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• Miguel Angel García Méndez

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TEMA 1. CÉLULA VEGETAL. PARED CELULAR

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CÉLULA VEGETAL Características más notables: - Vacuola - Plastos - Pared celular Principales diferencias metabólicas con células animales: - Fotosíntesis - Metabolismo mitocondrial: rutas particulares en plantas - Membranas celulares: * Composición lipídica y fluidez * Bombas electrogénicas: H+-ATPasas PARED CELULAR ► Rodea al protoplasto ► Espesor: 0,1-10 µm ► Composición: 90 % carbohidratos 10 % proteínas ► Participa activamente en el crecimiento, forma y metabolismo de la célula. Cuando se elimina la pared los protoplastos resultantes tienen forma esférica (ver suspensión de protoplastos) ► Reconocimiento celular ► Permite la supervivencia en ambientes hipotónicos

ESTRUCTURA DE LA PARED CELULAR ► La pared celular se forma en tres capas: Lámina media pared celular primaria pared celular secundaria

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Fotografía al microscopio electrónico de la unión de dos células vegetales sin pared celular secundaria. La lamina media es compartida por dos células vecinas. La pared primaria se situa entre la membrana plasmática y la lámina media

Suspensión de proto-plastos. Los protoplastos pierden su forma original y adoptan una forma esférica

PARED CELULAR SECUNDARIA

► Composición variable ► Ausente en algunos tipos celulares ► Generalmente: aumenta el conténido en celulosa, disminuye el conténido de pectinas y se sintetizan nuevos compuestos, particulares de cada tipo celular, como suberina o cutina, lignina,…

COMPOSICIÓN QUÍMICA DE LA PARED CELULAR PARED PRIMARIA

LÁMINA MEDIA ► Se inicia durante la división celular ► Compartida por dos células vecinas: ► Formada por pectinas de dos tipos Acidas: Homogalacturonano Ramnogalacturonanos Neutras: Arabinogalactanos Galactanos

► Se inicia al término de la división celular ► Formada por tres redes: Pectinas Celulosa-hemicelulosas Proteínas

Homogalacturonano: Polímero de (ácido Dgalacturónico)200 con enlaces α(1→4). Aprox. 100 nm de longitud

RAMNOGALACTURONANO I ► Polímero de ácido D-galactu-rónico y ramnosa con enlaces α(1→2) y α(1→4) ► Longitud desconocida ► Arabinanos, galactanos y arabinogalactanos en algunos restos de ramnosa

RAMNOGALACTURONANO ii Esqueleto de ácido D-galacturónico con enlaces α(1→4) con gran diversidad de azúcares y enlaces

Hemicelulosas ►Xiloglucanos (plantas no gramineas): eje central de β(1→4)-glucano idéntico al de la celulosa con xilosas en α(1,6). Algunas xilosas están unidas a galactosas u otros azúcares.

► Glucano mixto (β (1,3), (1,4) glucano) en gramineas: glucano lineal con regiones de β(1→4) unidas por enlaces β(1→3). Las gramineas también tienen xilanos. ► Las regiones β(1→4)-glucano de las hemicelulosas están unidas a las regiones β(1→4)-glucano de las microfibrillas de celulosa por puentes de hidrógeno.

Celulosa

► Polímero de D-glucosa con enlaces β(1→4) ► Los glucanos están extendidos

► 36 glucanos unidos por puentes de hidrógeno forman una microfibrilla ► Las microfibrillas tienen gran resistencia en sentido longitudinal ► La orientación de las microfibrillas condiciona la forma de la célula

Proteínas (10%):

► Las proteinas estructurales de la pared celular son glicoproteínas ► Se denominan por el aminoácido dominante: proteínas ricas en hidroxiprolina (HPRPs), proteínas ricas en prolina (PRPs) y proteínas ricas en glicina (GRPs). ► Las HPRPs son las mejor caracterizadas: regiones repetitivas -ser-(hyp)4- y – tir-lis-tir-

Fenoles:

►Los fenoles de la pared celular mas abundantes son: ácido sinápico, ac. ferúlico, ac. cafeico y ac. cumárico

MODELO DE CARPITA ► La pared celular está formada por tres redes independientes: hemicelulosascelulosas, pectinas y proteínas. ► Las hemicelulosas estructurales mas importantes en las paredes celulares del tipo I son xiloglucanos y en las del tipo II β(1-3, 1-4) y glucano mixto glucuronoarabinoxilanos ► El contenido en pectinas de las paredes celulares del tipo II es baja ► Enlaces en la red de pectinas: puentes de calcio, puentes de boro y enlaces fenólicos ► Enlaces en la red de hemicelulosas-celulosas: puentes de hidrógeno y enlaces fenólicos ► Enlaces en la red de proteínas: puentes isoditirosina y enlaces ► Una proporción alta de polímeros no celulósicos están conectados a las microfibrillas por puentes fenólicos.

TIPO I

TIPO II

FORMACIÓN DE LA PARED CELULAR ►Síntesis de pectinas y hemicelulosas tiene lugar por diversas glucano trans-ferasas del aparato de Golgi. ► El ácido homogalacturónico (HG) se metila por una pectinmetilesterasa que acepta el grupo metilo de una molécula de S-adenosil metionina (SAM) ► Los dictiosomas fusionan sus membranas con la membrana plasmática y vierten las cadenas de polisacáridos en la pared celular. Allí, otra enzima desmetila el HG, y los grupos carboxilos libres forman puentes de calcio. ► Las moléculas de ramnogalacturonano II forman “in situ” puentes de boro. ► Los fenoles, en reacciones catalizadas por peroxidasas, generan uniones fenólicas entre polisacáridos de la misma o diferente red. que colaboran en la estabilidad de la pared celular

►Síntesis de celulosa ► Se desconoce el mecanismo exacto de la síntesis de celulosa y, a pesar de su enorme uso, aún no se ha podido reproducir in vitro con rendimientos superiores al 10%. No obstante, los resultados obtenidos en los últimos años con el aislamiento y análisis de mutantes que tienen algún tipo de alteración en el contenido de celulosa, y el uso de inhibidores específicos de la síntesis de celulosa apuntan a pronta solución. ► La celulosa sintetasa se localiza en la membrana plasmática. Cataliza la polimerización de la glucosa con enlaces β(1,4), la formación de la estructura microfibrilar y la orientación con que se deposita en la pared celular. ► Acepta glucosa de uridindifosfoglucosa (UDPG) y lo transfiere a un glucano incipiente. El UDPG es suministrado directamente al centro activo de la enzima por una sacarosa-fosfato sintasa que actúa de forma inversa, es decir, hidroliza sacarosa-fosfato y libera UDPG (substrato de la celulosa sintetasa) y fructosa. ►La iniciación de la cadena se realiza sobre un grupo hidroxilo de una molécula de sitosterol (lípido de la membrana plasmática). ►Una hipótesis curiosa, considera que la síntesis de celulosa, β(1,4)-glucano) y calosa, (β(1,3)glucano,.son catalizadas por una sola enzima: la calosa sintetizada, denominada calosa accidental, formaría parte de la respuesta de defensa de la planta frente a organismos patógenos. En condiciones normales, la enzima uniría D-glucosas con enlaces β(1,4), mientras que, un aumento de la concentración de ion calcio, causada durante la penetración del patógeno, haría que la enzima comenzase a formar enlaces β(1,3).entre D-glucosas.

calosa Í β-1,3

β-1,4 Î celulosa

GLUCANO SINTETASA Membrana plasmática

fructosa + UDPG

Sobre ell grupo hidroxilo se une la primera glucosa de la cadena β(1,4)-glucano

Sacarosa-P

PARED CELULAR Izquierda. Fotografía ((microscópio electrónico) de la pared celular con complejos terminales (celulosa sintetasa) adoptando forma de roseta. Derecha: estructura propuesta para cada una de estas rosetas con 36 centros activos

PROPIEDADES DE LA PARED CELULAR ► pH: • 4,5-6,0 • Debido a H+-ATPasas de la membrana plasmática ► Porosidad • Tamaño de los poros: 3,5-6,0 nm • Moléculas con p.m. ≤ 13-65 kDa ► Carga eléctrica • Carga neta negativa a pH 4,5-6,0 • Debida a: grupos carboxilos de pectinas (carga negativa) y grupos amino de algunas proteínas (carga positiva) ► Hidratación • Contenido en agua: • Paredes primarias: 65% debido a la naturaleza hidrófila de los polímeros • Disminuye en paredes secundarias por la naturaleza hidrófoba de sus componentes (lignina, suberina, etc ► Resistencia química alta • Debida al empaquetamiento de las cadenas β(1,4)-glucanos de la celulosa (acceso restringido de enzimas a enlaces susceptibles de degradación) y a la estabilidad de otros enlaces (puentes fenólicos, puentes isoditirosina ► Resistencia mecánica • Máxima en la dirección de la fibra de celulosa • Debida a la estructura cristalina (fibrilar) de la celulosa

FISIOLOGÍA DE LA PARED CELULAR ► Condiciona la forma y tamaño de la célula ► Interviene en procesos de reconocimiento celular: planta-planta (polinización), planta-simbionte y planta-patógeno ► Permite la supervivencia en ambientes hipotónicos ► Es un compartimento metabólico ► Las paredes celulares secundarias son una barrera pasiva a la entrada de patógenos en la planta ► La degradación de paredes celulares es crucial en algunos procesos de desarrollo: abscisión de órganos y maduración de frutos.

RELAJACIÓN DE PARED CELULAR

► Xiloglucano-endotransgli-cosilasa (XET): alarga cadenas de xiloglucano ► Expansinas: rompen puentes de hidrógeno entre celulosa y hemicelulosas ►El ordenamineto paralelo de las microfibrillas de celulosa provoca una gran resistencia mecánica en la dirección de las microfibrillas. Cuando la pared celular se relaje la célula se elongará en la dirección perpendicular a la microfobrilla

ABSORCIÓN DE AGUA POR LA RAÍZ VÍA DE ENTRADA DE AGUA: ESTRUCTURA PRIMARIA DE LA RAIZ

CÉLULA VEGETAL

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Características más notables: - Vacuola - Plastos - Pared celular Principales diferencias metabólicas con células animales: Corte transversal de raíz primaria

transversal de raíz primaria -Corte Fotosíntesis - Metabolismo mitocondrial: rutas particulares en plantas ► La raíz primaria es la formada cada año por el meristemo Membranas celulares: primario radicular * Composición lipídica y fluidez ► La raíz primaria es la principal vía de entrada del agua. * Bombas electrogénicas: H+* Epidermis permeable con pelos radicales -ATPasas * Corteza con células unidas por plasmodesmos * Endodermis con Banda de Caspari * Periciclo donde se originan las raíces laterales * Cilindro central con los vasos del xilema y floema

► Rodea al protoplasto ► Espesor: 0,1-10 µm

pared celular primaria Las raíces laterales se originan en el periciclo y avanzan a través de la estructura primaria de la raíz

pared celular secundaria

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ABSORCIÓN RADICULAR DE AGUA ► La solución salina del suelo accede al apoplasto de la corteza → La composición de la solución salina del apoplasto de la corteza es semejante a la del suelo (algunos iones se concentran debido a las cargas eléctricas de la pared celular ► La banda de Caspari obliga a la solución salina a pasar a través de la membrana plasmática de las células de la corteza ► Las células de la corteza están comunicadas por plasmodesmos entre sí y con las células del periciclo → la membrana plasmática de las células corticales funciona como una gran superficie de absorción

► La Banda de Caspari es un depósito de suberina (sustancia impermeable) en las paredes celulares superiores, inferiores y tangenciales. La solución salina del apoplasto tiene que atravesar una membrana plasmática para acceder al cilindro central por el simplasto.

1. Actividad en las células de la corteza: ajuste osmótico (osmorregulación) ► A medida que el suelo se seca (↓Ψsuelo), las células de la corteza han de mantener un potencial hídrico aún más bajo aumentando su presión osmótica ► El aumento de la presión osmótica de las células de la corteza se logra de dos formas: * Acumulando iones desde el apoplasto * Aumentando la concentración de solutos orgánicos. ► Si elcontenido hídrico del suelo desciende por debajo del PMP, las células no absorben agua e incluso pueden perderla.

► La acumulación excesiva de iones altera la estructura de las proteínas al no permitir que se forme una capa de hidratación. ► Los solutos compatibles mantienen intacta la proteína al permitir que una capa muy ordenada de moléculas de agua se unan a ella.

Tipos de solutos compatibles ► Iminoácidos: Prolina ► Compuestos de sulfonio terciario: dimetilsulfoniopropionato ► Compuestos de amonio cuaternario: sulfato de colina ► Azúcares alcohol: pinitol, manitol

2. Actividad en el cilindro central: La concentración de oxígeno en las células del cilindro central es baja → desciende su capacidad acumulativa → los solutos salen pasivamente al apoplasto del cilindro central, ocupado en su mayoría por las células conductoras del xilema.

TRANSPORTE DE AGUA POR LA PLANTA XILEMA ► Las células del xilema forman un tejido estructural y funcionalmente complejo, el cual, asociado al floema, se extiende de manera continua por todo el cuerpo de la planta. ► Tiene por misión la conducción de agua (xilema primario) y soporte (xilema secundario). ► El xilema comunica la zona de absorción de agua (raíz) con la de evaporación (hojas). El floema transporta savia elaborada desde el lugar donde se produce (fuentes) hasta donde se consume (sumideros). ► Las células conductoras del xilema son las traqueidas (Gimnospermas) y los elementos de los vasos (Angiospermas). Las traqueidas son más delgadas y largas que los elementos de los vasos. ► Las traqueidas se comunican longitudinalmente por pares de punteaduras mientras que los elementos de los vasos lo hacen por placas perforadas.

elementos de los vasos

traqueidas

Dos elementos de tubos cribosos del xilema ► Las células conductoras del xilema se alinean longitudinalmente formando largos haces conductores que recorren la planta desde la raíz hasta la parte aérea. Estos haces se ramifican enormemente en las hojas, donde puede haber transporte de iones hacia y desde el floema ► En las hojas puede haber translocación de solutos desde el floema hacia el xilema.

Hoja de Eucalyptus crenulata con una gran ramificación de los haces.

► Las células xilemáticas se comunican por punteaduras de la pared celular. Tipos de punteaduras: Simples: no hay ningún desarrollo de la pared secundaria. Areoladas: la pared secundaria se desarrolla sobre la cavidad de la punteadura formando un techo arqueado con un poro estrecho en el centro.

Lámina media Apertura interna Pared primaria Apertura externa Cámara Pared secundaria

► Generalmente cada punteadura de una célula tiene otra complementaria de la célula vecina, constituyendo ambas una unidad morfológica y estructural, son las punteaduras bilaterales, que pueden ser: Simples: si ambas son simples Areoladas: si ambas son areoladas Semiareoladas: si una es simple y la otra areolada Ciegas: no existe la complementaria

Simple

Areolada

Semiareolada

► La punteadura con Toro es un tipo especial de punteadura bilateral areolada: La membrana de la punteadura (lamina media + pared primaria) está engrosada en la parte central, este engrosamiento biconvexo es el denominado TORO (en general tiene un diámetro mayor que la apertura de la punteadura). El toro se desplaza por diferencias de presión.

Punteadura con toro Toro

Formación de células conductoras del xilema

► Al inicio de la diferenciación celular se forma una pared celular secundaria muy gruesa que posteriormente se lignifica. Los orgánulos subcelulares desaparecen posteriormente. La membrana plasmática desaparece en los últimos estadíos de la diferenciación. ► El proceso de engrosamiento y lignificación de las paredes celulares puede ser de diferentes formas: anular (A), helicoidal (B), etc… ► El proceso de engrosamiento y lignificación de sus paredes celulares puede ser de diferentes formas (izquierda): anular (A), helicoidal (B), etc… ► La pared celular secundaria muy engrosada evita el colapso del conducto xilemático cuando aparezca una tensión elevada en su interior (necesaria para subir el fluido xilemático a las zonas de evaporación –hojas-).

Materia seca Aminoácidos K Ca P Fe

Floema

Xilema

(mg/L)

(mg/L)

185 13 1,5 0,02 4,03 0,008

12 0,7 0,09 0,018 0,07 0,002

Composición de los fluidos del xilema (savia bruta) y floema (savia elaborado) ► El xilema transporta una solución diluida de sales minerales absorbidas del suelo y aminoácidos transportados desde el floema. ► El floema transporta una solución concentrada de substancias elaboradas por la planta e iones transportados desde el xilema Potencial hídrico de la hoja

B

xilema

floema

(A) Célula guarda

► La evaporación de agua desde las paredes celulares del mesófilo provoca un gradiente de potencial hídrico entre el exterior y el interior de la hoja. Este gradiente se transmite al xilema foliar puesto que el agua forma un sistema continuo en el apoplasto de la hoja (una buena parte ocupada por el xilema), es decir está repleto de agua.

Película de agua

Difusión al exterior (a) Evaporación al espacio aéreo (b)

► A medida que las moléculas de agua se evaporan, y difunden al exterior, la superficie de evaporación forma un menisco (a, b, c) que se va haciendo cada vez más cóncavo. Un menisco tiene una tensión inversamente proporcional al radio de la superficie curva. ► El agua sube por las paredes celulares de los tubos del xilema por tensión capilar: una combinación de fuerzas de adhesión, cohesión y tensión superficial.

PRESIÓN DE RAÍZ ► Cuando los estomas están cerrados: * No se genera tensión en el xilema * Si la actividad osmótica de las células de la corteza continua, la presión osmótica del cilindro central causa una toma de agua que genera una presión positiva en el xilema. A esta presión se le denomina presión de raíz. La presión de raíz es positiva, es decir, se ejerce sobre las paredes del xilema. ► La presión de raíz varía entre especies. Generalmente, las plantas herbáceas tienen mayores presiones de raíz que las leñosas. ► La presión de raíz es la responsable de la exudación de exudados del apoplasto foliar, proceso conocido como gutación y que es posible observar en plantas herbaceas antes de que los estomas se abrfan al amanecer (fotografía arriba izquierda). ► La presión de raíz puede eliminar posibles embolias que aparezcan en plantas, principalmente en plantas herbáceas o leñosas jóvenes (ver cavitación).

