Función Bioquímica de Elementos Minerales y Deficiencias

Los elementos minerales son nutrientes esenciales para el desarrollo y funcionamiento de las plantas, clasificándose en grupos según su función bioquímica.

Grupo 1: Componentes de Compuestos Carbonados

Son nutrientes que forman parte de compuestos orgánicos esenciales:

• Nitrógeno (N): Es un componente fundamental de los aminoácidos, ácidos nucleicos, clorofila y otras biomoléculas vitales.
• Azufre (S): Esencial en aminoácidos como la cisteína (fundamental para los puentes disulfuro que pliegan las proteínas) y la metionina.

Grupo 2: Almacén Energético e Integridad Estructural

Son nutrientes importantes en el almacenamiento de energía y el mantenimiento de la estructura celular:

• Fósforo (P): Forma parte de enlaces ricos en energía (ATP), es componente de los azúcares fosfato, ácidos nucleicos, nucleótidos, coenzimas, fosfolípidos y ácido fítico, entre otros. Tiene un papel fundamental en las reacciones que implican al ATP como fuente de energía metabólica.
• Silicio (Si): Se encuentra depositado como sílice amorfo en las paredes celulares. Contribuye a las propiedades mecánicas de la pared celular, incluyendo rigidez y elasticidad.
• Boro (B): Forma compuestos con manitol, manano, ácido polimanurónico y otros constituyentes de las paredes celulares. Está implicado en la elongación celular y el metabolismo de los ácidos nucleicos. Es importante para la germinación del grano de polen y el crecimiento del tubo polínico.

Grupo 3: Elementos en Forma Iónica

Son elementos que permanecen en forma iónica y cumplen funciones reguladoras y catalíticas:

• Potasio (K): Es un cofactor de muchas enzimas y es esencial en la turgencia y el mantenimiento de la electroneutralidad celular.
• Calcio (Ca): Forma parte de la lámina media y es cofactor de reacciones de hidrólisis de ATP y fosfolípidos. Actúa como segundo mensajero en la regulación metabólica.
• Magnesio (Mg): Es necesario para enzimas involucradas en la transferencia de fósforo y es un componente clave de la clorofila.
• Cloro (Cl): Interviene en las reacciones fotosintéticas de liberación de O2.
• Manganeso (Mn): Es necesario para muchas enzimas.
• Sodio (Na): Interviene en la regeneración de PEP en plantas CAM y C4, y puede sustituir al potasio en algunas funciones.

Grupo 4: Reacciones Redox y Actividades Enzimáticas

Nutrientes involucrados en reacciones redox, actividades enzimáticas y procesos de fijación biológica de nitrógeno. Lo forman Fe, Zn, Cu, Ni y Mo:

• Hierro (Fe): Es un elemento muy importante y está presente en muchas proteínas implicadas en abundantes procesos como la fotosíntesis, la fijación de nitrógeno molecular y la respiración. Es el constituyente de citocromos.
• Zinc (Zn): Constituyente de enzimas como la alcohol deshidrogenasa, glutamato deshidrogenasa y anhidrasa carbónica.
• Cobre (Cu): Componente de la ácido ascórbico oxidasa, tirosinasa, monoamina oxidasa, uricasa, citocromo oxidasa, fenolasa, lacasa y plastocianina.
• Níquel (Ni): Constituyente de la ureasa, la fijación bacteriana del nitrógeno molecular y también de la hidrogenasa.
• Molibdeno (Mo): Componente de la nitrogenasa, nitrato reductasa y xantina deshidrogenasa.

Deficiencias Minerales en Plantas

La carencia de estos elementos se manifiesta con síntomas específicos en las plantas:

• La deficiencia de Calcio (Ca) impide el desarrollo normal de las hojas jóvenes.
• La de Nitrógeno (N) causa un color verde claro en las hojas superiores y amarillo en las inferiores.
• La de Zinc (Zn) causa clorosis entre las venas y bandas grisáceas.
• La de Fósforo (P) causa hojas más oscuras de lo normal.
• La de Hierro (Fe) causa hojas jóvenes amarillas o blancas.
• La de Potasio (K) provoca manchas amarillentas.
• La de Manganeso (Mn) puede causar incluso agujeros entre las venas.
• La de Magnesio (Mg) se manifiesta con un color amarillento generalizado.

Bioquímica de la Fijación de Nitrógeno (N2)

La fijación de N2 sucede en el interior de los simbiontes mediante el complejo proteico nitrogenasa, formado por seis subunidades proteicas, dos a dos iguales. Está compuesto por dos complejos: el heterotetrámero MoFe y el homodímero Fe.

Este homodímero, la dinitrogenasa reductasa, tiene actividad reductasa. Está formada por dos subunidades polipeptídicas iguales y tiene Fe como cofactor metálico, codificado por el gen nifH. Por otra parte, la actividad dinitrogenasa, realizada por la dinitrogenasa, es un heterotetrámero formado por dos subunidades polipeptídicas iguales, con dos cofactores metálicos: Fe (codificado por nifD) y Mo (codificado por nifK), y FeMoco.

