2.4 Transporte de solutos a través de membranas

2.4.1 Transporte y demanda energética
2.4.2 Transporte activo y pasivo:bombas electrogénicas, carriers, canales iónicos
2.4.3 La cinética del transporte

2.4.1 Transporte y demanda energética

Las membranas intactas son barreras efectivas al paso de iones y moléculas no cargadas. Por otro lado, ellas también son centros de selectividad y transporte contra el gradiente de concentración de los solutos. En el experimento registrado en la Tabla 2.2, por ejemplo, la concentración de potasio en la savia radical exprimida de maíz (que es aproximadamente igual a la concentración de  potasio en las vacuolas) se eleva 80 veces del valor de la solución externa. En contraste, la concentración de sodio en la savia radical exprimida permanece menor que en la solución externa. Se acepta generalmente que tal selectividad y acumulación requiere ambos, de un suministro de energía como fuerza motriz y de sitios de ligamiento específicos, carriers ó permeasas de membrana, mas probablemente proteínas como la proteína ligadora de sulfato aislada de microorganismos ó la sulfato permeasa en raíces (Sección 2.5.6). Se propuso en este proceso un acoplamiento directo del transporte selectivo de iones mediado por carriers y el consumo de fosfatos ricos en energía en forma de ATP. En este modelo se suministro ATP vía respiración (fosforilación oxidativa en la mitocondria; Sección 8.4.3) y se requirió para la activación del carrier, para el ligamiento del ión al carrier, para el transporte membranal del complejo carrier–ión, ó para  la liberación del ión del carrier en la superficie interna de la membrana.

Fisher et al (1970) fue el primero en presentar un fuerte apoyo a la participación del ATP en el transporte iónico mediado por carriers. Estudiando la toma radical de K⁺ en varias especies vegetales, estos trabajadores demostraron una estrecha relación entre la toma de K+ y la actividad ATPasa (Fig. 2.6). Además, las Mg۰ATPasas (Sección 8.5) de la membrana plasmática son fuertemente estimuladas por el K⁺, así que cuando se añaden a la solución externa iones como el K⁺, aceleran su propio transporte a través de la membrana plasmática.µ

Fig. 2.6 (A) Toma del ión potasio (influjo) y (B) actividad ATPasa (ATP → ADP + P_i) en raíces aisladas de diferentes especies vegetales. Clave: ▲, cebada; ○, avena; ■, trigo; ●, maíz. (Después de Fisher et al., 1970.)

Es considerable la demanda energética para la toma iónica radical, especialmente durante el rápido crecimiento vegetativo (Tabla 2.7). Del costo de energía respiratoria total, expresado como consumo de ATP, se requiere hasta 36% para la toma iónica. Con el incremento de edad vegetal está proporción declina a favor de la demanda de ATP para crecimiento y mantenimiento de la biomasa. Se han encontrado en principio resultados similares con el maíz.

Estos cálculos al nivel de planta entera sobre la demanda de ATP para la toma iónica radical tienen que interpretarse con cuidado respecto a la demanda energética para el transporte membranal iónico en células radicales. En primer lugar, estos cálculos incluyen la demanda energética para el transporte radial a través de las raíces y la secreción hacia el xilema (Secciones 2.7 y 2.8). En segundo lugar, una proporción relativamente grande de carbohidratos suministrada desde el vástago hacia las raíces se oxida vía la cadena de transporte de electrones mitocondrial no fosforilante (“vía alternativa”; Sección 5.3) desarrollando menos ATP sintetizado por molécula de carbohidrato oxidado. Tomando en cuenta este cambio en la vía respiratoria, se ha calculado un requerimiento de una molécula ATP por ión transportado a través de la membrana plasmática. Tales cálculos se basan en la toma neta e incluyen el requerimiento energético para la re-toma (“recuperación”) de iones desde el apoplasto radical (“costos de eflujo”) que se asumen estar en el rango de 20% de los costos de influjo. En tercer lugar, el acoplamiento directo del consumo de ATP y del transporte iónico a través de la membrana es la excepción en vez de la regla. Como se discutió antes, las ATPasas de membrana plasmática y de tonoplasto también tiene otras funciones aparte del transporte de nutrientes minerales y solutos orgánicos a través de la membrana.