Determinación experimental de la cohesión del fluido xilemático ► Se llena el tubo con el fluido xilemático que se obtenga de la planta. ► Se centrifuga el tubo. Aparecen dos fuerzas * En los extremos del tubo: impide la salida de fluido (A). * En el centro del tubo: rompe la continuidad del fluido (en el centro del tubo las dos fuerzas tienen igual intensidad y sentido opuesto (B) ► Se obtienen fuerzas de cohesión alrededor de -30 MPa. Determinación experimental de la cohesión del fluido xilemático 1. La tensión del xilema provoca que el agua retroceda desde la escisión. 2. El tallo seccionado se introduce en una cámara y se aplica presión. 3. Cuando aparezca el agua en el extremo cortado, la presión aplicada coincidirá con la existente en el xilema.

La tensión medida en el xilema es suficiente para ascender el fluido xilemático LA CAVITACIÓN ES LA PRINCIPAL OBJECIÓN DE LA TEORÍA DE LA TENSIÓN-COHESIÓN ► La cavitación es la rotura de las columnas de fluido xilemático en el interior del xilema. Cuando la cavitación se extiende por el xilema de la planta se produce una embolia. ► La cavitación es frecuente en algunas condiciones de estrés: Déficit hídrico asociado a elevadas tasas de transpiración: diminutas burbujas de aire se filtran a través de las finas membranas de las punteaduras y pueden producir una embolia. Congelación: El problema se asocia a la descongelación (disminución del volumen) Patógenos: Aumentan la presión osmótica del fluido xilemático reduciendo la cohesión (hongo de la grafiosis del olmo – Ceratocystis ulmi-).

► La ruptura de la continuidad (a) del fluido xilemático (cavitación) se extiende rápidamente en el interior de una célula conductora dando lugar a una embolia (b) ► Las punteaduras areoladas confinan la burbuja dentro de la célula conductora (c) ► Se restablece el flujo a través de las células conductoras vecinas ► La actividad del cambium vascular, junto con la capacidad de flujo de las células del xilema (mayor de la que realmente tiene lugar) y las punteaduras areoladas, son mecanismos que la planta utiliza para atenuar los efectos dañinos de la cavitación

NUTRICIÓN MINERAL DE PLANTAS

Composición mineral de la planta ► El contenido hídrico de las plantas es muy variable. Se suele utilizar la diferencia del peso seco fresco (PF) y seco (PS) para cuantificar el contenido hídrico: Raíces: 71-93 % Tallos: 48-94% Hojas: 77-98% Frutos: 84-94% Semillas: 5-11% (algunas –maíz- llegan al Madera recién cortada: 50%

85%)

► El peso del residuo obtenido después de secar un tejido u órgano vegetal, denominado peso seco (PS), está constituido por: Compuestos orgánicos (≈85-95% del PS): Formados por C, H y O Fotosintetizados a partir de CO2 y H2O Fracción mineral (≈ 5-15% del PS) Minerales esenciales (13), beneficiosos y otros ELEMENTOS ESENCIALES Criterios de esencialidad: ► Ser indispensable. Su deficiencia impide que la planta complete su ciclo vital ► Ser insustituible. No puede reemplazarse por otro elemento con propiedades similares. Ej. El sodio, que es semejante el potasio, no puede reemplazarlo completamente ► Participar directamente en el metabolismo de la planta .

ELEMENTO

TIPO

Nitrógeno, Fósforo, Azufre, Potasio, Macronutrientes Magnesio, Calcio Hierro, Manganeso, Zinc, Cobre, Boro, Cloro, Molibdeno, Micronutrientes Sodio, Silicio, Cobalto iodo, Vanadio

Elementos beneficiosos

PLANTAS SUPERIORES

PLANTAS INFERIORES

+

+ (excepción: Calcio en hongos)

+

+ (excepción: Boro en hongos)

± ± 

± ± ±

FUNCIONES DE LOS ELEMENTOS ESENCIALES ► Estructural: forma parte de la estructura de proteínas, ácidos nucleicos, etc… Ejemplo: el N forma parte de la estructura de los aminoácidos ► Metabólica: participa en la regulación metabólica como cofactor enzimático, estructura del centro activo de un enzima, etc… Ejemplo: el Mg es necesario en muchas reacciones de fosforilación catalizadas por quinasas► Osmorreguladora: participa en el ajuste osmótico necesario en muchos procesos: apertura de estomas, actividad de las clulas de la corteza radical, etc… +

Ejemplo: el ión K participa en la apertura de los estomas.

ABSORCIÓN DE NUTRIENTES

► El agua y los minerales son absorbidos del suelo a través del sistema radical. El CO2 penetra por los estomas ► El agua de la niebla y el rocío, junto con minerales disueltos en ella, pueden entrar a la planta a través de las hojas (absorción foliar), especialmente bajo condiciones de sequía,

► El suelo es el principal reservorio de los nutrientes minerales: contiene partículas de material orgánico e inorgánico ► Los minerales se adsorben a la superficie de las partículas del suelo y no son lixiviados ►Los minerales no lixiviados y disueltos en agua pueden ser absorbidos por las raíces

► Intercámbio iónico: los cationes con mayor atracción pueden desplazar a los que se encuentran adsorbidos ► La capacidad de adsorción e intercambiónico del suelo (CAI) condiciona su volumen de reservas minerales ► La CAI depende: • Tipo de suelo: ↑ Superf./volumen⇒ ↑cargas expuestas ⇓ ↑CAI ⇐ ↑reserva mineral • Tipo de ión: la movilidad de algunos iones, como fosfato) y sulfato es baja

► La raíz absorbe eficazmente minerales del suelo: • Gran superficie de absorción: Los pelos radicales aumentan la superficie de la raíz en contacto con el suelo • Gran capacidad de penetración • Plasticidad en el desarrollo: El crecimiento de las raíces se adapta al medio ► Diferentes minerales se absorben en distintas zonas de la raíz primaria. Existe una Asimetría transversal y longitudinal de los transportadores de nutrientes minerales en la membrana: Calcio: en zona apical Hierro: algunas plantas en zona apical y otras a lo largo de toda la raiz Potasio, nitrato, amonio y fosfato: en toda la raíz (la absorción de nitrato es más rápida en la zona de elongación y la de amonio en la zona apical ► Los nutrientes del suelo se mueven junto con el agua hacia la superficie de la raíz mediante flujo en masa ► Las raíces necesitan un aporte continuo de nutrientes y estos, especialmente los macronutrientes se pueden agotar en las inmediaciones de la raíz. ► La disponibilidad de los nutrientes varía con el pH del suelo: 4-

2+

• En pH alcalinos: disminuye concentración de, H2PO , Fe 3+

• En pH ácidos : aumenta la concentración de Al

2+

y Ca

(tóxico a baja concentración)

DISPONIBILIDAD DE ELEMENTOS MINERALES NITRÓGENO ► El nitrógeno se absorbe preferentemente como ión 3nitrato (NO ). ► También se absorbe en menor medida como ión + amonio (NH4 ) ► Las plantas con déficit de nitrógeno crecen poco y las hojas sufren una clorosis homogenea (empezando por las hojas mas adultas ) +NO

3-

– NO

3-

► El déficit de nitrógeno provoca la síntesis de antocianos ► Las leguminosas pueden crecer en suelos carentes de nitratos

FÓSFORO ► El fosforo se absorbe como ión fosfato (H2PO4 ). ► Las plantas con déficit de fosforo crecen poco, los frutos no maduran, y las hojas son sufren clorosis, normalmente uniforme. -

► La concentración de H2PO4 desciende en suelos alcalinos (pH > 7,5) ► La movilidad del ión fosfato en el suelo es muy baja ► Las micorrizas mejoran la absorción de minerales, especialmente de fosfato AZUFRE 2-

► El azufre se absorbe como ión sulfato (SO4 ) ► Una parte del sulfato absorbido se utiliza en el metabolismo sin reducirse y otra parte se reduce, 22primero a ión sulfito (SO3 ), luego a ión sulfuro (S ) y por último se incorpora en aminoácidos azufrados ► Las hojas de plantas con déficit de azufre son mas estrechas y amarillentas (clorosis uniforme hacia la base). Los síntomas aparecen en las hojas mas jóvenes Déficit de azufre en plantas monocotiledóneas (arriba) y dicotiledóneas (abajo):

CALCIO 2+

► El calcio se absorbe como ión cálcico (Ca

).

2+

► El Ca se acompleja con fosfato y no está disponible a pH mayor de 7.5. 2+

► Las plantas con déficit de Ca son enanas y tienen hojas con clorosis intervenal y malformaciones (márgenes doblados y necróticos). ► Los síntomas carenciales de calcio aparecen en las zonas más jóvenes de la planta: hojas más jóvenes y yemas caulinares.

HIERRO ► El hierro se absorbe como ión 2+ 3+ ferroso (Fe ). El Fe se reduce a 2+ Fe por una enzima ligada a la membrana plasmática que utiliza al NADPH como fuente de electrones. ► En suelos alcalinos el hierro precipita como Fe(OH)3 y las plantas que crecen sobre estos suelos suelen tener déficit de hierro. MAGNESIO 2+)

► El magnesio se absorbe como ión magnesio (Mg ► Las plantas con déficit de hierro o magnesio carecen de clorofila (clorosis intervenal) Planta sana (izquierda) y con déficit de Mg (derecha

POTASIO ► El potasio se absorbe como ión potasio (K+) ► Las plantas con déficit de potasio tienen los márgenes de las hojas cloróticos y enseguida se mueren (clorosis-necrosis marginal). ► El desarrollo de los frutos también es anómalo ► Los síntomas aparecen en las zonas más jóvenes de la planta ► Es frecuente la coloración azulpúrpura en los márgenes de la hoja

MICORRIZAS ► Las micorrizas son asociaciones simbióticas entre raíces de plantas y hongos • Mejoran la toma de algunos nutrientes, especialmente fosfato • Aparecen en el ≈80% de Angiospermas y ≈ 100% de Gimnospermas • Existen dos tipos de micorrizas: ectomicorrizas o micorrizas ectotróficas y endomicorrizas o vesiculoarbusculares (VAM)

Ectomicorriza

Ectomicorriza

► La concentración nutrientes minerales en el suelo de, principalmente fosfato, suele limitar el crecimiento de plantas. El crecimiento de la planta micorrizada (izquierda) es mayor que el de la planta no micorrizada (derecha)..

ECTOMICORRIZAS ► Una gran masa de micelio penetra en las más capas más externas de la raíz donde tiene una vida intercelular Las hifas forman una envoltura densa que rodea toda la raíz. También se llaman micorrizas laminares ► Aparecen en Gimnospermas y Angiospermas leñosas ENDOMICORRIZAS (vesiculoarbusculares) ► Debe su nombre a las estructuras que forman el hongo en el interior de las células de la raiz: las hifas penetran más profundamente en el córtex y desarrollan en el interior de las células una densa red que forma unas vesículas. El hongo no sobrepasa la banda de Caspari ► Solo una pequeña masa de micelio (≈10% de la masa de la raíz) penetra en las células de la raíz ► Aparece en la mayoría de las Angiospermas herbaceas

TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS ► Al igual que las células animales, las células vegetales están cubiertas de una membrana, denominada plasmalema, formada por una bicapa lipídica en la que se encuentran proteínas (intrinsecas y extrínsecas. ► La vacuola también están cubierta de una membrana, denominada tonoplasto, con una composición semejante

► Membrana de una célula animal (eritrocito)

MEMBRANAS BIOLÓGICAS ► Las membranas biológicas están constituídas por mosaicos fluidos de lípìdos y proteínas (intrínsecas o integrales y extrínsecas o periféricas) ►

Muchas proteínas de las membranas están glicosiladas

► Los lìpidos de membrana son glicolípidos con dos partes bien diferentes en su molécula: • Cabeza hidrófila (zona polar): formada por el alcohol y el carbohidrato • Cola lipofila (zona apolar): formada por el ácido graso. ► Los lípidos forman una bicapa con las colas hacia dentro y las cabezas hacia fuera

► Otros lípidos de membrana engloban a moléculas con doble naturaleza hidófilalipofila: colesterol, camposterol, sitosterol y stigmasterol.

SELECTIVIDAD DE LAS MEMBRANAS ► Los lípidos de membrana forman barreras hidrofobas que repelen moléculas cargadas eléctricamente o polares (agua, azúcares, etc…). ► Las membranas contienen proteínas que facilitan el transporte de tales moléculas. ► Las proteínas transportadoras son específicas para moléculas con alguna función en la planta (otras substancias, sin función conocida en la planta pero relacionadas estructuralmente pueden ocasionalmente utilizarlos). FLUIDEZ DE LAS MEMBRANAS ► La fluidez permite el desplazamiento lateral o transversal de las proteínas. ► La fluidez varía con: • Temperatura: aumenta con la temperatura. • Estructura de los lípidos: La fluidez aumenta con la longitud y grado de insaturación de la cola. TRANSPORTE A TRAVÉS DE MEMBRANAS ► Atendiendo a la naturaleza de la molécula transportada hay dos tipos de transporte • Transporte facilitado para moléculas polares o con carga eléctrica • Transporte no facilitado para moléculas apolares n Tipos de transporte ► Las moléculas apolares (lipófilas) difunden a través de las membranas biológicas. ► El transporte facilitado puede ser de dos tipos:

Transporte no facilitado

Transporte facilitado por canales

• Por bombas electrogénicas • Por canales iónicos • Por carriers (transportadores

Bombas electrogénicas Transporte facilitado por carriers

► Atendiendo a la necesidad de energía existen dos tipos de transporte: Transporte pasivo: a favor de gradiente de potencial electroquímico (desde zonas con alto potencial electroquímico a zonas con potencial más bajo). El movimiento del ión libera una energía equivalente a la diferencia de potencial electroquímico. Transporte activo: en contra de gradiente de potencial electroquímico (desde zonas con potencial electroquímico bajo a zonas con potencial mas alto). Se necesita aplicar al ión una fuerza equivalente a la diferencia de potencial electroquímico y por tanto el transporte activo está acoplado a una fuente de energía. Potencial electroquímico ► Se aplica a moléculas con carga eléctrica e incluye un componente químico (concentración) y otro eléctrico (carga eléctrica).

+

▬

+

+

▬ +▬

▬▬ ▬ ▬ ▬ + + + + + ▬ ▬ ▬ ▬ + +▬ ▬ + +

campo eléctrico

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+

+ + ▬ ▬ + + ▬ + + + ▬ ▬▬ + + ▬

► Cuando una membrana separa dos compartimentos con diferente campo eléctrico (potencial de membrana) los aniones se concentran pasivamente en el compartimento con carga positiva y los cationes en el de carga negativa. ECUACIÓN DE NERNST T: temperatura absoluta F: constante de Faraday (96.500 C/V) z: valencia del ión ln: logaritmo neperiano [ion]e: concentración del ión dentro célula [ion]i: concentración del ión exterio célula Eion: (Ei – Ee): potencial de Nernst o potencial de membrana (diferencia de campo eléctrico) cuando el ión está en el equilibrio R: constante universal de los gases ► La ecuación de Nernst se puede simplificar: A 25ºC, R.T/F = 25 mV Ln X = 2,303. log X

N

E = 58 . n . logC e /C i

► La ecuación de Nernst se puede leer en ambos sentidos: Izquierda-Derecha: Un potencial de membrana [(Ei – Ee)] establece un gradiente de concentración [logCe /Ci] de un ión de carga z en el equilibrio. Derecha-Izquierda: Un gradiente de concentración [logCe/C i] de un ión de carga z establece un potencial de membrana en el equilibrio [(Ei – Ee)]

FUERZA ION MOTRIZ ► Cuando el íón no está en equilibrio, existe una diferencia de potencial electroquímico (µi-µe) que es la fuerza necesaria para mover al ión en contra de gradiente. Se denomina fuerza ión motriz porque es la energía liberada al moverse el ión a favor de potencial, es decir porque es la fuerza que mueve al ión espontáneamente: µi-µe = R.T.lnci + z.Ei.F - R.T.lnce + z.Ee.F µi-µe = R.T.lnci/ce + z.F.(Ei – Ee). N

R.T.lnci/ce se expresa en función del potencial de Nernst (E ) N

R.T.lnci/ce = -E .z.F

→ µi-µe = - E .z.F + z.F. E N

M

M

N

µi-µe = z.F.(E –E )

TRANSPORTE ACTIVO EN CÉLULAS VEGETALES ► Tipos de transporte activo • Transporte activo primario: acoplado directamente a la hidrólisis de ATP o pirofosfato • Transporte activo secundario: acoplado al movimiento a favor de gradiente de potencial electroquímico de protones ► Moléculas movidas por transporte activo primario: • Protones • Iones de calcio: • Moléculas orgánicas ► Tipos de transportadores activos primarios: • ATPasas: hidrólizan ATP (tipos P y V) • Pirofosfatasas: hidrólizan pirofosfato • Transportadores ABC: hidrólizan ATP ► Localización celular de los transportadores activos primarios (bombas electrogénicas) en las células vegetales • Membrana plasmática +

* H -ATP asas: Sacan H+ del citoplasma 2+

+

2+

* Ca -H -ATP asas: sacan Ca del citoplasma al tiempo que incorporan H+ desde el apoplasto. Tienen una contribución escasa al potencial de 2+ membrana. Son útiles en la regulación de [Ca ] citosolico • Tonoplasto * H+-ATP asas: meten H+ en la vacuola * H+-pirofosfatasas: meten H+ en la vacuola

