta la actividad metabólica.
d) Reorganización del ADN: la reparación del ADN lleva a la generación de ARNm y por ende a la codificación de proteínas fomentado el crecimiento.
Procesos tardíos:
a) Movilización de las reservas: transformación de macromoléculas de reserva en moléculas solubles más sencillas y utilizables por el embrión. Reacciones catalizadas por enzimas hidrolíticas, cuya actividad aumentó por activación o síntesis de nuevas enzimas, durante la germinación.
Carbohidratos: el ácido giberélico, hormona sintetizada por el embrión, es expulsado al endosperma, donde estimula la síntesis de alfa amilasa y su liberación, junto con la de otras hidrolasas. El ácido giberélico también activa la beta amilasa. La alfa amilasa está presente solo en semillas en germinación. Las otras enzimas están también en semillas sin germinar.
Proteínas: están almacenadas en los granos de aleurona y en los cuerpos proteicos del endosperma. La degradación de proteínas de reserva, por enzimas (proteasas) sintetizadas de novo o preexistentes activados. Las proteasas de la capa de aleurona son sintetizadas y secretadas bajo el control de las giberelinas.
Lípidos: los triglicéridos son transformados en glicerol y en ácidos grasos por las lipasas. Luego el glicerol, vía glucolítica, es transformado en piruvato. Los ácidos grasos, mediante beta oxidación, se convierten en acetil CoA y va al ciclo del glioxilato, generando carbohidratos.
b) División celular, seguida de alargamiento celular. Actividad metabólica del embrión y la E es proporcionada por las sustancias de reservas degradadas.
Regulación de la germinación por condiciones ambientales:
a) Agua: es necesaria para la imbibición de las semillas, sin las cuales las reservas no pueden rehidratarse, ni las enzimas hidrolíticas pueden activarse. La cantidad de agua que ingresa depende de la composición química de la semilla (menor en semillas ricas en lípidos que en ricas en proteínas), de la permeabilidad del tegumento seminal y de su disponibilidad en el medio.
b) Oxígeno: la mayoría de las semillas germinan bien con un 20% de oxígeno en la atmósfera. Otras lo hacen mejor cuando disminuye el contenido de oxígeno y otras resisten condiciones de anaerobiosis. La mayoría de las semillas no pueden germinar si aumenta la concentración de dióxido de carbono atmosférico.
c) Temperatura: las semillas solo germinan dentro de un margen de temperatura, siendo más bajas las temperaturas al comienzo de la germinación, debido a que el metabolismo y el crecimiento son bajos. El oxígeno se disuelve mejor a bajas temperaturas. La temperatura óptima oscila entre 25 y 30º C.
CRECIMIENTO
Es todo aumento irreversible de volumen. Involucra la sumatoria del aumento de volumen total de la planta. No debe confundirse crecimiento con morfogénesis. Ésta hace referencia a la adquisición de la forma, lo que comprende crecimiento, pero también involucra los patrones de división celular que participan en la definición de la forma. En cambio el crecimiento hace referencia exclusivamente al aumento de volumen.
El meristema hace referencia exclusivamente al conjunto de células totipontenciales que generalmente se encuentran en los ápices, en los meristemas primarios y también tenemos meristemas secundarios que no se encuentran en los ápices. En cambio el ápice o ápice meristemático hace referencia al meristema propiamente dicho y a los tejidos que lo protegen que generalmente pueden ser primordios de hojas.
En los meristemas se produce la división celular y se generan líneas celulares que darán origen a los diferentes tejidos. Sin embargo lo que determina el destino de una célula no es su ascendencia sino más bien su posición.
Hay que diferenciar los meristemas del tallo de los meristemas de las raíces. En ambos casos lo que determina el destino de una célula es la posición.
Los meristemas se encuentran en zonas de crecimiento. Estas zonas definen una excepción del tallo o de la raíz, donde se producen los siguientes procesos: la división celular o zona meristemática propiamente dicha, una zona de alargamiento y una zona de diferenciación. Es decir que para crecer es necesario que se produzca división celular, agrandamiento y luego diferenciación. Estos procesos se van superponiendo, pero de todas maneras pueden reconocerse estas zonas.
La zona meristemática está entre 1 y 2 mm a partir del ápice. La zona de alargamiento ocupa 3 o 4 mm posteriores, y la zona de diferenciación llega hasta 10 o 12 mm desde el ápice, o sea que ocupa como 6 mm.
En total la zona de crecimiento ocupa 12 mm. Después de esos 12 mm ya las células tienen el tamaño final y su destino definido (epidermis, elementos de conducción, etc.).
De manera similar, ocurre en el ápice de los tallos aunque la estructura no es exactamente igual, pero también hay una zona de división, otro de alargamiento y otra de diferenciación
¿Cómo se produce el crecimiento?
Como las células vegetales tienen pared celular que es como un exoesqueleto, el cual impediría el alargamiento, de no mediar determinados procesos.
Nº cél IV
Figura 1
III
Punto de
Inflexión
II
I
Tiempo
Germinación crecimiento dif. y
Absoluto envejec.
Cm/h punto de inflexión
Figura 2
Tiempo
Figura 1: en el tiempo 0 tenemos una célula con turgencia máxima porque ingresó agua, y esa agua ejerce una presión sobre la membrana celular, y ésta se apoya sobre la pared celular, la cual devuelve una presión de igual magnitud y sentido contrario, y allí tiene un Ψ= 0. Para que la célula crezca, la pared debe permitir una expansión y para que esto ocurra se produce lo que se llama relajación de la pared. Para que haya relajación de la pared, de alguna forma debe modificarse la estructura de la pared porque en un estado normal limita la expansión celular y gracias a esto la célula no estalla. El crecimiento principalmente se produce por la entrada de agua a la célula. El agua ingresa primero por acumulación de solutos y que provoca la entrada de agua, pero luego debe ocurrir la relajación de la pared, consiste en una desestructuración organizada y controlada de la pared de manera que permita un aumento de volumen celular controlado de manera que la célula no estalle.
Hay una teoría del crecimiento ácido que postula que en condiciones de acidez en la pared celular ocurre determinados cambios químicos entre las moléculas que permiten esa desorganización controlada. Las pruebas experimentales dicen que si nosotros ponemos un tejido vegetal en una solución buffer ácida, el medio ácido promovería el crecimiento a diferencia de un tejido colocado en un buffer neutro, que no promueve el crecimiento. Por otro lado, se vio que si se trataba el tejido con fuciccocina, que es una toxina de un hongo que activa la protón ATPasa, o sea, la activa permanentemente, entonces se acidifica la pared y por lo tanto, también habría promoción de crecimiento.
En un t= 0 el Ψ= 0. Las auxinas (hormona vegetal) inducen la acidificación de la pared celular. En t= 0 podemos tener dos condiciones: una de laboratorio, donde ponemos el tejido en pH buffer ácido o en la condición natural en las zonas de crecimiento, donde actúan las auxinas, llegan las auxinas a estas células e inducen la acidificación de la pared celular. Entonces llega el estímulo y la pared se acidifica, t= 1. Allí la acidificación permite la actividad de las expansinas y se modifican los puentes hidrógeno entre los diferentes polisacáridos y se produce la desorganización controlada de la pared que baja el potencial de turgencia.
En t= 0; Ψ= Ψp – Ψo= 1 -1= 0. En t= 1; Ψ= Ψp – Ψo= 0,5 – 1= -0,5, disminuyó el Ψ de turgencia de la pared. Esto hace que ingrese agua (t= 2) y la célula aumente de volumen (t= 3) pero la pared sigue igual y la pared se haría más finita. Pero esto no sucede porque simultáneamente que la célula está aumentando de volumen, se está sintetizando pared (t=3). La célula se va a estirar hasta que nuevamente el Ψp se vuelva igual que el Ψo. Porque como entra agua el Ψo baja y el Ψp se hace igual al Ψo y el Ψ se hace cero.
Al final del proceso tenemos una célula más grande con su pared formada que si hablamos de célula en crecimiento hablamos de la pared primaria. Una vez que se deposita la pared secundaria la célula ya no crece más.
Las células crecen en una determinada dirección. Si las células crecieron sin dirección tendríamos una masa amorfa. En los tejidos vegetales tenemos células de crecimiento isomorfo.
Figura 2: como pueden ser las células del parénquima foliar, por ejemplo, que son células redonditas o células que se encuentran en la región de crecimiento de un ápice que crecen en una determinada dirección que son anisomorfo. Esto tiene que ver con la forma en que están distribuidas las microfibrillas de celulosa en la pared celular. Cuando las microfibrillas de celulosa en la pared están distribuidas sin ningún ordenamiento es decir uniforme, en ese caso la célula va a aumentar de volumen en todas las direcciones. Es decir, está creciendo por crecimiento difuso porque no está polarizada, mientras que en las células de los ápices las microfibrillas de celulosa están distribuidas con una organización perpendicular a la dirección del crecimiento, por lo tanto tiene crecimiento anamórfico. Es lo que sucede por ejemplo, en el crecimiento del tubo polínico y se dice que la célula tiene las microfibrillas en una disposición transversal a la dirección del crecimiento porque la célula está polarizada, esto significa que la célula de alguna forma está detectando que es apical y que es basal.
La polarización de la célula fue estudiada en el cigoto de un alga denominada fucus. En ese caso cuando se forma el cigoto la célula no está polarizada, y luego de un período superior a 10 hs, la célula puede ser polarizada por efecto de la luz. Esto quiere decir que se va a determinar una región basal y una apical por efecto de la luz.