2.4.2 Transporte activo y pasivo:bombas electrogénicas, carriers, canales iónicos

El transporte de solutos a través de las membranas no es necesariamente un proceso activo. Los solutos pueden estar mas concentrados en un lado de la membrana (i.e., ellos puede poseer mas energía libre) y así difundirse de una concentración mayor a una menor (ó potencial químico). Este transporte “cuesta abajo” a través de una membrana es, en términos termodinámicos, un transporte pasivo con la ayuda de carriers, a través de poros acuosos. En células, tal transporte iónico cuesta abajo a través de la membrana plasmática puede mantenerse al disminuir la actividad iónica en el citoplasma, por ejemplo, debido a la adsorción en grupos cargados (e.g., R۰COO^– ó R۰NH ) ó la incorporación en estructuras orgánicas (e.g., fosfatos en ácidos nucleicos). Esto es particularmente cierto en tejidos meristemáticos (e.g., puntas radicales).

En contraste, el transporte membranal contra el gradiente de energía potencial (“cuesta arriba”) debe enlazarse directamente ó indirectamente a un mecanismo consumidor de energía, una “bomba” de membrana. Sin embargo para determinar si un ión es transportado activamente a través de la membrana, se deben conocer ambos la actividad ó concentración del ión en cualquier lado de la membrana (i.e., el gradiente del potencial químico) y el gradiente del potencial eléctrico (i.e., diferencias en milivoltios) a través de la membrana. Por medio de microelectrodos insertados en las vacuolas, se puede medir un potencial eléctrico fuertemente negativo entre la savia celular y la solución externa (Fig. 2.7). Las primeras mediciones de esta clase se hicieron en células de algas gigantes como Chara, donde se encontró potenciales eléctricos fuertemente negativos entre -100 y -200 mV. Higinbotham et al. (1967) y Glass & Dunlop (1979) usaron el mismo método para demostrar la existencia de gradientes de potenciales eléctricos similares en células de plantas superiores.

Fig. 2.7 A . Representación esquemática del sistema para medir electropotenciales en células vegetales. B. Ejemplo del cálculo de la distribución iónica en equilibrio químico y electroquímico asumiendo un potencial de -59 mV.

Se puede calcular la concentración a cada lado de la membrana a la cual cationes y aniones están en equilibrio electroquímico ó a la que los iones en la solución externa están en equilibrio con aquellos en la vacuola de acuerdo a la ecuación de Nernst:

De acuerdo a esta ecuación, a un electropotencial negativo de -59 mV, los cationes monovalentes como el K⁺ ó aniones como el Cl^- podrían estar en equilibrio electroquímico si su concentración en la vacuola fuera 10 veces mayor (K⁺) ó 10 veces menor (Cl^-) que en la solución externa (Fig. 2.7). En cationes ó aniones divalentes la diferencia entre equilibrio químico y electroquímico difiere por un factor aún mayor al 100. En células de plantas superiores las diferencias de potencial eléctrico entre vacuolas y la solución externa son generalmente mayores a -59 mV (Tabla 2.8).De este modo, por lo general, en términos de electrofisiología, solo la toma aniónica hacia las vacuolas siempre requerirá de un proceso de transporte activo. Esto se indica en la Tabla 2.8 en las diferencias entre las concentraciones vacuolares aniónicas basadas en cálculos de acuerdo al equilibrio electroquímico y las reales concentraciones vacuolares aniónicas halladas en el experimento.

