Asimilación de azufre - Sulfur assimilation
El azufre es un elemento esencialpara el crecimiento yfuncionamiento fisiológico de las plantas . Sin embargo, su contenido varía mucho entre las especies de plantasy oscila entre el 0,1 y el 6% del peso seco de las plantas.
Los sulfatos absorbidos por las raíces son la principal fuente de azufre para el crecimiento, aunque debe reducirse a sulfuro antes de que se metabolice más. Los plastidios de la raíz contienen todas las enzimas reductoras de sulfato , pero la reducción de sulfato a sulfuro y su posterior incorporación a la cisteína tiene lugar predominantemente en el brote, en los cloroplastos .
La cisteína es el precursor o donante de azufre reducido de la mayoría de los otros compuestos orgánicos de azufre en las plantas. La proporción predominante del azufre orgánico está presente en la fracción proteica (hasta el 70% del azufre total), como residuos de cisteína y metionina (dos aminoácidos).
La cisteína y la metionina son muy importantes en la estructura, conformación y función de las proteínas . Las plantas contienen una gran variedad de otros compuestos orgánicos de azufre, como tioles ( glutatión ), sulfolípidos y compuestos secundarios de azufre ( aliinas , glucosinolatos , fitoquelatinas ), que juegan un papel importante en la fisiología y la protección contra el estrés ambiental y las plagas .
Los compuestos de azufre también son de gran importancia para la calidad de los alimentos y para la producción de fito- farmacéuticos . La deficiencia de azufre resultará en la pérdida de producción, aptitud y resistencia de la planta al estrés ambiental y las plagas .
Absorción de sulfato por las plantas
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El sulfato es absorbido por las raíces que tienen una alta afinidad. La tasa máxima de absorción de sulfato generalmente ya se alcanza a niveles de sulfato de 0,1 mM e inferiores. La absorción de sulfato por las raíces y su transporte al brote está estrictamente controlado y parece ser uno de los principales sitios reguladores de asimilación de azufre.
El sulfato se absorbe activamente a través de la membrana plasmática de las células de la raíz , posteriormente se carga en los vasos del xilema y se transporta al brote por la corriente de transpiración . La captación y transporte de sulfato depende de la energía (impulsado por un gradiente de protones generado por ATPasas ) a través de un cotransporte protón / sulfato . En el brote se descarga el sulfato y se transporta a los cloroplastos donde se reduce. El sulfato restante en el tejido vegetal está presente predominantemente en la vacuola , ya que la concentración de sulfato en el citoplasma se mantiene bastante constante.
Las proteínas transportadoras de sulfato distintas median la captación, el transporte y la distribución subcelular del sulfato. Según su expresión génica celular y subcelular , y su posible funcionamiento, la familia de genes transportadores de sulfato se ha clasificado en hasta 5 grupos diferentes. Algunos grupos se expresan exclusivamente en las raíces o brotes o se expresan tanto en las raíces como en los brotes.
- El grupo 1 son los "transportadores de sulfato de alta afinidad", que participan en la absorción de sulfato por las raíces.
- El grupo 2 son transportadores vasculares y son "transportadores de sulfato de baja afinidad".
- El grupo 3 es el llamado 'grupo de hojas', sin embargo, todavía se sabe poco sobre las características de este grupo.
- Los transportadores del grupo 4 participan en la salida de sulfato de las vacuolas , mientras que la función de los transportadores de sulfato del grupo 5 aún no se conoce y es probable que funcionen solo como transportadores de molibdato.
La regulación y expresión de la mayoría de los transportadores de sulfato están controladas por el estado nutricional de azufre de las plantas. Tras la privación de sulfato, la rápida disminución del sulfato de la raíz se acompaña regularmente de una expresión fuertemente mejorada de la mayoría de los genes transportadores de sulfato (hasta 100 veces), acompañada de una capacidad de absorción de sulfato sustancialmente mejorada. La naturaleza de estos transportadores aún no está completamente resuelta, ya sea el propio sulfato o los productos metabólicos de la asimilación del azufre ( O-acetilserina , cisteína , glutatión ) actúan como señales en la regulación de la captación de sulfato por la raíz y su transporte al brote, y en la expresión de los transportadores de sulfato involucrados.