BOMBAS ELECTROGÉNICAS +

► Las ATPasas mayoritarias son del tipo H -ATPasas, proteínas de membrana que hidrolizan ATP en el lado citoplasmático y mueven protones en contra de gradiente. ► Las ATPasas causan: * Aumento del pH citosólico y descenso del pH del apoplasto y vacuola * Potencial de membrana: el citoplasma se carga negativamente en relación con el apoplasto o la vacuola

citoplasma

apoplasto

►

2+

También existen Ca -ATPasas que utilizan la energía liberada en la hidrólisis 2+ del de ATP para sacar iones Ca + citoplasma al apoplasto y meter meter H + al citoplasma desde el apoplasto (no se incluye la salida de protones en la figura)

apoplasto

citoplasma

► Transportadores ABC • Deben su nombre a su denominación inglesa: (ATP-binding cassette -ABC) y fueron inicialmente descritos en microorganismos y en células animales • Son proteínas de una gran familia que transportan activamente moléculas orgánicas, especialmente los aniones grandes, utilizando la energía liberada en la hidrólisis de ATP • Forman un intermediario fosforilado durante la catálisis (al igual que las H+-ATP sintasas del tipo P). Son inhibidas por ortovanadato. TRANSPORTE ACTIVO SECUNDARIO ► La acumulación de todos las demás moléculas (todas menos protones, iones calcio y moléculas transportadas por transportadores ABC) tiene lugar mediante transporte activo secundario ► Fuente energética: la liberada en la entrada pasiva de protones en el citoplasma ► Tipos de transporte activo secundario: • Cotransporte (simporte): la molécula se mueve en la misma dirección que los protones Ej.: NO3 , Cl , H2PO4 • Antiporte: la molécula se mueve en + dirección opuesta a los protones . Ej.: Na

cotransporte

antiporte

► Los transportadores que realizan transporte activo secundario son los carriers

TRANSPORTE PASIVO SECUNDARIO ► El único tipo de transporte pasivo secundario es uniporte. ► Los iones se mueven atraídos por diferente campo eléctrico al de su carga. Debido a que el transporte activo primario causa un citoplasma negativo y un apoplasto y vacuola positivos, los cationes entran en la célula y los aniones salen. ► Los transportadores que realizan transporte pasivo secundario son los canales iónicos. +

► Los canales K son los más abundantes en la membrana plasmática y en el tonoplasto. ► Las substancias transportadas pueden o no unirse a las subunidades de las proteínas transportadoras ► Los canales tienen puertas “gates” que se abren y cierran en respuesta a diferentes estímulos. Los estímulos mas frecuentes son el voltaje (A) (se debe alcanzar un determinado valor de potencial de membrana) y los ligandos (B) (moléculas que se unen a los ligandos y provocan su abertura o cierre. ► El movimiento por los canales iónicos rápido A B

uniporte

+

Estructura propuesta recientemente del canal K en la membrana plasmática de células oclusivas de Arabidopsis thaliana (AtCNGC2)

Resumen de la entrada y salida de iones en células vegetales (Diferentes iones salen y entran simultáneamente en las células. Solo se comenta el movimiento de los iones más importantes. De todos ellos, solo K+, Na+, y Cl- tienen las mayores permeabilidades y alcanzan las mayores concentraciones dentro de las células) vegetales) +

► Los H salen de la célula por transporte activo 2+ y primario. En menor medida, el ion Ca algunas moléculas orgánicas también se mueven por transporte activo primario. +

+

► Los cationes K y Na entran por mecanismo + uniporte (el K es el único que se encuentra generalmente cerca del equilibrio (concentrado en el interior), incluso en concentraciones externas muy bajas. +

2+

2+

► Los cationes Na , Ca , Mg salen de la célula por transporte activo secundario (antiporte) -

-

-

2-

-

► Los aniones NO3 , Cl , H2PO4 , SO4 y Cl entran por transporte activo secundario (cotransporte).

FIJACIÓN DE CO2 ►Tres grupos de plantas según el metabolismo fijador de CO2: • Plantas C3 (metabolismo C3). (≈ 95% de las especies). El CO2 penetra por los estomas y se fija en el mesófilo mediante el Ciclo de Calvin . • Plantas C4 (metabolismo C4). Aprox. 3% de especies. Tienen dos tipos de células fotosintéticas: mesófilo (CO2 + fosfoenolpirúvico (PEP)→ C4 y vaina del haz (C4 → CO2 + PEP) • Plantas CAM (metabolismo CAM). Semejante a las C4: Noche : CO2 + PEP → C4 → Ciclo de Calvin Día : C4 → CO2 + PEP) ► Las algas toman CO2 en forma de ión bicarbonato y una anhidrasa carbónica acumula CO2 en el entorno de la rubisco (enzima fijador de CO2 del ciclo de Calvin). CICLO DE CALVIN ► Proceso de fijación de CO2, en el estroma que es el principal consumidor de ATP/NADPH. ► Es cíclico por que la fijación conlleva destrucción del substrato fijador. ► El carbono entra como CO2 y sale como triosas fosfato, generalmente reducidas (fosgliceraldehido). ►

Consta de carboxilación, regeneración.

►Fase

tres fases: reducción y

de carboxilación.

• RubP está en forma de dos isómeros cetoenólico: Rubí cetoenólica (más estable y mayoritaria) y RubP dienólica. • La enzima RuBP-carboxilasa-oxigenasa (RubisCO) cataliza la fijación de CO2 sobre la forma dienólica de la RuBP:

► Estructura de RuBisCO •Las rubiscos de plantas tienen 16 subunidades: 8 grandes codificadas por DNA nuclear contienen los centros activos (8 por molécula) y 8 pequeñas codificadas por DNA cloroplástico. Subunidades grande y pequeña de rubisco de Nicotiana tabaccum: alfahélices (rosa) y betaplega-mientos (amarillos). •Las rubiscos de organismos fotosintéticos mas primitivos son menos complejas (4+4 ó 2+2).

► Activación de RuBisCO • La rubisco se activa con luz e inactiva (protege sus centros activos) en oscuridad. • La activación consta de dos pasos: 1. Carbamilación: unión de un CO2 (diferente al que se va a fijar) a un resto NH2 de una lisina de la rubisco (aparecen cargas negativas superficiales)

2. Unión de iones Mg2+: El ión magnesio orienta los dos substratos de la reacción: CO2 y RuBP. • Las condiciones que permiten la activación de rubisco (pH alcalino y alta concentración de magnesio) se dan en el estroma cuando los cloroplastos reciben luz. • Puede ser que RuBP se una al centro activo antes de que rubisco se haya activado. Si ocurre así, la rubisco se inactiva y no se activará si antes no se separa el azúcar del centro activo. Recientemente se ha comprobado que la enzima rubisco activasa interviene en el proceso de activación de la rubisco al eliminar el azucar unido al centro activo y permitir la carbamilación y posterior unión de magnesio:

Mecanismo de la reacción • La Rubisco activa tiene unido un Mg2+ (verde) y un CO2). El ión Mg2+ deja libre el plano opuesto al de la proteina (superior) • La RuBP se un al Mg2+ por su lado superior a través de dos oxígenos del C2 • El CO2 se fija través de un átomo de oxígeno al magnesio por el mismo lado. • Se forma un enlace entre el C2 de la forma dienólica de RuBP y el C del CO2 formandose un intermediario de 6C (cetoarabinitolbifosfato –CAB) que se rompe y forma 2 moléculas de ácido 3fosfoglicérico (PGA). • La enzima también cataliza la incorporación de O2 al C2 del azúcar: (ver apartado de fotorrespiración). Ac. Fosfoglicólico –PG- (x2) O2 RuBP

Ruta del glicolato CO2 Ac. 3-Fosfoglicerico (PGA) + CO2

► Fase de reducción. La reducción de PGA ocurre en dos pasos: • Activación de PGA: reacción con ATP para formar bifosfoglicerato (BPGA) * Reacción catalizada por PGA-quinasa 2+ * PGA-quinasa se activa con ATP, Mg y PGA . * Las condiciones de activación de PGA-quinasa se dan en el estroma cuando los cloroplastos reciben luz. • Reducción de BPG a gosfogliceraldehído (GAP): * Reacción catalizada por GAP-deshidrogenasa, única enzima del ciclo que consume NADPH. * PGA-quinasa se activa por ferredoxina-tiorredoxina (LUZ). MECANISMO DE ACTIVACIÓN FERREDOXINA-TIORREDOXINA

► Permite la activación por luz de enzimas con alta proporción de aminoácidos azufrados: GAP-deshidrogenasa, sedoheptulosa bifosfatasa, fructosa bifosfatasa y fosforibulosaquinasa. ► Los electrones de PSI reducen los puentes disulfuro de los enzimas a través de dos proteínas: ferredoxina y tiorredoxina. ► Al quedar libres los grupos tiólicos las enzimas se desagregan y exponen los centros activos.

DESTINO DEL CARBONO FIJADO Y REDUCIDO

► GAP isomerasa establece un equilibrio entre el GAP formado y dihidroxiacetona fosfato (DHAP). Cualquiera de las dos triosas fosfato puede: • Salir al citosol mediante el translocador fosfato para intervenir en la síntesis de sacarosa : GAP ó DHAP estroma

citoplasma

Pi

• Permanecer en el estroma e intervenir en la regeneración de la rubisP o en la síntesis de almidón.

► Fase de regeneración ► El carbono contenido en triosas fosfato reducidas (GAP/DHAP) se utiliza íntegramente en formar un compuesto de cinco carbonos RuBP). 1. Actividad aldolásica: GAP + DHAP

fructosa bifosfato (FBP)

2. Actividad fructosa-bifosfatasa: FBP

fructosa 6-fosfato (F6P)

• La enzima fructosa-bifosfatasa: * Se regula por el mecanismo ferredoxina-tiorredoxina). * Es una isoforma diferente de la isoforma citoplasmática

3. Actividad transcetolasa: • Transfiere grupos glicoaldehido (2C) desde F6P a GAP: F6P + GAP

xilulosa-5-fosfato (X5P) + + eritrosa-4-fosfato (E4P)

4. Actividad X5P-isomerasa: X5P ribulosa 5 fosfato (R5P) 5. Actividad fosforibulosa quinasa: R5P + ATP

ribulosa bifosfato (RuBP)

• La enzima fosforibulosa-quinasa se regula por el mecanismo ferredoxina-tiorredoxina 6. Actividad aldolásica. E4P + GAP

7.

Actividad tiorredoxina

sedoheptulosa bifosfato (SBP)

SBP-bifosfatasa: SBP

regulada

por

el

mecanismo

ferredoxina-

sedoheptulosa-7-fosfato (S7P)

8. Actividad transcetolásica: S7P + GAP

2 xilulosa-5-fosfato (X5P)

• La xilulosa-5-fosfato se metaboliza a ribulosa-bifosfato de la forma descrita anteriormente. RENDIMIENTO ENERGÉTICO DEL CICLO DE CALVIN ► La Fijación de 6 CO2 requiere: • 18 ATP (12 ATP para reducir 12 PGA y 6 ATP para fosforilar 6 R5P). • 12 NADPH para reducir 12 BPGA . ► Coste energético por vuelta: 3 ATP y 2 NADPH

ATP/NADPH = 1,5

REGULACIÓN DEL CICLO DE CALVIN ► La fijación de CO2 depende de la disponibilidad de CO2 y luz PAR ► Para una [CO2]atm, un aumento de DFF provoca: Activación de rubisco

Activación ferredoxina/tiorredoxina

Síntesis ATP/NADPH

↑ Velocidad de carboxilación

↓ RuBP

↑ Velocidad de regeneración

↑ RuBP

CuandoV arboxilación = Vregeneración [RuBP] constante Las triosas fosfato reducidas salen al citoplasma e intervienen en la síntesis de sacarosa SÍNTESIS DE SACAROSA ► Ocurre en el citoplasma a partir de triosas fosfato reducidas. 1. La aldolasa condensa GAP y DHAP para formar fructosa bifosfato (FBP). 2. La fructosa-bifosfatasa elimina un fosfato de FBP (reacción irreversible) • La fructosa-bifosfatasa citoplasmática se regula por Fructosa-2,6-bifosfato (F2,6BP), acoplando la actividad del ciclo de Calvin con el destino citoplasmáticoa del carbono fijado: ↓ Fructosa-2,6-bifosfato (F2,6BP)

LUZ

Ciclo de Calvin

fructosa-bifosfatasa

1. Fosfoglucoisomerasa 2. Fosfoglucomutasa F6P

G6P

G1P

Fructosa-6-fosfato

3. UDPG-pirofosforilasa UDPG

G1P + UTP 4. Sacarosa-fosfato sintasa UDPG + F6P

sacarosa-fosfato

5: sacarosa fosfatasa sacarosa-fosfato

sacarosa

► La sacarosa-fosfato sintasa es una enzima que acopla la actividad del ciclo de Calvin, a través de la concentración de F6P y Pi, con la síntesis de sacarosa (se activa con G6P- proviene de F6P- y Pi):

↑ fotosíntesis ↑ F6P

↓ fosfato libre

↑ G6P

↑ actividad sacarosa-P sintasa

↑ sintesis sacarosa

► Las concentraciones de G6P y Pi están relacionadas, puesto que las triosas fosfato, precursoras de G6P, se intercambian por fosfato libre (Pi) a través del transportador fosfato: ↑G6P→ ↓Pi ► La regulación de sacarosafosfatasa (SPS) se consigue por fosforilación de aminoácidos específicos a través de dos enzimas, una SPS-quinasa y una SPSfosfatasa que añaden o eliminan respectivamente un grupo fosfato a SPS. La forma fosforilada de SPS es menos activa que la no fosforilada: SPS se activa con G6P, porque G6P inhibe SPS-quinasa, y se inhibe por Pi, porque Pi inhibe SPS-fosfatasa.

ALMIDÓN ► Es una mezcla de dos polímeros: • Amilosa: α(1-4)-glucano lineal • Amilopectina: eje central α(1-4)-glucano con ramificaciones α(1-4)en C6 (2).

Amilosa

glucano

Amilopectina

► Es la forma mayoritaria de almacenamiento de carbono reducido. METABOLISMO DE ALMIDÓN ► Día: síntesis a partir del exceso de carbono reducido que permanece en el cloroplasto y no se utiliza en regenerar RuBP. ► Noche: hidrólisis para mantener niveles basales de intermediarios del ciclo de Calvin suministro de y mantener la el

carbohidratos fotosíntesis.

cuando

cesa

la

SÍNTESIS DE ALMIDÓN ► La síntesis de almidón comienza cuando la F6P se convierte primero en G6P y luego en G1P mediante actividad fosfoglucoisomerasa y fosfoglucomutasa respectivamente (ver reacciones en síntesis de sacarosa). ► G1P se activa al reaccionar con adenosintrifosfato (ATP) mediante actividad ADPglucopirofosforilasa: G1P + ATP

ADP-glucosa

► Los dos tipos de almidon sintasa agregan unidades de glucosa con enlace α(1,4) a un glucano incipiente : (glucano)n + ADP-glucosa

(glucano)n+1

► Las enzimas ramificantes añaden unidades de glucosa con enlaces α(1,6) a cadenas de amilasa.

► La síntesis de almidón se regula a través del efecto de gliceraldehído-fosfato y glucosa-6-fosfato sobre la enzima ADPglucopirofosforilasa

FOTORRESPIRACIÓN ► Consumo de O2 por actividad oxigenasa de rubisco y formación de CO2 en la ruta del glicolato. ► La ruta del glicolato requiere la participación de cloroplastos, peroxisomas y mitocondrias. ► De forma global: 10 RuBP + 10 O2 + 2 ATP + 2,5 NADPH ► La relación entre car-boxilación y oxigenación de rubisco depende sobre todo de la relación O2/CO2.

► La temperatura afecta a la fotorrespiración a través del efecto que tiene sobre la solubilidad de gases en líquidos. Aunque la solubilidad de los dos gases (O2 y CO2) disminuye conforme aumenta la temperatura, la solubilidad de CO2 disminuye más que la de O2 y, por tanto si aumenta la temperatura el cociente O2/CO2 también aumenta: ↑Tra

↑ O2/CO2

↑Fotor.

► El significado fisiológico de la fotorrespiración es dudoso: ¿disipación de ATP/NADPH en condiciones de alta iluminación y baja [CO2]?

+

0,9 RuBP + 0,5 CO2 + 2 ADP + 2,5 NADP + 2 Pi

METABOLISMO C4 ► El metabolismo C4 disminuye la tasa de fotorrespiración al acumular CO2 en el entorno de la rubisco.

mesófilo ► En las plantas con metabolismo C4, los cloroplastos del mesófilo tienen mas grana ya que debe aumentar el flujo acíclico de electrones (necesitan reducir OAA → malato). Por el contrario, los de la vaina del haz tienen menos grana por conseguir NADPH del malato importado.

vaina del haz

► Las plantas C4 economizan agua al abrir menos los estomas para tomar la misma cantidad de CO2.

METABOLISMO CAM ► El metabolismo CAM disminuye la tasa de fotorrespiración al acumular CO2 en el entorno de la rubisco.

► El metabolismo CAM economiza agua: • Permiten que el ciclo de Calvin se desarrolle con los estomas cerrados • El CO2 entra durante la noche (tra. baja).