En este ejemplo, el único catión que requeriría transporte activo para su toma es el K⁺ en las raíces de avena. A baja concentración externa de K⁺, usualmente se requiere del transporte activo. Para Na⁺ y Ca²⁺ en particular, la concentración en equilibrio en la savia celular (i.e., la calculada) será mucho mayor que aquella encontrada experimentalmente en el estado estable (Tabla 2.8). Una explicación posible para esta discrepancia es que le membrana plasmática restringe fuertemente la penetración de estos iones ó que los iones son bombeados (transportados) de vuelta a la solución externa. Se ha establecido en varias especies vegetales una bomba de eflujo de Na⁺ en la membrana plasmática de células radicales. La expulsión activa de Ca²⁺ (bomba de eflujo de Ca²⁺) de la membrana plasmática también existe en células radicales. En la sección 8.6 se discute la importancia general de esta bomba de eflujo de Ca²⁺ de ambos membrana plasmática y tonoplasto para el funcionamiento celular. Ya que las concentraciones de Ca²⁺ en las soluciones de suelos son usualmente mayores a 1mм, la bomba de eflujo de Ca²⁺ tendrá un considerable requerimiento de energía para evitar el transporte de Ca²⁺ a lo largo del gradiente químico (e.g., Tabla 2.8). Es probable, por lo tanto, que factores fisicoquímicos adiciónales como el tamaño y la carga del Ca²⁺ limite fuertemente la penetración a lo largo del gradiente del potencial electroquímico a través de la membrana plasmática.

En años recientes se ha hecho un impresionante progreso en el entendimiento ambos de los mecanismos que conducen a la formación de eletropotenciales a través de las membranas y la importancia de estos potenciales para el crecimiento y funcionamiento celular. Fue posible el progreso por las nuevas técnicas que permiten la medición de potenciales de membrana y flujos iónicos en vesículas de membrana aisladas ó en secciones de membranas (técnica de patch-clamp). Algunos de los principios del transporte iónico membranal se muestran en la Fig. 2.8. Una ATPasa-H⁺ (“fuerza motriz de protones”) transporta H⁺ a través de la membrana de la superficie interna hacia la externa, por ejemplo en la membrana plasmática desde el citoplasma al apoplasto, creando por lo tanto un gradiente de pH y electropotencial. El transporte catiónico y aniónico a lo largo del gradiente es mediado cualquiera por carriers ó canales con selectividad iónica. Este modelo además toma en cuenta otra función importante de la membrana, es decir aquella de receptora de señales externas e internas (e.g., pH, concentración iónica) y la transformación de estas señales en procesos de transporte membranal.

Fig. 2.8 Mecanismos principales de transporte iónico en membranas plasmáticas. (A) ATPasa bombeadora de H⁺; (B) canal iónico; (C) carrier; (D) proteínas acopladoras para percepción y transducción de señales. (Modificado de Hedritch et al., 1986; con permiso de Trends in Biochemical Sciences.)

También un consenso general de que en plantas las bombas de protones están localizadas en ambos membrana plasmática y tonoplasto, y que su principal función es la regulación del pH en el citoplasma. Estas bombas transportan H⁺ desde el citoplasma cualquiera a través de la membrana plasmática hacia el apoplasto ó a través del tonoplasto hacia la vacuola conduciendo a las típicas diferencias del pH entre estos compartimentos. Por lo general, el pH del citoplasma (citosol) es de 7.3-7.6, el de la vacuola 4.5-5.9 y el del apoplasto cerca de 5.5. De acuerdo con esto, en células vegetales la extrusión de protones desde el citoplasma a través de la membrana plasmática y el tonoplasto es el principal proceso energizado y proporciona la fuerza motriz para los procesos de transporte energizados secundarios de cationes a lo largo del gradiente electroquímico. El funcionamiento y localización de las bombas de protones y del transporte catiónico y aniónico y aniones a través de la membrana plasmática y el tonoplasto se resumen en un modelo en la Fig. 2.9. El transporte membranal de aminoácidos y azucares sigue los mismos principios, i.e., es conducido por bombas de protones de membrana (Sección 5.4.1).

Fig. 2.9 Modelo para el funcionamiento y localización de bombas electrogénicas de protones (ATPasa, PP_iasa-H⁺), bomba redox transmembranal (NAD(P) oxidasa), canales iónicos, y transporte catiónico y aniónico a través de la membrana plasmática y tonoplasto.