Reducción de sulfato en plantas
Aunque los plastos de la raíz contienen todas las enzimas reductoras de sulfato, la reducción de sulfato tiene lugar predominantemente en los cloroplastos de las hojas . La reducción de sulfato a sulfuro se produce en tres pasos. El sulfato debe activarse a adenosina 5'-fosfosulfato (APS) antes de su reducción a sulfito .
La activación del sulfato es catalizada por ATP sulfurilasa, cuya afinidad por el sulfato es bastante baja (Km aproximadamente 1 mM) y la concentración de sulfato in situ en el cloroplasto es muy probablemente uno de los pasos limitantes / reguladores en la reducción de azufre. Posteriormente, APS se reduce a sulfito, catalizado por APS reductasa con probablemente glutatión como reductor .
Se supone que esta última reacción es uno de los puntos de regulación primarios en la reducción de sulfato, ya que la actividad de la APS reductasa es la más baja de las enzimas de la vía de reducción de sulfato y tiene una tasa de rotación rápida. El sulfito se reduce con alta afinidad por la sulfito reductasa a sulfuro con ferredoxina como reductor. El sulfato restante en el tejido vegetal se transfiere a la vacuola . La removilización y redistribución de las reservas de sulfato vacuolar parecen ser bastante lentas y las plantas con deficiencia de azufre aún pueden contener niveles detectables de sulfato.
Síntesis y función de compuestos de azufre en plantas.
Cisteína
El sulfuro se incorpora a la cisteína , catalizada por O-acetilserina (tiol) liasa, con O-acetilserina como sustrato. La síntesis de O-acetilserina es catalizada por la serina acetiltransferasa y junto con la O-acetilserina (tiol) liasa se asocia como un complejo enzimático denominado cisteína sintasa .
La formación de cisteína es el paso de acoplamiento directo entre el azufre ( metabolismo del azufre ) y la asimilación de nitrógeno en las plantas. Esto difiere del proceso en la levadura, donde el sulfuro debe incorporarse primero en la homocisteína y luego convertirse en dos pasos en cisteína.
La cisteína es un donante de azufre para la síntesis de metionina , el principal otro aminoácido que contiene azufre presente en las plantas. Esto sucede a través de la vía de transulfuración y la metilación de la homocisteína .
Tanto la cisteína como la metionina son aminoácidos que contienen azufre y son de gran importancia en la estructura, conformación y función de proteínas y enzimas , pero también pueden estar presentes altos niveles de estos aminoácidos en las proteínas de almacenamiento de semillas. Los grupos tiol de los residuos de cisteína en proteínas pueden oxidarse dando como resultado puentes disulfuro con otras cadenas laterales de cisteína (y forman cistina ) y / o unión de polipéptidos .
Los puentes disulfuro ( enlaces disulfuro ) contribuyen de manera importante a la estructura de las proteínas. Los grupos tiol también son de gran importancia en la unión del sustrato de enzimas, en agrupaciones de azufre de metal en proteínas (por ejemplo, ferredoxinas ) y en proteínas reguladoras (por ejemplo, tiorredoxinas ).
