Fisiologa de la Nutricin Mineral

Ing. M Sc. Hilvio Castillo

2.1 General

IMPRESCINDIBLE: sin su presencia la planta no se desarrolla normalmente o no completa

su ciclo de vida

ESPECFICO: no puede ser reemplazado por otro elemento

DIRECTO: el elemento en cuestin interviene en la nutricin de la planta y no a travs de una

accin indirecta en el suelo o medio de cultivo

Un nutriente esencial es:

Ventajas de un Control de Procesos del Sistema de Riego en el Cultivo Palto

Por lo general hay una gran discrepancia entre:

La concentracin de nutrientes minerales en el suelo o solucin nutritiva, y

El requerimiento vegetal de nutrientes minerales.

Adems, el suelo y tambin en algunos casos las soluciones nutritivas pueden contener altas concentraciones de elementos minerales no necesarios para el crecimiento vegetal. Por lo tanto, los mecanismos por los cuales las plantas toman los nutrientes deben ser selectivos. Esta selectividad puede ser bien demostrada particularmente en clulas de algas (Tabla 2.1), donde las soluciones externas e internas (savia celular) estn separadas por solo dos membranas: la membrana plasmtica y el tonoplasto.

Tabla 2.1

Relacin entre la concentracin inica en el sustrato y en la savia celular de

Nitella y Valonia a

In

Nitella

concentracin (m) Valonia

concentracin (m) A,

agua

tanque

B,

Savia

celular

Relacin

B/A

A,

Agua de

mar

B,

Savia

celular

Relacin

B/A

Potasio

Sodio

Calcio

Cloruro

0.05

0.22

0.78

0.93

54

10

10

91

1080

45

13

98

12

498

12

580

500

90

2

597

42

0.18

0.17

1 a Modificado a partir de Hoagland (1948).

2.1 General

Aunque usualmente menos dramtica, tambin es un caracterstica tpica en plantas superiores la selectividad en la toma inica. Cuando las plantas son cultivadas en volmenes limitados de solucin nutritiva, la concentracin externa cambia en pocos das (Tabla 2.2). Las concentraciones de potasio, fosfato y nitrato disminuyen marcadamente, mientras que pueden aumentar las de sodio y sulfato, indicando que el agua es tomada ms rpido que cualquiera de estos dos iones. Entre las dos especies vegetales (maz y frjol) difieren las tasas de toma, especialmente para el potasio y calcio. La concentracin inica en la savia radical exprimida es generalmente mayor que en la solucin nutritiva; esto es mas evidente en el caso del potasio, nitrato y fosfato.

Tabla 2.2

Cambios en la concentracin inica en la solucin (nutritiva) externa y en la savia radical exprimida en maz y frjol

In

Concentracin externa (m) Concentracin en la savia radical exprimida (m)

Inicial

Despus de 4 das a

Maz Frjol Maz Frjol

Potasio

Calcio

Sodio

Fosfato

Nitrato

Sulfato

2.00

1.00

0.32

0.25

2.00

0.67

0.14

0.94

0.51

0.06

0.13

0.61

0.67

0.59

0.58

0.09

0.07

0.81

160

3

0.6

6

38

14

84

10

6

12

35

65 a No se reemplaza el agua perdida por transpiracin.

Los resultados obtenidos en ambas plantas inferiores y superiores demuestran que la toma de iones se caracteriza por lo siguiente:

Selectividad. Ciertos elementos minerales son tomados

preferentemente, mientras que otros son en contra discriminados

casi excluidos

Acumulacin. La concentracin de elementos minerales puede ser

mucho mayor en la savia celular vegetal que en la solucin externa.

Genotipo. Hay notables diferencias entre especies vegetales en las

caractersticas de la toma inica.

Estos resultados plantean muchas preguntas: Por ejemplo, cmo las clulas individuales y las plantas superiores regulan la toma inica? Es la toma inica un reflejo de la demanda o son iones que no juegan un rol en el metabolismo vegetal o es txico incluso el tomarlos? Para discutir la regulacin de la toma inica a un nivel celular es necesario seguir la va de los solutos (iones, molculas cargadas y no cargadas) desde la solucin externa a travs de la pared celular y la membrana plasmtica hacia el citoplasma y la vacuola

2.2 Va de los solutos desde la

solucin externa hacia las clulas

2.2 Va de los solutos desde la solucin externa hacia las clulas

2.2.1. Influjo al apoplasto.

2.2.2. Paso al citoplasma y vacuola (Simplasto)

1

2

3

Uptake of soil solution by the

hydrophilic walls of root hairs

provides access to the apoplast.

Water and minerals can then

soak into the cortex along

this matrix of walls.

Minerals and water that cross

the plasma membranes of root

hairs enter the symplast.

As soil solution moves along

the apoplast, some water and

minerals are transported into

the protoplasts of cells of the

epidermis and cortex and then

move inward via the symplast.

Within the transverse and radial walls of each endodermal cell is the

Casparian strip, a belt of waxy material (purple band) that blocks the

passage of water and dissolved minerals. Only minerals already in

the symplast or entering that pathway by crossing the plasma

membrane of an endodermal cell can detour around the Casparian

strip and pass into the vascular cylinder.

Endodermal cells and also parenchyma cells within the

vascular cylinder discharge water and minerals into their

walls (apoplast). The xylem vessels transport the water

and minerals upward into the shoot system.

4 5

2.2 Va de los solutos desde la solucin externa hacia las clulas

2.2.1 Influjo al apoplasto

El movimiento de solutos de bajo peso molecular (e.g., iones, cidos orgnicos, aminocidos, azucares) desde la solucin externa hacia las paredes celulares de clulas individuales o races (el espacio libre) es un proceso no metablico, pasivo, conducido por difusin o flujo msico (Fig. 2.1). No obstante, las paredes celulares pueden interactuar con los solutos y as pueden facilitar o limitar el ulterior movimiento a los centros de toma de la membrana plasmtica de clulas individuales o races.

MOVIMIENTO DE IONES EN EL SUELO

MECANISMOS DE

TRASLADO DE LOS

NUTRIENTES A LA RAIZ:

z FLUJO MASIVO: los

nutrientes se mueven en

la solucin del suelo

hacia las races en la

corriente de la

transpiracin (Ca)

z DIFUSIN: segn el

gradiente de

concentraciones (P)

z INTERCEPCIN: las

races interceptan los

iones al crecer en las

zonas donde estn los

nutrientes

MOVIMIENTO DE IONES

INTERCEPCION

RADICULAR

FLUJO DE

MASAS

DIFUSION

INGRESO DE NUTRIENTES A RAZ

Difusin simple: de acuerdo a la ley de Fick

J = PA(C - Ci)

J = cantidadad soluto atravieza membrana por unidad de tiempo

P = coeficiente de permeabilidad (mide la velocidad cmS-1 con que soluto atraviesa membrana

A = rea de seccin transversal de membrana

C - Ci = diferencia entre concentracin iones, exterior e interior de la clula.

Difusin facilitada Membrana es particularmente

impermeable a solutos cargados o

iones.

En memb. protenas de transporte que permiten o facilitan su difusin

Direccin de transporte determinada por gradiente de cc.

(s. no cargados) o por gradiente

electroqumico (iones).

Ion Coeficiente de difusin

NO3- 1,0.10-10

K+ 1 28.10-12

Cl- 2,0 29,0.10-10

H2PO4- 0,3 3,3.10-13

SO4= 2- 1,0 2,0.10-10

Clarkson, D.T. 1981. Nutrient interception and transport by roots sytem.

In: Physiological factors limiting plant productivity. C:B: Johnson (ed). Butterworths, London, PP 307-314.

Valores para el coeficiente de difusin (m.s-1) de diferentes iones para distintos Suelos

Flujo de masas Movimiento de grupos de molculas por

diferencial de presin hidrosttica.

El volumen del flujo depende no slo del gradiente de presin, sino tambin del radio que

atraviesa (considerando un tubo) o de la

viscosidad. Viene descrito por la ecuacin de

Poiseuille:

Flujo (m3 s-1) = (r4/8)*(dp/dx)

r = radio del tubo

= viscosidad del fluido

(dp/dx) = gradiente de presin

Este es el movimiento predominante en el xilema, durante el transporte de agua desde la

raz al resto de tejidos de la planta a travs del

xilema, tambin a travs del suelo o de las

paredes celulares.

Fig. 2.1 Seccin transversal de dos clulas rizodrmicas en una raz de maz. V, vacuola; C, citoplasma; W, pared celular; E, solucin externa. (Cortesa de C. Hecht-Buchholz)

Las paredes celulares primarias consisten de una red de celulosa, hemicelulosa, (incluyendo pectinas) y glicoprotenas, las ultimas pueden representar entre 5 y 10% del peso seco de las paredes celulares. Esta red contiene poros, los llamados espacios intermicelares e interfibrilares, que difieren en tamao. Se ha calculado para clulas de pelos radicales de rbano un dimetro mximo de 3.5 3.8 nm (35-38 ); los valores mximos para poros en paredes celulares vegetales estn en el rango de 5.0 nm.

En comparacin, los iones hidratados como K+ y Ca2+ como se muestra abajo son pequeos estando en el orden de solo 10 20% del tamao del poro de la pared celular. No se espera que los poros por ellos mismos ofrezcan restriccin al movimiento de iones en el espacio libre.

Estructura Dimetro (nm)

Pared celular rizodrmica (maz; Fig. 2.1)

Pared celular cortical (maz)

Poros en pared celular

Sacarosa

Iones hidratados

K+

Ca2+

500-3000

100-200

En contraste a los nutrientes minerales y solutos orgnicos de bajo peso molecular, los solutos de alto peso molecular (e.g., quelatos metlicos, cidos flvicos, y toxinas) o virus y otros patgenos cualquiera son severamente limitados o evitados por el dimetro de los poros de entrar al espacio libre de la clulas radicales.

En esta red, una proporcin variable de pectinas consisten de cido poligalacturnico originado principalmente de la lamela media. Por consiguiente ambos en races y en el continuo de pared celular de otros tejidos vegetales, el llamado apoplasto, los grupos carboxlicos (RCOO) actan como intercambiadores catinicos. Por lo tanto, en las races, los cationes de la solucin externa pueden acumularse en un paso no metablico en el espacio libre, mientras que los aniones son repelidos (Fig. 2.2) .