En el modelo mostrado en la Fig. 2.9 la H ⁺-ATPasa de la membrana plasmática juega un rol clave en ambos la regulación del pH citoplásmico y en la fuerza motriz para la toma catiónica y aniónica. Se considera por lo tanto como la “enzima maestra”. Se ha hecho considerable progreso en el entendimiento de cómo es regulada la actividad de esta enzima, también a nivel genético. La actividad de la H ⁺-ATPasa de la membrana plasmática es particularmente alta en pelos radicales donde esta consume tanto como 25-50% del ATP celular. Por consiguiente, bajos niveles radicales de carbohidratos no solo disminuyen la extrusión neta de protones hacia el medio externo sino también disminuye el pH citosólico. La H ⁺-ATPasa de la membrana plasmática es estimulada por cationes monovalentes en el orden K⁺ > Na⁺ y es relativamente insensible a aniones. Un ejemplo de la estimulación por el K⁺ se ha dado en la Fig. 2.6. El calcio en general y la concentración de Ca²⁺ libre citosólico en particular juega un rol clave en la estimulación de esta enzima. Un incremento en el Ca²⁺ libre citosólico incrementa fuertemente la actividad de esta enzima de la membrana plasmática, presentándose la máxima estimulación ya a valores menores a 7 µm Ca²⁺ libre. La activación se logra presumiblemente por los efectos del Ca²⁺ libre sobre una proteína quinasa asociada con la superficie interna de la membrana plasmática (Sección 8.6.7).

Los cationes son transportados “cuesta abajo” a lo largo del gradiente del potencial eléctrico (alrededor de -120 a -180mV) a través de la membrana plasmática hacia el citoplasma pon un uniporte, mediado por estructuras específicas (carriers, permeasas) en la membrana (Fig. 2.9). Para el potasio (K⁺), sin embargo, a bajas concentraciones externas (<1mм) opera la alta afinidad de toma del sistema contra la diferencia del potencial electroquímico imperante (e.g., actividad exterior de 10 µm K⁺; actividad citoplásmica de ~80 mм K⁺).De este modo, se requeriría un transporte energizado de K⁺ cualquiera como antiporte K⁺-protón mediado por carriers (contratransporte) ó, mas probablemente como un simporte ó cotransporte K⁺-protón 1:1.

Para el transporte de aniones a través de la membrana plasmática opera un cotransporte protón–anión (ó simporte); usando los abruptos gradientes eléctricos (diferencia de potencial) y químicos (diferencia de pH) de los protones como fuerza motriz. Se ha presentado evidencia del cotransporte protón–anión en la membrana plasmática para cloruro, fosfato y nitrato, así como aminoácidos. Todavía no es clara la estequiometría de este cotransporte; más de un protón puede ser transportado por una carga negativa del anión,

Hay también otros enfoques sobre los mecanismos de transporte aniónico a través de la membrana plasmática. De acuerdo a Liu (1979), la toma radical de fosfato en maíz es mediada por un contratransporte OH^–/fosfato en que el transporte cuesta abajo del OH^– desde el alto potencial electroquímico en el citoplasma (alto pH y fuerte carga negativa) hacia el apoplasto está acoplado con un contratransporte de aniones fosfato al citoplasma. Sin embargo, es débil la evidencia experimental para el intercambio ó transporte del OH^– ó HCO a través de la  membrana como fuerza motriz para el transporte aniónico, ya que no están disponibles inhibidores específicos del transporte de OH^– y HCO .

Se ha establecido la existencia en el tonoplasto de dos bombas de protones funcionalmente y físicamente distintas, una H⁺-ATPasa y una pirofosfatasa inorgánica, la PP_iasa (Fig. 2.9). Ambas bombas de protones son fosfohidrolasas que usan cualquiera ATP ó pirofosfato inorgánico como fuente energética (Sección 8.4). El magnesio es esencial para ambas bombas, indicando que el Mg·ATP y el Mg·PPi son los sustratos. El pirofosfato inorgánico es generado en varias vías biosintéticas principales como en la síntesis de almidón (Sección 8.4) ó en la activación del sulfato (Sección 8.3.2). Se asume que la concentración del PP_i, en el citosol esta en el rango de 50–390 μм que es la adecuada para mover esta bomba de protones.