Glutatión
Glutatión o sus homólogos, por ejemplo, homoglutatión en Fabaceae ; La hidroximetilglutatión en Poaceae son los principales compuestos de tiol no proteínicos solubles en agua presentes en el tejido vegetal y representan el 1-2% del azufre total. El contenido de glutatión en el tejido vegetal varía entre 0,1 y 3 mM. La cisteína es el precursor directo de la síntesis de glutatión (y sus homólogos). Primero, la γ-glutamilcisteína se sintetiza a partir de cisteína y glutamato catalizados por la gamma-glutamilcisteína sintetasa . En segundo lugar, el glutatión se sintetiza a partir de γ-glutamilcisteína y glicina (en los homólogos del glutatión, β-alanina o serina ) catalizada por la glutatión sintetasa. Ambos pasos de la síntesis de glutatión son reacciones dependientes de ATP. El glutatión se mantiene en forma reducida por una glutatión reductasa dependiente de NADPH y la proporción de glutatión reducido (GSH) a glutatión oxidado (GSSG) generalmente excede un valor de 7. El glutatión cumple varias funciones en el funcionamiento de las plantas. En el metabolismo del azufre actúa como reductor en la reducción de APS a sulfito. También es la principal forma de transporte de azufre reducido en las plantas. Es probable que las raíces dependan en gran medida para su suministro reducido de azufre de la transferencia de glutatión de brotes / raíces a través del floema , ya que la reducción de azufre ocurre predominantemente en el cloroplasto. El glutatión participa directamente en la reducción y asimilación de selenito en selenocisteína . Además, el glutatión es de gran importancia en la protección de las plantas contra el estrés oxidativo y ambiental y deprime / elimina la formación de especies reactivas de oxígeno tóxicas , por ejemplo , superóxido , peróxido de hidrógeno e hidroperóxidos lipídicos . El glutatión funciona como reductor en la desintoxicación enzimática de especies reactivas de oxígeno en el ciclo glutatión- ascorbato y como tampón tiol en la protección de proteínas mediante reacción directa con especies reactivas de oxígeno o mediante la formación de disulfuros mixtos. El potencial del glutatión como protector está relacionado con el tamaño del grupo de glutatión, su estado redox (relación GSH / GSSG) y la actividad de la glutatión reductasa . El glutatión es el precursor de la síntesis de fitoquelatinas, que son sintetizadas enzimáticamente por una fitoquelatina sintasa constitutiva. El número de residuos de γ-glutamil-cisteína en las fitoquelatinas puede variar de 2 a 5, a veces hasta 11. A pesar del hecho de que las fitoquelatinas forman complejos en los que unos pocos metales pesados, a saber. cadmio , se supone que estos compuestos juegan un papel en la homeostasis y desintoxicación de metales pesados al amortiguar la concentración citoplasmática de metales pesados esenciales. El glutatión también participa en la desintoxicación de xenobióticos , compuestos sin valor nutricional directo o sin importancia en el metabolismo, que en niveles demasiado altos pueden afectar negativamente el funcionamiento de la planta. Los xenobióticos pueden desintoxicarse en reacciones de conjugación con glutatión catalizadas por glutatión S-transferasa , cuya actividad es constitutiva; diferentes xenobióticos pueden inducir distintas isoformas de la enzima. Las glutatión S-transferasas tienen una gran importancia en la desintoxicación y tolerancia a herbicidas en la agricultura y su inducción por antídotos de herbicidas (' protectores ') es el paso decisivo para la inducción de tolerancia a herbicidas en muchas plantas de cultivo. En condiciones naturales, se supone que las glutatión S-transferasas tienen importancia en la desintoxicación de hidroperóxidos lipídicos , en la conjugación de metabolitos endógenos, hormonas y productos de degradación del ADN , y en el transporte de flavonoides .
Sulfolípidos
Los sulfolípidos son lípidos que contienen azufre. Los sulfoquinovosil diacilgliceroles son los sulfolípidos predominantes presentes en las plantas. En hojas su contenido comprende hasta un 3-6% del azufre total presente. Este sulfolípido está presente en las membranas de los plástidos y probablemente esté involucrado en el funcionamiento del cloroplasto . La ruta de biosíntesis y función fisiológica del sulfoquinovosil diacilglicerol todavía está bajo investigación. A partir de estudios recientes, es evidente que el sulfito es el probable precursor del azufre para la formación del grupo sulfoquinovose de este lípido.
Compuestos secundarios de azufre
Las especies de Brassica contienen glucosinolatos , que son compuestos secundarios que contienen azufre . Los glucosinolatos están compuestos por un resto de β-tioglucosa, una oxima sulfonada y una cadena lateral. La síntesis de glucosinolatos comienza con la oxidación del aminoácido original a una aldoxima , seguida de la adición de un grupo tiol (mediante conjugación con glutatión) para producir tiohidroximato . La transferencia de un resto de glucosa y sulfato completa la formación de los glucosinolatos.
El significado fisiológico de los glucosinolatos es todavía ambiguo, aunque se considera que funcionan como compuestos sumideros en situaciones de exceso de azufre. Tras la alteración del tejido, los glucosinolatos se degradan enzimáticamente por la mirosinasa y pueden producir una variedad de productos biológicamente activos tales como isotiocianatos , tiocianatos , nitrilos y oxazolidin-2-tionas. Se supone que el sistema glucosinolato-mirosinasa desempeña un papel en las interacciones planta- herbívoro y planta- patógeno .