Debido a que estas cargas negativas el apoplasto no proporcionan un espacio libre para el movimiento de solutos cargados, Hope & Stevens (1952) introdujeron los trminos espacio libre aparente (AFS). Este comprende el espacio libre acuoso (WFS), el cual es fcilmente asequible a iones y molculas cargadas y no cargadas, y el espacio libre de Donnan (DFS), donde sucede el intercambio catinico y la repulsin aninica (Fig. 2.2)

Acido poligalacturonico

grupos carboxlicos (RCOO) Paso no metablico en el espacio libre

Espacio libre de agua (WFS) + Equilibrio de Donan (DFS) = Espacio libre aparente (AFS)

Fig. 2.2 Diagrama esquemtico del sistema de poros del

espacio libre aparente. DFS, espacio libre de Donan; WFS,

espacio libre acuoso, gracias al potencial electroqumico

generado por iones no difusibles se supera el equilibrio a

uno de los lados de una membrana.

La distribucin inica dentro del DFS se caracteriza por la tpica distribucin de Donnan que se presenta en suelos en superficies de partculas de arcilla cargadas negativamente. Por lo tanto, los cationes divalentes como Ca2+ son enlazados preferentemente a estos centros de intercambio catinico. Las especies vegetales difieren considerablemente en su capacidad de intercambio catinico (CEC), esto es, en el nmero de centros de intercambio catinico (aniones fijados; RCOO), localizados en paredes celulares, como se muestra en la Tabla 2.3.

Tabla 2.3

Capacidad de intercambio catinico de peso seco radical en diferentes

especies vegetales a

Especie vegetal

Capacidad de intercambio catinico

meq (100g)-1 peso seco

Trigo

Maz

Frjol

Tomate

23

29

54

62 a En base a Keller & Deuel (1957).

Por lo general, la CEC de especies dicotiledneas es mucho mayor que en especies monocotiledneas. La CEC efectiva disminuye como el pH externo caiga, y es usualmente mucho menor en races intactas que los valores mostrados en la Tabla 2.3. Debido a limitaciones espaciales (banda de Caspari y exodermis, Seccin 2.5.1) solo son accesibles directamente parte de los centros de intercambio del AFS a los cationes de la solucin externa. No obstante, las diferencias mostradas son tpicas de las que existen entre especies vegetales.

La adsorcin de intercambio en el AFS (espacio libre aparente) del apoplasto no es un paso esencial para la toma transporte inico a travs de la membrana plasmtica hacia el citoplasma. No obstante, el ligamiento preferencial de cationes di- y polivalentes aumenta la concentracin de estos cationes en el apoplasto de las races y de este modo en la cercana de los centros de toma activa de la membrana plasmtica.

Como resultado de este efecto indirecto, se puede observar una correlacin positiva entre la CEC y la relacin Ca2+ a K+ en contenido en diferentes especies vegetales. La competencia efectiva entre H+ o especies de aluminio mono- y polivalentes o ambas con el magnesio por sitios de ligamiento en el apoplasto radical es obviamente un factor principal responsable de la depresin en la toma de magnesio y la aparicin de deficiencia de magnesio en especies anuales y rboles forestales cultivados en suelos minerales cidos (Seccin 16.3).

La importancia del ligamiento catinico en el AFS para la toma y subsiguiente transporte al vstago tambin es indicada por experimentos con las mismas especies vegetales pero con diferentes formas de ligamiento de un catin divalente como el zinc (Tabla 2.4). Cuando el zinc es suplido en forma de sal inorgnica (i.e., Zn2+ libre), el contenido de zinc no solo radical sino tambin caulinar es varias veces mayor que cuando el zinc es suplido como quelato (ZnEDTA), esto es, sin un ligamiento sustancial del soluto en el AFS.

Adems, puede contribuir la restringida permeabilidad del zinc quelatado en los poros del AFS. Usando estas diferencias en la tasa de toma entre cationes metlicos como Zn2+ (y tambin Cu2+ y Mn2+) y sus complejos con quelantes sintticos en las llamadas soluciones quelatadas-tamponadas se pueden hacer clculos de la concentracin de cationes metlicos libres en la solucin externa requerida para el crecimiento vegetal ptimo. De acuerdo a estos clculos, concentraciones externas extremadamente bajas en la membrana plasmtica de clulas corticales radicales parecen ser adecuadas para satisfacer la demanda vegetal de estos micronutrientes catinicos (Seccin 2.5.4).

Tabla 2.4

Toma y translocacin del zinc en plantas de cebada a

Zinc suplido como b

Tasa de toma y translocacin

(g Zn g-1 peso seco por 24 h)

Radical Caulinar

ZnSO4

ZnEDTA

4598

45

305

35 a En base a Barber & Lee (1974). b Concentracin de zinc en la solucin nutritiva: 1 mg l-1

Con cationes metales pesados en particular, el ligamiento en el apoplasto puede ser bastante especfico. El cobre, por ejemplo, puede ser enlazado en la pared celular en forma no inica (ligamiento coordinado) a grupos con nitrgeno cualquiera de glicoprotenas protenas de ectoenzimas, como fosfatasas peroxidasas. Este ligamiento catinico en el apoplasto puede contribuir significativamente al contenido catinico radical total, como se mostr en estudios de toma de cationes polivalentes como el cobre, zinc y hierro. Tambin se demuestra por los datos en la Tabla 2.4. Por lo tanto cuando se suple en formas no quelatadas, los altos contenidos radicales de cationes polivalentes comparando con el caulinar no necesariamente refleja la inmovilizacin en el citoplasma o vacuolas sino que pueden resultar del ligamiento preferencial en el apoplasto del cortex radical.

El apoplasto radical puede tambin servir como un pool transitorio de reserva para metales pesados como hierro y zinc que pueden ser movilizados, por ejemplo por exudados radicales especficos como los fitosiderforos, y ulteriormente translocados a los vstagos. El tamao de este pool de almacenamiento para hierro probablemente juegue un rol en las diferencias genotpicas sobre la sensibilidad a la deficiencia de hierro en soya. Por otro lado, puede limitarse la excesiva toma de calcio por precipitacin como oxalato de calcio en las paredes celulares del cortex.

A pesar de la poca selectividad en el ligamiento catinico en la pared celular (Seccin 2.1.1), los principales centros de selectividad en la toma catinica y aninica as como de solutos en general estn localizados en la membrana plasmtica de clulas individuales.

La membrana plasmtica es una barrera efectiva contra la difusin de solutos cualquiera desde el apoplasto hacia el citoplasma (influjo) o desde el citoplasma hacia el apoplasto y solucin externa (eflujo). La membrana plasmtica es tambin el principal centro de transporte activo en cualquier direccin. La otra barrera principal a la difusin es el tonoplasto (membrana vacuolar). En la mayora de clulas vegetales maduras la vacuola comprende mas del 80-90% del volumen celular (Fig. 2.1) actuando como compartimiento central de almacenamiento para iones, tambin para otros solutos (e.g., azucares, metabolitos secundarios).

Puede demostrarse fcilmente que la membrana plasmtica y el tonoplasto funcionan como barreras efectivas a la difusin e intercambio inico, como se muestra por ejemplo, K+ y Ca2+ (Fig. 2.3). La mayora del Ca2+ (45Ca) tomado dentro de 30 min. (influjo) es todava fcilmente intercambiable (eflujo) y est seguramente localizado en el AFS. En contraste solo una fraccin mnima del K+ (42K) es fcilmente intercambiable dentro de este periodo de 30 min, siendo la mayora del K+ ya transportado a travs de membranas hacia el citoplasma y vacuolas (espacio interno).

2.2.2 Paso al citoplasma y vacuola (Simplasto)

Fig. 2.3 Curso de tiempo de influjo (I) y eflujo (E) de 45Ca y 42K en

races aisladas de cebada. Despus de 30 min. (flecha) algunas de las

races se transfirieron a soluciones con Ca2+ y K+ no marcado. Se

calculo la proporcin de fraccin intercambiable en el espacio libre

aparente al extrapolar a tiempo cero (x).

Aunque la membrana plasmtica y el tonoplasto son las principales biomembranas directamente involucradas en la toma y transporte radical de solutos, debe tenerse en cuente que la compartimentacin por biomembranas es un prerrequisito general para sistemas vivos. Por lo tanto el transporte de solutos hacia organelos como mitocondria y cloroplastos tambin debe ser regulado por membranas que separan estos organelos del citoplasma circundante. Un ejemplo del transporte de solutos a travs de la membrana externa del cloroplasto es dado en la Seccin 8.4 para fsforo y azucares.

La capacidad de las biomembranas para el transporte de solutos y su regulacin esta estrechamente relacionada con su composicin qumica y estructura molecular. Antes de que los mecanismos de transporte de solutos a travs de las membranas sean discutidos en mayor detalle (Secciones 2.4 y 2.5), es apropiado por lo tanto considerar algunos aspectos fundamentales de la composicin y estructuras de las biomembranas

2.3 Estructura y composicin membranal

2.3 Estructura y composicin membranal

La relacin inversa entre la penetracin de la membrana y el dimetro de molculas no cargadas y las tasas a las que penetran las membranas. Se han confirmado recientemente estas propiedades de las membranas como ultrafiltros, por lo menos en su principio (Tabla 2.5).

Tabla 2.5

Coeficiente de reflexin () de algunos no electrolitos en las membranas celulares de Valonia utricularis a

Compuesto b Radio de la molcula (nm)

Rafinosa

Sacarosa

Glucosa

Glicerol

Urea

1.00

1.00

0.95

0.81

0.76

0.61

0.53

0.44

0.27

0.20 a En base a Zimmermann & Steudle (1970).

b 1.00 indica que las membranas son impermeables al soluto; 0 indica que las

membranas son fcilmente permeables al soluto.

De este modo, adems de las paredes celulares (Seccin 2.2.1) las membranas celulares son barreras efectivas para solutos de alto peso molecular. La mayora de quelatantes sintticos como EDTA (ver tambin Tabla 2.4) y siderforos microbianos como los quelatantes especficos de hierro (Seccin 16.5) son de alto peso molecular y esta limitada su tasa de penetracin a travs de la membrana plasmtica de las clulas radicales. Es posible, por lo tanto, usar altas concentraciones externas de solutos orgnicos de alto peso molecular como el polietilenglicol como efectivos osmticos a fin de inducir una deficiencia hdrica (estrs hdrico) en plantas.

Las molculas que son altamente solubles en solventes orgnicos, i.e., con propiedades lipoflicas, penetran las membranas mucho mas rpido que lo que se predice en base a su tamao. Presumiblemente los principales factores responsables de la rpida penetracin son la solubilidad de estas molculas en la membrana y su habilidad para difundirse a travs del corazn lipdico de las membranas.