La contribución relativa de la PP_iasa a la actividad de bombeo total de protones en el tonoplasto parece ser menor que de la ATPasa , y ambas bombas se afectan de manera bien diferente por cationes y aniones inorgánicos (Tabla 2.9). Excepto por la esencialidad del Mg²⁺ en ambas bombas, la Mg ·ATPasa es estimulada por el cloruro e inhibida (ó no afectada) por el potasio y el nitrato mientras que lo contrario es cierto en la Mg ·PP_iasa. La Mg ·PP_iasa-H⁺ exhibe una dependencia obligatoria de presencia de K⁺ y se presenta la activación por K⁺ en la fase citoplásmica. No son claras las implicaciones de estas diferencias en la capacidad y sensibilidad de ambas bombas en la acumulación de iones en las vacuolas ó en el transporte radial de iones a través de las raíces (Sección 2.7). La diferente proporción de actividades de ambas bombas del tonoplasto radical puede estar involucrada en las diferencias genotípicas entre plantas en la translocación de cloruros hacia los vástagos (Capítulo 16).

Las bombas de protones del tonoplasto se requieren para el mantenimiento de un alto pH citosólico y simultáneamente proporcionan la fuerza motriz para el transporte catiónico hacia la vacuola como contratransporte (ó antiporte, Fig. 2.9). Este contratransporte no solo es importante por ejemplo, para la regulación del turgor (altas concentraciones vacuolares de K⁺, Sección 8.7) sino también para el mantenimiento de las bajas concentraciones citosólicas de sodio (Sección 16.6.5) y calcio (Sección 8.6). Para aniones la situación es menos clara. Mientras que se ha demostrado en células foliares de plantas con metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM, Sección 5.2.4) un cotransporte estequiométrico protón-anión malato en vacuolas, es débil la evidencia para raíces del acoplamiento de tal transporte protón-anión. El transporte aniónico desde el citoplasma hacia la vacuola puede seguir el gradiente del electropotencial el cual es menos negativo en la vacuola comparando con el citoplasma (Fig. 2.9).

Mientras que se ha establecido la existencia de dos bombas de protones del tonoplasto (ATPasa; PP_iasa) y la H ⁺-ATPasa en la membrana plasmática, todavía es materia de controversia si esta involucrado un segundo sistema de translocación de protones a través de la membrana plasmática desde el citoplasma al apoplasto en la formación y mantenimiento del electropotencial y del pH transmembranal (Fig. 2.9). Este segundo sistema está ligado a una cadena redox con el NAD(P)H como donador de electrones. Hay buena evidencia de la intervención de este sistema en el realzado crecimiento inducido por auxinas, en la actividad antimicrobiana ó en la reducción del Fe(III) en la superficie de las membranas plasmáticas radicales. Sin embargo, hasta ahora principalmente el ferrocianuro u otros compuestos artificiales tienen que ser usados como aceptores de electrones para lograr una capacidad considerable de transporte transmembranal de protones. Permanece cuestionable el rol de este sistema redox para el gradiente transmembranal de protones y el transporte iónico hasta que se encuentre un aceptor de electrones fisiológico. En vista de la efectividad del ascorbato (radical libre del ascórbico) como aceptor de electrones para la bomba redox transmembranal y las relativamente altas concentraciones de ascorbato en el apoplasto foliar, no se puede excluir un rol de este sistema en el transporte iónico y de otros solutos en la membrana plasmática foliar.