Se ha visto que tenemos el cigoto y el estímulo de luz y que del lado opuesto a donde incide la luz hay una enorme proliferación de canales transportadores de Ca++, por lo que se produce la entrada de Ca++ y en el lado donde está incidiendo la luz hay acumulación de bombas que sacan el calcio, esto está produciendo una corriente interna y variación de las concentraciones locales dentro de la célula de calcio. Con una alta acumulación por ejemplo 400 nM en el lado opuesto a la luz y 100 nM en el lado donde incide la luz. Si antes de las 10 hs giramos la célula todo se relocaliza y si la volvemos a girar se vuelve a relocalizar, hasta que llega ese período límite de 10 a 12 hs en la cual, una vez establecido ese gradiente, por más que giremos la célula ya no se relocaliza más, y de esta manera queda definido una región apical y una región basal, y luego cuando se produce la primera división celular del cigoto, va a dar origen a dos células de las cuales una es de menor tamaño que va a dar origen al rizoide y la otra de mayor tamaño va a dar origen al tallo.
En el crecimiento del tubo polínico también se han detectado estas corrientes de Ca intracelulares. El punto es la definición de la dirección del crecimiento en un determinado sentido, porque están polarizados, y la polarización aparente se alcanza por el mecanismo de corrientes de Ca y células que no están polarizadas que crecen en las tres direcciones.
El crecimiento diferencial es parte de la morfogénesis, porque si tenemos células que crecen en una determinada dirección y otras que crecen por igual, ya nos está definiendo una forma.
Vimos los patrones de división celular y patrones de agrandamiento celular como determinantes de la morfogénesis. Estos patrones determinan el crecimiento de los órganos (raíz, tallo, hojas) y correspondientemente el crecimiento del individuo.
Teniendo en cuenta que el crecimiento es todo aumento irreversible de volumen podemos medir el crecimiento absoluto en el crecimiento total. Si tomamos una hoja desde que comienza a desarrollarse a partir de una yema hasta que termina su expansión o medimos en esa hoja de longitud, el área foliar o por ejemplo tomamos un individuo y le tomamos parámetros como el peso seco o peso fresco, en ciertas condiciones muy controladas, o la longitud del individuo, independientemente de lo que estemos midiendo, un órgano o un individuo, vamos a encontrar una curva ideal de crecimiento (Figura 1), vamos a encontrar aproximaciones a la curva ideal. Si hablamos de una curva de crecimiento absoluto o total, la variable independiente es el tiempo, y la variable dependiente es el parámetro que nosotros le estamos midiendo y que puede ser longitud= cm, área foliar= cm2, PS y PF (en condiciones muy controladas para evitar el problema de pérdida de agua por transpiración), en el caso de un fruto, cuya transpiración es muy baja, es válido medir el PF. También se puede poner como variable dependiente al número de células, pero hay que tener cuidado porque por ejemplo, en el cigoto hay divisiones sin que haya aumentando irreversible de volumen.
En la curva podemos distinguir tres fases:
I Fase de retardo: que se caracteriza porque hay una preparación a nivel meristemático para dar inicio a la división celular, esa preparación involucra procesos de señalización, síntesis de compuestos metabólicos, multiplicación de mitocondrias.
II Fase exponencial: hay un gran número de divisiones celulares. En esta fase tiene gran importancia la actividad de las hormonas vegetales, tales como citocininas y auxinas.
III Fase lineal o de alargamiento propiamente dicho: principalmente importa la actividad de auxinas y giberelinas.
IV Fase de diferenciación y envejecimiento: no hay prácticamente crecimiento debido a que predomina el proceso de diferenciación y posteriormente de envejecimiento
Si hacemos una curva de velocidad de crecimiento (Figura 2), en el eje Y podemos poner, por ejemplo, si estamos midiendo longitud ponemos cm/hs. La curva ideal nos indica que a partir de la fase de reposo la velocidad de crecimiento va en constante aumento hasta que llega a un punto de inflexión que corresponde al punto de inflexión de la curva de crecimiento absoluto. A partir de ese punto la velocidad de crecimiento comienza a disminuir.
La curva de crecimiento absoluto, por ejemplo, podría corresponder al crecimiento de la raíz a partir de la radícula. La curva podría dividirse en una parte que ocurre antes de la Fase I, que es la germinación, luego una parte de crecimiento (Fases I, II y III) y una parte de diferenciación y envejecimiento (Fase IV).
Regulación del crecimiento:
Habíamos visto que el fitocromo era un regulador, que de acuerdo a la intensidad de luz, regulaba la germinación de la semilla, pero también el fitocromo sirve para regular lo que se llama evitación del sombreado (el alargamiento de la planta en su búsqueda de la luz). Cuando una planta germina debajo de la sombra de otra planta, no recibe directamente la luz del sol, por lo tanto está recibiendo una proporción más alta de rojo lejano que de rojo; en esas condiciones vamos a tener el fitocromo mayoritariamente en la forma del rojo como “Pr”, y en esas condiciones el tallo se alarga y la planta crece hasta que encuentra la luz solar, y varía la proporción de rojo, rojo lejano y comienza a haber mayor cantidad de fitocromo en la forma del rojo lejano sensible “Pfr”, esta forma inhibe el crecimiento y allí se detiene el alargamiento de la planta. El mecanismo por el cual el fitocromo regula el crecimiento no está claro todavía.
Lo más llamativo de la regulación del crecimiento por luz azul es el fototropismo. Los tropismos son movimientos que tienen las plantas en dirección a un determinado estímulo. Los más conocidos son el fototropismo y el gravitropismo.
El fototropismo es producido por la luz azul y crecen inclinados hacia la fuente de luz. Este fototropismo se ha relacionado con la presencia de una flavoproteína a nivel de la membrana plasmática, que de acuerdo a la incidencia de luz se fosforila. Estos estudios se realizaron principalmente en coleoptilos, que es una hoja especializada que se encuentra especialmente en las monocotiledóneas protegiendo la primera hoja verdadera que la ayuda a emerger del suelo sin que se dañe la primera hoja. Si tenemos la luz incidente del lado derecho, esa flavoproteína que se encuentra en la membrana, y que se fosforila cuando tenemos la luz incidente de un lado, se forma un gradiente de luz incidente siendo mayor la cantidad de luz del lado derecho que del izquierdo. Este gradiente determina que haya mucho criptocromo fosforilado del lado de la luz que del otro lado, y esto tiene relación con las auxinas.
Hormonas vegetales:
a) Auxinas:
La auxina natural que se encuentra en casi todas las plantas es el ácido indol acético (AIA), y también se pueden encontrar otras y también hay de carácter sintético, hay regiones de crecimiento de naturaleza auxinita, no son auxinas, porque no son naturales.
Las auxinas tienen una multiplicidad de funciones y son las únicas hormonas vegetales que tienen un transporte polar, o sea que se transporta de un sitio a otro invariablemente. Ese transporte polar es basipétalo en el tallo, es decir, desde el meristema apical hacia la base, y acropétalo en la raíz desde la base hacia los puntos de la raíz.
Otra característica es que las concentraciones de auxinas que son inductoras del crecimiento del tallo que va de 1 a 10 micro M, son inhibitorias del crecimiento de la raíz. Toda la concentración de auxinas superior a 1 micro M en la raíz es inhibitoria, pero menos que esto es inductora en la raíz.
Las auxinas se biosintetizan a partir del triptofano. Un bioensayo es un test diseñado para detectar la presencia de un determinado compuesto en un material biológico y eventualmente cuantificarlo. El bioensayo típico para detectar la presencia de auxinas en un material biológico, es el ensayo de curvatura del coleoptilo donde no solo nos demuestra la presencia de la hormona, sino que de acuerdo al grado de curvatura del coleoptilo podemos tener una estimación semicuantitativamente de la cantidad de auxinas que había en el material biológico. De todas maneras con los métodos analíticos que tenemos ahora la cuantificación por bioensayo ha quedado relegada. Otro bioensayo para la presencia de auxinas es la formación de raíces en estaca, proceso que se denomina rizogénesis, inducido por auxinas. La mayoría de los estudios de las auxinas sobre crecimiento se han realizado en coleoptilos o en secciones aisladas de tallo.
Uno de los bioensayos para presencia de auxinas lo constituye el crecimiento recto del coleoptilo. El coleoptilo como está criado en oscuridad es sensible a la luz, normalmente se decapita entre 2 a 5 mm del ápice del coleoptilo donde se encuentra la zona meristemática productora de auxinas y se toma una sección de 1 cm, y a esta se lo somete a bioensayos. Si en el material que estamos analizando hay auxinas, este coleoptilo será inducido su crecimiento y la longitud que crezca también va a tener relación con la concentración de auxinas que estaba presente en el material vegetal. Este es el test de crecimiento recto.
El test de crecimiento curvo es cuando tenemos el coleoptilo, lo decapitan y luego ponen la puntita apoyada en un lado, y del otro lado no podemos nada, entonces el coleoptilo se curva. En el de crecimiento recto se lo pone en una solución que tiene auxinas y entonces el coleoptilo crece, en el extracto tenía auxinas por eso se le saca el ápice para que no haya una fuente de auxinas.
