Tema 4:
. Respuesta bioquímica de los vegetales a la
toxicidad por metales pesados.
. Transducción de señales durante el estrés
oxidativo.
Principios básicos de la respuesta de los vegetales a la
toxicidad por metales
•Regulación de la captación del metal y la distribución intracelular a larga
distancia.
•Fluctuaciones ambientales pueden conducir a un incremento en las
concentraciones internas de los iones metálicos.
•Participación de varios compartimientos celulares en este mecanismo,
con moléculas que tienen afinidad por los MP y que estarían involucradas
en su almacenamiento y destoxificación.
•La sobrecarga de iones puede conducir a concentraciones intracelulares
más allá de las capacidades de almacenamiento y destoxificación de las
células vegetales, esto lleva a un 
DESEQUILIBRIO DEL BALANCE CELULAR QUE SE DESPLAZARÁ HACIA
EL ESTADO PRO- OXIDATIVO
¿Cómo ajustan los vegetales sus sistemas metabólicos
para mantener la homeostasis?
EAO
DEFENSAS
ANTIOXIDANTES
- Las acciones tóxicas de los MP son esencialmente ejercidas sobre las
enzimas.
- Cadmio (Cd) es un metal pesado no esencial polutante del ambiente
producto de la actividad industrial, agrícola y de los gases de los
automóviles.
- Los síntomas de la toxicidad de Cd son fácilmente identificables.
- Detención del crecimiento
- Clorosis
- Deficiencia de fósforo
- Reducción del transporte de magnesio.
- En general, se ha demostrado que Cd interfiere con la captación,
transporte y uso de varios elementos (Ca, Mg, P y K) y de agua por parte
de las plantas.
- Efectos citogenéticos de Cd: inhibe la división celular y produce
alteración en los cromosomas. El bajo índice mitótico, es proporcional a
la concentración y tiempo de exposición.
Cadmium-induced oxidative damage and antioxidative
defense mechanisms in Vigna mungo L.
Alicia S. Molina, Carlos Nievas, María Verónica Pérez Chaca, Francisco
Garibotto, Ulises González, Silvana M. Marsá, Celina Luna, María Sofía
Giménez, Fanny Zirulnik
Plant Growth Regulation, ISSN 0167-6903, vol. 56, N°3: 285- 295, 2008.
Fig. 4 Cytological analysis of metaphase and apoptotic nuclei
in the roots of Vigna mungo seedlings exposed to 40 uM Cd for
12 days. (A) Normal metaphase in control cells. (B) Cd induced
chromosome abnormalities. (C) Condensed chromatin
distributed in the periphery of the nuclei with apoptotic pattern
CAPTACIÓN DE METALES POR LAS RAÍCES
•Selectividad de la captación de cationes.
•Transporte de un amplio rango de cationes divalentes (cobre, níquel, zinc
y cadmio) hacia las células de raíces con sistemas carrier similares.
•La captación de Cd aumenta cuando disminuye el pH del suelo y
disminuye cuando aumenta la capacidad de intercambio catiónico del
suelo.
•Cd parece ser absorbido pasivamente y translocado libremente.
•Parte de la toxicidad de Cd sería resultado de la interferencia del mismo
en procesos dependientes de zinc.
•Las diferencias en la habilidad de las plantas para acumular MP se han
relacionado a diferencias en la morfología de la raíz.
•Se ha observado también que las hojas viejas contienen mayores
concentraciones de Cd que las jóvenes.
•Se ha determinado mayor contenido de Cd en raíces que en hojas.
Contenido de Cd en raíces y hojas de plantas de soja
sometidas a 40 mM Cd durante 24 h.
Planta entera
Hoja (ppb)
Raíz (ppm)
0,0033
1,87
A - Lote Control (0 mM Cd) 24 h
B – Lote 40 µM Cadmio 24 h
PROTEÍNAS DE ALMACENAMIENTO DE METALES
•Son 2 las principales proteínas responsables del almacenamiento y
destoxificación de MP: las ferritinas y metalotioneinas.
•Las ferritinas son proteínas multiméricas de almacenamiento de hierro
capaces de secuestrar varios miles de átomos de hierro por molécula.
•En las plantas, son codificadas por una pequeña familia de genes y se
localizan en los plastidios. Participan en la protección de estos contra el
estrés, almacenando un exceso de hierro libre.
•Las metalotioneinas son pequeñas proteínas que secuestran el exceso
de ciertos metales, más frecuentemente: zinc, cobre y cadmio, por
coordinación de estos metales con residuos cisteína.