Cataliza una reacción que rompe el N2 para ser incorporado a la planta en forma reducida de NH4+, liberando una molécula de H2 adicional, lo que implica una pérdida de 2e-, por lo que solo 6 e- se incorporan al NH4+. La dinitrogenasa reductasa acepta e- de un donador externo, la ferredoxina, de la que solo hay 8 moléculas. Por lo tanto, se da un ciclo en el que los 8 e- reducen al Fe oxidado, y el Fe reducido se oxida para ceder e- al cofactor FeMo de la dinitrogenasa, gastando 16 ATP (2 por cada e-). Además, los e- captados por FeMo realizan otro ciclo redox, donde ceden los e- al N2 atmosférico, rompiéndolo mediante protones.

Por lo tanto, el resultado es:

N2 + 16 ATP + 8e- + 8H+ → 2NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi

Es una reacción muy costosa energéticamente y muy ineficiente, ya que no se invierte toda la energía en la síntesis de amonio (hay pérdida de electrones).

Productos de la Fijación de Nitrógeno

• NH3: Puede ser usado por las plantas para sintetizar compuestos ricos en N o ser transportado a otras zonas del organismo para ser usado con fines metabólicos.
• H2: Suele ser liberado, aunque algunas plantas pueden reutilizarlo.
• Amidas: Como la glutamina y la asparagina, que pueden ser usadas para sintetizar aminoácidos y son la principal vía de utilización de NH4+.
• Ureidos: Como el ácido alantoico, alantoína y citrulina, útiles para sintetizar aminoácidos.

Genética de la Fijación del Nitrógeno (N2)

Genes Vegetales

Los genes Nod codifican diferentes proteínas nodulinas que intervienen en distintas fases de la nodulación. Es importante la leghemoglobina, que es una nodulina tardía, ya que el gen se expresa y la proteína es sintetizada en las fases tardías de formación del nódulo y participa en diferentes fases del metabolismo de N y C.

Genes Bacterianos

Todos los genes implicados están codificados en el megaplásmido pSym, relacionado con la simbiosis:

• Los genes nod bacterianos se ocupan de codificar la síntesis de los factores Nod, que son oligosacáridos. Destaca nodD, de expresión constitutiva (expresándose constantemente), que responde a la presencia de flavonoides (elicitores vegetales que desencadenan el proceso de nodulación). La proteína codificada en este gen activa la expresión de otros genes nod.
• Los genes nif de fijación de nitrógeno son los genes que codifican las proteínas del complejo de la nitrogenasa. Los nifH, nifD y nifK son genes estructurales de la nitrogenasa. Los nifZ y nifM participan en la maduración de la nitrogenasa. Los nifE, nifN, nifX, nifQ, nifS, nifU, nifV y nifY participan en la biosíntesis de FeMoco. Los nifF y nifJ participan en la donación de electrones. Los nifA y nifL participan en la regulación de la nitrogenasa.
• Los genes fix se encargan de la regulación de la fijación de N, codifican proteínas implicadas en el transporte de electrones y proteínas que monitorizan la concentración de O2 dentro del nódulo.
• Los genes hup son esenciales en el reciclaje de hidrógeno que se produce como producto de la fijación.

Asimilación de Nitrógeno (N)

El nitrógeno asimilado puede ser usado tanto por las plantas fijadoras de N como por las no fijadoras.

Absorción de Amonio (NH4+)

Las plantas absorben fundamentalmente NO3- antes que NH4+, pero la composición de las formas nitrogenadas depende de las características fisicoquímicas del suelo, como el pH. Por ello, en suelos ácidos absorben más NH4+ al encontrarse en mayor cantidad que el NO3-. Una elevada concentración de NH4+ inhibe la expresión de genes de asimilación de NO3-.

En la membrana plasmática se encuentra el transportador AMT1, que transporta el NH4+ del exterior al interior del citosol a favor de gradiente electroquímico. En el citosol, va a ser desprotonado para formar NH3, que pasa al interior de la vacuola mediante un transportador TIP, que es una proteína intrínseca del tonoplasto. En el interior de la vacuola, se recupera el protón para volver a formar NH4+. Un exceso de NH4+ puede ser tóxico, causando una expansión foliar reducida, clorosis o reducción del crecimiento.

Absorción y Asimilación de Nitratos (NO3-)

Las plantas suelen absorber NO3-, lo que inhibe la actividad de la AMT1. Su absorción es un transporte simporte electrogénico con H+, acoplado a una bomba H+/ATPasa que bombea los protones de vuelta, consumiendo energía para realizar el transporte de NO3-. Dentro, puede que se almacene en la vacuola, o bien que sea transformado en NO2- por la nitrato reductasa para su entrada en los plastos. Ya en su interior, son convertidos en NH4+ por la nitrito reductasa, para ser usados en la síntesis de aminoácidos como glutamina por el ciclo GS-GOGAT.