Las auxinas se pueden transportar en una sola dirección. No tiene nada que ver con la gravedad. El transporte polar se produce a nivel de las células acompañantes del xilema, y está mediada por receptores específicos de las membranas de la célula. Cuando las auxinas se encuentran en el citoplasma, se ionizan y se encuentra como un anión, por medio de transportadores específicos sale favorecida a favor de un gradiente electroquímico a la pared celular. En la pared celular el pH es ácido, por lo tanto la auxina se protona y mediante un cotransporte es introducida a la célula nuevamente y se repite el proceso. Gracias a los transportadores que se encuentran en las membranas apicales que ingresan las auxinas, y gracias a los transportadores que se encuentran en las membranas basales que las sacan, las auxinas se van transportando de manera polar.
Las auxinas se producen en los ápices y luego se distribuyen de forma polar a lo largo del tallo. Si tenemos una distribución uniforme de luz azul, este gradiente de flavoproteínas fosforiladas es uniforme (no hay un gradiente) a ambos lados del coleoptilo. Si variamos la fuente de luz azul, la ponemos de un lado, ahí se genera un gradiente de flavoproteínas fosforiladas y esto produce que la auxina sintetizada en el ápice no se distribuya de manera igual, sino que haga una difusión radial de auxinas desde el lado inclinado hacia el lado no inclinado. Este gradiente de fosforilación induce un movimiento radial, es decir transversal desde el lado inclinado al menos inclinado de las auxinas. La cuestión es que la concentración de auxinas disminuye en el lado inclinado y aumenta del otro lado. El resultado es un crecimiento diferencial del coleoptilo, creciendo más del lado que no da la luz y que se acumulan las auxinas, entonces se dirige hacia la luz. Es decir que los tropismos, que son movimientos de las plantas en dirección de un determinado estímulo, e involucran un crecimiento diferencial, en este caso el fototropismo está mediado por una distribución diferencial de la auxina que promueve el crecimiento diferencial. Las auxinas no solo pueden transportarse por células acompañantes del xilema en un transporte polar, sino que también tienen un transporte apolar a nivel del floema, aunque de menor magnitud y de menor implicancia a nivel fisiológico.
Las auxinas también están involucradas en el geotropismo positivo de las raíces, en los tallos el geotropismo es negativo. Existen en la caliptra unas células especializadas que se llaman estatocistos, que tienen amiloplastos (orgánulos de reserva de almidón), con una densidad superior a la del citoplasma, por lo tanto siempre van a estar hacia debajo de la posición como se encuentra la célula. Estos amiloplastos se apoyan en el retículo endoplásmico, el cual es un reservorio de Ca++ intracelular. Los amiloplastos ejercen una presión uniforme sobre el retículo de los estatocistos y estos liberan Ca++ de manera uniforme. Si tomamos la raíz y la ponemos horizontal, después de un determinado tiempo los amiloplastos van a sedimentar en la cara de la célula que quedó hacia abajo, pero cuando sedimentan como el retículo no tienen una distribución uniforme en la célula, va a suceder que va a haber una presión diferencial de los amiloplastos sobre el retículo, van a quedar amiloplastos que no van a apoyar sobre la pared del retículo y otros que si van a apoyar. Los retículos endoplásmicos van a liberar Ca++ solo en las zonas donde tienen la presión, eso genera señales diferenciales de Ca que promueven lo siguiente. En la posición normal tenemos la auxina sintetizada en el ápice que es transportada en dirección basipétala en tallos y acropétala en raíces, y se redistribuye a la zona de crecimiento de manera homogénea, entonces la raíz crece con geotropismo positivo. Cuando producimos la alteración al poner la raíz horizontal y se produce esta sedimentación diferencial de los amiloplastos, y se produce una señal diferencial de Ca++, se produce a su vez una redistribución de la auxina, pero a diferencia del fototropismo que se acumula la auxina y de ese lado crece más, en la raíz se produce una mayor acumulación de auxina en la parte que quedó para abajo, pero en la raíz la concentración de auxina sobre 1 micro M es inhibitoria del crecimiento, por lo tanto se inhibe el crecimiento en la parte de abajo y se estimula el crecimiento en la parte que quedó para arriba, y la raíz se dobla hacia abajo.
Las auxinas no solamente regulan procesos de crecimiento sino también participan en lo que se denomina crecimiento y desarrollo, es decir que aparte de lo que implica agrandamiento de volumen también implican patrones de división celular. Uno de los ejemplos más conocidos de la regulación por auxinas de la morfogénesis es la dominancia apical. Esto es el fenómeno por el cual el ápice del tallo regula el crecimiento de las yemas laterales inhibiéndola. Tenemos la yema apical que está inhibiendo el crecimiento de las yemas laterales, siendo mayor la inhibición en las yemas laterales que están más próximas a la yema apical. Conforme la yema lateral esté más lejos de la yema apical, el efecto inhibidor va disminuyendo, por eso las ramas de abajo crecen más que las de arriba. Sin embargo, la dominancia apical no se debe solo a la auxina, si bien ésta guarda gran importancia, pero también están las citocininas, o sea que guarda relación con la citocininas.
Las auxinas también son retardadoras de la abscisión foliar, que es el proceso por el cual se produce la caída de las hojas, y que se debe a la formación en la base del pecíolo de las hojas de una capa de células especializadas, y que se caracterizan porque tienen paredes celulares más débiles. También participan en la rizogénesis.
Las auxinas también participan en la diferenciación de callos junto con las citocininas, y de acuerdo al balance auxina/citocinina, o sea la proporción, un callo puede diferenciarse en una planta completa, proceso que se denomina embriogénesis, o si la relación auxina/citocinina es muy alta puede dar lugar a la organogénesis, esto es la formación de un determinado órgano en detrimento del individuo. Entonces si la relación auxina/citocinina es muy alta puede dar lugar exclusivamente a partes aéreas, o si la relación auxina/citocinina es baja va a dar origen a raíces. Cuando la relación es la apropiada ocurre la embriogénesis y se da origen a un individuo completo.
En el alargamiento celular las auxinas lo promueven porque las auxinas al ligarse al receptor de la membrana de la célula blanco (célula en la zona de crecimiento) inducen una señal aparentemente mediada por calcio, o sea, cuando se une al receptor se abren los canales de Ca++ y entre, y eso dispara una señal que puede producir por un lado, la activación de la protón ATPasa de la membrana plasmática, o promover a la disminución del pH de la pared celular, lo cual lleva a la relajación de la pared y crecimiento.
La diferencia de poner a las células en pH ácido o hacerlas crecer con auxinas es que el efecto de relajación de la pared, inducido por auxinas, es mucho más extendido en el tiempo que si la colocamos en un buffer de pH ácido. Si tratamos al tejido con un veneno metabólico puede verse que se bloquea la cadena de transporte de electrones en la mitocondria o en el cloroplasto. En el coleoptilo como no hay cloroplastos, el veneno metabólico bloquea el transporte de electrones en la mitocondria solamente. Entonces si trato un coleoptilo en crecimiento con veneno metabólico, la auxina no tendrá efecto porque no hay ATP.
La auxina no promueve la entrada de agua porque solo promueve la relajación de la pared, y como consecuencia entra agua pero la auxina no promueve directamente la entrada de agua.
Resumen:
Sitio de síntesis: tejidos jóvenes y especialmente en yemas y ápices, a partir del triptofano.
Transporte: unidireccional desde el ápice a la base de la planta. Mediado por transportadores. Es polar del ápice a la planta. Se mueven de la pared al citosol por contransporte con protones. El pH mayor del citosol hace que el grupo carboxilo de la auxina se disocie y quede hidrolizada, luego sale del citosol a la pared, con pH bajo, se une a un protón y vuelve a su estado sin carga. Es activo a largas distancias y pasivo a cortas.
Efectos: producen alargamiento celular, especialmente en coleoptilos y tallos. La auxina más importante es el Ácido Indol Acético (AIA), en la luz se deteriora. Estimulan el crecimiento a bajas concentraciones pero a altas lo inhiben. Son activas cuando están libres. Son inactivas cuando se ligan a azucares, donde se transportan y almacenan. Promueven la diferenciación de raíces. Favorecen el tropismo, la floración, embriogénesis, dominancia apical, diferenciación vascular. Inhiben el crecimiento de yemas laterales y retardan la abscisión foliar. Las citocininas y giberelinas estimulan el aumento de auxinas, el etileno la reduce.enes sitio
b) Giberelinas:
Promueven el crecimiento, morfogénesis y desarrollo. Se diferencian de las auxinas porque inducen el crecimiento en la planta, mientras que las auxinas inducen el crecimiento en las zonas de crecimiento de los ápices.
Las giberelinas son sintetizadas en las zonas meristemáticas, al igual que las auxinas y se transportan por floema. El proceso por el cual las giberelinas inducen el crecimiento de la planta entera esta relacionado con su actividad como agente etiológico que colabora en el agrandamiento de la pared y en la producción de osmolitos que bajan el Ψ celular y provocan la entrada de agua. Las giberelinas están muy relacionadas con el metabolismo de los azúcares, la degradación de almidón a través de las alfa amilasas. Entonces se ha propuesto que las giberelinas participan en el alargamiento celular, ya que promoviendo el metabolismo de los azúcares promueven la formación de nuevos materiales para la síntesis de pared celular y la acumulación de osmolitos en la célula que baja el Ψ celular.
En cuanto a la morfogénesis las giberelinas están vinculadas con la ruptura de la latencia de yemas que no hay que confundirlas con inhibición de yemas por dominancia apical. La latencia de yemas son yemas que están inhibidas de su crecimiento aún cuando las coloquemos en condiciones adecuadas para el crecimiento. En el caso de la dominancia apical las yemas secundarias están inhibidas por la yema apical primaria, y esa inhibición no es revertida por giberelinas.
