8.5 Magnesio

8.5.1 General
8.5.2 Forma de ligamiento y compartimentación
8.5.3 Síntesis de clorofila y proteínas
8.5.4 Activación enzimática, fosforilación, y fotosíntesis
8.5.5 Particionamiento de carbohidratos
8.5.6 Suministro de magnesio, crecimiento vegetal y composición
 

8.5.1 General

El magnesio es un pequeño catión divalente con un radio iónico hidratado de 0.428 nm y una muy alta energía de hidratación de 1908 J mol^-1. Su tasa de toma puede ser fuertemente deprimida por otros cationes, como el K⁺, NH , Ca²⁺ y Mn²⁺, así como por H⁺, es decir, por bajo pH (Capitulo 2). De este modo es bien generalizada la deficiencia de magnesio  inducida por la competencia de cationes (Sección 8.5.6). 

Las funciones del magnesio en las plantas están principalmente relacionadas a su capacidad de interactuar con ligandos fuertemente nucleofílicos (e.g., grupos fosforilo) mediante la formación de enlaces iónicos, y al actuar como elemento puente y/ó formar complejos de diferentes estabilidades. Aunque la mayoría de enlaces que involucran el magnesio son principalmente iónicos, algunos son principalmente covalentes, como en la molécula de clorofila. El magnesio forma complejos ternarios con enzimas en donde se requieren cationes puentes para el establecimiento de una geometría precisa entre la enzima y el sustrato, la RuBP carboxilasa es un ejemplo. Una considerable proporción del magnesio total está involucrado en la regulación del pH celular y del balance catión–anión.

8.5.2 Forma de ligamiento y compartimentación

En hojas fotosinteticamente activas la principal función del magnesio, y ciertamente su función más familiar, es su rol como átomo central de la molécula clorofila (Fig. 5.1). La proporción de magnesio total enlazado a la clorofila depende mucho del suministro de magnesio. En trébol subterráneo, la proporción va de 6% en hojas de plantas con alto suministro de magnesio a 35% en hojas de plantas deficientes en magnesio. Bajo bajas condiciones lumínicas la proporción de magnesio total enlazado en la clorofila puede aún ser superior al 50%, por ejemplo en álamo deficiente en magnesio. Se muestra en la Tabla 8.18 un ejemplo de tal rango. Dependiendo del estado nutricional del magnesio, entre el 6% y 25% del magnesio total es enlazado a la clorofila. Por lo general, otro 5-10% del magnesio total en hojas y acículas esta firmemente enlazado al pectato en las paredes celulares ó precipitado como sales escasamente solubles en la vacuola (e.g., como fosfato), y el 60 – 90% remanente es extraíble con agua. En la mayoría de casos, se deprime el crecimiento y cuando la proporción del magnesio en clorofila excede 20–25% se presentan síntomas visuales de deficiencia de magnesio.

En células de tejido foliar maduro, ~15% del volumen celular total es ocupado por los cloroplastos, el citoplasma y la pared celular (~5% cada uno), y el 85% remanente por la vacuola. Similarmente al fósforo inorgánico (P_i, Sección 8.4.4), la concentración de magnesio que no está firmemente enlazado en estructuras orgánicas sino que está localizado en el “pool metabólico” también tiene que ser estrictamente regulada. La concentración de magnesio en el pool metabólico de las células foliares (i.e., en el citoplasma y cloroplastos) se asume que esta en el rango de 2–10 mм. Como al P_i, para el magnesio la vacuola también es el principal pool de almacenamiento requerido para el mantenimiento de la homeostasis del magnesio en el “pool metabólico”. En acículas suficientes en magnesio del pícea de Noruega las concentraciones de magnesio en las vacuolas están en el rango de 13–17 mм en las células del mesófilo y de 16–120 mм en las células de la endodermis. Estas altas concentraciones en las células de endodermis obviamente funcionan como un buffer en el mantenimiento de la homeostasis del magnesio en otras células a lo largo de la estación. Además, el magnesio vacuolar es también importante para el balance catión–anión y la regulación del turgor celular.