Las membranas se componen tpicamente de dos clases principales de compuestos: protenas y lpidos. Los carbohidratos comprenden solo una mnima fraccin de las membranas. La abundancia relativa de protenas y lpidos puede ser bastante variable dependiendo de si la membrana es plasmtica, mitocondrial o del cloroplasto. Las membranas tambin difieren en dimetro, por ejemplo en espinaca desde 10.5 nm (membrana plasmtica) a 8.1 nm (tonoplasto) y 6.3 nm (retculo endoplasmtico). Sin embargo, todas las biomembranas tienen alguna estructura bsica comn como se muestra en el modelo de la Fig. 2.4

Los lpidos polares (e.g., fosfolpidos) con cabezas cargadas hidroflicas (grupos fosfato, amino y carboxlicos) se orientan hacia la superficie membranal. Las molculas proteicas pueden estar adheridas (protenas extrnsecas), por ejemplo, por ligamiento electrosttico a las superficies como enzimas de membrana. Otras protenas pueden estar integradas dentro de las membranas (protenas intrnsecas), cruzar las membranas para formar protenas de canal (protenas transportadoras) que funcionan en el transporte membranal de solutos polares como los iones (Seccin 2.4).

Tres lpidos polares representan los mayores componentes lipdicos de membranas: los fosfolpidos, los glucolpidos, y menos abundantes, los sulfolpidos (excepto en las membranas tilacoidales de los cloroplastos, donde ellas estn en cantidades considerables). Se muestran a continuacin ejemplos de estos lpidos polares: Otro grupo importante de lpidos de membrana consisten los esteroles, por ejemplo el -sitosterol:

A travs de su rol estructural en las membranas los esteroles pueden afectar indirectamente los procesos de transporte como la actividad de la ATPasa bombeadora de protones de la membrana plasmtica. De acuerdo con esta afirmacin el contenido de esteroles es muy bajo en las endomembranas (e.g., retculo endoplasmtico) pero puede ascender hasta ms del 30% de los lpidos totales en la membrana plasmtica y tambin en el tonoplasto (Tabla 2.6).

A pesar de estas diferencias en los lpidos, la composicin de cidos grasos de fosfolpidos es similar en ambas membranas. Los cidos grasos de cadena larga en los lpidos polares de membrana varan en ambos en longitud y en grado de insaturacin (i.e., numero de enlaces dobles) que influyen el punto de fusin (Tabla 2.6).

Tabla 2.6

Composicin de lpidos y cidos grasos en membrana plasmtica y tonoplasto en frjol

mungo a

Lpidos Membrana plasmtica

mol mg-1 protena

Tonoplasto

mol mg-1 protena

Fosfolpidos

Esteroles

Glucolpidos

1.29

1.15

0.20

1.93

1.05

0.80

Composicin de cidos grasos en los fosfolpidos

cidos grasos Longitud de

cadena

Punto de fusin

(C) Membrana

plasmtica

(% del total)

Tonoplasto

(% del total)

cido palmtico

cido esterico

cido olico

cido linoleico

cido linolnico

Otros

C16

C18

C18:1 b

C18:2 b

C18:3 b

+62.8

+70.1

+13.0

-5.5

-11.1

35

6

9

21

19

10

39

6

9

22

20

4 a En base a Yoshida & Uemura (1986). Reimpreso con permiso de of Plant

Physiologists. b Numeral a la derecha de los dos puntos indica el nmero de enlaces dobles.

La composicin lipdica caractersticamente no solo difiere entre membranas de clulas individuales sino tambin entre clulas de diferentes especies vegetales, tambin fuertemente afectada por factores ambientales. En hojas, por ejemplo, se presentan marcadas variaciones anuales en los niveles de esteroles y en races disminuyen ambos el contenido de fosfolpidos y la proporcin de cidos grasos altamente insaturados bajo deficiencia de zinc.

En muchos casos los cambios en la composicin lipdica reflejan la adaptacin vegetal a su ambiente mediante el ajuste de las propiedades de la membrana. Generalmente, los cidos grasos altamente insaturados predominan en plantas que crecen en clima fro. Durante la aclimatacin vegetal a bajas temperaturas tambin se observa frecuentemente un aumento en cidos grasos altamente insaturados.

Tal cambio mueve el punto de congelamiento (i.e., la temperatura de transicin) de las membranas a una temperatura menor y puede as ser de importancia para el mantenimiento de las funciones de la membrana a bajas temperaturas. Es cuestionable, sin embargo, generalizar acerca del efecto de la temperatura sobre la composicin lipdica de las membranas. En centeno, por ejemplo, que es una especie vegetal tolerante al fro, la proporcin de cidos grasos poliinsaturados en las races disminuye en vez de incrementarse cuando las races fueron refrigeradas.

Durante la aclimatacin de races a bajas temperaturas tambin se realza la sntesis de nuevas protenas de membrana y aumentan considerablemente los fosfolpidos. Ya que los fosfolpidos probablemente actan como receptores para fitohormonas como el cido giberlico, puede estar relacionada con estos cambios la creciente sensibilidad de membranas a bajas temperaturas al cido giberlico. Frecuentemente estn altamente correlacionadas las propiedades de membrana entre la selectividad inica y composicin lipdica como por ejemplo entre la toma del cloruro y los esteroles y galactolpidos (Seccin 16.6). Adems, los cultivos frjol, remolacha azucarera y cebada difieren no solo en la composicin de cidos grasos de las membranas radicales sino tambin considerablemente en la toma de sodio (Seccin 10.2).

Las alteraciones en la composicin lipdica de las membranas radicales son tambin respuestas tpicas a cambios en el suministro de nutrientes minerales o exposicin a la salinidad. De los nutrientes minerales, el calcio juega el rol ms directo en el mantenimiento de la integridad de la membrana, una funcin que es discutida en la Seccin 2.5.2. En races de soya, los cambios en el suministro de calcio y de nitrgeno afectan la relacin de cidos grasos saturados a insaturados as como la tasa de toma de ciertos herbicidas. Puede observarse un incremento en la permeabilidad de membrana en races que sufren de deficiencia de fsforo y zinc. En caso de deficiencia de fsforo, se asume que el factor responsable es el agotamiento de fosfolpidos en las membranas. En caso de deficiencia de zinc, se presume que esta involucrada en el agujereado de membrana la autooxidacin de los cidos grasos altamente insaturados en las membranas.

Se demuestra claramente la naturaleza dinmica de las membranas, por ejemplo, por la rpida disminucin en el eflujo de solutos de bajo peso molecular (potasio, azucares, aminocidos) despus de reabastecer de zinc a races deficientes en zinc. Otro ejemplo es la rpida incorporacin de constituyentes de membrana suplidos externamente como los fosfolpidos a la estructura de la membrana. Para la membrana plasmtica las tasas de recambio parecen estar en el orden de solo unas pocas horas. Tales tasas de recambio indican que ciertas subunidades (e.g., con protenas intrnsecas; Fig. 2.4) son ya sintetizadas y transportadas a la membrana plasmtica va vesculas secretoras como por ejemplo el aparato de Golgi.

La incorporacin de adems compuestos suplidos externamente, sin embargo, deja a las membranas ms sensibles al dao. La incorporacin de antibiticos como la nistatina induce la formacin de poros (huecos) en las membranas y una correspondiente rpida filtracin de solutos de bajo peso molecular como el potasio. Los cidos monocarboxlicos como el cido actico y el cido butrico, tambin inducen dao a la membrana. Las especies no disociadas de estos cidos son tomadas rpidamente y conducen al sbito incremento del agujereado de membrana, como lo indica la filtracin de potasio y nitrato desde el tejido radical. La capacidad de los cidos monocarboxlicos para inducir el agujereado de membrana se incrementa con el largor de la cadena del cido [C2(cido actico) C8(cido caprlico)] y por lo tanto con el incrementado comportamiento lipoflico, as como con una disminucin del pH externo (RCOO- + H+ RCOOH).

Los cidos monocarboxlicos no disociados pueden incrementar el agujereado de la membrana al cambiar la composicin de cidos grasos de la membrana, particularmente al disminuir la proporcin de cidos grasos poliinsaturados como el cido linolnico. Es de considerable importancia ecolgica el efecto de los cidos monocarboxlicos sobre la permeabilidad de la membrana radical, ya que estos cidos se acumulan en suelos inundados (Seccin 16.4).

Como se muestra en la Fig. 2.5, estas especies txicas de oxigeno son cualquiera radicales como el superxido (O2.-) hidroxilo (OH.), la molcula perxido de hidrogeno (H2O2). Todas se forman en varias reacciones y procesos metablicos donde el oxigeno este involucrado, por ejemplo en la fotosntesis y en la respiracin, incluyendo la oxidacin de NADPH NADH en la interfase membrana plasmticapared celular. La toxicidad por especies activadas de oxigeno y sus derivados se causa, por ejemplo por la oxidacin de grupos tioles (-SH) de enzimas y la peroxidacin de los cidos grasos poliinsaturados de membrana. Los organismos aerbicos incluyendo plantas poseen un rango de sistemas de defensa (Fig. 2.5) para la detoxificacin de radicales de oxigeno y perxido de hidrogeno, incluyendo la superxido dismutasa (O2.-H2O2) y la peroxidasa/catalasa (H2O2 H2O ).

Fig. 2.5 Modelo de generacin de, y peroxidacin lipdica membrana

por, radicales de oxgeno y perxido de hidrgeno, y sistemas de

secuestro y detoxificacin. (I. Cakmak, no publicado.)

La nutricin mineral vegetal puede afectar en varios niveles ambos, la generacin de especies txicas de oxigeno de perxido de hidrogeno, y los mecanismos para su detoxificacin. Esto puede resumirse as:

1. Como un componente de enzimas detoxificantes (e.g., zinc, cobre, manganeso, o hierro en las superxido dismutasas; hierro en peroxidasas y catalasas);

2. Por acumulacin de precursores para la formacin de radicales (e.g., fenoles y quinonas) bajo deficiencia nutricional (e.g., deficiencia de boro);

3. A travs de la disminucin en la actividad demanda (i.e., la demanda) y la acumulacin de fotosintatos y correspondientemente elevados niveles de especies txicas de oxigeno en hojas fuente bajo deficiencia de nutrientes minerales (e.g., potasio y magnesio).

Varios de estos aspectos son discutidos en mayor detalle en secciones relevantes sobre fotosntesis (Capitulo 5) y sobre las funciones de los nutrientes minerales (Captulos 8 y 9).