1

TRANSPIRACIÓN CARACTERÍSTICAS GENERALES Definición: pérdida de vapor de agua desde la planta Funciones fisiológicas: Regula el contenido hídrico Refrigera la planta Genera tensión en el xilema Fases: Evaporación en las paredes celulares del mesófilo y difusión del vapor de agua a la atmósfera Tipos (vías de difusión del vapor de agua): Cuticular, Lenticular, Estomática Magnitud: Maíz: 200 kg de agua por ciclo de vida Árbol de envergadura media: 5.000 kg de agua por mes Cuantificación: 300-600 gramos de agua transpirada por gramo de materia seca producida) PRINCIPALES TIPOS DE TRANSPIRACIÓN

A

B

► Los tipos de transpiración en plantas hacen referencia a las vías de difusión del vapor de agua: A. Cutícula B. Lenticelas C. Estomas

C

2 INTERACCIONES ENTRE TRANSPIRACIÓN Y BALANCE ENERGÉTICO DE LA HOJA ► La transpiración (evaporación de agua es un mecanismo de refrigeración por dos motivos: 1. El agua que permanece líquida va estando cada vez más fría 2. La evaporación de agua es un proceso endergónico que las plantas utilizan para disipar un exceso de energía mediante su conservación como calor latente de vaporización

aire circundante

reflexión / reirradiación

convección evaporación de agua (calor latente)

radiación solar

planta absorción (fotosíntesis)

FLUJO DE AGUA TRANSPIRADA T: tasa de transpiración * Tasa total de transpiración (T) (g.s-1) *Tasa de transpiración específica (Te): por unidad de superficie foliar (g. m-2.s-1) Ch y Ca: concentraciones de vapor de agua ( g.m-3) en la cámara subestomática y el aire respectivamente rh y ra: resistencias (s. m-1) a la transferencia de vapor de agua de la hoja y la capa límite respectivamente gw: conductancia de la fase gaseosa para la transferencia del vapor de agua (m. s-1). [Ch -Ca] T= T = [Ch -Ca].gw [rh+ra] Te = [Ch - Ca].gw

3 RESISTENCIA A LA TRANSPIRACIÓN ► Es la que encuentra el vapor de agua en su salida a la atmósfera: depende de la vía de difusión. ► La resistencia total -RT- es la suma de dos resistencias parciales que actúan en serie: externa (capa límite de la atmósfera -Ratm-) y endógena (planta -Rplanta -). RT = Ratm + Rplanta ► La resistencia de la capa límite refleja los efectos de la capa de aire, de espesor variable (generalmente < 5 mm) adyacente a la superficie foliar. ► La resistencia de la capa límite aumenta con: * tamaño de la hoja * criptas estomáticas (depresiones de la epidermis donde se localizan los estomas) * enrollamiento de las hojas Ratm = 1,3 x √1/u donde u es la velocidad del aire * velocidad del viento

Cutícula Células guarda

Cripta

Arriba : hoja de Adelfa con estomas en criptas del envés. Derecha: hoja de Ficus con estomas localizados en criptas del envés

Resistencia de la Planta ► La difusión del vapor de agua puede darse a través de toda la superficie aérea de la la planta: lenticelas en la estructura secundaria del tallo y cutícula o estomas en la hoja. Por tanto la resistencia de la planta es la de tres resistencias parciales que actúan en paralelo. ► La resistencia total de tres resistencias que actúan en paralelo se calcula mediante: 1 1 1 1 = + + Rplanta Rlenticular Rcuticular Restomas ► Cuando la planta está en su época de de desarrollo, la pérdida de agua por lenticelas es, comparada con la pérdida por las hojas, muy pequeña, y por esta razón no la tenemos en cuenta a la hora de calcular el flujo total de agua transpirada. No obstante la resistencia de las lenticelas puede ser un factor importante, que determine la supervivencia de la planta, cuando la resistencia estomática y cuticular sean altas (estomas cerrados y cutículas gruesas y cerosas).

4 ► La resistencia de la hoja se suele limitar es la suma de dos resistencias parciales que actúan en paralelo: cutícula –RC – y estomas –RE – 1

1 =

Rplanta

1 +

Restomas

Rcuticular

► La resistencia de los estomas (B) es la ofrecida por los ostiolos. Está modulada por factores ambientales: luz, CO2, temp.,Ψsuelo,… ► La resistencia de la cutícula (RC) depende de su grosor y de la proporción de ceras (A). También está modulada por algunas condiciones ambientales (HR)

(A)

(B)

Arriba: estoma cerrado (A) y abierto (B). Derecha: cutícula del haz de una hoja. La pared celular está en contacto con la primera capa de la cutícula, compuesta de una mezcla de ceras y cutina. Algunas especies refuerzan la impermeabilidad de la cutícula con una capa de cera epicuticular

Estoma de la hoja Pelargonium hortorum

de

Epidermis de Serjania comunis, donde se distinguen: células epidérmicas normales, pelos glandulares y estomas

5 CARACTERÍSTICAS DE LAS CÉLULAS OCLUSIVAS ► Volumen celular más pequeño que el resto de células epidérmicas ► Ausencia de plasmodesmos con células vecinas: la vía del simplasto está interrumpida

►Citoplasma con abundantes orgánulos subcelulares La mayoría de las especies tienen cloroplastos ► Membrana plasmática funcional: actividad +H-ATPasa

►Las paredes celulares de las células oclusivas tienen: * micelación radial (las microfibrillas de celulosa se orientan perpendicularmente al eje mayor de la célula * engrosamiento en la parte del ostiolo

MOVIMIENTO ESTOMÁTICO

► La actividad H+-ATPasa del plasmalema y tonoplasto (figura de la derecha no se representa la H+-ATPasa del tonoplasto, -ver lección de transporte celular-) utiliza la energía del enlace fosfato del ATP para sacar H+ al apoplasto.

► Los canales potasio permiten la entrada de K+ en las células oclusivas

6

► La micelación radial motiva que la presión de turgor expanda la pared celular externa en sentido perpendicular al de las microfibrillas de celulosa.

ESTOMA A CERRADO

Acumulación de ión potasio ►

En respuesta al gradiente de potencial electroquímico creado por actividad ATPasica

► A través de los canales potasio

► El mayor grosor de la pared celular interna impide que crezca de igual forma que la externa.

► Los aniones cloruro y malato actúan de acompañantes Aumento de su presión osmótica Absorción de agua Presión de turgor

► La célula oclusiva se arquea.

ESTOMA ABIERTO

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA TRANSPIRACIÓN Factores exógenos: ► Humedad relativa ► Temperatura ► Viento ► CO2 ► Luz ► Potencial hídrico del suelo

Factores endógenos: ► Tipo de planta ► Orientación de la hoja ► Superficie de de la hoja: enrollamiento y criptas ► Raíz

► Humedad relativa: * Afecta al gradiente de concentración de vapor de agua entre el espacio aéreo de la hoja y la atmósfera: ↑ HR ⇒ ↓ Flujo de agua transpirada ► Temperatura: * Sobre la solubilidad del vapor de agua en aire: ↑ Tra. ⇒ ↑ Csat ⇒ ↓ HR ⇒↑ Flujo de agua transpirada * Sobre la apertura de estomas: a través del efecto sobre los enzimas que participan en la acumulación de potasio (ver a continuación) y en la formación y consumo de CO2.

7

Efecto del viento sobre la transpiración ► Aire calmado

ostiolo cerrado

↑rext

↑rh

ostiolo ► El viento aumenta tasa de agua transpirada por abierto unidad de superficie foliar al disminuir la rext (resistencia de la capa estacionaria) ↓

rh

► Con aire calmado (rext grande): ▬

limitación flujo

Estomas abiertos:

restomas

pequeña ⇒

rhoja

pequeña ⇒ La rext limita la transpiración. ↑ rh (estomas cerrados)

► Viento

▬

Estomas cerrados: aunque la la

restomas

es aún mayor ⇒

rext

es grande,

La

rhoja (≈

rrestomas) limita la transpiración ↓ rext

► Con viento: ▬ La

rext es siempre baja (con estomas abiertos cerrados) ⇒ restomas controla la

o transpiración (cuando los estomas están cerrados restomas limita el flujote agua

Efecto de la concentración de CO2 sobre la transpiración ► Los estomas se cierran cuando se hace pasar sobre la hoja una concentración alta de CO2 (igual o superior a la atmosférica) y se abren cuando disminuye dicha concentración ► El efecto del CO2 está relacionado con la acidificación del citosol de las células ↑ CO2 oclusivas: cesa la formación de malato, comienza la degradación de malato y se inactivan las ATPasas de membrana ↓ CO2 Efecto de la luz sobre la transpiración ► Dos vías de respuesta: a la radiación fotosintéticamente activa (PAR) y radiación azul. Radiación PAR células oclusivas

↓ CO2

► Los estomas de todas las plantas, excepto las CAM, se abren por el día y se células mesófilo cierran por la noche

► El ciclo de Calvin desarrollado por el día en los Abertura estomática cloroplastos de las células oclusivas y mesófilo causa un descenso de la concentración de CO2 en los espacios aéreos del mesófilo ⇒ estomas abiertos Radiación azul ► El fotorreceptor sensible a la radiación azul probablemente tenga estructura de flavina. El mecanismo de transducción de la luz azul es menos conocido aunque recientemente se ha propuesto un papel clave a unas proteínas denominadas fotropinas

8 Efecto del potencial hídrico del suelo sobre la transpiración ► Los estomas permanecen abiertos ante déficits hídricos moderados ► Cuando el Ψ del suelo alcanza un valor crítico, comienza la síntesis de ácido abscísico (ABA) ► El ABA inhibe las ATP-asas de la membrana de las células oclusivas ⇒ cierre de estomas ► Los estomas permanecen cerrados hasta que no se reponga el potencial hídrico del suelo

Resumen del control de la abertura-cierre de estomas ► Los estomas controlan la entrada de CO2, que se va a fijar por fotosíntesis, y la pérdida de vapor de agua, que va a ser repuesta por el agua absorbida. Estos dos factores, concentración de CO2 en los espacios aéreos de la hoja y cantidad de agua disponible en el suelo (Ψsuelo) regulan a abertura y cierre de estomas. ► Cuando un estoma se cierra en respuesta a uno de estos factores, CO2 y Ψsuelo, se vuelve insensible al otro. Es decir si se cierra en respuesta a una alta concentración de CO2, no se vuelve a abrir hasta que no se reduzca dicha concentración, y se cierra en respuesta a un déficit hídrico en el suelo, no se vuelve a abrir hasta que se reponga el agua del suelo. ► La luz ejerce dos respuestas en los estomas: la de la luz fotosintéticamente activa (PAR) sobre la concentración de CO2 y la de la luz azul sobre, probablemente, la actividad ATPasica de las células oclusivas. ► La primera luz del día inicia la fotosíntesis en las células del mesófilo y el CO2 acumulado (no fijado) durante la noche comienza a fijarse. A diferencia de las células adyacentes, las células guarda de la mayoría de las plantas tienen cloroplastos y también contribuyen a reducir la concentración de CO2 se los estomas. ► La respuesta a la luz azul está mediada por un fotorreceptor cuya estructura, aunque tiene algunos aspectos aun desconocidos, puede tratarse de una flavina. ► El Ψsuelo ejerce su efecto sobre los estomas mediante una fitohormona, ácido abscísico (ABA), que se sintetiza en respuesta a una caída del turgor de la planta. Esta fitohormona es reconocida por receptores de las células oclusivas que, una vez activados, inician una vía de transducción (lectura de

9 . .

Regulación temporal del movimiento estomático ► Las plantas, con excepción de las plantas con metabolismo CAM, abren los estomas al amanecer, cuando el potencial hídrico de la hoja es alto y la temperatura baja (la solubilidad del vapor de agua en el aire es baja). ► A mediodía, cuando el potencial hídrico de la hoja desciende y la temperatura aumenta (la solubilidad del vapor de agua en el aire aumenta), los estomas pueden llegar a perder agua directamente a través de la cutícula de las células oclusivas, cerrándose parcialmente. ► Los estomas se reabren después del mediodía, cuando el potencial hídrico de la hoja se recupera y la temperatura comienza a descender. El déficit hídrico de las hojas se restaura por la noche, cuando los estomas están cerrados. ► Las plantas con metabolismo CAM abren los estomas cuando comienza a anochecer. Ello se debe a una ruta adicional de fijación de dióxido de carbono en el mesófilo: la actividad fosfoenolpiruvatocarboxilasa (PEP-carboxilasa) del citoplasma 2del mesófilo une un ión bicarbonato (HCO ) sobre PEP y forma un diácido de cuatro carbonos, ácido oxalacético (OAA), que posteriormente se reduce a ácido málico y se introduce en la vacuola. En consecuencia, la concentración de CO2 en el mesófilo desciende y los estomas se abren. Por el día, el anión malato sale de la vacuola y se descarboxila en el citoplasma. La concentración de CO2 aumenta y ello trae consigo dos importantes consecuencias: los estomas se cierran y el CO2 comienza a fijarse en el ciclo de Calvin. ► El ambiente en donde se desarrollan las plantas con metabolismo CAM es seco y muy caluroso durante el día, por lo que, si los estomas estuviesen abiertos para captar CO2, no podrían recuperar el agua perdida. Sin embargo, esta ruta de carboxilación de PEP y descarboxilación de malato les permite realizar el ciclo de Calvin con los estomas cerrados.

FOTOFOSFOLIRACIÓN ► Síntesis de ATP en cloroplastos utilizando la energía absorbida en los fotosistemas. ► Es el resultado del acoplamiento energético al transporte de electrones cíclio o acíclico inducido por la luz LUZ ADP + Pi + cloroplastos ATP ► En ocasiones se habla de fotosforilación cíclica y acíclica. • Fotosforilación acíclica. En los fotosistemas I y II Está acoplada a la ´fotólisis del agua y a la síntesis NADPH. • Fotosforilación cíclica. En el fotosistema I. Es independiente de la fotólisis del agua y de la formación de NADPH.

Hipótesis de Mitchell LUZa

clorofilas

Canal Fotosintético Transportador de e–

energía redox

ATP energía electroquímica (gradiente de H+) Factor de Acoplamiento (ATP-sintasa)

+

► La energía albergada en el gradiente de H entre el lumen y el estroma es igual a la + + diferencia de potencial electroquímico de H (∆µH ) en ambos compartimentos. ► A esta energía tambien se la llama fuerza proton-motriz (fpm) porque es la que movería + espontáneamente los H . ► La fpm depende del gradiente de pH (gradiente de potencial químico) entre el lumen y el estroma y del potencial de membrana (gradiente de potencial eléctrico)

fpm (milivoltios) = 60. ∆pH + E

M

► Las tres principales Iinterrogantes que plantea la la hipótesis de Mitchell son: 1. ¿Dónde y cómo se acopla el transporte de electrones a la acumulación de protones? 2. ¿Cuánto vale el ∆pH entre el lumen y el estroma? y, en consecuencia ¿qué valor tiene la fpm cuándo se ilumina el cloroplasto? 3. ¿Cuál es la relación estequiométrica H+/ATP? ó ¿cuántos H+ tienen que abandonar el lumen para forma una molécula de ATP?

► Procesos y lugares de acoplamiento de energía redox (transporte de electrones) y energía electroquímica: • Fotólisis de agua en el lumen • Translocación de protones en el citcromo b6/f M

► Cuando se iluminan cloroplastos el ∆pH es ≈3- 3,5 unidades y E ≈ 3omV. M

fpm (milivoltios) = 60. ∆pH + E

fpm (milivoltios) ≈ 210 mV

► La razón de que cuando se iluminan cloroplastos una variación de pH tan grande provoque un potencial de membrana tan bajo es el movimiento simultaneo de iones acompañantes: 2+

• Entrada de Mg

al estroma (necesaria para activar la rubisco).

•Entrada de ión Cl al lumen (necesaria para activar la proteína OEC). –

► El calor de formación del ATP es 50 kJ/mol ≈ 518 mV +

► La relación estequiométrica H /ATP que se deduce de la fpm (inferior a 1/3 del calor de formación) es: H+/ATP = 3:1

Estructura de la ATP-sintasa ► Consta de dos partes: CFo-CF1. ► CFo es el componente lipófilo. Constituido por 4 tipos de subunidades diferentes que forman un canal por el que circulan los protones ► CF1 es el componente hidrófilo catalítico que se localiza hacia el estroma.

CF1

► CF1 etá constituído por cinco subunidades peptídicas: α3β3γ1δ1ε1 ► CF1 tiene 1 centro activo en cada par αβ . ► La subunidad γ intercambia protones entre el lumen y el estroma (acepta protones del lumen y los deja en el estroma). ► Las subunidades δ y ε estabilizan la unión de CF1 a CFo.

CF0

Mecanismo de actividad de la ATP-sintasa (modelo del lado alternante) ► Cada CF1 tiene tres centros catalíticos. ► Cada uno de ellos está en una de tres posibles conformaciones ► Nunca se repite al mismo tiempo la misma conformación en dos centros

• Conformación O (open): se libera el ATP recién sintetizado • Conformación L (loose): se unen los substratos de la reacción (ADP y P) • Conformación T (tight): se sintetiza ATP pero queda atrapado en el centro de reacción ► El intercámbio de protones por la subunidad γ provoca cambios en su conformación que se transmiten a los centros activos situados en un par αβ

FOTOSÍNTESIS Proceso mediante el cual los organismos con nutrición fotoautótrofa síntetizan moléculas orgánicas a partir de materia inorgánica (agua y dióxido de carbono) utilizando la energía radiante del sol .