Las giberelinas rompen la latencia de las yemas porque disminuyen los niveles del ABA, que es el que provoca la latencia. Entonces si tenemos yemas secundarias que en invierno no van a crecer y le aplicamos giberelinas, aún en invierno estas yemas van a crecer. Esto quiere decir que cuando se termina el período de reposo de las yemas, lo que se produce en un cambio en los niveles de hormonas, o sea, baja el ABA y aumenta la giberelina que promueve el crecimiento de la yema.
Las giberelinas también están implicadas en la morfogénesis en las plantas dependientes de la luz. Las plantas, de acuerdo a su respuesta al fotoperíodo, pueden clasificarse en plantas de días cortos y plantas de días largos. En el caso de las espinacas, cuando se las mantiene en un régimen de día corto, estas permanecen arrocetadas. Cuando se las cambia a un fotoperíodo de día largo crecen abandonando la forma arrocetada, y aparte florece, en cambio en día corto no florecen. Si mantenemos las plantas en día corto pero le agregamos giberelinas abandona el fenotipo arrocetado y crece, lo que indica que la giberelina está reemplazando al fotoperíodo. De todas maneras las giberelinas reemplazan al fotoperíodo y las hacen crecer como las de día largo pero no inducen la floración.
Las plantas de día corto (PDC) son las que requieren que las horas de iluminación no sobrepasen un máximo. Las plantas de día largo (PDL) son las que requieren que las horas de luz/día estén por encima de un mínimo. Es decir que, una planta de día largo en condiciones de día corto (no inductiva), puede florecer con sólo iluminar unos minutos durante la noche. Por el contrario, las plantas de día corto en condiciones de plantas de día largo, no pueden hacerlo por más que se sometan a oscuridad durante un tiempo del día.
El nivel de giberelinas en un órgano, al igual que las auxinas, dependen de su síntesis, su transporte, también hay formas almacenadas conjugadas con azúcares (con la función de protegerlas de su degradación al igual que las auxinas) y su degradación.
Resumen:
Sitio de síntesis: a partir del ácido Mevalónico, se sintetiza en tejidos jóvenes del tallo, en semillas y raíces.
Transporte: ligadas a azucares o a glicoproteínas. Por el floema el transporte es multidireccional o polar y por xilema es no polar.
Efectos: alargamiento de entrenudos. Estimulan el alargamiento y división celular. Inducen la germinación estimulando la síntesis y liberación de alfa amilasas. Regulan la movilización de reservas después de la inhibición. No pueden actuar en ausencia de auxinas.
c) Citocininas:
Son sintetizadas en los ápices radicales y se distribuyen al resto de la planta vía xilema con las corrientes de agua. Tienen muy poca participación en el alargamiento celular, su principal actividad está en la morfogénesis (desarrollo). Participa en el crecimiento de un individuo pero no tiene participación en el alargamiento celular.
Si tenemos una plantita con dominancia apical marcada y a una yema secundaria que está inhibida por la auxina por la yema apical, y le agregamos citocininas, la rama crece. Quiere decir que agregando citocininas vencemos la dominancia apical. Aparentemente la auxina transforma al meristema en un sumidero de citocininas que vienen desde la raíz, como la concentración de auxinas en el meristema apical es más alta que la concentración de auxinas en las yemas laterales, la citocinina es direccionada al meristema apical y no se distribuye a las yemas laterales, y eso produce que las yemas laterales no tengan división celular, y por lo tanto están inhibidas en su crecimiento. Por eso cuando se corta la yema apical se está eliminando el sumidero de citocininas y estas se redistribuyen en las yemas laterales que comienzan a crecer.
Además las citocininas se caracterizan por transformar en sumidero de nutrientes a las células blanco, eso quiere decir que, por ejemplo, una hoja tratada con citocininas tendrá privilegios en cuanto a la obtención de recursos con respecto a una hoja que no fue tratada.
Las hojas jóvenes son sumidero de nutrientes en detrimento de las hojas viejas, porque las hojas jóvenes tienen mayores niveles de citocininas que las hojas viejas.
Otro aspecto importante de las citocininas es que promueven la división celular y expansión foliar. La citocinina está citada como un mensajero en el sistema de información raíz – parte aérea. Un caso muy conocido es el caso del nitrato. Por ejemplo, si tenemos una planta en condiciones experimentales nutricionales satisfactoria para el crecimiento, y si a esta planta la pasamos a un lugar con deficiencia de algún nutriente se produce lo siguiente: hay una disminución de movimiento de citocininas de raíz a parte aérea, y se favorece la provisión de auxinas a la raíz de manera que se promueve el crecimiento del sistema radical exploratorio del suelo. Pero si por ejemplo, tenemos la planta en un medio deficiente de compuestos nitrogenados (nitrato o amonio) y la pasamos a un medio con compuestos nitrogenados parece que la planta detecta la presencia del nutriente (con receptores) y se produce una inmediata síntesis de citocininas que es exportada a la parte aérea y esto promueve un aumento en el número de hojas y un aumento en el tamaño de las mismas, es decir que las citocininas aparentemente están funcionando como mensajero de la raíz en informar a la parte aérea la presencia de nutrientes. Por otro lado, se ha visto que existen genes en la parte aérea que se expresan exclusivamente, cuando suministramos nitrato a través de las raíces. En cambio cuando nosotros suministramos nitrato directamente a las hojas (salteamos la raíz) esos genes no se expresan. Para que estos genes se expresen le agregamos citocininas. O sea que las citocininas informan lo que las raíces están detectando. Eso se llama señalización a larga distancia (raíz – parte aérea).
Resumen
Sitio de síntesis: a partir del ácido mevalónico, se sintetiza en los ápices de raíces, semillas en desarrollo y en yemas.
Transporte: por corrientes de agua, por xilema, de la raíz al tallo.
Efectos: estimulan la división celular, el desarrollo de cloroplastos, la morfogénesis, la ruptura de la dominancia apical, el retraso de la senescencia, la apertura de estomas, la ruptura de la dormición, la floración y promueve la síntesis de clorofila. Si la relación entre citocininas/auxinas da mayor cantidad de citocininas se promueve la diferenciación de la parte aérea. Si la relación da mayor cantidad de auxinas se promueve la diferenciación de las raíces.
d) Etileno:
El etileno se haya asociado a la triple respuesta y con diversos procesos fisiológicos tales como la abscisión foliar, la epinástia, la maduración de frutos y el envejecimiento de flores y órganos. También hay producción de etileno cuando las plantas sufren algún tipo de estrés que puede ser daño mecánico o estrés por enfriamiento o baja disponibilidad de oxígeno en las raíces como resultado de un suelo inundado.
Una planta de suelo mesófito le inundamos el suelo donde se encuentra presentaría marchitamiento temporario, esto se produce por la epinastia. Porque el etileno se sintetiza a partir de la metionina e involucra bastantes reacciones químicas, una de las cuales requiere la presencia de oxígeno para se forme un precursor del etileno que se denomina ACC, sufra una oxidación y continúe la biosíntesis hasta llegar al etileno. En las raíces que están en baja disponibilidad de oxígeno esa reacción no ocurre, entonces ese precursor ACC se acumula en las raíces y se exporta hacia la parte aérea por el xilema. Como la parte aérea está en contacto con el oxígeno continúa la biosíntesis y se forma el etileno, pero como se está exportando mucho ACC, porque no se está procesando en la raíz, la concentración de etileno en la parte aérea aumenta, y eso produce que los tallos, pecíolos, crezcan más en la cara adaxial que en la parte abaxial, y entonces los pecíolos se caen y tenemos plantas que a simple vista están con una marchites temporaria aún cuando están en un suelo con muy buena disponibilidad de agua. Parecen marchitas, pero no tienen deficiencia hídrica, pero su aspecto es como si tuvieran déficit hídrico. Una vez que se retira el exceso de agua nuevamente el ACC se procesa en las raíces, y como es un gas, éste difunde a partir de las raíces, se pierde y no se exporta el ACC a la parte aérea, y luego de un período las plantas recuperan el aspecto normal.
Finalmente el etileno también está involucrado en lo que se denomina la abscisión foliar. En un principio se pensaba que el agente inductor era el ABA, de allí toma su nombre, pero fue un error de interpretación de los resultados y en realidad lo que produce la abscisión foliar es el etileno y no el ABA.
Resumen
Sitio de síntesis: a partir de la metionina, se sintetiza en tejidos con respuesta al estrés y en tejidos sencescentes y en frutos.
Transporte: por difusión (ya que es un gas), sus precursores pueden ser transportados a distancia (por ejemplo el ACC).
Efectos: ruptura de la dormición, diferenciación de tallo y raíces (alargamiento), formación de raíces adventicias, senescencia de hojas y flores, maduración de frutos, abscisión, inhibe alargamiento del tallo y estimula su engrosamiento. Auxinas estimulan la síntesis de etileno. Esta relacionado a estrés hídrico, anoxia y estrés mecánico.
e) Ácido Abscísico (ABA):
Es una hormona vegetal que la situamos como hormona inhibidora del crecimiento y de resistencia al estrés. Los bioensayos son inhibición de la germinación, inhibición de la inducción de alfa amilasas y giberelinas, inhibidoras del crecimiento recto de coleoptilos.
El ABA puede ser producido por cualquier célula de la planta, aunque preferentemente también se produce en regiones meristemáticas, y puede ser transportados por floema o xilema.
