Apuntes Fisiología Vegetal

5/10/2018 Apuntes Fisiolog a Vegetal - slidepdf.com

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Fisiología Vegetal | 1

CONCEPTO DE FISIOLOGÍA VEGETAL

DEFINICIÓN DE FISIOLOGÍA VEGETAL

Etimológicamente, Fisiología Vegetal es el conocimiento (logos) físico de las

plantas. Todos los procesos que tienen lugar en las plantas tienen una base físico-

molecular. La Fisiología Vegetal estudia los procesos que tienen lugar en las plantas,

estudia cómo funcionan las plantas, y explica los fundamentos físicos de dicho

funcionamiento sobre bases estructurales a diferentes niveles: molecular, celular, de

tejidos, de órganos y de planta entera; explica los mecanismos de crecimiento y desarrollo

de las plantas y sus respuestas a los agentes externos.

Todas las plantas son objeto de estudio de esta disciplina, aunque esencialmente se

estudian las plantas vasculares.

PRECEDENTES HISTÓRICOS

Aristóteles (384-322 a.C.) fue el impulsor de una filosofía racional de la

naturaleza.

Teofrasto (370-285 a.C.) fue discípulo de Aristóteles y es considerado el padre de

la Botánica.

Catón (234-149 a.C.) y Varrón (116-28 a.C.) son famosos por sus tratados

agrícolas de la Antigua Roma.

Pietro Crescenzi (1230/35-1320) es conocido por ser escritor de un libro de

agricultura y jardinería.

San Alberto Magno (1207-1280) tradujo y comentó los textos de Aristóteles, y

escribió tratados de botánica.

Andrea Cesalpino (1519-1603) introdujo un sistema de clasificación de las

plantas por sus frutos y semillas.

Carl von Linné (1707-1778) es el fundador de la Taxonomía moderna y autor denumerosas obras botánicas.

Paracelso (1493-1541) hizo algunos intentos de explicar químicamente o

alquimísticamente los procesos fisiológicos de las plantas.

René Descartes (1596-1650) es el precursor de los estudios fisiológicos desde un

punto de vista mecanicista.

Jean-Baptiste van Helmont (1579-1644) es considerado el primer fisiólogo

experimental propiamente dicho, es famoso por su célebre experimento con un

sauce, en el que relacionaba el crecimiento de la planta con el aporte hídrico, al

observar que el peso de la tierra apenas disminuye con el desarrollo de la planta.



2 | Alberto Fonte Polo

FISIOLOGÍA VEGETAL EXPERIMENTAL

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723) perfeccionó el microscopio y realizó las

primeras observaciones microscópicas de bacterias.

Robert Hooke (1630-1703) descubre las células observando en el microscopio

una laminilla de corcho.

Marcelo Malpighi (1628-1694) es considerado el fundador de la Histología.

Stephen Hales (1677-1761) fue pionero en la Fisiología Vegetal experimental,

famosos son sus estudios sobre la pérdida de agua en plantas por transpiración y

las tasas de crecimiento de brotes y hojas.

Joseph Priestley (1733-1804) descubrió que las plantas verdes expelen aire

purificado.

Antoine Lavoisier (1743-1794) reveló el papel del oxígeno y del dióxido de

carbono en la respiración de las plantas.

Jan Ingenhusz (1730-1799) demuestra que las partes verdes de las plantas

expuestas a la luz fijan el dióxido de carbono, y que en la oscuridad eliminan

pequeñas cantidades de dióxido de carbono.




Jean Senebier (1742-1809) demostró claramente que la actividad fotosintética se

limita a las partes verdes de la planta y tiene lugar sólo cuando están expuestas a

la luz solar.

Nicolas-Théodore de Saussure (1767-1845) mostró que el aumento de la masa

de la planta a medida que crece no puede deberse sólo a la captación de dióxido decarbono, sino también al ingreso de agua.

Justus von Liebig (1803-1873) descubrió que las plantas se alimentan gracias al

carbono del CO2 del aire y al nitrógeno del amonio del suelo.

Jean-Baptiste Boussingault (1802-1887) llevó a cabo investigaciones sobre la

riqueza en nitrógeno y fósforo de los abonos y la fijación del nitrógeno

atmosférico por las plantas.

Julius von Sachs (1832-1897) estudia la fisiología y la morfología de los

procesos germinativos, así como los fenómenos de heliotropismo y el geotropismode las plantas.

Hugo de Vries (1848-1935) redescubre las leyes de Mendel, descubre las

mutaciones y su papel en la evolución al generar la variación sobre la que actúa la

Selección Natural.

RELACIÓN DE LA FISIOLOGÍA VEGETAL CON OTRAS CIENCIAS Y TENDENCIAS ACTUALES

Ciencias básicas: Física, Biología Molecular, Biología Celular, Genética,

Taxonomía, Filogenia, Ecología.

Aplicaciones en: Agricultura, Floricultura, Fisiología post-cosecha, Producción

de fármacos, Producción forestal, Acuicultura, Impacto ambiental.

Importancia de las plantas: El 95% de toda la biomasa terrestre es vegetal.

La actividad biosintética de las plantas mantiene, además de a ellas mismas, a,

esencialmente, todas las otras formas de vida sobre la Tierra.

La especie humana depende de las plantas como fuente de alimentos y de materiasprimas para la industria.

La mayor parte de los combustibles proceden de la actividad fotosintética (pasada

y actual) de las plantas.

La fotosíntesis vegetal originó y renueva el oxígeno atmosférico del que dependen

muchos organismos.




PARED CELULAR VEGETAL

LA CÉLULA VEGETAL

Las células vegetales se diferencian de las células animales por la presencia depared celular. La pared celular vegetal es un órgano complejo que, aparte de dar soportey estructura a los tejidos vegetales, tiene la capacidad de condicionar el desarrollo de lascélulas. Es una estructura rígida que determina la forma de la célula, y, por consiguiente,también del tejido, de este modo la planta no necesita esqueleto. Se distinguen dos tiposde pared: pared celular primaria, es la primera que aparece en una célula joven, y enmuchos casos es la única que se forma, se caracteriza por permitir el crecimiento activode la célula. Cuando la célula deja de crecer esta pared se transforma en pared celularsecundaria, que se forma en la superficie interna de la pared primaria, es mucho másgruesa que ésta y presenta una composición y propiedades distintas. Las células que hanperdido su pared celular se denominan protoplastos.

La membrana citoplasmática (o plasmalema) puede tener un grosor de 70-80 Å(70-80 × 10-10 m), mientras que la pared celular tiene un grosor muy variable, la paredprimaria tiene de 1 a 3 µm (1-3 × 10-6 m) de grosor.

El citoplasma de las células vegetales está compuesto por el hialoplasma ocitosol, disolución acuosa de moléculas orgánicas e iones, y los orgánuloscitoplasmáticos, como los plastidios, mitocondrias, ribosomas, aparato de Golgi, retículoendoplasmático y vacuolas.

Todas las células de un vegetal presentan plastidios, pero sólo las zonas verdes dela planta tienen cloroplastos. Tanto las mitocondrias como los plastidios contienenmaterial genético (un único cromosoma de ADN circular), por lo tanto, la célula vegetaltiene tres genomas distintos que deben coordinarse.

Los glioxisomas son también orgánulos característicos de las plantas, se localizanen los tejidos de almacenaje de lípidos de las semillas, ya que su función es convertir loslípidos en carbohidratos durante la germinación.




Las vacuolas son partículas rodeadas de membrana (tonoplasto) con bajocontenido proteico y poca actividad metabólica. Contienen diferentes fluidos, tales comoagua o enzimas, aunque en algunos casos puede contener sólidos. Este orgánulo no poseeuna forma definida, su estructura varía según las necesidades de la célula. En las célulasvegetales no hay lisosomas, pero su función lítica es asumida por las vacuolas. Durante la

diferenciación celular el citoplasma experimenta una intensa hidratación, este proceso dalugar a enormes vacuolas llenas de líquido que se suelen unir entre sí. Como resultado, elcitosol en ocasiones queda reducido a una fina capa debajo de la membrana plasmática.

La pared celular está atravesada por plasmodesmos, constituyen puentescitoplasmáticos que permiten la circulación del agua y sustancias pequeñas (ARN,proteínas, y en ocasiones ribosomas e incluso virus vegetales) entre las células. Soncanales cilíndricos, tienen normalmente un diámetro de 20 a 40 nm. La mayoría de lascélulas vegetales tienen plasmodesmos, a excepción de las células oclusivas del estoma ylas células que sufrirán meiosis. En ciertas ocasiones los plasmodesmos puedenbloquearse, por ejemplo ante una infección.

En las plantas no existe la compartimentación celular que hay en los animales. Las

membranas celulares son permeables al agua e impermeables para la mayoría de lossolutos. Dentro de las células los solutos se mueven libremente y atraviesan losplasmodesmos, pero no pueden salir al exterior. Por lo tanto, se pueden establecer dosespacios independientes separados por la membrana plasmática, estos compartimentosson: el apoplasto y el simplasto. El apoplasto corresponde al espacio exterior a lasmembranas y forma, por tanto, la zona de difusión libre. Engloba las paredes celulares,los espacios intercelulares y el xilema. El simplasto es el espacio formado por loscitoplasmas de las células, comunicadas entre sí por medio de los plasmodesmos. Ambosespacios, simplástico y apoplástico, son continuos, y entre ambos solo atraviesa el aguasegún gradiente de concentración.




Principales tejidos y células vegetales

Tejidos Tipos de células

Dermales Epidermis Epidérmica, oclusivaFelodermo Parénquima, corcho

Vasculares Floema Parénquima, cribosa, acompañante, fibraXilema Parénquima, fibra, traqueidea, elemento vascular

Fundamentales Córtex Parénquima, colénquima, fibra, escleroideEndodermis Parénquima, endodérmicaPericiclo ParénquimaMédula ParénquimaMesófilo Parénquima, escleroide

Meristemáticos Meristemo apical MeristemáticaCambium vascular MeristemáticaFelógeno Meristemática

Las plantas tienen pocos tejidos y pocos órganos. Pero hay tres órganos comunes atodas las plantas, presentes en estado vegetativo: hoja, tallo y raíz. Cada uno de ellos contejidos fundamentales, vasculares y dermales. Los tejidos dermales protegen a la planta,y participan en procesos de intercambio de materia. Los tejidos vasculares son losencargados del transporte de sustancias a larga distancia, agua y sales minerales en elcaso del xilema, y productos fotosintéticos si se trata de floema. Los meristemos estánpresentes en los extremos de raíces y tallos, conocidos como meristemos apicales ycaulinares respectivamente, son los responsables del crecimiento primario de la planta, esdecir del crecimiento por división celular.

COMPONENTES DE LA PARED CELULAR

La lámina media es la capa más externa, es compartida por las célulasadyacentes, y está compuesta esencialmente de pectinas. La pared primaria es másgruesa que la lámina media, está formada por numerosas microfibrillas de celulosa,entremezcladas o formando planos, siendo poco abundantes las fibrillas. Adosadas a lasmicrofibrillas hay moléculas de hemicelulosa, y todo ello en una matriz de pectinas yproteínas. La pared secundaria solo está presente en algunos tipos celulares, es muchomás gruesa que la pared primaria y sus moléculas de celulosa son más largas. Latransición de pared primaria a pared secundaria es gradual.

Macromoléculas mayoritarias en paredes celulares vegetales

Lámina media Materias pécticas.Pared primaria Materias pécticas, hemicelulosas, extensinas y celulosa.Pared secundaria Celulosa (componente mayoritario), hemicelulosas (muy pocas),

extensinas (muy pocas) y ligninas (sólo en algunas paredes:traqueideas, fibras de xilema, escleroides...).

Los polisacáridos son los componentes mayoritarios de las paredes celularesvegetales, están formados por azúcares enlazados unos con otros mediante enlacesglucosídicos, formando largas cadenas. Los tres tipos de polisacáridos que normalmente

aparecen son la celulosa, hemicelulosa y sustancias pécticas. La hemicelulosa y laspectinas son derivados de polisacáridos, la celulosa es el único polisacárido puro. Los




polisacáridos están constituidos solamente por monosacáridos, los derivados depolisacáridos están formados, además, por otros compuestos, como derivados demonosacáridos. Asimismo, en los derivados de polisacáridos hay modificaciones comometilaciones, acetilaciones, etc. La fase amorfa de la pared celular corresponde a laspectinas y demás compuestos acuosos, mientras que la fase altamente estructurada

corresponde a las fibras de celulosa.Además, las paredes contienen proteínas, lípidos y minerales, y en los últimos

estadios de desarrollo las paredes también presentan grandes cantidades de lignina. Enlos órganos aéreos las paredes se encuentran recubiertas de ceras, cutina y suberina.

La celulosa es el componente principal de los vegetales, y es la biomolécula másabundante de la Tierra. Este polisacárido se compone de largas cadenas lineales (4000-7000 nm) de miles de residuos de glucosa unidos por enlaces glucosídicos β 1-4. En lasparedes primarias las cadenas de celulosa son más cortas (750 nm). Las cadenas serefuerzan mediante puentes de hidrógeno intracatenarios entre los grupos – OH enposición 3 y los oxígenos de glucosas adyacentes. Además, las cadenas se unen entre sí

mediante puentes de hidrógeno intercatenarios entre los grupos – OH 6’ y los oxígenosglucosídicos, formando fibrillas elementales. A su vez, las fibrillas elementales se unenformando microfibrillas, así es como aparece en la pared primaria, pero en la paredsecundaria, además, las microfibrillas se agrupan en fibrillas que forman fibras decelulosa.

Las hemicelulosas están formadas por una cadena plana de azúcares unidos porenlace β glucosídicos 1-4, de la que pueden salir ramificaciones muy cortas, normalmentede un solo azúcar. Por ejemplo, el xiloglucano es la hemicelulosa más abundante de lapared primaria de muchas dicotiledóneas, se trata de un polímero de glucosa unidamediante enlaces β 1-4, que presenta cadenas laterales ramificadas por inserción de unaxilosa mediante un enlace 1-6. Las hemicelulosas son muy variables de unas plantas aotras, y es frecuente que haya metilaciones y acetilaciones. Las cadenas de hemicelulosa

son más cortas que las de celulosa, y no forman agregados.

Las pectinas son polisacáridos ricos en ácido D-galacturónico que forman unacadena lineal altamente ramificada. Las materias pécticas tienen residuos ácidos,carboxilos ( – COOH), que pueden estar metoxilados ( – CO – OCH3) o disociados concatión calcio ( – COO – Ca2+). Estos tres tipos de pectinas actúan como cementante, y danconsistencia a la pared celular.

xil xil xil xil| | | |

Glu – Glu – Glu – Glu – Glu – Glu – Glu – Glu| |

xil xil




Las proteínas constituyen un 10% del peso seco de las paredes celularesprimarias. Las extensinas son una familia de glicoproteínas muy abundantes en la pared.El componente glucídico está formado por arabinosa (mayoritariamente) y galactosa; laarabinosa se une a la hidroxiprolina, se unen 3 o 4 restos que forman cadenas laterales, yla galactosa se une a la serina, un único resto de galactosa por serina. Las funciones de la

extensina son estructurales, contribuye a la resistencia de la pared, y de defensa frente alataque de patógenos.

ORIGEN DE LA PARED CELULAR

La pared celular se origina durante la citocinesis del protoplasto. Vesículas queproceden del aparato de Golgi forman una placa celular entre los dos núcleos hijos, en laplaca celular aparecen también numerosos ribosomas y restos del retículoendoplasmático. Las vesículas se fusionan para formar el plasmalema de las dos célulashijas, y los restos de retículo endoplasmático que quedan atrapados entre las vesículas delaparato de Golgi forman los plasmodesmos.

ara ara

| |α

ara ara

| |α

ara ara

| |β

Gal ara ara

| | |α β

Ser – Hyp – Hyp – Hyp – Hyp – Ser – Lys| | |β α

ara ara Gal

| |β

ara ara

| |β

ara ara

| |α

ara ara




ESTRUCTURA DE LA PARED PRIMARIA

Según el modelo del complejo macromolecular todos los componentes de lapared celular vegetal pueden interaccionar entre sí mediante enlaces covalentes y se unena través del xiloglucano, mediante puentes de hidrógeno, con las microfibrillas de lacelulosa.

El modelo de urdimbre y trama se basa en la existencia en la pared de unaestructura entramada que consta de dos polímeros: microfibrillas de celulosa(“urdimbre”)

dentro de una red de extensinas (“trama”). El xiloglucano, unido por puentes dehidrógeno a la celulosa, actúa como un cerrojo, anclando las microfibrillas de celulosa ala malla de extensina, o permitiendo que se deslicen durante el crecimiento y la extensiónde la pared.

El modelo de los tres dominios propone que existen, en las paredes primarias, tresdominios independientes aunque interrelacionados: el primer dominio, el armazóncelulosa-xiloglucano, está embebido en el segundo dominio, la matriz de polisacáridospécticos, y el tercer dominio lo constituyen las proteínas estructurales.

En la pared primaria las fibras de celulosa se depositan próximas a la membranaplasmática, paralelas entre sí en las distintas capas, pero formando un ángulo con las

fibras de distintas capas. Entre las fibras de celulosa hay huecos en los que se disponenlas cadenas de hemicelulosa, que se unen por puentes de hidrógeno a la celulosa. Lasmaterias pécticas establecen puentes entre sí, con la hemicelulosa y con la celulosa. Lasextensinas se disponen enrollando las fibras de celulosa, conforme la célula crece yalcanza el estado adulto se forman puentes de isoditirosina que endurecen las cadenas deextensina.




BIOSÍNTESIS DE LOS COMPONENTES DE LA PARED CELULAR

En la formación de los polisacáridos de la pared celular se necesitan donadores deazúcares, éstos son los azúcares-nucleótidos. Para formarse un azúcar-nucleótido senecesita la fosforilación de un monosacárido y su activación con un nucleótido trifosfato.

También ocurren interconversiones de unos azúcares-nucleótidos en otros, lo quees de gran importancia para la biosíntesis de los polímeros no celulósicos de la pared. Elazúcar-nucleótido puede ser modificado en su parte glucosídica, hay enzimas epimerasas

que catalizan su transformación a un isómero, hay oxidasas que oxidan el C-6, haydescarboxilasas que eliminan CO2 y deshidrogenasas que eliminan H2.

El mio-inositol es también un precursor de polisacáridos de la pared celularvegetal.

Los sistemas enzimáticos responsables de la formación de polisacáridos de lapared están unidos a las membranas, y catalizan la transferencia de azúcares desde losazúcares-nucleótidos a aceptores para formar polisacáridos.

La celulosa se sintetiza en el apoplasto por medio del complejo celulosa sintasa,este complejo es un hexámero con seis centros activos que se localiza embebido en lamembrana plasmática, usa como precursor UDP-glucosa, y requiere Ca2+, Mg2+ ycelobiosa que, probablemente, es el aceptor de restos de glucosa.

ATP ADP

D-glucosa D-glucosa-6-P D-glucosa-1-Pkinasa mutasa

D-glucosa-1-P + UTP UDP-D-glucosa + PPi uridín-difosfato-D-glucosa

pirofosforilasa




Cada centro activo sintetiza una cadena de celulosa, las seis cadenas de celulosa

que se forman en un complejo se asocian en una fibrilla elemental. Las cadenas encrecimiento son secretadas a través de poros de la membrana y una proteína accesoriafacilita el alineamiento de las cadenas para asegurar su cristalización. Varios complejoscelulosa sintasa se asocian para formar una microfibrilla, éstos puede desplazarse a travésde la membrana al unísono guiados por los microtúbulos del citoesqueleto, el patrón dedesplazamiento determina el patrón de disposición de la celulosa.

Es común que junto a la celulosa sintasa aparezca la enzima sacarosa sintasa (SuSy, del inglés sucrose synthase), ésta cataliza la transformación de sacarosa (glucosa-fructosa) en UDP-glucosa, que se incorpora a las cadenas de celulosa en crecimiento, y enfructosa.

La hemicelulosa y las pectinas se sintetizan también a partir de azúcares-nucleótidos que se sintetizan en el citosol, pasan al retículo endoplasmático y al aparatode Golgi. Las enzimas glucanosintasas, encargadas de la polimerización de losmonosacáridos, se encuentran en el interior del aparato de Golgi. Las vesículas deexcreción del aparato de Golgi liberan los polisacáridos al espacio apoplástico paraincorporarse a la pared en crecimiento.

La biosíntesis de la extensina también ocurre de un modo parecido. Inicialmente

el polipéptido que se sintetiza en el retículo endoplasmático rugoso es rico en prolina,pero posteriormente, en el lumen de este orgánulo, ocurre la hidroxilación de los residuos

UDP-glucosa UDP

(Glucosa)n (Glucosa)n+1

UDP

Sacarosa UDP-glucosa + FructosaSuSy




de prolina. En el aparato de Golgi tiene lugar la glicosilación por transferencia del azúcardesde UDP-arabinosa y UDP-galactosa, y las glicoproteínas formadas son secretadas a lapared en vesículas del aparato de Golgi. En el apoplasto se forman puentes deisoditirosina entre restos de tirosina de la misma o de diferentes moléculas de extensina.

PARED SECUNDARIA

En las paredes secundarias, los depósitos masivos de celulosa confieren una granresistencia a la deformación mecánica, pero impiden el crecimiento de la célula. En lasparedes secundarias, a diferencia de lo que ocurre en paredes primarias, las fibras decelulosa presentan un fuerte empaquetamiento paralelo, que puede ser fibroso, helicoidalo anular respecto al eje celular. En las traqueidas de coníferas la pared secundaria estádividida en tres capas: S1, S2 y S3.

En las regiones de la pared celular donde los plasmodesmos son muy abundantesla pared primaria es más delgada, en estas zonas no se deposita pared celular secundaria,y se denominan punteaduras secundarias. Generalmente cada punteadura tiene otracomplementaria en la pared de la célula vecina a la misma altura, en tal caso se habla depunteadura bilateral. En las traqueidas de ciertas plantas suelen aparecer punteadurasareoladas, en las que la pared secundaria se desarrolla sobre la cavidad de la punteaduraformando un techo arqueado con un poro estrecho en el centro, en algunas de estaspunteaduras la membrana aparece engrosada en su parte central formando un toro. Lamembrana de la punteadura es flexible y el toro puede taponar una de las aberturas,limitando el paso de agua.

Pared primaria

Pared primaria

Pared secundariacapa intermedia (S2)

Pared secundariacapa intermedia (S2)

Pared secundariacapa interna (S3)

Pared secundariacapa interna (S3)

Pared secundariacapa externa (S1)

Pared secundariacapa externa (S1)

Lámina media

Lámina media




La lignina es el componente de naturaleza no polisacarídica más abundante de lasparedes celulares, es un polímero de naturaleza fenólica que confiere rigidez a la pared

secundaria de las traqueidas. El precursor de la lignina es el ácido cinámico, que se formaa partir de la fenilalanina, un aminoácido del que derivan la mayoría de los fenoles.

La biosíntesis de la lignina ocurre gracias a la combinación de tres alcoholes:cumarílico, coniferílico y sinapílico; que se diferencian en el número de grupos metoxílicos ( – OCH3).

Los alcoholes cumarílico, coniferílico y sinapílico se glucosilan (el azúcar bloqueael – OH fenólico) en el retículo endoplasmático, y se liberan en vesículas de secreción alapoplasto. En el exterior celular actúan enzimas hidrolíticas, como glucosilasas, queeliminan el azúcar. Las enzimas peroxidasas catalizan la oxidación de los grupos – OHfenólicos, resultando en unos grupos más reactivos.

Fenilalanina Ácido Cinámico → Ác. Paracumáricofenilalanina amonio liasa ↓

(PAL) Ác. Cafeico↓

Ác. Sinapílico ← Ác. Hidroxiferúlico ← Ác. Ferúlico




Después ocurre la polimerización de los alcoholes, que se unen entre sí porenlaces C – O y C – C, y se genera una enorme macromolécula tridimensional que atrapa alas microfibrillas de celulosa de la pared. La lignina no tiene una estructura única, pues lapolimerización no está controlada enzimáticamente y los radicales libres puedenreaccionar unos con otros en una gran variedad de formas.

Estructura de la lignina:




RELACIONES HÍDRICAS EN LA CÉLULA VEGETAL

CONCEPTO DE POTENCIAL HÍDRICO Y SUS COMPONENTES

La energía libre G de un sistema representa la capacidad del sistema para realizar

trabajo útil. Si ΔG < 0 ocurre un proceso espontáneo capaz de realizar un trabajo útil, si

ΔG > 0 se requiere del aporte de trabajo desde el medio, y si ΔG = 0 el sistema está en

equilibrio.

En un sistema biológico cada componente contribuye parcialmente a la energía

libre del sistema, y se define como potencial químico μi del componente i a la

contribución de dicho componente en la energía libre del sistema. El potencial químico de

la especie i es la derivada parcial de la energía libre respecto del número de moles, ni, de

la especie i:

)mol(J 1-

, i jnΤ,P,E,hi

in

G μ

cuando permanecen constantes otras variables del sistema como la temperatura (T ),

presión (P), potencial eléctrico ( E ), gravedad (h) y el número de moles (n j ≠ i) de cada uno

de los otros componentes del sistema.

La diferencia de potencial químico de un componente (p. ej. agua) entre dos fases

determina la dirección hacia la que se difunde espontáneamente. Una especie química

tiende a desplazarse desde zonas donde tiene alto potencial químico a zonas donde tiene

bajo potencial químico.

Una fórmula desarrollada, útil en Fisiología Vegetal, del potencial químico ( μi) de

la especie i es:

ghmFE zPV a RT μ μ iiiiii ln*

donde: μi*

es el potencial químico estándar de la especie química i en estado puro y en

unas condiciones fijadas (P = 0, T = 25 ºC y h = 0), R es la constante de los gases

(8,31441 J mol-1

K-1

), T es la temperatura absoluta (temperatura °C + 273,14), ai es la

actividad de i, V i es el volumen molar parcial (V i = ∂V / ∂ni; m3mol

-1), F es la constante de

Faraday (96.490 C mol-1

), P es la presión del sistema, zi es la carga eléctrica (como

referencia, carga del protón +1) de i, E es el potencial eléctrico del sistema (en voltios), mi

es la masa molecular i (kg mol-1

), g es la aceleración de la gravedad (normalmente 9,8 m

s-2

), h es la altura del sistema respecto al nivel de referencia, normalmente el nivel del mar

(en metros).

Para el caso de un soluto, su actividad viene determinada por:

iii ca

donde γi es su coeficiente de actividad (1 para disoluciones diluidas) y ci es la

concentración molar del soluto (mol m-3

).

Para un disolvente:

iii N a

donde N i es la fracción molar del disolvente (nº moles disolvente / nº moles disolución).

Para el vapor de agua:




100

%(HR)relativaHumedad*)(

2

2

2

O H

O H

O H P

Pa

v

donde P H 2O es la presión de vapor de agua y P* H 2O es la presión de saturación de vapor de

agua.

En el caso de una solución acuosa:

)(ln22

O H O H V a RT

donde π es la presión osmótica y τ la presión matricial, y vienen dados por:

j

jc RT

O H

O H V

RT 2

2

ln

j se refiere a cada uno de los solutos.

Para estudiar los movimientos espontáneos del agua en la planta se usa el

potencial hídrico (ψ ):

)mol(J 1-

*

2

22

O H

O H O H

V

donde: μ* H 2O es el potencial químico estándar (de referencia) del agua y V H 2O es el

volumen molar parcial del agua (aproximadamente 18 × 10-6

m3

mol-1

). Es decir:

ghV

mP

O H

O H

2

2

para el agua pura:

ghP O H 2

y en el caso del vapor de agua:

100

%ln

2

HR

V

RT

O H

vapor

Extendiendo la regla dada para el potencial químico al agua, ésta tenderá a ir

espontáneamente desde las zonas con alto potencial hídrico a las zonas con bajo potencial

hídrico. Además, no se conoce en plantas ningún acoplamiento molecular que,

consumiendo energía, pueda llevar agua desde bajo a alto potencial hídrico.

El potencial hídrico del agua pura, al nivel del mar y a la presión atmosféricanormal, es 0; para las plantas ψ < 0. En las plantas normalmente se puede despreciar el

término de altura, por lo que: P

Se distinguen tres componentes del potencial hídrico, que corresponden a la

presión hidrostática (P), al potencial osmótico ( – π ) y al potencial matricial ( – τ ); es decir:

mo pP

El potencial de presión (ψ p = P) es la presión en exceso de una atmósfera ejercida sobre

el sistema, debido a que tiende a presionar (presión estática o de turgencia) tendrá signo

positivo, por aumentar así la energía libre del sistema; solo en el caso de presionesnegativas (succión o tensión), ψ p tendrá valor negativo. El potencial osmótico (ψ o o ψ π =




– π ) registra la presencia de solutos disueltos en el sistema, tiene signo negativo porque los

solutos disueltos descienden el potencial químico del agua. El potencial matricial (ψ m =

– τ ) mide la tendencia de la matriz a adsorber agua adicionalmente por interacciones de las

moléculas de agua en las interfaces sólido-líquido y gas-líquido, tiene valor negativo. El

término de potencial matricial está ya representado por π y P, así pues, la fórmula

simplificada del potencial hídrico en fase líquida es:o p

EQUILIBRIOS HÍDRICOS EN LA CÉLULA

Puede establecerse un modelo de analogía entre un osmómetro y una célula

vegetal. Un recipiente externo (apoplasto) que solo contiene agua, se pone en contacto

con un recipiente interno (vacuola) con agua y solutos, a través de una barrera

semipermeable (plasmalema y tonoplasto), permeable al agua e impermeable a los

solutos. Debido al mayor ψ del agua del recipiente externo respecto a la solución, seproduce un movimiento de agua, a favor de gradiente de Δψ , hacia el interior de la célula,

hasta que la presión hidrostática (elasticidad y resistencia mecánica de la pared celular)

iguale a la presión osmótica e impida más entrada de agua. Es decir, hasta que se alcance

el equilibrio, en donde Δψ = 0 y ψ p = – ψ o.

Pueden distinguirse tres estados osmóticos diferentes para la célula vegetal según

la concentración de solutos del medio externo:

En un medio hipotónico, Δψ determina un flujo de agua desde el medio externo a

la vacuola central, provocando un aumento del volumen vacuolar, haciendo que el

citoplasma presione la pared celular, en este caso, se habla de turgencia celular,

es la condición normal de cualquier célula vegetal.

Agua + solutos

Membrana

semipermeable

Agua

Hg

Pared celular

Plasmalema (= membrana

plasmática)

Tonoplasto (= membrana

vacuolar)

Mesoplasma (= citoplasma)

Vacuola




En un medio hipertónico, Δψ determina la salida de agua desde las vacuolas al

exterior, esto hace que se retraiga el citoplasma, que en parte se desprende de la

pared celular, y la célula sufre plasmólisis.

En un medio isotónico, Δψ = 0, ambas presiones, interior y exterior, se igualan y

no hay cambio aparente del volumen celular. Se entiende por plasmólisis

incipiente la concentración osmótica externa que inicia la separación delcitoplasma de la pared celular (cuando aparece en el 50% de las células

observadas).

Diagrama de Höfler del estado osmótico de la célula, en el que se ilustran las variaciones de los

potenciales hídrico, osmótico y de presión al cambiar el volumen celular:

MEDIDA DEL POTENCIAL HÍDRICO Y SUS COMPONENTES

La medida del potencial hídrico se basa en que cuando una célula o tejido está en

equilibrio con el líquido o vapor que lo rodea, Δψ = 0, es decir ψ célula = ψ solución test .

Sumergiendo la muestra en distintas soluciones patrón de diferentes concentraciones

conocidas puede saberse el momento de equilibrio, por observación de las variaciones de

peso (método gravimétrico) o de volumen (método volumétrico).

Los métodos densitométricos, como el método de tinción de Chardakov, utilizan

las mediciones de los cambios de concentración de las soluciones patrón, en las que

previamente se ha introducido la muestra, para reconocer el equilibrio.

El psicrómetro de termopares es un método basado en el equilibrio de vapor,

permite medir los valores de humedad relativa para obtener el valor de potencial hídrico.

La cámara de presión (o bomba de Scholander) permite medir el ψ p en el xilema.

En una planta que está transpirando activamente la columna hídrica del xilema estará

sometida a una tensión (ψ p tendrá valores negativos). A su vez, en secciones de tallos más

o menos cortas, el ψ está exclusivamente determinado por el ψ p. Por lo tanto, las medidas

con la cámara Scholander serán también una buena estimación del ψ del xilema, y

prácticamente de toda la sección de tallo en estudio, ya que la mayor parte (cerca del

95%) del recorrido del agua, desde la raíz hasta la hoja, discurre a lo largo del xilema.

12

10

8

6

4

2

0

-2

0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Volumen celular relativo

P r e s i ó n

( b a r e s )

P

P

π

π Ψ = P – π

P= 0

Ψ = – π

P= π

Ψ = 0

Máximo turgorTurgor cero




Método de tinción de Chardakov:

Bomba de Scholander:

El potencial osmótico puede medirse por el método crioscópico o por el métodode la plasmólisis incipiente. La solución que provoca la plasmólisis incipiente del 50%

de las células se halla en equilibrio y corresponde a la presión osmótica de la célula

vegetal, pues Δψ = 0, ψ p = 0, ψ = ψ o por lo que ψ o int = ψ o solución.

Para medir el potencial de presión o de turgencia se usa la sonda de presión,

este método se basa en la aplicación de microcapilares a las células y lectura de la presión

interna.




Sonda de presión:

FLUJOS HÍDRICOS

En términos termodinámicos la diferencia de potenciales hídricos, ψ 2 – ψ 1 = Δψ ,

entre dos sistemas en contacto es la fuerza o gradiente responsable del flujo del agua

desde el sistema de mayor potencial hídrico ψ 2 al de menor ψ 1, siempre y cuando el agua

sea el único componente móvil, como ocurre con las membranas semipermeables. El

flujo de agua con solutos impermeables está definido por:

)()( mo p p p pv LP L L J donde: J v es el flujo de agua (volumen por unidad de superficie y unidad de tiempo), y L p

es el coeficiente de conductividad hidráulica de la membrana (m s-1

Pa-1

).

Para el caso de las células vegetales vacuolizadas se puede despreciar el efecto del

constituyente matricial ( Δψ = ΔP – Δπ ≠ 0), en este caso el flujo hidráulico es: )( P L J pv

Pero en las células vegetales reales existen membranas selectivas que pueden dejar

pasar, además de agua, solutos a distintas velocidades. Así pues, el flujo de agua con

solutos permeables viene dado por:

)( ii pv P L J aproximadamente:

)( ii pv P L J

donde σ i es el coeficiente de reflexión del soluto i en ese medio (normalmente una

membrana). Si son completamente impermeables, σ i = 1, y si son completamente

permeables, σ i = 0 y J v = L p ( ΔP – Δτ ), aproximadamente: J v = L p ΔP = L p Δψ p.




TRANSPORTE DE SOLUTOS A TRAVÉS DE

MEMBRANAS DE LAS CÉLULAS VEGETALES

BARRERAS MEMBRANOSAS Y COMPARTIMENTACIÓN

En las plantas la membrana celular es la barrera semipermeable que separa el

compartimento exterior del interior, y determina la absorción selectiva. Con una bicapa

hidrofóbica (principalmente en plantas de fosfolípidos o galactolípidos) las membranas

son poco permeables a solutos hidrofílicos que, como iones e hidratos de carbono, solo

podrán atravesarlas por canales y/o permeasas. En cambio, al agua pasa libremente por

las membranas debido a la presencia de componentes que, como diversos isoprenoides y

proteínas estructurales, probablemente proporcionan espacios de paso de agua al crear

discontinuidades en el empaquetamiento de la bicapa lipídica.

En la célula vegetal las membranas determinan compartimentos que limitan eltransporte de solutos. El apoplasto forma el espacio de difusión libre y se sitúa por fuera

de las membranas (pared celular, espacios intercelulares, lumen del xilema). El simplasto

requiere que los solutos atraviesen la barrera semipermeable del plasmalema. Otra

posibilidad es la vía transcelular o vacuolar, o intercambios con la vacuola por medio

de la membrana del tonoplasto.

EQUILIBRIOS Y ECUACIÓN DE NERNST

El flujo pasivo de iones debido a la existencia de potenciales químicos y a la baja

conductividad eléctrica de las biomembranas produce una diferencia de potencialeléctrico en las membranas (potencial de membrana).

El transporte neto de un soluto i a través de la membrana también depende de las

relaciones de equilibrio para el mismo entre los dos lados de la membrana. De igual

manera que para el disolvente, tal equilibrio se alcanza cuando el potencial químico del

mismo ( μi) es igual a los dos lados ( I y II ) de la membrana ( μi I = μi

II ). Para el caso más

general de solutos con carga eléctrica (iones) tal equilibrio está afectado por el diferente

potencial eléctrico a uno u otro lado de la membrana: E I y E

II que determina al

denominado potencial de membrana: E N = E I - E

II .

De la condición de equilibrio: μi I = μi

II , sustituyendo:

II

i

II

i

II

i

II

ii

I

i

I

i

I

i

I

ii ghmFE zPV a RT μghmFE zPV a RT μ

lnln

**

se puede demostrar que, en la generalidad de los casos para solutos, los valores de los

sumandos V iP y migh son despreciables, por lo que la igualdad anterior se simplifica a: II

i

II

i

I

i

I

i FE za RT FE za RT lnln

de la que se pueden obtener diferentes formulaciones de la ecuación de Nernst que

relaciona las concentraciones en equilibrio de un soluto i a los dos lados de la membrana

con el potencial de membrana ( E N = E I - E

II ; por ejemplo en la membrana plasmática E

I

puede ser el potencial eléctrico en el interior y E II el potencial en el exterior de la célula):

(voltios) ln I

i

II

i

i

II I

N a

a

F z

RT E = E E

que a 25 ºC queda (recuérdese R = 8,314 J mol-1

K-1

, F = 96490 culombios mol-1

y T =298 K):




I

i

II

i

i

II I

N a

a

z E = E E log

0592,0

o bien:

0592,0

log N i

I

i

II

i E z

a

a

En general, las actividades se pueden aproximar como concentraciones.