Mas recientemente, se ha establecido la existencia de canales iónicos también en membranas de las células vegetales y de este modo, los canales se incluyen en los modelos actuales de transporte iónico membranal (Fig. 2.8 y 2.9). Los canales iónicos son únicos entre las proteínas transportadoras en su habilidad para regular ó “vigilar” el flujo iónico sujeto al ambiente físico-químico de la proteína canal. Estos canales permiten rápida penetración pasiva (uniporte) de iones a través de la membrana. Los canales abiertos catalizan la penetración de 10⁶ a 10⁸ iones por segundo que es por lo menos tres ó aún cinco veces mas rápido que el transporte iónico mediado por carriers. Sin embargo, los canales de iones están cerrados la mayoría del tiempo, y su número por célula parece ser bastante pequeño. Por ejemplo se asumen en la membrana plasmática de células foliares cerca de 200 canales K⁺ por célula. Hasta ahora, se han identificado canales específicos para K⁺, Ca²⁺, H⁺ y Cl^-, y se ha postulado un canal para NO en el tonoplasto.

Hay muchas suposiciones acerca de la función de estos canales iónicos en las células vegetales. Ellos son importantes para la osmorregulación, por ejemplo en células guarda foliares y en los movimientos foliares seismonásticos y nictinásticos, i.e., en procesos donde se requiere el rápido transporte de solutos de bajo peso molecular como K⁺ ó Cl^- entre compartimentos celulares como una respuesta a señales ambientales (Sección 8.7). Los canales selectivos de Ca²⁺ en la membrana plasmática y tonoplasto que conducen al rápido incremento en la concentración del Ca²⁺ citosólico libre son considerados de clave importancia en la transducción de señales y funcionamiento del Ca²⁺ como mensajero secundario en el citoplasma al modular las actividades enzimáticas (Sección 8.6.7).

Además de estas funciones específicas de canales iónicos, no es muy claro su papel en la toma iónica, por ejemplo radical. Para la toma de cationes divalentes en general y de Ca²⁺ en particular, la apertura de los canales facilita el rápido influjo al citoplasma de las células radicales Para la toma de K⁺ se propone un canal rectificante de entrada el cual se abre por la hiperpolarización de la membrana plasmática y facilitaría el influjo de K⁺ en presencia de altas concentraciones externas (>1mм K⁺). Otro canal de alta conductancia en la membrana plasmática de células radicales sería permeable para cationes ambos monovalentes y divalentes, abierto en la despolarización (i.e., caída en el potencial de membrana) y permite el rápido influjo de cationes como el Ca²⁺ pero facilita el rápido eflujo de K⁺ a lo largo del gradiente del potencial electroquímico (canal de K⁺rectificante de salida) a bajas (<1mм) concentraciones externas de K⁺.De este modo, los canales catiónicos en la membrana plasmática de las células radicales presumiblemente juegan una parte importante en la toma de cationes divalentes aún a bajas concentraciones externas pero para cationes monovalentes y el K⁺ en particular solo a altas concentraciones.

Aunque los canales en membranas permiten flujos rápidos y pasivos de solutos, las dimensiones de estos canales no son aptas para la penetración de macromoléculas. No obstante, las células vegetales también toman macromoléculas como proteínas (e.g., insulina) ó partículas de ferritina (Sección 8.4.5). Más probablemente, la endocitosis (pinocitosis) es el mecanismo responsable en el cual las vesículas de la membrana plasmática median la penetración. Interesantemente, la toma de insulina en células vegetales vía endocitosis requiere un acoplamiento de la proteína con la vitamina biotina. Esta capacidad de toma de macromoléculas refleja las propiedades dinámicas de las estructuras membranales (Sección 2.4.1). No debe sobreestimarse la importancia de esta capacidad de toma en plantas, sin embargo, ya que los poros en las paredes celulares limitan fuertemente la penetración de macromoléculas (Sección 2.2.1).