El nivel de ABA puede ser regulado por la biosíntesis, por la degradación o por reguladores. Se lo considera un antagonista de la actividad de citocininas, auxinas y giberelinas.
Por ejemplo, el ABA está involucrado en la maduración de semillas y como sabemos en la inhibición de la germinación y en la desecación de las semillas. Cuando se produce la desecación de las semillas, que quedan con porcentajes de agua muy bajos, algo debe proteger a las proteínas, a los ácidos nucleicos, a los lípidos de membrana, de tremenda desecación. Cuando se produce desecación de las semillas se induce durante el proceso la síntesis de un determinado tipo de proteínas que se denominan LEA (proteínas de embriogénesis tardía) que se caracterizan por ser fuertemente hidrofílicas y retienen moléculas de agua, y se cree que estas proteínas mantienen un entorno que permiten la conservación de los otros compuestos.
La síntesis de las proteínas LEA está inducida por ABA. Cuando hablamos de latencia embriogénesis se produce por altos niveles de ABA con respecto a giberelinas. El ABA está involucrado en el cierre estomático. También está involucrado en la latencia de yemas. También es un promotor de la senescencia foliar por mecanismos independientes del etileno.
Respecto del estrés se ha propuesto que el ABA promueve cierre estomático de dos formas. Un cierre estomático temporario es producido por la liberación de ABA acumulado en el cloroplasto y aparentemente se debería de la detección hídrica a nivel local. Si persiste la condición de deficiencia hídrica, esa baja en la disponibilidad de agua que está detectando la raíz es informada a la parte aérea liberando ABA al xilema, este nuevo ABA que llega a las hojas produce un cierre estomático más prolongado. También el ABA ha sido propuestos como un mensajero de la raíz a la parte aérea en plantas que son sometidas a contaminantes con metales pesados. Es decir, la raíz detecta la presencia de osmolitos pesados e informa a la parte aérea que algo pasa, y se ha asociado la liberación de ABA de raíces en estas plantas con una mayor resistencia a la contaminación por metales pesados. O sea, en este tipo de plantas hay mayores niveles de ABA.
También pretratamientos de plantas con ABA le confieren a las plantas posibilidades de soportar mayores niveles de algún estrés hídrico. Por ejemplo, si tenemos una planta mesófita y la sometemos a un estrés hídrico generando en el suelo un Ψ= -1, que para una mesófita es un cuarto estrés hídrico. Porque estas se manejan entre -0,2 y -0,3, la capacidad para soportar este estrés puede ser aumentando se previamente lo tratamos con ABA. Es parecido o guarda relación con el proceso que se denomina rusticación, es el proceso por el cual nosotros sometemos a las plantas a condiciones de estrés subletales durante un período de tiempo, y este pretratamiento permite que las plantas puedan soportar posteriormente condiciones de estrés más severas que sin pretratamiento. Lo que sucede durante la rusticación es que aumenta la biosíntesis de ABA entre otros efectos, se ha demostrado que el Ca++ funciona como memoria. Otro grupo de hormonas son las brasinoesteroles, que como su nombre lo indica son hormonas de origen esteroidal y cuya función se encuentra ligada a la de otras hormonas, como pueden ser las auxinas, en el sentido de que colaboren con la inducción de determinados procesos por auxinas; o pueden tener efectos independientes como por ejemplo, la inhibición del crecimiento de raíces. Fueron los últimas hormonas descubiertas.
Otro efecto importante del ABA que en condiciones de estrés mantienen a las plantas capacitadas para la resistencia al estrés y una forma es inhibiendo el crecimiento, entonces todos estos recursos están direccionados a mantener las funciones metabólicas vitales, y una vez que pasa el estrés, los niveles de ABA caen y puede continuar el crecimiento.
Resumen
Sitio de síntesis: a partir del ácido mevalónico, se sintetiza en tejidos viejos y/o sometidos a estrés hídrico y en hojas maduras.
Transporte: exportado de las hojas por floema, circula hacia las raíces por floema y retorna al tallo por xilema.
Efectos: cierre de los estomas, transporte de fotosintetizadotes hacia la semilla en formación, síntesis de proteínas de almacenamiento. Regulación de la dormición en semillas. Inhibe la estimulación de alfa amilasas. Inhibe la germinación. Inhibe transporte de protones. Disminuyen las citocininas porque hay menor entrada de agua. Estimula la síntesis de proteínas de estrés.
a) Edad evolutiva de meristemas:
Las plantas pueden tener distintos tipos de crecimiento:
a) Crecimiento indeterminado: cuando tenemos un tallo o una raíz que va creciendo y va dando origen a nuevos individuos.
b) Crecimiento determinado: cuando el individuo crece forma estructuras reproductivas, muere (eso puede ocurrir en un año o en 100 años).
c) Crecimiento intermedio: entre el determinado y el indeterminado, es especialmente con estructuras reproductivas asexuados como pueden ser estolones y tubérculos.
Lo que determina que las plantas tengan un crecimiento determinado, indeterminado o intermedio, es la evolución de los meristemas. Los meristemas primarios son el meristema apical y el meristema basal, que en un embrión darán origen al tallo y a la raíz respectivamente. Después tenemos los meristemas secundarios que se originan a partir de los primarios. A diferencia de los animales, por ejemplo, en el ser humano podemos distinguir una etapa de lactancia, otra de niñez y una etapa de adultez, en donde los cambios ocurren en todo el organismo, el paso de una etapa a otra. En las plantas los cambios solo involucran a los meristemas, por ello hablamos de evolución de los meristemas. La ontogenia vegetal comprende todos los cambios morfogenéticos (división y crecimiento) que encontramos en el individuo desde una estructura reproductiva hasta que se forma nuevas estructuras reproductivas (desde la embriogénesis hasta la formación de nuevos estructuras reproductivas). Todos esos cambios involucran la morfogénesis que están adentro de la ontogenia.
La morfogénesis guarda relación con la edad evolutiva de los meristemas, así tenemos una etapa embrionaria, que pueden tener ya sea semillas y yemas que preceden el crecimiento vegetativo. Cuando la semilla germina, comienza el crecimiento que está dado por la división y el crecimiento de las células que van generando raíces, tallos y hojas. Estas raíces, tallos, hojas y yemas derivadas de la primaria, se encuentra en estado juvenil y que por lo tanto no son competentes para formar estructuras reproductivas. La competencia es la característica por la cual un meristema adquiere la potencialidad para formar estructuras reproductivas. El cambio en ese meristema por el cual pasa a ser un meristema vegetativo a ser un meristema, pero con potencialidad para formar estructuras reproductivas se llama cambio de fase, y está vinculado con diversos factores como pueden ser algo como el tamaño de la planta, la temperatura y por la actividad de hormonas como la giberelina.
Cuando un meristema pasa a ser competente, a ser reproductiva, es decir que solo va a formar estructuras reproductivas, ya no va a formar más estructuras vegetativas se dice que el meristema está determinado o fue determinado. Que el meristema este determinado no necesariamente significa que se exprese, puede ser que esté determinado para formar estructuras reproductivas pero que no las forme porque está necesitando de una segunda señal que lo obligue a expresarse. Esto ocurre en algunos casos, en otros pronto se determinan estructuras reproductivas sin necesitar una segunda señal.
Es decir que en la evolución de un meristema, definimos a fase juvenil que solo forma estructuras reproductivas, luego la fase competente y seguir formando estructuras vegetativas, pero tiene la potencialidad para formar estructuras reproductivas, pero a su vez puede llegar a necesitar una segunda señal para que se exprese. Una vez que en las plantas de crecimiento determinado se expresan estructuras reproductivas, concluye la morfogénesis y luego de eso viene la senescencia que se caracteriza por la ausencia de organogenia.
Con respecto al tamaño de la planta se hicieron experimento en las que se vio que, por ejemplo, tenemos una plantita de tabaco en la cual la yema no ha sido aún determinada es competente, pero no está determinada y lo que se hace es cortarle la yema apical entonces comienza a crecer una yema lateral que da origen a un tallo que tiene que crecer un determinado número de hojas para que se exprese (florezca). Si nosotros trasladamos el pedacito de la parte apical crece un número de hojas y nudos para que se produzca la floración. Pero si ya está determinado al momento de la decapitación, la yema que crece ya produce flores.
Eso quiere decir que hay alguna señal de las hojas y que es necesario un número x de hojas para que las yemas se determinen, en el otro caso no porque las yemas que estaban determinadas. Los azucares están implicados en la determinación, sin embargo se requieren otros elementos compuestos para la maduración del meristema.
La forma de distinguir si una planta se encuentra a simple vista en estado juvenil o en estado adulto puede ser por ejemplo, observando las hojas. Las hojas provenientes de la actividad de meristemas en diferentes estados fisiológicos van cambiando de forma a medida que avanzamos en la edad fisiológica, eso quiere decir que la heterofilia nos puede indicar la edad evolutiva de un meristema. En el caso de los cítricos, la presencia de espinas en el tallo nos indica que estamos en regiones originadas por meristemas juveniles, y la ausencia de espinas nos indica que se encuentra en una etapa adulta vegetativa con potencialidad para formar estructuras reproductivas. Otro factor que regula el pasaje de juvenil a maduro son las hormonas.