La fontosíntesis consta de dos fases: ► Fase luminosa: la energía radiante del sol es absorbida por los pigmentos fotosintéticos y utilizada en la síntesis de ATP y NADPH ► Fase de síntesis: el ATP y NADPH son utilizados en la fijación de CO2 (ciclo de Calvin) y otros procesos metabólicos (reducción de nitratos, reducción de sulfatos)

ECUACIÓN GENERAL DE LA FOTOSÍNTESIS

2n H20 + n CO2

→

Fotón a

Cn[H2O]n + n O2 + n H20

cloroplasto

► La línea de puntos separa las dos fases de la fotosíntesis, hacia arriba la fase luminosa y hacia abajo la fase de síntesis. El ATP y el NADPH unen ambas fases: -

2nH2O → n/2O2 + 2nH+ + 2ne +nH2O

+

↑∆μH

ADP + P → ATP

n NADP

→ nNADPH

n CO2

→ C [H O]

+

n

2

n

CUANTIFICACIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS ► Mediante cualquier componente de la ecuación general: • Consumo de CO2 • Formación de O2 y materia orgánica • Utilización de luz (luz absorbida o luz emitida por fluorescencia). ► Las células vegetales también respiran: los resultados obtenidos al cuantificar la fotosíntesis (consumo de CO2 y formación de O2) son indicativos de la fotosíntesis neta (FN). ► La concentración de dióxido de carbono depende de la actividad fotosintética y mitocondrial (consumo y formación de CO2) ► La fotosíntesis real (FR) es la que resulta después de corregir la fotosíntesis neta sumándole lo que le resta la respiración: ►

►

►

CO2

RESPIRACIÓN

►

►

►

FOTOSÍNTESIS

FR = FN + R, donde R representa la intensidad de los procesos contrarios a la fotosíntesis

PUNTO DE COMPENSACIÓN ► La fotosíntesis está limitada por uno de los factores de la ecuación general (CO2, o luz). ► En la representación de la fotosíntesis neta frente a uno de los factores anteriores, CO2 (izquierda) o luz (derecha), la fotosíntesis neta no se anula cuando el factor limitante vale cero

► Se define punto de compensación como el valor del factor limitante, CO2 o luz, que anula la fotosíntesis neta. ► El punto de compensación refleja la eficacia de los procesos contrarios a la fotosíntesis, formadores de O2 y consumidores de C02: las plantas A que no fotorrespiran (C4) tienen puntos de compensación más pequeños que las plantas que fotorrespiran (C3). ► El punto de compensación de luz varía entre plantas adaptadas a mucha o poca luz: las plantas de sombra tienen mayores puntos de compensación de luz, y se saturan antes(con densidades de flujo fotónico mas bajas) que las plantas de luz ► La pendiente de la curva (derecha) en la fase lineal es la capacidad cuántica máxima de la hoja (fotones absorbidos por molécula de CO2 fijada).

LOCALIZACIÓN DE LA FOTOSÍNTESIS ► Existen dos tipos de fotosíntesis Fotosíntesis oxigénica: Tiene lugar en los cloroplastos, utiliza el agua como fuente de electrones y forma O2. Fotosíntesis anoxigénica: utiliza una fuente de electrones distinta del agua y no forma O2. ► La hoja es un órgano especializado en la fotosíntesis: • Cada célula del mesófilo tiene muchos cloroplastos. En una Angiosperma hay 15-20 cloroplastos por célula del mesófilo) • La hoja es un superficie/volumen alta

órgano

con

una

relación

• La hoja tiene grandes y numerosos espacios aéreos (≈ 35%). • La hoja está muy vascularizada

CLOROPLASTOS ► Son plastidios especializados en la función fotosintética ► Diámetro: 5-15 µm ► Los cloroplastos constan de tres partes: • Cubierta. Doble membrana. Separa el estroma del citosol. • Estroma. Matriz hidrosoluble con enzimas y substratos de la fase de síntesis. Contiene ADN. • Tilacoides. Membranas cerradas que delimitan dos espacios: exterior (estroma) e interior (lumen tilacoidal). Se originan al invaginarse la membrana interna

► La fase luminosa se desarrolla en los tilacoides mientras que la fase de síntesis ocurre en el estroma.

ESTROMA ►

► ►

►

►

Ttiene un plásmido circular (130.000-160.000 pares de bases) y toda la maquinaria bioquímica necesaria para replicarlo y transcribirlo. Los ribosomas del cloroplasto son 70S. Las proteínas del cloroplasto pueden ser codificadas por DNA del nucleo, del cloroplasto o de los dos (origen mixto). Es frecuente la existencia de una señal peptídica de tránsito (TS) para atravesar la cubierta del cloroplasto. Algunas proteínas sintetizadas en el citoplasma pasan al estroma y actúan como factores reguladores de la traducción en el estroma.

TILACOIDES ► Los pueden encontrarse: • Apilados: la cara externa de uno está en contacto con la cara externa de otro. Un grupo de tilacoides apilados se llama pila y el conjunto de pilas de un cloroplasto se llama grana. • No apilados: la cara externa en contacto con el estroma.

► Los tilacoides apilados y no apilados tienen distinta composición y participan de distinta forma en la fotosíntesis

ORIGEN DE LOS CLOROPLASTOS ► Los organismos fotosintéticos evolucionaron a partir de un ancestro unicelular, resultado de la simbiosis entre dos células: una procariota fotosintética (¿cianobacteria?) y otra eucariótica no fotosintética. ► El origen endosimbiótico de los cloroplastos se basa hechos:

1. Maquinaria bioquímica (enzimas) y genética (ribosomas). 2. La membrana externa de la cubierta es estructural y funcionalmente análoga a una membrana plasmática, aunque con una mayor permeabilidad. FORMACIÓN DE LOS CLOROPLASTOS ► Las células vegetales tienen varios tipos de plastos con diferentes funciones (leucoplastos, amiloplastos, cromoplastos y cloroplastos)

► Todos los plastos proceden de un proplastidio común presente en células sin diferenciar ► La formación de uno u otro plasto se puede alterar variando las condiciones de crecimiento ► El paso de etioplasto a cloroplasto requiere luz

LUZ

Etioplasto. La membrana interna se invagina y las membranas forman una estructura prolamelar

PROPLASTIDIO

OBSCURIDAD

Cloroplasto. La membrana interna se invagina y se originan los tilacoides que posteriormente se agrupan en pilas

PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS ► Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe luz. El color de un pigmento es el resultado de la longitud de onda reflejada (no absorbida). ► Las clorofilas son verdes porque absorben en el azul y rojo ► Los pigmentos fotosintéticos utilizan la energía absorbida en ejecutar un trabajo metabólico: síntesis de moléculas

► Existen tres tipos de pigmentos fotosintéticos:

CLOROFILAS (a) CAROTENOIDES (b) FICOBILINAS (C)

A

C

B

DISTRIBUCIÓN DE LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS ► Clorofilas: en todos los organismos con fotosíntesis oxigénica ► Carotenoides: en todos los organismos fotosintéticos ► Ficobilinas: en tres familias de algas: Cianoficeas (pprocariotas) y Feoficeas (eucariotas) y Criptoficeas (eucariotas).

CLOROFILAS ► Hay tres tipos de clorofilas: Clorofila a. Está presente en todos los organismos con fotosíntesis oxigénica. Clorofila b. Aparece en fanerógamas, musgos, helechos y algunas familias de algas eucariotas y procariotas (proclorofitas) Clorofila c. (varios tipos c1, c2…). No tiene fitol. Está presente en aquellas familias de algas que no contienen clorofila b.

ESTRUCTURA DE LAS CLOROFILAS ► La molécula de clorofila tiene dos partes • Cabeza: * Macrociclo plano formado por cuatro anillos pirrólicos con un átomo de magnesio * Hidrófila * Responsable del color (absorbe dos tipos de fotones: azules y rojos) • Cola: Cadena de fitol (C20H39OH) Lipófila Estabiliza la molécula en el tilacoide BIOSÍNTESIS DE CLOROFILAS

Glutamato Ácido δ-amino-levulínico Porfobilinógeno Uroporfitinógeno Protoporfirina Mg-Protoporfirina Protoclorofilida

OBSCURIDAD

PROTOCLOROFILA a

LUZ

CLOROFILA a

CAROTENOIDES ► Dos tipos de carotenoides Carotenos. Formados por C y H.

Xantofilas: Carotenos oxidados

Sin oxígeno

Xantófilas β-caroteno BIOSÍNTESIS DE CAROTENOIDES ► Los carotenoides son diterpenos que se sintetizan a partir del ácido mevalónico vía Geranil-Geranil-pirofosfato

►

La oxidación de carotenos da lugar a xantófilas

los las

.

FICOBILINAS ► Están presentes en tres familias de algas: cianoficeas (procariotas), algas rojas y criptofitas (eucariotas) ► Tienen estructura abierta tetrapirrólica, aunque cuando se unen a proteínas adoptan una estructura semicerrada ► Los principales tipos son: Ficoeritrinas Ficocianinas ► Las ficobilinas se unen a proteínas para formar ficobiliproteínas. ► Las apoproteínas (parte proteica de la ficobiliproteina) son trímeros de dos subunidades peptídicas: (α-β)3. ► Los principales tipos de ficobiliproteínas son: Ficoeritroproteínas (Absorción max. 550 nm) Ficocianoproteínas (Absorción max. 630 nm) Aloficocianoproteínas (tipo especial de ficocianoproteína max. ≈ 645 nm)

(Absorción

► Las ficobiliproteínas se asocian en complejos proteicos llamados ficobilisomas ► El centro del ficobilisoma está próximo al centro de reacción del PSII ► Los ficobilisomas substituyen al LHCII

FUNCIONES DE LOS PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS ► Las clorofilas y los ficobilinas solo tienen funciones fotosintéticas: Clorofilas: pigmentos accesorios y centros de reacción Ficobilinas: pigmentos accesorios ► Los carotenoides tienen funciones fotosintéticas y no fotosintéticas: Funciones fotosintéticas: pigmentos accesorios Funciones no fotosintéticas: Protección de las clorofilas y coloración de tejidos

ESPECTRO DE ABSORCIÓN ► EL espectro de absorción representa la DFF absorbida por una molécula a diferentes longitudes de onda. ► Se realiza con un espectrofotómetro que contiene una fuente de luz asociada a un prisma polarizador, que selecciona una determinada longitud de onda, un fotodetector, que detecta la DFF no absorbida y un registrador.

Espectro de absorción de clorofila a, clorofila b, β-caroteno, ficoeritrina y ficocianina.

EXCITACIÓN DE PIGMENTOS (absorción de luz) BALANCE DE LA RADIACIÓN SOLAR ► Radiación emitida por el sol (100%) • Atmósfera (50%): reflexión (23%), absorción (19%), dispersión (8%) • Superficie de la tierra (50%) : absorción (47%), reflexión (3%)

TIPOS DE RADIACIONES EMITIDAS POR EL SOL

► La fracción del espectro de radiaciones emitidas por el sol correspondiente a la luz es muy pequeña.

NATURALEZA DE LA LUZ ► La luz tiene una doble naturaleza: • Se transmite como onda:

• Se emite y absorbe como partícula (fotón) sin masa y con carga energética (E) inversamente proporcional a la longitud de onda con que se transmite (λ): h.c E = –– ó E = h.ν, siendo ν = c/λ λ • La energía de un mol de fotones (einstein) se obtiene multiplicando la E de un fotón 23 por el número de Avogadro (N = 6,023.10 ). MODELO DE BOHR ► Según el modelo de Bohr los protones y neutrones se localizan en el nucleo del átomo y los electrones en los orbitales. ► En cada orbital coexisten dos electrones con dif-rente sentido de giro ► Los orbitales de menor energía están localizados más cerca del nucleo. EXCITACIÓN DE PIGMENTOS (absorción de luz) ► Los átomos realizan transiciones entre orbitales, permitidas por la mecánica cuántica, mediante la absorción o emisión de energía. ► La absorción de un foton (hν) causa el desplazamiento de un electrón π desde su orbital estable al correspondiente π*

► La diferencia de energía entre los orbitales π y π* tiene que ser igual igual a la carga energética del fotón (hν )

► La ley de Stark-Einstein establece que el fotón absorbido por el pigmento debe contener la diferencia de energía exacta entre los dos orbitales. Se descarta: a) La excitación de un pigmento por dos fotones. b) La excitación de dos pigmentos por un fotón. ► La energía del fotón absorbido por los pigmentos fotosintéticos permanece en el estado excitado

► Las clorofilas absorben dos tipos de fotones y logran dos estados excitados: S2 para fotones azules y S1 para fotones rojos. ► Los carotenoides y ficobilinas absorben un tipo de fotón y solo logran un estado excitado.

► Cuando un pigmento se excita pueden suceder varias cosas: • Relajación térmica. Las clorofilas se relajan parcialmente emitiendo calor hasta el subnivel energético de menor energía del correspondiente estado excitado (S2 o S1). • Emisión de fluorescencia. La fluorescencia es la reemisión de luz desde el estado excitado. Las clorofilas emiten fluorescencia desde S1 (fluorescencia roja). Por este motivo, la iluminación de una suspensión de clorofila con luz azul emite fluorescencia roja (si las clorofilas se iluminan con azul las vemos rojas)

Células de Spirogira iluminadas con luz blanca (izquierda) y luz azul (derecha). • Oxidación: El pigmento pierde el electrón excitado que pasa al aceptor primario de electrones del correspondiente fotosistema. ► Los pigmentos de las antenas absorben luz y emiten fluorescencia. La fluorescencia es captada por moléculas de pigmentos vecinas que logran así excitarse. El resultado es la canalización de la energía absorbida hacia los centros de reacción de los fotosistemas. ►Cuando las clorofilas de los centros de reacción (en los dos fotosistemas son dímeros de clorofila a, P680 y P700) se excitan provocan la reducción de su aceptor de electrones primario.

► Los electrones que saltan de los centros de reacción entran en el Canal Fotosintético Transportador de Electrones (CTE). Los últimos transportadores del PSII y PSI son una quinona y una ferredoxina respectivamente

ULTRAESTRUCTURA DEL TILACOIDE ► Los pigmentos fotosintéticos y los transportadores de electrones se unen a cuatro complejos proteicos del tilacoide: • Fotosistema II (PS II), Citocromo b6/f y Fotosistema I (PS I): Actúan en serie + en el transporte de electrones desde el H2O hasta el NADP • ATP-sintasa: Sintetiza ATP utilizando el gradiente de protones entre el lumen y el estroma generado por el transporte de electrones.

La figura no incluye la ATP-sintasa. Se incluye la enzima ferredoxina+ NADP -oxidorre-ductasa (enzima que se encuentra unida al tilacoide por el lado estromático MOVIMIENTO DE ELECTRONES EN TRANSPORTADOR DE ELECTRONES (CFTE)

EL

CANAL

FOTOSINTÉTICO

► Los electrones se pueden mover por el CFTE de dos formas: cíclica y aciclicamente: Flujo de electrones acíclico Origen / final

cíclico +

H2O / NADP

PS I / PSI

PS II

SI

NO

PS I

SI

SI

Citocromo b6/f

SI

SI

Genera gradiente electroquímico de H+

SI

SI

Forma oxígeno

SI

NO

Forma NADP+oxígeno

SI

NO

Flujo acíclico de electrones

Flujo cíclico de electrones

FOTOSISTEMA II

► Tiene actividad fotoinducida aguaplastoquinona oxidorreductasa ► Estructura polipeptídica D1D2: subunidades del nucleo que unen al P680 QA, QB: quinonas, Phe: feofitina. Z: tirosina (donador primario de edel PSII MSP: proteína manganeso (OEC) LADO OXIDANTE DEL FOTOSISTEMA II ► El PSII puede encontrarse en uno de cuatro posibles estados S. ►Cada estado S (S1, S2, S3 y S4) es un estado de oxidación superior (una carga positiva más). ► P680+ se reduce por su donador primario de electrones, Z (trosina de una subunidad proteica del nucleo que pasa a + un estado de catión Z ). La proteina OEC + reduce a Z , a través de un átomo de Mn. ► La oxidación de OEC coincide con la acumulación de una carga positiva en el PS II (cambio de estado S). ► La acumulación de 4 cargas positivas (estado S4) provoca la hidrólisis de 2 H2O + (formación de O2 y depósito de 4H en el lumen). ► Izquierda. Estructura probable del núcleo de manganeso estabilizado en la proteína OEC

LADO REDUCTOR DEL FOTOSISTEMA II

► Los electrones abandonan el PSII y reducen moléculas de plastoquinona (transportador de dos electrones) .

FOTOSISTEMA I ► Las ferredoxinas reducidas pueden: +

• Reducir NADP (son necesarias dos moléculas de ferredoxina para + reducir una molécula de NADP . •

Ceder el electrón citocromo b6/f.

al

complejo

• Intervenir directamente en reacciones metabóilicas de reducción Ao,: aceptor primario de elctrones (feofitina), A1: quinona, X: ferredoxina, PC: plastocianina. FX, FA, FB: sulfoferroproteínas.

CRECIMIENTO Y DESARROLLO DE PLANTAS ► Sucesión ordenada de eventos que colaboran a la progresiva elaboración del cuerpo de la planta y la capacitan para obtener alimento, reproducirse y adaptarse al medio. ► Engloba dos componentes: • Cuantitativos: Cambios en el tamaño: crecimiento. • Cualitativos: Cambios en la forma: diferenciación (célula), morfogénesis (órgano). ► Morfogénesis (Sinónimo de desarrollo): Integración de divisiones y diferenciaciones –expansiones- celulares que acontecen durante el ciclo vital de una planta. CRECIMIENTO DE PLANTAS ► Variación irreversible del tamaño de una célula, tejido, órgano o planta. ► El crecimiento descarta variaciones reversibles puesto que la entrada y salida de agua en células vegetales es reversible. ► El crecimiento continuado requiere de una asociación espacial y temporal de divisiones y expansiones celulares. ► La división celular no origina crecimiento si no se acompaña de la elongación irreversible de las células hijas. ► Mecanismo de crecimiento: expansión celular irreversible que conlleva ganancia de peso seco. ► La expansión celular está causada por efecto de la presión de turgencia sobre una pared celular relajada:

celula hija 1. División celular

celula hija

2. Relajación de la pared celular

presión de turgencia

celula hija pared relajada

celula rigidez

3. Elongación 4. Síntesis nuevos componentes

1

Célula hija elongada

RELAJACIÓN DE PARED CELULAR ► Endo-β(1,4)-D-glucanasa: rompe cadenas de xiloglucano (poco probable en relajación de la pared) ► Xiloglucano-endotransglicosilasa (XET): alarga cadenas de xiloglucano ► Expansinas: rompen puentes de hidrógeno entre celulosa y hemicelulosas

MERISTEMOS ► Están formados por células indiferenciadas. ► Pueden estar activos o inactivos ► Pueden ser primarios o secundarios. • Meristemos primarios. Están en el embrión de la planta: * Meristemo caulinar: forma parte aérea. * Meristemo radicular: forma parte subterránea. • Meristemos secundarios. Se forman por actividad de los meristemos primarios (están presentes en el cuerpo de la planta). Meristemo caulinar de planta dicotiledónea. El meristemo ocupa una posición terminal en el tallo y se protege por los primordios foliares

2

Meristemo radicular de planta dicotiledónea. El meristemo ocupa una posición no terminal y se protege por la caliptra.