Aplicación a dos ejemplos sencillos con E N = – 0,1 voltio (valor típico en una

membrana plasmática) y los iones monovalentes K+

(zi = 1) y Cl –

(zi = – 1):

zi 1 – 1

0592,0log N i

I

i

II

i E z

a

a

– 1,7 1,7

I

i

II i

a

a 0,02 50

Un caso especial de formación de potencial de membrana ocurre cuando el

coeficiente de permeabilidad de un determinado ion en un sistema es muy pequeño y

prácticamente no hay flujo de ese ion. En presencia de otros iones difusibles se origina

pasivamente un potencial eléctrico o potencial de Donnan en el equilibrio. En las

paredes celulares debido a la presencia de cargas fijas (cargas negativas de los grupos –

COOH de las pectinas) se produce localmente una fase de Donnan en contacto directo

con los iones del apoplasto por lo que, por intercambio iónico, se origina un entorno más

concentrado de cationes respecto a la solución.

MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LAS MEMBRANAS

El transporte másico se refiere al transporte en grupo de moléculas de gran

tamaño, consiste en la formación de pequeñas vesículas que se incorporan a la membrana

plasmática (endocitosis) o se separan de ella (exocitosis), y requiere gasto de energía. Y

el transporte molecular es el transporte individual de moléculas de pequeño peso

molecular.

Transportemolecular através de lamembrana

No activo Uniporte

ActivoPrimario

Secundario

(co-transporte)

Simporte

Antiporte

El transporte pasivo se realiza a favor de gradiente de concentración o de

potencial electroquímico, y no necesita aporte externo de energía. Se realiza por difusiónfísica simple a través de la membrana plasmática; por difusión por un canal, que es una

proteína que tiene en su interior un poro a través del cual pueden pasar iones o moléculas;

o mediante difusión facilitada por una permeasa si se necesita una proteína

transportadora que facilite el paso a través de la membrana.




El transporte activo se realiza en contra de gradiente de concentración o de

potencial electroquímico y precisa aporte externo de energía. Tiende a alejar el sistema de

la situación de equilibrio. El transporte activo primario requiere la energía del ATP o

una reacción redox a nivel de membrana. El transporte activo secundario, o

cotransporte, acopla el transporte de un soluto a favor de gradiente de μi con el de otroen contra de un gradiente de μi. Las moléculas se pueden transportar en la misma

dirección (simporte) o en dirección contraria (antiporte).

En el transporte facilitado por permeasas, la velocidad de absorción se satura al

aumentar la concentración del soluto transportado, y obedece a cinéticas de Michaelis-

Menten (a bajas concentraciones de soluto) o a cinéticas multifásicas más complejas (a

altas concentraciones).

Curvas de velocidad de absorción V , en función de la concentración externa del ion [C s]:

Curva de absorción de un ion para concentraciones bajas:

V máx es la velocidad máxima de absorción y

K m es la constante de Michaelis-Menten.

[C s] K m

V máx

V

½ V máx




Curva de absorción de un ion para concentraciones mayores:

TRANSPORTE ACTIVO

Pueden distinguirse tres modelos distintos de proteínas de transporte: 1) las

bombas (transporte activo primario) requieren de energía química (ATP) o lumínica, y

tienen una velocidad de transporte lenta, 2) los transportadores (cotransporte) tienen

velocidades intermedias y 3) los canales iónicos permiten velocidades superiores.

En plantas las ATPasas translocadoras de H+son el mecanismo básico en la

operación de las bombas en el plasmalema y tonoplasto (en cambio, en las células

animales actúa la bomba Na+-K

+). Unas trabajan en el sentido de síntesis de ATP, la

ATP-sintasa, y otras, las ATPasas de la membrana plasmática y del tonoplasto, están

especializadas en liberar la energía del ATP para posibilitar la creación de un contra

gradiente de potencial electroquímico de H+ o de otros iones, como Ca2+.

La ATPasa de H+ de plasmalema y tonoplasto bombea los iones H+ hacia fueradel citosol, es decir, acidifican la pared celular o la vacuola a costa de alcalinizar el

ATPasa Na+-K

+de una célula animal ATPasa de H

+de una célula vegetal

Bomba electrógena primaria

Entrada activa secundaria de

solutos (simporte)

Salida activa secundaria de

solutos (antiporte)

Entrada (o salida) de

cationes (o aniones)

(uniporte)




citosol. Y la ATPasa-Ca2+del plasmalema bombea Ca

2+hacia fuera. En el plasmalema

hay también bombas redox-H+. En el tonoplasto está además la pirofosfatasa

translocante de H+que funciona también como bomba de protones hacia el interior de la

vacuola. Esto conduce al potencial transmembrana negativo en la cara que da al citosol y

positivo hacia la pared celular o la vacuola.

Por otra parte, tanto en plasmalema como en tonoplasto hay transportadores activos secundarios, algunos son: antiporte de Na+ /H+

, antiporte de Ca2+ /2H+ en

tonoplasto, simporte de NO3- /H+

y simporte de malato2- /2H+en tonoplasto, simporte

aminoácido/H+, simporte azúcar/H+ y simporte anión/H+

en plasmalema.

Existen canales iónicos selectivos tanto en plasmalema como en tonoplasto, que

disponen de mecanismos que regulan su cierre y su apertura (polarización de la

membrana, niveles de Ca2+

, luz, fitohormonas, etc.). Destacan los canales iónicos de K+y

Ca2+en plasmalema, y los de K+

y malato en tonoplasto.

2H+

NO3 –

H+

2H+

Malato2 –

H+

Ca2+

ATP

ADP + P H+

PP

2P

H+

Na+

ATP

ADP + P

H+

H+

ATP

ADP + P

NADH, O2

NAD+, H2O

Ca2+

H+

Na+

H+

2H+

H+

aá

azúcar

Cl –

–

+

+

–

Vacuola

Citosol

B o m b a s

T r a n s l o c a d o r e s

+

–

–

+

Vacuola

UDP-Glucosa

Ca2+

K+

K+

Cl –

Malato2 –

NO3

–

C a n a l e s

Glucano

UDP-Glucosa

Citosol

Sacarosa

T r a n s l o c a c i ó n

d e g r u p o s




ABSORCIÓN Y TRANSPORTE DE AGUA Y NUTRIENTES

EL AGUA DEL SUELO Y SU DISPONIBILIDAD PARA LA PLANTA

La planta se haya situada entre los altos potenciales hídricos del suelo y los bajos

potenciales de la atmósfera, lo que determina una circulación del agua desde el suelo a la

atmósfera a través de la planta. El sentido del gradiente hídrico es:

atmósferahoja xilemaraízsuelo puraagua

El transporte de agua por la planta requiere del aporte de energía necesaria para mantener

el gradiente de potencial. La transpiración en las hojas y la presión radicular son las

fuerzas conductoras del flujo continuo a lo largo de la planta.

La capacidad de un suelo de suministrar agua a las plantas depende de diversosfactores (textura, composición química, solutos, etc.) que influyen en la retención y

disponibilidad del agua. El contenido de agua de un suelo puede expresarse en términos

de energía libre:

g pomsuelo

donde: ψ m es el potencial matricial, ψ o es el potencial osmótico, ψ p es el potencial de

presión y ψ g es el potencial gravitacional. El valor del ψ suelo normal es de -0,1 a -0,2 MPa.

El ψ m es poco significativo en la planta, pero en el suelo tiene valores muy

negativos al decrecer el contenido en agua, y representa el componente de la atracción del

agua por las fuerzas de adsorción y capilaridad. La presencia de solutos en el suelo hace

que el ψ o sea más negativo y disminuye el potencial hídrico del suelo (más importante ensuelos salinos). El ψ p en el suelo es insignificante, y el ψ g debe ser considerado.

S u e l o

R a í z

T a l l o

H o j a




La capacidad de campo (CC) es el contenido en humedad de un suelo saturado

de agua que ha drenado libremente y perdido así el agua gravitacional.

El punto de marchitez permanente (PMP) es el contenido hídrico de un suelo,

expresado en % de peso seco, en el que las hojas de las plantas que crecen en él se

marchitan y no recuperan la turgencia incluso si se colocan en una atmósfera saturada dehumedad, a menos que se agregue agua al suelo. La incapacidad de las plantas de

absorber agua en un suelo de estas características se debe a que ψ suelo ≤ ψ raíces.

La disponibilidad de agua de un suelo, o agua útil para las plantas, es la

comprendida entre la CC y el PMP. Los suelos de partículas finas (arcillosos) tienen la

CC y el PMP a contenidos hídricos más elevados y más separados entre sí que los suelos

de textura gruesa (arenosos), por este motivo los suelos arcillosos presentan una mayor

disponibilidad de agua para las plantas.

RELACIONES SUELO-PLANTA EN LA NUTRICIÓN

No todos los nutrientes del suelo están disponibles para la planta, solo se hallan

disponibles los elementos que se encuentran en forma soluble o en los lugares de

intercambio iónico de las micelas del suelo. Este intercambio suele ser catiónico, dado el

predominio de las cargas negativas en las micelas inorgánicas (arcillas) y orgánicas

(humus) del suelo.

La adquisición de nutrientes por la planta está ligada a las características de la

interfase suelo-raíz de la rizosfera, estas interfases residen en las paredes de las células

más externas de la raíz, la epidermis y los pelos radiculares. Además, algunas plantas

secretan exudados que solubilizan los nutrientes, y también tiene mucha importancia la

simbiosis con hongos (micorrizas) que incrementa la absorción de agua y nutrientes.La movilidad de los nutrientes del suelo hacia la raíz puede ocurrir por difusión,

intercambio iónico, transporte en masa producido por la transpiración e intercepción.

ABSORCIÓN DE AGUA Y NUTRIENTES POR LAS RAÍCES

En el mecanismo de absorción intervienen tanto procesos físico-químicos

(absorción pasiva) como procesos contra gradiente del potencial electroquímico que

requieren energía metabólica (absorción activa).

A excepción de la nutrición del carbono (fotosíntesis) y parcialmente del oxígeno,

el resto de los elementos esenciales son captados del suelo por la planta a través de lasraíces. La zona de máxima absorción de la raíz se halla situada por encima de las de

división y elongación celular, y la máxima absorción se logra gracias al incremento de la

superficie de las raíces por medio de los pelos radiculares.

En la raíz el agua y los iones (los nutrientes se absorben en forma de iones)

pueden ser absorbidos en la epidermis, en los pelos radiculares o en las células corticales

y ser transportados célula a célula por medio de los plasmodesmos (vía simplástica), o

pueden seguir la vía apoplástica hasta llegar a la banda de Caspary que interrumpe dicha

vía, por lo que deberán penetrar activamente hacia el simplasto. La banda de Caspary es

un engrosamiento y suberificación en las caras radiales de la pared celular, en la

endodermis, que interrumpe el apoplasto, la exodermis (por debajo de la epidermis)

también es un punto crítico de interrupción de apoplasto. Además de las vías de




transporte simplástica y apoplástica también hay que considerar la vía transcelular o

vacuolar.

En general, el movimiento de los iones es predominantemente simplástico,

mientras que el del agua es apoplástico.

La función relativa de los dos grandes compartimentos (apoplasto y simplasto)

puede observarse fácilmente en las curvas de absorción en función del tiempo. En una

primera fase ocurre una rápida absorción, los iones absorbidos no presentan carácter

acumulativo y su difusión es reversible (apoplasto). La segunda fase se caracteriza por

una absorción más lenta, de carácter lineal, que actúa normalmente en contra de gradiente

y en sentido irreversible (simplasto).




TRANSPORTE DEL AGUA Y LOS SOLUTOS EN EL XILEMA

Una vez el agua y los nutrientes minerales alcanzan el cilindro central de la raíz, el

transporte a larga distancia ocurre a través del xilema. El flujo hídrico en el xilema

(apoplasto) es másico y sin barreras al desplazamiento de solutos, y está gobernado por la

diferencia de presiones, más bajas y frecuentemente negativas en las hojas:

p p pv LP L J

De acuerdo con la ecuación de Hagen-Poiseuille, el flujo hidráulico para un capilar vale:

x

r J

p

v

8

2

es decir:

x

r L p

8

2

donde: J v es el flujo hidráulico (m3

m-2

s-1

), L p es la conductancia hidráulica (m Pa-1

s-1

),

Δψ p es la diferencia de potencial de presión (Pa), r es el radio del capilar (m), x es ladistancia recorrida (m) y η es la viscosidad del líquido (N s m

-2; Pa s).

El xilema forma un sistema continuo (apoplasto) que conduce el agua y nutrientes

desde el lugar de absorción, la raíz, hasta las hojas y demás órganos aéreos, a través del

tallo de la planta. En el xilema se distinguen cuatro tipos de componentes:

Las fibras, ayudan al soporte mecánico del órgano.

El parénquima, cuyas células están vivas y tienen función de reserva y transporte

lateral, algunas de ellas se han especializado en células de transferencia, que son

importantes en los procesos de carga y descarga de los iones entre el xilema y el

simplasto (células y floema).

Las traqueidas, son elementos conductores característicos de las gimnospermas. Los vasos son elementos conductores filogenéticamente más evolucionados, en

las angiospermas aparecen tanto traqueidas como vasos.




Ambos elementos conductores, traqueidas y vasos, en su estado adulto funcional

son células muertas que han sufrido un proceso de engrosamiento y lignificación de sus

paredes, perdiendo el citoplasma para originar así el lumen. Mientras que las traqueidas

mantienen su individualidad, los miembros de los vasos disuelven sus paredes

transversales formando un verdadero tubo (vaso o tráquea). Las traqueidas son también

más pequeñas que los elementos de los vasos. Las conexiones laterales y transversales seconsiguen por punteaduras, son comunes los poros areolados con toro. El toro regula el

cierre del poro, importante sobre todo cuando se producen cavitaciones en el xilema.

La causa impulsora del flujo hidráulico a través del xilema es un gradiente de

presión, que puede operar como presión negativa (tensión) originada por la transpiración

en las hojas, o como presión positiva (presión radicular) desde abajo.

La teoría de la tensión-cohesión establece que existe un gradiente de potencial

hídrico entre la planta y el suelo, y la energía necesaria para el movimiento del agua por

el xilema procede de la transpiración. Como consecuencia de la pérdida de agua en las

células del mesófilo a los espacios intercelulares y de su difusión, a favor de gradiente, ala atmósfera, esencialmente a través de los estomas, se produce un déficit hídrico en las

células más externas del mesófilo (descenso de ψ y generación de una tensión en los

meniscos que forma el agua en los poros de la pared celular). En consecuencia, el agua

fluye a favor de gradiente desde las células vecinas más internas, con mayor ψ , hacia las

más externas, que se hallan en déficit hídrico. La tensión capilar del agua de las paredes

celulares se propaga sucesivamente hasta los conductos del xilema, en donde por su

naturaleza capilar y por las propiedades de cohesión de las moléculas de agua entre sí y

de la adhesión a las paredes celulares, provoca una presión negativa capaz de elevar la

columna de agua. Como consecuencia de ello, el descenso de ψ en la parte inferior del

xilema determina el flujo hidráulico desde las células de la estela de la raíz y, por

propagación de los déficits hídricos, sucesivamente en el parénquima cortical, epidermisy suelo.




Modelo sencillo para demostrar la teoría de la tensión-cohesión en vegetales:

Los dendrógrafos permiten medir las variaciones del diámetro de los troncos, que

se basan en las contracciones de volumen en el xilema cuando está sometido a tensión (el

diámetro del tronco es menor durante el día) o a su incremento bajo presión radicular (por

la noche).

La tensión en el agua del xilema se puede determinar mediante la bomba de

Scholander.

Las roturas en la columna de agua que puedan producirse en la planta, pueden ser

reparadas por la acción de la presión radicular durante la noche. Además, hay que tener

en cuenta que la cavitación de algunos conductos no afecta al funcionamiento del

conjunto. Así mismo, las punteaduras y los poros areolados con toro previenen lapropagación de gases (embolismo) de un conducto a otro.




PÉRDIDA DE AGUA POR LA PLANTA. TRANSPIRACIÓN

CONCEPTO, LUGAR Y MAGNITUD DE LA TRANSPIRACIÓN

La transpiración es la pérdida de agua en estado gaseoso por la planta. Más del

98% del agua que absorbe una planta la pierde en forma de vapor. La transpiración tiene

lugar mayoritariamente por los estomas de las hojas, y minoritariamente por la cutícula,

que cubre la epidermis, y las lenticelas de los tallos. Los estomas suponen una

discontinuidad del tejido epidérmico, y no solo son la vía de salida de vapor de agua, sino

también de los flujos de CO2 (hacia el interior) y O2 (hacia el exterior). Además, la

transpiración es el factor esencial en la ascensión del agua en el xilema. La transpiración

incluye dos etapas:

1. Evaporación del agua desde las paredes de las células del mesófilo a los espacios

aéreos del mesófilo.

2. Difusión del vapor de agua desde los espacios aéreos del interior de la planta hastael exterior, principalmente por los estomas (etapa limitante).

La magnitud de la transpiración es muy elevada y varía mucho de unas plantas a

otras, una planta de maíz pierde 200 kg de agua durante su vida y una plantación pierde

300 kg/m2, un árbol de envergadura media pierde 5000 kg de agua en un mes de verano y

un bosque pierde 500 kg/m2

al año. Entre el 50 y el 85% del agua de lluvia que cae en un

terreno con vegetación regresa a la atmósfera por transpiración. Como valor medio

diurno, una planta pierde por transpiración entre 0,5 y 1 g de agua por hora y dm2

de

superficie foliar. El cociente agua transpirada/biomasa producida es de 100 a 1000.

El potencial hídrico atmosférico se puede expresar por la fórmula:

100

%ln

2

HR

V

RT

O H

vapor

RT / V H 2O a 20 ºC tiene un valor de 135 MPa, por lo que:

(MPa) 100

%ln135

HRvapor

El potencial hídrico atmosférico tiene valores muy negativos. Como la HR, aún con lluvia

intensa, raramente sobrepasa el 95%, lo que corresponde a un valor de ψ v de – 6,8 MPa, se

comprende que continuamente el agua de las plantas tiende a perderse a la atmósfera y la

transpiración es un fenómeno siempre presente en plantas terrestres.

Para medir la transpiración en el laboratorio, se emplea el potómetro. El agua que

pierde el depósito, por la transpiración del material vegetal, se puede medir fácilmente

por el desplazamiento de una burbuja a través de un pequeño capilar graduado.

Burbuja

Capilar graduado

Potómetro de inmersión




CUTÍCULA

La cutícula es una capa hidrofóbica externa que protege a la planta de la

desecación, además de proveer una barrera para la entrada de bacterias y hongos.Está formada, en su parte más externa, por ceras epicuticulares, que son una

mezcla compleja de: ésteres de ácidos grasos y alcoholes de cadena larga, hidroxiácidos

grasos, alcoholes libres, hidrocarburos y cetonas. Más internamente aparece la cutina,

que es una mezcla compleja de hidroxiácidos grasos formando, con enlaces ésteres

cruzados, una red macromolecular tridimensional.

ESTOMAS

Los estomas están formados por dos células oclusivas (o de guarda) que se sitúan

una frente a la otra, y que dejan un hueco entre sí denominado ostiolo. Las célulasoclusivas tienen forma arriñonada, se disponen de forma que quedan frente a frente las

dos concavidades, de modo que se pueden separar por el centro manteniéndose unidas por

los extremos, abriendo o cerrando el ostiolo. El ostiolo comunica la cámara subestomática

de los espacios aéreos del mesófilo con la atmósfera externa. En plantas muy

evolucionadas, las células epidérmicas adyacentes a las células oclusivas pueden tener

una forma diferente al resto, se llaman células accesorias, y el conjunto de estoma y

células accesorias se denomina aparato estomático.

Los estomas aparecen repartidos irregularmente en la epidermis de las hojas y

tallos herbáceos, e incluso en flores y frutos. En dicotiledóneas (sobre todo en árboles)

suele ser mayor el número de estomas en el envés de las hojas, pero en monocotiledóneas

prácticamente no hay diferencias entre haz y envés. En plantas de ambientes secos haymenos estomas, y en plantas con hojas flotadoras solo hay estomas en la cara superior.




Las células oclusivas tienen una pared muy engrosada en determinadas regiones,

contienen cloroplastos con tilacoides y clorofila, pero no realizan la asimilación

fotosintética del CO2. Tiene pocos o ningún plasmodesmo con las células que las rodean,

no parece haber paso libre de metabolitos entre las células oclusivas y sus vecinas, así los

componentes del ψ de las células oclusivas pueden tener valores muy distintos a los de las

células vecinas, aunque el ψ no varía mucho. Las células oclusivas suelen contener granosde almidón (más abundantes en estomas cerrados) y acumulan grandes cantidades de K+

(sobre todo cuando los estomas están abiertos). Toman el K+

de las células próximas

(accesorias o no) y del apoplasto, a través de canales iónicos específicos de entrada y

salida. Las células oclusivas tienen un valor bajo de ψ o (especialmente con estomas

abiertos), pero está compensado con un elevado ψ p, por lo que el ψ es similar al de las

células vecinas.

En respuesta a distintos agentes, las células oclusivas toman o pierden agua, con lo

que aumentan o disminuyen de volumen y, respectivamente, se abre o se cierra el estoma,

es decir, aumenta o disminuye el tamaño del ostiolo. La célula oclusiva puede

intercambiar agua con los espacios intercelulares próximos. Al aumentar la turgencia, los

anillos de microfibrillas de celulosa de la pared impiden que las células oclusivasaumenten de grosor, de modo que se alargan las zonas de pared más delgada (los

extremos de la célula), se produce una curvatura de la pared dorsal de la célula y se abre

el ostiolo. Los estomas controlan la velocidad de transpiración y el intercambio gaseoso,

cerrando o abriendo el ostiolo.

FACTORES QUE AFECTAN A LA VELOCIDAD DE TRANSPIRACIÓN

Humedad atmosférica: un aumento de la humedad atmosférica produce una

diminución de la transpiración porque disminuye la diferencia de humedad entre la

cámara subestomática y el exterior (el flujo de una sustancia es proporcional a su

gradiente de concentración). Aunque también un aumento de la humedad atmosférica

favorece una mayor abertura estomática que haría aumentar la transpiración. Pero, de

estos dos efectos predomina el primero, de modo que al aumentar la humedad atmosférica

se reduce la transpiración, favoreciendo al mismo tiempo la entrada de CO2 para

fotosíntesis al abrir más los estomas.

Humedad del suelo: a mayor humedad del suelo, mayor absorción de agua,

mayor potencial hídrico en la célula oclusiva, mayor turgencia de ésta y estoma másabierto, y en consecuencia mayor transpiración.

← H2O

← K+

← Cl –

→ H2O

→ K+

→ Cl –




Concentración de CO2 atmosférico: cuanto más alta es la concentración de CO2

atmosférico menor es la abertura estomática y, por lo tanto, menor es la transpiración.

Una alta concentración de CO2 puede llegar incluso a cerrar totalmente el estoma. La

planta ajusta la abertura estomática a sus necesidades fotosintéticas. Es la propia célula

oclusiva la que detecta y responde a la concentración de CO2 dentro de ella. Un aumento

de la concentración externa de CO2 determina un aumento de la concentración de CO2 enlos espacios aéreos del mesófilo, lo cual hace que también aumente la concentración de

CO2 en la célula oclusiva, que responde cerrando parcialmente el estoma.

Iluminación: al aumentar la iluminación se abre el estoma y, consecuentemente,

aumenta la transpiración. La luz hace disminuir la concentración de CO2 en la hoja, y

esto favorece la abertura estomática. Asimismo, la disminución de luz cierra los estomas,

pues en ausencia de luz no es posible la fotosíntesis, no es necesario el CO2, y por tanto,

se cierran los estomas para evitar la pérdida de agua. Durante el día los estomas están

abiertos y la transpiración es intensa, y por lo noche ocurre lo contrario. A excepción de

las plantas suculentas, que fijan el CO2 por la noche, y por el día mantienen los estomas

cerrados para no perder agua (son plantas adaptadas a ambientes áridos).

Concentración de oxígeno: sus efectos son complejos y dependen de muchos

factores (luz, CO2, temperatura), pero en general, una concentración atmosférica alta de

oxígeno favorece el cierre de estomas, lo que disminuye la transpiración. El O2 favorece

la formación de CO2 (respiración) y con ello el cierre de estomas.

Temperatura: las temperaturas elevadas favorecen la transpiración. Para una

humedad absoluta determinada en la atmosfera, al aumentar la temperatura disminuye

rápidamente la humedad relativa, con lo cual aumenta el gradiente de difusión de vapor

de agua entre la cámara subestomática (que siempre tiene una alta HR) y el exterior, y

con ello la transpiración. Aumentos de temperatura en el rango de 0 a 30 ºC favorecen

una mayor abertura estomática, ya que se favorece la fotosíntesis más que la respiración,

y disminuye la concentración de CO2 en la hoja. Pero, temperaturas superiores a 30 o 40

ºC favorecen el cierre de estomas, pues a esta temperatura se favorece más la respiración

que la fotosíntesis, por lo que aumenta la concentración de CO2 en la hoja.

Velocidad del viento: cuanto mayor es la velocidad del viento mayor es la

velocidad de transpiración. La velocidad del viento no tiene un efecto directo sobre la

abertura estomática, pero sí sobre el gradiente de humedad a través del estoma. A mayor

velocidad del viento, menor espesor de la capa de aire inmóvil, y mayor gradiente.

Exposición prolongada a factores extremos: un viento intenso, debido a la gran

transpiración que provoca, da lugar a un enfriamiento de la hoja que tiene como

consecuencia que no se produzca transpiración. Porque si la hoja se enfría mucho más

que el ambiente, aunque la HR en éste sea menor que en la cámara subestomática, la

concentración de agua puede ser mayor en la atmósfera externa y no se producirá

traspiración.

Cuando la planta se encuentra en acusado déficit hídrico, los estomas se cierran,

independientemente de los demás factores. El cierre de los estomas corta la transpiración,

e impide la entrada de CO2 para fotosíntesis que es sacrificada para evitar pérdidas

excesivas de agua.

En días cálidos y luminosos, al comienzo de la tarde, el exceso de transpiraciónprovoca una bajada transitoria del ψ , que a su vez determina el cierre de los estomas.




CONTROL DE LA TRANSPIRACIÓN POR LOS ESTOMAS

La apertura de estomas resulta de una acumulación de iones, principalmente K+,

en las células oclusivas, esto hace disminuir el potencial osmótico, lo que determinaentrada de agua y aumento del potencial de turgencia que provoca apertura del estoma.

En plantas halófitas, el K+

puede ser sustituido por Na+

como agente osmótico.

Cuando se pasa de estoma cerrado a abierto, la concentración de K+

en la célula

oclusiva aumenta, pero también aumenta la concentración de los aniones necesarios para

mantener la electroneutralidad, como el Cl – , que entra con el K+. El exceso de carga

positiva de K+

es compensado por una salida equivalente de protones procedentes de la

disociación de diversos ácidos (principalmente málico) que se forman a partir del

almidón, y cuyos aniones disociados (como malato) también contribuyen a la disminución

del potencial osmótico. Dentro de la célula oclusiva el almidón se degrada vía glucólisis

hasta fosfoenolpiruvato (PEP), que dará lugar a ácido málico. Los protones (H+) del

málico salen al exterior por medio de una ATPasa bombeadora de protones situada en la

membrana plasmática. En consecuencia, la membrana se polariza a potenciales bajos que

favorecen la entrada de K+, y adicionalmente entra también cierta cantidad de Cl

–

.

La entrada y salida de K+

se realiza por canales iónicos cuyo funcionamiento

depende de la polarización de la membrana plasmática, con la membrana fuertemente

polarizada funciona solo el canal de entrada, si la polarización es menor se activa el canal

de salida de K+. La actividad de estos canales depende también de la concentración de

Ca2+ en el citosol, concentraciones bajas de Ca2+ activan el canal de entrada de K+,

concentraciones mayores de Ca2+

activan el canal de salida.

El ácido málico se produce por degradación del almidón, o en plantas que no

contienen almidón, a partir de sacarosa. Al contrario que el malato, el ácido málico esmás abundante en estomas cerrados. El malato y el K+

se acumulan en las vacuolas de las

células oclusivas en estomas abiertos.

Para el cierre de estomas cesa el bombeo de H+, la membrana se despolariza, sale

K+

y disminuye la cantidad de malato.

El CO2 se requiere en la reacción catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxilasapara abrir el estoma, pero a la vez el CO2 provoca el cierre de estomas. Si la

Fosfoenolpiruvatocarboxilasa

Almidón PEP Ác. Oxalacético Ác. MálicoGlucólisis

CO2 NADPH + H+ NADP+

Málicodeshidrogenasa

ATP

ADP + PH+

H+

H+

H+

K+

Vacuola

Citosol de lacélula oclusiva

Apertura del estoma:

Malato

K+

K+ K+

K+




concentración de CO2 es muy alta, el málico se forma más rápido de lo que el malato

puede ser secuestrado en la vacuola y los H+

bombeados al exterior. El citoplasma se

acidifica, no puede entrar K+

y el estoma se cierra. En cambio, si la concentración de CO2

es baja, la velocidad de formación del ácido málico no es excesiva, y el malato se

acumula en la vacuola, funcionan los transporte de K+

y de H+, y los estomas se abren. La

acción del CO2 en la abertura estomática está mediada por los cambios de acidez queprovoca en las células oclusivas. El pH de las células oclusivas es más ácido cuando los

estomas están cerrados. El CO2 forma ácido málico (ácido fuerte) que provoca cambios

en las actividades enzimáticas y en los sistemas de transporte.

Al bajar el ψ de la hoja aumenta la concentración de ácido abscísico (ABA), que

inhibe el bombeo de H+

al exterior y provoca un aumento de Ca2+

, que activa el canal de

salida de K+

e inhibe el de entrada, y se cierran los estomas. Además, el ABA despolariza

parcialmente la membrana, lo que también favorece la salida de K+.

Cuando una planta mesófila, de ambientes moderadamente húmedos, es sometida

a situaciones de prolongada sequía, suele modificarse adoptando caracteres que sonhabituales en plantas xerófilas (adaptadas a la vida en ambientes secos). Dichas

adaptaciones suelen ser reversibles y cesan paulatinamente cuando vuelven las

condiciones normales de humedad. Los caracteres xeromorfos, que es así como se

denominan estas adaptaciones, más frecuentes son: el bajo número de estomas, los

estomas agrupados o hundidos, la existencia de pelos, cutículas gruesas, disminución de

la relación superficie/volumen y aumento de la sensibilidad de los estomas a bajos

potenciales hídricos y a la concentración de CO2.

ASPECTOS CUANTITATIVOS DEL CONTROL DE LA TRANSPIRACIÓN En la transpiración, el agua se evapora desde las paredes húmedas de las células

mesofílicas y se difunde hasta la atmósfera que rodea la planta. El agua encuentra

diversas resistencias ( R) a su difusión: la de los espacios aéreos del mesófilo casi

saturados de agua ( R AI ) y la de los estomas ( R E ). El agua también puede perderse a través

de la cutícula ( RC ).

Las etapas de difusión de la transpiración obedecen la ley de Fick:

x

c D

donde: φ es el flujo de vapor de agua que atraviesa una unidad de superficie por unidad de

tiempo, D es el coeficiente de difusión de vapor de agua, y ∂c/∂x es el gradiente de

concentración de agua a lo largo de la dirección x, perpendicular a la superficie que

atraviesa el flujo. Aproximando las derivadas y considerando el sentido opuesto a x:

x

c D

Si al cociente Δc / D lo llamamos R:

Rc




GUTACIÓN

La gutación es la forma más común de pérdida de agua en estado líquido por las

plantas, es un fenómeno que se observa sobre todo al anochecer o de madrugada (despuésde una noche calurosa y húmeda) en forma de pequeñas gotitas suspendidas en los ápices

foliares de gramíneas, en los dientes de los bordes de las hojas de algunas plantas, o

simplemente frente a los terminales de los grandes nervios foliares. La salida de esta agua

ocurre a través de estomas acuíferos denominados hidátodos, situados frente a los

terminales de los grandes nervios foliares, a diferencia de los estomas aeríferos o

neumátodos, distribuidos por el resto de la epidermis. La gutación solo se produce

transitoriamente y en pequeña cantidad, cuando una abundante absorción de agua por las

raíces no se puede compensar con su pérdida por transpiración. La turgencia de las

células epidérmicas hace que se pierda agua por un exceso del potencial de presión.

Cutícula

Parénquima en

empalizada

EstomaParénquima

esponjoso

Poro

Traqueidas

Haz vascular

Haz vascular

Agua

Epitema

(parénquima que

segrega agua)

Sección longitudinal

del ápice de una hoja y

de un hidátodo




TRANSPORTE EN EL FLOEMA

ESTRUCTURA DEL FLOEMA

El transporte de solutos desde las hojas a todas las demás partes del vegetal tiene

lugar a través del floema, y ese transporte no es solo descendente, sino que también

puede ser ascendente.

Los componentes básicos del floema (simplasto) son los elementos cribosos, que

pueden ser de dos tipos: células cribosas y elementos de los tubos cribosos, que se

distinguen por el grado de diferenciación de sus áreas cribosas. Las células cribosas son

filogenéticamente más primitivas, son más abundantes en las gimnospermas. Otros

componentes del floema son las células parenquimáticas (células acompañantes, células

albuminosas, parénquima floemático, etc.), fibras y esclereidas.Durante el desarrollo, los elementos cribosos sufren una autofagia selectiva en la

que el núcleo y las vacuolas desaparecen y el retículo endoplasmático pierde los

ribosomas. La pared, casi siempre primaria, puede tener unos espesamientos internos. Los

plastos de los elementos cribosos pueden contener granos de almidón, cristales,

filamentos o cuerpos esféricos densos. El plasmalema conserva íntegramente su

funcionalidad, en él se han detectado fosfatasa ácida y ATPasa, que interviene en la

transferencia de iones y solutos entre los elementos cribosos y las células parenquimáticas

contiguas, y en la síntesis de calosa (polisacárido de glucosas con enlaces β 1-3) en las

placas cribosas.

En los elementos cribosos hay una sustancia más o menos viscosa denominada

proteína-P ( phloem-protein), es exclusiva de angiospermas y típica de dicotiledóneas, y

ocupa una posición parietal en el elemento criboso maduro. Puede presentarse bajo formaamorfa, tubular, filamentosa o cristalina, según la especie y el estado de diferenciación

del elemento. Su función no es totalmente conocida, pero se supone que actúa taponando

la placa cribosa, evitando la pérdida de solutos en tubos cribosos dañados.

Las células acompañantes y las albuminosas presentan numerosas conexiones con

los elementos cribosos, mediante poros o mediante plasmodesmos.




Calosa:

MÉTODOS DE ESTUDIO

Experimentos de descortezamiento anular demuestran que los fotoasimilados

son transportados por el floema desde las hojas al resto de la planta. Este experimento

consiste en la eliminación de un anillo de corteza en el tallo, de modo que se interrumpe

el flujo del floema, y se observa que el crecimiento por debajo de la zona descortezada se

reduce, mientras que en las hojas no aparecen síntomas de marchitamiento, lo que

demuestra que el agua se mueve en sentido ascendente por el leño y las sustancias

elaboradas se mueven en sentido descendente por la corteza.

Mason and Maskell (1928):

Para conocer las sustancias transportadas por el floema se ha recurrido al uso de

pulgones. Estos áfidos se alimentan mediante la inserción de sus estiletes directamente en

los tubos cribosos, si se secciona el cuerpo del animal dejando exclusivamente el estilete,

el contenido de los tubos cribosos fluirá durante algunos días a través del estilete.

scl, esclerénquima; st, estilete; x, xilema; p, floema




SUSTANCIAS TRANSPORTADAS EN EL FLOEMA

Los carbohidratos, además del agua, constituyen la mayor parte de las sustancias

transportadas por el floema. La sacarosa es el azúcar predominante. Según la

composición de azúcares del jugo floemático se distinguen tres tipos de plantas:

Especies con sacarosa como azúcar dominante (98%), con pequeñas proporcionesde oligosacáridos del tipo de la rafinosa.

Especies con considerables cantidades de oligosacáridos, además de la sacarosa,

pertenecientes a la familia de la rafinosa.

Especies que contienen considerables cantidades de azúcar-alcoholes, además de

los azúcares mencionados anteriormente.

Rafinosa:

Galactosa Glucosa Fructosa

Sustancias nitrogenadas: los aminoácidos son las principales sustancias

nitrogenadas transportadas por el floema, los más abundantes son el ácido glutámico, el

ácido aspártico y sus amidas glutamina y asparragina. También hay proteínas en los

exudados del floema, la proteína-P y las enzimas son las más abundantes.

Ácidos orgánicos: ácido α-cetoglutárico, ácido pirúvico, oxalacético, fumárico,

succínico, malónico, oxálico, málico, cítrico, etc. Todos ellos aparecen en

concentraciones muy bajas.

Sustancias inorgánicas: el floema, al igual que el xilema, transporta también

agua e iones inorgánicos. El K+

es el catión predominante, otros que aparecen son el

Na+, Ca

2+y Mg

2+. Los aniones más frecuentes son el fosfato, sulfato, cloruro, nitrato y

bicarbonato.

Sustancias de crecimiento: hay promotores e inhibidores del crecimiento como el

ácido indolacético, ácido giberélico, ácido abscísico y citoquininas.

Otras sustancias: vitaminas (tiamina, niacina, ácido ascórbico), ATP (aporta la

energía para el transporte de solutos por el floema), lípidos, partículas víricas, e incluso

protozoos, además de compuestos sintéticos como herbicidas o insecticidas.

VELOCIDADES DE TRANSPORTE

La intensidad de transporte se expresa por la cantidad de soluto transportado porunidad de tiempo, y la velocidad como la distancia lineal recorrida por unidad de tiempo.