2.4 Transporte de solutos a travs de membranas

2.4.1 Transporte y demanda energtica.

2.4.2 Transporte activo y pasivo: bombas electrognicas, carriers, canales inicos.

2.4.3 La cintica del transporte.

2.4 Transporte de solutos a travs de membranas

2.4.1 Transporte y demanda energtica

Las membranas intactas son barreras efectivas al paso de iones y molculas no cargadas. Por otro lado, ellas tambin son centros de selectividad y transporte contra el gradiente de concentracin de los solutos. En el experimento registrado en la Tabla 2.2, por ejemplo, la concentracin de potasio en la savia radical exprimida de maz (que es aproximadamente igual a la concentracin de potasio en las vacuolas) se eleva 80 veces del valor de la solucin externa.

En contraste, la concentracin de sodio en la savia radical exprimida permanece menor que en la solucin externa. Se acepta generalmente que tal selectividad y acumulacin requiere ambos, de un suministro de energa como fuerza motriz y de sitios de ligamiento especficos, carriers permeasas de membrana, mas probablemente protenas como la protena ligadora de sulfato aislada de microorganismos la sulfato permeasa en races (Seccin 2.5.6).

2.4.1 Transporte y demanda energtica

Tabla 2.2

Cambios en la concentracin inica en la solucin (nutritiva) externa y en la savia radical exprimida en maz y frjol

In

Concentracin externa (m) Concentracin en la savia radical exprimida (m)

Inicial

Despus de 4 das a

Maz Frjol Maz Frjol

Potasio

Calcio

Sodio

Fosfato

Nitrato

Sulfato

2.00

1.00

0.32

0.25

2.00

0.67

0.14

0.94

0.51

0.06

0.13

0.61

0.67

0.59

0.58

0.09

0.07

0.81

160

3

0.6

6

38

14

84

10

6

12

35

65 a No se reemplaza el agua perdida por transpiracin.

Fig. 2.6 (A) Toma del in potasio (influjo) y (B) actividad ATPasa (ATP

ADP + Pi) en races aisladas de diferentes especies vegetales. Clave: , cebada; , avena; , trigo; , maz. (Despus de Fisher et al., 1970.)

Se propuso en este proceso un acoplamiento directo del transporte selectivo de iones mediado por carriers y el consumo de fosfatos ricos en energa en forma de ATP. En este modelo se suministro ATP va respiracin (fosforilacin oxidativa en la mitocondria; Seccin 8.4.3) y se requiri para la activacin del carrier, para el ligamiento del in al carrier, para el transporte membranal del complejo carrierin, para la liberacin del in del carrier en la superficie interna de la membrana. Fisher et al (1970) fue el primero en presentar un fuerte apoyo a la participacin del ATP en el transporte inico mediado por carriers.

Estudiando la toma radical de K+ en varias especies vegetales, estos trabajadores demostraron una estrecha relacin entre la toma de K+ y la actividad ATPasa (Fig. 2.6). Adems, las MgATPasas (Seccin 8.5) de la membrana plasmtica son fuertemente estimuladas por el K+, as que cuando se aaden a la solucin externa iones como el K+, aceleran su propio transporte a travs de la membrana plasmtica.

Es considerable la demanda energtica para la toma inica radical, especialmente durante el rpido crecimiento vegetativo (Tabla 2.7). Del costo de energa respiratoria total, expresado como consumo de ATP, se requiere hasta 36% para la toma inica. Con el incremento de edad vegetal est proporcin declina a favor de la demanda de ATP para crecimiento y mantenimiento de la biomasa. Se han encontrado en principio resultados similares con el maz.

Tabla 2.7

Costos de energa respiratoria para la toma inica radical de Carex diandra a

Proporcin del ATP demandado

total requerido para

Edad vegetal (das)

40 60 80

Toma inica

Crecimiento

Mantenimiento de biomasa

36

39

25

17

43

40

10

38

52

a En base a Werf et al. (1988).

Estos clculos al nivel de planta entera sobre la demanda de ATP para la toma inica radical tienen que interpretarse con cuidado respecto a la demanda energtica para el transporte membranal inico en clulas radicales. En primer lugar, estos clculos incluyen la demanda energtica para el transporte radial a travs de las races y la secrecin hacia el xilema (Secciones 2.7 y 2.8).

En segundo lugar, una proporcin relativamente grande de carbohidratos suministrada desde el vstago hacia las races se oxida va la cadena de transporte de electrones mitocondrial no fosforilante (va alternativa; Seccin 5.3) desarrollando menos ATP sintetizado por molcula de carbohidrato oxidado. Tomando en cuenta este cambio en la va respiratoria, se ha calculado un requerimiento de una molcula ATP por in transportado a travs de la membrana plasmtica.

Tales clculos se basan en la toma neta e incluyen el requerimiento energtico para la re-toma (recuperacin) de iones desde el apoplasto radical (costos de eflujo) que se asumen estar en el rango de 20% de los costos de influjo. En tercer lugar, el acoplamiento directo del consumo de ATP y del transporte inico a travs de la membrana es la excepcin en vez de la regla. Como se discuti antes, las ATPasas de membrana plasmtica y de tonoplasto tambin tiene otras funciones aparte del transporte de nutrientes minerales y solutos orgnicos a travs de la membrana.

2.4.2 Transporte activo y pasivo: bombas electrognicas, carriers, canales inicos

El transporte de solutos a travs de las membranas no es necesariamente un proceso activo. Los solutos pueden estar mas concentrados en un lado de la membrana (i.e., ellos puede poseer mas energa libre) y as difundirse de una concentracin mayor a una menor (o potencial qumico). Este transporte cuesta abajo a travs de una membrana es, en trminos termodinmicos, un transporte pasivo con la ayuda de carriers, a travs de poros acuosos. En clulas, tal transporte inico cuesta abajo a travs de la membrana plasmtica puede mantenerse al disminuir la actividad inica en el citoplasma, por ejemplo, debido a la adsorcin en grupos cargados (e.g., RCOO RNH ) o la incorporacin en estructuras orgnicas (e.g., fosfatos en cidos nucleicos). Esto es particularmente cierto en tejidos meristemticos (e.g., puntas radicales).

En contraste, el transporte membranal contra el gradiente de energa potencial (cuesta arriba) debe enlazarse directamente indirectamente a un mecanismo consumidor de energa, una bomba de membrana. Sin embargo para determinar si un in es transportado activamente a travs de la membrana, se deben conocer ambos la actividad concentracin del in en cualquier lado de la membrana (i.e., el gradiente del potencial qumico) y el gradiente del potencial elctrico (i.e., diferencias en milivoltios) a travs de la membrana. Por medio de microelectrodos insertados en las vacuolas, se puede medir un potencial elctrico fuertemente negativo entre la savia celular y la solucin externa (Fig. 2.7). Las primeras mediciones de esta clase se hicieron en clulas de algas gigantes como Chara, donde se encontr potenciales elctricos fuertemente negativos entre -100 y -200 mV. Higinbotham et al. (1967) y Glass & Dunlop (1979) usaron el mismo mtodo para demostrar la existencia de gradientes de potenciales elctricos similares en clulas de plantas superiores.

Fig. 2.7 A . Representacin esquemtica del sistema para medir

electropotenciales en clulas vegetales. B. Ejemplo del clculo de la

distribucin inica en equilibrio qumico y electroqumico asumiendo un

potencial de -59 mV.

Se puede calcular la concentracin a cada lado de la membrana a la cual cationes y aniones estn en equilibrio electroqumico a la que los iones en la solucin externa estn en equilibrio con aquellos en la vacuola de acuerdo a la ecuacin de Nernst:

Getting nutrients into the symplasmic pathway

Cytoplasm

Vacuole

Plasma

membrane

Tonoplast

Marschner, 2002

Nitrate, phosphate, chloride:

co-transport via a

proton pump

H+

Anion

Cell wall

H+

Proton-ATPase pump

(requires energy - ATP)

Moves H+ uphill against the electrical potential gradient and

the chemical potential gradient (pH)

ATP

pH 7.3-7.6 pH 5.5

-120 to -180 mV

Absorcin de agua desde el suelo al xilema radical

Getting nutrients into the symplasmic pathway

Cytoplasm

Vacuole

Plasma

membrane

Tonoplast

Marschner, 2002

Cations (except K)

Uniport

Cell wall

Cation

Uniport:

downhill of electrical potential gradient, but energy is still needed

to maintain the gradients

-120 to -180 mV

Absorcin de agua desde el suelo al xilema radical

De acuerdo a esta ecuacin, a un electropotencial negativo de -59 mV, los cationes monovalentes como el K+ aniones como el Cl- podran estar en equilibrio electroqumico si su concentracin en la vacuola fuera 10 veces mayor (K+) 10 veces menor (Cl-) que en la solucin externa (Fig. 2.7). En cationes aniones divalentes la diferencia entre equilibrio qumico y electroqumico difiere por un factor an mayor al 100. En clulas de plantas superiores las diferencias de potencial elctrico entre vacuolas y la solucin externa son generalmente mayores a -59 mV (Tabla 2.8).

De este modo, por lo general, en trminos de electrofisiologa, solo la toma aninica hacia las vacuolas siempre requerir de un proceso de transporte activo. Esto se indica en la Tabla 2.8 en las diferencias entre las concentraciones vacuolares aninicas basadas en clculos de acuerdo al equilibrio electroqumico y las reales concentraciones vacuolares aninicas halladas en el experimento. En este ejemplo, el nico catin que requerira transporte activo para su toma es el K+ en las races de avena. A baja concentracin externa de K+, usualmente se requiere del transporte activo. Para Na+ y Ca2+ en particular, la concentracin en equilibrio en la savia celular (i.e., la calculada) ser mucho mayor que aquella encontrada experimentalmente en el estado estable (Tabla 2.8).

Tabla 2.8

Concentracin inica (m) determinada experimentalmente y calculada de acuerdo a las diferencias de potencial elctrico en races de arveja y avena a

In

Races de arveja (-110 mV) Races de avena (-84 mV)

Experimental Calculada Experimental Calculada

Potasio

Sodio

Calcio

Cloruro

Nitrato

75

8

2

7

28

74

74

10800

0.014

0.027

66

3

3

3

56

27

27

1400

0.038

0.076 a Composicin de la solucin externa: 1 m KCl, 1 m Ca(NO3)2, y 1 m NaH2PO4. En base a Higinbotham et al. (1967).