Figura 1
Oscuridad
Varios días
A B
En el gráfico 1 tenemos a la izquierda hojas de diferentes nudos de una planta a la izquierda en estadio juvenil, y a la derecha tratados con ácido giberélico (lo que se trata con ácido giberélico es la yema) y a su vez hojas de distintos nudos. Vemos que el ácido giberélico es más efectivo cerca del ápice donde los meristemas son más maduros, y es menos efectivo donde los meristemas son más juveniles. Esto indica que conforme maduran los meristemas son más receptivos a la acción de la hormona y cuando son juveniles no son receptivos a la acción de la hormona. Esto nos indica que la adquisición de competencia puede estar mediada por la acción de hormonas.
En el gráfico de abajo (figura 2), cuando hablamos de maduración de meristema, vamos a tener meristemas juveniles en la base de la planta y los meristemas más maduros, conforme nos acercamos al ápice. Entonces hablamos de edad fisiológica de meristemas que va desde juvenil a maduro. Pero es al revés de la edad cronológica porque las primeras hojas que aparecieron son las de la base, por lo tanto son los más viejos y las del ápice son las más jóvenes.
Los meristemas juveniles son los de la base (edad fisiológica), las hojas jóvenes son las del ápice (edad cronológica). Otra forma en que se ve reflejado la madurez fisiológica de los meristemas esta dada, por ejemplo, en la retención de hojas durante el período de reposo (por ejemplo invierno) las zonas jóvenes retienen más hojas que las maduras.
También en el tamaño de las hojas siendo más grandes en las zonas juveniles y más pequeñas en las zonas maduras. Puede indicar la edad del meristema. También la capacidad de enraizamiento en el caso del meristema radical, tienen mayor capacidad de enraizamiento los meristemas jóvenes que los meristemas adultos.
- +
Edad Edad
Cronológica fisiológica
+ -
El paso de adulto maduro a adulto reproductivo puede estar mediado también por hormonas y/o por el fotoperíodo, eso significa que de acuerdo al fotoperíodo un meristema puede permanecer en estado vegetativo competente o puede ser determinado. Si estamos hablando de fotoperíodo hablamos de períodos de luz y oscuridad. Es la capacidad que tiene un organismo de censar la duración de los períodos de luz y oscuridad. El fotoperíodo también regula la latencia de semillas, o sea no solo regula el paso de adulto competente a determinado y eso no es solo con las flores sino también a los meristemas de la raíz con capacidad para formar tubérculos (estructura reproductiva asexuada).
Las plantas de día corto son aquellas que para que su meristema se determine necesitan pocas horas de luz. Plantas de día largo se llaman a aquellas que necesitan una mayor cantidad de horas de luz. Es mejor pensar en plantas de noche larga y plantas de noche corta, porque en realidad lo que importa es la duración de la noche. Si nosotros tenemos una planta de día largo (noche corta), si nosotros la mantenemos en un régimen en que las horas de luz es mayor que las horas de oscuridad, la yema se determinará y florecerá. Si la ponemos en un régimen de día corto (noche larga), como la planta es de día largo quedará vegetativa la yema. Si a la noche la interrumpimos con un flash de luz de 5 minutos, por ejemplo, hemos cortado la noche y la planta forma estructuras reproductivas. A pesar de que la cantidad de horas de noche seguiría siendo larga, lo que importa es que cortamos la noche y la hicimos corta y un día largo.
En otro caso, con una planta de día corto (noche larga), la tenemos en noche corta, queda vegetativa, la pasamos a noche larga o día corto y forma estructuras reproductivas. Ahora la ponemos en noche larga pero la interrumpimos a la noche y la planta queda en estado vegetativo porque le cortamos la noche larga.
Entonces lo que las plantas están censando es la duración de la noche. Si durante la noche larga la interrumpimos con un flash de luz roja y la planta forma estructuras reproductivas, esto nos indica que está actuando el fitocromo. Si luego de suministrar luz roja, suministramos luz roja lejana, la planta queda en estado vegetativo. Esto nos indica que cuando le suministramos rojo transformamos todo el “Pr” en “Pfr” la planta florece, pero si inmediatamente le suministramos luego del rojo, rojo lejano vuelvo todo al “Pfr” a “Pf”.
Hay otro proceso por el cual se puede adquirir la competencia y es por lo que se denomina vernalización, que es el sometimiento de las yemas a un período de frío, más o menos extendido en el tiempo, entre 0 y 10º C en un período de semanas. Esto permite que las yemas adquieran competencia y que posteriormente puedan ser determinadas por el fotoperíodo. De esa manera se está asegurando que se produzca la floración luego de que pasó el período de frío y que los días comienzan a alargarse.
La adquisición de competencia se ve favorecida por condiciones que favorecen el crecimiento, es decir, si tenemos buena disponibilidad de nutrientes, luz, agua, todo eso favorece la adquisición de competencia. Mientras que condiciones de estrés mantienen el estado juvenil vegetativo y no favorecen la adquisición de competencia, y se puede dar el caso de que las condiciones de estrés produzcan lo que se denomina rejuvenecimiento, significa que yemas que ya eran competentes sometidas a condiciones de estrés vuelven a ser juveniles. Esto lo podemos ver por la forma de la hoja. Cuando ya está determinado ya no puede volver a atrás, no se produce el rejuvenecimiento. Lo que puede suceder es que esté determinado pero las condiciones no sean adecuadas para que se exprese. De hecho lo que el fotoperíodo hace es acelerar la expresión, pero puede haber yemas que ya están determinadas y que no reciben fotoperíodo adecuado, e inevitablemente se van a expresar pero en mucho más tiempo.
SENESCENCIA
Suele suceder que una vez que se produce la fructificación, la planta puede morir (para anuales) o entrar en período de reposo (para plurianuales). Luego de que se produce la fructificación, ocurre el proceso de senescencia o envejecimiento del individuo, o de los órganos en el caso de las plantas plurianuales, que envejecen las hojas.
Senescencia es una etapa donde comienzan a predominar los procesos catabólicos sobre los anabólicos. La senescencia es una de las formas en que se manifiesta la muerte celular programada. Es una desorganización organizada porque la ocurrencia del síndrome de senescencia implica actividad metabólica, o sea, requiere E, ya que se ha visto que impidiendo la producción de E a nivel mitocondrial, se retarda o detiene la senescencia.
La senescencia es un proceso que también requiere síntesis de proteínas. Esto se vio con inhibidores de síntesis de proteínas como la cicloheximida. Esto también produciría la muerte.
Los genes que se expresan durante el proceso de senescencia se denominan SAG (síndrome genes asociados a senescencia). Algunos codifican para proteasas que comienzan a liquidar proteínas, y así comienza la desorganización organizada, se van liberando aa que deben ser exportados desde la hoja senescente hacia los sumideros que puede ser frutos en formación o durante la maduración de la semilla.
Una enzima, cuya actividad aumenta durante la senescencia y que es regulada a nivel post traduccional y también a nivel transcripcional, es la glutamina sintetasa, que sintetiza glutamina que es una de las formas en que se exporta N en conjunto con la aspargina. Estos dos se mueven hacia los sumideros.
Existen mecanismos por los cuales la proteólisis es selectiva, y si no es selectiva existen mecanismos de reposición de la proteína. Puede ser selectiva por diversas razones, por ejemplo la actividad proteolítica, puede estar compartimentalizada, y de esa manera no se ponen en contacto las proteasas con sus sustratos, además las proteínas sustratos pueden estar en presencia de cofactores que modifican la estructura de las proteínas, e impiden que los sitios blanco a las proteasas no queden expuestos. En el caso que no ocurra esta situación, las proteínas que están siendo degradadas pero que son necesarias se rompen con una síntesis más elevada. Además las proteínas pueden estar sin su sustrato o cofactor y tampoco ser blanco de las proteasas porque necesitan ser marcadas para ser protealizadas. Esa marcación la pueden hacer mediante el sistema de ubiquitina que señalizan las proteínas para que sean degradadas.
Uno de los parámetros que se utilizan para estudiar el síndrome de senescencia es la evolución del contenido de aa libres en un tejido. Otro parámetro podría ser el estudio de la evolución de la actividad de glutamina sintetasa. Hay dos tipos de glutamina sintetasa: una es cloroplástica y otra citoplasmática. La cloroplástica, es la que está involucrada principalmente en las variaciones de glutamina sintetasa conforme la disponibilidad de N que tenga el vegetal. La citoplasmática está involucrada en el síndrome de senescencia.
Entre los genes asociados a la senescencia se encuentran algunos asociados a la gluconeogénesis y el ciclo del glioxilato. Se activa la gluconeogénesis porque uno de los primeros orgánulos que empieza su deterioro es el cloroplasto, y de esa manera nos quedamos sin fuente de E, entonces se empiezan a degradar lípidos y de esa manera a través de la gluconeogénesis se obtiene E para que funcione la mitocondria por eso es característico que cuando empieza la senescencia se empieza a perder las clorofilas. También se procesan los ácidos nucleicos y se rescata el fósforo y se lo exporta. Es decir, que con estos ejemplos nos damos cuenta que la senescencia es un proceso activo de descarga organizada por eso, es uno de los tipos de muerte celular programada. Si observamos hojas senescentes, estas están turgentes, esto nos dice que es requerido que la permeabilidad selectiva se mantenga. No obstante la permeabilidad de membrana es uno de las últimas características que pierde la célula antes de la muerte, esta membrana comienza a deteriorarse, pero especialmente las membranas de los orgánulos, en donde comienzan a ser digeridos los lípidos de esa membrana. Durante su catabolismo producen una molécula que es indicadora de senescencia que es el malondialdehído y se considera que si aumenta indica que se inicia el síndrome de senescencia.