Un método muy usado para medir la velocidad lineal de transporte en el floema

es seguir el movimiento de una sustancia marcadora (fluoresceína o isótopos radiactivos)

a lo largo del tallo en relación con el tiempo. Esto nos indica la velocidad media (100-200

cm/h) de las moléculas en movimiento por el floema, pero estas moléculas son de muy

distinta naturaleza química, y cada una tiene una velocidad característica. Por ello se usa

otro parámetro, la intensidad del transporte de materia seca (no se mide el peso frescoporque el contenido de agua de un tejido vegetal varía mucho en poco tiempo) que da

valores de 1,7 g/h, y se expresa como:

)(g/cmiónConcentrac(cm/h)Velocidad)(cmÁrea(g/h)masadeciaTransferen 32

dividiendo este valor por el área de la sección transversal del sistema conductor, tenemos:

)(g/cmiónConcentrac(cm/h)Velocidad)(g/h/cmmasadeespecíficaciaTransferen 32

MECANISMOS DE TRANSPORTE EN EL FLOEMA

Mecanismos pasivos: no se necesita un aporte de energía directamente en lasmoléculas del soluto mientras están siendo transportadas dentro de los elementos

cribosos. La energía se utiliza en un extremo del sistema, bien bombeando los solutos en

el órgano productor, bien facilitando su salida en el órgano consumidor. También se

necesita energía para mantener la integridad estructural de los tubos cribosos.

La hipótesis más aceptada es la de Münch o flujo de presión (o flujo de masa),

según la cual, la diferencia de potencial de presión entre el órgano productor y el órgano

consumidor hace que los solutos fluyan por el floema siempre en el sentido de productor-

consumidor. En el órgano productor (hoja) los solutos que se forman por fotosíntesis

pasan a los tubos cribosos, lo que hace disminuir el ψ o y, por consiguiente, también el ψ ,

penetrando el agua procedente del xilema en los tubos cribosos, por lo que aumenta el ψ p

en los tubos cribosos conectados al órgano productor, mientras que en el órganoconsumidor (raíz) se están consumiendo solutos y disminuye el ψ p. El agua que sale fuera

del tubo criboso a nivel del consumidor pasa al xilema y es de nuevo transportada hacia

las hojas.

Las dos objeciones que se han planteado a esta hipótesis son que 1) el flujo de

presión requiere un sistema conductor que ofrezca pocas resistencias citoplásmicas y que

los poros de las placas cribosas estén abiertos (no hay ninguna prueba de que la proteína-

P bloquee los poros de las placas), y que 2) no podría explicar el transporte bidireccional

simultáneo (todavía no demostrado).




Mecanismos activos: además de aportar energía en los extremos del sistema y

para mantener la integridad estructural del sistema conductor, se necesita un aporte

adicional de energía directamente en las moléculas de soluto.

En este sentido, se han propuesto dos hipótesis: la electroósmosis y las corrientes

protoplasmáticas, aunque no existen evidencias suficientes para ninguna de las dos.

ÓRGANOS FUENTES Y SUMIDEROS

Durante toda la vida de una planta hay un continuo transporte de solutos desde losórganos productores hasta los órganos consumidores. Según su función o su estado de

desarrollo una parte u órgano de una planta será fuente o sumidero de fotoasimilados.

Un órgano productor (fuente) es un lugar de producción o almacenamiento de

sustancias orgánicas (carbohidratos), en el que la disponibilidad de estos compuestos

excede a la utilización, como por ejemplo las hojas maduras, los cotiledones de semillas

en germinación, o los tejidos de reserva de tallo, hoja y raíz cuando están almacenando

estas sustancias.

Un órgano consumidor (sumidero) es un lugar de consumo de sustancias de

reserva, como por ejemplo los meristemos de hojas jóvenes, los cotiledones de semillas

en formación, o los tejidos de reserva de tallo, hoja y raíz cuando están brotando.




CARGA Y DESCARGA DE SACAROSA

Existen dos mecanismos de carga del floema:

Carga simplástica del floema: cuando los solutos se desplazan desde las células

fotosintéticas de las hojas hasta el complejo célula acompañante-elemento criboso

a través de los plasmodesmos. Carga apoplástica del floema: cuando la carga se realiza desde el apoplasto

mediante un mecanismo que consume energía.

La sacarosa no pasa directamente a los tubos cribosos, sino que se acumula en las

células acompañantes (células intermediarias o, en dicotiledóneas herbáceas, células detransferencia). La sacarosa pasa del apoplasto a la célula acompañante a través del

plasmalema, tal acumulación de sacarosa se realiza en contra de un gradiente de

concentración y requiere energía (transporte activo). Los azúcares acumulados pasarán

finalmente al tubo criboso a través de la red de plasmodesmos.

Existe un sistema activo de cotransporte sacarosa/H+

en plantas superiores. La

fuerza conductora de este cotransporte sería el gradiente de potencial electroquímico del

flujo de protones creado por una ATPasa. El desplazamiento de protones a favor de

gradiente está acoplado al transporte activo secundario de sacarosa al interior de la célula

acompañante. El ATP necesario podría ser suministrado por el metabolismo del 1,4% de

la sacarosa transportada.

En las especies vegetales más primitivas hay muchos más plasmodesmos entre las

células acompañantes y los elementos cribosos. Y se cree que la carga simplástica podría

ser el mecanismos original de transporte, y posteriormente habría evolucionado la carga

apoplástica del floema.

El proceso de descarga del floema es menos conocido, pero se ha sugerido que el

paso limitante puede ser la actividad de una invertasa ácida localizada en el apoplasto,

que actuaría como una válvula de reflujo para evitar una recarga del floema con sacarosa.




Subsecuentemente abría un cotransporte de las hexosas resultantes/H+

hacia el citoplasma

de las células del órgano consumidor. Tampoco puede descartarse la existencia de un

mecanismo de cotransporte sacarosa/H+. La acumulación de sacarosa en la vacuola parece

tener lugar por un mecanismo de antiporte sacarosa/H+, la energía para este proceso sería

suministrada por una ATPasa localizada en el tonoplasto que translocaría protones hacia

el interior de la vacuola. Otra posibilidad es que la descarga del floema sea simplástica, yque la sacarosa pase directamente desde el elemento criboso a las células del órgano

sumidero a través de plasmodesmos.

SISTEMA CIRCULATORIO DE LA PLANTA

El xilema y el floema juntos forman el sistema vascular, que penetra

prácticamente en todas las partes de la planta. Así como el agua y los solutos inorgánicos

se absorben por la raíz y ascienden a través del xilema, o corriente de transpiración, los

azúcares manufacturados durante la fotosíntesis salen de la hoja a través del floema, o

corriente de asimilables hacia lugares donde se utilizan.

Los solutos son transportados de forma prioritaria a las zonas de rápido

crecimiento de la planta, yemas, hojas jóvenes, tallo y raíces en crecimiento, semillas y

frutos en desarrollo, o hacia los órganos de almacenamiento de sustancias de reserva.El transporte de solutos por el floema ocurre simultáneamente en ambas

direcciones. Pero aún no se sabe si los solutos se desplazan en diferentes direcciones

siguiendo distintos conductos del floema, o si emplean el mismo conducto a la vez. Si se

demostrara que el transporte bidireccional ocurre simultáneamente en un mismo tubo

criboso, habría que descartar por completo la hipótesis del flujo de presión.

La ruta de distribución de solutos está determinada por la posición en la planta de

los órganos productores y consumidores. Los solutos circulan por el floema y se mueven

hacia arriba o hacia abajo, pero solo entre puntos que tienen conexión vascular directa,

siendo el movimiento tangencial prácticamente nulo en condiciones normales, pero puede

cobrar importancia si la planta sufre algún accidente o enfermedad que impida el

suministro vertical.Además, la distribución de asimilados puede estar también bajo control hormonal.

ADP + P

ATP

H+

Invertasaácida

Sacarosa

Sac

Glu

Fru

H+ Glu

H+ Sac

Vacuola

H+ Fru

H+ H+

Sac

SacSac

CitosolApoplasto

Órgano consumidor E l e m e n t o c r i b o s o




A, absorción y asimilación de materias primas del entorno;

C, carga; D, descarga; I, intercambio entre xilema y floema.

EFECTO DE LOS FACTORES AMBIENTALES EN EL TRANSPORTE EN EL FLOEMA

Luz: la luz ejerce dos efectos sobre el transporte de solutos, uno directamente

asociado con la fotosíntesis. En general a mayor iluminación, mayor síntesis de azucares

y mayor producción del órgano encargado. Pero además, las luces rojas y la luz azul

favorecen y estimulan el transporte.

Disponibilidad de agua: si falta agua en el interior de los vasos disminuye eltransporte de solutos. A menor potencial hídrico se cierran los estomas y disminuye la

producción, y el potencial hídrico bajo disminuye el proceso de carga del floema.

Temperatura: el transporte está muy inhibido por debajo de 10 ºC (enfriamiento)

y por encima de 40 ºC (se altera la integridad de la membrana plasmática de los

elementos de los tubos).




FOTOSÍNTESIS Y CLOROPLASTOS

CONCEPTO Y ASPECTOS COMPARATIVOS DE LA FOTOSÍNTESIS

La fotosíntesis (“síntesis con ayuda de la luz”) consiste en la liberación del

oxígeno integrante de la molécula de agua y el almacenamiento del poder reductor

resultante en compuestos orgánicos carbonados que constituyen la materia viva. En

términos generales, la fotosíntesis es un proceso de oxidorreducción, por el consumo de

energía luminosa, en el que un donador de electrones (H2O, SH2…) se oxida y un aceptor

(CO2, NO2 – , SO4

=…) se reduce:

2

→ 2

donde: : energía luminosa, A: aceptor y D: donador de electrones.

Reacción global de la fotosíntesis en plantas superiores (oxigénica):

2 2

→ 2 2

Reacción más detallada:

2 2 2

→ 2 2 2

Fotosíntesis bacteriana (no oxigénica):

2 2 2

→ 2 2 2

DH2: SH2 en bacterias verdes (Chlorobium) y purpúreas (Chromatium); etanol, acetato,

isopropanol, etc., en bacterias purpúreas ( Rhodospirillum).

Procarióticos Eucarióticos

Bacterias fotosintéticas Cianobacterias Algas Plantas superiores

Fotosíntesis no oxigénica Fotosíntesis oxigénica

Los experimentos de Blackman demostraron la existencia de dos reacciones

fotosintéticas: una reacción fotoquímica instantánea (fase luminosa) y una reacción

enzimática que no necesita de la luz y que requiere cierto tiempo para completarse ( faseoscura). En la fase luminosa, ni la temperatura ni los venenos afectan a la fotosíntesis, sin

embargo, en la fase oscura, las bajas temperaturas y ciertos venenos metabólicos pueden

reducir la tasa fotosintética.

MEDIDA Y VALORES DE LA FOTOSÍNTESIS

La medida de la fotosíntesis se realiza en función del consumo de CO2,

desprendimiento de O2, aumento de peso seco, energía total fijada o energía luminosa

absorbida. Al realizar medidas de fotosíntesis, hay que tener en cuenta que la planta o sus

órganos respiran simultáneamente, por tanto, lo que medimos es la ganancia neta de

fotosíntesis, a dicha cantidad tendremos que añadirle lo que simultáneamente le resta la

respiración.

El CO2 es el sustrato de la fotosíntesis, un cambio en su concentración será muchomás crítico que un cambio en la concentración de O2. Puede utilizarse un sistema




abierto, midiendo la concentración de CO2 antes y después de pasar sobre la hoja una

corriente de aire y conociendo el flujo de dicha corriente. El sistema cerrado tiene el

inconveniente de que, a no ser que se opere con volúmenes de aire grandes, la

disminución de la concentración de CO2 con el tiempo puede influir de forma muy

notoria sobre la fotosíntesis. El mejor método es el circuito semicerrado, en él el aire

circula como en un circuito cerrado, pero hay una entrada y una salida de gas para evitarque la concentración de CO2 disminuya. Este gas se introduce y se mezcla con el que hay

en el interior del circuito, una vez que la mezcla ha pasado por la hoja se deja salir del

circuito un volumen de gas igual al que entró. Cuando se alcance el equilibrio tendremos

la tasa de asimilación (CO2 fijado por la hoja).

Las mediciones del CO2 se pueden hacer de varias formas: el CO2 se puede

recoger en una solución de álcali, puede medirse la conductividad eléctrica en una

solución o medir variaciones de los valores de pH.

En vez de medir variaciones en la concentración de CO2, a veces conviene

determinar el O2 desprendido, para lo cual existen métodos químicos y físicos diversos.

Valores de la fotosíntesis. Tasas fotosintéticas en condiciones óptimas: 10 a 40mg CO2 g-1 masa foliar seca h-1, 15 a 60 mg CO2 dm-2 hoja h-1, 10 a 40 μmoles CO2 m-2

hoja s-1

. En todo el planeta: unas 18 × 1010

Tm de biomasa formada año-1

equivalentes a

unas 26,5 × 1010

Tm de CO2 año-1

. La fotosíntesis renueva totalmente el CO2 atmosférico

en unos 10 a 12 años.

DIFUSIÓN DEL CO 2

Para que haya fotosíntesis es necesario que el CO2 llegue hasta el interior del

cloroplasto, donde tendrá lugar su reducción, para ello tiene que difundir desde laatmósfera y atravesar una serie de obstáculos que oponen resistencias variables a su paso,

estas resistencias son: la capa de aire limitante, los estomas, el espacio intercelular del

mesófilo, y la propia célula del mesófilo hasta llegar al cloroplasto (pared, membrana

plasmática, parte del citoplasma, las membranas que rodean al cloroplasto y algo del

estroma del cloroplasto).

En una hoja siempre hay dos flujos de CO2, uno el que procede del aire y que será

fijado en la fotosíntesis, y otro del CO2 producido en respiración y en fotorrespiración,

este segundo flujo tenderá a salir hacia el exterior, pero puede ser fijado también en los

cloroplastos y, de hecho, es lo que sucede.

La intensidad de la fotosíntesis está relacionada con la difusión del CO2, que

depende del número de estomas y del grado de apertura de los mismos. El CO2 quepenetra al interior de la hoja procede del aire que la rodea (o del agua, en el caso de

plantas acuáticas), de esta forma se crea un gradiente de concentraciones, ya que el CO 2

difundirá desde las zonas de alta a las de baja concentración. Esta difusión será más activa

cuanto más agitado esté el medio.

CLOROPLASTOS Y PLASTIDIOS EN GENERAL

Los cloroplastos son orgánulos subcelulares verdes de unos 5-10 μm de diámetro,

tienen forma elipsoide, o con una cara cóncava y otra convexa. Son típicos de organismos

eucariotas fotosintéticos, y están presentes en las células mesofílicas de las hojas y encualquier otra célula con capacidad fotosintética. En las plantas superiores puede haber




cientos de cloroplastos por célula, aunque normalmente hay entre 15 y 20. Los

cloroplastos son una subclase de los orgánulos denominados plastos o plastidios, que se

encuentran en la mayor parte de las células de las plantas.

AISLAMIENTO, ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE LOS CLOROPLASTOS

La envoltura del cloroplasto está constituida por una doble membrana, dentro del

cloroplasto se observa una serie de estructuras laminares, llamadas lamelas o tilacoides,que se disponen de forma paralela y extendidas en la dirección de mayor longitud del

cloroplasto. Hay grupos de lamelas (10-100) más pequeñas y compactas asociadas a las

lamelas de mayor longitud, que forman unas estructuras denominadas grana (plural de

granum). El número de grana por cloroplasto varía de unas plantas a otras y con las

condiciones fisiológicas, pero normalmente hay 50 grana.

Las lamelas son sáculos membranosos que encierran un pequeño volumen

separado del resto del cloroplasto. Así, desde fuera hacia dentro del cloroplasto se

distingue: membrana externa de la envuelta, espacio intermembranoso de la envuelta,

membrana interna de la envuelta, estroma, membrana de tilacoides y espacio o lumenintratilacoidal. Los pigmentos fotosintéticos, y los sistemas de transporte electrónico y

de formación de ATP, se localizan en las membranas de los tilacoides, y en el estroma se

realiza la conversión del CO2 en carbohidratos, usando las coenzimas generadas en las

estructuras membranosas. Es decir, la fase oscura de la fotosíntesis ocurre en el estroma,

mientras que la fase luminosa tienen lugar en tilacoides Normalmente, los cloroplastos

contienen cantidades variables de almidón.

El aislamiento de los cloroplastos se realiza por centrifugación. Para ello se

liofilizan las hojas, se homogeneiza con disolventes orgánicos, y se centrifuga en

gradiente de densidad de sacarosa (los cloroplastos quedan en el precipitado).

Composición: de los cloroplastos aislados un 20-30% es materia seca, de la cual,el 60% son proteínas, 20% son lípidos (4,3% clorofilas, 0,7% carotenoides y 15% lípidos




incoloros), 2% ARN, cantidades mucho menores de ADN, y cantidades variables de

almidón, iones inorgánicos, aminoácidos libres, monosacáridos, compuestos fenólicos…

El sistema membranoso de la envoltura de los cloroplastos carece de clorofila,

pero contiene carotenoides, que no participan en la fotosíntesis. La envoltura es rica en

sulfolípidos y galactolípidos, pero casi no tiene fosfatidilcolina ni fosfatidiletanolamina.

Esta composición lipídica sugiere que las membranas cloroplásticas no derivan delretículo endoplásmico, pero en cambio, recuerdan a las de cianobacterias. En la envoltura

de cloroplastos reside un sistema de biogénesis del que derivan todas las membranas

cloroplásticas, diferente del sistema de biogénesis de membranas del retículo

endoplasmático. La membrana interna de la envuelta (pero no la externa) presenta

propiedades de permeabilidad selectiva.

Los tilacoides contienen también muy poca fosfatidilcolina o

fosfatidiletanolamina, y son también ricos en sulfolípiodos y galactolípidos, ambos,

ácidos grasos muy insaturados que confieren fluidez a las membranas, lo que facilita el

desplazamiento de los transportadores de electrones. Los tilacoides granales tienen una

composición y unas propiedades diferentes de los tilacoides estromales que no forman

parte de los grana. La relación clorofila a/clorofila b es mucho mayor en tilacoidesestromales que en los granales. El fotosistema I se ubica en los tilacoides estromales y el

fotosistema II en los granales. Además, los tilacoides del estroma contienen más factor de

acoplamiento de la fotofosforilación y enzima RuBisCO que los tilacoides de los grana.

El interior de los cloroplastos (y de los plastidios en general) es el lugar de síntesis

de ácidos grasos en la célula vegetal.

Los cloroplastos surgieron evolutivamente de una primitiva simbiosis intracelular

(endosimbiosis primaria) entre un antepasado de los cloroplastos, similares a las

actuales cianobacterias, y una célula no fotosintética. La cianobacteria engullida fue

perdiendo genes, los cuales se incorporaron al núcleo de la célula hospedadora, y con

ellos la autonomía. También debieron ser frecuentes otros casos de endosimbiosis,

incluso al ser engullidas algas unicelulares por un organismo no fotosintético

(endosimbiosis secundaria).

ADN DE CLOROPLASTOS Y AUTONOMÍAGENÉTICA PARCIAL DE LOS CLOROPLASTOS

Los cloroplastos contienen ADN, ARN y toda la maquinaria necesaria para losprocesos de replicación, transcripción y traducción del ADN.




El ADN de cloroplastos es circular, de doble hebra y con múltiples copias (10-30)

por cloroplasto. La proporción de bases G+C es menor (38%) en el ADN cloroplástico

que en el ADN nuclear (62%), por lo que la densidad del ADN de cloroplasto es menor.

El ADN de cloroplastos se localiza en ciertas regiones del cloroplasto denominadas

nucleoides (aproximadamente 4 cromosomas por nucleoide), que presentan algún punto

de unión a la envoltura del cloroplasto. El ADN de los cloroplastos codifica para todos losARNr (23S, 16S, 5S y 4,5S) de los ribosomas de cloroplastos, y todos los ARNt de

cloroplastos (unos 30), y algunas proteínas de cloroplastos (unas 120).

Se dice que los cloroplastos tienen autonomía genética parcial, pues algunas

proteínas del cloroplasto son codificadas por el propio genoma del cloroplasto pero otras

proceden del genoma nuclear. Las proteínas codificadas en el ADN cloroplástico se

sintetizan exclusivamente en los ribosomas de cloroplastos. No se ha identificado ninguna

proteína sintetizada en cloroplasto que pase a citoplasma, en cambio, muchas proteínas

codificadas en el núcleo se incorporan a los cloroplastos.

Los genes que se transcriben en cloroplastos también sufren un control génico

post-transcripcional, que incluye: eliminado de intrones, edición de los transcritos

(algunos residuos de citosina se cambian a uracilo) y splicing de ARNm policistrónico.

En muchos complejos proteínicos de cloroplastos unas cadenas polipeptídicas

están codificadas en ADN de cloroplastos y otras en ADN nuclear, un caso conocido es la

cooperación de los genomas cloroplástico y nuclear en la formación de la RuBisCO. La

enzima ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa oxigenasa (RuBisCO) es la proteína más

abundante en la biosfera, supone casi el 50% de la proteína soluble total de las hojas. La

RuBisCO que se observa en los plastos es una proteína formada por 16 subunidades: 8

subunidades grandes L (rbcL) y 8 subunidades pequeñas S (rbcS). Las cadenas

polipeptídicas L (55 kDa) están codificadas en el genoma del cloroplasto, mientras que

las cadenas S (14 kDa) están codificadas en el genoma nuclear. La subunidad S es

sintetizada en el citoplasma en forma de un precursor (pS) con 50 aminoácidos en exceso

por su terminal amino. En la envoltura de cloroplastos hay receptores que reconocen el

tramo adicional de la cadena polipeptídica de la subunidad pequeña, y la incorporan al

interior del cloroplasto consumiendo ATP. En el interior del estroma, la subunidad S,

reducida ya a su tamaño definitivo por ataque proteolítico, forma junto con la subunidad

L el complejo RuBisCO. El acoplamiento de las 8 subunidades L y las 8 S requiere

además una proteína chaperonina, que actúa como molde de acoplamiento.

ADP + Pi

ATP

pS

SLARNm-LADN

Chaperonina70S

Cloroplasto 80S

ARNm-pS

ADN

Núcleo

Luz y otras

señalesreguladores

+

+




BIOGÉNESIS DE LOS CLOROPLASTOS

Las células meristemáticas contienen proplastidios (o proplastos), a partir de los

cuales se forman los plastidios. Los proplastidios pueden replicarse.En presencia de luz, el proplastidio se alarga y la membrana interna se invagina

formando prolongaciones paralelas al alargamiento, después, las invaginaciones se

aplastan hasta formar los tilacoides. De este modo, se forman los cloroplastos, que se

caracterizan por contener clorofila y otros pigmentos fotosintéticos (carotenoides), tienen

capacidad fotosintética, y son típicos de células mesofílicas foliares. Al igual que los

proplastidios, los cloroplastos pueden dividirse por un estrangulamiento de su envoltura,

previo reparto de las copias de ADN en dos mitades. En el control ontogénico de la

biogénesis de los cloroplastos, intervienen factores hormonales (citoquininas) y

ambientales (luz).

En ausencia de luz, las invaginaciones, en lugar de evolucionar a tilacoides,

forman unas estructuras tubulares, que se funden en una red cúbica, formando el cuerpo

prolamelar. En esta etapa el orgánulo recibe el nombre de etioplasto, si se ilumina, el

cuerpo prolamelar se transforma rápidamente en los tilacoides, y el etioplasto en

cloroplasto.

Los cromoplastos contienen carotenoides pero no clorofilas, típicamente son de

color amarillo, naranja o rojo, y no tienen capacidad fotosintética. Son frecuentes en

frutos maduros (tomate), algunas raíces (zanahoria) y flores. Derivan de los cloroplastos.

Los leucoplastos son incoloros, pueden acumular preferentemente algunas

reservas. Tenemos así: amiloplastos que almacenan almidón, proteinoplastos que

almacenan proteínas y elaioplastos (u oleoplastos) que almacenan lípidos.

Todos ellos tienen envuelta con doble membrana y ADN que es igual en todos losplastidios de una misma planta.




PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS

ESPECTROS DE ACCIÓN Y DE ABSORCIÓN

El espectro de acción de la fotosíntesis (eficacia relativa de las radiaciones dediferentes longitudes de onda para producir fotosíntesis) es semejante al espectro deabsorción de las estructuras fotosintéticas (absorción relativa de la luz de diferenteslongitudes de onda por las estructuras fotosintéticas). Ambos espectros muestranmáximos a 440 nm en la región del azul y 680 nm en la región del rojo, y baja eficacia deabsorción y de fotosíntesis con luces de longitud de onda entre 500 y 600 nm.

Los espectros de absorción de los pigmentos fotosintéticos aislados no sonexactamente iguales a los de los pigmentos in vivo, ya que estos últimos están asociadoscon otras estructuras que modifican ligeramente sus espectros (ensanchando la banda delos máximos).

La mayor parte de la radiación solar que llega a la superficie terrestre queda entre300 y 900 nm, las plantas superiores aprovechan bien esta radiación entre 400 y 700 nm.

CLOROFILAS

Todas las células fotosintéticas contienen al menos un tipo de clorofila. Las

clorofilas son pigmentos fotosintéticos verdes que constan de un anillo tetrapirrólico y unfitol, los nitrógenos pirrólicos forman en el centro del anillo un complejo con el catión

Espectro de acción de la fotosíntesis

Espectro de absorción

Clorofila a

Clorofila b

Carotenoidea

b

violeta azul verde amarillo naranja rojo

Longitud de onda (nm)

T a s a f o t o s i n t é t i c a r e l a t i v a

A b s o r b a n c i a r e l a t i v a




magnesio (Mg2+), quedando una estructura casi plana. En el pirrol IV se encuentra unidoel fitol, que es un largo brazo hidrofóbico de naturaleza isoprénica con 20 átomos decarbono. Las clorofilas presentan también un quinto anillo no pirrólico unido al anillo III.La alternancia de dobles enlaces va a hacer que estas moléculas absorban la radiación delvisible y, por lo tanto, tengan absorbancia; por ello son pigmentos fotosintéticos.

La clorofila a tiene máximos de absorción a 663 y 420 nm, y la clorofila b lostiene a 644 y 430 nm. Ninguna de ellas absorbe en la luz verde, lo que les da su colorcaracterístico. Todos los organismos fotosintéticos oxigénicos contienen clorofila a, ésta

junto con la clorofila b (menos abundante), constituyen las clorofilas de las plantasverdes, y se localizan en los tilacoides de los cloroplastos. En lugar de clorofila b, lasalgas pardas, diatomeas y dinoflagelados tiene clorofila c, y las algas rojas, clorofila d.

La bacterioclorofila es la clorofila presente en la mayoría de las bacteriasfotosintéticas, la más común es la de tipo a, aunque hay especies con bacterioclorofila b.

CAROTENOIDES

A los carotenoides, junto con las ficobilinas, se les conoce como pigmentosaccesorios. Los carotenoides son poliisopreonides de 40 átomos de carbono, se localizanen las membranas de tilacoides y en la envoltura de los cloroplastos (en este último casono participan en la fotosíntesis). Los carotenoides pueden ser del tipo caroteno, en cuyocaso constan exclusivamente de carbono e hidrógeno, o pueden ser xantófilas quecontienen además oxígeno en la molécula. Tienen también alternancia de dobles enlacesen su cadena, motivo por el cual pueden captar la luz. Los carotenoides fotosintéticospresentan un máximo de absorción entre 450 y 490 nm, y presentan un color entre

amarillo y naranja. Los carotenoides tienen además un papel protector contra lafotodestrucción de las clorofilas, por lo que, en la zona del espectro visible en la queabsorben los carotenoides existe una mayor absorción de la maquinaria fotosintética,cuando se compara con el espectro de acción.

Los principales carotenoides de cloroplastos de plantas superiores son β-caroteno,luteína, violaxantina y neoxantina.




FICOBILINAS

Las ficobilinas son tetrapirroles, pero no forman un macrociclo como ocurre conlas clorofilas. Se encuentran unidas covalentemente a proteínas específicas formando lasficobiliproteínas de algas rojas, cianobacterias y criptofitas. La unión a las proteínas se

realiza por enlaces éster con residuos de serina y mediante puentes de azufre con cisteína.Hay dos tipos de ficobilinas: ficoeritrinas (rojas) y ficocianinas (azul), en una

misma especie suelen estar presentes los dos tipos, aunque en general predomina una.Absorben intensamente en zonas variables de entre 480 y 670 nm, captando así

longitudes de onda poco utilizadas por las clorofilas. Como ocurre con otros pigmentosfotosintéticos, las ficobilinas presentan un sistema conjugado de dobles enlaces, y laexcitación de sus electrones es responsable de la absorción de luz.

BIOSÍNTESIS DE LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS

La biosíntesis de clorofilas tiene lugar en cloroplastos, aunque las enzimas sonsintetizadas en citoplasma y codificadas en el núcleo. Las últimas etapas de la formaciónde clorofilas tienen lugar en tilacoides.

El primer intermediario de la ruta de biosíntesis de clorofilas es el ácido δ-aminolevulínico (ALA), el ALA se forma en cloroplastos a partir de glutamato. Primero, elglutamato es activado a glutamil-tRNA (el ARNt implicado está codificado en el genoma

de cloroplastos), y después una deshidrogenasa reduce con NADPH el glutamato activadoa glutamato semialdehído, en el que con una transaminasa, se intercambian los gruposamino y carbonilo obteniéndose finalmente ALA.

Dos moléculas de ALA se condensan para formar una molécula deporfobilinógeno, cuatro moléculas de éste con pérdida de NH3 dan un tetrapirrol cerrado.Descarboxilaciones y deshidrogenaciones sucesivas llevan hasta la protoporfirina IX,desde la cual se bifurcan las rutas biosintéticas de clorofilas y porfirinas.

Para la síntesis de clorofilas, la protoporfirina IX compleja al catión Mg2+, y unaserie de reacciones llevan a la formación de la 2,4-divinil feoporfirina a5 magnésica.Ésta, en dos deshidrogenaciones sucesivas, forma primero la protoclorofilida a ydespués la clorofílida a, que es esterificada con fitol para dar lugar a la clorofila a.

La biosíntesis de clorofilas es controlada por muchos factores, el más conocido esla luz. Se requiere luz para la conversión de la protoclorofílida en clorofílida.




La biosíntesis de carotenoides ocurre vía ácido mevalónico a partir deintermediarios de dos átomos de carbono. A partir de 3 moléculas de acetilCoA se formael intermediario β-hidroxi-β-metilglutaril-CoA, que da lugar al ácido mevalónico, parafinalmente formar los precursores isopentenilpirofosfato (IPP) y dimetilalilpirofosfato (DMAPP).

En plantas, junto a la vía del ácido mevalónico, que es activa en citoplasma,funciona otra vía de síntesis de los precursores IPP y DMAPP localizada en cloroplastos y

que, por tanto, debe ser la principal que conduce a la síntesis de carotenoides. Esta otravía se inicia con la condensación de una molécula de piruvato y otra de gliceraldehído-3-




fosfato, y se forma 1-desoxi-D-xilulosa-5-fosfato (DOXP), que se isomeriza, se reduce,fosforila y deshidrata para convertirse en IPP.




Condensaciones de moléculas de IPP y DMAPP para la formación de geranil-geranil pirofosfato, dan lugar a la formación de diversos compuestos isoprénicos.

La condensación de dos moléculas de geranil-geranil PP origina una molécula defitoeno e inicia la vía específica de biosíntesis de carotenoides. Los carotenoides sesintetizan en los mismos plastidios.

COMPLEJOS PIGMENTOS-PROTEÍNAS EN TILACOIDES

Los pigmentos fotosintéticos se encuentran en tilacoides formando complejos con

proteínas específicas. En organismos fotosintéticos verdes se distinguen los complejospigmento-proteína:

GPP: Geranil PP

FPP: Farnesil PP

GGPP: Geranil-geranil PP




CCI: complejo del centro de reacción I. Tiene por cada P700 (una forma especialde clorofila a), al menos 40 moléculas de clorofila a, unas pocas de β-caroteno y 2polipéptidos. Está incluido en el fotosistema I.

LHCI: complejo antena I (light-harvesting complex I ). Contiene 2 tipos depolipéptidos y unas 4 veces más clorofila a que clorofila b.

CCII: complejo del centro de reacción II. Tiene por cada P680 (otra forma declorofila a), más de 40 de clorofila a y 2 polipéptidos. Está incluido dentro delfotosistema II.

LHCII: complejo antena II. Contiene un polipéptido, 4 clorofila a, 3 clorofila b(la mayor parte de la clorofila b de los cloroplastos), y 1-2 moléculas de xantofila.

Las cianobacterias, algas rojas y criptofitas tienen ficobilinas en lugar de clorofilab. En estos casos, en lugar del LHCII, presentan unos complejos que resultan de laagregación de las ficobiliproteínas: los ficobilisomas.




ABSORCIÓN DE LA LUZ Y

TRANSPORTE ELECTRÓNICO FOTOSINTÉTICO

LA FASE LUMINOSA DE LA FOTOSÍNTESIS

En la fotosíntesis actúan dos procesos: uno oscuro (dependiente de la

concentración de CO2) y otro luminoso. En la naturaleza ambas fases se producen a la

luz, pero experimental y transitoriamente una de ellas se puede realizar en la oscuridad.

La formación de ATP y poder reductor se produce en los tilacoides de los

cloroplastos, mientras que la formación de azúcares a partir de CO2, NADPH y ATP se

produce en el estroma y alguna etapa en el citoplasma de las células fotosintéticas.

En los tilacoides hay transportadores electrónicos como citocromos, quinonas,

ferroproteínas, etc. Como el potencial redox del par NADP+ /NADPH es -0,32 voltios,

mientras que el del par ½O2 /H2O es +0,82 voltios, los electrones tienden a pasar desde elpar de bajo potencial al par de alto potencial, es decir, desde el NADPH al O 2 formando

NADP+

y H2O. Para que ocurra el proceso inverso:

hay dos pasos de empuje exergónico con luz que, al excitar un electrón de intermediarios

de la cadena fotosintética transportadora de electrones, hacen que lo puedan perder con

más facilidad, es decir, que tengan menor potencial redox.

FOTOEXCITACIÓN DE LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS

Un fotón solo puede ser absorbido por una molécula que disponga de niveles

energéticos cuyas diferencias de energía sean iguales a la del fotón. En el caso de los

pigmentos fotosintéticos, la absorción de fotones de luz (de la zona visible al ojo humano)

determina la excitación de un electrón de sus sistemas conjugados de dobles enlaces. Una

molécula de pigmento al absorber un cuanto de luz queda excitada, y es enviado un

electrón (de los dos que hay con spin opuesto) a un orbital superior, de un nivel

energético superior (antes sin electrón). La diferencia de energía entre los dos niveles

electrónicos considerados es exactamente igual a la del fotón.

La molécula de clorofila excitada es más reductora, y sirve como empuje

exergónico para que se produzca el transporte electrónico fotosintético.

SISTEMA FOTOSINTÉTICO DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

El pigmento P700 es una pareja de moléculas de clorofila a situadas en un entorno

especial (solo 1 de cada 400 moléculas de clorofila está en la forma P700), con un

máximo de absorción a 700 nm. El P700 puede perder un electrón por recibir excitaciones

de otras moléculas de clorofila a que hayan sido iluminadas. El P680 consta también de

dos moléculas de clorofila a en un entorno especial, con un máximo de absorción a 680

nm.

Intercalados en el transporte de electrones desde agua hasta NADPH, se producendos empujes luminosos (reductores potentes) como consecuencia de la fotoexcitación de

luz

2 NADP+

+ 2 H2O 2 NADPH + 2 H+

+ O2




las clorofilas. Uno de ellos incluye al P700 y corresponde al fotosistema I, y el otro

incluye al P680 que corresponde al fotosistema II. Se requiere el funcionamiento de los

dos fotosistemas, primero el PSII y después el PSI, para la reducción del NADP+

con

H2O.

Siempre se transportan los electrones desde la forma reducida de un transportador

a la forma oxidada del transportador siguiente, de manera que el par primero tiene unpotencial redox menor que el del siguiente. En los fotosistemas, debido a la excitación

luminosa, disminuye el potencial redox del transportador (clorofilas), y la representacióndel transporte electrónico fotosintético, referida a una escala de potenciales redox, tiene

una forma característica de Z:

Un fotosistema está constituido por un centro de reacción (que incluye a la

clorofila P700 o la clorofila P680, según sea fotosistema I o II) y un complejo antena,

que transfiere excitaciones pero no electrones. De modo que, solo los pigmentos

excitados P700* y P680* son capaces de perder el electrón excitado, se dice que son

fotooxidables. Al perder un electrón se crea un efecto electrónico que es cubierto por el

electrón del transportador precedente en la cadena que va desde el agua hasta el NADP+.

FOTOSISTEMAS Y OTROS COMPLEJOS DE TILACOIDES

En la cadena de transporte fotosintético de electrones aparecen tres complejos

multiproteínicos, sucesivamente: PSII, complejo citocromo b6 f y PSI. El PSII es un

complejo integral de membrana (que tiene como cofactor el Mn2+

) que toma electrones

procedentes del agua, que han sido descompuestos en un subcomplejo unido al PSII por

la cara interna de la membrana. El PSII cede los electrones a un transportador móvil: laplastoquinona (PQ), que una vez reducida (PQH2) migra al complejo cit b6 f al que cede




los electrones. Pasando por distintos transportadores del citb6 f , los electrones son

transferidos a otro complejo móvil: la plastocianina (PC), que por la cara interna de los

tilacoides cede los electrones al PSI. Desde el PSI, por la cara externa de los tilacoides,

los electrones pasan a la ferredoxina (Fd), que es soluble en el estroma, y desde ésta al

NADP+, que se reduce a NADPH.

Alternativamente, la ferredoxina puede ceder electrones a la PQ, originando unflujo cíclico de electrones sobre el PSI, que no descompone al agua ni produce poder

reductor (NADPH).

La oxidación del agua libera oxígeno, protones y electrones:

la producción de 1 molécula de O2 requiere 2 moléculas de H2O y la pérdida de 4electrones.

En el transporte electrónico fotosintético hay transportadores de un solo electrón

(P680, P700, PC, Fd, citocromos, etc.), de dos electrones (PQ/PQH2, NADP+ /NADPH) e

incluso de cuatro electrones, como el complejo con manganeso, que toma

secuencialmente 4 electrones de 2 moléculas de agua y los cede secuencialmente al P680,

que debe así ser reducido, excitado y oxidado 4 veces por cada molécula de O2

desprendida.

Los transportadores electrónicos cíclico y acíclico generan un gradiente de H+

a

través de los tilacoides, que es esencial para producir ATP. La descomposición del agua

en la cara lumenal del complejo del PSII genera en el interior de los tilacoides 4 H + por

cada 2 moléculas de H2O descompuestas (4 electrones transferidos).