Nitrato Reductasa

Es una hemoproteína formada por un cofactor metálico, el MoCo (compuesto por un ion de molibdeno y molibdopterina), un grupo hemo unido a un átomo de Fe y un grupo reductor FAD. Esta enzima es regulada por numerosos factores: la abundancia de NO3-, NH4+, metabolitos nitrogenados, CO2 y carbohidratos (como la sacarosa, relacionada con la fotosíntesis). También existe regulación fitohormonal por citoquininas y por la luz mediante los fitocromos. Sigue un ritmo circadiano.

Nitrito Reductasa

Es una hemoproteína con un dominio hemo, compuesto por el sirohemo con un átomo de Fe en el centro. No tiene una regulación tan destacada como la anterior, ya que su número de moléculas suele estar siempre en exceso. Es una proteína codificada en el núcleo pero traslocada a los plastos, y sus genes están inducidos por la luz o altas concentraciones de NH4+, o reprimidos por altas concentraciones de aminoácidos. Su actividad está acoplada a la fotosíntesis por la ferredoxina y porque necesita aporte energético.

Asimilación del Nitrógeno

Puede ser directamente del medio ambiente o por la reducción de NO3-. Sucede en el ciclo GS-GOGAT, que es el mecanismo molecular de asimilación de NH4+ para sintetizar aminoácidos. La GS hace referencia a la glutamina sintasa, que tiene dos isoformas:

• GS1: Es citosólica e interviene en la asimilación del NH4+ absorbido por las células.
• GS2: Es plastídica e interviene en el ciclo GS-GOGAT, convirtiendo glutamato en glutamina.

En cada vuelta del ciclo, se incorpora un α-cetoglutarato y un NH4+ (proveniente del NO3-), expulsado en forma de glutamato. La GOGAT es la enzima glutamato sintasa. A partir de la glutamina y el α-cetoglutarato se forman dos glutamatos. Uno se usa para incorporar NH4+, cerrando el ciclo, mientras que el otro es transferido al xilema para ser utilizado por la planta, por ejemplo, como amidas o ureidos.

Asimilación del Azufre (S)

El azufre es esencial, ya que aminoácidos como la metionina o la cisteína lo contienen.

Asimilación del Azufre

Se realiza el ciclo del azufre. Las formas con azufre se interconvierten entre ellas, de SO42- a H2S. Así, las plantas y microorganismos asimilan el SO42- para, tras reducirlo, sintetizar directamente formas orgánicas de S, como la cisteína, que lleva un átomo de S y es esencial para la actividad de proteínas, al poder formar puentes disulfuro con restos de otras cisteínas.

En la ruta disimilativa, se produce la reducción del SO42- llevada a cabo por bacterias anaerobias, que usan el SO42- como aceptor final de electrones en la respiración, en vez del O2. La ruta de oxidación del H2S a SO42- es realizada por bacterias quimioautótrofas y fotosintéticas del S, que usan la energía contenida en los compuestos con S para emplearla en las rutas de síntesis fotosintética. Una vez que la materia orgánica con compuestos de S es consumida, se cierra el ciclo y libera SO42- como producto de desecho, que reingresa al ciclo por procesos de reducción.

Las plantas absorben por las células de la raíz el S en forma de SO42-, que suele ser suficiente en el suelo para cubrir las necesidades de la planta. Sin embargo, su absorción y asimilación están controladas por las células de la planta, al tener que coordinar el aporte de SO42- con la asimilación e incorporación de otros nutrientes como el N. El SO42- también es exportado a las partes aéreas.

La absorción de SO42- es realizada en cotransporte electrogénico acoplado a una bomba H+/ATPasa, en la membrana plasmática de las células de la raíz. Al absorber el S, puede ser incorporado a la vacuola de la raíz para ser almacenado, o bien pasar a los plastos de la raíz donde será asimilado para sintetizar cisteína. Parte de ese SO42- es exportado hacia arriba vía xilema, a las células de la hoja, para ser incorporado por un transportador específico (de menor afinidad que el de la raíz), con cotransporte de H+, donde puede acumularse en la vacuola, o bien ser asimilado en el cloroplasto para sintetizar glutatión. También puede ser asimilado por las mitocondrias para formar cisteína. La mayor parte de la asimilación y reducción sucede en los cloroplastos.

Glutatión

Es un tripéptido formado por tres aminoácidos: glutamato, cisteína y glicina. Gracias al azufre de la cisteína, puede formar dímeros consigo mismo en su forma oxidada por puentes disulfuro. Es una molécula que sirve como transporte de S reducido y también para el control y homeostasis de reacciones redox de la célula, al interconvertir sus formas reducida y oxidada, catalizada por la glutatión reductasa. De la forma reducida a la oxidada, genera poder reductor; y a la inversa, lo gasta.

Metabolismo del Azufre Asimilado

El SO42- es incorporado como cisteína, a partir de la que se sintetiza metionina, que forma parte de rutas de síntesis de otras moléculas como fitohormonas o factores de crecimiento (ej., etileno o poliaminas). A partir de la cisteína, también se sintetizan metabolitos secundarios como los glucosinolatos.