Una explicacin posible para esta discrepancia es que le membrana plasmtica restringe fuertemente la penetracin de estos iones o que los iones son bombeados (transportados) de vuelta a la solucin externa. Se ha establecido en varias especies vegetales una bomba de eflujo de Na+ en la membrana plasmtica de clulas radicales. La expulsin activa de Ca2+ (bomba de eflujo de Ca2+) de la membrana plasmtica tambin existe en clulas radicales. En la seccin 8.6 se discute la importancia general de esta bomba de eflujo de Ca2+ de ambos membrana plasmtica y tonoplasto para el funcionamiento celular. Ya que las concentraciones de Ca2+ en las soluciones de suelos son usualmente mayores a 1m, la bomba de eflujo de Ca2+ tendr un considerable requerimiento de energa para evitar el transporte de Ca2+ a lo largo del gradiente qumico (e.g., Tabla 2.8). Es probable, por lo tanto, que factores fisicoqumicos adicinales como el tamao y la carga del Ca2+ limite fuertemente la penetracin a lo largo del gradiente del potencial electroqumico a travs de la membrana plasmtica.

Algunos de los principios del transporte inico membranal se muestran en la Fig. 2.8. Una ATPasa-H+ (fuerza motriz de protones) transporta H+ a travs de la membrana de la superficie interna hacia la externa, por ejemplo en la membrana plasmtica desde el citoplasma al apoplasto, creando por lo tanto un gradiente de pH y electropotencial. El transporte catinico y aninico a lo largo del gradiente es mediado cualquiera por carriers o canales con selectividad inica. Este modelo adems toma en cuenta otra funcin importante de la membrana, es decir aquella de receptora de seales externas e internas (e.g., pH, concentracin inica) y la transformacin de estas seales en procesos de transporte membranal-

Tambin un consenso general de que en plantas las bombas de protones estn localizadas en ambos membrana plasmtica y tonoplasto, y que su principal funcin es la regulacin del pH en el citoplasma. Estas bombas transportan H+ desde el citoplasma cualquiera a travs de la membrana plasmtica hacia el apoplasto o a travs del tonoplasto hacia la vacuola conduciendo a las tpicas diferencias del pH entre estos compartimentos.

Por lo general, el pH del citoplasma (citosol) es de 7.3-7.6, el de la vacuola 4.5-5.9 y el del apoplasto cerca de 5.5. De acuerdo con esto, en clulas vegetales la extrusin de protones desde el citoplasma a travs de la membrana plasmtica y el tonoplasto es el principal proceso energizado y proporciona la fuerza motriz para los procesos de transporte energizados secundarios de cationes a lo largo del gradiente electroqumico.

TRANSPORTE PASIVO Y ACTIVO

Sea cual sea la forma de entrada de los iones a la raz (apoplstica, simplstica o micorrcica), deben atravesar la membrana plasmtica, donde la bicapa lipdica es una barrera impermeable a ellos.

La diferente concentracin de iones entre ambos lados de la membrana genera un gradiente de concentracin y de cargas elctricas (potencial de membrana). El transporte de nutrientes (en forma inica) puede llevarse a cabo de forma pasiva o activa

Para saber si un ion especfico atravesar la membrana de forma pasiva o activa se tiene que determinar su potencial electroqumico y compararlo con el potencial de membrana.

El potencial electroqumico de un ion depende de sus caractersticas intrnsecas, de su concentracin y de las condiciones elctricas donde se encuentre, y viene definido por la ecuacin de Nernst.

ECUACIN DE NERNST

ENj = Potencial de Nernst para el ion (j) R = Constante de la ecuacin general de los gases (8.31 J K-1 mol-1) T = Temperatura absoluta (K) z = Carga del ion (j) F = Constante de Faraday (96.5 J mol-1 mV-1) Cej = Concentracin del in (j) en el exterior de la clula Cij = Concentracin del in (j) en el interior de la clula

Para saber si un in va a ser transportado activa o pasivamente se debe comparar el potencial de Nerst para ese in con el potencial de la membrana por el que tiene que ser transportado.

Si el potencial de Nerst para un in iguala el potencial de membrana el in es distribuido pasivamente a travs de membrana.

ENj = (RT/zF) x ln (Cej/ Cij)

Protenas transportadoras de iones

Bombas de protones. protenas que expulsan H+ contra gradiente utilizando ATP como fuente de

energa. Su funcin: mantener el potencial de

membrana para favorecer el transporte de otros

iones.

Transportadores. Utilizan el potencial de membrana creado por las bombas de protones

para transportar otros iones. Este transporte

puede ser simporte o antiporte dependiendo de

la direccin de los iones involucrados.

Canales. Son poros selectivos para el transporte pasivo de distintos iones (K+, Cl-, Ca2+).

Fig. 2.8 Mecanismos principales de transporte inico en membranas

plasmticas. (A) ATPasa bombeadora de H+; (B) canal inico; (C) carrier;

(D) protenas acopladoras para percepcin y transduccin de seales.

(Modificado de Hedritch et al., 1986; con permiso de Trends in

Biochemical Sciences.)

ATPasa-H+ (fuerza motriz de protones) transporta H+

ATPasa

H+ATP + H2O ADP + Pi

H+

Membrana

plasmtica

Citosol pH 7

Pared celular pH 5

H+ NO3- H+ Sac H+ H+

Na+ Ca++

Transporte a travs de la membrana

simporte antiporte

Pared celular pH 5

Citosol pH 7

El funcionamiento y localizacin de las bombas de protones y del transporte catinico y aninico a travs de la membrana plasmtica y el tonoplasto se resumen en un modelo en la Fig. 2.9.

El transporte membranal de aminocidos y azucares sigue los mismos principios, i.e., es conducido por bombas de protones de membrana (Seccin 5.4.1).

Fig. 2.9 Modelo para el funcionamiento y localizacin de bombas electrognicas

de protones (ATPasa, PPiasa-H+), bomba redox transmembranal (NAD(P) oxidasa),

canales inicos, y transporte catinico y aninico a travs de la membrana

plasmtica y tonoplasto

En el modelo mostrado en la Fig. 2.9 la H +-ATPasa de la membrana plasmtica juega un rol clave en ambos la regulacin del pH citoplsmico y en la fuerza motriz para la toma catinica y aninica. Se considera por lo tanto como la enzima maestra. Se ha hecho considerable progreso en el entendimiento de cmo es regulada la actividad de esta enzima, tambin a nivel gentico. La actividad de la H +-ATPasa de la membrana plasmtica es particularmente alta en pelos radicales donde esta consume tanto como 25-50% del ATP celular.

Por consiguiente, bajos niveles radicales de carbohidratos no solo disminuyen la extrusin neta de protones hacia el medio externo sino tambin disminuye el pH citoslico. La H +-ATPasa de la membrana plasmtica es estimulada por cationes monovalentes en el orden K+ > Na+ y es relativamente insensible a aniones. Un ejemplo de la estimulacin por el K+ se ha dado en la Fig. 2.6. El calcio en general y la concentracin de Ca2+ libre citoslico en particular juega un rol clave en la estimulacin de esta enzima. Un incremento en el Ca2+ libre citoslico incrementa fuertemente la actividad de esta enzima de la membrana plasmtica, presentndose la mxima estimulacin ya a valores menores a 7 m Ca2+ libre. La activacin se logra presumiblemente por los efectos del Ca2+ libre sobre una protena quinasa asociada con la superficie interna de la membrana plasmtica (Seccin 8.6.7).

Los cationes son transportados cuesta abajo a lo largo del gradiente del potencial elctrico (alrededor de -120 a -180mV) a travs de la membrana plasmtica hacia el citoplasma pon un uniporte, mediado por estructuras especficas (carriers, permeasas) en la membrana (Fig. 2.9). Para el potasio (K+), sin embargo, a bajas concentraciones externas (

Potencial Hdrico (w )

Transporte a travs de membranas

Hidroliza ATP de forma directa para transportar el compuesto en cuestin

Mecanismos de absorcin de nutrimentos

Un transportador puede movilizar diversos iones y molculas; segn la

direccionalidad, se distinguen:

Antiportadores:aqullos que transportan un tipo de molcula en contra

de su gradiente al mismo tiempo que desplazan uno o ms iones

diferentes a favor del suyo, siendo ambos gradientes contrapuestos,

Simportadores: los que desplazan el compuesto a transportar en contra

de su gradiente acoplando este trasiego al desplazamiento de unoo ms

iones diferentes a favor del suyo, que, en este caso, es equivalente al de

la molcula a transportar.

Mecanismos de absorcin de nutrimentos

Mecanismos de absorcin de nutrimentos

Na+-H+ antiporter to transport Na+ out, Cl-, NO3-, H2PO4

-, sucrose and

amino acid enter the cell via specific proton symporter. How about K+?

Movimiento de iones por el plasmalema y el tonoplasto

ATPasa-

H+

(fuerza motriz de

protones) transport

a H+

Para el potasio (K+), sin embargo, a bajas

concentraciones externas (

Potencial Hdrico (w )

Potencial Hdrico (w )

Para el transporte de aniones a travs de la membrana plasmtica opera un cotransporte protnanin ( simporte); usando los abruptos gradientes elctricos (diferencia de potencial) y qumicos (diferencia de pH) de los protones como fuerza motriz. Se ha presentado evidencia del cotransporte protnanin en la membrana plasmtica para cloruro, fosfato y nitrato, as como aminocidos. Todava no es clara la estequiometra de este cotransporte; ms de un protn puede ser transportado por una carga negativa del anin,.

Hay tambin otros enfoques sobre los mecanismos de transporte aninico a travs de la membrana plasmtica. De acuerdo a Liu (1979), la toma radical de fosfato en maz es mediada por un contratransporte OH/fosfato en que el transporte cuesta abajo del OH desde el alto potencial electroqumico en el citoplasma (alto pH y fuerte carga negativa) hacia el apoplasto est acoplado con un contratransporte de aniones fosfato al citoplasma. Sin embargo, es dbil la evidencia experimental para el intercambio transporte del OH HCO a travs de la membrana como fuerza motriz para el transporte aninico, ya que no estn disponibles inhibidores especficos del transporte de OH y HCO .

Se ha establecido la existencia en el tonoplasto de dos bombas de protones funcionalmente y fsicamente distintas, una H+-ATPasa y una pirofosfatasa inorgnica, la PPiasa (Fig. 2.9). Ambas bombas de protones son fosfohidrolasas que usan cualquiera ATP pirofosfato inorgnico como fuente energtica (Seccin 8.4). El magnesio es esencial para ambas bombas, indicando que el MgATP y el MgPPi son los sustratos. El pirofosfato inorgnico es generado en varias vas biosintticas principales como en la sntesis de almidn (Seccin 8.4) en la activacin del sulfato (Seccin 8.3.2). Se asume que la concentracin del PPi, en el citosol esta en el rango de 50390 que es la adecuada para mover esta bomba de protones.