FOTOFOSFORILACIONES

La fotofosforilación es el proceso en el cual la energía luminosa se conserva

mediante su transformación en energía química en los enlaces fosfato-energéticos del

ATP.

La formación de ATP inducida por la luz puede expresarse por la ecuación:

P680

Mn Mn

Mn Mn

PSII cit b6 f

P700

PSI

PQ

PQH2

PC

Fd

2H2O 4H+

+ O2

Lumen

Estroma

Membrana

tilacoidal

P680* P700*

NADP+

NADPH

2-4H+

2-4H+

hυ 2 H2O → O2 + 4 H

++ 4 e

–

hυ

nADP + nPi → nATP




Existen dos tipos de fotofosforilación:

Fotofosforilación no cíclica: están implicados ambos fotosistemas, PSI y PSII.

Los electrones eliminados de la clorofila son reemplazados por electrones

procedentes del agua, con la consiguiente liberación de oxígeno, de este modo la

luz induce un flujo de electrones desde el H2O al NADP+

y una fosforilación

acoplada a este flujo. Se sintetiza tanto ATP como NADPH:

Fotofosforilación cíclica: está implicado sólo el PSI. La ferredoxina cede el

electrón al complejo citb6 f , que va a favorecer el bombeo de H+

del estroma al

espacio tilacoidal, que contribuye a crear un gradiente electroquímico de H+

y, por

tanto, a la síntesis del ATP, sin que se produzca NADPH.

La fotofosforilación acíclica produce los tres productos de la fase luminosa de la

fotosíntesis: ATP, NADPH y O2. Respecto al papel que cumple la fotofosforilación

cíclica, se han sugerido tres posibilidades:

1. Que produce ATP para otros procesos distintos a la fijación del CO2.

2.

Que suplementa el ATP necesario para fijar el CO2 ya que el producido por lafotofosforilación acíclica no es suficiente.

hυ

NADP+

+ H2O + ADP + Pi → NADPH + ½ O2 + ATP + H+




3. Que es un artefacto y que la fotofosforilación acíclica es el único mecanismo

productor de ATP fotosintético.

Las posibilidades más probables son la 1 y la 2. Cuando se compara la

estequiometría de la fotosíntesis acíclica (ATP/NADPH = 1, o ATP/2e – = 1) con la

requerida para la fijación del CO2 de ATP/NADPH = 1,5 (3 ATP y 2 NADPH por cadamolécula de CO2) se obtiene una clara idea de la necesidad de ATP adicional al

producido por la fotofosforilación acíclica para fijar el CO2. El ATP extra puede ser

suministrado por la fotofosforilación cíclica.

Mecanismo de la fotofosforilación. Se pueden distinguir tres fases en el proceso

de formación de ATP:

1. Captura de la energía en los complejos de oxidación.

2. Transporte de esta energía hasta los lugares de fosforilación.

3. Utilización de esta energía para sintetizar el ATP.

La hipótesis del acoplamiento quimiosmótico propone que el flujo de electronesa través del sistema transportador conduce hidrogeniones cargados positivamente

(protones: H+) a través de las membranas de cloroplastos (mitocondrias y células

bacterianas). A consecuencia de ello se crea un gradiente electroquímico de H+

a través

de la membrana. El gradiente constaría de dos componentes: una diferencia en la

concentración de hidrogeniones o pH, y una diferencia de potencial eléctrico. La síntesis

de ATP se lleva a cabo por un flujo de H+

en sentido inverso, a favor de gradiente. De

forma que, el transporte de electrones a través de la cadena está acoplado

obligatoriamente al transporte vectorial de protones a través de la membrana.

La fosforilación del ADP a ATP está catalizada por una ATPasa translocadora de

protones (H+-ATPsintasa), localizada en las membranas de los tilacoides. La porción

expuesta de la superficie y en contacto con el estroma se denomina CF1 y se une a un

componente hidrofóbico que forma parte de la membrana, denominado CF0, y que sirve

como canal de protones. La ATPasa consta de 9 subunidades, 5 en la CF1 (α, β, γ, δ, ε) y

4 en la CF0 (I, II, III, IV). α y β f orman un hexámero de subunidades alternantes (el sitio

activo se localiza en β), γ está implicado en el transporte de energía, δ y ε están

implicados en la unión CF1- CF0. Las subunidades I y II participan en la unión de CF0 con

CF1, la subunidad III forma hexámeros en la membrana y constituye en canal de H+, y la

subunidad IV está implicada en la translocación de H+.




Síntesis de ATP por el mecanismo de los tres sitios catalíticos (Boyer, 1977): en

el hexámero α3β3 hay tres sitios distintos de unión con nucleótidos, que pueden aparecer

en tres configuraciones diferentes: L (loose), T (tight ) y O (open). Inicialmente, los H+

procedentes del lumen de los tilacoides se unen de una forma muy lábil (loose) en el sitio

L. Un cambio conformacional del complejo CF1 convierte el sitio L en T donde el ATP es

sintetizado a partir de ADP y Pi. El ATP formado permanece fuertemente ligado (tight ) al

sitio T. Un nuevo cambio conformacional convierte el sitio T en el O (open, abierto) y es

liberado.

Los cambios conformacionales son provocados por el flujo de H+, y el mayor

requerimiento energético se produce en el cambio del estado T a O. La liberación de H+

en el lado estromático de la membrana completa el ciclo.

METABOLISMO FOTOSINTÉTICO DEL OXÍGENO

El oxígeno es un agente químico muy reactivo que se encuentra a elevada

concentración en la atmósfera y se forma dentro de los cloroplastos iluminados. Cuando

hay un exceso de iluminación hace aumentar los niveles estacionarios de las formas

reducidas de los transportadores de electrones, la molécula de O2 puede captar un electrón

de la ferredoxina, y genera un radical superóxido (∙O2 – ) que es muy reactivo y altamente

tóxico.

Los niveles elevados de formas reducidas de los transportadores se producen

cuando, por exceso de la velocidad del proceso luminoso, el NADPH en el transporte no

es consumido tan rápidamente como se produce. Esto ocurre, por ejemplo, cuando hay un




aporte limitante de CO2 al cerrarse los estomas, o si la baja temperatura hace muy lenta la

fase oscura de la fotosíntesis.

El ∙O2 – y otros derivados atacan a lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, llegando a

destruir las células y originando el síndrome de estrés fotooxidativo.

Ante un exceso de luz, hay mecanismos reguladores que provocan la inhibición

del PSII (fotoinhibición) que reduce el aporte de electrones a la cadena transportadora. Lafotorrespiración es una vía importante de consumo de oxígeno, de modo que reduce la

formación de especies reactivas del oxígeno.

El ∙O2 –

es eliminado en una reacción catalizada por la superóxido dismutasa:

∙O2 – + ∙O2

– + 2 H+ → H2O2 + O2

produciéndose agua oxigenada (H2O2), que a concentraciones moderadas induce la

expresión de genes de defensa, pero a altas concentraciones (como puede ocurrir en

cloroplastos) es tóxica y debe ser eliminada. Además, el agua oxigenada puede dar lugar

al radical hidroxilo (∙OH). El exceso de H2O2 es eliminado en cloroplastos por una

plastoquinol peroxidasa tilacoidal que cataliza la reacción:

PQH2 + H2O2 → PQ + 2 H2O

que además de eliminar el H2O2 drena el exceso de electrones de la cadena de transporteque están favoreciendo la formación de ∙O2

– y, en consecuencia, el estrés fotooxidativo.

FOTOSÍNTESIS BACTERIANA

Las bacterias fotosintéticas utilizan, en lugar de agua, reductores más enérgicos

(SH2, moléculas orgánicas, etc.) como donadores de electrones. En ellas, el transporte

electrónico fotosintético presenta un solo fotosistema (diferente a los de organismos

superiores). Carecen de clorofilas a y b y, en su lugar, contienen otras clorofilas con

máximos de absorción desplazados hacia fuera de los extremos del espectro visible.Las bacterias verdes usan SH2, que pasa a S, como donador de electrones y tienen

como pigmento principal la clorofila de Chlorobium. En Rhodospirillum hay una forma

especial de bacterioclorofila, el P870, capaz de perder electrones.

Evolutivamente, las primeras formas fotosintéticas que aparecieron contenían un

solo fotosistema y eran parecidas a las actuales bacterias fotosintéticas. La capacidad de

usar agua como donador de electrones, por la abundancia de este sustrato, supuso una

gran ventaja adaptativa que se dio con la aparición de un nuevo fotosistema parecido al

actual PSII. Es probable que los primeros organismos fotosintéticos tuvieran como

pigmento principal la clorofila a, con la aparición de los dos fotosistemas juntos, la mayor

competitividad de los nuevos organismos fotosintéticos desplazó a los primitivos. De

éstos, sobrevivieron los que desarrollaron nuevos pigmentos que absorben en zonas delespectro infrarrojo no cubiertas por la clorofila a, para las que no tendrían competencia

por los organismos oxigénicos. Por este motivo debieron aparecer las bacterioclorofilas.




ASIMILACIÓN DEL CO2

CICLO DE CALVIN Y SU REGULACIÓN

El conjunto de procesos enzimáticos de conversión del CO2 en carbohidratos sedenomina fase oscura de la fotosíntesis o ciclo de Calvin. El NADPH y ATP generadosen la fase luminosa de la fotosíntesis son consumidos durante el ciclo de Calvin. El ciclode Calvin tiene lugar en el estroma de cloroplastos.

En este ciclo de funcionamiento repetido se usan moléculas de CO2 y se producenhexosas: 6 moléculas de ribulosa-1,5-difosfato con 6 de CO2 se transforman en 12 deácido 3-fosfoglicérico, estas 12 moléculas sufren una serie de transformaciones y segeneran 1 hexosa y, con los 30 átomos de carbono restantes, se regeneran otras 6moléculas de ribulosa-1,5-difosfato.

La primera etapa del ciclo consiste en la fijación del CO 2 sobre la ribulosa-1,5-difosfato (RuDP), catalizado por la RuBisCO (ribulosa-1,5-difosfato carboxilasa), estaenzima es activada por Mg2+. Los productos intermedios de esta reacción son inestables,el intermedio final es descompuesto con agua, y se forman 12 moléculas de ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA).




En la segunda etapa ocurre la reducción del 3-PGA mediante ATP y NADPH + H+ para la formación de gliceraldehído-3-fosfato. Esto ocurre en dos reacciones: la primerareacción, catalizada por la 3-fosfoglicerato kinasa, es la fosforilación del 3-PGA paraformar ácido 1,3-difosfoglicérico (1,3-DPGA); y la segunda reacción es la reducción del1,3-bisfosfoglicerato en gliceraldehído-3-fosfato (GA-3P), catalizada por lagliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. Con la formación del GA-3P se completa lareducción del CO2 fijado en la primera etapa.

El resto de las etapas consisten solo en reordenaciones estructurales, para produciruna hexosa y regenerar 6 moléculas de RuDP. Estas reacciones están catalizadas porisomerasas, epimerasas, aldolasas, transcetolasas, fosfatasas y una kinasa. Las enzimasestán localizadas en el estroma de cloroplastos, aunque alguna se encuentra también encitoplasma.

El ciclo solo funciona en un sentido, pues hay varias reacciones que sonirreversibles, éstas son:

La catalizada por la RuBisCO. Las catalizadas por las fosfatasas.

La catalizada por la ribulosa-5-P kinasa.El balance del ciclo es (sin incluir las moléculas de agua):

6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP → Hexosa-P + 12 NADP+ + 18 ADP + 17 Pi por cada moléculas de CO2 asimilado, se consumen 2 de NADPH y 3 de ATP.




Regulación del ciclo de Calvin. El ciclo de Calvin solo funciona en condicionesde iluminación, que proporcionan ATP y NADPH. El CO2 nunca suele faltar, por lo queno es un factor que impida el funcionamiento del ciclo. En la oscuridad disminuyen lasconcentraciones de ATP y NADPH, pero no hasta valores despreciables, pues seproducen por respiración y por ciclo de las pentosas, respectivamente, y son necesariospara mantener un mínimo estado funcional en los cloroplastos y la célula. Sería fatal para

la célula que el ciclo continuara funcionando en la oscuridad con el ATP y NADPHdisponibles, pues se estarían formando y degradando continuamente carbohidratos, conun consumo inútil de ATP. Por ello, existen mecanismos reguladores que impiden que elciclo de Calvin funcione en la oscuridad, que operan sobre las etapas irreversibles.

La actividad de la RuBisCO está controlada por luz, debido a que la enzima tieneun pH ligeramente alcalino y requiere Mg2+. Como el transporte electrónico fotosintéticoactivado por la luz determina una entrada de H+ hacia el interior de los tilacoides, en elestroma se produce una subida del pH que activa a la RuBisCO. Para contrarrestar ladiferencia de carga eléctrica, la entrada de H+ va acompañada de una subida de Mg2+, queestimula la actividad RuBisCO. Además, la luz activa la síntesis de RuBisCO, al menosestimulando la expresión del gen para la subunidad pequeña (S). La RuBisCO es inhibida

por 2-carboxi-D-arabinitol-1-fosfato (CA1P), que se acumula por la noche.

6 CO2

6 Ribulosa-1,5-difosfato

3-P-gliceratokinasa

12 ATP 12 ADP

12 Ácido 1,3-difosfoglicérico

12 Ácido 3-fosfoglicérico

RuBisCO

12 Gliceraldehído-3-P

GA-3Pdeshidrogenasa

12 NADPH +12 H+

12 NADP+ 12 Pi

6 Ribulosa-5-fosfato

Ribulosa-5-Pkinasa

6 ATP

6 ADP

5 Dihidroxiacetonafosfato

Triosa- Pisomerasa

3

3 Fructosa-1,6-difosfato

3 5

Aldolasa

3 Fructosa6-fosfato

1 Fructosa

6-fosfato

Fructosa-1,6-difosfatasa

3 H2O

3 Pi

2 Xilulosa-5-fosfato

2 Eritrosa-4-fosfato

2 Sedoheptulosa-1,7-difosfato

2 Sedoheptulosa7-fosfato

2 Xilulosa-5-fosfato

2 Ribosa-

5-fosfato

2

2

Transcetolasa

2

Aldolasa

2 H2O

2 Pi

Sedoheptulosa-1,7-difosfatasa

2

Transcetolasa

Isomerasa

Epimerasa

Epimerasa

Sacarosa,almidón, etc.

Ciclo de Calvin

6 H2O




Las enzimas gliceraldehído-3-P deshidrogenasa, fructosa-1,6-difosfatasa,sedoheptulosa-1,7-difosfatasa y ribulosa-5-P kinasa, tienen en su forma activa grupos

– SH de cisteína. La forma activa puede pasar a inactiva por oxidaciones de los grupos –

SH a puente disulfuro – S-S – . Las formas inactivas de estas enzimas pasan a formasactivas por reducción de los puentes disulfuros cuando se iluminan los cloroplastos. Los

electrones para la reducción proceden del agua. Al iluminar y funcionar el transporteelectrónico aumenta la concentración de ferredoxina reducida que, en una reaccióncatalizada por la ferredoxina-tiorredoxina reductasa, reduce a la tiorredoxina, la cualreduce a grupos – SH los puentes disulfuro de las enzimas a activar.

SÍNTESIS DE SACAROSA Y ALMIDÓN

A partir de intermediarios del ciclo de Calvin se inician rutas biosintéticas dedistintos compuestos, las rutas mayoritarias son las que utilizan fructosa-6-fosfato (F6P)para formar sacarosa y almidón. La sacarosa que se produce en los órganos fotosintéticospuede exportarse a estructuras no fotosintéticas de la planta. El almidón se acumula en losmismos cloroplastos, y las reservas de almidón pueden degradarse en la oscuridad parasuministrar carbono y energía a las estructuras fotosintéticas cuando falta luz.

Síntesis de sacarosa. La sacarosa es un disacárido no reductor que resulta de launión fructosa-glucosa por sus carbonos 2 y 1, respectivamente. Es el compuesto que lasplantas usan mayoritariamente para transportar carbono asimilado desde unas estructurasa otras. Se sintetiza en el citosol vía sacarosa-fosfato:

esta última reacción es fuertemente exergónica, y el proceso global está desplazado haciala síntesis de sacarosa.

La F6P es un producto inmediato del ciclo de Calvin, mientras que UDP-glucosase forma a partir de otra molécula de F6P:

la reacción que cataliza la pirofosfatasa es fuertemente exergónica, por lo que el procesoglobal está desplazado hacia la síntesis de UDP-glucosa. El UTP que se necesita para estareacción se genera a partir del UDP liberado en la formación de sacarosa-P de la primera

reacción:

H2O Ferredoxina Tiorredoxina S (enzimaoxidada reducida E │ oxidada,

ferredoxina- S inactiva)Luz tiorredoxina

reductasa SH (enzimaFerredoxina Tiorredoxina E reducida,

2H+ + ½ O2 reducida oxidada SH activa)

Sacarosa-fosfato sintasaUDP-Glucosa + F6P Sacarosa-P + UDP

Sacarosa-P + H2O Sacarosa + Pi

Fosfoglucosa Fosfoglucosa Uridindifosfato glucosaisomerasa mutasa pirofosforilasa

Fructosa-6-P Glucosa-6-P Glucosa-1-P UDP-Glucosa

UTP PP pirofosfatasa+ H2O 2 Pi




Existe otra enzima, aunque su función es fundamentalmente degradativa:

cuando la sacarosa llega a una estructura no fotosintética con UDP y sacarosa sintasa, seproduce UDP-glucosa y fructosa, las cuales son usadas para síntesis de almidón yglucolisis.

El control de la síntesis de sacarosa se ejerce a nivel de la sacarosa sintasa. Lavelocidad de la enzima muestra gran sensibilidad a los cambios de concentración deUDP-glucosa, que aumenta al iluminar. El Mg2+, cuya concentración también aumenta aliluminar, estimula a la sacarosa-fosfato sintasa. El fosfato es un potente inhibidor de lasacarosa-fosfato sintasa, además, el fosfato también hace aumentar los niveles defructosa-2,6-difosfato.

Regulación de la síntesis: al iluminar las hojas aumentan los niveles de triosas

fosfato y disminuye el fosfato libre, inhibiéndose la glucolisis y activándose la síntesis desacarosa en citoplasma al activarse la fructosa-1,6-difosfato porque disminuye laconcentración de fructosa-2,6-difosfato. Si la sacarosa se acumula, por exceder suproducción a la demanda de los sumideros, por un efecto de retroinhibición, se acumulanhexosas monofosfato que provocan un aumento de la concentración de fructosa-2,6-difosfato que inhibe la síntesis de sacarosa.

Síntesis de almidón. El almidón es un polímero de residuos de glucosa. Si estosestán unidos exclusivamente por enlaces α-glucosídicos 1→4, se forma amilosa; si,adicionalmente, hay algunos enlaces α-glucosídicos 1→6, se obtiene amilopectina. Laproporción de amilosa y amilopectina en el almidón varía mucho de unas plantas a otras.El almidón constituye la reserva más abundante de carbono orgánico en la mayoría de lasplantas. En los cloroplastos se encuentra como pequeños granos, mientras que en losamiloplastos se encuentra como grandes granos que ocupan todo el orgánulo. La síntesisde almidón en cloroplastos tiene lugar a partir de F6P previo paso a ADP-glucosa:

la hidrólisis del PP, catalizada por una pirofosfatasa, sirve de empuje exergónico alproceso.Desde ADP-glucosa, se adicionan residuos de glucosa a una cadena creciente de

amilosa por su extremo 4-terminal, según la reacción:

Las cadenas de amilopectina se forman por acción de transglicosidasas (enzimasramificantes) que transfieren regiones de amilosa desde un enlace 1→4, para formar otro

1→6. En estructuras no fotosintéticas el almidón también es sintetizado por acción de la

almidón sintasa. A estas estructuras llega la sacarosa que es hidrolizada por una invertasaen el apoplasto. En algunos casos, la sacarosa es degradada en el simplasto por acción de

Nucleósido difosfato kinasa

UDP + ATP UTP + ADP

Sacarosa sintasa

UDP-glucosa + Fructosa Sacarosa + UDP

Fosfoglucosa Fosfoglucosa Adenosíndifosfato glucosaisomerasa mutasa pirofosforilasa

Fructosa-6-P Glucosa-6-P Glucosa-1-P ADP-Glucosa

ATP PP pirofosfatasa+ H2O 2 Pi

Almidón sintasa

(Glucosa)n + ADP-glucosa (Glucosa)n+1 + ADP

almidón almidón




la sacarosa sintasa, con lo que se obtiene fructosa y glucosa activada como UDP-glucosa.La conversión de ésta en ADP-glucosa no requiere gasto energético. La fructosaproducida puede ir a glucolisis o a síntesis de almidón. En el siguiente esquema serepresenta el proceso global de síntesis de almidón a partir de sacarosa.

La regulación de la síntesis de almidón en estructuras fotosintéticas ocurre a nivelde la ADP-glucosa pirofosforilasa. Esta enzima es activada por altas concentraciones de3-PGA, FDP y F6P entre otros (metabolitos indicativos de que funciona activamente elciclo de Calvin). Y es inhibida por fosfato libre, cuya concentración aumenta encondiciones de oscuridad en la que no hay fotofosforilación. La baja concentración defosfatos y alta concentración de hexosas-P, favorece la síntesis de almidón encloroplastos.

PLANTAS C-3 Y PLANTAS C-4

Las plantas C-3 muestran una anatomía foliar con un mesófilo lagunar oesponjoso en el envés de la hoja, formado por células clorofílicas isodiamétricas quedejan espacios aéreos intercomunicados por toda la hoja y que conectan con los estomas.En el haz, entre la monocapa de células epidérmicas y el mesófilo lagunar, se encuentrauna capa de células clorofílicas cilíndricas, perpendiculares a la superficie de la hoja, queforman el mesófilo en empalizada. No hay diferencias estructurales o funcionales entrelos cloroplastos de los dos tipos de mesófilo. La monocapa de células de la vaina querodean los conductos vasculares no son clorofílicas.

Las plantas C-4 tienen una anatomía foliar característica, que se denominaanatomía en corona. Rodeando a los conductos vasculares foliares hay una capa decélulas clorofílicas grandes que reciben el nombre de células de la vaina. Rodeando aéstas, se encuentran distribuidas radialmente células clorofílicas más pequeñas llamadasdel mesófilo. Las células del mesófilo tienen cloroplastos normales con abundantes grana,pero no almidón, y presentan los dos fotosistemas. Los cloroplastos de las células de lavaina son más grandes, acumulan almidón, contienen pocos grana, y solo contienen elPSI. Los cloroplastos de las células del mesófilo producen ATP y NADPH, mientras quelos de las células de la vaina producen principalmente ATP. Las células de la vainacontienen abundantes mitocondrias. Entre las células del mesófilo y las de la vaina,existen abundantes plasmodesmos que aseguran un fácil tráfico de metabolitos.

Sacarosa sintasa

Sacarosa + UDP UDP-glucosa + Fructosa

PP ATP

UTP ADP

Glucosa-1-P Fructosa-6-P

ATPADP Glucosa-6-P

PP PP ATP

Síntesis ADP-glucosa Glucosa-1-Pde almidón




Plantas C-3 Plantas C-4

En la mayoría de los organismos fotosintéticos, el ciclo de Calvin tiene lugar talcual se ha explicado, pero en algunas plantas (plantas C-4, p. ej. maíz y caña de azúcar)hay variantes en la etapa de fijación del CO2. En las plantas C-4, a diferencia de lo queocurre en las C-3, los primeros productos de fijación fotosintética no son moléculas de 3átomos de carbono, como el 3PGA, sino moléculas de 4 átomos de carbono como el ácidoaspártico y málico (de ahí la denominación C-3 y C-4).

FIJACIÓN Y ASIMILACIÓN DEL CO 2 EN PLANTAS C-4

La fijación y asimilación del CO2 en plantas C-4 consiste en la fijación inicial delCO2 en fosfoenolpiruvato (PEP), en una reacción catalizada por la PEP carboxilasa

para dar oxalacetato en células del mesófilo. A diferencia de la RuBisCO, que utilizacomo sustrato CO2, el sustrato de la PEP carboxilasa es bicarbonato HCO 3

– . En amboscasos, la abundante actividad anhidrasa carbónica en estructuras fotosintéticas asegura unrápido equilibrio CO2-bicarbonato:

para la utilización en cada caso del sustrato enzimático apropiado. La PEP carboxilasa esparticularmente abundante en el citoplasma de células del mesófilo de plantas C-4,aunque puede estar unida a la cara externa de los cloroplastos. Como la RuBisCO, la PEPcarboxilasa requiere Mg2+ para su actividad.

En las células del mesófilo, el oxalacetato se transforma en malato y aspartato,en una reacción catalizada por la enzima malato deshidrogenasa cloroplásticadependiente de NADPH y la glutamato-oxalacetato transaminasa (GOT),

Anhidrasa carbónica

CO2 + H2O HCO3 –

+ H –




respectivamente. Ambas enzimas se encuentran en cloroplastos y en citoplasma, así pues,es posible que malato y aspartato se formen tanto en cloroplastos como en citoplasma decélulas del mesófilo. Después, el malato y aspartato pasan a las células de la vaina por losabundantes plasmodesmos. Algunas plantas C-4 forman más aspartato y otras másmalato, aunque siempre se suelen formar los dos compuestos.

En las células de la vaina, el aspartato y malato se transforman en piruvato conliberación, en cada caso, de una molécula de CO2. La enzima málico cloroplásticadependiente de NADP+, que degrada el malato en piruvato, proporciona NADPH para suutilización en el ciclo de Calvin en la vaina. Con esta reacción se transporta CO2 desde elmesófilo a las células de la vaina donde, por un mecanismo idéntico al de las plantas C-3,es convertido en carbohidratos. Las plantas que forman mayoritariamente aspartato en elmesófilo, lo transforman en la vaina en oxalacetato por acción de la enzima GOT, procesoque tiene lugar en mitocondrias. La liberación de CO2 en la vaina desde el oxalacetatopuede ocurrir de dos formas: 1) pasándolo a PEP en una reacción catalizada por la PEPcarboxikinasa, y liberando CO2, el PEP que se forma pasa a piruvato en el citoplasma dela vaina por acción de la enzima piruvato kinasa, en una reacción que permite recuperar

el ATP consumido en el paso anterior; o 2) transformándolo en malato, en una reaccióncatalizada por una malato deshidrogenasa mitocondrial dependiente de NADH, y

ATP

CO2

PEPOxalacetato

Aspartato Malato

PEPcarboxilasa

Aspartato Malato

MalatoDH

NADPH

+ H+ NADP+

GOT

Glutamato

2-oxoglutarato

Enzimamálico

PiruvatoNADP+

NADPH+ H+ CO2

Oxalacetato

Glutamato

2-oxoglutarato

GOT

PEPcarboxikinasa

PEP CO2

ATP

ADP

Piruvato kinasaADPATP

Malato DH

NADH NAD+

+ H+

MalatoEnzima málico

NAD+ NADH+ H+

Piruvato-fosfatodikinasa

AMP + PP

ATP + Pi

Piruvato

2 Pi

Pirofosfatasa

H2O

Adenilato kinasa

2 ADP

Ciclo deCalvin

Hexosa3PGA

RuDP

Almidón,sacarosa, etc.

CO2

Célula dela vaina

Célula del mesófilo

Epidermis

CO2




desprendiendo CO2. El malato formado pasa a piruvato en una reacción catalizada poruna enzima málico mitocondrial dependiente de NAD+. El NADH producido se usa en elpaso anterior.

En las células de la vaina, el CO2 se fija sobre ribulosa-1,5-difosfato (RuDP)para, mediante el ciclo de Calvin, producir azúcares.

El piruvato producido vuelve a las células del mesófilo para regenerar el PEP, enuna reacción catalizada por la piruvato-fosfato dikinasa, localizada en cloroplastos,acoplada a un proceso que consume 2 ATP por mol de piruvato convertido en PEP. Lareacción está desplazada hacia la formación de PEP, debido a la hidrólisis del PP.

En el funcionamiento del ciclo dicarboxílico fotosintético C-4 se consumen 2moles de ATP por mol de CO2, además de los 3 moles de ATP consumidos por mol deCO2 en el ciclo de Calvin.

Los cloroplastos de las células de la vaina, pero no los de las células mesofílicas(que carecen de RuBisCO), poseen todas las enzimas necesarias para el funcionamientodel ciclo de Calvin. Éste permite en las células de la vaina almacenar almidón y formar

sacarosa, que vierten al floema para distribuirla al resto de la planta.

Aspectos que hacen ventajosas a las plantas C-4: mayor afinidad por el sustratoCO2-bicarbonato, esto permite a las plantas C-4 tener los estomas menos abiertos que lasplantas C-3 para la misma velocidad fotosintética, y reducir así las pérdidas portranspiración. Las plantas C-4 están mejor adaptadas a climas áridos.

Las plantas C-4 tienen una pequeña reserva de CO2 en forma de malato yaspartato, para hacer frente a situaciones de emergencia en las que se corta el suministrode CO2 desde la atmósfera. La acumulación de ácidos dicarboxílicos es también unarespuesta típica de la planta contra ambientes salinos.

En las células de la vaina funcionan los mismos mecanismos de control de laasimilación del CO2 que en una planta C-3. Pero además, existen diversos mecanismosde control específico de las células del mesófilo. La PEP carboxilasa presentapropiedades alostéricas, siendo inhibida por ácidos orgánicos dicarboxílicos y otrosproductos de la fotosíntesis. La malato DH dependiente de NADP se presenta en unaforma activa a la luz y otra inactiva en la oscuridad, ambas son interconvertibles a travésde un mecanismo de oxidorreducción de sus grupos – SH y – S-S – con tiorredoxina. Laenzima piruvato-P dikinasa se presenta también en una forma activa a la luz y unainactiva en oscuridad, ambas interconvertibles mediante reacciones de fosforilación ydesfosforilación de un residuo de treonina.

Existen otros mecanismos que dificultan el funcionamiento del ciclo dicarboxílicoC-4 en la oscuridad, como son la disminución de las concentraciones de ATP, NADPH yNADH. Además, el pH afecta, en la reacción catalizada por la anhidrasa carbónica, a laproporción de CO2 y HCO3

– , sustratos de RuBisCO y PEP carboxilasa, respectivamente.

ASIMILACIÓN DEL CO 2 EN PLANTAS CAM

Las plantas suculentas tienen hojas carnosas con una baja relaciónsuperficie/volumen. Estas plantas fijan CO2 de noche, acumulando grandes cantidades deácidos orgánicos di- y tricarboxílicos (principalmente ácido málico). Su metabolismo se

estudió inicialmente en algunas especies de Crassulaceae, y es comúnmente conocidocomo metabolismo ácido de Crasuláceas, o CAM por sus siglas en inglés, las plantas




con este metabolismo se llaman plantas CAM. Por su ciclo anormal de aperturaestomática, las plantas CAM están especialmente adaptadas a ambientes con aridezcíclica diurna (las plantas C-4 están mejor adaptadas a aridez continua). No todas lasplantas suculentas son plantas CAM, y no todas las plantas CAM presentan la anatomíasuculenta. Y es frecuente que plantas C-3 desarrollen estructuras suculentas con

fotosíntesis CAM en condiciones de sequía.Las plantas suculentas se caracterizan por la ausencia de una capa de células de

empalizada bien definidas, en su lugar, un mesófilo esponjoso llena la mayor parte de laestructura fotosintética, incluso la vaina que rodea los conductos vasculares es mesofílica.Las células del mesófilo contienen, además de cloroplastos, grandes vacuolas.

Las plantas CAM tienen los estomas abiertos durante la noche (oscuridad), en laque fijan el CO2 sobre el PEP, en una reacción catalizada por la PEP carboxilasa. El PEPusado procede de las reservas de almidón. El oxalacetato formado pasa rápidamente amalato, en una reacción catalizada por la malato DH dependiente de NADH (en plantasC-4 es dependiente de NADPH). El ácido málico se acumula en las vacuolas yparcialmente se transforma en otros ácidos del ciclo de Krebs, p. ej. ácido cítrico. Adiferencia de lo que ocurre en plantas C-4, el málico se forma en oscuridad y no setransporta a otras células, sino que se acumula en las vacuolas.

Durante el día (luz), el málico y los otros ácidos formados salen de la vacuola yse transforman en oxalacetato que, en una reacción catalizada por una PEP carboxikinasa,

produce PEP y CO2. El PEP formado regenera almidón (vía gluconeogénesis) y el CO2 liberado se fija sobre RuDP que, por el ciclo de Calvin, produce azúcares. El ATP yNADPH requeridos en diversas etapas, son proporcionados por el transporte electrónicofotosintético.




En muchas plantas CAM, una alternativa al metabolismo diurno del málico es ladescarboxilación del ácido málico catalizada por la misma málico. Así, en estas plantas,

para la síntesis del almidón, el piruvato formaría PEP con piruvato-P dikinasa, tal comoocurre en plantas C-4. En este tipo de plantas CAM, la enzima málico está localizada enmitocondrias, pero el piruvato pasa a azúcares en citoplasma.

OTRAS VÍAS DE FIJACIÓN DEL CO 2

En la mayoría de las bacterias fotosintéticas se ha demostrado el funcionamientodel ciclo de Calvin. Pero en algunas de ellas también puede operar el ciclo tricarboxílicoreductivo de Arnon, se trata de un ciclo equivalente a una reversión del ciclo de Krebs.El ciclo produce oxalacetato que puede ir a síntesis de azúcares vía PEP carboxikinasa,usando 3 CO2 (el ciclo tiene 4 etapas de fijación de CO2). Además, el oxalacetato eintermediarios del ciclo podrían servir para síntesis de aminoácidos y lípidos.

En organismos heterótrofos y en algunos quimioautótrofos se han identificadootras vías de fijación del CO2, como la vía glicina o la vía acetil-SCoA.

CO2

PEP OxalacetatoPEP

carboxilasa

MalatoMalato

Malato

NADH+ H+

NAD+

M a l a t oDH

Almidón Malato

Oxalacetato PEP

CO2

Ciclo deCalvin

3PGA

RuDP

Hexosa

Día (estomas cerrados)Noche (estomas abiertos)

Otros

ácidos

Otrosácidos

Otros

ácidos

Otrosácidos

PEPcarboxikinasa

Almidón

NADH+ H+

NAD+

Vacuola

Célula delmesófilo

M a l a t o D H




FOTORRESPIRACIÓN Y

FOTOSÍNTESIS EN LA NATURALEZA

CONCEPTO, MEDIDA Y MECANISMO DE LA FOTORRESPIRACIÓN

La fotorrespiración, o respiración dependiente de iluminación, es el procesorespiratorio no mitocondrial que consume O2 y produce CO2 en las plantas C-3. Lafotorrespiración ocurre en el mesófilo de la hoja, en presencia de luz, y cuando laconcentración de O2 es alta.

Un proceso respiratorio es el inverso de la fotosíntesis, produce CO2 y consumeO2. Cualquier medida de la producción o consumo de CO2 y O2 es, en realidad, la medidade la diferencia entre fotosíntesis y respiración. La medida individual de la velocidad decada uno de estos procesos no es posible por los métodos habituales de estimación de

cambios de CO2 y O2. Se pueden hacer medidas más precisas con el uso de isótoposradiactivos, p. ej. 14C. En muchas plantas C-3, la fotorrespiración alcanza un valor del50% del valor de la fotosíntesis, en cambio, en las plantas C-4 la fotorrespiración tiene unvalor despreciable.

La RuBisCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa), además de catalizarla formación de dos moléculas de 3-fosfoglicerato (3-PGA) por cada una de ribulosa-1,5-difosfato (RuDP) y una de CO2, puede admitir O2 como sustrato alternativo al CO2. Así que, la RuBisCO, con su actividad oxigenasa adicional, puede catalizar RuDP junto conO2 transformándolo en 3-PGA y glicolato-fosfato:

como en esta reacción se forma la mitad de 3-PGA, la asimilación de O 2 es una forma deinhibición de la fotosíntesis, debido a que compite con CO2 en el centro activo de laRuBisCO y determina una pérdida de átomos de carbono de intermediarios del ciclo deCalvin.

En cloroplastos, el glicolato-P es hidrolizado dando glicolato. Éste, pasa aperoxisomas, donde en una reacción catalizada por la flavoproteína glicolato oxidasa,forma glioxalato. En esta reacción se forma también H2O2, que es descompuesto porcatalasa (enzima abundante en peroxisoma). El glioxalato formado puede volver acloroplastos donde es reducido de nuevo a glicolato con NADPH producido en el

transporte electrónico fotosintético. Por otra parte, el glioxalato formado puedetransaminarse con glutamato en peroxisomas, formando glicina que pasa a mitocondrias.En mitocondrias, dos moléculas de glicina forman una de serina, produciendo CO2 y




NH3. La serina formada pasa a peroxisomas, donde por transaminación pasa ahidroxipiruvato. El hidroxipiruvato, también en peroxisomas, es reducido a glicerato,que es fosforilado en cloroplastos, donde se incorpora al ciclo de Calvin.

Balance del metabolismo fotorrespiratorio: considerando el proceso

fotorrespiratorio desde RuDP hasta 3-PGA:2 RuDP + 3 O2 + 1 ATP + 1 Glutamato → 3 3-PGA + 1 CO2 + 1 NH3 + 1 ADP + 2 Pi + 1 2-oxoglutaratoEl balance neto sería:

RuDP + 15 O2 + 34 ATP + 20 NADPH + 21 H2O → 5 CO2 + 34 ADP + 36 Pi + 20 NADP+ En conjunto, la fotorrespiración supone un elevado consumo de ATP y NADPH,

además de la producción de CO2 y el consumo de O2.

Regulación: el proceso fotorrespiratorio requiere O2 (en dos etapas) y luz para laformación de poder reductor (vía transporte electrónico fotosintético). Un exceso defotorrespiración determina una disminución de la concentración estacionaria de RuDP, loque termina provocando una disminución de la velocidad del proceso fotorrespiratorio,por falta del primer sustrato que lo inicia. Un exceso de luz determina un aumento de laconcentración de RuDP que favorece la fotorrespiración.