2.4.3 La cinética del transporte

Por lo general la toma iónica por células y raíces vegetales tiene características de cinética de saturación. Esto concuerda con la suposición de control, como por ejemplo por el número de centros de ligamiento iónico (carriers, permeasas), ó por la capacidad de las bombas de eflujo de protones, en la membrana plasmática y tonoplasto (Sección 2.4.2). El trabajo pionero de Emmanuel Epstein y su grupo a inicio de 1950 contribuyo fundamentalmente al mejor entendimiento de la toma iónica y su regulación en plantas con respecto a la cinética del transporte iónico a través de membranas de células vegetales equivalente formalmente a la relación entre un enzima y su substrato usando términos de enzimología (Fig. 2.10). Al comparar un carrier con una molécula enzimática y el ión al sustrato para la enzima, la tasa de transporte de un ión depende de los siguientes dos factores:

V_max     Un factor de capacidad que denota la tasa máxima de transporte cuando se cargan todos los centros disponibles del carrier, es decir, la tasa máxima de transporte.

K_m       La constante de Michaelis, equivalente a la concentración del ión sustrato dada la mitad de la tasa máxima de transporte.

Fig. 2.10 Tasa de toma de K⁺ (v) en función de la concentración externa de KCl (○) ó K₂SO₄ (∆); K_m = 0.023 mм). (Después de Epstein, 1972)

Cuando el rango de concentración es bajo, la toma frecuentemente es bien descrita por la cinética de Michaelis-Menten, como se mostró en un ejemplo en la Fig. 2.10 para la toma radical de potasio en cebada. Es evidente de esta Figura que la isoterma de la toma de potasio es la misma si la fuente de potasio es KCl ó K₂SO₄. Como veremos después, sin embargo, cuando las concentraciones del sustrato son mayores, el anión acompañante tiene efecto en la tasa de toma del catión y viceversa. El valor K_m refleja la afinidad de los centros del carrier por el ión, justo como en reacciones enzimáticas donde este indica la afinidad de la enzima por el sustrato.

Como primera aproximación al rango de baja concentración, la cinética de Michaelis-Menten también puede emplearse para describir tasas de toma del sulfato y fosfato. Sin embargo, como resumió Jensen et al. (1987), y demostrado en unos pocos ejemplos citados abajo, es muy limitada la aplicación formal de la cinética de Michaelis-Menten por razones teóricas (Sección 2.4.2) y frecuentemente no concuerda con los resultados experimentales.

El concepto original de un mecanismo de transporte iónico mediado por un solo carrier (un sistema carrier para cada ión) no describe suficientemente la cinética de la toma cuando se probaron amplios rangos de concentraciones. A concentraciones de K⁺ por encima de 1mм, por ejemplo, la cinética difiere considerablemente de aquella a menores concentraciones. La selectividad de los centros de ligamiento es menor (el Na⁺ compite con el K⁺) y el anión acompañante tiene un efecto sobre la tasa de toma (Sección 2.5.5). Estas diferencias conducen a la hipótesis de un sistema dual, el Sistema I con mayor selectividad y el Sistema II con menor selectividad, localizados cualquiera en la misma ó en diferentes membranas (i.e., membrana plasmática, tonoplasto, respectivamente). Para mas detalles ver Epstein (1972).

Las desviaciones en la isoterma de la toma, cuando se considera para un amplio rango de concentración, especialmente a altas concentraciones externas fueron interpretadas como indicadores de sistemas carriers “multifasicos” ó como inhibición alostérica (retroregulación negativa) de los centros del carrier a altas concentraciones celulares. En vista de usualmente muy bajas concentraciones en la solución del suelo particularmente de fósforo y potasio (Sección 13.2.2), y de los resultados de estudios en toma iónica en el rango de baja concentración (<10 μм) se introdujo el termino (C_min) definiendo la concentración a la cual la toma iónica neta cesa antes que se agoten completamente los iones (Fig. 2.11). La concentración C_min es un factor importante en la toma iónica del suelo, debido a que es la menor concentración a la cual las raíces pueden extraer un ión de la solución del suelo (Sección 13.2). Las concentraciones C_min difieren considerablemente entre especies vegetales. Para fósforo, se encontró por ejemplo un valor de 0.12 μм en tomate, 0.04 μм en soya y 0.01 μм en ryegrass. Para potasio, los valores correspondientes fueron 2 μм en maíz y 1 μм en cebada. Las concentraciones C_min para nitrato pueden variar entre más de 50 μм y menos de 1 μм  dependiendo no solo de la especie vegetal sino también de las condiciones ambientales; para amonio las concentraciones C_min disminuyen desde 30 a 1.5 μм como la temperatura de la zona radical aumente.