La contribucin relativa de la PPiasa a la actividad de bombeo total de protones en el tonoplasto parece ser menor que de la ATPasa , y ambas bombas se afectan de manera bien diferente por cationes y aniones inorgnicos (Tabla 2.9). Excepto por la esencialidad del Mg2+ en ambas bombas, la Mg ATPasa es estimulada por el cloruro e inhibida ( no afectada) por el potasio y el nitrato mientras que lo contrario es cierto en la Mg PPiasa. La Mg PPiasa-H+ exhibe una dependencia obligatoria de presencia de K+ y se presenta la activacin por K+ en la fase citoplsmica. No son claras las implicaciones de estas diferencias en la capacidad y sensibilidad de ambas bombas en la acumulacin de iones en las vacuolas en el transporte radial de iones a travs de las races (Seccin 2.7). La diferente proporcin de actividades de ambas bombas del tonoplasto radical puede estar involucrada en las diferencias genotpicas entre plantas en la translocacin de cloruros hacia los vstagos (Captulo 16).

Tabla 2.9

Algunas caractersticas de las bombas de protones del tonoplasto

ATPasa PPiasa

Actividad bombeadora a de H+ (mol H+ m-2 s-1)

Actividad afectada b

Estimulada por

No afectada inhibida por

214

Mg2+, Cl-

K+, NO

95

Mg2+, K+, NO

Cl-

a A partir de Hoffmann & Bentrup (1989). b Datos compilados a partir de Bennet et al. (1984); Marquardt & Lttge (1987) y

Pugliarello et al. (1991).

Las bombas de protones del tonoplasto se requieren para el mantenimiento de un alto pH citoslico y simultneamente proporcionan la fuerza motriz para el transporte catinico hacia la vacuola como contratransporte ( antiporte, Fig. 2.9). Este contratransporte no solo es importante por ejemplo, para la regulacin del turgor (altas concentraciones vacuolares de K+, Seccin 8.7) sino tambin para el mantenimiento de las bajas concentraciones citoslicas de sodio (Seccin 16.6.5) y calcio (Seccin 8.6).

Para aniones la situacin es menos clara. Mientras que se ha demostrado en clulas foliares de plantas con metabolismo cido de las crasulceas (CAM, Seccin 5.2.4) un cotransporte estequiomtrico protn-anin malato en vacuolas, es dbil la evidencia para races del acoplamiento de tal transporte protn-anin. El transporte aninico desde el citoplasma hacia la vacuola puede seguir el gradiente del electropotencial el cual es menos negativo en la vacuola comparando con el citoplasma (Fig. 2.9).

Fig. 2.9 Modelo para el funcionamiento y localizacin de bombas

electrognicas de protones (ATPasa, PPiasa-H+), bomba redox

transmembranal (NAD(P) oxidasa), canales inicos, y transporte catinico

y aninico a travs de la membrana plasmtica y tonoplasto

Mientras que se ha establecido la existencia de dos bombas de protones del tonoplasto (ATPasa; PPiasa) y la H +-ATPasa en la membrana plasmtica, todava es materia de controversia si esta involucrado un segundo sistema de translocacin de protones a travs de la membrana plasmtica desde el citoplasma al apoplasto en la formacin y mantenimiento del electropotencial y del pH transmembranal (Fig. 2.9). Este segundo sistema est ligado a una cadena redox con el NAD(P)H como donador de electrones. Hay buena evidencia de la intervencin de este sistema en el realzado crecimiento inducido por auxinas, en la actividad antimicrobiana en la reduccin del Fe(III) en la superficie de las membranas plasmticas radicales.

Sin embargo, hasta ahora principalmente el ferrocianuro u otros compuestos artificiales tienen que ser usados como aceptores de electrones para lograr una capacidad considerable de transporte transmembranal de protones. Permanece cuestionable el rol de este sistema redox para el gradiente transmembranal de protones y el transporte inico hasta que se encuentre un aceptor de electrones fisiolgico. En vista de la efectividad del ascorbato (radical libre del ascrbico) como aceptor de electrones para la bomba redox transmembranal y las relativamente altas concentraciones de ascorbato en el apoplasto foliar, no se puede excluir un rol de este sistema en el transporte inico y de otros solutos en la membrana plasmtica foliar.

Mas recientemente, se ha establecido la existencia de canales inicos tambin en membranas de las clulas vegetales y de este modo, los canales se incluyen en los modelos actuales de transporte inico membranal (Fig. 2.8 y 2.9). Los canales inicos son nicos entre las protenas transportadoras en su habilidad para regular vigilar el flujo inico sujeto al ambiente fsico-qumico de la protena canal. Estos canales permiten rpida penetracin pasiva (uniporte) de iones a travs de la membrana. Los canales abiertos catalizan la penetracin de 106 a 108 iones por segundo que es por lo menos tres an cinco veces mas rpido que el transporte inico mediado por carriers.

Sin embargo, los canales de iones estn cerrados la mayora del tiempo, y su nmero por clula parece ser bastante pequeo. Por ejemplo se asumen en la membrana plasmtica de clulas foliares cerca de 200 canales K+ por clula. Hasta ahora, se han identificado canales especficos para K+, Ca2+, H+ y Cl-, y se ha postulado un canal para NO en el tonoplasto.

Fig. 2.9 Modelo para el funcionamiento y localizacin de bombas

electrognicas de protones (ATPasa, PPiasa-H+), bomba redox

transmembranal (NAD(P) oxidasa), canales inicos, y transporte catinico

y aninico a travs de la membrana plasmtica y tonoplasto

Hay muchas suposiciones acerca de la funcin de estos canales inicos en las clulas vegetales. Ellos son importantes para la osmorregulacin, por ejemplo en clulas guarda foliares y en los movimientos foliares seismonsticos y nictinsticos, i.e., en procesos donde se requiere el rpido transporte de solutos de bajo peso molecular como K+ Cl- entre compartimentos celulares como una respuesta a seales ambientales (Seccin 8.7). Los canales selectivos de Ca2+ en la membrana plasmtica y tonoplasto que conducen al rpido incremento en la concentracin del Ca2+ citoslico libre son considerados de clave importancia en la transduccin de seales y funcionamiento del Ca2+ como mensajero secundario en el citoplasma al modular las actividades enzimticas (Seccin 8.6.7).

Adems de estas funciones especficas de canales inicos, no es muy claro su papel en la toma inica, por ejemplo radical. Para la toma de cationes divalentes en general y de Ca2+ en particular, la apertura de los canales facilita el rpido influjo al citoplasma de las clulas radicales Para la toma de K+ se propone un canal rectificante de entrada el cual se abre por la hiperpolarizacin de la membrana plasmtica y facilitara el influjo de K+ en presencia de altas concentraciones externas (>1m K+). Otro canal de alta conductancia en la membrana plasmtica de clulas radicales sera permeable para cationes ambos monovalentes y divalentes, abierto en la despolarizacin (i.e., cada en el potencial de membrana) y permite el rpido influjo de cationes como el Ca2+ pero facilita el rpido eflujo de K+ a lo largo del gradiente del potencial electroqumico (canal de K+rectificante de salida) a bajas (

De este modo, los canales catinicos en la membrana plasmtica de las clulas radicales presumiblemente juegan una parte importante en la toma de cationes divalentes an a bajas concentraciones externas pero para cationes monovalentes y el K+ en particular solo a altas concentraciones.

Aunque los canales en membranas permiten flujos rpidos y pasivos de solutos, las dimensiones de estos canales no son aptas para la penetracin de macromolculas. No obstante, las clulas vegetales tambin toman macromolculas como protenas (e.g., insulina) partculas de ferritina (Seccin 8.4.5).

Ms probablemente, la endocitosis (pinocitosis) es el mecanismo responsable en el cual las vesculas de la membrana plasmtica median la penetracin. Interesantemente, la toma de insulina en clulas vegetales va endocitosis requiere un acoplamiento de la protena con la vitamina biotina.

Esta capacidad de toma de macromolculas refleja las propiedades dinmicas de las estructuras membranales (Seccin 2.4.1). No debe sobreestimarse la importancia de esta capacidad de toma en plantas, sin embargo, ya que los poros en las paredes celulares limitan fuertemente la penetracin de macromolculas (Seccin 2.2.1).

2.4.3 La cintica del transporte

Por lo general la toma inica por clulas y races vegetales tiene caractersticas de cintica de saturacin. Esto concuerda con la suposicin de control, como por ejemplo por el nmero de centros de ligamiento inico (carriers, permeasas), por la capacidad de las bombas de eflujo de protones, en la membrana plasmtica y tonoplasto (Seccin 2.4.2). El trabajo pionero de Emmanuel Epstein y su grupo a inicio de 1950 contribuyo fundamentalmente al mejor entendimiento de la toma inica y su regulacin en plantas con respecto a la cintica del transporte inico a travs de membranas de clulas vegetales equivalente formalmente a la relacin entre un enzima y su substrato usando trminos de enzimologa (Fig. 2.10). Al comparar un carrier con una molcula enzimtica y el in al sustrato para la enzima, la tasa de transporte de un in depende de los siguientes dos factores:

Vmax Un factor de capacidad que denota la tasa mxima de transporte cuando se cargan todos los centros disponibles del carrier, es decir, la tasa mxima de transporte.

Km La constante de Michaelis, equivalente a la concentracin del in sustrato dada la mitad de la tasa mxima de transporte.

2.4.3 La cintica del transporte

Fig. 2.10 Tasa de toma de K+ (v) en funcin de la concentracin externa de

KCl () K2SO4 (); Km = 0.023 m). (Despus de Epstein, 1972)

Cuando el rango de concentracin es bajo, la toma frecuentemente es bien descrita por la cintica de Michaelis-Menten, como se mostr en un ejemplo en la Fig. 2.10 para la toma radical de potasio en cebada. Es evidente de esta Figura que la isoterma de la toma de potasio es la misma si la fuente de potasio es KCl o K2SO4.

Como veremos despus, sin embargo, cuando las concentraciones del sustrato son mayores, el anin acompaante tiene efecto en la tasa de toma del catin y viceversa. El valor Km refleja la afinidad de los centros del carrier por el in, justo como en reacciones enzimticas donde este indica la afinidad de la enzima por el sustrato.