Receptores y Acción Fitohormonal

Receptores Hormonales

Los receptores son proteínas que reconocen y se unen a las fitohormonas, iniciando una respuesta celular. Pueden ser:

• Ligados a membranas: La unión de una hormona a ellos desencadena la transmisión de la información.
• Solubles: Pueden facilitar interacciones entre proteínas y las fitohormonas, pudiendo actuar como un pegamento molecular.

Los receptores pueden estar localizados en la membrana plasmática, en el citosol, en el sistema de endomembranas o en el núcleo. Algunos receptores inician la proteólisis de proteínas. En estos casos, las fitohormonas se unen a receptores, iniciando la proteólisis de represores para activar un regulador transcripcional. Entonces, las proteínas destinadas a la proteólisis son marcadas uniéndose covalentemente a ubiquitina, que es una pequeña proteína que marca otras proteínas para ser degradadas en el proteasoma. Esta unión es llevada a cabo por complejos ubiquitina-ligasa. Entonces, las proteínas marcadas son degradadas por proteólisis. La ubiquitina (UBQ) se liga a la proteína diana destinada a la degradación. Los receptores de auxinas (TIR1) y jasmonatos son proteínas F-box, formando parte de un complejo SCF-ubiquitina-ligasa.

Acción Fitohormonal

Síntesis

Muchas rutas bioquímicas, estrictamente reguladas, contribuyen a la acumulación activa de las fitohormonas. Así, mediante conjugación, una fitohormona puede almacenarse temporalmente en una forma inerte, que puede ser sometida a degradación catabólica o servir para producir su forma activa.

Transporte y Percepción

Puede ser a través del xilema o del floema, por las membranas celulares (célula a célula) y ayudados de proteínas de transporte que estén reguladas. Los receptores identificados están ligados a membranas o son solubles.

Transducción de la Señal

Sucede de diferente modo según la clase de fitohormona, aunque todas tienen en común las fases de fosforilación reversible de proteínas y la proteólisis dirigida.

Respuestas

Pueden ser cambios en la transcripción de los genes, así como en otras actividades celulares, como la regulación del transporte iónico.

Control Hormonal del Desarrollo Vegetal

• Desarrollo vegetativo: Auxinas, citoquininas, estrigolactonas, giberelinas, brasinoesteroides.
• Reproducción: Auxinas, giberelinas, etileno y ácido abscísico.
• Respuestas al estrés: Salicilatos y jasmonatos.
• Regulación cruzada de los efectos hormonales.

Transporte y Biosíntesis de Auxinas

Transporte de las Auxinas

Las auxinas se mueven en parte mediante un mecanismo quimiosmótico, desde el ápice a la base, llevando a cabo un transporte polar. Las auxinas son las únicas hormonas de crecimiento vegetales que se transportan polarmente.

La auxina en el citoplasma con pH neutro se encuentra como IAA- (anión auxina). La pared celular está a pH ácido (5.5) debido a la actividad de las H+-ATPasa de la membrana plasmática, por lo que en ella se encuentra sin carga eléctrica (IAAH, ácido indolacético protonado). Esta forma cruza la membrana plasmática al interior celular, donde es desprotonada. Así, no puede salir de la célula sin usar transportadores específicos, que se encuentran distribuidos asimétricamente en los extremos basales de las células conductoras. Por lo tanto, para salir de las células realiza un transporte polar, controlado por proteínas de transporte de tres familias, que controlan colectivamente la direccionalidad del movimiento de las auxinas. El paso de IAA- a IAAH puede ser reversible, tanto en el citoplasma como en la pared celular, aunque ocurre en menor medida.

Biosíntesis de Auxinas

La IAA se sintetiza a partir del triptófano a través de varias rutas dependientes de este, y por otra ruta triptófano-independiente. La homeostasis de las auxinas se mantiene fundamentalmente mediante el control ambiental y durante el desarrollo de los genes que controlan su biosíntesis, conjugación y degradación.

• Ruta triptófano-independiente: Se sintetiza directamente a partir del indol, que es un precursor del triptófano.
• Ruta IPA-dependiente (ácido indol-3-pirúvico): Es la más común, en la que se desamina el triptófano, formándose el ácido indol-3-pirúvico (IPA), que se descarboxila a indol-3-acetaldehído, el cual se oxida a IAA.
• Ruta de la triptamina (TAM): Se descarboxila el triptófano para formar triptamina, que se desamina a indol-3-acetaldehído, el cual se oxida a IAA. Suele darse en plantas que no tienen la ruta IPA.
• Ruta IAM (indol-3-acetamida): El triptófano pasa a indol-3-acetamida (IAM) para dar IAA.
• Ruta IAOx (indol-3-acetaldoxima): El triptófano pasa a indol-3-acetaldoxima, que luego se convierte en IAA.

Embriogénesis Somática

Es el proceso de desarrollo idéntico a la embriogénesis por la vía cigótica, pero a partir de células somáticas. Así, pueden inducirse in vitro embriones a partir de células somáticas de la antera, ovarios o del filamento del estambre mediante 2,4-D, que puede cambiar el programa de desarrollo de las células somáticas diploides. A partir de estos dos grupos celulares, se induce directa o indirectamente la formación de masas de embriones somáticos, que son clones de la planta original.

