2.2 Vía de los solutos desde la solución externa hacia las células

El movimiento de solutos de bajo peso molecular (e.g., iones, ácidos orgánicos, aminoácidos, azucares) desde la solución externa hacia las paredes celulares de células individuales ó raíces (el espacio libre) es un proceso no metabólico, pasivo, conducido por difusión ó flujo másico (Fig. 2.1). No obstante, las paredes celulares pueden interactuar con los solutos y así pueden facilitar ó limitar el ulterior movimiento a los centros de toma de la membrana plasmática de células individuales ó raíces.

Fig. 2.1 Sección transversal de dos células rizodérmicas en una raíz de maíz. V, vacuola; C, citoplasma; W, pared celular; E, solución externa. (Cortesía de C. Hecht-Buchholz)

Las paredes celulares primarias consisten de una red de celulosa, hemicelulosa, (incluyendo pectinas) y glicoproteínas, las ultimas pueden representar entre 5% y 10% del peso seco de las paredes celulares. Esta red contiene poros, los llamados espacios intermicelares e interfibrilares, que difieren en tamaño. Se ha calculado para células de pelos radicales de rábano un diámetro máximo de 3.5 – 3.8 nm (35-38 Å); los valores máximos para poros en paredes celulares vegetales están en el rango de 5.0 nm. En comparación, los iones hidratados como K⁺ y Ca²⁺ como se muestra abajo son pequeños estando en el orden de solo 10 – 20% del tamaño del poro de la pared celular. No se espera que los poros por ellos mismos ofrezcan restricción al movimiento de iones en el espacio libre.

En contraste a los nutrientes minerales y solutos orgánicos de bajo peso molecular, los solutos de alto peso molecular (e.g., quelatos metálicos, ácidos fúlvicos, y toxinas) ó virus y otros patógenos son cualquiera severamente limitados ó evitados por el diámetro de los poros de entrar al espacio libre de la células radicales.

En esta red, una proporción variable de pectinas consisten de ácido poligalacturónico originado principalmente de la lamela media. Por consiguiente ambos en raíces y en el continuo de pared celular de otros tejidos vegetales, el llamado apoplasto, los grupos carboxílicos (R۰COO^─) actúan como intercambiadores catiónicos. Por lo tanto en las raíces, los cationes de la solución externa pueden acumularse en un paso no metabólico en el espacio libre, mientras que los aniones son “repelidos” (Fig. 2.2) .

Fig. 2.2 Diagrama esquemático del sistema de poros del espacio libre aparente. DFS, espacio libre de Donan; WFS, espacio libre acuoso.

Debido a que estas cargas negativas el apoplasto no proporcionan un espacio libre para el movimiento de solutos cargados, Hope & Stevens (1952) introdujeron los términos espacio libre aparente (AFS). Este comprende el espacio libre acuoso (WFS), el cual es fácilmente asequible a iones y moléculas cargadas y no cargadas, y el espacio libre de Donnan (DFS), donde sucede el intercambio catiónico y la repulsión aniónica (Fig. 2.2) La distribución iónica dentro del DFS se caracteriza por la típica distribución de Donnan que se presenta en suelos en superficies de partículas de arcilla cargadas negativamente. Por lo tanto los cationes divalentes como Ca²⁺ son enlazados preferentemente a estos centros de intercambio catiónico. Las especies vegetales difieren considerablemente en su capacidad de intercambio catiónico (CEC), esto es, en el número de centros de intercambio catiónico (aniones fijados; R۰COO^─), localizados en paredes celulares, como se muestra en la Tabla 2.3.

Por lo general, la CEC de especies dicotiledóneas es mucho mayor que en especies monocotiledóneas. La CEC efectiva disminuye como el pH externo caiga, y es usualmente mucho menor en raíces intactas que los valores mostrados en la Tabla 2.3. Debido a limitaciones espaciales (banda de Caspari y exodermis, Sección 2.5.1) solo son accesibles directamente parte de los centros de intercambio del AFS a los cationes de la solución externa. No obstante, las diferencias mostradas son típicas de las que existen entre especies vegetales.

La adsorción de intercambio en el AFS del apoplasto no es un paso esencial para la toma ó transporte iónico a través de la membrana plasmática hacia el citoplasma. No obstante, el ligamiento preferencial de cationes di- y polivalentes aumenta la concentración de estos cationes en el apoplasto de las raíces y de este modo en la cercanía de los centros de toma activa de la membrana plasmática. Como resultado de este efecto indirecto, se puede observar una correlación positiva entre la CEC y la relación Ca²⁺ a K⁺ en contenido en diferentes especies vegetales. La competencia efectiva entre H⁺ ó especies de aluminio mono- y polivalentes ó ambas con el magnesio por sitios de ligamiento en el apoplasto radical es obviamente un factor principal responsable de la depresión en la toma de magnesio y la aparición de deficiencia de magnesio en especies anuales y árboles forestales cultivados en suelos minerales ácidos (Sección 16.3).