Como primera aproximacin al rango de baja concentracin, la cintica de Michaelis-Menten tambin puede emplearse para describir tasas de toma del sulfato y fosfato. Sin embargo, como resumi Jensen et al. (1987), y demostrado en unos pocos ejemplos citados abajo, es muy limitada la aplicacin formal de la cintica de Michaelis-Menten por razones tericas (Seccin 2.4.2) y frecuentemente no concuerda con los resultados experimentales.

El concepto original de un mecanismo de transporte inico mediado por un solo carrier (un sistema carrier para cada in) no describe suficientemente la cintica de la toma cuando se probaron amplios rangos de concentraciones. A concentraciones de K+ por encima de 1m, por ejemplo, la cintica difiere considerablemente de aquella a menores concentraciones. La selectividad de los centros de ligamiento es menor (el Na+ compite con el K+) y el anin acompaante tiene un efecto sobre la tasa de toma (Seccin 2.5.5). Estas diferencias conducen a la hiptesis de un sistema dual, el Sistema I con mayor selectividad y el Sistema II con menor selectividad, localizados cualquiera en la misma o en diferentes membranas (i.e., membrana plasmtica, tonoplasto, respectivamente). Para mas detalles ver Epstein (1972).

Las desviaciones en la isoterma de la toma, cuando se considera para un amplio rango de concentracin, especialmente a altas concentraciones externas fueron interpretadas como indicadores de sistemas carriers multifsicos o como inhibicin alostrica (retroregulacin negativa) de los centros del carrier a altas concentraciones celulares. En vista de usualmente muy bajas concentraciones en la solucin del suelo particularmente de fsforo y potasio (Seccin 13.2.2), y de los resultados de estudios en toma inica en el rango de baja concentracin (

Fig. 2.11 Presentacin esquemtica de las relaciones entre la tasa de

toma (influjo neto = I) inica y su concentracin externa; Cmin = toma neta

cero (influjo = eflujo).

A fin de interpretar la cintica de la toma inica radical vegetal, al usar la ecuacin de Michaelis-Menten no solo se introdujo el trmino Cmin sino tambin el termino I para influjo el cual reemplaza velocidad (v) (Fig. 2.11). Sin embargo, muy frecuentemente solo se determina la toma neta inica que es resultante del influjo y eflujo. Particularmente a bajas concentraciones externas el eflujo puede volverse similar en magnitud al influjo y de este modo ser un componente importante al determinar la toma neta como se muestra en la Tabla 2.10 para fsforo.

A una concentracin externa dada, el eflujo de fsforo as mismo es 5-8 veces mayor en races de plantas suficientes en fsforo comparando con plantas deficientes en fsforo. De acuerdo con esto, las concentraciones Cmin son de 0.34 en plantas suficientes en fsforo y 0.08 en plantas deficientes en fsforo.

Tabla 2.10

Efecto de las bajas concentraciones de fsforo en el influjo y eflujo

radical de fsforo en maz a

Concentracin

suministrada de P

()

Flujo de P

(nmol P g-1 peso fresco radical

min-1) Eflujo

(%) Influjo Eflujo

0.2

2.0

0.21

4.40

0.15

0.32

71

7 a Elliott et al.(1984).

El eflujo de iones y otros solutos no solo es afectado por el electropotencial transmembranal y la integridad de la membrana plasmtica sino tambin por la concentracin y actividad de los respectivos iones en el citoplasma. En arveja, por ejemplo, la alta toma neta de sulfato en races deficientes en azufre cae cerca del 30% en 1 h debido a un marcado aumento en el eflujo de sulfatos, a pesar de an un ligero incremento en el influjo. Para nitrato y amonio tambin el componente eflujo puede explicar la alta proporcin casi 40-50% de influjo relacionado muy probablemente con las altas concentraciones de nitrato y amonio en el citoplasma.

El rpido intercambio inico entre la solucin externa y el citoplasma se refleja en el tiempo medio para el intercambio (t1/2) que para sulfato est en el rango de 10-20 min. y para nitrato entre 4 y 107 min. Estas tasas de intercambio con el pool citoplsmico son usualmente rdenes de magnitud superiores que las tasas de intercambio inico en la vacuola (e.g., alrededor de 700h para nitrato). Debido a ambos las altas tasas de intercambio y el pequeo volumen del compartimiento citoplsmico (~5% del volumen celular total en clulas diferenciadas), el rol del eflujo en la toma neta solo puede medirse en estudios a corto plazo, usualmente con radioistopos (e.g., 13N; 32P). En vista de los actuales modelos sobre estructura y funcionamiento de la membrana plasmtica (Fig. 2.9), las relativamente altas tasas de eflujo inico pueden estar relacionadas con cualquiera canales inicos transporte mediado por protones desde el citoplasma al apoplasto por cotransporte (aniones) contratransporte (cationes).

Estos parmetros de la cintica de la toma de iones tambin son fuertemente afectados por el estado nutricional vegetal. Esto es cierto no solo para Cmin sino tambin para Km y particularmente para Imax. Se da un ejemplo en la Tabla 2.11 para fsforo. Con el creciente contenido de fsforo en plantas, disminuyen ligeramente el Km y rpidamente el Imax, indicando una retroregulacin efectiva.

Ya que en este experimento los valores Imax se basan en la toma neta, no se puede evaluar el aporte del aumentado eflujo con las mayores concentraciones internas de fsforo. Al menos para nitrato, sin embargo, las mediciones del influjo indican claramente que adems del eflujo contribuyen otros mecanismos para el descenso en la toma neta cuando las concentraciones internas son altas. En races de cebada con crecientes concentraciones internas de nitrato disminuyen ambos Imax y Km por un factor de 45, indicando una retroregulacin efectiva del componente influjo.

Las evaluaciones de los parmetros cinticos de la toma de nitrato se complican por el hecho que obviamente hay dos sistemas de transporte y toma localizados en la membrana plasmtica. Uno es constitutivo, con un sistema de baja capacidad, y el otro es un sistema que es inducible por nitratos, y tiene para el nitrato ambos una mayor afinidad (menor Km) y una mayor capacidad de transporte (mayor Imax). Por consiguiente, ambos Km y Imax son bastante diferentes en plantas no inducidas comparando con plantas inducidas.

Los inhibidores de la sntesis proteica deprimen fuertemente la formacin de este sistema de transporte inducible en el cual los grupos arginina parecen jugar un rol esencial en el ligamiento transporte de nitrato en ambos. Algunas de las implicaciones de la retroregulacin para la toma de nutrientes minerales se discuten en la seccin 2.5.6.

En el rango de altas concentraciones se halla frecuentemente una relacin lineal entre la concentracin externa (>1m) y la tasa de influjo inico, como por ejemplo para rubidio y nitrato. Es bastante probable que las relaciones lineales (tambin definidas inicialmente como Sistema II), son reflejo del flujo pasivo de iones por canales inicos a travs de la membrana plasmtica a lo largo del gradiente de concentracin actividad inica. En vista de las usualmente bajas concentraciones inicas en la solucin del suelo, la importancia ecolgica de estos mecanismos que operan en rangos de alta concentracin para la nutricin mineral en plantas cultivadas en suelo puede cuestionarse para potasio, pero no para cationes divalentes (Seccin 2.4.2).

El influjo no energizado (pasivo) inico a travs de canales de la membrana plasmtica juega ciertamente un rol importante en suelos salinos (Seccin 16.6), en el transporte de elementos minerales en la planta, especialmente en la carga del xilema en las races (Seccin 2.8) y en la descarga del xilema, i.e., la toma en clulas a lo largo de la va y en clulas foliares (Seccin 3.2).

Tabla 2.11

Efecto de las bajas concentraciones de fsforo en el influjo y eflujo de fsforo

en races de maz a

Concentracin

suministrada de P

()

Contenido de P (% peso

seco)

Imax

(mol cm-1 s-1 x

10-14)

Km

() Caulinar Radical 0.03

0.3

3.0

30.0

0.22

0.34

0.59

0.66

0.23

0.30

0.56

0.90

17.6

16.9

6.5

3.7

1.6

1.7

1.2

1.0 a En base a Jungk et al. (1990).

La planta ajusta la concentracin y la actividad NR y NiR en

respuesta a diferentes seales: Abundacia de NO3- , luz ,

compuestos nitrogenados, CO2, metabolitos del carbono,

citoquininas

Regulacin de la Actividad NR y NiR

NO3- + 8H+ + 8e- NH3

+ + 2H2O + OH-

NO3-

LUZ

azcares

Reguladores positivos

Inhibida por:

Productos de asimilacin del NH4+ (glutamina)

Regulacin de la Actividad NR y NiR

La Nitrato Reductasa es inducida por NO3-

NO3- seal primaria Tambin responde a seales que ligan la reduccin del NO3- a la

fotosintesis, metabolismo de C y los ritmos diurnos

La Nitrato Reductasa es inducida por NO3-

Regulacin post-transcripcional de la NR

Un canal de aniones tambin puede ser el mecanismo para la salida de nitrato. La

direccin del flujo de aniones a travs de un canal est determinada por el gradiente

electroqumico del in. La regulacin de la actividad de un canal aninico en la

membrana plasmtica podra ser importante en determinar la concentracin de nitrato

en el citoplasma, dado que si el transporte activo se mantiene, la salida a travs del

canal disminuir rpidamente la concentracin de nitrato en el citoplasma. Un canal

abierto tiene una permeabilidad selectiva permitiendo que algunos iones fluyan

pasivamente en funcin del gradiente electroqumico a un gran ritmo (106- 108 iones

seg-1). Un simple canal de aniones abierto con un ritmo de salida de 107 iones seg-1

permitir la cada de la concentracin de nitrato citoplasmtico de 4 mol m-3 a un valor

de mmol m-3 (distribucin pasiva del nitrato) en 50 200 segundos. Por otra parte, el transporte activo es requerido en las membranas plasmticas para

mantener la concentracin intracelular de nitrato. La fuerza protn motriz a travs de la

membrana plasmtica puede proveer la energa necesaria para el transporte de nitrato.

Se considera que el transporte de nitrato es un simporte con H+ (figura 3).