Factores que regulan la senescencia vegetal: existen factores endógenos como las hormonas. El etileno que puede inducir o acelerar la senescencia o el caso de las citocininas que la retardan pero no la impiden.
Entre los factores externos el envejecimiento de órganos o de individuos puede ser acelerado o retrasado por las condiciones ambientales. Las plantas maduras sometidas o algunas condiciones de estrés generalmente van a envejecer antes que las plantas controles. Es decir, una condición adversa puede adelantar el inicio del síndrome de senescencia con respecto a una planta control. Pero una condición de estrés o desfavorable lo puede retrasar a la senescencia una vez iniciado el síndrome de senescencia. Eso guarda relación con que la condición de estrés está afectando tanto la provisión de E, la síntesis de proteínas.
La importancia comercial del retraso del envejecimiento de órganos o individuos es indudable.
El control del envejecimiento en flores también es importante para el comercio y se logra colocando en las cámaras secuestradores de etileno.
Las especies tóxicas del oxígeno también están en el comienzo de la senescencia. Normalmente en los órganos que están senesciendo encontramos un aumento en las oxidaciones celulares inducidas por un aumento de las especies tóxicas de oxígeno.
El poder reductor del aparato fotosintético es utilizado en el Ciclo de Calvin donde se reoxida luego a NADPH, y queda NADP+ disponible para aceptar electrones. Cuando comienza el proceso de senescencia comienza a haber fallas en la síntesis de proteínas por ejemplo, o se modifican las condiciones celulares para la actividad de determinadas proteínas. Eso puede conducir a que, por ejemplo, el poder reductor no sea utilizado de manera apropiada y la tasa de reoxidación del NADPH cambie, al no disponer entonces de NADP+ los electrones de la cadena transportadora de electrones no tiene un aceptor final, entonces uno de los destinos de estos electrones es el oxígeno formado a nivel del FS I y del FS II, pero principalmente a nivel del FS I, dando origen a las especies tóxicas de oxígeno que son derivados de la molécula de oxígeno que se caracterizan por tener un electrón desapareado en su última órbita, en ese caso forman los radicales libres del oxígeno como pueden ser el ion superóxido (O2-) y el radical hidroxilo. O pueden ser especies activas de O2, es decir, formas moleculares que no tienen un electrón desapareado en la última órbita como es el caso del peróxido de hidrógeno o formas moleculares que tienen cambiado el spin de uno de sus electrones de valencia y que se denomina oxígeno singulete. Estas son las principales formas tóxicas del O2 y se caracterizan porque pueden actuar como señales (no todas principalmente el peróxido de hidrógeno) o pueden actuar como elementos tóxicos destructivos dependiendo ello de la concentración. Entonces debe haber algo que regule la concentración de estas especies tóxicas de O2. Los sitios de formación de las especies tóxicas de O2 principales son tres. Son aquellas donde especialmente hay transporte de electrones, es decir que ocurre formación de especies tóxicas activas de O2. O sea en el cloroplasto principalmente en el FS I, la mitocondria en los complejos I y III y en el peroxisoma. Las especies tóxicas del O2 en general, en determinadas concentraciones, producen daño celular, oxidación de lípidos, proteínas y naturalmente cuando se afecta la estabilidad de las membranas se afecta la funcionalidad de las proteínas integrales de membrana. Por ello, conjuntamente que empezó a evolucionar la atmósfera oxigenada en la tierra hace 3000 millones de años, la aparición del O2 permitió aprovechar un nuevo nicho metabólico que es la respiración aeróbica, contra la fermentación. Pero ese beneficio del rendimiento metabólico trajo aparejado la formación de las especies tóxicas del O2 a nivel de las cadenas transportadoras de electrones, entonces conforme se empieza a explotar este nuevo nicho, los organismos que desarrollaron sistemas de control, estas especies tóxicas del oxígeno tuvieron mayor rendimiento y aquellos que no pudieron desarrollar esos mecanismos son los que actualmente conocemos como anaerobios que para su supervivencia necesitan mantenerse aislados del oxígeno. Entre los sistemas de defensa antioxidante encontramos el sistema enzimático y el sistema no enzimático. El sistema enzimático involucra una serie de proteínas con actividad enzimática encargadas de la remoción de especies tóxicas de oxígeno, u otro grupo de proteínas que colaboran con las anteriores. Es decir que tenemos aquellas involucradas directamente en la remoción de especies tóxicas de oxígeno, y otros indirectamente porque colaboran con los primeros. Entre los primeros encontramos una enzima que se llama superóxido dismutasa, que se encarga de transformar el ion superóxido en una forma menos tóxica, que es el peróxido de hidrógeno, que además de ser menos tóxico que el ion superóxido, ahora sabemos que funciona como señal a tal punto que existen canales de Ca++ que son activados por estas especies tóxicas del oxígeno. No se sabe si es el peróxido específicamente pero si se sabe que en células tratadas con él la actividad de canales de Ca++ aumentó. Lo que nos indica que el peróxido está regulando los canales de Ca++. Otras enzimas involucradas directamente con la remoción de las especies tóxicas del oxígeno son las catalasas y otras peroxidasas, que dependiendo del cofactor que utilicen se llaman ascorbato peroxidasa, glutatión peroxidasa, etc. Para transformar esas especies tóxicas en formas menos tóxicas, es necesario poder reductor, en realidad lo que se hace es completar la reducción de las especies tóxicas que están en un estado intermedio de reducción. Como hace falta poder reductor, ahí participan las enzimas complementarias, generando compuestos reducidos a partir del NADPH como pueden ser el ascorbato y el glutatión reducido. Estos dos compuestos, además de cumplir una función de dadores de electrones para la actividad de enzimas involucradas en la remoción directa de las especies tóxicas de oxígeno, estos dos compuestos en si mismos son antioxidantes y forman parte del sistema antioxidante no enzimático (ascorbato y el glutatión reducido y el alfa tocoferol que es liposoluble, y los dos anteriores son hidrosolubles).
Habíamos dicho que uno de los problemas era que no hubiera una adecuada reoxidación (en el Calvin) del NADPH, y que por eso los electrones podían empezar a pasar el oxígeno dando origen al ion superóxido y este es tomado por la superóxido dismutasa que lo transforma en peróxido de hidrógeno, y este es atacado a su vez por la ascorbato peroxidasa que completa su reducción transformándolo en agua, pero miramos que el agente reductor que utiliza esta enzima es el ascorbato por lo tanto, el ascorbato se oxida para donar electrones, y pasa a una forma oxidada, y para regenerar el ascorbato es necesario que éste se reduzca, y se reduce con la oxidación del glutatión reducido, y el glutatión se oxida, y para regenerar el glutatión reducido, se debe reducir el glutatión oxidado, y se reduce oxidando el NADPH, por lo tanto simultáneamente que estamos eliminando las especies tóxicas del oxígeno, estamos regenerando el aceptor de electrones que es el NADP+, o sea, se solucionan dos problemas.
ESTRÉS
Cuando las plantas se encuentran en una condición adversa que afecta o impida que cumpla con su ciclo biológico, decimos que se encuentran bajo estrés, denominándose factor de estrés a esa condición adversa, es decir, que el concepto de estrés es perjudicial para el crecimiento y desarrollo de la planta y se denomina resistencia al estrés a las diversas estrategias morfo fisiológicas que tienen las plantas para pasar el período de estrés. Los estrés a los que pueden estar sometidas las plantas pueden ser de diversa naturaleza, tenemos un estrés biótico, producido principalmente por el ataque de patógenos, y estrés abiótico dentro de las cuales encontramos los naturales y los producidos por el hombre. Dentro de los factores de estrés naturales podemos mencionar: el estrés por temperatura que puede ser alta o baja; el estrés por disponibilidad hídrica que puede ser por deficiencia o inundación; el estrés lumínico que puede ser por alta intensidad o baja intensidad; el estrés nutricional que puede ser por deficiencia o por salinidad (no es solo NaCl, también hay otras sales como carbonatos), y dentro de los producidos por el hombre, hay muchos, como por ejemplo, contaminación por metales pesados, lo que en parte se superpone con un estrés nutricional, los contaminantes atmosféricos como el dióxido de azufre o el ozono.
Hay otro que está entre biótico y mecánico es el estrés por pastoreo, que es el estrés que se le produce a la planta el ser comida.
Si nosotros sometemos a una planta a un determinado tipo de estrés, necesariamente están ocurriendo otros. Por ejemplo, el estrés por deficiencia hídrica, esta es cuando la pérdida de agua por transpiración supera a la absorción. Esa perdida de agua puede ser pasajera y ocurrir, por ejemplo, todos los mediodías y esto no afectaría el crecimiento y desarrollo normal y cumplimiento del ciclo biológico de la planta. Entonces esa deficiencia hídrica no constituye un estrés. Ahora bien, si conforme el agua del suelo va disminuyendo, esa deficiencia hídrica comienza a extenderse en el tiempo y simultáneamente aumenta la magnitud de la deficiencia hídrica, eso va a afectar el crecimiento, desarrollo y la culminación del ciclo biológico, y ahí si constituye un factor de estrés. Otro ejemplo es la intensidad alta o baja, el estrés sería que, por ejemplo, la planta pasara a estar a una intensidad del amanecer pero constante, o una planta de sombra pasara a estar expuesta a una alta intensidad de luz, como puede ser radiación solar directa.