► Las células se dividen en los meristemos y las células hijas:

• Continúan

como

células

indiferenciadas

• Inician

una ruta diferenciación celular.

de

► Los meristemos primarios van añadiendo unidades repetitivas denominadas metámeros. ► El metámero de la parte aérea se denomina fitómero. ► El fitómero está formado: • Órgano lateral (hoja). Posición según filotaxia. • Nudo. Zona del tallo ¡dónde se une la hoja. • Meristemo axilar. El meristemo caulinar se segrega en la axila de la hoja. • Entrenudo. Zona del comprendida entre dos nudos.

tallo

► Algunas plantas crecen vegetativamente en forma de roseta: los entrenudos no se alargan una vez que se forman ► El inicio de la floración coincide con el crecimiento del entrenudo superior. ► El alargamiento del tallo (bolting) favorece la polinización.

3

MERISTEMO CAULINAR ► Aprox. 100 µm de diámetro con 800-1.200 células pequeñas, con paredes celulares delgadas y citoplasma denso. ► Tiene dos partes: Túnica Corpus ► Un análisis más detallado revela existencia de tres capas de células con diferente plano de división celular L1: externa, una célula de grosor y división celular anticlinal L2 (intermedia, grosor variable y división anticlinal (células internas) y periclinal (células más externas). L3 (interna). Grosor variable entre especies. División celular en planos ► L1 origina la epidermis, mientras que L2 y L3 contribuyen a la formación de tejidos centrales del tallo y hojas ► El gancho plumular protege el meristemo apical durante la emergencia de plántulas dicotiledóneas. ► La luz provoca, a través del fotorreceptor fitocromo, la desaparición del gancho plumular.

4

► El gancho plumular protege el meristemo apical durante la emergencia de plántulas dicotiledóneas. ► La luz provoca, a través del fotorreceptor fitocromo, la desaparición del gancho plumular. ► La luz inhibe, a través del fotorreceptor fitocromo, el crecimiento del coleoptilo.

► El cultivo de meristemos es una herramienta útil para eliminar virosis sistémicas en plantas. ► Se regenera la planta entera a partir del meristemo caulinar. ► Se basa en la ausencia de comunicación floemática entre el meristemo y el resto de la planta. ► Relación directa: Tamaño / Capacidad Regenerativa Tamaño / carga vírica MERISTEMO RADICAL

► No ocupa una posición terminal sino está protegido por la caliptra. ► La caliptra tiene dos funciones: • Protección del meristemo • Percepción de la gravedad (columela)

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► El meristemo radical tiene cuatro capas de células iniciales (centro quiescente y tres capas de células iniciales). ► Células iniciales centrales (centro quiescente, (CQ): • División celular lenta aunque se acelera en respuesta a heridas. • Capacidad de regeneración de la raíz completa. • Promeristemo: formado por el CQ y las células iniciales más próximas. ► Céllulas iniciales (CI). Próximas a CQ: • División celular rápida • Tres tipos: Células iniciales del cilindro central. Originan los tejidos internos incluyendo tejido vascular. Células iniciales corticales. Generan el córtex Células iniciales de la caliptra (caliptrógeno). Forman la caliptra.

► El centro quiescente produce los tres tipos de células iniciales CI ENDODERMIS

CI CILINDRO CENTRAL

CQ

CALIPTRÓGENO 6

CI TEJIDO CONDUCTOR

Curvas de crecimiento ► Los modelos matemáticos de crecimiento son muy útiles en investigación básica y aplicada. ► Curva de crecimiento: Representación de la variación del tamaño frente al tiempo: evolución en el tiempo de un parámetro que cuantifica el crecimiento a partir de un inóculo.

► Una curva de crecimiento completa tiene 4 fases: • Fase de adaptación (lag) (I). Adaptación. • Fase de crecimiento exponencial (log) (II). • Fase de crecimiento lineal (III). • Fase de senescencia (IV).

► Las curvas de crecimiento varían con: •Tipo de planta (anual, bianual, etc. • Naturaleza del inóculo. • Condiciones de cultivo.

►El crecimiento exponencial se debe a que la biomasa producida se destina a formar nuevo tejido fotosintético ⇒ aumenta la capacidad de crecimiento. ►Durante el crecimiento exponencial: • La velocidad de crecimiento (dT/dt) aumenta linealmente. • El tamaño (T) aumenta • exponencialmente.

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1

► La representación del logaritmo del tamaño (Log T) frente al tiempo (t) es una recta lnT = 0,693/td x t + lnTo ► La razón por la que se abandona el crecimiento exponencial (disminuye la pendiente) es variada: • Crecimiento • Reproductivo • Condiciones Ambientales • Disponibilidad de nutrientes

m=0,693/td

td: tiempo de duplicación REGULACIÓN DEL DESARROLLO ► El desarrollo vegetal sigue un programa genético. ► La ejecución del programa genético de desarrollo precisa de una comunicación intra e intercelula y otra comunicación planta-entorno.

8

► Las hormonas vegetales son señales químicas que intervienen en la comunicación planta-planta y planta-medio ambiente

Problemas de Fisiología Vegetal

24. En el punto de compensación (fotosíntesis neta=0) unas hojas fijan por fotosíntesis 110 mg/h de CO2. Despreciando la contribución de la respiración mitocondrial a la producción de CO2 ¿Cuántos moles/h de ribulosa 1,5-bifosfato se descomponen por actividad oxigenasa de la rubisco?, ¿cuántos moles/h de ribulosa 1,5-bifosfato se descomponen por actividad carboxilasa de la rubisco? Solución: Si Fotosíntesis Neta = 0 ⇒ Fotosíntesis Real = Respiración (mitocondrial + fotorrespiración). Como Resp. mitocondrial = 0 ⇒ Fotosíntesis Real = Fotorrespiración. 110 mg CO2

FR =

−−−−−−−−−−−− hora

Milimol CO2 x −−−−−−−−−−− = 2,5 milimoles CO2 / hora 44mg CO2

Para fijar 2,5 milimoles CO2 / hora por fotosíntesis ⇒ debe descomponer por actividad carboxilasa de rubisco 2,5 milimoles RuBP / hora Para formar 2,5 milimoles CO2 / hora por fotorrespiración debe descomponer por actividad oxigenasa de rubisco 5 milimoles RuBP / hora

25. Unas hojas de espinaca absorben 150 µe/h de luz fotosintéticamente activa y sintetizan 40 µg/h de fructosa, sin emitir fluorescencia (ni reflexión), Suponiendo que la fotofosforilación acíclica proporciona suficiente ATP para el funcionamiento del ciclo de Calvin, ¿qué porcentaje de los fotones absorbidos se aprovecha netamente en la fotosíntesis de fructosa? (masa molecular de la fructosa=180). Solución: El 7,1% de los fotones absorbidos se utilizan en la fotosíntesis de fructosa. ► La síntesis de 1 molécula de frc (6 carbonos) requiere la fijación de 6 CO2. ► Cada CO2 necesita 2 NADPH (la relación ATP/NADPH que demanda el ciclo de Calvin es 3/2). Seis CO2necesita 12 NADPH ► Como cada NADP+ tiene que recibir 2 electrones para reducirse a NADPH, los 12 NADP+ tienen que recibir 24 electrones para reducirse a NADPH. ► Cada electrón que se transporta en el transporte acíclico, los fotosistemas tienen que absorber 2 hν. El transporte de 24 electrones requiere la absorción de 48 hν (24 hν en PS II y 24 hν en PS I). Resumiendo y pasando las cantidades a µmoles y µeinstein ► La absorción de 48 µeinstein transporta 24 µmoles de electrones desde el agua hasta 12 µmoles de NADP+ para formar 12 µmoles de NADPH que luego sirven para que 6 µmoles de CO2 se fijen y se sintetice 1 µmol de fructosa. ►Si toda la energía absorbida se utilizase en sintetizar fructosa, es decir si se aprovechase el 100% de los fotones absorbidos, en formar fructosa, los 150 µeinstein absorbidos deberían sintetizar: 150 / 48 = 3,12 µmoles frc Una producción de 3,12 µmoles/h corresponde a una utilización del 100% de los fotones absorbidos en sintetizar fructosa. La producción real de fructosa, 40 µg/h = 0,22 µmoles/h, es el 7,10% de de 3,12 µmoles/h

1

Problemas de Fisiología Vegetal

26. Una suspensión de cloroplastos emite 7 µe/min de luz fluorescente y desprende 0,08 mg de O2/min. Cuando recibe 35 µe/min de luz fotosintéticamente activa, a) ¿En qué proporción relativa circulan los electrones acíclica y cíclicamente?, b) ¿en qué proporción relativa circulan los electrones por los fotosistemas I y II? Solución: 0,08 mg de O2/min = 2,5 µmoles O2/min Luz absorbida = 35 µe/min − 7 µe/min = 28 µe/min + El O2 solo se forma en el transporte acíclico (desde H2O hasta NADP ) Para formar 2,5 µmoles O2/min se deben romper 5 µmoles H2O/min que − liberarían 10 µmoles de e (que se transportarían acíclicamente) − Para transportar acíclicamente 10 µmoles de e /min se deben absorber 20 µe/min (10 µe/min en PSII y 10 µe/min en PSI) De los 28 µe/min que absorbe, 20 (10 PSII y 10 PSI) son utilizados en transporte acíclico para mover 10 electrones y 8 son utilizados en el transporte cíclico para mover 8 electrones en PS I. −

−

e transportados acíclicamente / e transportados cíclicamente = 10/8 − − e PS II / e PS I = 10 / 18

2

ÁCIDO ABSCÍSICO ► Ácido abscísico: •

Su nombre es erróneo pues no participa en la abscisión como se pensó en un principio.

• Sesquiterpeno (15C) que participa en estadíos avanzados del desarrollo de las plantas y ante situaciones de estrés: especialmente déficit hídrico patógenos.

ÁCIDO ABSCÍSICO ► De los posibles isómeros de ABA solo es activo el (S)-2-trans-ABA

Estructura de los enatiómeros de ABA

BIOSÍNTESIS DE ÁCIDO ABSCÍSICO ► Se han propuesto dos vías biosintéticas de ABA:

Ac. Mevalónico

↓ Farnesil-PP Directa (C15)

Indirecta (C40) GGPP

Resúmen de las dos vías biosintéticas posibles de ABA

(S)-2-trans-ABA

BIOSÍNTESIS DE ÁCIDO ABSCÍSICO

► Vía biosintética de ABA ► Fue idescubierta en el hongo Cercospora rossicola ► No es activa en plantas

BIOSÍNTESIS DE ÁCIDO ABSCÍSICO

► El marcaje isotópico confirma la existencia en plantas de la vía biosintética de ABA indirecta C40.

BIOSÍNTESIS DE ÁCIDO ABSCÍSICO Acetil-CoA

↓ Hidroximetil-glutaril-CoA

↓ Ácido Mevalónico

↓ Farnesil-PP

↓ GGPP Estadíos iniciales de la vía indirecta C40: producción de GGPP y β-caroteno

↓ β-caroteno

BIOSÍNTESIS DE ÁCIDO ABSCÍSICO β-caroteno ↓ ↓ trans-Violaxantina trans-neoxantina 9-cis-violaxantina

↓

9-cis-neoxantina

↓ xantoxina

ABA-aldehído Últimos estadíos de la vía biosintética indirecta C40: desde β-caroteno.

ABA

Se señalan en rojo los lugares de regulación

ÁCIDO ABSCÍSICO • Catabolismo: oxidación y conjugación: Hidroxilación por monooxigenasa dependiente de P450

► Metabolismo del ABA

EFECTOS DEL ÁCIDO ABSCÍSICO ► Crecimiento vegetativo: • Causa el cierre estomático en respuesta a una caída del potencial hídrico del suelo. • Participa en la defensa química inducida frente a patógenos: Induce la transcripción de inhibidores de proteasas en respuesta a daños mecánicos como parte de la defensa de las plantas frente a patógenos.

• Afecta al crecimiento de la raíz pero de forma variable en distintas especies: lo inhibe o promueve. Se emplea en algunos procesos rizogénicos (2ª fase ).

ÁCIDO ABSCÍSICO

► Cierre estomático inducido por ABA

EFECTOS DEL ÁCIDO ABSCÍSICO ► Crecimiento reproductivo: • Induce la síntesis de proteínas de reserva en semillas. • Participa en la inducción y mantenimiento de la dormición de yemas y semillas. Evita el viviparismo: germinación precoz de la semilla en el fruto.

• Favorece el transporte de productos fotosintéticos a la semilla. • Inhibe específicamente el efecto inductor de las giberelinas sobre la enzima α-amilasa (se utiliza como bioensayo)

ÁCIDO ABSCÍSICO ► Efecto del ABA en dormición de yemas semillas: •

la y

El ABA evita la germinación precoz (viviparismo). El mutante de maíz vp1 (foto) es insensible al ABA

DORMICIÓN ► Dormición: desarrollo.

inhibición

tempopral

del

► Se da principalmente en yemas y semillas. ► Significado fisiológico: acoplamiento del ciclo de crecimiento a las condiciones del entorno. ► Tipos: • Impuesta por el entorno (las condiciones no permiten desarrollo). Se sale de ella al restablecer las condiciones. • Adquirida: No hay desarrollo aún en condiciones permisivas.

DORMICIÓN DE SEMILLAS ► La auténtica dormición es la adquirida: Semilla

Ausencia de germinación Dormición endógena

Condiciones favorables

Eliminación de la testa

Germinación

Dormición impuesta

Ausencia de germinación

Dormición adquirida

Germinación

Dormición exógena

Almacenamiento lugar seco, Tra. ambiente Fotoperíodo Vernalización

Germinación

DORMICIÓN ► El ABA participa en la dormición de yemas y semillas: •

Se acumula al final de la embriogénesis

•

Induce la síntesis de proteínas LEA que confieren tolerancia a la pérdida de agua que aparecerá a continuación. Las proteínas LEA (Late Embryogenesis Abundant) son muy hidrófilas y sirven para estabilizar una capa de hidratación sobre las membranas de la célula.

•

La ruptura de la dormición se asocia con la desaparición de ABA y/o aparición de un promotor.

AUXINAS ► Descubrimiento: • El descortezamiento anular de árboles causa una necrosis de la parte inferior de la herida y un abultamiento de la parte superior. ► Kogl, Hagen & Erxleben (1934) descubren la actividad auxínica de la orina humana ► Thimann (1935) aisla IAA de Rhizopus suinus ► Went (1946) aisla IAA de Zea mays

• Experimentos con coleoptilos

AUXINAS ► Estructura molecular: • NATURALES

• SINTÉTICAS

AUXINAS ► Estructura molecular: • NATURALES

• SINTÉTICAS

Medical legacies of Vietnam live on: Agent Orange blights Vietnam

AUXINAS ► EXTRACCIÓN: • Se deben tener en cuenta: * Concentración baja. Los resultados se corrigen con el método de la dilución isotópica. * Estado: libre o conjugado. Las auxinas libres se extraen con mezclas de agua y metanol. Las auxinas conjugadas se extraen con mezclas de ácido acético y metanol.

► VALORACIÓN: • Bioensayos. Test de Went (curvatura en oscuridad de coleptilos de Avena decapitados) • Métodos fisicoquímicos. Absorción UV • Inmunoensayos.

AUXINAS ► Bioensayos: Valoran la fitohormona en función de la respuesta que provocan cuando se aplican a tejidos, órganos o planta entera • Ventajas: * Sencillez * Alta sensibilidad

• Inconvenientes: * Baja especificidad * Metabolismo hormonal en el material vegetal

AUXINAS

► Test de Went. Germinación de semillas de Avena ⇒ Decapitación de coleptilos ⇒ Aplicación lateral de bloques de agar con el extracto a valorar (6) ⇒ Incubación en oscuridad ⇒ Medida del ángulo de curvatura (7).

AUXINAS

► Test de Went. Germinación de semillas de Avena ⇒ Decapitación de coleptilos ⇒ Aplicación lateral de bloques de agar con el extracto a valorar (6) ⇒ Incubación en oscuridad ⇒ Medida del ángulo de curvatura (7).

AUXINAS

► La sensibilidad a las auxinas varía entre la parte aérea y subterránea de la planta: Las raíces son mas sensibles que los tallos.

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS ► Rutas biosintéticas diferentes en plantas y bacterias. ► Bacterias: Agrobacterium tumefaciens, Corynebacterium fascians. • El triptófano es el precursor. Trp

• Los genes de la ruta biosintética se localizan en un 1 plásmido denominado Ti (tumor Indol-acetamida induction). • Síntesis de IAA en dos pasos:

2

Ácido Indol-3-acético 1: L-trp-monooxigenasa 2: indolacetamida-hidrolasa

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS Agrobacterium tumefaciens ► Bacteria fitopatógena. ► Durante la infección A. tumefaciens transfiere el plásmido Ti al núcleo de la célula vegetal. ► El plásmido Ti contiene genes para la síntesis de auxinas y citoquininas.

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS ► Rutas biosintéticas diferentes en plantas y bacterias. ► Bacterias: Agrobacterium tumefaciens, Corynebacterium fascians. • El triptófano es el precursor. Trp

• Los genes de la ruta biosintética se localizan en un 1 plásmido denominado Ti (tumor Indol-acetamida induction). • Síntesis de IAA en dos pasos:

2

Ácido Indol-3-acético 1: L-trp-monooxigenasa 2: indolacetamida-hidrolasa

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS ► Plantas: • Existen dos rutas biosintéticas de IAA con diferentes precursores: Ruta independiente de triptófano (indolglicerolfosfato). Ruta dependiente de trp (triptófano).

• En cada una las rutas existen diversas variantes. • Pueden coexistir diferentes rutas en una especie determinada • Lugar de síntesis: * Crecimiento vegetativo: vascular, tallos y hojas jóvenes. * Crecimiento Reproductivo: formándose.

meristemos, semillas

cambium que

estén

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS (dependiente de triptófano) Ruta Ac. Indol-3-pirúvico • La mejor caracterizada. • Aun no se han aislado todos los genes participantes.