C l or o pl a s t o

RuBisCORuDP

Glicolato-P

+

3-PGA

O2 H2O

Pi Glicolato

Hidroxipiruvato

reductasa

Glioxalato

NADPH+ H

+ NADP

+

Flavoproteína

glicolato oxidasa

Glicolato

H2O2 O2

Glioxalato

2-oxoglutarato

Glicina

Glicina

3-PGA

Glicerato

ATP

ADPCiclo

de

Calvin

3PGARuDP

GliceratoHidroxipiruvato

Glioxalato

reductasa

NADH + H+ NAD

+

Glutamato

Serina

Serina

GlicinaComplejo glicina descarboxilasa

Serina hidroximetil transferasa

NADH

+ H+

NAD+ CO2 NH3

H2O + ½ O 2 Catalasa

P e r o x i s o m a

Mi t o c on d r i a




FOTORRESPIRACIÓN EN DIFERENTES PLANTAS

La fotorrespiración es un fenómeno común en plantas con fotosíntesis C-3. Las

plantas C-4 no presentan fotorrespiración, sin embargo, células clorofílicas de la vaina sí muestran fotorrespiración. Las plantas C-4, en las células del mesófilo no tienenRuBisCO, y la enzima carboxilante que poseen (PEP carboxilasa) no cataliza ningúnproceso que consuma O2. En las células de la vaina, más internas y donde sí se encuentraRuBisCO, la presión parcial de O2 será baja y éste difícilmente podrá competir con elCO2 en el centro activo de la enzima, tanto como en células fotosintéticas C-3.

Las plantas CAM presentan las enzimas y estructuras necesarias para lafotorrespiración, y es muy probable que fotorrespiren, aunque el hecho de que losestomas estén cerrados cuando la planta se ilumina puede reducir el efecto del O 2 atmosférico. Por lo que es difícil determinar la presencia, o no, de fotorrespiración.

PUNTOS DE COMPENSACIÓN

En una atmósfera cerrada, en ausencia de CO2, las hojas producen CO2 yconsumen O2 por respiración mitocondrial y por fotorrespiración. Cuando aumenta laconcentración de CO2, la activación del proceso fotosintético da lugar a un consumo delmismo.

La velocidad de la fotosíntesis aumenta con la concentración de CO2. Laconcentración de CO2 necesaria para que se equilibre la velocidad de producciónrespiratoria de CO2 con la de su consumo fotosintético, se conoce como punto de

compensación. El punto de compensación depende de la concentración de O2, latemperatura y la intensidad luminosa. El punto de compensación para las plantas C-3 sesitúa entre 30 y 70 ppm de CO2 en una atmósfera con 21% de O2. Las plantas C-4, alcarecer de fotorrespiración, muestran puntos de compensación más bajos, entre 0 y 10ppm de CO2.

Existe también un punto de compensación luminosa: intensidad de iluminaciónpara la que se equilibran fotosíntesis y respiraciones foliares. En este caso, las plantas C-4alcanzan su punto de compensación antes que las C-3. La luz también activa la

fotorrespiración en plantas C-3, por lo que éstas requerirán más luz para el punto decompensación.




Las plantas C-4 alcanzan la saturación de la velocidad de fotosíntesis, conconcentraciones de CO2 más bajas y con intensidades luminosas más altas que las C-3.

FOTOSÍNTESIS TOTAL Y NETA

La fotosíntesis total (FT) representa la cantidad total de fotoasimilados producida,o la cantidad total de CO2 absorbida en fotosíntesis. La diferencia entre la fotosíntesistotal y la fotorrespiración (FR) es la fotosíntesis neta (FN):

FN = FT – FRcomo FR = ¼ FT:

FN = FT – ¼ FT = ¾ FTpor lo tanto, FN = 3 FR

FACTORES QUE REGULAN LA FOTOSÍNTESISY EL RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO

1. Influencia de la luz: del total de luz fotosintéticamente activa que llega a unahoja se absorbe el 85%. Del total de energía que absorbe una hoja un 95% sepierde como calor, de modo que, como máximo, solo un 5% es utilizado enfotosíntesis.

Plantas de sol y plantas de sombra: las plantas de sombra tienen tasasfotosintéticas muy bajas en iluminación intensa, en comparación con otrasque aumentan considerablemente al aumentar la intensidad luminosa.Además, estas plantas alcanza la saturación de luz mucho antes, mientras

que con valores muy bajos llegan al punto de compensación y aintensidades luminosas bajas presentan una tasa fotosintética mayor quelas especies con mayor valor del punto de compensación. Las plantas desombra pueden crecer en lugares con muy baja intensidad luminosa, dondeotras plantas con mayor punto de compensación no podrían.

Esta situación también puede darse entre hojas de una mismaespecie (hojas de sol y de sombra). Las hojas de sombra tienen mayor áreay son más delgadas que las de sol, y tienen más células en empalizada yéstas son más largas, y tienen más clorofila, pues sus cloroplastos poseenmás grana que los de las hojas de sol. Su contenido en proteínas delestroma es menor, por lo que las hojas de sombra favorecen la biosíntesis

de pigmentos captadores de energía. Intensidad luminosa: conforme aumenta la intensidad luminosa aumenta

el valor de la tasa fotosintética, hasta que se alcanza la saturación. El puntode compensación a la luz varía en función de diversos factores: contenidoen clorofila, grosor de la hoja, apertura estomática, tasa de respiración ofotorrespiración… Con luz muy intensa se inhibe la fotosíntesis por cierrede estomas o por respiración acelerada. La luz muy intensa puede producirun aumento de la transpiración y, por tanto, una pérdida de la turgencia ycierre de los estomas. Además, se calientan las hojas produciendo unaumento de la respiración, e incluso pueden inactivarse las enzimas. Lafotooxidación de la clorofila producida por iluminación intensa se debe ala excitación excesiva de las moléculas de clorofila que no pueden cederelectrones a la cadena transportadora, pues ésta no puede aceptar más, y




hay una decoloración de la hoja. Sin embargo, los carotenoides protegen ala clorofila frente a la inactivación por luz.

Las hojas pueden responder al exceso o escasez de luz dedicando elnitrógeno a la síntesis de unas proteínas u otras. En iluminación pobre laplanta necesita absorber más luz y, por tanto, sintetizará más proteínas

tilacoidales asociadas a las clorofilas. En cambio, en iluminación intensase destina más proteínas a la cadena trasportadora de electrones y a lasproteínas solubles. En resumen, a elevada irradianza aumenta la tasa detransporte de electrones por unidad de clorofila, disminuye la relaciónentre clorofila y proteínas solubles, y la relación entre clorofila a y b.

Duración de la iluminación: la iluminación continua, a intensidad porencima del punto de saturación, afecta a la fotosíntesis, pero por debajo delpunto de saturación no hay daño aparente. La influencia de la luz continuadepende de las radiaciones UV, si se eliminan estas radiaciones elcrecimiento es normal.

2. Influencia del CO2: las plantas terrestres están adaptadas a realizar la fotosíntesisen una baja relación CO2 /O2, por este motivo la RuBisCO tiene una granespecificidad para el CO2, y ha desarrollado mecanismos para recuperar el C y Nfotorrespiratorio. Las plantas C-3 no se saturan a la concentración actual de CO2,que es una concentración baja, pero doble de la que había al final de la últimaglaciación, y se han adaptado a esta situación con una disminución de la densidadestomática. Si se duplicara la concentración actual de CO2 se reduciría lainhibición de RuBisCO por el O2 y la fotorrespiración disminuiría a la mitad, sereduciría la conductancia estomática y aumentaría la eficiencia en el uso del aguay disminuiría la respiración oscura. Excepto cuando los estomas se cierran, comopuede ser a causa de una sequía, un aumento de la concentración de CO

2en el aire

viene acompañado de un aumento de la fotosíntesis. A concentraciones superioresa 10.000 ppm algún proceso sufre un bloqueo que acarrea una disminución de lafotosíntesis.

Las bajas concentraciones de CO2 influyen negativamente sobre lafotosíntesis, afectan mucho más a las plantas C-3. Se producen situaciones dedeficiencia de CO2 cuando las hojas están expuestas a una luz intensa y no haycorrientes de aire, ya que la capa de aire limitante ofrece gran resistencia a ladifusión.

3. Influencia de la temperatura: los límites de temperatura entre los que una planta

puede realizar la fotosíntesis oscilan entre 25 y 35 ºC. Las plantas C-4 tienen unóptimo de temperatura más alto que las de tipo C-3. La temperatura afecta a lasreacciones bioquímicas que llevan a la reducción del CO2 con lo que, al aumentarla temperatura, aumenta la tasa de fotosíntesis hasta el cierre de los estomas o ladesnaturalización de las proteínas. Sin embargo, al aumentar la temperatura,aumenta la respiración y aún más la fotorrespiración. Por otra parte, lastemperaturas altas afectan a la apertura de los estomas y a la solubilidad del O 2,que aumenta más que la del CO2, haciendo que no se sienta la influencia de latemperatura sobre la tasa de fotosíntesis entre los 15 y 25 ºC.

4. Influencia del O2: la inhibición de la fotosíntesis por el O2 se conoce como efecto

Warburg. Este efecto es anulado en parte por el CO 2 de tal manera que, si laconcentración de CO2 aumenta, el efecto inhibidor es menor.




5. Influencia del H2O: para penetrar en la hoja el CO2 necesita que los estomasestén abiertos, regulando dicha apertura el contenido en agua de las células deguarda, de modo que una disminución del contenido de agua cerrará los estomas ydisminuirá la fotosíntesis. La sequía afecta más a las resistencias internas a la

difusión del CO2 que a la difusión a través del estoma propiamente.

6. Control metabólico de la fotosíntesis: hay moléculas modificadoras, como losadenín nucleótidos, que actúan modificando ciertas enzimas al alterar suconformación proteica y, como consecuencia, variando su afinidad por el sustrato.La fijación de CO2 es inhibida por AMP, probablemente por inhibición de lareacción de la ribulosa-5-P kinasa. Además, la luz puede estimular ciertasreacciones enzimáticas asociadas con la fotosíntesis, como la catalizada por laRuBisCO o la fosfopiruvato sintetasa.

7. Transporte de hidratos de carbono: la tasa con que se movilizan los productos

de la fotosíntesis también puede ser un mecanismo de control interno. Al eliminaralguno de los sumideros de la planta (tubérculos o frutos) se inhibe la fotosíntesisen las hojas próximas al órgano eliminado.

8. Influencia de los nutrientes: la fotosíntesis produce el 90-95% del peso seco deuna planta y el 5-10% restante lo constituyen las cenizas y el nitrógeno. Por tanto,las deficiencias minerales, bien directa o indirectamente, afectan a la fotosíntesis.El primer síntoma de cualquier deficiencia es la pérdida de clorofila. Ladeficiencia de nitrógeno causa una disminución en la tasa de asimilación de CO 2.

9. Edad de la hoja: la capacidad de fotosíntesis de una hoja aumenta al irdesarrollándose la nueva hoja, hasta que alcanza la madurez y la tasa fotosintéticacomienza a disminuir. Las hojas viejas pierden su clorofila y, con ello, lacapacidad de fotosíntesis.

10. Regulación genética: existen mutantes con alteraciones en la estructura delcloroplasto, en la síntesis de clorofila y en la de los carotenoides, así como en lacadena de transporte electrónico y en enzimas del ciclo de fijación del CO2.También se han obtenido híbridos con mayor tasa fotosintética. Con la mejoragenética se busca una disminución de la fotorrespiración y un aumento del númerode estomas y de su apertura, con el fin de aumentar la productividad de la planta.

VALORES DE LA FOTOSÍNTESIS EN LA NATURALEZA

La eficiencia de la fotosíntesis es, como máximo, del 22% en el margen de la luzvisible. Este rendimiento solo se consigue a intensidades luminosas relativamente bajas,nunca con luz intensa. Muchas plantas solo aprovechan entre el 1 y el 2% de la luzfotosintéticamente activa a lo largo de toda su época de crecimiento almacenándolo enforma de hidratos de carbono.

Las plantas respiran durante las 24 horas del día y la fotosíntesis solo afecta a unaparte de ese ciclo, produciéndose una pérdida de la energía almacenada que es empleada

en hacer funcionar una serie de procesos metabólicos.




NUTRICIÓN MINERAL

CONCEPTO DE NUTRICIÓN

La nutrición mineral de las plantas es la parte de la Fisiología Vegetal que

estudia los procesos relacionados con la adquisición de los elementos minerales y el papel

que estos elementos desempeñan en la vida de las plantas.

COMPOSICIÓN DE LAS PLANTAS Y ELEMENTOS ESENCIALES

Entre el 90 y el 95% del peso seco de una planta (15% del peso fresco) está

constituido por tres elementos procedentes del aire y del agua: carbono (C), hidrógeno

(H) y oxígeno (O); el resto del material seco constituye el contenido mineral, que toma laplanta del suelo.

De todos los elementos químicos que toma la planta, algunos serán esenciales para

su nutrición mientras que otros no. Los elementos esenciales deben cumplir las

siguientes características:

En ausencia del elemento la planta no puede completar su ciclo biológico.

Su acción es específica, es decir, no puede ser sustituido totalmente por otro

elemento.

El elemento debe estar implicado directamente en la nutrición de la planta, bien

como constituyente de un metabolito esencial, o para el funcionamiento de una

enzima.

Además del C, H y O, hay otros 13 elementos esenciales para el desarrollo de la

planta. Estos elementos esenciales pueden subdividirse en:

Macronutrientes: son requeridos por la planta en grandes cantidades. Son el

nitrógeno (N), fósforo (P), potasio (K), azufre (S), calcio (Ca) y magnesio (Mg).

Micronutrientes: se requieren en bajas concentraciones. Son el cloro (Cl), boro

(B), hierro (Fe), manganeso (Mn), zinc (Zn), cobre (Cu) y molibdeno (Mo).

DISOLUCIONES NUTRITIVAS

El principal medio mineral de las plantas es el suelo, pero es un medio muy

heterogéneo. En cambio, las soluciones nutritivas representan un medio excelente para

regular la cantidad y la proporción relativa de las sales minerales suministradas a las

plantas en cualquier experimento. No existe una solución nutritiva óptima, ya que para

una misma especie una solución nutritiva puede ser optima, o no, dependiendo, por

ejemplo, de la estación del año.

En todas las soluciones se suministran siempre tres macronutrientes en forma de

cationes: potasio (K+), calcio (Ca

2+) y magnesio (Mg

2+); y tres en forma aniónica:

nitrato (NO3 –

), fosfato (PO43−

) y sulfato (SO42 –

). Además, debe proporcionarse también

una solución de micronutrientes.

El pH de las soluciones del suelo oscila entre valores inferiores a 4 (en los suelos

más ácidos) y superiores a 8 (en los más alcalinos), aunque la mayoría de las plantas solo




presentan un crecimiento aceptable para valores de pH entre 5 y 7. El pH de estas

soluciones es importante porque ejerce una influencia considerable en la solubilidad de

varios componentes. A pH alto ciertos elementos como Fe3+

, Cu2+

, Zn2+

o Mn2+

dejan de

ser asequibles para la planta, el problema se resuelve si son añadidos como sales del

agente quelante EDTA.

Quelato metal-EDTA:

Otro aspecto importante es el potencial osmótico de las soluciones nutritivas:

cuanto mayor sea la concentración de solutos, menor será el potencial hídrico del agua en

la que están disueltos, esto quiere decir que la tendencia del agua a difundir disminuye

por la presencia de solutos.

REQUERIMIENTOS CUANTITATIVOS

En lascurvas de cosecha

, que estudian las relaciones cuantitativas entre elsuministro de sales minerales y el crecimiento de una planta, se pueden distinguir tres

fases:

Fase de deficiencia, que cuando es muy acusada va acompañada de síntomas

patológicos.

Fase óptima, en la cual el crecimiento es máximo.

Fase de toxicidad, debida a que un exceso del elemento provoca una disminución

del crecimiento.

La ley del mínimo dice que el rendimiento de una cosecha siempre depende del

elemento nutritivo más débilmente representado. Por lo tanto, un aporte mineral es más

eficaz cuanto más acusada sea la carencia en ese elemento. Es decir, cuanto más seacerque la curva de acción a la fase óptima menos eficaz será un aporte mineral desde el

punto de vista del crecimiento. Esto es lo que se conoce como Ley de Mitscherlich, o ley

Concentracióncrítica

Óptima

Concentración→

C r e c i m i e n t o

→




de asimilación decreciente. En la fase óptima, de nada sirve aumentar la dosis del

elemento, y se habla de concentración crítica cuando se alcanza una concentración que

aunque se siga aumentando no se observa ningún incremento. Matemáticamente, la Ley

de Mitscherlich se expresa como:

C Y A x

y

)(

donde: ∂ y es el rendimiento resultante del incremento en un elemento dado (∂ x), A es el

rendimiento máximo posible, Y es rendimiento obtenido después de aplicar una cantidad

determinada del elemento x, y C es la constante de acción (varía con la naturaleza del

elemento).

DEFICIENCIAS MINERALES

Se considera que una planta es deficiente en un elemento cuando su concentración

en los tejidos cae por debajo de los niveles que permiten un crecimiento óptimo. Una

deficiencia puede desarrollarse cuando la concentración del elemento en cuestión en elsuelo o en la solución nutritiva es baja, o bien si el elemento está presente en una forma

química que no puede ser utilizada por la planta. A veces, puede también desarrollarse

una deficiencia debido a los efectos antagónicos entre distintos elementos, de tal forma

que la presencia de un elemento en una determinada concentración puede impedir la

absorción de otro. Cuando un tejido es deficiente en un elemento esencial, se producen

una serie de alteraciones metabólicas que pueden retrasar o interrumpir los procesos de

crecimiento y desarrollo.

Una observación muy importante al emitir un diagnóstico es si los síntomas

aparecen primero en las hojas jóvenes o viejas, ya que esto nos puede dar idea sobre la

movilidad o inmovilidad del elemento dentro de las plantas. Si durante el crecimiento se

manifiesta una carencia, los elementos móviles presentes en las hojas viejas se desplazan

a los meristemos, apareciendo los síntomas primero en las hojas viejas, mientras que los

inmóviles permanecen fijos en ellas apareciendo los síntomas primero en las hojas

jóvenes.

Elementos móviles, los síntomas aparecen primero en las hojas viejas:

Nitrógeno: la clorosis aparece primero en las hojas viejas, pero en casos de

extrema deficiencia todas las hojas aparecen amarillas.

Fósforo: las hojas adquieren un color púrpura o verde-azulado. Se reduce el

crecimiento de la planta, y puede llegar a presentar un aspecto achaparrado.

Potasio: moteado de manchas cloróticas seguido por desarrollo de zonasnecróticas en la punta y los bordes de las hojas. Plantas con aspecto achaparrado.

Magnesio: clorosis intervenal en las hojas, primero en las hojas maduras.

Concentración→

C r e c i m i e n t o o r e n d i m i e n t o → A

Y

X




Elementos inmóviles, los síntomas aparecen primero en las hojas jóvenes:

Calcio: las regiones meristemáticas de tallos, hojas y raíces pueden acabar

muriendo, cesando el crecimiento de estos órganos. Malformaciones en las hojas

jóvenes, adquieren forma de gancho en la punta. Las raíces pueden acortarse,

siendo más susceptibles a la infección de bacterias y hongos. Azufre: clorosis generalizada, primero en las hojas jóvenes.

Hierro: clorosis general en las hojas jóvenes, que puede comenzar como

intervenal, pero al cabo de un tiempo también los nervios acaban perdiendo la

clorofila.

Manganeso: clorosis intervenal, pudiendo aparecer también manchas necróticas

en las hojas.

Zinc: clorosis localizada entre los nervios de las hojas más viejas, que se suele

iniciar en el ápice y en los bordes. Hojas más pequeñas y entrenudos más cortos.

Planta con aspecto de roseta o achaparrado.

Cobre: necrosis en el ápice de las hojas jóvenes que progresa a lo largo del

margen foliar, pudiendo quedar los bordes enrollados. Cloro: marchitamiento de las hojas.

Boro: muerte de los ápices de hojas y tallos, las hojas presentan una textura dura y

cobriza y los tallos aparecen agrietados. Las flores no llegan a formarse.

Molibdeno: clorosis intervenal, las zonas cloróticas pueden necrosarse. Si llegan

a formarse flores, se caen antes de producir fruto.

ELEMENTOS TÓXICOS

Salinidad: la sal restringe el crecimiento de las plantas más que ninguna otrasustancia inhibidora de las que pueden encontrarse en condiciones naturales. Las plantas

de ambientes salinos sufren un perjuicio directo causado por las concentraciones elevadas

de cloruro sódico y un perjuicio indirecto causado por los potenciales osmóticos tan bajos

que se crean en el suelo, debido a la elevada concentración de solutos. Esto último, obliga

a las plantas halófitas a mantener potenciales osmóticos intracelulares aún más bajos que

los del suelo, y lo consiguen tomando sales del suelo o produciendo intracelularmente

elevadas concentraciones de sacarosa, glicerol-manitol, y otros compuestos solubles, de

este modo se facilita la entrada de agua a la célula.

Calcio y pH: los suelos ricos en carbonato cálcico y, por tanto, con un pH

elevado, tienen menos flora que los suelos ácidos. Las plantas calcícolas toleran niveleselevados de calcio, y presentan grandes cantidades de calcio intracelular en forma de

malato cálcico; las especies calcífugas tienen baja tolerancia al calcio, y la clorosis que

sufren se debe a una deficiencia en hierro, ya que la concentración de hierro en suelos

calcáreos es muy baja.

Metales pesados: numerosas plantas han desarrollado mecanismos que les

permiten tolerar niveles presumiblemente tóxicos de metales pesados (Zn, Pb, Ni, Cr, Cu,

Co). La tolerancia metálica suele ser muy específica, plantas que son tolerantes a un ion

no suelen serlo a otros. Las plantas tolerantes acumulan los metales en las paredes

celulares, sintetizan agentes quelantes que forman complejos con los metales pesados de

forma que los transforman en inocuos, reducen los sistemas de transporte, bombeanactivamente los iones hacia el exterior o los almacenan en la vacuola.




ASIMILACIÓN DEL NITRÓGENO

LAS PLANTAS Y EL CICLO DEL NITRÓGENO

La fuente más abundante de nitrógeno es la atmósfera, en donde se encuentra enforma de gas N2 en una proporción del 80%. Las plantas son incapaces de incorporar esteN2 gas, más bien, la planta capta el nitrógeno del suelo, por absorción por las raíces enforma iónica, preferentemente como nitrato (NO3

– ), y menos frecuentemente comoamonio (NH4

+). El NO3 – del suelo es la fuente principal de nutrición del nitrógeno para

las plantas, en donde, en gran parte, experimenta un proceso de reducción asimiladora deNO3

– a NH4+, ligado al proceso fotosintético.

Los microorganismos participan en la fijación biológica del nitrógeno, ya sea enforma libre o en simbiosis con plantas, y en los procesos de descomposición de la materiaorgánica y de oxidación del NH

4

+ a NO3

– por las bacterias nitrificantes.

FIJACIÓN BIOLÓGICA DEL NITRÓGENO EN LEGUMINOSAS, MECANISMOS

Las leguminosas son responsables de la fijación simbiótica de 8 × 107 toneladasde nitrógeno al año, por medio de simbiosis con la bacteria Rhizobium. Los rizobios seagrupan en las raíces de las leguminosas formando nódulos. Existe una estrechaespecificidad entre la planta y el rizobio. El establecimiento de la simbiosis es un procesocomplejo que comporta una estrecha relación entre el microsimbionte (procariota) y laplanta (eucariota). Se pueden considerar tres fases sucesivas: 1) reconocimiento celular,2) infección y 3) establecimiento de la simbiosis. El sistema de señales es mutuo tanto

para la atracción quimiostática de los microorganismos como en el sistema dereconocimiento o de especificidad.




Rizobio Planta Rhizobium meliloti Alfalfa Rhizobium leguminosarum Judía Rhizobium trifolii Trébol

Rhizobium leguminosarum biovar viceae Guisante, haba Rhizobium japonicum Soja

Las raíces de la planta liberan a la rizosfera moléculas aromáticas de tipoflavonoide que hacen que los rizobios sean atraídos químicamente hacia la región apicalde los pelos radicales.

Esto hace que, en el rizobio, se activen los genes nod responsables de la infección

y la nodulación, que producen factores NOD. Los factores NOD pueden ser reconocidosen la membrana plasmática de la célula vegetal por un receptor de membrana de tipoproteinquinasa, como consecuencia de este reconocimiento se activan canales de Ca2+ demembrana y de plastidio, y los niveles de Ca2+ aumentan en el interior del citoplasma. Estas modificaciones en los niveles iónicos de la célula son los responsables de inducir ladespolarización de la membrana de los pelos radicales, y como consecuencia se induce laexpresión de genes de la nodulación en la planta, que producen nodulinas (proteínas ricasen hidroxiprolina), y de genes que codifican para la biosíntesis de hormonas vegetales.Todo esto, hace que se produzcan una serie de cambios morfológicos y fisiológicos en lospelos radicales.




El pelo radical se invagina y se forma un tubo de infección por el que entran losrizobios hasta las células corticales de la raíz. El tubo de infección es una estructuratubular que se forma con material de la pared del pelo radical, previniendo de esta manerael contacto directo entre el citoplasma de la célula vegetal y el rizobio, y en consecuencia,la respuesta de defensa de la planta. Cuando los rizobios llegan al final del tubo deinfección son exocitados del tubo y al mismo tiempo son endocitados por las célulasvegetales, de modo que los rizobios quedan rodeados por una membranaperibacteriana, formando así el simbiosoma. Al principio, el rizobio puede dividirsedentro de la planta, pero con el tiempo el microorganismo adquiere formas aberrantes(forma de “Y”), deja de poder dividirse y comienza a fijar nitrógeno (se encuentra en

estado bacteroide, dentro del simbiosoma).




Los bacteroides contienen la enzima nitrogenasa necesaria para la fijación del N2.Y las células hospedadoras activas simbióticamente forman leghemoglobina, responsabledel color rosado de los nódulos.

La planta exporta al bacteroide disacáridos, monosacáridos y ácidos carboxílicos(pirúvico, málico y succínico), y el bacteroide exporta a la planta NH3, además, el

bacteroide almacena almidón y ácido β-polihidroxibutírico.

La fijación biológica del N2 ocurre gracias a la enzima nitrogenasa, en un procesoque requiere poder reductor y energía en forma de ATP según la reacción:

La energía mínima que se necesita es de 16 moles de ATP por mol de N 2, pero elconsumo real de ATP es mayor.

La nitrogenasa consta de 2 sistemas proteicos: el componente I (nitrogenasapropiamente dicha) es una Mo-Fe-proteína formada por 4 subunidades proteicas

agrupadas en dos pares, el componente II (nitrogenasa reductasa) es una Fe-proteína constituida por 2 subunidades iguales. Las necesidades energéticas de la nitrogenasa sonllenadas por el ATP y el poder reductor proviene de la ferredoxina (o flavodoxina, segúnel organismo). En las plantas, la fotosíntesis suministra este aporte energético y reductor.La nitrogenasa se inactiva por O2. El H2 inhibe la reducción del N2 por competir con él, yel NH3 y NO3

– inhiben la acción de la nitrogenasa y la nodulación.

Entre los genes nodulina hay uno que codifica para la leghemoglobina, la cual

está formada por una parte hemo que produce la bacteria y una parte proteica que generala planta. La leghemoglobina se inserta en la membrana peribacteriana, actuando comouna permeasa de oxígeno, haciendo que dentro del simbiosoma haya niveles bajos de O 2,de modo que la nitrogenasa pueda fijar el N2 atmosférico.

REDUCCIÓN ASIMILADORA DE NITRATOS

Aunque la mayoría de las plantas carecen de la capacidad de aprovechardirectamente el N2 atmosférico, sí son capaces de reducir el nitrato (la principal forma deabsorción de nitrógeno en las raíces) hasta NH4

+ y de incorporarlo a la materia orgánica(aminoácidos, ácidos nucleicos, alcaloides, etc.). El proceso de reducción asimiladorade nitratos requiere 8 electrones, en dos pasos enzimáticos sucesivos:

Nitrogenasa

N2 + 16 ATP + 8 e –

+ 8 H+

2 NH3 + 16 ADP + 16 Pi + H2




Además, la absorción del nitrato es un proceso activo en cotransporte con 2 H+.

La asimilación del NH4

+

a materia orgánica para formar aminoácidos y derivadosnitrogenados está acoplada a una necesidad energética (ATP y poder reductor). Ambosprocesos pueden ocurrir tanto en las células de la raíz como en la hoja, y los plastidios sonel lugar central de la mayoría de estos procesos.

La ruta global del nitrógeno en la planta implica diversos mecanismos. Absorciónactiva por las raíces del nitrato, compartimentación reversible en las vacuolas, posiblereducción a nitrito en citosol, con posterior reducción y asimilación en los plastidios, otransporte como nitrato por el xilema hacia las hojas. En las hojas ocurre la reducción yasimilación fotosintética de los nitratos. En el caso de asimilación en raíz, losaminoácidos formados son transportados también por el xilema. En las células de la hojahay también un transporte reversible de nitrato entre citosol y vacuola. Una vez formados

los aminoácidos, éstos se distribuyen por la planta en forma de glutamina y asparraginapor el floema.

Nitrato reductasa Nitrito reductasa

NO3 –

NO2 –

NH3

2 e –

6 e –

Vacuola

NO3 –

NO3 –

NO2 –

NO2 –

NH4+ aá

aá

Vacuola

Cloroplasto

Citosol

F l o e m a

X i l e m a

NO3 –

aá

aá

NH4+ aá

Plastidio

NO3 –

Citosol

Hoja

Raíz

NO3 –

NO3 –




Reducción del nitrato a nitrito en el citosol. La nitrato reductasa (NR) es unametaloenzima que utiliza el NADH o NADPH como dador de electrones. Es unhomodímero (subunidades de 1000 aminoácidos), en su estructura proteica se distinguentres dominios que corresponden a FAD, hemo-Fe del tipo citb557 y Mo-pterina unidoscovalentemente a las subunidades. El FAD tiene de 260 a 265 aminoácidos y un potencial

redox de -272 mV, el cofactor hemo-Fe tiene 75-80 aminoácidos y un potencial redox -160 mV y la Mo-pterina tienen 360-370 aminoácidos y -10 mV de potencial redox.

La nitrato reductasa se localiza en el citosol, tanto en raíz como en parte aérea,según la planta. En plantas C-4 se encuentra en las células del mesófilo (no de la vaina).

En la regulación de la nitrato reductasa interviene el control transcripcional y elcontrol post-traduccional. El control transcripcional facilita la respuesta a largo plazo(horas-días): altos niveles de NO3

– , citoquininas, sacarosa o luz inducen la expresión delgen de la nitrato reductasa; mientras que altos niveles de glutamina o bajos de NO 3

– inhiben la expresión del gen. El control post-traduccional produce cambios rápidos(minutos) en la actividad de la enzima: altos niveles de CO2 y luz aumentan la actividadde la nitrato reductasa, mientras que niveles bajos de CO2 y O2 reducen la actividad.

La nitrato reductasa presenta una forma activa (desfosforilada) y otra inactiva(fosforilada) reguladas por procesos de fosforilación/desfosforilación sobre un residuo deserina. Una nitrato reductasa kinasa inactiva la enzima, y una fosfatasa la activa.

Reducción del nitrito a amonio en los plastidios. El NO2 – es ácido, y si se

acumulara en altas concentraciones acidificaría el compartimento, por este motivo es

necesario que se reduzca a NH3. La nitrito reductasa (NiR), de localizaciónexclusivamente plastidial, cataliza la reducción de nitrito a amonio en un paso querequiere 6 electrones. En la planta, la enzima utiliza el poder reductor de la ferredoxina fotosintética, y más raramente el NADPH. Posee dos intermediarios en la cadena detransporte electrónico desde la ferredoxina al NO2

– que son un centro 4Fe-4S y elsirohemo.

El amonio despolariza las membranas y, entre otros problemas, hace que no tenga lugar el

gradiente electroquímico de protones, por lo que su concentración debe mantenerse baja.

Asimilación del amonio en plantas. La asimilación del amonio ocurre en losplastidios, fundamentalmente por la operación conjunta de las enzimas glutaminasintetasa y glutamato sintasa. La glutamina sintetasa (GS) tiene una elevada afinidad porel NH4

+ (Km = 3-5 μM), está codificada en varios genes nucleares, la expresión de losgenes es dependiente del tejido: en raíz opera la isoenzima citosólica (GS1) mientras queen hojas es abundante la isoenzima plastidial (GS2). Esta enzima cataliza la reaccióninicial de incorporación de NH4

+ al glutamato, por un proceso de amidación que requiereATP:

NAD(P)H Nitrato reductasa NO3 – + 2 H+

→ FAD → citb557 → Mo-pterina →

NAD(P)+

NO2 –

+ H2O

6 Fdred Nitrito reductasa NO2 –

+ 8 H+

→ 4Fe-4S → Sirohemo →

6 Fdox NH3 + 2 H2O

Glutamina sintetasaNH3 + Glutamato + ATP Glutamina + ADP + Pi




La glutamina pasa a ser el sustrato de la glutamato sintasa, o glutamina: 2-oxoglutaratoaminotransferasa oxidorreductasa NADP (ferredoxina), (GOGAT, abreviadamente). Estaenzima se presenta en dos formas distintas en los tejidos vegetales, en los tejidos noverdes está ligada a NAD(P)H, pero en los tejidos fotosintéticos la Fdred es el donador deelectrones.

Una vez sintetizados la glutamina y el glutamato, se puede formar aspartato,alanina y otros aminoácidos por transaminación del grupo amino desde el glutamato adistintos cetoácidos, en reacciones catalizadas por aminotransferasas específicas. Así, laaspartato aminotransferasa (ASAT, antes conocida como glutamato-oxalacetatotransaminasa: GOT) cataliza la reacción de transferencia del grupo amino al oxalacetatodesde el glutamato:

La forma mayoritaria de transporte de los componentes nitrogenados es glutamato,aspartato, glutamina y asparragina. La síntesis de esta última ocurre por la asparraginasintetasa, a partir de glutamina:

En el guisante 32 de 100 átomos de C fijados en fotosíntesis van al nódulo, y deéstos, 15 C vuelven como nitrógeno orgánico (amidas: glutamina y asparragina; yureidos: alantoína y ácido alantóico) a la planta. En las plantas tropicales la formamayoritaria de transporte es por ureidos (relación N:C más alta que en aminoácidos yamidoácidos). La síntesis de los ureidos no ocurre en el simbiosoma, sino en las célulasintersticiales vecinas. Una vez transportados estos ureidos (vía xilema), suaprovechamiento es por degradación a urea y NH4

+.

Glutamina Asparragina Alantoína Ácido alantóico

Las plantas disponen de otro sistema enzimático, además del sistema GS/GOGAT,de asimilación del NH4

+ a materia orgánica: la glutamato deshidrogenasa (GDH),dependiente de NAD(P)+, que cataliza la siguiente reacción reversible:

Su localización es tanto cloroplástica (dependiente de NADP+) como mitocondrial ycitosólica (dependiente de NAD+). Tiene baja afinidad por el NH4

+.

Glutamato sintasaGlutamina + 2-oxoglutarato + NADPH Glutamato + NADP

+

o o

Fdred Fdox

ASATOxalacetato + Glutamato Aspartato + 2-oxoglutarato

Asparragina sintetasa

Aspartato + Glutamina + ATP Asparragina + Glutamato + AMP + PPi

GDH

2-oxoglutarato + NH4+

+ NAD(P)H Glutamato + NAD(P)+

+ H2O




Localización de la asimilación del amonio en planta. La incorporación del NH4+

a los compuestos orgánicos ocurre tanto en las raíces como en los tejidos con capacidadfotosintética. En los dos casos los plastidios (leucoplastos y cloroplastos,respectivamente) son el centro metabólico y energético.

En los nódulos radiculares, el bacteroide lleva a cabo la reducción del N 2 a NH4+,mientras que el sistema GS/GOGAT opera en la célula vegetal del simbiosoma. Suexportación a la planta es mayoritariamente en forma de glutamina y asparragina, por elxilema.

En la fotorrespiración, en la mitocondria, se produce gran cantidad de NH3 en lasíntesis de glicina → serina, la asimilación de este amonio ocurre por GS/GOGAT.

Regulación de la reducción asimiladora de nitratos: Altos niveles de glutámico inhiben la acción de la glutamina sintetasa. Altos niveles de nitrato inhiben a la nitrato reductasa, y activan a las permeasas de

nitrato.

OTRAS FORMAS DE NUTRICIÓN NITROGENADA EN PLANTAS

Las plantas carnívoras obtienen el nitrógeno, además de otros minerales, de lapresa animal. Estas plantas crecen generalmente en lugares donde el suelo es pobre ennitrógeno, como las tierras ácidas pantanosas. Las plantas carnívoras atrapan a losinsectos, y a otros animales de pequeño tamaño, mediante hojas modificadas, que puedenser hojas móviles o inmóviles. Dentro de las especies con hojas móviles destacan:

Drosera spp., cuyas hojas se enrollan para impedir que la presa escape, en las superficie

de las hojas tienen glándulas mucilaginosas que secretan enzimas digestivas; en el caso de Brocchinia reducta solo se enrolla el extremo de la hoja; Dionaea muscipula (Venusatrapamoscas) tiene unas hojas cuya porción terminal está divida en dos lóbulos dentadosque contiene tres pequeños pelos sensitivos, y cuando la presa contacta con un pelo yseguidamente con otro pelo distinto, los dos lóbulos se cierran. Otras plantas carnívorasatrapan a los insectos de forma pasiva: Nepenthes spp. (plantas jarra) desarrolla en elextremo de las hojas una trampa en forma de jarra que segrega un néctar azucarado queatrae al insecto, al caer el insecto será degradado por las enzimas digestivas del interior dela jarra; Sarracenia spp. (plantas trompeta) tiene hojas que forman un túnel y queproducen enzimas para digerir a la presa, los insectos son atraídos por la secreción denéctar así como por una combinación de olores y colores.




REDUCCIÓN ASIMILADORA DEL SULFATO

ABSORCIÓN Y TRANSPORTE DEL SULFATO POR LAS PLANTAS

La raíz es el órgano principal de absorción de los sulfatos (SO4=). Tanto el

plasmalema como el tonoplasto disponen de transportadores específicos, el sulfato entra

activamente a las células de la raíz por permeasas, y es transportado a través del xilema

hasta las hojas, el exceso puede almacenarse en las vacuolas. En la hoja tiene lugar la

reducción asimilativa del sulfato, ligado a la fotosíntesis. La redistribución del azufre

asimilado se realiza por el floema hacia los órganos sumideros de la planta.