Tras la embriogénesis somática, los embriones son traspasados a un medio de maduración sin auxinas, donde se retira el 2,4-D para conseguir una correcta maduración. Luego se pasa a un medio de germinación con carbón activo, que elimina fitohormonas y sustancias inhibidoras. Allí germinan y se transfieren a otro medio donde sucede el desarrollo de las plántulas. Su utilidad es la propagación masiva, ya que se pueden obtener cientos de miles de clones en un año. Pueden ser usados en técnicas de transformación genética o para mejorar plantas por vía no transgénica, sometiéndolas a mutágenos químicos.

Ruta de Señalización de las Auxinas

Cuando no hay un estímulo auxínico, el gen que responde a las auxinas está reprimido, debido a la unión del factor represor AUX/IAA al factor de transcripción de auxina ARF. La auxina se une al receptor SCF^TIR1 y al represor de la transcripción AUX/IAA, el cual es marcado por ubiquitina para ser degradado por el proteasoma 26S. Únicamente el represor es degradado. Como consecuencia de la degradación del represor de transcripción AUX/IAA, se permite la activación transcripcional por factores de transcripción (ARF), activando el gen de respuesta a auxinas.

Citoquininas y Estrigolactonas

Tipos de Citoquininas

Son derivados isoprenoides, formadas por un resto de isopreno y otro de adenina. Se clasifican en naturales y sintéticas:

• Naturales: Derivan de la adenina al sustituir diferentes radicales en el N6 de la adenina. La más abundante es la zeatina (Z), esencial en su forma trans-zeatina, que es más activa en procesos biológicos, a diferencia de la cis-zeatina. Estimula a las células maduras a dividirse trabajando en conjunto con una auxina. También destacan la isopenteniladenina (iP), que es la primera que se forma en el metabolismo de las plantas, y la dihidrozeatina (DZ).
• Sintéticas: No se encuentran en tejidos vegetales, por lo que son sintetizadas en la industria química y se usan con aplicaciones agrícolas. Destaca la quinetina, producida por la degradación del ADN durante el autoclavado, y posee una función similar a la de la zeatina. También el tidiazurón (TDZ), que es la citoquinina sintética más importante, con actividad herbicida y defoliante. La 6-bencilaminopurina (BAP) y la 6-benciladenina (BA) tienen actividad citoquinina muy potente (tienen efectos a muy bajas concentraciones) y son usadas en experimentos de cultivo in vitro. Se descubrió que se crea naturalmente por la planta.

Algunas citoquininas se encuentran en diferentes moléculas, como el ARNt. Aparecen en los ARNt cuyos codones que codifican aminoácidos como la cisteína, leucina, fenilalanina, serina, triptófano y tirosina, ya que la citoquinina se une a la base A central del anticodón correspondiente, mediante su resto isoprenoide. No poseen capacidad fitohormonal, sino que permiten sintetizar aminoácidos.

Biosíntesis de las Citoquininas

El dimetilalil difosfato (DMAPP) es la unidad biológica del isopreno, cuyo grupo isopentilo es transferido a una adenina (de ATP, ADP o AMP), formando diferentes tipos de isopentenil ribósido (iPRTP, iPRDP o iPRMP). Esta reacción es catalizada por la IPT, que está regulada por retroalimentación negativa por las propias citoquininas y por el nitrógeno (N). Los iPR van a ser utilizados por un citocromo con actividad monooxigenasa, que añade un grupo hidroxilo para iniciar una cadena de reacciones, conservando los restos fosfato de la ribosa del ATP. La enzima LOG es una ribohidrolasa (específica de meristemos) encargada de eliminar grupos fosfato de forma específica, para finalmente formar la trans-zeatina, de la que se derivan el resto de citoquininas en la ruta de síntesis. Estas citoquininas se encuentran en forma activa, pero pueden ser inactivadas por la citoquinina oxidasa/deshidrogenasa (CKX), que elimina su parte isoprenoide, y que puede ser activada por citoquininas o por ABA. Tanto su biosíntesis como su inactivación están fuertemente reguladas por citoquininas, otras fitohormonas o por factores exógenos. Por ejemplo, al sobreexpresar la citoquinina oxidasa, sucede un aumento enorme de la actividad meristemática.

Señalización de las Citoquininas

Sucede mediante un sistema molecular de doble componente, típico de bacterias, basado en una ruta corta de señalización que transfiere información desde una entrada (input) a una salida (output). Así, va sucediendo una cascada de fosforilación sucesiva, activándose y desactivándose según la concentración de citoquininas y la unión al receptor específico.

Bacterias

Está formado por dos proteínas: histidina quinasa con un dominio de entrada y otro de transmisión (H), que es un residuo conservado de histidina. Por otra parte, el regulador de respuesta con un dominio receptor (D), que es un residuo conservado de aspartato, y un dominio de salida. Al estimularse el dominio de entrada, se activa la actividad quinasa, fosforilando el dominio transmisor, para que el P sea transferido al regulador de respuesta, que capta la señal transmitida, para que el dominio de salida traslade la señal a la molécula, desencadenando una cascada de señales, que es una respuesta fisiológica.