Fig. 2.11 Presentación esquemática de las relaciones entre la tasa de toma (influjo neto = I) iónica y su concentración externa; C_min = toma neta cero (influjo = eflujo).

A fin de interpretar la cinética de la toma iónica radical vegetal, al usar la ecuación de Michaelis-Menten no solo se introdujo el término C_min sino también el termino I para influjo el cual reemplaza velocidad (v) (Fig. 2.11). Sin embargo, muy frecuentemente solo se determina la toma neta iónica que es resultante del influjo y eflujo. Particularmente a bajas concentraciones externas el eflujo puede volverse similar en magnitud al influjo y de este modo ser un componente importante al determinar la toma neta como se muestra en la Tabla 2.10 para fósforo. A una concentración externa dada, el eflujo de fósforo así mismo es 5-8 veces mayor en raíces de plantas suficientes en fósforo comparando con plantas deficientes en fósforo. De acuerdo con esto, las concentraciones C_min son de 0.34 μм en plantas suficientes en fósforo y 0.08 μ μм en plantas deficientes en fósforo.

El eflujo de iones y otros solutos no solo es afectado por el electropotencial transmembranal y la integridad de la membrana plasmática sino también por la concentración y actividad de los respectivos iones en el citoplasma. En arveja, por ejemplo, la alta toma neta de sulfato en raíces deficientes en azufre cae cerca del 30% en 1 h debido a un marcado aumento en el eflujo de sulfatos, a pesar de aún un ligero incremento en el influjo. Para nitrato y amonio también el componente eflujo puede explicar la alta proporción –casi 40-50% de influjo – relacionado muy probablemente con las altas concentraciones de nitrato y amonio en el citoplasma. El rápido intercambio iónico entre la solución externa y el citoplasma se refleja en el tiempo medio para el intercambio (t_1/2) que para sulfato está en el rango de 10-20 min. y para nitrato entre 4 y 107 min. Estas tasas de intercambio con el pool citoplásmico son usualmente órdenes de magnitud superiores que las tasas de intercambio iónico en la vacuola (e.g., alrededor de 700h para nitrato). Debido a ambos las altas tasas de intercambio y el pequeño volumen del compartimiento citoplásmico (~5% del volumen celular total en células diferenciadas), el rol del eflujo en la toma neta solo puede medirse en estudios a corto plazo, usualmente con radioisótopos (e.g., ¹³N; ³²P). En vista de los actuales modelos sobre estructura y funcionamiento de la membrana plasmática (Fig. 2.9), las relativamente altas tasas de eflujo iónico pueden estar relacionadas con cualquiera canales iónicos ó transporte mediado por protones desde el citoplasma al apoplasto por cotransporte (aniones) ó contratransporte (cationes).

Estos parámetros de la cinética de la toma de iones también son fuertemente afectados por el estado nutricional vegetal. Esto es cierto no solo para C_min sino también para K_m y particularmente para I_max. Se da un ejemplo en la Tabla 2.11 para fósforo. Con el creciente contenido de fósforo en plantas, disminuyen ligeramente el K_m y rápidamente el I_max, indicando una retroregulación efectiva. Ya que en este experimento los valores I_max se basan en la toma neta, no se puede evaluar el aporte del aumentado eflujo con las mayores concentraciones internas de fósforo. Al menos para nitrato, sin embargo, las mediciones del influjo indican claramente que además del eflujo contribuyen otros mecanismos para el descenso en la toma neta cuando las concentraciones internas son altas. En raíces de cebada con crecientes concentraciones internas de nitrato disminuyen ambos I_max y K_m por un factor de 4–5, indicando una retroregulación efectiva del componente influjo.