ACTIVACIÓN Y REDUCCIÓN ASIMILADORA DE SULFATOS

El sulfato es un compuesto relativamente poco reactivo, por ello se requiere

previamente su activación biológica. En primer lugar, el sulfato reacciona con el ATP

para formar adenosina-5′-fosfosulfato (APS), en una reacción catalizada por la enzima

ATP sulfurilasa:

esta reacción es reversible y está fuertemente desplazada hacia la izquierda, pero

el pirofosfato producido es hidrolizado por la pirofosfatasa inorgánica, de modo que se

favorece el equilibrio hacia la derecha, es decir, hacia la formación de APS. La APS es la

forma de sulfato activo para las plantas.

La ATP sulfurilasa es una enzima tetramérica (50 kDa cada subunidad) que

aparece en hojas y raíz, se presenta en dos isoformas: una cloroplástica (mayoritaria,

representa el 90% del total) y otra citosólica (minoritaria y de función desconocida).

La reducción asimiladora del sulfato, como en el caso de la reducción

asimiladora del nitrato, requiere de dos pasos de reducción con 2 y 6 electrones,

respectivamente:

Reducción del sulfato a sulfito: la APS sulfotransferasa cataliza la transferencia

del sulfato del APS a un portador tiol endógeno (glutatión u otro compuesto), formando

así sulfito:

ATP sulfurilasa PirofosfatasaATP + SO4

= APS + PPi 2 Pi

H2O

2 e –

6 e –

SO4=

SO3=

S=

sulfato sulfito sulfuro




donde: G: glutatión, S: azufre; GSH: glutatión reducido, GS: glutatión oxidado.

Reducción del sulfito a sulfuro: la sulfito reductasa cataliza la reducción del

sulfito libre a sulfuro libre, y usa a la ferredoxina reducida como dador de electrones:

La sulfito reductasa tiene localización plastidial, y está formada por 2 o 4 subunidades

idénticas (65-70 kDa), cada subunidad en su extremo C-terminal tiene un sirohemo y un

centro 4Fe-4S. Probablemente hay exceso de sulfito reductasa, pues el SO3=

es tóxico.

Ambas reacciones ocurren en el cloroplasto.

FORMACIÓN DE AMINOÁCIDOS AZUFRADOS

El azufre reducido (sulfuro) se incorpora a la materia orgánica de la planta a través

de la cisteína. A partir de la serina, la enzima serina acetil transferasa cataliza la

siguiente reacción:

la O-acetilserina pasa a ser el sustrato de la cisteína sintasa (O-acetil-2-serina (tiol) liasa)

para formar cisteína:

Estas dos enzimas se localizan en cloroplasto, mitocondria y citosol. Aunque, la

enzima de localización plastidial es la más abundante, en segundo lugar la mitocondrial

(dos órdenes de magnitud menor), y la menos abundante es la citosólica.

La regulación del proceso parece estar afectada por el estado de desarrollo de la

planta. El proceso ocurre mayoritariamente durante la etapa juvenil, durante el resto de

vida de la hoja el azufre simplemente se recicla.

Una vez sintetizada la cisteína, las plantas son capaces de sintetizar a partir de ella

el aminoácido metionina a través de la vía de transulfuración:

estas reacciones tienen lugar en el citosol.

APS sulfotransferasa

APS + GSH GS-SO3 –

+ AMP + H+

GSH no

GSSG enzimática

SO3=

Sulfito reductasaSO3

= + 6 Fdred + 6 H+ S= + 6 Fdox + 3 H2O

Serina acetil transferasaSerina + Acetil-CoA O-acetilserina + CoA-SH

Cisteína sintasaO-acetilserina + S

= Cisteína + Acetato

Cistationina sintasa Cistationinasa

Cisteína Cistationina Homocisteína

O-fosfohomoserina Pi H2O Piruvato 5-metil-

↑ + tetrahidrofolato

↑ NH4+

↑ Tetrahidrofolato

Aspartato

Metionina

M e t i o n i n a s i n t a s a




La hoja es el órgano fuente de aminoácidos azufrados (cisteína y metionina),

mientras que la raíz es el órgano sumidero. La cisteína puede resultar tóxica, y por ello lo

que se transporta por floema es glutatión, que es un tripéptido no proteínico formado por

la unión de tres aminoácidos: acido glutámico, cisteína y glicina. En la raíz se liberan

estos aminoácidos, y de este modo se transporta cisteína sin riesgos para la planta.

El glutatión es un regulador de la actividad de las proteínas, puede oxidarse para

reducir a las proteínas y activarlas. El glutatión (GSH) reduce los enlaces disulfuro

formados entre grupos tiol ( – SH) de dos cisteínas de una proteína. En el proceso elglutatión se convierte en su forma oxidada disulfuro de glutatión (GSSG), la enzima

glutatión reductasa lo devuelve a su forma reducida (GSH).

REGULACIÓN DE LA REDUCCIÓN ASIMILADORA DE SULFATOS

Altos niveles de SO4= y cisteína inhiben a:

o Permeasa de SO4=.

o ATP sulfurilasa.

o APS sulfotransferasa.

Altos niveles de O-acetilserina activan a:

o Permeasa de SO4=.o ATP sulfurilasa.

OTROS COMPUESTOS AZUFRADOS TÍPICOS DE PLANTAS

La enzima APS-kinasa (ATP:5′-adenilsulfato-3′-fosfotransferasa) cataliza la

transformación de la adenosina-5′-fosfosulfato (APS) en 3′-fosfato-adenosina-5′-

fosfosulfato (PAPS):

Glutatión (GSH)

Ácido γ-glutámico Cisteína Glicina

S SHProteína │ Proteína

S SH

2 GSH GSSGGlutatión reductasa

NADP+ NADPH + H+




El PAPS es una forma de sulfato activo que dona azufre para la obtención de otras formas

azufradas, como es el caso de muchos metabolitos secundarios (p. ej. glucosinolados).

Esqueleto de los glucosinolados:

el radical R varía según el glucosinolado.

APS kinasaAPS + ATP PAPS + ADP




INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO SECUNDARIO

CONCEPTOS DE METABOLISMO PRIMARIO Y SECUNDARIO

El metabolismo es el conjunto de reacciones químicas que tienen lugar en unorganismo para sintetizar sustancias complejas a partir de otras más simples(anabolismo), o para degradar las complejas y obtener las simples (catabolismo). Lasplantas además del metabolismo primario presente en todos los seres vivos, poseen unmetabolismo secundario que les permite producir y acumular compuestos de naturalezaquímica diversa.

Se llama metabolismo primario de las plantas a los procesos químicos queintervienen de forma directa en la supervivencia, crecimiento y reproducción de lasplantas. Son procesos químicos pertenecientes al metabolismo primario de las plantas: lafotosíntesis, la respiración, el transporte de solutos, la translocación, la síntesis de

proteínas, la asimilación de nutrientes, la diferenciación de tejidos, y en general laformación de carbohidratos, lípidos y proteínas que intervienen en estos procesos o sonparte estructural de las plantas. Así pues, los metabolitos primarios son compuestos debajo peso molecular comunes a todas las células, necesarias para su funcionamiento y elde los organismos. Son los aminoácidos, nucleótidos, azúcares y lípidos, presentes entodas las plantas y desempeñando las mismas funciones.

Los metabolitos secundarios (también denominados productos naturales) soncompuestos químicos sintetizados por las plantas que cumplen funciones no esenciales enellas, de forma que su ausencia no es letal para la planta, ya que no intervienen en elmetabolismo primario. Es decir, no tienen una función directa en los procesosfotosintéticos, respiratorios, de asimilación de nutrientes, de transporte de solutos osíntesis de proteínas, carbohidratos o lípidos. Los metabolitos secundarios soncompuestos cuya síntesis está limitada a determinados grupos de plantas, y se sintetizanen pequeñas cantidades. La capacidad de sintetizar los compuestos secundarios se ha idoseleccionando a lo largo de la evolución en las diferentes especies vegetales. Los genesque codifican para la síntesis de metabolitos secundarios pueden haber surgido de ladivergencia alélica y por duplicación de genes implicados en el metabolismo primario.

TIPOS DE METABOLITOS SECUNDARIOS E IMPORTANCIA

Los metabolitos secundarios de las plantas pueden dividirse en 3 grandes grupos:1. Metabolitos con nitrógeno en la molécula: alcaloides, glucósidos cianogenéticos,glucosinolados, aminoácidos no proteicos, y proteínas como lectinas o inhibidoresde proteasas.

2. Isoprenoides: carotenoides. 3. Metabolitos con un compuesto aromático: fenoles, flavonoides y taninos.

Muchos productos del metabolismo secundario funcionan como atrayentes orepelentes de animales. Algunos son pigmentos que proporcionan color a flores y frutos,atrayendo a insectos polinizadores o a animales frugívoros. Otros funcionan comorepelentes, proporcionando a la planta sabores amargos o haciéndola indigesta o venenosa

para los herbívoros. Incluso algunos metabolitos secundarios actúan como inhibidores delcrecimiento frente a otras plantas.




La biosíntesis de los metabolitos secundarios ocurre a partir de compuestos delmetabolismo primario de las plantas:

Alcaloides. Los alcaloides son metabolitos secundarios sintetizados a partir deaminoácidos como la ornitina, lisina, ácido aspártico, fenilalanina, tirosina, triptófano ehistidina. A partir de purinas se pueden obtener pseudoalcaloides. Los alcaloides son ensu mayoría heterocíclicos, todos tienen nitrógeno en su molécula, al pH normal del citosoly de la vacuola el nitrógeno está protonado, lo cual confiere el carácter básico o alcalinode estos compuestos en solución; poseen sabor amargo. Aparecen típicamente en plantassuperiores (más de 12.000 alcaloides diferentes), también en hongos, e incluso puede

haber síntesis en animales. Son compuestos de gran interés farmacológico por sus efectospsicoactivos.

Algunos alcaloides conocidos son: nicotina (C10H12N2), morfina (C17H19NO),codeína (C18H21NO3), cocaína (C17H21NO4), psilocibina (C21H17N2O4P), etc.

Distribución en vegetales: los alcaloides están presentes en algas, engimnospermas y en angiospermas mono- y dicotiledóneas. No están presentes en plantasacuáticas y son raros en briófitos. Son más abundantes en plantas herbáceas que enleñosas, y en anuales que perennes, y en plantas de zonas cálidas.

Distribución anatómica: los alcaloides pueden acumularse en hojas (nicotina,teofilina, cocaína), flor (betaxantina), fruto (opio, cicuta), semillas (colchicina, cafeína,esparteína, estricnina), corteza de árbol (quinina) y raíz (atropina).

Distribución celular: son abundantes en tejidos en crecimiento, se acumulan entejidos activos (hasta un 5% del peso seco de la semilla) o en los vasos de látex (lasheridas pueden ser zonas ricas en alcaloides). La producción y acumulación de losalcaloides en la planta está controlada por los ritmos circadianos. El lugar de síntesis noes necesariamente el lugar de acumulación del alcaloide. Subcelularmente, los alcaloidesse acumulan en las vacuolas.

Biosíntesis: las primeras etapas ocurren en cloroplastos, seguidamente en citosol,y finalmente en retículo endoplasmático. Implica distintas reacciones: descarboxilaciones,

FOTOSÍNTESIS↓

Gliceraldehído-3-P

Almidón Sacarosa

Isoprenos GLUCÓLISIS

Fosfoenolpiruvato → → aá aromáticos → → compuestos fenólicos↓ ↓

Piruvato → → aá Flavonoides↓

Acetil-CoA → → CAT → → aá Alcaloides

↓ Lípidos raros




metilaciones, oxidaciones, deshidrataciones y condensaciones. La biosíntesis de losalcaloides se ve afectada por: la edad de la planta, la disponibilidad de luz y nutrientes, lashormonas vegetales y la disponibilidad del precursor biosintético.

Efectos sobre los seres vivos: Venenos: cicuta, estricnina, curanina. Afectan al sistema nervioso central: morfina, atropina, cafeína, estricnina. Afectan a las placas motoras: curanina. Afectan al músculo cardíaco: morfina, cafeína. Afectan a los vasos sanguíneos: efedrina.

Usos terapéuticos: Vasoconstrictores: efedrina. Cardiovasculares: cafeína, esparteína. Expectorantes: codeína, emetina. Anestésicos: opio, cocaína. Diuréticos: teobromina. Midriáticos: hiociamina. Antipiréticos: quinina.

La nicotina es un alcaloide que aparece en la planta del tabaco ( Nicotiana

tabacum). La nicotina se sintetiza en la raíz y viaja vía xilema hasta las hojas, donde seacumula. Es un potente agente tóxico e incluso se usa como insecticida, su ingesta puederesultar mortal.

La coniína o cicutina es un alcaloide venenoso que se encuentra en la cicuta(Conium maculatum), y es responsable del olor desagradable de la planta. Es unaneurotoxina que bloquea el sistema nervioso periférico, es mortal para el ser humano.

La atropina es una droga anticolinérgica que aparece en muchas Solanáceas comola belladona ( Atropa belladonna), el estramonio ( Datura stramonium) y el beleño negro( Hyoscyamus niger ). Se almacena en hojas y frutos. Tiene usos farmacológicos comoantagonista competitivo del receptor muscarínico de acetilcolina.




La cocaína es un alcaloide obtenido de la planta de coca ( Erythroxylon coca). Seacumula en las hojas. Es un estimulador del sistema nervioso y supresor del hambre, erausado en medicina como anestésico.

La quinina es un alcaloide extraído del quino (Cinchona officinalis), conpropiedades antipiréticas, antipalúdicas y analgésicas. La quinina era el principalcompuesto empleado en el tratamiento de la malaria, hoy en día se ha sustituido por laartemisina que se obtiene del ajenjo chino ( Artemisia annua).

Quinina Artemisina

El opio es una droga analgésica narcótica que se extrae de la cápsula inmadura dela adormidera (Papaver somniferum). El látex del opio contiene una mezcla de alcaloides,

como codeína y morfina. La heroína es una droga semisintética derivada de la morfina.

Codeína Morfina Heroína

La cafeína es un alcaloide que aparece en el café (Coffea arabica), actúa comouna droga psicoactiva y estimulante. La teobromina es el alcaloide del cacao(Theobroma cacao), y la teofilina es el alcaloide del té (Camellia sinensis). En el caféaparecen estos tres alcaloides, aunque la cafeína es mayoritaria.

Cafeína Teobromina Teofilina




La solanina es un tóxico formado por un alcaloide, la solanidina, y por unacadena lateral de un carbohidrato. Aparece en las hojas, frutos y tubérculos de algunasSolanáceas como la patata y el tomate (es muy abundante en los tubérculos de la patatacuando están expuestos a la luz). La intoxicación por solanina produce alteraciones

gastrointestinales y neurológicas. La cocción no basta para desnaturalizar la solanina nievitar sus efectos.

La vinblastina es una droga antimitótica usada para tratar ciertas clases de cáncer,es producida por Catharanthus roseus.

El ácido lisérgico es muy abundante en el cornezuelo del centeno (Claviceps

purpurea). La ingesta de pan de centeno contaminado con el cornezuelo produce laenfermedad denominada ergotismo, que causa alucinaciones, convulsiones y contracciónarterial, que puede producir necrosis en los tejidos y gangrena en las extremidades. Ladietilamida de ácido lisérgico (LSD) es una droga alucinógena semisintética.

Ácido lisérgico

Las betalaínas son alcaloides que actúan como pigmentos rojos y amarillos. En lasplantas que hay betalaínas no hay antocianinas, son pigmentos mutuamente excluyentes.La betacianina es un pigmento rojo-morado que se encuentra en flores, frutos y órganossubterráneos de la remolacha ( Beta vulgaris); es el colorante alimenticio E-162. La

betaxantina es un pigmento amarillo que aparece en la flor del higo chumbo (Opuntia ficus indica), también aparece en el fruto, donde presenta un color anaranjado.




Betacianina (betanina) Betaxantina (portulaxantina)

El taxol es un potente anticancerígeno, con estructura de alcaloide e isopreno. Seencuentra en la corteja del tejo (Taxus spp.), aunque en muy baja cantidad, por lo que seproduce de forma semisintética.

Glucósidos cianogenéticos. Los glucósidos cianogenéticos (o cianogénicos) son

metabolitos secundarios derivados de aminoácidos que están ampliamente distribuidos enplantas, están formados por un glúcido y un grupo cianuro. Son altamente tóxicos ycumplen funciones de defensa, ya que al ser hidrolizados por algunas enzimas liberanácido cianhídrico [H –C≡N(ac)], en un proceso denominado cianogénesis. El ion cianuro(CN – ) inhibe el transporte electrónico mitocondrial en la última etapa.

Los glucósidos cianogenéticos se almacenan en las vacuolas protegidos de lasenzimas, pero cuando el depredador al masticar la planta mezcla los glucósidoscianogenéticos con las enzimas, se produce la cianogénesis y la planta resulta tóxica. Si laplanta es cocinada se pierde la toxicidad, pues con la cocción se libera el cianuro.

Estructura general de los glucósidos cianogenéticos:

Aminoácido precursor Glucósido cianogenéticoValina Linamarina (avena)Isoleucina Lotaustralina (judías)Leucina Heterodendrina

Fenilalanina Prunasina, amigdalina Tirosina Dhurrina (trigo)

R|

N≡C – C – O – azúcar|R′




Hidrólisis de los glucósidos cianogenéticos:

La amigdalina se aisló inicialmente de semillas de almendro (Prunus dulcis), y esresponsable del olor a almendra amarga.

La linamarina se encuentra en las hojas y raíces de la mandioca o yuca amarga( Manihot esculenta), esta planta es la base alimenticia de muchas poblacionescentroafricanas. El almidón de mandioca, que se obtiene después de lavar la molienda dela raíz, recibe el nombre de tapioca, de este modo se reduce la cantidad de ácidocianhídrico. Pero sin una cocción prolongada la mandioca resulta tóxica.

Mecanismos de desintoxicación de HCN en plantas:

En los animales, la toxicidad del cianuro es proporcional al peso del animal.Además, los animales superiores tienen desarrollado el sentido del gusto más que losinferiores, por lo que pueden detectar el HCN y escupir la hoja. Otros animales

desarrollan comportamientos específicos destinados a evitar la intoxicación. Por ejemplo,el laurel cerezo (Prunus laurocerasus) acumula en las hojas prunasina, y hay un caracol

R′ R′ | β-glucosidasa |

R – C – CN + H2O azúcar + R – C – CN| |

O – azúcar OHα-hidroxinitrilo

R′ |

C=O + HCN|OH

Hidroxinitriloliasa

β-cianoalanina sintasa

Cisteína + HCN β-cianoalanina + SH2 + H2O

β-cianoalanina hidrolasa

β-cianoalanina + H2O Asparragina




que se alimenta exclusivamente de hojas de esta planta: primero rompe la hoja y cuandoel HCN desaparece las ingiere.

En animales superiores hay un mecanismo enzimático para evitar la toxicidad delHCN:

La rhodanasa es una sulfotransferasa presente en las mitocondrias de las células delhígado y riñón de los mamíferos. Pero los tiocianatos (SCN−) que se producen sontambién tóxicos.

Los lípidos cianogenéticos están formados por un ácido graso, en lugar de unglúcido como los glucósidos cianogenéticos, y un grupo cianuro. Al degradarse liberancianuro, que se almacena en el tejido adiposo de los mamíferos, por lo que son altamentetóxicos. Concentraciones de cianolípidos en la dieta de entre 1 y 5% pueden ser letales.

Los cianolípidos aparecen en las semillas de las Sapindáceas (arces, castaños de Indias,etc.), donde representan el 35-70% del peso seco.

Glucosinolados. Los glucosinolados (o glucosinolatos) son glucósidos que

contienen azufre, y son muy abundantes en las Brasicáceas: colza, nabo, brócoli, coliflor, Arabidopsis thaliana, etc. Sus productos de degradación, como los isotiocianatos(R−N=C=S), son responsables del olor y sabor de estas plantas.

Estructura general de los glucosinolados:

Dependiendo del glucosinolado, – R puede ser: – CH3, anillos aromáticos, etc.

El donador de sulfatos es el PAPS.Precursores de glucosinolados: triptófano, fenilalanina y metionina.

Degradación de los glucosinolados: la mirosinasa es una enzima presente en lascélulas vegetales que cataliza la hidrólisis de los glucosinolados a aglicona, y se formanisotiocianatos como producto de degradación. Los productos de esta degradación no sontóxicos para el ser humano, pero sí para los insectos. Los glucosinolados, al igual que losglicósidos cianogénicos, están separados espacialmente de las enzimas hidrolíticas quelos degradan y actúan también como repelentes de herbívoros.

Rhodanasa

CN – + S2O3=

SCN – + SO3=

cianuro CH2=C ––– CH – C≡N

| |CH3 O – C – (CH2)n – CH3

|| O ácido graso

S – Glucosa|

R – C=N – O – SO3 –




El aceite de mostaza se elabora con las semillas de la mostaza negra ( Brassica

nigra), y contiene un isotiocianato alílico con propiedades anticancerígenas, que esproducido por la hidrólisis del glucosinolado de la mostaza, la sinigrina.

Aminoácidos no proteicos. Los aminoácidos no proteicos son análogosestructurales de los aminoácidos proteicos, pero no forman parte de las proteínas. Son α-aminoácidos y con configuración L, al igual que los aminoácidos proteicos. Se sintetizanpor rutas similares a los aminoácidos proteicos. Son muy tóxicos, cuando un herbívoroingiere un aminoácido no proteico, sus ARNt sintetasas pueden no diferenciarlo, yproducir cadenas polipeptídicas aberrantes. Se pueden encontrar en todos los tejidosvegetales, pero se acumulan mayoritariamente en las semillas. No se destruyen por elcalor. Existen más de 400 aminoácidos no proteicos diferentes, y más de la mitadaparecen en plantas superiores.

No forman parte de los polipéptidos y se encuentran en forma libre, excepto en loshongos, donde forman faloidinas y amanitinas, ambos, péptidos tóxicos.

El S-(propil-1-enil)cisteína sulfóxido es abundante en el ajo, y junto con otrosderivados es el precursor de su aroma y sabor.

Se pueden clasificar en función de la enfermedad que produce su ingesta. Loslatirógenos son aminoácidos no proteicos causantes del latirismo. El latirismo es unaintoxicación crónica producida por el consumo de harinas de almorta preparadas a partirde semillas de Lathyrus sativus (almorta) y Lathyrus odoratus (guisante de olor). Losenfermos muestran alteraciones en el sistema nervioso central (neurolatirismo) y/oalteraciones en el tejido conectivo y óseo (osteolatirismo). La ingesta de harina de almorta

junto con carne reduce la toxicidad (aá proteicos > aá no proteicos).




Aminoácidos latirogénicos: β-aminopropionitrilo: es responsable del osteolatirismo.

β-N-(γ-glutamil)-aminopropionitrilo:

β-cianoalanina: es un potente inhibidor de enzimas como asparraginasas,glutaminasas y aspártico descarboxilasa.

Proteínas. Hay proteínas que actúan como metabolitos secundarios. Como porejemplo las lectinas y los inhibidores de proteasas.

Las lectinas (del latín legere: leer) son proteínas con capacidad de reconocimientoy unión a azúcares, hay una elevada especificidad lectina-azúcar. Son muy heterogéneasen cuanto a su estructura molecular. Su función en plantas está relacionada confenómenos de defensa, son capaces de reconocer e inactivar los carbohidratos de losagentes patógenos (hongos y bacterias). También están relacionadas con los mecanismosde señalización y regulación celular. Las lectinas tienen capacidad para:

˗ Reconocer polisacáridos y glicoproteínas, y precipitarlas.˗ Son específicas de grupos sanguíneos.˗ Presentan acción mitogénica hacia los linfocitos.˗ Aglutinan células cancerígenas.

Las lectinas se encuentran distribuidas en todas las plantas y en todos los tejidos, aunqueson muy abundantes en semillas. Pueden estar en citosol y en pared celular, en lassemillas se acumulan en los cuerpos proteicos.

Las lectinas aglutininas tienen capacidad de aglutinar células, algunas de éstasson: concanavalina A (Con A), aglutinina de Ricinus communis (RCA), aglutinina degermen de trigo (WGA), aglutinina de soja (SBA), etc.

Las lectinas tóxicas pueden inactivar catalíticamente los ribosomas, son tóxicaspara las células animales. La ricina, producida por el ricino es una de las proteínas másvenenosas para el ser humano. Otras lectinas tóxicas son la abrina y la modecina.

N≡C – CH2 – CH2 – NH2

NC – (CH2)2 – NH – C – (CH2)2 – CH – COOH|| |O NH2

COOH|

N≡C – CH2 – C – H|

NH2

Toxina Aglutinina

Sitio de reconoci-

miento de azúcares

|

S

S

|

A

B

|

S

S

|

A

B

|

S

S

|

A′

B′




Las proteasas son enzimas proteolíticas, endo- o exopeptidasas, muy abundantesen los cuerpos proteicos de semillas, hojas y frutos. Las más estudiadas pertenecen aplantas de las familias Bromeliáceas, Gramíneas y Leguminosas.

Los inhibidores de proteasas son proteínas que actúan sobre las proteasas

destruyendo su actividad proteolítica. Son moléculas resistentes al calor, pHs extremos ya la proteólisis por proteasas. Los inhibidores de proteasas en plantas son específicos deserín proteasas. Abundan en Gramíneas, Leguminosas y Solanáceas. Se acumulan engrandes cantidades en órganos de reserva y en semillas, también en otros tejidos comorespuesta a una herida (así se ha visto en el tomate).

Isoprenoides. Los isoprenoides (o terpenoides) son lípidos insaponificables quederivan del isopreno, un compuesto de 5 átomos de carbono. Los isoprenoides sonpolímeros formados por unidades repetidas de isopreno. Para ello, en su síntesis, elisopreno se activa dando lugar al isopentenil pirofosfato (IPP).

La síntesis de los isoprenoides se inicia en el cloroplasto, donde a partir del ácido pirúvicose obtiene IPP, y de éste, sucesivamente, se forma el geranil pirofosfato, precursor de losmonoterpenos, el farnesil pirofosfato, precursor de los sesquiterpenos y el geranil-geranilpirofosfato, precursor de los diterpenos:

Los isoprenoides se nombran en función del número de terpenos, es decir, del número dedobles unidades de isopreno que tenga la molécula. Así pues, el IPP aislado se denominahemiterpeno (C5). Los monoterpenos constan de 2 unidades de isopreno, tienen por lotanto 10 carbonos.

Los isoprenoides participan tanto en el metabolismo primario como en elmetabolismo secundario de la planta. Algunos metabolitos primarios derivados delisopreno son el ácido abscísico, las giberelinas, las citoquininas, los carotenoides y lasclorofilas. También son uno de los grupos más importantes de metabolitos secundarios.

Muchos monoterpenos (C10) forman parte de aceites esenciales, que

proporcionan el olor y el sabor característico de las plantas, como el geraniol, ellimoneno, el mentol, el alcanfor y muchos otros. Los monoterpenos se acumulan en las

IPP Hemiterpenos (C5)IPP

Geranil pirofosfato Monoterpenos (C10)IPP

Farnesil pirofosfato Sesquiterpenos (C15)2×

IPP Triterpenos (C30)

Geranil-geranil pirofosfato Diterpenos (C20)2×

Tetraterpenos (C40)

Politerpenos (>C40)




vacuolas. Estos compuestos pueden ser potentes agentes insecticidas o, en otros casos,precursores de feromonas de insectos, es decir, le sirven a la planta para atraer a losinsectos polinizadores y para repeler a otros. Además, los monoterpenos pueden actuarcomo compuestos alelopáticos, es decir, inhiben el crecimiento de plantas próximas. Losterpenos asociados al oxígeno o al ozono forman compuestos tóxicos para las plantas, este

es el caso de la atmósfera de los bosques viejos.Los sesquiterpenos (C15), al igual que los monoterpenos, están presentes en los

aceites esenciales, como es el caso del farnesol. Los aceites esenciales se puedenencontrar en distintas zonas de la planta: en el naranjo amargo, en la flor; la esencia deazahar, en la cáscara, etc. La composición de una esencia puede variar según sulocalización.

Los diterpenos (C20) más conocidos son el fitol (cola de las clorofilas), lasgiberelinas, el taxol y algunas esencias.

De entre los triterpenos (C30) destaca la limonina, causante del sabor amargo dellimón, además, los triterpenos son precursores de los esteroides de plantas(cardenolípidos). Los esteroides de plantas tienen distinta función que en el caso de los

animales. La digoxigenina es un cardenolípido presente en Digitalis purpurea.Dentro de los tetraterpenos (C40) destacan los carotenoides, que aunque son

metabolitos primarios algunos son considerados metabolitos secundarios, como la crocinadel azafrán.

Algunos poliisoprenoides (entre 45 y 150.000 C) de importancia para las plantasson el caucho, la gutapercha y el chicle. El caucho (cis-1,4-poliisopreno) es producido engrandes cantidades por Hevea brasiliensis. La gutapercha es similar al caucho, pero condobles enlaces en configuración trans y, por lo tanto, con menos consistencia; se acumulaen los túbulos laticíferos de Palaquium spp. El chicle se obtiene de la savia de Achras

sapota.El árbol Boswellia sacra es una de las principales especies de las que se extrae el

incienso, que es una resina con multitud de compuestos isoprénicos. El barniz se puedeobtener de las plantas de la familia Burseraceae.

Compuestos fenólicos. Los compuestos fenólicos se caracterizan por poseer unanillo aromático en la molécula, y uno o más grupos hidroxilos unidos al anillo. Derivantodos del fenol.

Los fenoles se producen mediante la ruta del ácido siquímico: a partir del PEP y de laeritrosa-4-fosfato se origina una molécula de 7 carbonos, y después de varias reaccionesse forma el ácido siquímico. A partir de este ácido se forman aminoácidos aromáticos,como la fenilalanina, originándose también fenoles.

Los fenoles de estructura más sencilla son los ácidos fenólicos y los taninoshidrosolubles:

Taninos hidrosolubles. El ácido gálico es un tanino hidrosoluble que seencuentra en las agallas, como mecanismo de defensa contra los insectos. Losfenoles son capaces de unirse a macromoléculas y precipitarlas, de modo que laslarvas que crecen dentro de la agalla mueren.




Los taninos (del inglés tannig: curtido de la piel) tienen un sabor astringente, y seusan en el curtido porque forman complejos con la queratina de la piel de losanimales, de modo que la piel macerada con agallas es más resistente a ladegradación.

Fenoles simples. Los más conocidos son las cumarinas, que actúan como agentesinsecticidas y alelopáticos: se acumulan en las cubiertas germinales de la semillaevitando su germinación, cuando llueve se lavan los fenoles y la planta germina,pero quedan alrededor de la plántula evitando el crecimiento de otras plantaspróximas.

La mescalina es un fenol simple con propiedades alucinógenas, se encuentra en elpeyote.

Las enzimas polifenol oxidasas catalizan una reacción que transforma los orto-difenoles en quinonas. Las quinonas son muy reactivas y forman polímeros de colorpardomarrón, que son los responsables del oscurecimiento de los tejidos vegetales cuandosufren una herida y del oscurecimiento de las frutas peladas. La polifenol oxidasa actúa apH neutro, por este motivo si se añade limón (pH bajo) no se oscurece la fruta.

Derivados del ácido p-cumárico: Xantonas. Derivados hidroxicinámicos: ácido caféico, ácido sináptico y ácido ferúlico. Ácido p-hidroxibenzoico (forma ubiquinona). Malonil-CoA (origina flavonoides).

Los flavonoides son sintetizados a partir de una molécula de p-cumaril-CoA y 3de malonil-CoA, se almacenan en vacuolas. Destacan las antocianinas y los taninoscondensados:

Las antocianinas son flavonoides responsables de los colores de muchas flores yfrutas. Las antocianinas son glucósidos de las antocianidinas:

— azúcar

Antocianidina Antocianina

A B

C

Antocianidina R R′ Color

Pelargonidina H H RojoCianidina OH H PúrpuraDelfinidina OH OH Azul




El color de las antocianinas depende del número de grupos – OH en el anillo C, ydel pH de las vacuolas en las que se almacenan. Por ejemplo, la cianidina enmedio ácido es roja, en medio básico es púrpura y en medio alcalino es azul.

Estos pigmentos no interfieren en la captación de luz por la clorofila. Losfenoles absorben luz UV, de modo que protegen a la planta de la mutagénesis.

El pigmento negro de la amapola (Papaver rhoeas) no se debe a melanina,sino a que la cianidina junto con la pelargonidina da color negro. El resto delpétalo tiene solamente pelargonidina, por eso es rojo.

Los taninos condensados son polímeros formados por (entre 1 y 30) unidades deantocianidina. Son pigmentos de muchas semillas y frutos. Las proantocianidinasson taninos condensados típicos de la uva, dan el color y la asperezacaracterísticos del vino.




CARBOHIDRATOS, LÍPIDOS, RESPIRACIÓN Y

MITOCONDRIAS VEGETALES

COCIENTE RESPIRATORIO

La respiración mitocondrial es una reacción de oxidorreducción, mediante lacual el sustrato (glúcidos, lípidos, ácidos orgánicos y, más raramente, proteínas) se oxidaa CO2, y el O2 absorbido se reduce hasta formar H2O. La reacción general es:

parte de la energía que se libera en el proceso se pierde en forma de calor, y parte quedaatrapada en el ATP.

El cociente respiratorio (CR, QR) es la relación existente entre el CO2 liberadoen el proceso y el O2 consumido:

consumidoO

liberadoCOCR

2

2

el valor del cociente respiratorio nos informa sobre el sustrato utilizado en el procesorespiratorio. Si el sustrato es un glúcido y es oxidado completamente, el volumen de CO2 liberado es igual que el del O2 consumido, con lo que el cociente respiratorio será launidad. Así pues, para el caso de la glucosa:

1O6

CO6CR OH6CO6O6OHC

2

22226126

y para el caso de la sacarosa:1

O12

CO12CR OH11CO21O21OHC

2

2222112212

Si se consumen ácidos orgánicos, como ocurre en un fruto que no está maduro, el valordel CR es mayor que la unidad. Si se trata del ácido cítrico:

33,1O29

CO6CR OH4CO6O

2

9 OHC

2

2222786

Las semillas oleaginosas acumulan lípidos de reserva, cuando el sustrato respiratorio esun ácido graso el valor del CR es menor que la unidad. Por ejemplo, si es el ácidoesteárico el que se oxida:

69,0O26

CO18CR OH81CO18O62OHC

2

222223618

De todos modos, hay que tener en cuenta que pueden estar usándose varios tipos desustancias simultáneamente como sustratos respiratorios, de modo que el CR que seobtendrá tendrá un valor intermedio.

La fermentación es un proceso totalmente anaeróbico, por lo que no se puedecalcular el CR.

2

2226126 O0

CO6CR OH6CO6OHC

Sustrato + O2 CO2 + H2O + energía




GLUCÓLISIS EN PLANTAS

La glucólisis es la vía metabólica que oxida la glucosa, o glucosa-1-fosfato, enpiruvato para obtener ATP. Tiene lugar en el citosol y en el interior de plastidios. Enplantas, el sustrato glucolítico en plastidios es el almidón, y en citosol es la sacarosa. La

glucólisis es la primera de las tres fases principales de la respiración, le siguen el ciclo deKrebs y el proceso de transporte de electrones, mecanismos ambos localizados enmitocondria.

La reacción neta de la transformación de glucosa en piruvato es:

Degradación del almidón:

La fosforilasa se encuentra en cloroplastos, y la amilasa aparece en semillas.

Degradación de la sacarosa:

La sacarosa sintasa se localiza en el citosol, y cataliza la ruta mayoritaria de degradaciónde sacarosa.

Existen dos tipos de invertasas: la ácida (trabaja a pH ácido) se localiza en pared celular,plasmalema y vacuola; y la alcalina (actúa a pH básico), que opera en citosol.

La fructosa-6-P producida se fosforila con consumo de ATP, en una reaccióncatalizada por la fosfofructokinasa (PFK), para formar fructosa-1,6-bisfosfato. Y en elcaso de la glucosa, se activa a glucosa-6-P, y se isomeriza a fructosa-6-P.

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP + 2 NAD+ → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+

Fosforilasa(Glucosa)n + Pi (Glucosa)n – 1 + G-1-P

Amilasa(Glucosa)n n Glucosa

Sacarosa sintasaSacarosa + UDP UDP-Glucosa + Fructosa

InvertasaSacarosa Glucosa + Fructosa




Control de la glucólisis. La PFK citosólica está inhibida por todos los productosde reacción como el PEP, 2-fosfoglicerato, 3-fosfoglicerato, glicolato-P, 6-P-gluconato,ATP, ADP, citrato y malato. Si hay exceso de ATP significa que las demandasenergéticas de la célula están cubiertas. La PFK cloroplástica está inhibida por pH 8 (pHdel estroma a la luz), NADPH 0,5 mM (concentración dentro del orden de la que se

encuentra en cloroplastos a la luz), ATP y PEP. A la luz la PFK cloroplástica estáinhibida.

La glucólisis también está regulada a nivel de la piruvato quinasa (PK), que esactivada por bajo contenido de ATP, y es inhibida por alto contenido de ATP y porintermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos.

Enzimas de la glucólisis en plantas. En el citosol de las células vegetales no haypirofosfatasa (la pirofosfatasa cataliza la reacción PPi → 2 Pi). En cambio, aparece laenzima pirofosforilasa fructosa-6-fosfato-1-fosfotransferasa (PFP), que fosforila a lafructosa-6-P con consumo de pirofosfato, originando fructosa-1,6-bisP. La PFP estáactivada por alta concentración de fructosa-2,6-bisP, y está inhibida por fosfatoinorgánico (Pi).