Plantas

La histidina quinasa suele ser híbrida, con un dominio receptor. Además, también existe una histidina fosfotransferasa (HPt). Cuando se autofosforila el dominio de transmisión, el grupo P pasa primero al dominio receptor y de ahí a HPt, antes de llegar al dominio D del regulador de respuesta.

Biosíntesis de Estrigolactonas

Primero sucede la ruta del metil-eritritol fosfato (MEP), con la formación del geranilgeranil difosfato (GGDP). Posteriormente, sucede la ruta de los carotenoides, donde se forma fitoeno, un carotenoide con acción antioxidante. A partir de este se forma el β-caroteno, y a partir de él 5-desoxiestrigol, a partir del que se producen todas las estrigolactonas. Las auxinas regulan la síntesis de estrigolactonas, ya que cuando son transportadas del tallo a la raíz, inducen la biosíntesis de 5-desoxiestrigol. En ese momento, las estrigolactonas inhiben indirectamente la formación de yemas laterales.

Giberelinas

Biosíntesis y Catabolismo de Giberelinas

Son diterpenoides tetracíclicos formados por cuatro unidades de isopreno. Se sintetizan en tres fases mediante la ruta terpenoide:

1. Primera etapa (en plastos): Es catalizada por ciclasas. El geranilgeranil difosfato (GGDP) se cicla, formando ent-copalil difosfato (CDP), catalizado por la enzima CPS (ent-copalildifosfato sintasa). Posteriormente, la enzima KS (ent-kaureno sintasa) cataliza la reacción que lo convierte en ent-kaureno.
2. Segunda etapa (en la membrana del retículo endoplasmático): Es catalizada por monooxigenasas del citocromo P450. El ent-kaureno es degradado hasta ácido ent-kaurenoico por la ent-kaureno oxidasa (KO) en la membrana del retículo. Este es oxidado en tres reacciones consecutivas por la enzima KAO (ácido ent-kaurenoico oxidasa) hasta formar GA12. En algunas plantas, pasa directamente al citoplasma, pero en la mayoría es oxidada por la GA13-oxidasa a GA53.
3. Tercera etapa (en el citoplasma): Es catalizada por dioxigenasas. Cuando la giberelina llegue al citoplasma, bien en forma de GA12 o GA53, va a sufrir una serie de oxidaciones y descarboxilaciones, catalizados por la GA20ox y una incorporación de un grupo hidroxilo por GA3ox. Luego es desactivada por la hidrolasa GA2ox.

Señalización de Giberelinas

Los reguladores negativos de las giberelinas son las proteínas DELLA, que son proteínas reguladoras de la transcripción con un dominio regulador DELLA (D: aspartato, E: glutamato, LL: leucinas, A: alanina) en el extremo N-terminal. Cuando hay una baja concentración de giberelinas, las DELLA están unidas a los factores de transcripción de respuesta a giberelinas, impidiendo la transcripción y, por lo tanto, inhibiendo el crecimiento, en parte mediante el bloqueo de la transcripción de genes de respuesta a giberelinas.

En cambio, cuando hay una elevada concentración de giberelinas, son percibidas por su receptor y se unen a él, causando la proteólisis de las proteínas DELLA. Así, el factor de transcripción de respuesta a giberelinas es liberado, activando la transcripción y, con ella, la cascada de señales que induce el crecimiento. Aun así, queda mucho por descubrir de la ruta de señalización de las giberelinas.

Brasinosteroides

Señalización de los Brasinosteroides

Cuando no hay brasinosteroides, el receptor (BRI1) se encuentra unido a un inhibidor (BKI1). La quinasa BIN2 está activa y fosforila factores de transcripción, inactivándolos. (Nota: las quinasas añaden grupos fosfato a otras proteínas. Las fosfatasas eliminan grupos fosfato de otras proteínas. Ambas enzimas pueden activar o inactivar otras proteínas).

En cambio, cuando hay brasinosteroides, su unión al BRI1 libera el BKI1, permitiendo la unión del correceptor BAK1, que se fosforila mutuamente con el receptor BRI1. Este último va a activar, fosforilando, la quinasa BSK, que a su vez fosforila la fosfatasa BSU1. Como consecuencia, BIN2 se inactiva por desfosforilación, lo que impide que fosforile los factores de transcripción para inactivarlos, permitiendo así la transcripción.

Etileno

Biosíntesis del Etileno

El etileno es la olefina más simple, más ligero que el aire en condiciones fisiológicas, inflamable y oxidable. Es producido en mayor cantidad en las hojas jóvenes en desarrollo que en las maduras (aunque se sintetiza en otros tejidos también). Se sintetiza a través de la metionina por la vía de la S-adenosilmetionina (AdoMet, SAM) por la acción de la ACC sintasa (ACS) y la ACC oxidasa (ACO). Es una ruta sencilla con su origen en el aminoácido metionina, que es el precursor directo de la SAM, una molécula encrucijada entre la propia síntesis de etileno y la síntesis de otras moléculas, como las poliaminas.