•Fitoquelatinas: también llamadas metalotioneinas de clase III, que a nivel
celular son sintetizadas en el citosol y transportadas a las vacuolas.
TRANSPORTE DE MP A LARGA DISTANCIA
Los metales una vez captados por las raíces son
transportados por la savia xilemática y translocados a las
partes aéreas del vegetal ya quelados.
En la mayoría de las células vegetales, las vacuolas
comprenden más del 80- 90% del volumen celular y actúan
como un compartimiento central de almacenamiento de
iones.
Se ha demostrado la rápida inducción de la síntesis y
acumulación de fitoquelatinas en respuesta a un pequeño
aumento de Cd u otros MP.
QUELACIÓN DE METALES POR PEQUEÑAS MOLÉCULAS
Ácidos orgánicos, aminoácidos y derivados fosfatados.
Citrato, tiene una alta capacidad de quelación con hierro, níquel y Cd.
Esta propiedad le confiere resistencia al vegetal ante concentraciones tóxicas del MP
LA TOLERANCIA A LOS MP puede definirse como la habilidad para
sobrevivir en un suelo que es tóxico para otras plantas y se manifiesta
por una interacción entre genotipo y su ambiente.
MICORRIZAS: pueden ser muy eficientes para disminuir los efectos de la
toxicidad de MP en las plantas huésped.
La endosimbiosis formada entre plantas y microorganismos juega un
importante papel en la agricultura y ecosistemas naturales.
La interacción endosimbiótica más conocida es la formada por planta y
hongo, incluyendo interacciones de tipo parasitaria, que resultan en
enfermedades como el moho.
Y por otro lado la simbiosis mutualística establecida entre raíces y los
hongos arbusculares micorrizales (AMF).
AMF (zygomycotina) se encuentran típicamente asociados con una gran
variedad de plantas terrestres, preferiblemente angiospermas.
El establecimiento exitoso de esta asociación mutualística constituye una
estrategia para mejorar el estatus nutricional de ambos participantes.
•El hongo recibe compuestos carbonados de la planta huésped y ésta se
beneficia con una mayor captación de nutrientes (principalmente fósforo),
con un aumento de tolerancia al estrés abiótico y resistencia a
patógenos.
•La penetración dentro de la raíz y el desarrollo intracelular de los AMF,
involucra una compleja secuencia de eventos bioquímicos y citológicos
con modificaciones intracelulares, que implican que el hongo debe ser
reconocido claramente por la planta huésped.
•Se ha observado que los cambios inducidos por Cd en raíces
micorrizadas estuvieron ausentes o fueron menores que en raíces nomicorrizadas.
•Estas observaciones sugieren que aunque los cambios en las
condiciones de la rizósfera fueron percibidos por la raíz, la respuesta
típica al estrés por Cd podría estar compensada.
•Aún no se sabe si la micorrización protege las raíces de la injuria por Cd,
evitando el acceso de éste a sitios extra o intracelulares sensibles o por
quelantes intrínsecos o excretados o por otros sistemas de defensa.
•Es posible que AMF provean protección vía GSH ya que se encontraron
mayores concentraciones de este tiol en cultivos puros de hongos que en
raíces desnudas.
El desarrollo de asociaciones planta- micorriza tolerantes al estrés podría
ser una nueva estrategia para la fitorremediación de suelos.
TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES DURANTE EL ESTRÉS OXIDATIVO
A pesar del daño celular extremo, las EAO pueden actuar:
- COMO MOLÉCULAS SEÑAL UBICUAS EN LOS
VEGETALES
- SON UN COMPONENTE CENTRAL EN LAS
RESPUESTAS AL ESTRÉS.
- EL NIVEL DE LAS MISMAS DETERMINA EL TIPO DE
RESPUESTA.
Aunque se conoce una parte substancial de la respuesta genómica y la
actividad de muchas enzimas afectadas por las EAO
LOS MECANISMOS MOLECULARES Y BIOQUÍMICOS DE ACLIMATACIÓN
AÚN NO SE CONOCEN Y LAS VÍAS DE SEÑALIZACIÓN INVOLUCRADAS
ESTÁN EN ESTUDIO.
Las EAO se comunican con otras moléculas señal y vías,
siendo parte de una red de señalización que controla las respuestas
“downstream” de EAO.