L-triptófano

Indolpiruvato

IAA

Indolacetaldehído

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS (dependiente de triptófano) Ruta Triptamina • Fue descartada en un principio (plantas de tabaco que sobreexpresaban la enzima trpdescarboxilasa no tenían un fenotipo alterado. • Zhao y col. (2001) aislan la enzima YUCCA que cataliza la conversión de triptamina en Nhidroxi-triptamina. • Las plantas que sobreexpresan YUCCA acumulan IAA y tienen fenotipos característicos.

BIOSÍNTESIS DE AUXINAS ► Síntesis independiente de triptófano: se basa en algunos resultados experimentales: • Indolglicerolfosfato tiene actividad en el test de Went. • Antranilato es convertido en IAA pero el trp no. • Algunos mutantes de cereales incapaces de sintetizar trp no pierden la capacidad de formar IAA.

METABOLISMO DE AUXINAS ► La concentración de IAA en la célula depende de la síntesis, degradación, transporte y conjugación.

► La degradación de IAA puede ocurrir de dos formas: Oxidación descarboxilativa y no descarboxilativa.

METABOLISMO DE AUXINAS ► Oxidación descarboxilativa:

► Catalizada por IAA oxidasa. ► Puede darse en la cadena lateral (derecha) o en el anillo indólico (izquierda).

METABOLISMO DE AUXINAS ► Oxidación no descarboxilativa: • Menos caracterizada. • La cadena lateral se conserva intacta. • Los intermediarios o los productos finales de la ruta degradativa pueden conjugarse con aminoácidos o azúcares.

TRANSPORTE DE AUXINAS ► El transporte de las fitohormonas pueden ser: Corta distancia: difusión simple entre células. Larga distancia: tejidos conductores.

Transporte polar: • El IAA puede transportarse además por células no conductoras pero asociadas a los tejidos conductores: cambium y células próximas. • Lento (~ 10 mm/h). • Depende de ATP: se inhibe en condiciones de anoxia

TRANSPORTE DE AUXINAS ► El transporte de auxinas es polar (sólo tiene una dirección): Parte aerea: dirección basipétala. Parte subterránea: acropétala. Cuando se coloca un segmento de hipocótilo entre dos bloques de agar, el IAA solo se transporta de uno a otro si no no se altera la posición que tiene en la planta

TRANSPORTE DE AUXINAS Mecanismo del transporte polar auxínico

Forma electroneutra de la auxina Forma ionizada de la auxina Bomba de protones (ATP-asa) Transportador (carrier) de auxina

TRANSPORTE DE AUXINAS 1. Pared celular (pH~ 5,0): IA- + H+ → IAH 2. IAH entra en la célula por el lado superior puesto que puede difundir por la membrana plasmática. 3. Citoplasma (pH~7,0): IAH → IA- + H+ 4. La H+-ATPasa saca H+ y permite el transporte activo de IA- fuera de la célula. 5. IA- necesita un transportador para atravesar la membrana El transportador se localiza plasmática y entrar en la siguiente exclusivamente en la parte inferior de la célula) célula.

TRANSPORTE DE AUXINAS ► La proteína transportadora tiene 10 dominios transmembrana que estabilizan su estructura cuando se une a la membrana de las células conductoras.

TRANSPORTE DE AUXINAS ¿Cómo se pudo saber que la proteína transportadora se localizaba exclusivamente en la zona inferior de la célula? 1. Extracción y purificación de la proteína a homogeneidad. 2. Inmunización de conejos con la proteína transportadora (antígeno). 3. Obtención de anticuerpos y unión de los anticuerpos a una proteína marcadora que emite luminiscencia. 3. Incubación de segmentos de coleptilos con los anticuerpos anti-IAA unidos a la proteína luminiscente.

TRANSPORTE DE AUXINAS

4. Obtención de cortes para observación al microscopio. 5. La luminiscencia solo aparece en el lado inferior

EFECTOS DE AUXINAS ► Nivel celular: • Expansión celular • División celular (con citoquininas)

► Nivel planta: • Dominancia apical • Diferenciación vascular • Organogénesis en los meristemos primarios • Tropismos (hipótesis de Cholodny-Went) • Formación de raíces adventicias • Crecimiento de raíces • Crecimiento del fruto • Floración: Determinación del sexo en flores imperfectas Inducción en Bromeliaceas

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre la división celular: Regulación del ciclo celular (con citoquininas): • Ciclo celular: sucesión de cámbios bioquímicos y genéticos durante dos divisiones celulares consecutivas:

Mitosis: Profase Metafase Anafase Telofase Citocinesis Interfase: G1, S, G2 • Al salir de citocinesis y entrar en mitosis la célula decide si permanecen (duplicación de ADN y/o división) o abandonan (diferenciación ) el ciclo.

REGULACIÓN DEL CICLO CELULAR • La regulación del ciclo celular se logra mediante protein quinasas dependientes de ciclinas (proteínas CDK):

G1. Síntesis de ciclina G1: G1 + CDK → G1-CDK → paso G1→S

S. Degradación de ciclina G1: G1- CDK → CDK → paso S→G2

G2. Sínte.

ciclina m (CM): CM + CDK → CDK-CM → paso G2→ mitosis

Mitosis. Degradación de CM: CDK-GM → CDK Las auxinas afectan al ciclo celular a través de la inducción de la síntesis de proteinquinasas dependientes de ciclina (CDK)

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre la división celular: El efecto de las auxinas sobre la división celular se observa en heridas realizadas en segmentos de tallos de Coleus:

La cantidad de IAA aplicado es proporcional el número de elementos de xilema (rosa) que se forman

EFECTOS DE AUXINAS El efecto de las auxinas sobre la división celular se observa en cultivos in vitro de células, tejidos u órganos vegetales: • Las técnicas de cultivo in vitro de tejidos fueron posibles gracias a la acción de las auxinas sobre la división celular. Se pueden dar varios casos: * Ser las únicas fitohormonas imprescindibles para que se dividan las células en el medio de cultivo. * Ser necesaria la presencia de otras hormonas para una división celular continuada. * A veces, el subcultivo en medio sin auxina puede causar síntesis de auxinas (cultivos adaptados).

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre la expansión celular: • Las auxinas promueven la expansión celular a través de un mecanismo conocido como crecimiento ácido: IAA + R → → Activación H+-ATP-asas → ↓ pH pared celular → → Activación hidrolasas → Relajación Pared Celular

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el desarrollo de tallos: 1. Formación de tejidos conductores: • La reanudación de la actividad del cambium vascular depende de la síntesis de IAA en la yema caulinar que se produce poco después del letargo invernal. Se compruieba con dos experimentos: * La eliminación de la yema caulinar cesa la actividad del cambium y la aplicación de IAA en la herida la reanbuda. * La aplicación de auxinas sobre la superficie de un callo causa la diferenciación de células xilemáticas.

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el desarrollo de tallos: 2. Dominancia apical: Inhibición del crecimiento de las yemas laterales provocado por el crecimiento de la yema caulinar

Tratamiento CQs en yemas laterales → Eliminación ápice caulinar→ IAA en herida →

Actividad en yemas laterales promoción crecimiento promoción crecimiento inhibición crecimiento

DOMINANCIA APICAL Hipótesis: La dominancia apical está controlada por el balance Aux/CQs en las yemas laterales: Planta intacta: eL IAA de la yema apical impide que las yemas laterales retiren CQs de los tejidos conductores. Planta decapitada: las CQs retiradas por las yemas laterales de los tejidos conductores causan su crecimiento

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el desarrollo de tallos: 3. Organogénesis en los meristemos primarios: El balance endógeno auxinas/citoquininas (CQs) controla la formación del cuerpo primario (organogénesis en los meristemos primarios): •

Agrobacterium tumefaciens. La respuesta de tumores procedentes de bacterias modificadas en medio sin hormonas depende del tipo de modificación: * Bloqueo de la síntesis de IAA ⇒ ↑CQs / Aux ⇒ formación de brotes. * Bloqueo de la síntesis de CQs ⇒ ↓CQs / Aux ⇒ formación de raices.

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el desarrollo de tallos: 3. Organogénesis en los meristemos primarios: Dos tipos de experimentos: • Agrobacterium tumefaciens. La respuesta de tumores procedentes de bacterias modificadas en medio sin hormonas depende del tipo de modificación realizada en el plásmido Ti:

EFECTOS DE AUXINAS 3. Organogénesis en los meristemos primarios: * Bloqueo de la síntesis de IAA ⇒ ↑CQs / Aux ⇒ formación de brotes. * Bloqueo de la síntesis de CQs ⇒ ↓CQs / Aux ⇒ formación de raices.

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el desarrollo de tallos: 3. Organogénesis en los meristemos primarios:La respuesta de un explanto durante su cultivo in vitro • depende en gran medida del balance Aux/CQs 1

3

1. Callogénesis 2 2. Organogénesis indirecta 3. Embriogénesis indirecta

MICROPROPAGACIÓN DE PLANTAS ► Tres métodos de micropropagación: • Cultivo de yemas axilares. Ruptura de la dominancia apical en tallos • Organogénesis • Embriogénesis

► Dos tipos de morfogénesis (organogénesis o embriogénesis): • Indirecta : explanto → callo → órgano • Directa. explanto → órgano

MICROPROPAGACIÓN DE PLANTAS ► En la organogénesis indirecta se cumple la hipótesis de Skoog-Miller: explanto

↓ Aux/CQs callo

↑ Aux/CQs meristemos radicales

meristemos caulinares

raices brotes plantas

EFECTOS DE AUXINAS ► Las auxinas regulan la formación de adventicias y el crecimiento del sistema radicular: RAICES IAA se transporta de forma polar por el ciclindro central: Sale al poplasto al final de la zona de maduración (aún no se ha formado la estructura primaria) • Promueve la formación de raíces adventicias • Elonga las células

EFECTOS DE AUXINAS ► Las auxinas regulan la formación de raices adventicias y el crecimiento del sistema radicular: TALLOS (esquejes) ► La aplicación de auxinas a tallos sin yemas caulinares y hojas jóvenes (esquejes): • Promueve la formación de raíces adventicias. • Inhibe crecimiento de la raíz.

MOVIMIENTOS DE ÓRGANOS ► Las plantas utilizan diferentes medios para dispersar las semillas y así moverse como un todo. ► Las plantas son capaces adermás de capatar diferentes señales y mover sus órganos para optimkizar su desarrollo: ► Los movimientos se clasifican de muchas formas: • Según sea la orientación del movimiento: Tropismos: movimientos causados y orientados por el estímulo Nastias: causados por estímulos pero no orientados. El movimiento siempre tiene la misma dirección

MOVIMIENTOS DE ÓRGANOS • Según sea el mecanismo del movimiento: Movimientos de crecimiento: se deben a un crecimiento asimétrico del órgano que se mueve o del órgano sobre el que se asienta. Movientos de variación: se deben a la actividad de unas células (células motoras) que toman o pierden agua y generan variaciones muy localizadas de turgor que desplazan el órgano que se mueve o del órgano sobre el que se asienta. • Existen cuatro tipos de movimientos de órganos ya que las nastias y los tropismos pueden ser de crecimiento o variación

TROPISMOS ► La respuesta trópica puede ser: • Ortotrópica: igual dirección que el estímulo (positiva si se acerca al estímulo y negativa si se aleja de él). • Plagiotrópica: dirección oblicua. • Diatrópica: dirección perpendicular.

► Los tropismos son positivos cuando el crecimiento es hacia el estímulo y negativos cuando se aleja del estímulo: • La parte aérea de una planta tiene fototropismo positivo y gravitropismo negativo, mientras que la subterránea responde de forma contraria

MOVIMIENTOS DE ÓRGANOS ► Los tropismos más importantes son: fototropismos y gravitropismos. ► El estímulo de los fototropismos es la iluminación lateral (existe una dirección predominante de luz incidente).

► El estímulo de los gravitropismos es la gravedad.

TROPISMOS ► Se distinguen tres fases en un tropismo (fototropismo y gravitropismo) • Percepción: interacción entre el estímulo y el receptor. • Transducción: transformación del estímulo en una señal transmisible • Inducción de la respuesta: crecimiento asimétrico.

► La auxina sintetizada en el ápice caulinar (IAA) participa en los tropismos de crecimiento (gravitropismos y fototropismos).

FOTROPISMOS ► El análisis del espectro de acción de la respuesta fototrópica indica la naturaleza del fotorreceptor. ► El fotorreceptor de los fototropismos es el criptocromo o receptor de luz azul:

FOTROPISMOS ► La hipótesis de Cholodny-Went propone una acumulación de la auxina del ápice en el lado obscuro.

► La acumulación de la auxina en el lado obscuro ocurre probablemente a través del bloqueo del trasnporte polar auxínico en el lado ilumionado.

GRAVITROPISMOS ► Las raíces tienen gravitropismo positivo y los tallos negativo. ► Los amiloplastos de la columela son los receptores de la gravedad en plantas.

Alteración de la posición espacial → desplazamiento de los amiloplastos → variación de la presión sobre el retículo endoplasmático → acumulación de IAA en el lado superior de la raiz.

EFECTOS DE AUXINAS ► Sobre el crecimiento del fruto: Las auxinas del embrión provocan el crecimiento del fruto

CITOQUNINAS ► Definición: sustancias capaces de estimular la división celular en presencia de auxinas. ► Descubrimiento: • Hamberlandt: la presencia de fluído floemático en el medo de cultivo induce la proliferación celular en secciones de tubérculo de patata. • Van Oberbeeck: el endospermo líquido de coco contiene sustancias que promueven la división celular. • Skoog (~1950): inicia el cultivo in vitro. Observa proliferación celular en secciones de tallo de patata. • Miller (1954): añade esperma de arenque autoclavado (formación de 6-furfuril-amino-purina) a diversos cultivos de tejidos y observa una intensa proliferación celular

CITOQUNINAS: estructura química ► Las naturales derivan de adenina:

(6)

• Sustituidos en N6 con un radical adenina isopentenilo (1), hidroxi-isopentenilo (2), o hidroxi isopentanilo (3). • Sustituidos en N9 con ribosa, 0 fosforibosa 1 • Solo tienen actividad los isómeros trans de las citoquininas derivadas 2 de isopentenilo.

Estructura básica de las citoquininas

3

(9)

CITOQUNINAS: estructura química ► Las citoquininas naturales mas importantes son: Citoquininas libres

Citoquininas glicosiladas

CITOQUNINAS: estructura química ► Las citoquininas sintéticas más importantes son:

CITOQUNINAS: estructura química ► Algunas citoquininas son componentes de ARN de transferencia (tRNAser and tRNAtyr ): • Una base próxima al anticodon está modificada. • La hidrólisis de estos tRNA libera citoquininas libres.

CITOQUININAS ► Conjugación con azúcares: • Citoquininas o-glucosiladas:

• La O-glisoilación es reversible • Los O-glucosidos de citoquininas son inactivos.

CITOQUININAS ► Conjugación con azúcares: • Citoquininas N-glicosiladas:

• Las citoquininas N-glicosiladas son estables e inactivos. • La N-glicosilación de citoquininas es reversible,

CITOQUININAS ► Conjugación aminoácidos:

• La conjugación con aminoácidos es irreversible • Los conjugados con aminoácidos son inactivos y se degradan

CITOQUININAS

► Las citoquininas libres son las únicas formas activas. ► Los ribótidos de citoquininas suelen ser formas de transporte.

CITOQUININAS: bioensayos

► Incubación de cotiledones de calabaza con extractos vegetales que contienen citoquininas. Izquierda: antes de la incubación. Derecha: despues de la incubación.

CITOQUININAS: bioensayos

► Efecto de las citoquininas (benciladenina) durante el cultivo de callos

CITOQUININAS: Localización en la planta • Las mayores citoquininas se concentran en órganos con intensa división celular: embriones y frutas jóvenes en desarrollo. • Las raíces tienen concentraciones menores de citoquininas. • Las citoquininas se transportan por el floema. • En las hojas son relativamente inmóviles.

CITOQUININAS: biosíntesis ► La síntesis de citoquininas ocurre a través modificaciones bioquímicas de la adenina:

de

1. Formación de isopentenil-pirofosfato (IPP) a partir de piruvato: • •

Común a la síntesis de otros terpenoides): Dos rutas : 1.a Vía acetato mevalonato (principal). 1.b Vía gliceraldehído-fosfato.

2. Formación de isopentenil-adenosina-5'-fosfato a partir de isopentenilpirofosfato (IPP) y adenosinmonofosfato (AMP). 3. Síntesis del resto de citoquininas a partir de isopentenil-adenosina-5'-fosfato

CITOQUININAS: biosíntesis 1. Formación de isopenteni-lpirofosfato (IPP): 1.a Vía acetato mevalonato: 1. Acetil-CoA → Acetoacetil-CoA Enzima: Tiolasa

1

2

2 3

2. Acetoacetil-Coa + Acetil-CoA→ → 3-Hidroxi-3-metil-glutaril-CoA (HMG-CoA) Enzima HMG-CoA sintasa → 3-Hidroxi-3-metil-glutaril-CoA → → Ácido Mevalónico Enzima HMG-CoA reductasa

2

CITOQUININAS: biosíntesis 1. Formación de isopenteni-lpirofosfato (IPP):

4

5

6

4. Ácido Mevalónico + ATP → → Mevalonato-fosfato. Enzima: Mevalonato quinasa 5. Mevalonato + ATP → → Mevalonato-pirofosfato Enzima: Mevalonato quinasa 6. Mevalonato pirofosfato → → Isopentenil-pirofosfato Enzima: Mevalonato descarboxilasa

CITOQUININAS: biosíntesis 1.b Vía acetato gliceraldehído-fosfato : 3 1

4

2

1. piruvato + tiamina-pirofosfato (TPP-C2) → → gliceraldehído fosfato + CO2 2. gliceraldehído fosfato → 1-desoxi-D-xilulosa-5-fosfato 3. 1-desoxi-D-xilulosa-5-fosfato → 2-C-metil-D-eritritol-4-fosfato 4. 2-C-metil-D-eritritol-4-fosfato → Isopentenil pirofosfato

CITOQUININAS: biosíntesis ► IPP es precursor de todos los terpenoides

CITOQUININAS: biosíntesis 2. Formación de isopentenil-adenosina-5'fosfato a partir de isopentenilpirofosfato (IPP) y adenosin-monofosfato (AMP).