La AdoMet sintasa cataliza una reacción a partir de metionina y ATP para formar AdoMet, que por la acción de la ACS forma ACC (precursor inmediato del etileno), perdiéndose el grupo CH3-S de la metionina, el cual es reciclado por el Ciclo de Yang para formar más metionina. Posteriormente, el ACC es oxidado por la ACO para formar etileno en presencia de O2. Además, se libera CO2 y HCN. Los carbonos del etileno son el C3 y C4 de la metionina.

Control de la Producción de Etileno

Para controlar la maduración del fruto, puede actuarse sobre la síntesis del etileno, interfiriendo en la expresión de los genes de su biosíntesis, por la estrategia antisentido ya mencionada. Al ir madurando los frutos, tanto el ACC como el etileno aumentan en el tejido, al igual que las actividades de ACS y ACO. Sin embargo, la aplicación de ACC a frutos no maduros solo aumenta ligeramente la producción de etileno, por lo que la actividad de la ACO es la etapa limitante en la maduración de los frutos.

La ruta biosintética está regulada por la estabilidad y expresión de ACS y ACO, cuyas actividades están reguladas transcripcional y post-transcripcionalmente, y son sensibles a señales de desarrollo, de herida y de ataque de patógenos. Por ejemplo, el nivel de ACS está regulado por factores externos e internos, como heridas, inundaciones, estrés hídrico y auxinas. Además, está codificada por nueve genes con funciones y patrones de expresión diversos.

Señalización del Etileno

El receptor del etileno son proteínas ancladas al retículo endoplasmático. Cuando el etileno está ausente o en niveles críticos, la proteína CTR1, que es su regulador negativo, se une al receptor ETR1 y se activa, bloqueando la transcripción de genes de etileno y, por tanto, la transcripción. Así, la planta crece normalmente. En cambio, si aparece etileno, este se une a su receptor por fuera de la membrana plasmática, por lo que el receptor libera la proteína CTR1, lo que permite la transcripción. En este caso, la planta crecerá peor.

Receptor ETR1

Es la primera proteína identificada como receptor de fitohormonas. Su secuencia es similar a la de receptores de células animales, y se parece a receptores de citoquininas, aunque su dominio histidina quinasa no es esencial en la señalización.

Proteína CTR1

Es un regulador negativo de la señal de etileno, una proteína quinasa serina/treonina. Actúa en una cascada de señalización de tipo MAPK, que fosforila factores de transcripción. Las mutaciones que afectan a la percepción y señalización del etileno, interfieren en la maduración del fruto. Destacan mutantes relacionados con la respuesta triple del etileno:

• Insensibles al etileno: (etr1, etr2, etr4; ein2, ein3, ein5, ein6), donde no se da respuesta triple a pesar de la actividad del etileno.
• De respuesta constitutiva: (ctr1), en los que sucede la respuesta triple al aire, sin presentar el estímulo bloqueador mecánico para activarla.

Ácido Abscísico (ABA)

Metabolismo del ABA

El ABA se sintetiza a través de la ruta de los carotenoides; su biosíntesis tiene lugar en cloroplastos y otros plastos. La ruta empieza por la formación de isopentenil pirofosfato (IPP) a partir de piruvato y gliceraldehído-3-fosfato, lo que da lugar a la zeaxantina, un carotenoide. Este sufre dos reacciones catalizadas por la enzima ZEP (zeaxantina epoxidasa), dando lugar a violaxantina en configuración trans, con anteraxantina como intermediario. La violaxantina puede ser convertida tanto en 9’-cis-neoxantina como en 9-cis-violaxantina, y cualquiera de las dos puede ser degradada por la enzima NCED (9-cis-epoxicarotenoide dioxigenasa), dando lugar a xantoxina. Esta molécula pasa al citosol, donde enzimas deshidrogenasas y oxidasas lo acaban degradando a ABA, pasando por ABA-aldehído como intermediario. A partir de él pueden formarse ácido faseico y dihidro-PA, que son formas inactivas y permanecen en las células. Los niveles de ABA están muy controlados; por ello, los pasos críticos en la biosíntesis están codificados por múltiples genes muy regulados.

Enzimas clave en el metabolismo del ABA:

• NCED: 9-cis-epoxicarotenoide dioxigenasa
• ABAId: Abscisic aldehído oxidasa
• ABA2: Deshidrogenasa/reductasa
• AAO: Oxidasa
• ABA-GTase: Glucosil transferasa
• AtBG1: β-glucosidasa

Señalización del ABA

El ABA induce la expresión de genes de respuesta al estrés, que codifican muchas moléculas diferentes para combatirlo. Por ejemplo, osmoprotectores (como azúcares, prolina y glicina), proteínas que estabilizan membranas (como HSPs o proteínas de choque térmico, y LEAs), y proteínas para mover agua e iones (como acuaporinas y canales iónicos). Finalmente, respuestas a estrés oxidativo, donde se originan por radicales libres, peroxidasas, superóxido dismutasas, etc.