Datos recientes sugieren que las EAO no solo son moléculas señal de
estrés sino que también actuarían como señales en el crecimiento y
desarrollo vegetal.
•Se ha demostrado que bajo condiciones de estrés, una de las estrategias
que las plantas han desarrollado es DISMINUIR EL CRECIMIENTO.
La habilidad para REDUCIR LA DIVISIÓN CELULAR bajo condiciones
desfavorables puede:
•Permitir la conservación de energía para la defensa
•Limitar el riesgo de daño heredable
La progresión del ciclo celular está bajo control negativo por las EAO
Las plantas pueden censar, transducir y traducir las señales de las EAO
en respuestas celulares apropiadas, este proceso requiere de la
presencia de las
“PROTEÍNAS REDOX SENSIBLES”
que mantienen reversible el equilibrio oxidación/ reducción.
Las EAO pueden oxidar directamente a estas proteínas o indirectamente
a través de moléculas redox- sensibles tales como: GSH o tioredoxinas.
Se están llevando a cabo estudios genéticos y fisiológicos
Para ubicar la posición de las señales EAO
•en las vías de transducción
•y cómo estas son percibidas y transducidas
•en respuestas específicas de la vía.
En cuanto a la expresión génica regulada
por el estado redox y
su relación con las EAO,
se han descripto dos etapas principales en la activación
transcripcional de factores de transcripción eucarióticos que
parecieran estar influenciados por el equilibrio redox:
Localización nuclear
unión al ADN
El estado pro-oxidante en el citoplasma
• determinado por la relación de GSH/ GSSG
• o por EAO
Activa a factores de transcripción (similares a NF-kB),
induce su translocación al núcleo,
donde se necesita un ambiente reductor
para la apropiada unión de estos al ADN.
Mientras que a bajas concentraciones las EAO inducen
los genes de defensa y respuestas adaptativas.
A altas concentraciones
se inicia la muerte celular o apoptosis.
Para permitir este doble rol,
los niveles celulares de EAO deben ser rigurosamente
controlados.
Las numerosas fuentes de EAO
(cloroplastos, mitocondrias, peroxisomas, apoplasto)
y el complejo sistema de eliminación de oxidantes
proveen la flexibilidad necesaria para estas funciones.
Cantidades subletales de EAO aclimatan a las plantas
a condiciones de estrés biótico y abiótico
y reducen el desarrollo de las mismas,
probablemente como parte de un mecanismo de
aclimatación.
SIGNIFICADO FISIOLÓGICO DE LOS PEROXISOMAS COMO FUENTES
ADICIONALES DE MOLÉCULAS SEÑAL
Bajo condiciones fisiológicas normales,
la producción de H2O2 y O2.estaría controlada por CAT, APx y SOD
•Se sabe que CAT es inactivada por la luz y diferentes condiciones de
estrés, esto:
la síntesis de proteínas
la generación de H2O2 y O2.-
•CAT es inhibida por los radicales O2.•CAT y APx son inhibidas por NO y ONOO- produciendo
por aumento de beta- oxidación de ácidos grasos.
de H2O2,
La destrucción de las defensas antioxidantes peroxisomales se
trasladarían al citosol
crearían condiciones tóxicas en la célula vegetal
conduciendo a daño oxidativo y posiblemente a muerte celular.
La producción de EAO y NO tiene un doble efecto
•Aumento de productos con gran daño oxidativo.
•Disminución de los niveles de NO, H2O2 y O2.- que actuarían como
moléculas señal en muchos procesos fisiológicos
tales como
respuesta hipersensible a patógenos, crecimiento y desarrollo.
•Estas moléculas mensajeras son mediadoras claves
en la muerte celular programada y
• funcionarían como parte de una vía de transducción de señales
•que conduce a la inducción de la respuesta de defensa
•La función de estas moléculas señal en los PEROXISOMAS es más
relevante considerando que estas organelas proliferan durante la
senescencia
y bajo distintos estreses
(xenobióticos, ozono y metales pesados).
Se ha demostrado que H2O2 induce genes peroxisomales para su
proliferación
PAPEL EN LA SEÑALIZACIÓN CELULAR
DE
H 2 O2 y O 2 -
¿Cómo viajan las señales a través de los diferentes
compartimentos celulares?
ELEMENTOS PROTEICOS Y BIOQUÍMICA DE LOS SISTEMAS DE
SEÑALIZACIÓN DE 2 COMPONENTES
- Histidina- quinasa
- Regulador de respuesta
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