Glucosa-1-P

Fosfoglucomutasa

Glucosa-6-P

Fosfoglucoisomerasa

Fructosa-6-PPPi

PFP PFK Pi

Fructosa-1,6-bisP

Aldolasa Triosa P isomerasa

G3P DHAPNAD+

G3P DH NADH + H+

1,3-DPGAADP

Fosfoglicerato quinasa ATP

3-PGA

Fosfoglicerato mutasa

2-PGA

Enolasa

PEPADP

Piruvato quinasa ATP

Piruvato




La enzima gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa NADP dependiente nofosforilante está presente en el citosol, cataliza la transformación del gliceraldehído-3-fosfato (G3P) en ácido 1,3-difosfoglicérico (1,3-DPGA). En condiciones de déficit defosfato inorgánico, las enzimas PFP y G3P DH-NADP actúan conjuntamente, de estemodo se consume menos ATP. Las enzimas que responden a condiciones de bajo Pi

aumentan su actividad con PFP, GA3P DH-NADP no fosforilante, PEP carboxilasa. Ydecrecen su actividad con GA3P DH-NADP fosforilante. La funcionalidad de estasenzimas es más alta en condiciones limitantes de Pi.

FERMENTACIÓN EN PLANTAS

Cuando no hay disponibilidad de oxígeno las células vegetales realizanfermentación. Esto ocurre, por ejemplo, en las raíces de plantas que viven en suelosencharcados como el arroz, y en frutos de ciertos árboles durante las últimas etapas de lamaduración, como el madroño.

Adaptaciones de las plantas al encharcamiento: Formación de aerénquima. Durante la hipoxia mueren células del córtex y se

forman lagunas con aire, el aerénquima, que constituye un almacén de aire. Formación de raíces adventicias y lenticelas. Neumatóforos (raíces aéreas).

Pero en ausencia de estas adaptaciones ocurre la fermentación.

La fermentación es un proceso anaerobio en el que el piruvato se transforma enlactato (fermentación láctica) o en etanol (fermentación alcohólica), pero a diferencia dela glucólisis la oxidación no es total.

Reacción global de la fermentación alcohólica:

Reacción global de la fermentación láctica:

Regulación de la fermentación: en condiciones de baja disponibilidad de O2

desciende el pH citosólico, y se activa la piruvato descarboxilasa y se inhibe la lactatodeshidrogenasa.

Glucosa

GLUCÓ LISISFERMENTACIÓN FERMENTACIÓN

ALCOHÓLICA Piruvato LÁCTICAPiruvato Lactato

descarboxilasa NADH deshidrogenasa+ H+

CO2 NAD+ Acetaldehído Lactato

NADH + H+ Alcohol

NAD+

deshidrogenasa

Etanol

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 etanol + 2 ATP + 2 CO2

Glucosa + 2 Pi + 2 ADP → 2 lactato + 2 ATP




LÍPIDOS

El 5,9% del peso seco de una hoja corresponde a los lípidos, entre los cuales

destacan los glicerolípidos (56,4%), las clorofilas (25,9%), las plastoquinonas,carotenoides, esteroles, esfingolípidos, etc. En ningún tejido vegetal son mayoritarios loslípidos.

Tipos de lípidos en plantas: Lípidos estructurales (en membranas). Lípidos de reserva (en semillas). Lípidos de protección (evitan la pérdida de agua o el ataque de patógenos).

Los triglicéridos son lípidos formados por una molécula de glicerol que tieneesterificados sus tres grupos hidroxilo por tres ácidos grasos, saturados o insaturados.

Los ácidos grasos son moléculas lipídicas con una cadena hidrocarbonada lineal,en cuyo extremo hay un grupo carboxilo. Son ricos en carbono e hidrógeno, pero pobresen oxígeno. Los ácidos grasos saturados tienen todos los átomos de hidrógeno que puedetener la molécula, su fórmula básica es CH3 – (CH2)n – COOH; en cambio, los ácidos grasosinsaturados tienen menor número de átomos de hidrógeno, pues poseen dobles enlaces:CH3 – CH=CH – (CH2)n – COOH.

Los ácidos grasos de plantas tienen normalmente entre 16 y 18 átomos de carbono,los más importantes son:

Ácido graso EstructuraLáurico 12:0 CH3-(CH2)10-COOH

Mirístico 14:0 CH3-(CH2)12-COOHPalmítico 16:0 CH3-(CH2)14-COOHEsteárico 18:0 CH3-(CH2)16-COOHOleico 18:1Δ9 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOHLinoleico 18:2Δ9,12 CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOHLinolénico 18:3Δ9,12,15 CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

Los ácidos grasos oleico, linoleico y linolénico derivan del ácido esteárico, y son muyabundantes en las membranas de tilacoides.

Biosíntesis de ácidos grasos. En las plantas, ocurre en los plastidios (en los

animales ocurre en mitocondrias). La enzima ácido graso sintasa (FAS) lleva a cabo lasíntesis de ácidos grasos. Hay dos tipos:

Glicerol

H|

H — C — OH|

H — C — OH|

H — C — OH|

H

Triglicérido

H|

H — C — O — CO — (CH2)n — CH3 |

H — C — O — CO — (CH2)n — CH3 |

H — C — O — CO — (CH2)n — CH3 |

H Ácidos grasos saturados




FAS tipo I: aparece en levaduras y animales, es un complejo enzimáticomultifuncional.

FAS tipo II: aparece en bacterias y plantas, no es un complejo sino enzimasdisociadas.

El principal precursor de los ácidos grasos es el malonil-CoA, que proviene delacetil-CoA. A su vez, el acetil-CoA se forma a partir del piruvato en una reacción quecataliza la piruvato deshidrogenasa (PDH):

A partir del acetil-CoA se forma el malonil-CoA en una reacción de carboxilaciónque requiere ATP y que está catalizada por la acetil-CoA carboxilasa (ACCasa):

La ACCasa es una enzima de dos tipos: ACCasa de tipo procariótico: se localiza en los plastidios. Forma un complejo

heteromérico de 700 kDa, la subunidad β-CT es de codificación cloroplástica.ACCasa de tipo eucariótico: se localiza en el citosol. Se compone de un solopéptido de 500 kDa.

Dicotiledóneas y monocotiledóneas tiene los dos tipos de ACCasa, pero en las Poáceas noexiste la isoforma procariótica.

Regulación de la ACCasa en cloroplastos: Biosíntesis a la luz: la concentración de malonil-CoA cambia en cloroplastos de la

luz a la oscuridad, y es proporcional a la capacidad de síntesis de ácidos grasos. Herbicidas específicos que inhiben a la ACCasa, inhiben la síntesis de ácidos

grasos. Exceso de ácidos grasos (in vitro), inhiben la síntesis de ácidos grasos.

El malonil-CoA se une a la proteína transportadora de acilos (ACP), que es unaproteína pequeña que tiene unida una molécula de ácido fosfopantoténico a un residuo deserina, éste acaba en un grupo tiol ( – SH) que actúa como si fuera la coenzima A. Launión se lleva a cabo por la enzima malonil-CoA-ACP transacilasa.

Simultáneamente, una molécula de acetil-CoA se une al grupo tiol de una cisteínaespecífica de la enzima condensante (3-cetoacil-ACP sintasa: KAS). A continuación, laKAS cataliza la unión (o condensación) del grupo malonil (C3) con el grupo acetil (C2)para formar una molécula de acetoacil-ACP (C4). La enzima condensante se presenta, enplantas, en tres isoenzimas (KAS I, KAS II y KAS III) con distinta especificidad desustrato.

Este acetoacil-ACP se reduce a hidroxiacil-ACP, catalizado por la cetoacil – ACP

reductasa gastándose poder reductor. El hidroxiacil-ACP se deshidrata en una reaccióncatalizada por la hidroxiacil-ACP deshidratasa para dar lugar al trans-butenoil-ACP. Éste

PDHPiruvato + NAD+ + CoASH Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

CO2 ACCasaAcetil-CoA Malonil-CoA

ATP ADP + Pi

Malonil-CoA-ACP transacilasaMalonil-CoA Malonil-ACP




se vuelve a reducir para dar lugar a butiril-ACP, en una reacción catalizada por la enoil-ACP reductasa. La isoforma mayoritaria de la enoil-ACP reductasa es específica deNADH, la otra isoforma puede usar tanto NADH como NADPH.

Este proceso se repite en un nuevo ciclo en el que se añade un malonil-ACP (C3)al butiril-ACP (C4) que se acaba de formar, y se forma un compuesto de 6 átomos de

carbono (se pierde un átomo de carbono). El ciclo se repite sucesivas veces en las que sevan añadiendo carbonos de dos en dos, y el producto final es ácido palmítico, un ácidograso saturado de 16 carbonos, que es inmediatamente esterificado con el coenzima A,para formar palmitoil-CoA. A partir de él, pueden sintetizarse otros ácidos grasos.




Las tioesterasas (FAT) son enzimas típicas de plantas que separan la cadena delácido graso del complejo enzimático. Tienen un papel importante en la síntesis de ácidosgrasos de cadena corta, y son específicas de la longitud del ácido graso. Hay dos tipos:

FAT A: ácidos grasos insaturados. FAT B: ácidos grasos saturados: 10:0, 12:0, 14:0 y 16:0 (más frecuentemente).

Ácidos grasos raros de plantas: Monoinsaturados: erúcico. Insaturados muy poco frecuentes: olefínico, petroselénico. Acetilénicos: cicutoxina (en la cicuta). Hidroxiácidos: ricinoleico (en el ricino). Epoxilípidos: vernólico. Ciclopropenos: estercúlico (en Brasicáceas). Ciclopentenos: chaulmógrico.

La mayoría son metabolitos secundarios tóxicos que se almacenan en semillas.

Modificaciones de los ácidos grasos. La reacción de desaturación de los ácidosgrasos la catalizan las desaturasas. Las desaturasas son enzimas que añaden doblesenlaces a la cadena de ácidos grasos. Se localizan en plastidios y retículo endoplasmático,son siempre proteínas integrales de membrana. Actúan sobre el ácido graso libre o sobreel glicerolípido. El donador de electrones de la enzima es, en plastidios la ferredoxina, yen retículo endoplasmático el citocromo b5 /citocromo b5 reductasa. Se han identificado enplantas un gran número de ellas, por ejemplo, la estearil-ACP Δ9-desaturasa transforma elácido esteárico en oleico:

Se ha visto que factores ambientales como la temperatura controlan la expresión del gende las desaturasas. Conforme disminuye la temperatura, aumentan los niveles dedesaturasas y, de este modo, aumenta el número de ácidos grasos poliinsaturados. Conesto, lo que se consigue es hacer más fluida la membrana (en invierno).

Ácido esteárico (18:0) +

ACP2 Fdred O2

Estearil-ACP Δ9-desaturasa

2 Fdox 2 H2O

Ácido oleico (18:1Δ9)+

ACP

Ácido graso Punto de fusión (°C)Láurico 40Esteárico 70Oleico 13Linoleico - 5

Linolénico - 11




Hidroxilación de ácidos grasos. Por ejemplo, la enzima oleato hidroxilasatransforma el ácido oleico en ricinoleico, muy abundante en las semillas de Ricinus

communis:

Crecimiento de la cadena de ácidos grasos. Las elongasas alargan la cadena deácidos grasos por adiciones sucesivas de grupos acetilo, se localizan en el citosol y unidasa la membrana (están fuera del plastidio y del retículo endoplasmático). No participa laACP en el proceso.

Síntesis de lípidos. Los ácidos grasos sintetizados en plastidios son utilizadospara formar glicerolípidos.

A partir del glicerol-3-fosfato (G3P), mediante dos reacciones de acilación que letransfieren los ácidos grasos del acil-ACP, se forma ácido fosfatídico. A partir de éste,por acción de una fosfatasa específica se produce el diacilglicerol (DAG). El ácidofosfatídico también se puede convertir directamente en fosfolípidos de membrana. El

diacilglicerol puede formar triglicéridos (o triacilgliceroles), galactolípidos y sulfolípidos.

Ácido oleico

Cit b5red O2

Oleato hidroxilasa

Cit b5ox H2O

Ácido ricinoleico

G3P

Ácido graso-ACP

Ácido lisofosfatídico

Ácido graso-ACP

Ácido fosfatídicoGlicerol

Fosfatasa

Pi Diacilglicerol Fosfolípidos de membrana

Ácido graso(en el C-3)

Triglicérido

Galactosa(en el C-3)

Galactolípidos

Sulfolípidos




En la hoja abundan los galactolípidos, en raíz los fosfolípidos y en semillas lostriacilglicéridos.

El glicerol-3-P se forma a partir de la dihidroxiacetona fosfato (DHAP), en unareacción que ocurre en cloroplastos:

Síntesis de galactolípidos:

DAG: diacilglicerol; MGD: monogalactosildiacilglicerol; DGD: digalactosildiacilglicerol.

Síntesis de sulfolípidos:

Q: quinovosa (glucosa a la que se le ha unido el azufre).

Rutas de la síntesis de lípidos. Los lípidos se sintetizan en el retículoendoplasmático (ruta eucariótica) y en la membrana interna de los cloroplastos (ruta

procariótica): Ruta procariótica: en el carbono en posición 2 se une un ácido graso 16:0(palmítico), y en el carbono en posición 1 se une un ácido graso 18:1 (oleico), obien otro 16:0 o un 18:0 (esteárico). Por desaturación se obtiene en el carbono enposición 2 un ácido graso 16:3. Esto es característico de angiospermas, en las quemás del 10% de sus glicerolípidos se producen por esta ruta procariótica.

Ruta eucariótica: en el C en posición 2 se une un 18:0 (18:1), y en el C enposición 1 un 16:0 (18:1, 18:0).

Transferencia de lípidos: los lípidos sintetizados en el retículo endoplasmáticodeben regresar al cloroplasto, sufrirán modificaciones y serán incorporados a las

membranas de tilacoides.

DHAP reductasaDHAP G3P

NADH + H+ NAD+

DAGUDP-galactosa

UDP-galactosa DAG galactosiltranferasaUDP

MGD

MGDGalactolípido galactosiltransferasa

DAGDGD

UDP-Glucosa

Azufre (en C-6)

UDP-SQ

DAG

Sulfolípido




Lípidos de protección: forman parte de complejos macromoleculares dispuestossobre la pared celular.

Cutícula: estructura de multicapas formada por una capa superior de ceras, unacapa intermedia de cutina embebida en ceras, y una capa inferior de cutina y cerascon pectina y celulosa en la pared celular.

Las ceras son mezclas complejas de lípidos de cadena larga, por ejemploalcanos, ésteres de ácidos grasos, etc.

Cutina: macromolécula polimérica formada por una larga cadena de hidroxiácido,unidas unas a otras por uniones éster formando una estructura tridimensionalrígida.

Suberina: es similar a la cutina, aunque con más cantidad de compuestosfenólicos.

Lípidos de reserva (triacilgliceroles): se generan a partir del DAG, al que en eltercer carbono se le introduce otro ácido graso. Se acumulan en los cuerpos lipídicos oesferosomas en los tejidos de reserva de semillas: el endospermo (monocotiledóneas) o

los cotiledones (dicotiledóneas). Los lípidos de reserva son hidrofóbicos, así que sealmacenan sin agua, de modo que ocupan menos volumen que si se almacena almidón.Posteriormente, los ácidos grasos de reserva pueden dan lugar a azúcares (esto es algoexclusivo de plantas).

Pueden distinguirse dos tipos de semillas, según almacenen preferentementealmidón o lípidos:

Semillas amiláceas: almacenan mayoritariamente almidón, p. ej. las gramíneas. Semillas oleaginosas: almacenan más lípidos que almidón, como ocurre en el

cacahuete, el ricino o el girasol.Excepto en semillas, en el resto de tejidos vegetales no se acumulan lípidos.

Degradación de los lípidos de reserva: la lipasa disgrega las grasas, cataliza lahidrólisis de triacilglicerol a glicerol:

La lipasa está fuertemente asociada a la membrana del oleosoma (o cuerpo lipídico).

Durante la germinación de la semilla, se hidrolizan los lípidos de los oleosomas y seconvierten en sacarosa con la ayuda del glioxisoma.

La movilización de los lípidos en la planta ocurre entre los oleosomas,glioxisomas, mitocondrias y citosol.

β-oxidación de los ácidos grasos. Tiene lugar en el glioxisoma. En primer lugar,debe ocurrir la activación de los ácidos grasos con coenzima A:

Semillas Lípidos de reserva Almidón

Ricino 64% 0%Girasol 45-50% 2%Maíz 5% 51-74%

LipasaTriacilglicerol Glicerol + 3 ácidos grasos

Glicerol → Glicerol-3-P → DHAP → GLUCONEOGÉNESIS

Acil-CoA sintetasaÁcido graso Acil-CoA

CoA ATP AMP + PPi




el PPi que se produce se hidroliza a 2 Pi, haciendo que la reacción sea irreversible.Después de activarse, el ácido graso es degradado en la β-oxidación:

Reacción global de la β-oxidación:Palmitoil-CoA + 7 CoA + 7 NAD+ + 3,5 O2 → 8 Acetil-CoA + 7 NADH + 7 H+

El ácido oleico se degrada hasta que llega al doble enlace, pero unatransisomerasa cambia la posición del doble enlace y continúa la β-oxidación.

Los ácidos grasos raros de plantas también son susceptibles de realizar la β-oxidación, aunque con un rendimiento menor.

La enzima lipoxigenasa rompe los lípidos de membrana de tejidos vegetalesviejos (aunque de distinto modo que en la β-oxidación). A partir del ácido linolénico seforma el ácido jasmónico, éste último actúa como señal u hormona vegetal. Las primerasreacciones de degradación del linolénico ocurren en los plastidios, pero el jasmónico seforma en el peroxisoma. Otros productos de la degradación pasan a la β-oxidación.

La lipoxigenasa se encuentra en cloroplastos, y es la responsable del ranciado, porejemplo, de la mantequilla.

Los lípidos estructurales no se degradan para obtener energía o esqueletos

carbonados.

Acil-CoA Catalasa Acil-CoA FAD H2O2 ½ O2 + H2O

deshidrogenasa FADH2 O2

Trans-∆9-enoil-CoAEnoil-CoA

hidratasa H2O

β-hidroxiacil-CoAβ-hidroxiacil-CoA NAD+

deshidrogenasaNADH + H+

β-cetoacil-CoA

β-cetoacil-CoA tiolasa CoA-SH

Acil-CoA + Acetil-CoA(2 átomos de

carbono menor)

Ácido α-linolénicoO2

Lipoxigenasa

Ácido 9-hidroperoxilinolénico Ácido 13-hidroperoxilinolénico

PLASTIDIOPEROXISOMA

Ácido jasmónico




MITOCONDRIAS VEGETALES

Las mitocondrias son los orgánulos encargados de la respiración celular, y dondetiene lugar la mayor producción de energía en forma de ATP para todas las necesidades

celulares. Se encuentran en el citoplasma de todas las células eucariotas aerobias, peroexisten diferencias entre las mitocondrias animales y vegetales. Las mitocondriasvegetales pueden oxidar el NADH exógeno debido a que la membrana externa espermeable a éste. Muchas mitocondrias vegetales son relativamente insensibles alcianuro, debido a que presentan una ruta alternativa a la normal de los citocromos para eltransporte de electrones. En los animales la síntesis de ácidos grasos tiene lugar en lasmitocondrias, pero en las plantas ocurre en los plastidios. Por otra parte, la β-oxidación delos ácidos grasos en los animales se encuentra localizada en mitocondrias, mientras queen vegetales se encuentra en los glioxisomas. Y, en general, el metabolismo mitocondrialde plantas es menor que el de animales y levaduras, pues el plastidio asume parte de estemetabolismo.

Las células vegetales suelen poseer unas 200 mitocondrias, cada una con untamaño de entre 0,5 y 1,5 μm. Las mitocondrias, como los plastidios, se multiplican pordivisión y son heredadas por vía materna. Tienen también su propio genoma de 700 kb(círculo maestro), además de otros fragmentos de ADN de menor tamaño (círculospequeños y plásmidos), y su propia maquinaria para la duplicación y expresión génica, así como para la síntesis de proteínas. Aunque el genoma mitocondrial no codifica para todaslas proteínas de transcripción y traducción, ni para todos los ARNt. Al igual que para loscloroplastos, se cree que su origen es endosimbionte, esto explicaría la presencia de ladoble membrana que rodea a la mitocondria. La membrana externa es permeable y lainterna tiene permeabilidad selectiva. La membrana interna se pliega hacia el interior de

la matriz mitocondrial formando las crestas mitocondriales, en esta membrana interna selocalizan los transportadores electrónicos respiratorios y la ATPasa. En la matrizmitocondrial tiene lugar todo el metabolismo de la mitocondria, y en ella hay ribosomasmitocondriales 70s (similares a los procarióticos). En la matriz mitocondrial ocurre elciclo de Krebs y la descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico.

CICLO DE KREBS Y CICLO DEL GLIOXILATO

El ciclo de Krebs, también denominado ciclo del ácido cítrico o ciclo de losácidos tricarboxílicos (CAT), es una ruta metabólica que se localiza en el interior de lasmitocondrias. El ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación deglúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía.




En este ciclo, un compuesto de 4 átomos de C, el oxalacetato, se condensa con elacetilo (2 C) para dar lugar a un ácido tricarboxílico de 6 C, el citrato. Mediante ladescarboxilación oxidativa de un isómero del citrato se forma un compuesto de 5 C, el α -cetoglutarato, que vuelve a descarboxilarse oxidativamente para dar un ácido de 4 C, elsuccinato, que oxidado por la succinato deshidrogenasa da lugar al fumarato. Por último,

el ciclo termina regenerando de nuevo el oxalacetato. De modo que, 2 átomos de C entranen el ciclo en forma de acetil-CoA, y 2 C salen del ciclo como 2 CO 2.

La reacción global del ciclo de Krebs es:

El ciclo de Krebs cumple tres funciones principales en plantas: 1) producción dedonadores de electrones como el NADH y FADH2 que, al ser posteriormente oxidados enla cadena transportadora de electrones, darán lugar a la formación de una considerablecantidad de energía; 2) síntesis directa de ATP, y 3) formación de esqueletos carbonadosque pueden ser utilizados en la síntesis de aminoácidos.

La descarboxilación oxidativa del piruvato, producido en la glucólisis, paraformar acetil-CoA y que tiene lugar en la matriz mitocondrial, es el eslabón entre la

NADH + H+ NAD+

Piruvato

Citrato

Isocitrato

α-Cetoglutarato

Succinil-CoASuccinato

Fumarato

Malato

OxalacetatoCitratosintasa

Aconitasa

Isocitratodeshidrogenasa

α-Cetoglutaratodeshidrogenasa

Succinil-CoAsintetasa

Succinatodeshidrogenasa

Fumarasa

Malatodeshidrogenasa

Acetil-CoACoA-SH

CoA-SH

CO2

Piruvatodeshidrogenasa

NAD+

H2O

H2O

H2O

NADH + H+

CO2

NAD+ NADH + H+

CoA-SH

CO2

ADP + Pi ATP

CoA-SH

Ciclo deKrebs

FADH2

FAD

H2O

NAD+

NADH + H+

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi + 2 H2O → 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + 2 H+ + CoA




glucólisis y el ciclo de Krebs. La reacción está catalizada por el complejo piruvatodeshidrogenasa (PDH):

La piruvato deshidrogenasa está inhibida por: NADH. Acetil-CoA. En mitocondrias de hojas a la luz, la piruvato deshidrogenasa está inactivada por

la actividad fotorrespiratoria. Al formarse glicina aumenta la razón NADH/NAD+,ATP y NH3, lo que provoca la activación de la piruvato deshidrogenasa kinasa.

El ciclo del glioxilato es una modificación del ciclo de Krebs que se produce enlos glioxisomas de las células vegetales. Permite generar glucosa a partir de ácidosgrasos, esto es muy importante en las semillas, debido a que la mayor parte de la energíametabólica necesaria para su desarrollo se encuentra en forma de triglicéridos.

El ciclo comienza como en el ciclo de Krebs, pero el isocitrato (6 C) se escinde englioxilato (2 C) y en succinato (4 C) en una reacción catalizada por la isocitrato liasa. Elsuccinato entra en la mitocondria para incorporarse al ciclo de Krebs, mientras que elglioxilato, por medio de una transacetilación catalizada por la malato sintasa, setransformará en malato en el glioxisoma. Posteriormente, el malato origina de nuevooxalacetato, como en el ciclo de Krebs.

El ciclo del glioxilato sólo es útil mientras la planta no es capaz de realizar lafotosíntesis, entonces utiliza los lípidos almacenados en la semilla para obtener glucosa.Cuando la planta adquiere el aparato fotosintético ya no se da el ciclo del glioxilato.

CADENA MITOCONDRIAL TRANSPORTADORA DE ELECTRONES

Todos los equivalentes de reducción originados en la glucólisis o ciclo de Krebsson oxidados en la cadena de transporte de electrones de la mitocondria . Esta cadenaconsta de una serie de transportadores electrónicos que, mediante reacciones deoxidorreducción, transfieren los electrones desde el donador, el NADH, hasta el aceptorfinal de electrones, el O2, formando H2O como producto final. El transporte de electrones

PDHPiruvato + CoA + NAD+ Acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

Citrato

IsocitratoMalato

Oxalacetato

Citrato

sintasa

Aconitasa

Isocitratoliasa

Malatodeshidrogenasa

Acetil-CoACoA-SH

H2O

H2O

H2OCiclo delglioxilato

Glioxilato

Succinato

CoA-SH

Acetil-CoA

Malatosintasa

NAD+

NADH + H+

H2O




tiene lugar a favor de gradiente electroquímico, es decir, los electrones son cedidos atransportadores con potencial redox más elevado. En este transporte tiene lugar unaconsiderable liberación de energía, que se usará para la síntesis de ATP mediante lafosforilación del ADP.

Los transportadores de electrones se asocian formando cuatro complejos, que se

localizan en la membrana mitocondrial interna, éstos son: Complejo I (complejo de la NADH-deshidrogenasa endógena): tiene una región

hidrofóbica anclada en la bicapa lipídica, y una porción hidrofílica dereconocimiento del NADH orientada hacia la matriz mitocondrial. El complejo Icontiene FMN (flavín mononucleótido) y siete centros Fe-S. Es el punto deentrada de los equivalentes redox del NADH producido en la matriz mitocondrial(durante la oxidación del piruvato, del malato o del α-cetoglutarato). El FMNcapta los electrones del NADH que se oxida a NAD+, y se reduce a FMNH2. Elpaso de electrones está acoplado a la liberación de protones al espaciointermembranoso (4H+ /2e – ). Posteriormente, el poder reductor se cede a loscentros Fe-S, llegando, por último, a la ubiquinona (UQ), que se reduce a

ubiquinol (UQH2). Complejo II (complejo succinato-ubiquinona reductasa): contiene FAD, varios

centros Fe-S y un citocromo b, transfiere los electrones desde el succinato a laubiquinona. El succinato es oxidado a fumarato por la succinato deshidrogenasa,la única enzima del ciclo de Krebs unida a la membrana mitocondrial interna. Elcomplejo II capta el poder reductor del FADH2 y lo transfiere a la ubiquinona.

Complejo III (complejo citocromo c): contiene un centro 2Fe-2S, dos citocromosb (b562 y b566) y un citocromo c (c1). Transfiere los electrones desde el ubiquinol alcitocromo c. El flujo de electrones está también acoplado al bombeo de protoneshacia el espacio intermembranoso (4H+ /2e – ).

Complejo IV (complejo citocromo oxidasa terminal): contiene dos citocromos a (a y a3) y dos átomos de cobre (CuA y CuB), es el encargado de la reducción delO2 para formar H2O. Aquí se localiza el tercer punto de flujo de protones hacia elespacio intermembranoso (2H+ /2e – ).

La mayoría de la ubiquinona y del citocromo c aparecen fuera de estos complejos, lo queindica que pueden actuar como componentes móviles encargados de transportarelectrones entre los cuatro complejos.

NAD+ NADH

I

II

III

UQ

UQH2

Citbred

Citbox

½ O2 +

2 H+

Matrizmitocondrial

Espaciointermembranoso

Membranainterna

H+

FMNH2 FMN

Fe-Sox

Fe-Sred

Succinato Fumarato

FAD FADH2

Ciclo de

Krebs

Fe-Sox Fe-Sred Citc1red

Citc1ox

Fe-Sred Fe-Sox

H+

IV

H+

Citcox

Citcred

Citared Citaox

Cu2+ Cu1+

H2O




Inhibidores del transporte electrónico mitocondrialComplejo I Rotenona, amital, piericidinaComplejo III Antimicina AComplejo IV Cianuro, monóxido de carbono

Respiración resistente a cianuro. Una diferencia importante entre mitocondriasanimales y vegetales es que estas últimas pueden poseer dos rutas separadas para eltransporte de electrones: la normal y otra ruta alternativa resistente, total o parcialmente,al cianuro. Eso se debe a que tienen un complejo citocromo oxidasa terminal resistente acianuro. La ubiquinona es el punto de ramificación entre ambas rutas. La ruta alternativaresistente a cianuro compite por los electrones con la ruta normal.

La oxidasa alternativa presenta modificaciones covalentes, sistemasulfidril/disulfuro, incrementando de 4 a 5 veces su actividad cuando está en formareducida ( – SH-HS – ). La reducción de los grupos – S-S – está catalizada por la tiorredoxinareductasa. La oxidasa alternativa está regulada por piruvato, glioxilato y citrato(metabolitos carbonados). Los niveles de oxidasa alternativa aumentan con los altosniveles de piruvato y NADH en la matriz (favorece la forma – SH-HS – ), bajastemperaturas, sequía, especies tóxicas del oxígeno, y con la maduración de los frutos.

La respiración resistente a cianuro tiene un efecto termogénico en los espádices de Arum maculatum (cala), durante la floración y polinización. Este aumento de latemperatura se consigue porque la ruta alternativa es no fosforilativa y casi toda la energíade oxidación se libera en forma de calor.

Sistemas NADH-deshidrogenasa. En las mitocondrias vegetales, el NADHendógeno y el exógeno son oxidados por sistemas de NADH-deshidrogenasa diferentes.Ambos sistemas comparten una ruta común desde la ubiquinona al oxígeno. Hay dos

sistemas de NADH-deshidrogenasas capaces de oxidar el NADH exógeno, uno de elloslocalizado en la membrana externa y otro localizado en la membrana interna por su caraexterna. Por lo que respecta a la oxidación del NADH endógeno, las mitocondriasvegetales poseen dos NADH-deshidrogenasas en la cara interna de la membrana interna.

NAD+ NADH

I

IIIIIUQ

Matrizmitocondrial

Membranainterna

4 H+

IV Cit c

Espaciointermembranoso

NADH

NADH-DHendógena

NADH-DHexógena

NADH-DHendógena

NAD+ NADH

NADH NAD+

NADH-DHexógena

NADH NAD+

Membranaexterna

O x i d a s a

a l t e r n a t i v a

O2 H2O O2 H2O

Citosol

H+

ATP ADP + Pi

F0

F1

Cit b

e –

4 H+ 2 H+




FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

La fosforilación oxidativa es el proceso por el que se forma ATP, cuando se

transfieren los electrones desde el NADH o FADH2 al O2 mediante una serie detransportadores de electrones. La fuerza directriz de la fosforilación oxidativa es elpotencial de transferencia de electrones del NADH. El cambio en el potencial redox entreel par NADH/NAD+ (− 0,32 V) y el par O2 /H2O (+ 0,82 V) es de + 1,14 V.

La hipótesis quimiosmótica propone que unido al transporte de electrones hay untransporte transversal de protones (H+) desde la matriz al espacio intermembranoso. Losprotones se acumulan en la cara exterior de la membrana mitocondrial interna que, enconsecuencia, queda cargada positivamente. La energía generada en el gradiente deprotones es utilizada en la mitocondria para la síntesis de ATP por una ATPasatranslocadora de protones (complejo F1-F0) que presenta las mismas características que laque aparece en los cloroplastos. El ATP se genera en la matriz mitocondrial, pero seconsume en el citosol. Acoplado al transporte de ATP hacia el espacio intermembranosohay un antiporte de ADP hacia la matriz (transportador de nucleótidos de adenina). El P i entra en la matriz desde el espacio intermembranoso gracias a un cotransportador H+ /Pi.

La estequiometría del acoplamiento de flujo de protones y electrones es de4H+ /2e – para los complejos I y III y de 2H+ /2e – para el complejo IV, por lo que 10 H+ fluirán al espacio intermembranoso por cada 2 e – que recorran en su totalidad la cadenade transporte electrónico. Si se requieren 3 H+ para la síntesis de ATP y 1 H+ es necesariopara el transporte de ADP y Pi hacia el interior de la mitocondria y ATP hacia el exterior,en conjunto se necesitan 4 H+ para producir una molécula ATP. De modo que, se

producen 2,5 ATP por cada NADH y 1,5 ATP por cada FADH2 oxidado.Producción total de ATP por una glucosa que se quema totalmente en respiración:

Glucólisis 1 Glucosa 2 ATP2 NADH × 1,5* 3 ATP

Descarboxilación oxidativa 2 Piruvato 2 NADH × 2,5 5 ATPCiclo de Krebs 2 Acetil-CoA 2 ATP

6 NADH × 2,5 15 ATP2 FADH2 × 1,5 3 ATP

TOTAL 30 ATP

*NADH producido en el citosol, entra a la cadena transportadora a través de la NADH-DH exógena

Cuando los electrones se desvían por la ruta alternativa resistente a cianuro seobtiene muy poco ATP, la mayor parte de la energía se disipa en forma de calor:

Glucólisis 1 Glucosa 2 ATP2 NADH × 2,5 5 ATP

Descarboxilación oxidativa 2 Piruvato 2 NADH × 2,5 5 ATPCiclo de Krebs 2 Acetil-CoA 2 ATP

6 NADH × 2,5 15 ATP

2 FADH2 × 1,5 3 ATP TOTAL 4 ATP




CRECIMIENTO Y AUXINAS

CONCEPTO Y MEDIDA DEL CRECIMIENTO

Puede definirse el crecimiento como la síntesis de protoplasma que vieneacompañada de un cambio de forma y un aumento irreversible de la masa del ser vivo,órgano o célula. Hay que tener en cuenta que, puede darse crecimiento sin que aumente eltamaño, pero sí el número de células.

Se entiende por diferenciación la expresión diferencial de ciertos genes en lascélulas meristemáticas, que conlleva a la aparición de diversas estructuras en la planta. Lamorfogénesis es el proceso de formación de los distintos órganos de la planta (semilla,raíz, hojas, etc.). Ambos procesos ocurren a la vez.

Medida del crecimiento ( y): mediante distintos procedimientos se puede obteneruna medida de la variación del crecimiento ( ∆ y) que, expresada en función del tiempo (t ),dará la velocidad de crecimiento ( ∆ y / t ). El crecimiento relativo ( ∆ y / y) se obtiene si secompara el crecimiento absoluto con el existente a t = 0. Otro término que sueleemplearse es la tasa de velocidad de crecimiento relativo ( ∆ y / y∆t ).

Los valores de crecimiento pueden representarse gráficamente en función deltiempo, y se obtiene una curva sigmoide:

Curva de crecimiento de una planta:

A, curva sigmoide de crecimiento (o gran curva de crecimiento);B, doble sigmoide; C, crecimiento con pérdida de masa celular al llegar la senescencia.

y

t

A

B

C




Pueden diferenciarse tres fases:I. Fase logarítmica: crecimiento exponencial. No hay factores limitantes, pero el

crecimiento es lento porque hay pocos centros meristemáticos y la incorporaciónde la materia a través de la fotosíntesis es pequeña.

II. Fase lineal: crecimiento lineal. III. Fase estacionaria: crecimiento estacionario. Hay muchos factores limitantes delcrecimiento: el suelo se empobrece en nutrientes o agua, la planta presentadificultades de aprovisionamiento, aumentan los compuestos tóxicos, etc.Finalmente se detiene el crecimiento, la planta entra en senescencia y terminamuriendo.

Esta curva puede representarse matemáticamente. Para la fase I:

(A) Representación lineal: rt y y 0

donde: y0, peso de la planta al tiempo 0; y, peso de la planta al tiempo t ; r : tasa decrecimiento (r = pendiente de la recta a / b). r es constante, no hay factores limitantes.

El crecimiento es independiente de la tasa.

(B) Tiempo de duplicación: r t t / 2ln12

El tiempo de duplicación es independiente del número de población.

La fase II de crecimiento lineal rápido puede expresarse mediante la ecuación deuna recta:

bat y en la que a es la tasa de crecimiento por unidad de tiempo.

Para la fase III: r no es un valor constante (hay factores limitantes), disminuyecon el tiempo, es decir:

y yak r )( de modo que puede calcularse el valor mitad del crecimiento máximo:

2 / a y

y

t

I

III

II

a

a/2




FACTORES QUE AFECTAN AL CRECIMIENTO

Factores exógenos: gravedad, CO2, fotoperiodo, humedad, C2H4, viento,temperatura, O2, parásitos, H2O, nutrientes minerales, disponibilidad de luz, luz concapacidad fotosintética, herbívoros, microorganismos del suelo, calidad del suelo,

compuestos químicos alelopáticos, toxinas, etc.Factores endógenos:

Meristemos: zonas meristemáticas del ápice del tallo, ápice de la raíz, cambiumvascular, hojas jóvenes…

Hormonas vegetales: auxinas, giberelinas, citoquininas, etileno, ácido abscísico.

El crecimiento y el desarrollo están íntimamente relacionados y controlados por:tamaño final, forma y tamaño de los distintos órganos.

La correlación del crecimiento está controlada por: Factores genéticos. Factores fisiológicos, como los nutricionales (p. ej. proporción del tamaño del

fruto) y los hormonales (p. ej. la dominancia apical).

CRECIMIENTO CELULAR

El crecimiento celular puede conseguirse mediante dos procesos diferentes: Por división celular de las células meristemáticas, de este modo no se consigue

un aumento del volumen sino del número de células. Por elongación de las células procedentes de la división, así se consigue un

incremento del tamaño de la planta.A lo largo del crecimiento tienen lugar los procesos de diferenciación celular. Los

procesos de crecimiento, diferenciación y morfogénesis ocurren solapados.