+ • Reacción catalizada por isopentenil-AMP sintasa. • Isopentenil-adenosina-5'-fosfato es precursor de todas las citoquininas.

CITOQUININAS: biosíntesis 3. Síntesis del resto de citoquininas a partir de isopentenil-adenosina-5'-fosfato • Horizonal: eliminación de fosfato y ribosa para formar el ribósido y la base libre respectivamente. • Vertical: hidroxilación y reducción de la cadena lateral (del ribótido, ribósido o base libre) para formar la correspondiente base libre, zeatina o dihidro-zeatina.

CITOQUININAS: modo de acción ► Se desconocen muchos aspectos de modo de acción de las citoquininas. ► Se han aislado varias proteínas de unión a citoquinina (proteínas CBPs). Algunas de ellas han sido identificadas como receptores de citoquininas. ► Las citoquininas alteran el patrón proteico de la célula sensible actuando en la transccripción, traducción y post-traducción. ► Los dos receptores de citoquininas mejor caracterizados se localizan en la membrana plasmática y en los ribosomas de células sensibles. ► El receptor de la membrana plasmática afecta a la transcripción mientras que el receptor ribosomal altera la traducción de proteínas.

CITOQUININAS: modo de acción ►

Receptor dembrana plamática: • La zeatina se une a un receptor anclado en la membrana plasmática. • El receptor activado fosforila una proteína en el citosol. • La proteína fosforilada se desplaza al nucleo y activa uno o más factores de transcripción (trans). • Los factores trans se unen a regiones cis del promotor de genes. • La transcripción de estos genes genera mRNAs que salen al citosol • La traducción de estos mRNAs forma proteínas que inducen la respuesta citoquinínica

EFECTOS DE LAS CITOQUININAS ► Ruptura de la dominación apical. ► Morfogénesis en los meristemos primarios ► Senescencia foliar. ► Formación de cloroplastos ► Estimulan la germinación en oscuridad de semillas de cuya germinación depende de la luz ► Ruptura dormición de semillas ► Crecimiento de frutos ► Estimulación frutos.

de

partenocarpia

en

algunos

SENESCENCIA • Ocurre en diferentes órganos y formas: uniforme (plantas aunales), parte aérea (geofitas), hojas (árboles caducifolios) y ascendente (natural o bajo diversas situaciones desfavorables). • Significado fisiológico: recuperación de nutrientes. • Tres fases: hidrólisis, translocación y abscisión.

SENESCENCIA

• La senescencia natural o inducida se acompaña de un descenso en la concentración endógena de citoquininas libres. • La aplicación de citoquininas a hojas retrasa la senescencia.

SENESCENCIA • Las plantas transgénicas de tabaco (derecha) que expresan el gen ipt bajo control de promotores de genes específicos de senescencia foliar tienen una mayor concentración endógena de citoquininas y retrasan la senescencia foliar • La inhibición de la senescenia por parte de las citoquininas se debe a la supresión de genes específicos de senescencia y/o favorecimiento de de genes de fotosíntesis

EFECTOS DE LAS CITOQUININAS

► Las citoquininas y otros promotores del embrión hacen crecer el fruto.

ETILENO -

Es el hidrocarburo sencillo.

insaturado

más

- Su estructura espacial es plana y resulta indispensable para unirse a su receptor.

ETILENO ► Es la única fitohormona gaseosa. • Se mueve por los tejidos difundiendo por la pared celular y citosol y pasa libremente a la atmósfera.

•

La manzana (fruto climatérico) produce etileno que la hace madurar. Al ser un gas el etileno pasa a la atmósfera (cerrada en este caso) y su acumulación provoca la abscisión de hojas de la rama de acebo

SINTESIS DE ETILENO ► Se sintetiza preferentemente en tejidos periféricos - El precursor es la metionina, pero su síntesis no consume metionina puesto que se recupera a partir de metiltioribosa (Ciclo de Yang) 1. Conversión de metionina en S-adenosil metionina con gasto de ATP. Reacción catalizada por la S-adenosil- trasnferasa

SINTESIS DE ETILENO 2.a SAM es el substrato de la ACC sintasa que forma Sametil-tioadenosina y ACC.

2.b Metiltioadenosina regenera metionina a traves de metiltioribosa, 1-fosfato metilribosa y ácido α-cetoγ.metil-tiobutírico (Ciclo de Yang).

SINTESIS DE ETILENO 3.a Oxidación de ACC a etileno • Catalizada por ACC-oxidasa. • La reacción consume O2 y libera HCN y etileno

3.b Alternativamente ACC puede conjugarse con malonil-Coa y formar malonil-ACC.

SINTESIS DE ETILENO ► La regulación de la síntesis de etileno se ejerce principalmente a través de ACC sintasa. ► ACC-sintasa está codificada por una familia de genes divergentes: diferentes genes codifican para distintas proteínas con actividad ACC sintasa. ► La síntesis de ACC sintasa está inducida por diferentes factores: estado de desarrollo, heridas, frío, auxinas y ETILENO.

SINTESIS DE ETILENO ► Hay dos mecanismos de síntesis de etileno: M1 no autocatalítico y M2 autocatalítico . ► M2: • La síntesis de etileno se estimula por el propio etileno a través de la inducción de la síntesis de ACC-sintasa • El mecanismo autocatalíico se da durante la maduración de frutos climatéicos y durante la senescencia de flores, hojas o tallos

MECANISMO AUTOCATALÍTICO DEL ETILENO ► La maduración de frutos climatéricos y senescencia de flores, hojas o tallos sntetizan etileno por el mecanismo M2 (autocatalítico), siendo responsible de los cambios que acompañan a ambos procesos.

MECANISMO AUTOCATALÍTICO DEL ETILENO ► Es responsible del adelanto de la maduración en frutos climatéricos escindidos de árboles:

• La herida causada al escindir el fruto induce la síntesis de etileno. El etileno producido estimula su propia síntesis y el fruto madura rápidamente y se estropea.

MADURACIÓN DE FRUTOS ► El significado fisiológico de la maduración del fruto es mejorar el proceso de la dispersión de las semillas. ► La maduración se acompaña de dos tipos de cambios en el fruto: • Cambios encaminados a hacer el fruto más atractivo para algunos animales. • Cambios que causan la caída o abscisión del fruto y dehiscencia.

MADURACIÓN DE FRUTOS ► El fruto se establece, crece y madura. ► El crecimiento del fruto está regulado por promotores sintetizados en el eje embrionario. ► Una elevada concentración de auxinas al final del crecimiento induce la síntesis de etileno ► El etileno regula la maduración del fruto. ►El etileno también induce la abscisión del fruto maduro.

ABSCISIÓN DE ÓRGANOS ► El etileno induce la formación de la capa de abscisión en la base del ógano ► El etileno induce la síntesis de enzimas degradativos de la pared celular ► La pared celular se rompe y la presión de turgencia rompe la célula.

OTRO EFECTO DEL ETILENO: formación de aerénquima ► Estimula la formación de aerénquima en algunas plantas acuáticas: algunos grupos de células del parénquima del tallo o raíz degradan sus paredes celulares por efecto del etileno. Se forman grandes espacios aéreos que recorren longitudinalmente el ta llo y la raíz oxigenando la corteza radicular con oxígeno de la atmósfera. Así logran sobrevivir en medios encharcados anóxicos.

REGULACIÓN DEL DESARROLLO ► El desarrollo vegetal sigue un programa genético. ► La ejecución del programa de desarrollo precisa de: • Comunicación e intercelular.

genético

intra

• Comunicación planta-entorno. ► Las hormonas vegetales son señales químicas que intervienen en la comunicación planta-planta y planta-medio ambiente

FITOHORMONAS: ► Características generales • Sustancias endógenas: producidas por las plantas. * Las sustancias exógenas con actividad hormonal no se consideran estrictamente hormonas • Estructura molecular sencilla: peso molecular < 1000. • Actúan en un rango estrecho de concentraciones bajas. • Metabolismo dependiente de dos tipos de factores: * Endógenos: estado de diferenciación celular * Exógenos: luz, déficit hídrico, patógenos, etc…

► Modo de acción: Inhiben o permiten reacciones programadas en las células sensibles • La respuesta de un tejido (sensible) a una fitohormona depende de su unión a un receptor.

FITOHORMONAS: diferencias con hormonas animales ► El término hormona tiene origen animal ► No se sintetizan en glándulas especializadas. Cualquier célula con núcleo puede sintetizarlas ► Su actividad no depende de su transporte a las células diana. ► La respuesta a una fitohormona depende de: • Concentración en las células diana • Sensibilidad de las células diana: * Número de receptores * Estado de los receptores * Canal de transducción

FITOHORMONAS: MODO DE ACCIÓN Tres etapas: Percepción ⇓ Transducción ⇓ Inducción

FITOHORMONAS: MODO DE ACCIÓN ► Percepción: Fitohormona (FH) + Receptor(R). • Los receptores cumplen 3 premisas: 1. Unión afín con FH 2. Unión específica y reversible . 3. La unión R/FH inicia un canal de transducción que finaliza en una respuesta (alteración del espectro proteico). • Factores de unión (BPs): cumplen 1 y 2. • Receptores: cumplen 1, 2 y 3.

FITOHORMONAS: MODO DE ACCIÓN ► Transducción: Cámbios producidos en la célula diana al activarse el receptor (R+FH). Se sintetizan mensajeros secundarios. • El canal de transducción depende naturaleza protein-quinasa (PQ) del receptor:

de

la

* Receptor proteinquinasa (R : PQ1). La unión con FH activa PQ (inicio Cascada de Fosforilaciones):

R + PQ1(inactiva) → PQ1(activa) ↓ PQ2(inactiva) → PQ2(activa) ↓ PQ3(inactiva) → PQ3(activa) → → → → → CIS / TRANS

FITOHORMONAS: MODO DE ACCIÓN * Receptor no proteinquinasa: Participan las proteínas G (GTP-asas): FH + R → FH-R + Prot. G

→

FH – R - Prot.G

Activación fosfolipasas FH – R - Prot.G

Activación ciclasas Activación canales iónicos

FITOHORMONAS: PRINCIPALES TIPOS A) PROMOTORES: Citoquininas

Auxinas

Giberelinas

B) INHIBIDORES:

Etileno

Acido abscísico

GIBERELINAS ► Fueron dscubiertas al caracterizar una enfermedad del arroz (bakanae) producida por un hongo Gibberella fujikuori

► Tienen una estructura molecular comple ja: pueden ser de 20 o 19 carbonos.

GIBERELINAS ► Fueron dscubiertas al caracterizar una enfermedad del arroz (bakanae) producida por un hongo Gibberella fujikuori ► Tienen una estructura molecular compleja:

GIBERELINAS ► Estructura molecular: ► Diterpenos tetracíclicos ácidos ► Existen principales:

dos

grupos

• GAs de 20C: el C20 está como radical metilo, hidroximetilo, aldehído o carboxilo. • GAs de 19 C son lactonas cíclicas.

GIBERELINAS ► La mayoría de las plantas tienen ~10 GAs. ► Diferencias estructurales de las GAs de una planta: ► Grado de oxidación desaparición de C20

o

► Radical hidroxilo: • 3β: activación • 2β: desactivación irreversible • 13: activación

BIOSÍNTESIS DE GIBERELINAS ► Se distinguen varias fases en la síntesis de GAS: 1. Formación de Geranil-Geranil-piro fosfato • Rutamevalonato. • Ruta gliceraldehído -fosfato

BIOSÍNTESIS DE GIBERELINAS 2. Ciclación de GGPP en dos reacciones catalizadas por copalil-pirofosfato sintasa y ent-kaurene sintasa:

• La inhibición de cualquiera de las dos enzimas bloquea especificamente la síntesis de GAs.

BIOSÍNTESIS DE GIBERELINAS 2. Formación de la (precursora del resto).

primera

giberelina

• ent-kaureno se oxida y forma ent-kaureno, ent-kaurenal, ácido ent-kaurenoico, ácido ent-7α-hidroxikaurenoico y GA12-aldehído

BIOSÍNTESIS DE GIBERELINAS 2. Formación del resto de Gas a partir de GA12-aldehído.

• Dos vías principales con o sin hidroxilación en 13

GIBERELINAS ► Bioensayos:

• De crecimiento: basados en la inducción del crecimiento internodal que provoca la aplicación exógena de GAs.

GIBERELINAS ► Bioensayos: • De inducción enzimática: basados en la inducción de la síntesis de algunas hidrolasas por GAs. La actividad que más se utiliza para valorar GAs es la α-amilasa. 1. El eje embrionario libera Gas hacia el endospermo

eje embrionario

2. Las GAs estimulan la actividad α-amilasa

GAs endospermo

azúcares 3. Los azúcares producidos en la hidrólisis del almidón se transportan al eje embrionario

EFECTOS DE GIBERELINAS ► Crecimiento vegetativo: • Estimula el crecimiento internodal del tallo en plantas enanas o que se desarrollan como rosetas. − Induce “bolting” en plantas de día corto

• Afecta a la movilización de reservas durante la germinación y desarrollo de plántulas, especialmente en cereales • Condiciona la forma de la hoja al estimular la elongación de la epidermis foliar.

EFECTOS DE GIBERELINAS ► Crecimiento reproductivo: • Modifica la inducción floral: Substituye necesidad vernalizadora en la inducción floral • Modifica la determinación del sexo en flores im perfectas. El efecto depende de cada especie. − La aplicación de GAs en plantas hembra de maíz promueve la formación de flores estaminadas (macho) − La inhibición de la síntesis de giberelinas en plantas de Cannabis macho induce la formación de flores pistiladas (femeninas).

ESTIMULACIÓN POR GAs DEL CRECIMIENTO INTERNODAL DEL TALLO − La zona superior del entrenudo recien formado y las hojas jóvenes sintetizan GAs que estimulan la elongación y la división celular en células sensibles del entrenudo.

EFECTOS DE GIBERELINAS ► Estimulación de la división celular por GAs: • Los entrenudos de variedades de guisante de “alto enrame” tienen más células que los correspondientes a variedades enanas. • La aplicación de GAs estimula la mitosis en la zona subapical de plantas con forma de roseta.

ELONGACIÓN DEL TALLO POR GIBERELINAS ► GA1 es la forma activa que induce el crecimiento internodal:

1. − La estimulación del crecimiento internodal en guissante se corresponde con el contenido en GA1.

ESTIMULACIÓN POR GAs DEL CRECIMIENTO INTERNODAL DEL TALLO 2. − Le-1 y le-2 son mutantes carentes de actividad β hidroxilasa. La aplicación de GA1 a cualquiera de los dos mutantes estimula el crecimiento internodal 3.− La aplicación de GA20 a le-1 ó le-2 no afecta su fenotipo. 4. Le convierte GA20 (13C3H)GA20) en GA1 (13C3H)GA20) pero no es capaz de convertir GA1 en GA20.

ESTIMULACIÓN POR GAs DEL CRECIMIENTO INTERNODAL DEL TALLO − GA20 es precursor de GA1:

ESTIMULACIÓN POR GAs DEL CRECIMIENTO INTERNODAL DEL TALLO ► Mecanismo: Activación por GA1 de la actividad xiloglucano-endo-transglicosilasa (XET). • La actividad XET hidroliza internamente xiloglucano y transfiere uno de los extremos formados a otro extremo libre de otra molécula de xiloglucano

EFECTOS DE GIBERELINAS ► Las GAs afectan a la movilización de reservas durante la germinación y desarrollo de plántulas, especialmente en cereales • Estructura de la semilla de cereal: Testa: protege la semilla y regula el intercambio de gases. Endospermo con capa de aleurona (más externa): almacena reservas. Escutelo (cotiledón modificado): participa activamente en el metabolismo de la germinación. Eje embrionario con los meristemos primarios.

EFECTOS DE GIBERELINAS

► Las GAs liberadas por el eje embrionario inducen la síntesis de α-amilasa en la capa de aleurona. Los azúcares liberados en la hidrólisis posterior del almidón son absorbidos por el escutelo y trasnportados al eje embrionario

EFECTOS DE GIBERELINAS

Efecto de la aplicación de ácido giberélico (GA3) 5.10-5M (derecha) sobre la producción de α-amilasa en endospermos aislados. Control (izquierda) incubación de endospermos en agua.

EFECTOS DE GIBERELINAS ► El efecto de las GAs sobre la α-amilasa es múltiple. Actúa principalmente sobre: • Transcripción • Estabilización de mRNA activo: aumenta la acumulación de mRNA ► Además las GAs pueden: • Activación de enzimas preexistentes • Activación de m-RNA inactivo • Aumento de la liberación de la enzima por alteración de la permeabilidad de la membrana plasmática

ESTIMULACIÓN DEL CRECIMIENTO DEL TALLO PREVIO A LA FLORACIÓN ► Algunas plantas de día largo, como espinaca, crecen en forma de roseta bajo condiciones no inductoras de la floración (DC). ► Bajo condiciones inductoras de la floración (DL) el tallo se alarga con el objeto de favorecer la polinización de la flor que se desarrolla

ESTIMULACIÓN DEL CRECIMIENTO DEL TALLO PREVIO A LA FLORACIÓN ► La conversión de GA20 en GA1 regula el crecimiento del tallo previo a la floración en plantas de dia largo (PDL)

• El inhibidor AMO 1618 bloquea el bolting • La aplicación de GA1 revierte el efecto de AMO 1618 • La exposición a DL aumenta 5 veces la concentración de GA1 • Las condiciones inductoras de la floración (DL) causa un aumento del mRNA codificante de la oxidasa que convierte GA53 en GA20