Las protenas de los STAAI, son de 507 a 509 aminocidos, con una masa molecular de

54 a 55 kD, incluyendo 12 regiones hidrofbicas (transmembranas). Ha sido mostrado

que el nivel de ARNm de estas protenas aumenta rpidamente en respuesta al

suministro de NO3- en plantas que crecan en condiciones con limitaciones de NO3-. El

incremento en el nivel de transcriptos est correlacionado con el incremento en el

ingreso de NO3-. Los genes involucrados en la adquisicin y reduccin del NO3- fueron

coordinadamente expresados bajo condiciones de induccin por NO3- . Por otra parte,

la abundancia de los transcriptos est regulada por un efecto feedback de las formas

reducidas del nitrgeno ms que por el nivel de nitrato. A nivel fisiolgico la inhibicin de

los STAAI en un bajo estado estacionario despus de alcanzar un pico de induccin ha

sido argumentado que es el resultado de efectos de la acumulacin de NO3- y/o los

productos de su asimilacin. Esta conclusin est basada en correlaciones entre la [

NO3-]en la clula y el ingreso de NO3-.Existen evidencias que el ingreso de [ NO3-] es

inhibido por el NH4+ celular y /o los aminocidos. Siendo regulado la absorcin de

nitrgeno por el ciclo de los aminocidos entre la raz , tallo y raz (Cooper and Clarkson,

1989) (Figura 4).

Absorcin de Nitrato por las Races

La nitrito reductasa es un polipptido monomrico de cerca de 60-63 kDa que

contiene un grupo prosttico sirohemo. En contraste a la nitrato reductasa que est

localizada en el citoplasma, la nitrito reductasa est localizada en los cloroplastos en

las hojas y en los proplastidios en races y otros tejidos no fotosintticos. En hojas

verdes, el donador de electrones es la ferredoxina reducida, generada en la luz por el

fotosistema I (Capitulo 5). En la oscuridad y particularmente en las races y otros

tejidos no fotosintticos una protena similar a la ferredoxina puede hacer esta funcin

y la energa para la produccin de equivalentes reductores es proporcionada por la

gliclisis.

A pesar de la separacin espacial de la nitrato reductasa y la nitrito reductasa (Fig.

8.2.), por lo general, el nitrito raramente se acumula en plantas intactas bajo

condiciones normales. Los ndulos radicales de leguminosas son obviamente

excepciones a este control en la sincronizacin de la actividad de ambas enzimas

(Seccin 7.4.6). Ciertos herbicidas como el diuron inhiben fuerte y selectivamente la

nitrito reductasa en las hojas y correspondientemente incrementan el contenido de

nitritos en el tejido.

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Fig. 8.2 Representacin esquemtica de la secuencia de asimilacin del

nitrato en clulas foliares. (En base a Beevers & Hageman, 1983 y Warner &

Kleinhofs, 1992)

En plantas C4, las clulas del mesfilo y de la vaina del haz difieren en sus funciones

no solo en la asimilacin de CO2, sino tambin en la asimilacin de nitrato. Ambas, la

nitrato reductasa y la nitrito reductasa estn localizadas en las clulas del mesfilo y

estn ausentes en las clulas de la vaina del haz.

Esta divisin de labor en plantas C4, en que las clulas del mesfilo utilizan la energa de la luz para la reduccin y asimilacin del nitrato las clulas de la vaina del

haz para la reduccin del CO2, es mas probablemente la causa de la mayor eficiencia

en el uso del nitrgeno fotosinttico (NUE) en las C4 comparando con las plantas C3.

Debido al particular mecanismo de concentracin de CO2 en las clulas de la vaina

del haz, se requiere menos concentracin de RuBP carboxilasa (Rubisco) en las

plantas C4 que en las plantas C3. En plantas C3 el nitrgeno en la Rubisco explica el

20-30% del nitrgeno total foliar comparando con el menos del 10% en plantas C4,

ms el 2-5% nitrgeno por la PEP carboxilasa en plantas C4.

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

La nitrato reductasa es una enzima que es regulada mediante varios modos diferentes

ejercidos en diferentes niveles, es decir, en la sntesis y degradacin de la enzima, la

inactivacin reversible, y en la concentracin del sustrato y efectores. La enzima tiene

una vida media de solo unas pocas horas, y en plantas que no reciben nitrato esta

simplemente ausente. La nitrato reductasa puede ser inducida en pocas horas por la

adicin de nitrato y ser suprimida por ciertos aminocidos.

Como se espera la actividad nitrato reductasa es muy baja en plantas deficientes de

molibdeno (Tabla 8.1). La incubacin de segmentos foliares deficientes en soluciones

que contienen molibdeno incrementa marcadamente la actividad de la enzima. La

enzima puede an ser reactivada in vitro si la apoenzima sin molibdeno es tratada con

complejos que contengan molibdeno. Las notables diferencias entre las actividades

nitrato reductasa en plantas deficientes y suficientes en molibdeno y la rpida

respuesta al suministro de molibdeno pueden ser usadas para determinar el estado

nutricional del molibdeno en las plantas (ver tambin Capitulo 12).

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Tabla 8.1

Efectos del pretratamiento con molibdeno en la actividad nitrato reductasa en

segmentos foliares de trigo a

Suministro de molibdeno

durante el crecimiento

vegetal

(g por planta)

Pretratamiento de

los segmentos

foliares

(g Mo l-1)

Actividad nitrato reductasa

(mol NO g-1 peso fresco)

despus de

24 h 70 h

0.005

0.005

5.0

5.0

0

100

0

100

0.2

2.8

-

-

0.3

4.2

8.0

8.2 a A partir de Randall (1969).

La alta tasa de recambio de la nitrato reductasa y la notable modulacin de su

actividad por efectores como la luz, nitrato, fitohormonas, ha iniciado muchos

estudios usando a est enzima como un modelo para la regulacin gnica por

factores ambientales en general (Seccin 5.6.3) y por el nitrato en particular. El bien

conocido incremento en la actividad nitrato reductasa por las citoquininas (CYT) es

expresado al nivel de mRNA de nitrato reductasa que se incrementa por las CYT pero

se suprime por el ABA. El nitrato no solo induce la nitrato reductasa sino tambin la

nitrito reductasa al alterar la expresin gnica principalmente al realzar la transcripcin

de los respectivos genes. La disminucin en la eficiencia del uso de transcriptos de

nitrato reductasa para la produccin de la protena nitrato reductasa es obviamente el

principal factor responsable de la mucho menor actividad de la nitrato reductasa en

hojas viejas comparando con las jvenes (Fig. 8.5). La disminucin en la importacin

de CYT hacia las hojas ms viejas (Seccin 5.6.5) puede estar involucrada en esta

declinacin en la transcripcin dependiente de la edad

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Adems de su funcin en la induccin de la sntesis de nitrato reductasa, el

nitrato, junto con la luz, puede actuar como una seal que altera el particionamiento del flujo del carbono fotosinttico en las hojas (Fig. 8.3). Para la

asimilacin del amonaco hay una alta demanda de esqueletos de carbono y se

puede asumir que se presenta competencia entre la sntesis de sacarosa y la

sntesis de aminocidos como se ha mostrado en hojas de tomate. El flujo de

carbono entre ambas vas parece estar regulada va protenquinasas citoslicas

que modulan la actividad de dos enzimas clave, la sacarosa-P sintasa y la PEP

carboxilasa, mediante la fosforilacin.

El nitrato por si mismo funciona como una metabolito seal (Fig. 8.3). Sin

embargo, ambas enzimas responden a la fosforilacin en un modo inverso, la

sacarosa-P sintasa es inactivada y la PEP carboxilasa activada, y por lo tanto hay

un particionamiento de fotosintatos desde la sntesis preferencial de sacarosa

haca la sntesis de aminocidos. Se requiere una alta actividad de PEP

carboxilasa para reabastecer los cidos tricarboxlicos proporcionados por el TCA

para la asimilacin del amonaco, de acuerdo al principio mostrado para la

asimilacin de cationes excesivos tomados radicalmente (Seccin 2.5.4).

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Fig. 8.3 Modelo del NO y luz como seales para la fosforilacin proteica y desactivacin de sacarosa-P sintasa y activacin de PEP carboxilasa. (Modificado

de Champigny & Foyer, 1992; reimpreso con permiso de la American Society of

Plant Physiologists.)

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Localizacin en Races y Vstagos. En la mayora de especies vegetales ambos

races y vstagos son capaces de la reduccin del nitrato, y las races pueden

reducir entre un 5 y 95% del nitrato tomado. La proporcin de la reduccin llevada a

cabo en las races y vstagos depende de varios factores, que incluyen el nivel del

suministro de nitrato, de la especie vegetal, de la edad vegetal, y tiene importantes

consecuencias para la nutricin mineral y la economa del carbono vegetal. En

general, cuando el suministro externo de nitrato es bajo, una alta proporcin del

nitrato es reducida en las races. Con un suministro creciente de nitrato, la

capacidad para la reduccin del nitrato en las races se vuelve un factor limitante y

una proporcin creciente del nitrgeno total es translocada a los vstagos en la

forma de nitrato (Fig. 8.4).

Existen notables diferencias entre especies vegetales en ambas, la proporcin de

nitrato reducido en las races y la respuesta a crecientes concentraciones externas

de nitrato. Por ejemplo, a un suministro de 1 m nitrato la proporcin del nitrgeno en la savia del xilema como nitrato fue de 15% en trbol blanco (Trifolium repens),

33% en arveja (Pisum sativum) y 59% en Xanthium stumarium, y a 10 m nitrato estas proporciones se incrementaron a 66%, 41% y 69%, respectivamente. Sin

embargo, como se discuti en la Seccin 3.4.4 el reciclaje del nitrgeno reducido

puede ser un componente importante del nitrgeno reducido encontrado en la savia

del xilema y de esta manera, el porcentaje del N total como nitrato en la savia del

xilema no es un parmetro muy fiable sobre la proporcin de la reduccin del nitrato

en la raz. No obstante, hay un patrn general entre especies vegetales en el

particionamiento de la reduccin y asimilacin del nitrato entre las races y

vstagos.

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Localizacin en Races y Vstagos. En la mayora de especies vegetales ambos

races y vstagos son capaces de la reduccin del nitrato, y las races pueden

reducir entre un 5 y 95% del nitrato tomado. La proporcin de la reduccin llevada a

cabo en las races y vstagos depende de varios factores, que incluyen el nivel del

suministro de nitrato, de la especie vegetal, de la edad vegetal, y tiene importantes

consecuencias para la nutricin mineral y la economa del carbono vegetal. En

general, cuando el suministro externo de nitrato es bajo, una alta proporcin del

nitrato es reducida en las races. Con un suministro creciente de nitrato, la

capacidad para la reduccin del nitrato en las races se vuelve un factor limitante y

una proporcin creciente del nitrgeno total es translocada a los vstagos en la

forma de nitrato (Fig. 8.4).

Reduccin y Asimilacin del Nitrato

Existen notables diferencias entre especies vegetales en ambas, la proporcin de

nitrato reducido en las races y la respuesta a crecientes concentraciones externas

de nitrato. Por ejemplo, a un suministro de 1 m nitrato la propo