Secuencia de acontecimientos en la vida de una célula:

Célula meristemática(indiferenciada)

Aumento delprotoplasma

División celular↓

Expansión↓ Diferenciación

Maduración↓

Célula madura↓

Senescencia↓

Muerte celular




MECANISMOS DEL CRECIMIENTO DE LA PARED CELULAR

La pared celular es una envuelta rígida que rodea a la célula vegetal. Esta pareddebe poseer rigidez suficiente para proporcionar la forma de la célula vegetal y ademásdeberá ser capaz de extenderse para permitir el crecimiento celular. Las características

mecánicas de la pared celular no son ni plásticas ni elásticas, sino que tiene unascaracterísticas intermedias que se conocen como extensión viscoelástica, es decir, sepuede alargar como una goma elástica (elasticidad) pero no regresa inmediatamente a suforma inicial (plasticidad). El crecimiento celular tiene lugar por una serie consecutiva deextensiones viscoelásticas. Pero la extensión de la pared celular no es únicamente unadeformación física, sino que también intervienen procesos metabólicos. Por ejemplo, elcrecimiento celular de los coleóptilos de avena es muy sensible a los cambios detemperatura y es inhibido por KCN (cianuro de potasio). Esto nos indica que para laextensión de la pared se requiere ATP, pues el cianuro inhibe la respiración, y queintervienen enzimas, ya que las altas temperaturas las inactivan.

Las auxinas provocan la pérdida de rigidez de la pared celular, de tal forma queésta puede extenderse bajo el potencial de presión provocado por la entrada de agua en lacélula. Ocurre del siguiente modo:

Las auxinas activan a la ATPasa del plasmalema, de modo que salen H+ hacia elapoplasto, y desciende el pH. Si baja el pH se activan las glucanasas, que son enzimasdegradatorias de la pared celular que rompen los polisacáridos de la misma, de este modose reblandece la pared. Asimismo, el pH ácido activa también a dos enzimas implicadasen el crecimiento de la pared celular: la xiloglucano-endotransglicosilasa (XET) y lasexpansinas. La XET es capaz de romper cadenas de xiloglucano (la hemicelulosa másabundante) y transferir los oligosacáridos resultantes a otras cadenas de xiloglucano de lapared. Esta enzima presenta un pH óptimo ácido, por lo tanto puede ser activada porauxinas. Las expansinas son enzimas responsables de la extensión de la pared y que seven inducidas por pH ácido. Su acción se lleva a cabo por su unión en la interfase entrelas microfibrillas de celulosa y el xiloglucano que las recubre, provocando la ruptura delos numerosos puentes de hidrógeno existentes entre ambos polímeros, permitiendo así el

desplazamiento de unas microfibrillas de celulosa con respecto a otras.

Auxina

↓ activa

bomba de protones

↓ provoca

acidificación del apoplasto

↓ activa

expansinasprovoca junto con la entrada

↓ de agua al citoplasma

relajación de la pared

↓ activa

XET, hidrolasas, etc.

↓

CRECIMIENTO DE LA PARED CELULAR




Las expansinas actúan como una cuña separando las moléculas de hemicelulosa delas fibras de celulosa, dejando accesibles los enlaces glucosídicos para que actúen lasglucanasas. La XET rompe las hemicelulosas, y las vuelve a unir una vez se han alargado,de este modo crece la pared.

Las auxinas, además de activar la bomba electrogénica de protones, activantambién la expresión de genes que codifican para proteínas de biosíntesis de componentesde la pared celular.

CONCEPTO DE HORMONA EN PLANTASLas hormonas vegetales son compuestos naturales sintetizados por la propia

planta. Son moléculas de pequeño tamaño que actúan a baja concentración (nM-μM). No

se sintetizan en glándulas ni órganos específicos, se pueden sintetizar en cualquier célulavegetal y ejercer su acción en el mismo lugar de síntesis o en tejidos alejados. Setransportan de una zona a otra de la planta, y generalmente como forma ligada. Se puedensintetizar en una etapa del desarrollo de la planta, y acumularse y ejercer su acción en otraetapa diferente. Sus efectos fisiológicos son muy diversos, pudiendo dos hormonasdiferentes provocar el mismo efecto.

El crecimiento y desarrollo de la planta supone un balance adecuado de las

distintas hormonas en las distintas etapas del desarrollo.

Celulosa

Hemicelulosa(xiloglucano)

XETExpansina




Tipos de hormonas vegetalesAuxinas Giberelinas Etileno

Ácido 3-indolacético (AIA) Ácido giberélico (GA3)

Citoquininas Ácido abscísico (ABA)Zeatina

AUXINAS, NATURALEZA Y METABOLISMO

Francis y Charles Darwin (1880) observaron que cuando se ilumina lateralmenteun coleóptilo de avena, éste crece curvándose hacia la luz, pero si se tapa el ápice delcoleóptilo con un material opaco no responde a la luz. Boysen Jensen (1910) corta elápice de un coleóptilo y observa que el coleóptilo decapitado no se curva y, sin embargo,

al reemplazar el ápice, uniéndolo al coleóptilo mediante un bloque de agar, hay curvatura.Paal (1919) colocó los ápices de coleóptilo asimétricamente, y vio que también habíacurvatura. Went (1928) cortó el ápice de un coleóptilo y lo colocó sobre un bloque deagar, después de un tiempo retiró el coleóptilo y colocó solo el bloque de agar,observando también curvatura en el coleóptilo.

Con estos experimentos se pudo determinar que en el ápice del coleóptilo seproduce una sustancia estimulante del crecimiento que se distribuye de forma asimétrica,que hace que crezca más la zona oscura que la iluminada. Esta sustancia que induce el

crecimiento se denominó auxina (del griego auxein: crecer), la primera auxina que seidentificó fue el ácido 3-indolacético (AIA). El AIA está presente en todas las plantas.

Luz

Agar

Darwin y Darwin (1880) Boysen Jensen (1910) Paal (1919) Went (1928)




Determinación biológica de auxinas: bioensayos: Test de curvatura del coleóptilo de avena: se coloca un bloque de agar con el

extracto de auxinas, asimétricamente sobre un coleóptilo decapitado. Se mide elgrado de curvatura del coleóptilo, que es proporcional a la concentración de

auxinas en el bloque hasta un cierto valor máximo.

Se someten distintos segmentos de coleóptilo de avena a distintas concentracionesde auxinas, y se mide su crecimiento.

También puede usarse, en lugar de segmentos de coleóptilo, el primer segmento

internodal. Se hace un corte longitudinal en un trozo de tallo de guisante dejando las dosmitades unidas por la base, se incuba en una solución de auxina y se mide el gradode curvatura.

La inhibición de la elongación de las raíces también puede servir para valorarauxinas. Las plántulas de maíz en agua alargan más las raíces que las que están enuna solución con auxinas.

Biosíntesis de auxinas. En las plantas existen varias rutas biosintéticas de AIA:a) Ruta del ácido indolpirúvico: es la vía mayoritaria de las plantas.b) Ruta de la triptamina: aparece en Poáceas.

c) Ruta de la indolacetaldoxima: es característica de Brasicáceas.d) Ruta de la indolacetamida: se da en procariotas y en plantas transformadas por Agrobacterium.

C u r v a t u r a

Concentración AIA

Triptófano

a b c d Triptófano Triptófano Peroxidasa de Triptófano

transaminasa descarboxilasa rábano (in vitro ) monooxigenasa

Ácido indolpirúvico Triptamina Indolacetaldoxima Indolacetamida

Indolpirúvico Aminooxidasa IndolacetaldoximaDestioglucobrasicinadescarboxilasa hidrolasa

Mirosinasa HidrolasaIndolacetaldehído Indolacetonitrilo Glucobrasicina

NitrilasaIndolacetaldehído

oxidasa

AIA




Existen también vías de biosíntesis de AIA independientes del aminoácidotriptófano, como se ha demostrado en mutantes de Zea mays y Arabidopsis thaliana defectuosos en la síntesis del triptófano y, sin embargo, capaces de acumular mucho másAIA que las plantas normales.

Auxinas naturales: Ácido 3-indoacético (AIA). Ácido indolbutírico (AIB): se sintetiza a partir del AIA y, a su vez, puede originar

también AIA. Ácido 4-cloro-indolacético (4-Cl-AIA). Ácido fenilacético (AFA).

AIB 4-Cl-AIA AFA

Auxinas sintéticas: Ácido naftalen-1-acético (ANA). Ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D).

2,4-D ANA

Lugar de biosíntesis de las auxinas: regiones jóvenes y zonas meristemáticas derápido crecimiento:

Ápice del tallo. Yemas en rápido crecimiento. Semillas en desarrollo. Hojas jóvenes en expansión.

Degradación de auxinas: el AIA se puede inactivar por modificaciones a nivel dela cadena lateral, o degradarse por dos rutas distintas:

1. Ruta de la descarboxilación oxidativa: está catalizada por la enzima AIA oxidasa(peroxidasa). Hay dos vías, la de los oxindoles y la de los indoles.

2. Ruta de la oxidación no descarboxilativa.

Formas ligadas de AIA: en la planta, la mayoría del AIA se encuentra en formaconjugada. El AIA puede unirse, por el grupo – COOH, a aspártico (AIA-asp), a glucosa(AIA-glu) o a inositol (AIA-inos).




TRANSPORTE DE AUXINAS

El transporte de las auxinas ocurre de forma polarizada, es decir, en un segmento

de tallo irá siempre en dirección basipétala (se desplaza hacia la base del tallo) y en unsegmento de la raíz irá en dirección acropétala (hacia el ápice de la raíz).

Las auxinas se sintetizan principalmente en la yema apical y se transportanpolarmente hasta la raíz, a través de las células del parénquima asociadas al tejidovascular. Según el modelo quimiosmótico del transporte polar, hay dos formas deentrada del AIA al citosol: por transporte pasivo de la forma no disociada (AIAH) o porun mecanismo de contransporte activo con H+ de la forma aniónica (AIA – ). En el citosolel AIAH se desprotona y forma AIA – , las H+-ATPasas sacan los protones al apoplasto, demodo que acidifican la pared celular y hacen que pueda entrar más AIA – en contransportecon H+. El AIA – sale por los extremos basales de las células a través de proteínas

transportadoras de salida de aniones, y atraviesa el apoplasto en dirección a la siguiente

Hay transporte No hay transporte

A

B

A

B

B

A

Coleóptilo

de avena

Agar con

auxinas

Transporte

basipétalo

Transporte

acropétalo




célula. La salida está dirigida por el potencial de membrana generado por la H+-ATPasadel plasmalema.

Flujo de AIA en una célula:

EFECTOS GENERALES DE LAS AUXINAS

Crecimiento longitudinal del tallo por elongación celular. Estimula el crecimiento del cambium por división celular.

Enraizamiento de esquejes. Induce la formación de frutos partenocárpicos, esto es, frutos que se desarrollan

sin que haya habido fecundación y que, por lo tanto, no tienen semillas. Promoción de la biosíntesis de etileno en la raíz: altas concentraciones de

auxinas estimulan la producción de etileno, y éste inhibe el crecimiento. Mantenimiento de la dominancia apical: crecimiento de la yema apical en

detrimento de las yemas laterales. Las auxinas hacen de sumidero de nutrientes,como se sintetizan en el ápice del tallo, los nutrientes se dirigen hacia la yemaapical, y no van hacia las yemas laterales. Pero si se corta la meristemo apical

crecerán más las yemas apicales:

Crecimiento

Conjugación Oxidación catabólicaAIA-glu AICAIA-inos MOI

Transporte Biosíntesis

AIA




Las auxinas participan directamente en el crecimiento de la planta, pero lasconcentraciones supraóptimas de auxinas inhiben el crecimiento, y la planta deja decrecer. Cada órgano de la planta requiere una concentración de auxinas distinta:

Aplicaciones de las auxinas en la agricultura: Enraizamiento de esquejes. Retrasar la caída de los frutos. Aclareo de frutos. Cuajado de frutos, importante para cosechar todos los frutos simultáneamente. Modificación del aspecto de los frutos, generalmente en cítricos. Inducción de frutos partenocárpicos (sin semillas). Acción herbicida: hay auxinas sintéticas que a altas concentraciones funcionan

como herbicidas en algunas plantas. El 2,4-D (ácido 2,4-diclorofenoxiacético) fueel primer herbicida que se comercializó, mata a dicotiledóneas, pero no amonocotiledóneas. El Agente Naranja es una mezcla de dos herbicidas, el 2,4-D yel 2,4,5-T (ácido 2,4,5-triclorofenoxiacético), fue usado por el ejército de EE.UU.

para deforestar grandes masas de selva tropical durante la Guerra de Vietnam.

Concentración de auxina

I n h i b i c i ó n

P r o m o c i ó n

Raíces

Brotes

Tallos

C r e c i m i e n t o




MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS AUXINAS

El mecanismo de acción de las hormonas vegetales aún no se conoce enprofundidad. Se han identificado receptores para el etileno, para el ácido abscísico, paragiberelinas y para la auxina. La unión al receptor es el primer paso de la transducción de

la señal, que debe llegar hasta el núcleo donde diversos genes serán reprimidos oactivados según el caso. Esta transducción de señales puede estar mediada por diversosmensajeros secundarios, como PIP2, DAG, IP3, Ca2+, ácido jasmónico, etc.

Cuando una hormona se une a su receptor en la parte externa de la membrana seproduce la hidrólisis de los fosfatidilinositoles. La hidrólisis del fosfatidilinositol 4,5-bifosfato (PIP2) por fosfolipasa C da lugar a diacilglicerol (DAG) e inositol trifosfato(IP3). El DAG queda ligado a la membrana, y el IP3 se difunde en el citosol ydesencadena un aumento transitorio de Ca2+ en el citosol al abrir los canales de calcio deltonoplasto.

El contenido en calcio citosólico es muy bajo debido a que existen bombasATPasas de Ca2+ que lo expulsan al exterior o lo introducen en la vacuola, hay hormonasque pueden desencadenar una serie de respuestas debido a que incrementan el contenidode Ca2+ citosólico. Esto produce la fosforilación, mediante protein-kinasas, de ciertasproteínas, y estas proteínas fosforiladas son capaces de regular genes. En otros casos lasprotein-kinasas solo se activan cuando se les une el complejo Ca-calmodulina.

En el caso de las auxinas, la proteína de membrana ABP1 (auxin binding protein

1) funciona como receptor de auxina. Se localiza principalmente en el retículoendoplasmático, posee la secuencia HDEL (his-asp-glu-leu) característica de retículoendoplasmático, aunque una pequeña cantidad de ABP1 se secreta a la membranaplasmática.

Otras proteínas que se unen a las auxinas son: glutatión S-transfera (GST), 1,3-βglucanasa y citoquinina glucosidasa.Las Aux/IAA son una familia de proteínas que inhiben a los factores de

transcripción ARF de respuesta a auxinas. Las auxinas pueden activar la destrucción delas proteínas Aux/IAA, para ello se unen a la porción TIR1 (receptor de auxinas) de uncomplejo encargado de la ubiquitinación de las proteínas Aux/IAA. De este modo, losfactores Aux/IAA son marcados para su destrucción por el proteasoma 26S. Así, lasauxinas eliminan el efecto represor de las proteínas Aux/IAA sobre los factores detranscripción ARF, y se permite la transcripción de genes diana de las auxinas.

Algunos genes implicados en la acción de las auxinas son: el gen AUX1, que

codifica para permeasas de auxinas (su expresión es alta en células epidérmicas de laraíz); y el gen AtPIN2, que está relacionado con el control del gravitropismo.




GIBERELINAS Y CITOQUININAS

NATURALEZA, EFECTOS GENERALES Y METABOLISMO DE LAS GIBERELINAS

Las plantas de arroz contaminadas por el hongo Gibberella fujikuroi crecen más,

pero no producen frutos. A partir del filtrado en que crece el hongo se aisló la sustancia

que causaba el alargamiento de las plantas, la giberelina A.

Las giberelinas son diterpenoides ácidos derivados del hidrocarburo tetracíclico

ent -kaureno. La mayoría de las giberelinas poseen los 20 átomos de carbono de su

precursor, pero otras han perdido el carbono número 20 durante su biosíntesis, por lo que

tienen solo 19 átomos de carbono.

Hasta ahora se han encontrado más de 120 giberelinas distintas, aunque no todas

funcionan como hormonas. Están presentes en todas las plantas superiores, en hongos,

bacterias y algunas algas.

Como la nomenclatura de la IUPAC es muy compleja, se nombran con la

expresión abreviada GAn, donde n indica el orden de su descubrimiento.

Determinación biológica de giberelinas: bioensayos: Crecimiento del entrenudo de guisante enano: se aplica la solución de giberelinas

en la axila de la hoja del tercer entrenudo, y se mide la distancia que hay entre el

tercer y sexto entrenudo.

Crecimiento de la vaina de hoja de maíz enano.

Crecimiento de hipocótilo de lechuga.

Endospermo de cebada: se determinan los azúcares reductores producidos por la

acción de las giberelinas a través de la producción de α -amilasas (las giberelinas

inducen la producción de α-amilasa en embriones de semillas).

Senescencia de hojas: se colocan discos cortados de hojas flotando sobre la

solución problema, y se mide el contenido de clorofila. La giberelina evita el

envejecimiento de las hojas, es decir, la pérdida de clorofila.

L o n

g i t u d t a l l o

Concentración GA

Control con agua




Biosíntesis de giberelinas: las primeras etapas, desde la formación del geranil-

geranil pirofosfato hasta ent -kaureno, ocurren en plastidios de tejidos meristemáticos, y

desde ent -kaureno hasta aldehído GA12 tiene lugar en el retículo endoplasmático:

El aldehído GA12 es el precursor de todas las demás giberelinas, sale del retículo

endoplasmático al citosol, y en el citosol se transforma en GA12, en este proceso está

implicado un complejo enzimático de monooxigenasas dependientes de citocromo P450.

La GA12 puede sufrir modificaciones por dos rutas:

1. Ruta de hidroxilación del C-13: GA53 → GA44 → GA19 → GA20 → GA1 → GA8.

2. Ruta de no hidroxilación del C-13: GA15 → GA24 → GA9 → GA4 → GA34.

En estas rutas actúan enzimas oxidasas y 3β-hidroxilasas. Hay giberelinas de 19 y de 20

átomos de carbono que se pueden obtener por las dos vías. La pérdida del átomo del C-20para formar giberelinas de 19 átomos de carbono se realiza mediante oxidación secuencial

del grupo metilo de C-20 a un aldehído y eliminación de este átomo con la consiguiente

formación del esqueleto de 19 átomos de carbono.

Las giberelinas de 20 átomos de carbono son poco activas. En el C-20 podemos

encontrar distintas funciones: metilo ( – CH3), hidroximetilo ( – CH2OH), aldehído ( – COH),

o carboxilo ( – COOH). La presencia de un grupo ácido en el C-20 implica pérdida de

activad biológica. Las giberelinas de 19 átomos de carbono son más activas

biológicamente: tienen más actividad las que están hidroxiladas ( – OH) en C-3β, en C-3β

y C-13, e insaturadas en C-1, C-2. En cambio, la presencia de un grupo – OH en C-2β

significa la pérdida de la actividad biológica. La GA3

es la giberelina que más actividad

biológica tiene, tiene 19 carbonos y está hidroxilada en C-3 y en C-13 e insaturada entre

C-1 y C-2.

C l o r o f i l a

Concentración GA

Ácido mevalónicoÁcido pirúvico + GA3P

Copalil pirofosfato sintasa

Geranil-geranil pirofosfato Copalil pirofosfato

ent -kaureno sintasa

ent -kaurenoPLASTIDIO

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICOent -kaurenol

ent -kaurenal

Monooxigenasas dependientesde citocromo P450

Aldehído GA12 Ácido ent -7α-hidroxikaurenoico Ácido ent -kaurenoico




No se conoce la ruta degradativa de las giberelinas.

Lugar de biosíntesis de las giberelinas: se producen en ápices de tallos y raíces,

hojas en expansión, frutos y semillas en desarrollo. Las giberelinas actúan en los procesos

de germinación y crecimiento, por lo que se sintetizan en tejidos jóvenes.




Los compuestos Amo 1618, CCC, Fosfon D y B995 son retardantes del

crecimiento ya que inhiben la síntesis de giberelinas, y producen enanismo en las plantas.

Transporte de las giberelinas: el desplazamiento es rápido, mayoritariamente

por el floema, aunque puede haber transporte en el xilema, probablemente por

desplazamiento radial desde el floema al xilema. A diferencia de lo que sucede en el caso

de las auxinas, las giberelinas no se transportan de forma polarizada.

Efectos fisiológicos de las giberelinas: Estimulan el crecimiento del tallo (alargamiento intermodal del tallo). Las

giberelinas producen división celular, las auxinas, en cambio, causan alargamiento

celular.

Inducen iniciación floral. Favorecen la germinación de semillas (ruptura de la dormición). Cuando

descienden los niveles de hormonas inhibidoras del crecimiento en las semillas,

aumentan los niveles de giberelinas, y ocurre la germinación.

Inducción de la actividad α-amilasa en semillas (p. ej. de cebada).

Aplicaciones industriales de las giberelinas:

Producción de frutos partenocárpicos (p. ej. uva italiana).

Estimular el cuajado de frutos (p. ej. melocotón, cerezas…).

Estimular el alargamiento del tallo (caña de azúcar, apio, racimos de uvas…).

Retardantes del desarrollo (p. ej. el paclobutrazol inhibe la biosíntesis degiberelinas), para reducir el crecimiento de plantas de interés ornamental (flor de

Pascua, crisantemo…).

Sin GA Con GA




Aumentar la producción de malta en las semillas de cebada, para la producción de

cerveza.

MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS GIBERELINAS

El gen GAI (gibberellin insensitive) codifica para factores de transcripción de la

familia DELLA. Las proteínas DELLA son reguladores negativos de la señalización de

giberelinas, tienen un dominio N-terminal muy conservado con el motivo DELLA (Asp-

Glu-Leu-Leu-Ala), y un dominio GRAS en el extremo C-terminal.

El gen SPY (spindly) codifica para una glucosil transferasa que actúa como

regulador negativo de la señal de transducción. Activa a las proteínas DELLA. Detiene el

crecimiento del internodo del tallo, y la planta deja de crecer.

La proteína GID1 (gibberellin insensitive dwarf 1) es un receptor de giberelinas

localizado mayoritariamente en el núcleo. La giberelina se une a GID1, y el complejo

GID1-GA se une a SLR1, un miembro de la familia DELLA de represores

transcripcionales. Las proteínas DELLA bloquean la transcripción dependiente de

giberelinas de genes diana de las giberelinas, posiblemente de manera similar a la

actuación de las Aux/IAA en el caso de las auxinas. A consecuencia de la unión de GID1,

la proteína DELLA es ubiquitinada y marcada para su posterior degradación vía

proteasoma 26S.

NATURALEZA, EFECTOS GENERALES Y METABOLISMO DE LAS CITOQUININAS

Los tejidos floemáticos inducen la división celular de tejido parenquimático de

patata. Y si sobre una herida de una planta se pone jugo xilemático o extractos vegetales

se favorece la cicatrización. La leche de coco, extracto de malta, extracto de levadura y

ADN de esperma de salmón presentan elevada actividad como inductores de la división

celular. En todas estas sustancias se ha identificado 6-(furfurilamino) purina, que, como

induce proliferación celular, se denominó kinetina (o quinetina).

De forma general, a todas estas sustancias que inducen división celular, se lesdenomina citoquininas o citocininas (de citocinesis). Hoy en día se conocen un gran

número de compuestos con actividad citoquinina aislados en multitud de plantas, aunque




la citoquinina de distribución más universal es la zeatina. La zeatina se aisló por primera

vez de semillas de maíz, del maíz también se aisló la benciladenina.

Quinetina o 6-(furfurilamino) purina Zeatina Benciladenina

Las citoquininas pueden presentarse en la planta como formas libres (son las

formas hormonalmente activas) o como formas ligadas a ribonucleósidos, ribonucleótidos

y glucósidos.

Los ARNt no solo contienen los cuatro nucleótidos usuales, sino también otros

nucleótidos raros. Algunas de estas bases menos frecuentes (p. ej. cis-zeatina) actúan

como citoquininas cuando se hidroliza el ARNt.

Determinación biológica de las citoquininas: bioensayos:

Al aplicar citoquininas sobre callos de soja o zanahoria, se observa un aumento

del peso fresco y del número de células.

Si se colocan discos de hojas de plantas etioladas flotando sobre la solución

problema, se observa que los discos que están sobre la solución de citoquininas

aumentan de diámetro o de peso en relación con aquellas que flotan en la solución

control. Se basa en el hecho de que las citoquininas pueden actuar como

estimulantes del crecimiento de hojas, en contra de la acción inhibidora de las

auxinas.

Si se cortan discos de hojas envejecidas que comienzan a amarillearse, y se

colocan sobre la solución problema, se observa que, mientras que los discos de la

solución control se vuelven completamente amarillos, los que están en la solución

de citoquininas retienen aún el color verde. Esto, se debe a que las citoquininas, si

se aplican en superficie, son capaces de retrasar el amarilleamiento de las hojas.

Conc. citoquininas (log)

I n c r e m e n t o d e p e s o

P e s o c o t i l e d ó n

Conc. citoquininas (log)




Biosíntesis de citoquininas. El ∆2-isopentenil pirofosfato (∆2

-IPP) se condensa

con AMP para formar un ribótido de isopentenil adenina ([9R-5′P]iP):

Por hidroxilación del [9R-5′P]iP se obtiene zeatina, y sus derivados.

Los ribósidos y ribótidos de citoquinina pueden hidrolizarse:

La zeatina puede reducirse a dihidroxizeatina. La dihidroxizeatina es más estable

en condiciones oxidantes, y tan activa como la zeatina.

Lugar de biosíntesis de las citoquininas: se generan en el ápice de las raíces.

Degradación de las citoquininas: cuando se oxida la cadena lateral de una

citoquinina, ésta pierde su actividad biológica. Constituye un mecanismo de regulación de

los niveles de las mismas en el tejido. La oxidación la lleva a cabo la enzima citoquinina

oxidasa, en el caso de la iP (isopenteniladenina) la reacción es:

Transporte de las giberelinas: se transportan desde la raíz al tallo a través del

xilema. El transporte es lento.

Efectos fisiológicos de las citoquininas:

Estimulan la división celular.

Retrasan la senescencia, al retrasar el tiempo de desaparición de clorofilas en la

hoja.

Favorecen el transporte de solutos de zonas viejas de la hoja (órgano fuente) a

zonas jóvenes (órgano sumidero).

Acción morfogenética en cultivo de tejidos.

Aplicaciones industriales de las citoquininas: Micropropagación industrial, rebrote de yemas axilares, formación de tallos

adventicios…

∆2-isopentenil-pirofosfato:

5′-AMP-∆2-isopenteniltransferasa

AMP

∆

2

-IPP

+

+

[9R-5′P]iP

PPi

5′-ribonucleotidasa Adenina nucleosidasa[9R-5′P]iP [9R]iP iP

Citoquininaoxidasa

3-metil-2-butenalAdeninaiP O2

+




Estimulación de la ramificación de plantas, así se evita que haya yemas apicales

dominantes.

Control de la forma y tamaño del fruto (acción conjunta con giberelinas).

Relación citoquininas/auxinas: un balance adecuado de ambas hormonas induce

la formación de yemas y/o raíces, dependiendo de la concentración de ambas y de laespecie en que esté actuando. La relación citoquinina/auxina regula la morfogénesis en

cultivos de tejidos in vitro.

El ápice del tallo y las hojas jóvenes producen las auxinas necesarias para el

desarrollo adicional de la raíz, y en la raíz se sintetizan citoquininas que promueven la

formación de yemas y hojas:

MECANISMOS DE ACCIÓN DE LAS CITOQUININAS

El gen CKI1 (cytokinin independent 1) codifica una proteína histidina quinasa,

similar a los receptores bacterianos de dos componentes y similar al receptor ETR1 de

etileno, implicada en la percepción y transducción de la señal de las citoquininas. La

proteína histidina quinasa actuaría como receptor de membrana. La sobreexpresión de

este gen tiene como resultado que las plantas exhiban respuestas de citoquinina típicas,

incluida la división celular rápida y la formación de brotes en cultivos celulares en

ausencia de citoquinina exógena.

↑[auxinas]/ ↓[citoquininas] → Formación de raíces.

↓[auxinas]/ ↑[citoquininas] → Formación de parte aérea.




HORMONAS INHIBIDORAS DEL CRECIMIENTO

NATURALEZA, EFECTOS GENERALES Y METABOLISMO DEL ETILENO

Los frutos maduros pueden acelerar la maduración de otros frutos próximos, porejemplo, las naranjas maduras aceleran la maduración de los plátanos. Esto es debido auna sustancia volátil producida por los frutos maduros. Esa sustancia es el etileno (CH2=CH2) y se conoce como hormona de la maduración.

El etileno es la olefina más sencilla, es un gas en condiciones fisiológicas de temperaturay presión. No solo es producido por los frutos, otros órganos de la planta tambiénproducen etileno.

El etileno inhibe el alargamiento de la planta, produce aumento de la expansiónradial del tallo e induce crecimiento horizontal; estos síntomas se conocen como triplerespuesta de las plantas frente al etileno.

Determinación biológica del etileno: bioensayos: aunque los métodosbiológicos nos dicen si hay o no etileno, no sirven para cuantificar el compuesto.

Biosíntesis del etileno: el precursor del etileno en todos los tejidos de plantassuperiores es metionina. El aminoácido metionina reacciona con ATP para formar S-adenosilmetionina (SAM) por acción de la SAM sintetasa. La SAM da lugar a dosmoléculas diferentes, una es ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) y la otra es5′-metiltioadenosina (MTA), en una reacción catalizada por la ACC sintasa. El ACCforma etileno, y el MTA es utilizado para la síntesis de una nueva molécula de metionina,de este modo, dado que este aminoácido se encuentra en bajas concentraciones en la

planta, se evita que llegue a ser limitante.La actividad de la ACC sintasa es regulada por auxinas (inducen su sintesis),citoquininas (estimulan la sintesis de ACC inducida por auxinas), ácido abscísico (inhibesu sintesis) y etileno (activa o inhibe, en función de su concentración).

Debido a que los niveles endógenos de ACC pueden aumentar en diferentescircunstancias, la planta ha desarrollado un mecanismo para secuestrar el exceso de ACCe impedir que se transforme en etileno: la formación de N-malonil ACC (MACC) a partirde ACC catalizada por la malonil-ACC transferasa.

La conversión de ACC en etileno es catalizada por la enzima ACC oxidasa. Lareacción necesita oxígeno, ascorbato, Fe2+ y CO2:

Fe2+

, CO2

ACC + O2 + Ascorbato Etileno + CO2 + HCN + 2 H2O + DeshidroascorbatoACC oxidasa




La actividad de la ACC oxidasa es estimulada por aumento de la concentracion de CO 2, yes inhibida por Co2+ (100 μm), tempertaturas superiores a 35 ºC y luz.

Formación de etileno en suelos encharcados: como el agua llena los espaciosaéreos del suelo encharcado y el oxígeno difunde lentamente a través del agua, la

concentración de O2 alrededor de las raíces encharcadas disminuye drásticamente. Enestas condiciones la ACC oxidasa no es operativa, por lo que el ACC se acumula en laraíz. El ACC es transportado a través del xilema del tallo hasta la parte aérea de la planta,donde es convertido a etileno. El aumento de etileno en la parte aérea provoca epinastiaen las hojas. El etileno puede inducir la formación de aérenquima en las raíces sometidasa hipoxia.

Lugar de biosíntesis del etileno: se forma en frutos maduros, hojas senescentes,pétalos senescentes, brotes, garfio apical, heridas, etc. Todas las células de la planta, enalguna etapa de su desarrollo, tienen capacidad de sintetizarlo.

Transporte del etileno: debido a su naturaleza gaseosa se difunde con facilidad.

Efectos fisiológicos generales del etileno: Triple respuesta (reducción de la elongación, aumento del grosor y crecimiento

horizontal), sobre todo en plantas herbáceas. Maduración de frutos. Maduración y envejecimiento de flores. Epinastia de las hojas: curvatura hacia abajo de las hojas debido a que el lado

superior del pecíolo (adaxial) crece más rápido que el inferior (abaxial). Floración en Bromeliáceas (piña). Enrollamiento de zarcillos (p. ej. en las vides). Cierre del gancho plumular.

CO2 + HCN + H2O½ O2

Met

ATP PPi + Pi

SAM

ACC

MACC

Etileno

MTA

Malonil-ACCtransferasa

ACCsintasa

SAMsintetasa

ACC

oxidasa

Malonil-CoACoA-SH

H2OAdenina

ADPATP

O2

Pi + HCOO –

aá

2-oxo-ácido

MTAnucleosidasa

MTRquinasa

Transaminasa

MTR

Ác. α-ceto-γ-metiltio-butírico

MTRP

Carbonos

precursoresde etileno




Aplicaciones industriales del etileno: Maduración de flores. Se evita la síntesis de etileno para transportar las frutas sin que maduren.

Modo de acción del etileno. El gen ETR1 codifica una proteína con un dominio

de unión a etileno, que funciona de un modo parecido al receptor de citoquininas. Elreceptor ETR1 es un dímero de dos proteínas integrales de membrana, con actividadhistidina kinasa y capacidad autofosforilante. Cuando el etileno se une a la proteína ETR1(se requiere ATP), se induce la fosforilación del receptor a nivel de los residuos dehistidina, luego los fosfatos son transferidos hacia residuos de aspartato. El receptor así activado inicia una cascada de señalizaciones hacia otras proteínas efectoras.

NATURALEZA, EFECTOS GENERALES Y METABOLISMO DEL ÁCIDO ABSCÍSICO

Investigando las auxinas del fruto del algodón se encontró una sustanciaantagonista del AIA y se vio que esta sustancia promovía la abscisión, cuando seconsiguió aislar se le dio el nombre de abscisina. Más tarde se denominó a estecompuesto ácido abscísico (ABA).

El ABA presenta dos isómeros (cis y trans) interconvertibles entre sí en la planta, y dos enantiómeros (R y S) que no son interconvertibles. El ABA que se encuentra en lanaturaleza es el enantiómero (S)-ABA.

Ácido (S)-abscísico

Determinación biológica del ABA: bioensayos: no son comunes los bioensayosde ácido abscísico, pues en el proceso de la abscisión participan otras hormonas. De todosmodos, los más usados son la inhibición del crecimiento del coleóptilo de avena, o lainhibición de la germinación de semillas o embriones aislados.

Biosíntesis del ABA: ocurre en los plastidios, fundamentalmente en loscloroplastos. El precursor del ácido abscísico es una xantófila, la zeaxantina:




A partir de la ruptura enzimática de los carotenoides violoxantina y neoxantina se formaxantoxina (15 átomos de C) y un derivado (25 C). A partir de la xantoxina se forman poroxidación el abscisaldehído y finalmente el ABA.

El ABA puede hidrolizarse en posición 8′ para formar 8′-hidroxiABA, que es muy

inestable y se cicla espontánea- o enzimáticamente para formar ácido faseico. Éste, a suvez, puede ser reducido en la posición 4′ para dar ácido dihidrofaseico. El ácido faseico

tiene actividad hormonal como el ABA, sin embargo, el ácido dihidrofaseico no presentaninguna actividad.

El ABA también puede formar diversos conjugados, el más abundante es elglucosil éster, carente de actividad biológica.

Lugar de biosíntesis del ABA: se puede producir en todos los tejidos vegetales:raíz, tallo, hojas, frutos y semillas.

Transporte del ABA: es muy rápido, como ocurre en el caso de la respuesta del

ABA al cierre de los estomas (en menos de 10 minutos). Se transporta por el sistemavascular, se ha detectado tanto en floema como en xilema.

Efectos fisiológicos generales: Acelera la senescencia de hojas. Induce la dormición de brotes. Inhibe la geminación de semillas. Inhibe o retrasa el crecimiento. Ofrece protección frente al estrés hídrico.

El ABA no tiene aplicaciones industriales.

Zeaxantina

↓ Epoxidación

Anteroxantina

↓ Epoxidación

trans-Violoxantina ↔ trans-Neoxantina

↕ ↕ cis-Violoxantina ↔ cis-Neoxantina

↓

Xantoxina

↓ Xantoxina oxidasa

Abscisaldehído

↓ Abscisaldehído oxidasa

ABA




OTROS REGULADORES DEL CRECIMIENTO VEGETAL

Ácido jasmónico. El ácido jasmónico se aisló por primera vez de aceitesesenciales de la flor del jazmín, aunque es un compuesto con una amplia distribución enlas plantas. Se considera un regulador del crecimiento y desarrollo, además incrementa la

expresión de genes implicados en mecanismos de defensa, por lo que puede funcionarcomo señal de situaciones de estrés en las plantas.

Inhibe el crecimiento de las plantas, promueve la senescencia, abscisión ymaduración de frutas. Regula la respuesta frente a patógenos, puede actuar como agenteantifúngico.

Ácido jasmónico

Poliaminas. Las poliaminas son moléculas con muchos grupos amino, seencuentran en todas las plantas y regulan el crecimiento. A pH celular se encuentran enforma catiónica, son así susceptibles a la unión de aniones. Su biosíntesis es similar a lade alcaloides, y compite con la síntesis de etileno. Las poliaminas de distribución másgeneral son putrescina (NH2-(CH2)4-NH2), espermidina (NH2-(CH2)3-NH-(CH2)4-NH2) yespermina (NH2-(CH2)3-NH-(CH2)4-NH-(CH2)4-NH2).

Son esenciales para completar el proceso de división celular, diferenciaciónvascular, maduración y senescencia de frutos. Aunque no se consideran verdaderashormonas.

Brasinoesteroides. Los brasinoesteroides se encontraron en principio en el polen

de Brasicáceas, donde se identificó el compuesto activo brasinólido. Están presentes enun gran número de plantas, tanto en el polen como en hojas, flores, semillas y tallos;actuando como favorecedores del crecimiento. Son esteroides que pueden actuar de formasinérgica con AIA, citoquininas o giberelinas.

El brasinólido incrementa la biosíntesis de etileno al estimular la ACC sintasa.Actúa estimulando la elongación de tejidos vegetativos a muy baja concentración enpresencia de luz. Inducen resistencia al frío, enfermedades, heridas y estrés salino.

Brasinólido

Otros reguladores. Existen compuestos sintetizados por algas y hongos análogos del ácido abscísico, como los ácidos trispóricos de hongos o el ácido lunulárico.

Algunos compuestos fenólicos del metabolismo secundario de las plantas favorecen el crecimiento. Por ejemplo, el ácido cafeico y el ácido gálico ejercen un efectosinérgico con las auxinas, actúan inhibiendo la enzima AIA oxidasa, de modo que

aumenta el efecto auxínico. En cambio, otros compuestos fenólicos, como el ácidoparafumárico, disminuyen la acción del AIA al activar la AIA oxidasa.

Apuntes Fisiología Vegetal

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