Un estrés al principio podría conformar un estrés único pero conforme avanza, involucra otros tipos de estrés. Cuando el vegetal está sometido a una deficiencia hídrica, una de las respuestas es el cierre estomático, si se cierran los estomas eso involucra que se pierda menos agua en forma de vapor por transpiración, pero al no haber transpiración, también hay menos refrigeración foliar, y eso puede dar origen a que lo inicial fue un estrés hídrico pero se le adiciona un estrés por temperatura. Un estrés por temperatura no implica desnaturalización de proteínas (eso es un caso extremo). El estrés por temperatura va a afectar la fluidez de la membrana siendo que por alta temperatura va a aumentar la fluidez, y por baja temperatura va a disminuir la fluidez. La actividad de las proteínas de membrana guarda estrecha relación con el estado de fluidez de la membrana. Una forma de detectar si las plantas se encuentran en deficiencia hídrica es midiendo la temperatura foliar. Existen tablas donde uno puede comparar la temperatura foliar de la planta que nosotros saber si tiene o no deficiencia de estrés con una planta que esté bien. Por otro lado el cierre de los estomas va a evitar la perdida de agua, pero también va a dificultar la entrada de dióxido de carbono. Si se restringe la entrada de dióxido de carbono hay menor reoxidación de NADPH, por ello se sabe que si el estrés hídrico se continua en el tiempo se comienza a desarrollar un estrés oxidativo lo que quiere decir que en ese material la formación de especies tóxicas de oxígeno superan la capacidad de remoción de los mismos, por lo tanto vamos a tener acumulación de especies tóxicas del oxígeno. Dependiendo del nivel de acumulación que haya, estas especies tóxicas van a actuar como señales, por ejemplo, señales inductoras (a través de un intermediario) de mayor defensa antioxidante. Pero si la tasa de acumulación es muy brusca, no va a dar tiempo a que haya una respuesta de la defensa antioxidante, y en ese caso pueden dar origen a una necrosis. De hecho esto se puede hacer experimentalmente suministrando a hojas un compuesto, un herbicida fotosintético que se sitúa a nivel del FS I y comienza a transferir todos los electrones que lleguen al fotosistema y comienza a transferir al oxígeno y está dependiendo de la dosis, esto no permite que la planta responda con una defensa antioxidante y se produce una necrosis. Por lo tanto, a partir de todas estas experimentaciones se sacaron conclusiones importantes que casi todos los estreses conocidos terminan induciendo un estrés oxidativo, y ese estrés oxidativo dependiendo de la concentración de especies tóxicas puede funcionar como señal para inducir respuestas de defensa, o puede actuar como agente de destrucción. Todo depende de la magnitud del estrés, el tiempo de duración del estrés, el estado sanitario de la planta sometida a estrés, la edad de la planta sometida a estrés, porque plantas de hojas jóvenes tendrán mejor respuesta al estrés que las plantas de hojas viejas. Una planta sana podrá responder mejor a un estrés que una planta enferma, y naturalmente un estrés hídrico corto de baja magnitud será más fácilmente sorteable que un estrés hídrico severo y largo.
Las plantas han desarrollado respuestas para defenderse del estrés y tenemos las que son:
a) Respuestas adaptativas: entre las respuestas adaptativas al estrés hídrico encontramos la abscisión foliar, cuyo principal objetivo es eliminar superficie transpirante, pero también pierde capacidad fotosintetizantes. Pero la abscisión foliar es un recurso en casos extremos. Otra respuesta adaptativa el modificar el metabolismo fotosintético que implica una modificación morfo fisiológica, porque implica pasar de un metabolismo C3 a un metabolismo C4, existen plantas que tienen esa potencialidad. Otra respuesta adaptativa es reducir el área foliar que no implique que se achique la hoja sino que implica que se reduzca el crecimiento. Otra es incrementar el crecimiento radical para explorar nuevas zonas y poder obtener agua, lo que implica una traslocación de recursos desde la parte aérea hacia las raíces.
b) Consecuencias del estrés: encontramos la detención del crecimiento que es la primera que produce un estrés hídrico. Porque tiene que haber una disponibilidad de agua para que entre a la célula, para que se produzca el crecimiento. Lo segundo que afecta es la tasa fotosintética, no solo porque hay menor disponibilidad de dióxido de carbono, sino porque al variar el potencial osmótico de las células esta variando la concentración de iones, y esta variación puede afectar la actividad de algunas enzimas.
En estados más avanzados del estrés, cuando la fuente de E a nivel fotosintético esta severamente afectada, comienzan a detenerse E de otras fuentes, entonces, por ejemplo, si se incrementa la actividad mitocondrial puede activarse la gluconeogénesis.
Con respecto al estrés por temperatura, lo principal que se afecta es la fluidez de la membrana, y una de las adaptaciones de las plantas a las altas o bajas temperaturas consiste en la modificación de la composición de los lípidos de membrana, así, por ejemplo, las plantas que pueden resistir las bajas temperaturas se caracterizan porque tienen la capacidad para reemplazar ácidos grasos insaturados. Al aumentar la proporción de ácidos grasos insaturados sobre los saturados, se modifica la fluidez de la membrana, esta se hace más fluida y es una forma de tolerar el frío.
En el caso de la resistencia a altas temperaturas es al revés, es reemplazar o saturar los ácidos grasos de membrana con ácidos grasos saturados. También existen proteínas del golpe de calor. Cuando las plantas son cambiadas bruscamente ocurre la síntesis de una serie de proteínas, tanto cuando se pasa de a frío como cuando se pasa a calor. Estas proteínas se encuentran involucradas en la ruta gluconeogénica, y un tipo particular de proteínas que se denominan chaperoninas, que son proteínas encargadas de mantener la estabilidad de otras proteínas, por ejemplo, mantener la conformación de una proteína de interés en un medio cuya concentración iónica cambió, por ejemplo, las proteínas solubles tienen dominios hidrofílicos e hidrofóbicos, y son solubles porque los dominios hidrofílicos interaccionan con la molécula de agua que sostiene a la proteína. Si se modifica la concentración iónica va a afectar el agua disponible para sostener esas proteínas, entonces al modificarse las relaciones de hidrofobicidad e hidrofobicidad en las proteínas, puede modificar su estructura que puede hacerse susceptible a proteasas, y las chaperonas lo que hacen es mantener la estructura de las proteínas, evitando que estas sean sustrato de las proteasas, y las chaperoninas se las ha encontrado dentro del grupo de las proteínas del golpe de calor.
El estrés lumínico, por ejemplo por alta intensidad de luz. La alta intensidad de luz significa que una gran fluencia de fotones sobre los complejos antena. La E de excitación de los fotones capturados por el complejo antena puede disiparse de varias formas, como fosforescencia, como calor y fotosintéticamente. Si el flujo de electrones es superior a la tasa de reoxidación del NADPH, esa E de excitación a nivel de los complejos antena comenzará a ser disipada de otras formas, puede suceder que el flujo de electrones comience a pasar al oxígeno porque no hay suficiente reoxidación de NADPH, y no hay NADP+ que reciba a los electrones, y/o, la E de excitación de las clorofilas puede directamente disiparse transfiriendo la E de excitación a la molécula de oxígeno, y de esa forma se produce un cambio de spin de los electrones de valencia del oxígeno, dando origen al oxígeno singulete, es decir que hay formación de oxígeno singulete a nivel de los complejos antena. Una adaptación para responder al estrés lumínico y que evita este paso, es un mecanismo en el que el complejo antena del FS II se separa y va al FS I.
El estrés lumínico por baja intensidad lumínica implica un estrés porque las necesidades de E y carbohidratos no son satisfechas, entonces eso perjudica el crecimiento y desarrollo del individuo, y si se sostiene en el tiempo, el individuo no puede completar el ciclo y muere.
Hay dos tipo de estrés nutricional, uno posdeficiencia y otro es el de salinidad. El estrés salino significa que en el sustrato donde se encuentra la planta existe una elevada concentración de una sal y que esta elevada concentración afecta el crecimiento y desarrollo. El caso más común es el NaCl. Por ejemplo, un estrés salino por NaCl tiene dos componentes, uno que se denomina estrés osmótico porque va a estar afectando el potencial hídrico del suelo y un componente de un estrés iónico. En el caso del estrés por NaCl, el estrés iónico lo da la acumulación de Na+. Cuando un determinado ion está en una cantidad excesiva con respecto a otros iones, puede suceder que los transportadores se confundan, pierdan selectividad y que debido a la alta concentración de un determinado ion empiecen a transportar ese ion. Las plantas responden de diversas maneras, una de las estrategias es, con respecto al estrés osmótico inducido por un estrés salino, disminuir el potencial osmótico de sus células de manera que el potencial hídrico sea menor que el del suelo, y de esa manera se asegura el movimiento de agua. Una forma de disminuir el potencial osmótico, tanto para el estrés salino como para el estrés hídrico, es la síntesis de compuestos que se denominan osmocompatibles, por ejemplo, la prolina. Estos compuestos deben su nombre a que por un lado bajan el potencial osmótico celular, pero generan problemas iónicos y por ello no afectan la actividad de determinadas enzimas. Otra adaptación de las plantas resistentes a salinidad es evitar que la sal modifique su entorno iónico, y eso lo hacen compartimentalizando los iones, por ejemplo, a nivel de la vacuola o excretándolos.
Todos los estreses derivan en un estrés oxidativo y que este estrés puede funcionar como señal para inducir respuestas al estrés o depende de la magnitud y duración del estrés, arrasa con todo destruyendo la célula.
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