La importancia del ligamiento catiónico en el AFS para la toma y subsiguiente transporte al vástago también es indicada por experimentos con las mismas especies vegetales pero con diferentes formas de ligamiento de un catión divalente como el zinc (Tabla 2.4). Cuando el zinc es suplido en forma de sal inorgánica (i.e., Zn²⁺ libre), el contenido de zinc no solo radical sino también caulinar es varias veces mayor que cuando el zinc es suplido como quelato (ZnEDTA), esto es, sin un ligamiento sustancial del soluto en el AFS. Además, puede contribuir la restringida permeabilidad del zinc quelatado en los poros del AFS. Usando estas diferencias en la tasa de toma entre cationes metálicos como Zn²⁺ (y también Cu²⁺ y Mn²⁺) y sus complejos con quelantes sintéticos en las llamadas soluciones quelatadas-tamponadas se pueden hacer cálculos de la concentración de cationes metálicos libres en la solución externa requerida para el crecimiento vegetal óptimo. De acuerdo a estos cálculos, concentraciones externas extremadamente bajas en la membrana plasmática de células corticales radicales parecen ser adecuadas para satisfacer la demanda vegetal de estos micronutrientes catiónicos (Sección 2.5.4).

Con cationes metales pesados en particular, el ligamiento en el apoplasto puede ser bastante específico. El cobre, por ejemplo, puede ser enlazado en la pared celular en forma no iónica (ligamiento coordinado) a grupos con nitrógeno cualquiera de glicoproteínas ó proteínas de ectoenzimas, como fosfatasas ó peroxidasas. Este ligamiento catiónico en el apoplasto puede contribuir significativamente al contenido catiónico radical total, como se mostró en estudios de toma de cationes polivalentes como el cobre, zinc y hierro. También se demuestra por los datos en la Tabla 2.4. Por lo tanto cuando se suple en formas no quelatadas, los altos contenidos radicales de cationes polivalentes comparando con el caulinar no necesariamente refleja la inmovilización en el citoplasma ó vacuolas sino que pueden resultar del ligamiento preferencial en el apoplasto del cortex radical.

El apoplasto radical puede también servir como un pool transitorio de reserva para metales pesados como hierro y zinc que pueden ser movilizados, por ejemplo por exudados radicales específicos como los fitosideróforos, y ulteriormente translocados a los vástagos. El tamaño de este pool de almacenamiento para hierro probablemente juegue un rol en las diferencias genotípicas sobre la sensibilidad a la deficiencia de hierro en soya. Por otro lado, puede limitarse la excesiva toma de calcio por precipitación como oxalato de calcio en las paredes celulares del cortex.

2.2.2 Paso al citoplasma y vacuola

A pesar de la poca selectividad en el ligamiento catiónico en la pared celular (Sección 2.1.1), los principales centros de selectividad en la toma catiónica y aniónica así como de solutos en general están localizados en la membrana plasmática de células individuales. La membrana plasmática es una barrera efectiva contra la difusión de solutos cualquiera desde el apoplasto hacia el citoplasma (influjo) ó desde el citoplasma hacia el apoplasto y solución externa (eflujo). La membrana plasmática es también el principal centro de transporte activo en cualquier dirección. La otra barrera principal a la difusión es el tonoplasto (membrana vacuolar). En la mayoría de células vegetales maduras la vacuola comprende mas del 80-90% del volumen celular (Fig. 2.1) actuando como compartimiento central de almacenamiento para iones, también para otros solutos (e.g., azucares, metabolitos secundarios).

Puede demostrarse fácilmente que la membrana plasmática y el tonoplasto funcionan como barreras efectivas a la difusión e intercambio iónico, como se muestra por ejemplo, K⁺ y Ca²⁺ (Fig. 2.3). La mayoría del Ca²⁺ (⁴⁵Ca) tomado dentro de 30 min. (influjo) es todavía fácilmente intercambiable (eflujo) y está seguramente localizado en el AFS. En contraste solo una fracción mínima del K⁺ (⁴²K) es fácilmente intercambiable dentro de este periodo de 30 min, siendo la mayoría del K⁺ ya transportado a través de membranas hacia el citoplasma y vacuolas (“espacio interno”).

Fig. 2.3 Curso de tiempo de influjo (I) y eflujo (E) de ⁴⁵Ca y ⁴²K en raíces aisladas de cebada. Después de 30 min. (flecha) algunas de las raíces se transfirieron a soluciones con Ca²⁺ y K⁺ no marcado. Se calculo la proporción de fracción intercambiable en el espacio libre aparente al extrapolar a tiempo cero (x).

Aunque la membrana plasmática y el tonoplasto son las principales biomembranas directamente involucradas en la toma y transporte radical de solutos, debe tenerse en cuente que la compartimentación por biomembranas es un prerrequisito general para sistemas vivos. Por lo tanto el transporte de solutos hacia organelos como mitocondria y cloroplastos también debe ser regulado por membranas que separan estos organelos del citoplasma circundante. Un ejemplo del transporte de solutos a través de la membrana externa del cloroplasto es dado en la Sección 8.4 para fósforo y azucares.

La capacidad de las biomembranas para el transporte de solutos y su regulación esta estrechamente relacionada con su composición química y estructura molecular. Antes de que los mecanismos de transporte de solutos a través de las membranas sean discutidos en mayor detalle (Secciones 2.4 y 2.5), es apropiado por lo tanto considerar algunos aspectos fundamentales de la composición y estructuras de las biomembranas.

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