La unión del ABA a un receptor intracelular, como PYL1, inicia las respuestas transcripcionales. Al estar presente, el ABA se une a PYL1, y también se une una fosfatasa PP2C, la cual se inactiva. Luego, una quinasa como SnRK, fosforila y activa factores de transcripción, activando la transcripción de genes inducibles por ABA. En cambio, cuando ABA no está presente, PP2C inhibe a SnRK, por lo que los factores de transcripción no se fosforilan y la transcripción no se activa.

Poliaminas

Biosíntesis de Poliaminas

Proceden de la degradación de aminoácidos, como la metionina, ornitina y arginina. Además, los restos de la metionina pasan al Ciclo de Yang para ser reciclados, y la espermina procede de la espermidina. En el proceso destacan descarboxilasas (Arginina, ornitina y SAM DC) y sintasas (espermidina, espermina, termoespermina).

Jasmonatos

Biosíntesis de Jasmonatos

Se sintetiza a través de ácidos grasos, al igual que moléculas esenciales en el metabolismo de mamíferos como las prostaglandinas. Este proceso se inicia con el ácido linolénico, liberado desde los fosfolípidos de membrana mediante lipasas. Se encuentra en los plastos, donde se lipoxida y se cicla antes de pasar a los peroxisomas, donde por β-oxidaciones da lugar a un ácido (+)-7-iso-jasmónico, que puede ser isomerizado a (-)-ácido jasmónico o bien conjugarse con una isoleucina en el citoplasma, formando JA-Ile, que es el compuesto activo.

Señalización de Jasmonatos

Cuando el nivel de JA-Ile en la planta es muy bajo, las proteínas JAZ (Jasmonate-ZIM-domain) actúan como regulador negativo, uniéndose al factor de transcripción e inhibiéndolo, lo que impide la transcripción. En cambio, cuando la concentración de JA-Ile es alta, esta se une al receptor COI1 (proteína con dominio F-box), al cual se une la proteína JAZ, que es degradada por proteólisis. Como consecuencia, el factor de transcripción no se inhibe y la transcripción sucede.

Ácido Salicílico

Biosíntesis y Funciones del Ácido Salicílico

Su síntesis se inicia cuando un patógeno ataca la planta, ya que la infección activa la isocorismato sintasa (ICS), que cataliza la reacción que convierte el corismato (el primer precursor del ácido salicílico) en isocorismato. Este luego es degradado a piruvato y ácido salicílico. Al acumularse el ácido salicílico, se induce la actividad de los genes PR (relacionados con patogénesis) y otros genes de defensa, que codifican las proteínas encargadas de la defensa contra el patógeno. Esta fitohormona es esencial para desencadenar la resistencia sistémica adquirida (SAR), que es el modelo de respuesta inmunitaria de las plantas, con un mecanismo diferente al de los anticuerpos animales. Para transportarse de un lugar a otro, el ácido salicílico se convierte en MeSA (metil-salicilato). Como consecuencia de esta resistencia sistémica adquirida (SAR), se activan mecanismos de resistencia en partes de la planta no infectadas por hongos, bacterias o virus. Así, gracias a la infección, la planta se predispone a resistir nuevos ataques, produciendo ácido salicílico en zonas que no fueron atacadas.

Señalización del Ácido Salicílico

Cuando los niveles de ácido salicílico son bajos, la proteína NPR3/4 se une a TGA2/5/6 para inhibir la transcripción de los genes de defensa. En cambio, cuando los niveles de ácido salicílico son elevados, se une a la proteína NPR3/4 para inhibirlo y a la proteína NPR1, que interacciona con factores transcripcionales TGA2/5/6, los cuales se encargan de inducir la transcripción de los genes de defensa, consiguiendo desencadenar la resistencia sistémica adquirida (SAR) para evitar la muerte celular.

Regulación Cruzada de los Efectos Hormonales

La regulación cruzada o crosstalk sucede cuando dos rutas no son independientes, sino que se afectan entre ellas. Puede ser una interacción positiva (aditiva o sinérgica), potenciando los efectos de las fitohormonas implicadas; o bien negativa (inhibitoria o antagónica), donde se disminuyen los efectos de las fitohormonas implicadas. Así, destacan:

• Interacciones primarias: Donde una fitohormona inhibe la transducción de la señal de otra fitohormona.
• Interacciones secundarias: Cuando inhibe tanto la ruta de señalización como la propia fitohormona para que no genere la señal.
• Interacciones terciarias: Donde una respuesta inhibe a la otra respuesta.

Por lo tanto, muchas veces la regulación cruzada puede afectar la síntesis, el transporte o la ruta de señalización de otra fitohormona. Así, las giberelinas consiguen coordinar cada etapa del ciclo de vida de la planta mediante sus efectos sobre las rutas de señalización del resto de fitohormonas.

Etiquetas: bioquímica vegetal, fijación de nitrógeno, fitohormonas, metabolismo vegetal, nutrición mineral