Además, los glucosinolatos son responsables de las propiedades de sabor de Brassicaceae y recientemente han recibido atención debido a sus posibles propiedades anticancerígenas . Las especies de Allium contienen γ- glutamilpéptidos y aliinas (S-alqu (en) il cisteína sulfóxidos). El contenido de estos compuestos secundarios que contienen azufre depende en gran medida de la etapa de desarrollo de la planta, la temperatura, la disponibilidad de agua y el nivel de nutrición de nitrógeno y azufre. En los bulbos de cebolla, su contenido puede representar hasta el 80% de la fracción de azufre orgánico. Se sabe menos sobre el contenido de compuestos secundarios de azufre en la etapa de plántula de la planta.
Se supone que las aliinas se sintetizan predominantemente en las hojas, desde donde se transfieren posteriormente a la escala de bulbo adjunta. Las rutas biosintéticas de síntesis de γ-glutamilpéptidos y aliinas son todavía ambiguas. γ-Glutamylpeptides se puede formar a partir de cisteína (a través de γ-glutamilcisteína o de glutatión) y puede ser metabolizado en los alliins correspondientes a través de la oxidación y posterior hidrolización por γ-glutamil transpeptidasas .
Sin embargo, no se pueden excluir otras posibles rutas de síntesis de γ-glutamilpéptidos y aliinas. Se sabe que las aliinas y los γ-glutamilpéptidos tienen utilidad terapéutica y podrían tener un valor potencial como fitofarmacéuticos. Las aliinas y sus productos de degradación (por ejemplo, la alicina ) son los precursores del aroma para el olor y el sabor de las especies. El sabor solo se libera cuando las células vegetales se rompen y la enzima aliinasa de la vacuola es capaz de degradar las alinas, produciendo una amplia variedad de compuestos que contienen azufre volátiles y no volátiles . La función fisiológica de los γ-glutamilpéptidos y las aliinas no está clara.
Metabolismo del azufre en plantas y contaminación del aire
El rápido crecimiento económico, la industrialización y la urbanización están asociados con un fuerte aumento en la demanda de energía y las emisiones de contaminantes atmosféricos, incluido el dióxido de azufre (ver también lluvia ácida ) y el sulfuro de hidrógeno , que pueden afectar el metabolismo de las plantas . Los gases de azufre son potencialmente fitotóxicos , sin embargo, también pueden ser metabolizados y utilizados como fuente de azufre e incluso ser beneficiosos si la fertilización con azufre de las raíces no es suficiente.
Los brotes de las plantas forman un sumidero para los gases de azufre atmosféricos , que pueden ser absorbidos directamente por el follaje (deposición seca). La captación foliar de dióxido de azufre generalmente depende directamente del grado de apertura de los estomas , ya que la resistencia interna a este gas es baja. El sulfito es altamente soluble en el agua apoplástica del mesófilo , donde se disocia bajo la formación de bisulfito y sulfito .
El sulfito puede entrar directamente en la vía de reducción del azufre y reducirse a sulfuro , incorporarse a la cisteína y, posteriormente, a otros compuestos de azufre. El sulfito también puede oxidarse a sulfato , extra e intracelularmente por peroxidasas o catalizado no enzimáticamente por iones metálicos o radicales superóxido y posteriormente reducido y asimilado de nuevo. El exceso de sulfato se transfiere a la vacuola; Los niveles mejorados de sulfato foliar son característicos de las plantas expuestas. La absorción foliar de sulfuro de hidrógeno parece depender directamente de la velocidad de su metabolismo en cisteína y, posteriormente, en otros compuestos de azufre. Existe una fuerte evidencia de que la O-acetil-serina (tiol) liasa es directamente responsable de la fijación activa del sulfuro de hidrógeno atmosférico por las plantas.
Las plantas pueden transferir del sulfato al azufre atmosférico absorbido foliar como fuente de azufre y los niveles de 60 ppb o más parecen ser suficientes para cubrir el requerimiento de azufre de las plantas. Existe una interacción entre la utilización de azufre atmosférico y pedosférico. Por ejemplo, la exposición al sulfuro de hidrógeno puede resultar en una disminución de la actividad de la APS reductasa y una disminución de la absorción de sulfato.
Ver también
Referencias
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- Hawkesford, MJ y De Kok, LJ (2006) Manejo del metabolismo del azufre en plantas. Plant Cell and Environment 29: 382-395.