Además en el “pool metabólico” tiene que ser bien regulada la distribución del magnesio entre el citosol y el cloroplasto. En cloroplastos aislados, la fotosíntesis es fuertemente inhibida aun por magnesio 5 mм en la solución externa (i.e., lado citosólico). Esta inhibición es causada por una disminución en el influjo de potasio y la correspondiente acidificación del estroma bajo iluminación (Sección 8.7.7). La inhibición de la fotosíntesis por las altas concentraciones de magnesio en el “pool metabólico” puede presentarse en plantas intactas bajo estrés hídrico (Sección 8.5.6).

8.5.3 Síntesis de clorofila y proteínas

La  síntesis de clorofila y hemo comparten una vía común al nivel de protoclorofila (Fig. 9.1). La inserción del magnesio en la estructura de porfirina como el primer paso de biosíntesis de la clorofila es catalizada por la magnesio-quelatasa. Para la  activación, esta enzima  también requiere ATP y, de este modo, más magnesio (Sección 8.5.4). El rompimiento de la clorofila requiere de dos enzimas: una magnesio–dequelatasa que conduce a la feofitina, y una clorofilasa para defitolización de la porfirina. 

El magnesio tiene también una función esencial como elemento puente en la agregación de subunidades ribosómicas, un proceso que es necesario para la síntesis proteica. Cuando el  nivel de magnesio libre (Mg²⁺) es deficiente, ó en la presencia de niveles excesivos de K⁺, las subunidades se disocian y la cesa síntesis proteica. El magnesio también es requerido por las RNA polimerasas y por lo tanto en la formación de RNA en el núcleo. Este último rol puede estar relacionado ambos como puente entre hebras individuales de DNA y en la neutralización de las proteínas ácidas de la matriz nuclear.

Como se muestra en la Fig. 8.22, la síntesis neta de RNA se detiene inmediatamente en respuesta a la deficiencia de magnesio, y la síntesis rápidamente se reanuda después de la adición de magnesio. En contraste, la síntesis de proteínas permanece sin alterarse por más de 5h, pero después de esto declina rápidamente. El requerimiento de magnesio en la síntesis proteica puede también ser demostrado directamente en los cloroplastos (Tabla 8.19). Como magnesio libre (Mg²⁺) penetra rápidamente la envoltura del cloroplasto (canales de Mg²⁺?), se requiere una concentración de por lo menos 0.25–0.40 mм Mg²⁺  en el lado citosólico para prevenir el eflujo neto de Mg²⁺ desde el cloroplasto y, de este modo, mantener la síntesis proteica.

Fig. 8.22 Efecto del suministro de magnesio sobre la síntesis de (A) RNA y (B) proteica en cultivo en suspensión de Chlorella pyrenoidosa. (En base a Gallin, 1963.)

En células foliares por lo menos el 25% de la proteína total está localizada en los cloroplastos. Esto explica porque una deficiencia de magnesio afecta particularmente el tamaño, estructura, y función de los cloroplastos, incluyendo la transferencia de electrones en el fotosistema II. En plantas deficientes en magnesio se realza la retranslocación desde hojas maduras a jóvenes y, de este modo, los síntomas visuales de deficiencia aparecen típicamente en las hojas maduras, indicando realzadas tasas de degradación proteica, incluyendo proteínas estructurales de los tilacoides. Esto también explica por que en plantas deficientes en magnesio frecuentemente se afectan otros pigmentos de plastidios en la misma forma que la clorofila (Tabla 8.20). Independiente del deterioro de los pigmentos del cloroplasto, se acumula almidón en los cloroplastos deficientes en magnesio y esto es principalmente responsable del incremento en el contenido de materia seca en hojas deficientes en magnesio (Tabla 8.20). La deteriorada exportación de fotosintatos es otro efecto causal que conduce al realce en la degradación de la clorofila en hojas fuente deficientes en magnesio (Sección 8.5.5). 

8.5.4 Activación enzimática, fosforilación, y fotosíntesis

Hay una larga lista de enzimas y reacciones enzimáticas que requieren ó son fuertemente promovidas por el magnesio, por ejemplo, la glutatión sintetasa (Sección 8.3.3) ó la PEP carboxilasa. Para esta ultima enzima en presencia del magnesio, el sustrato fosfoenolpiruvato (PEP) es enlazado en mayores cantidades y más fuertemente. La mayoría de reacciones dependientes de magnesio pueden ser clasificadas por el tipo general de reacción que ellas conforman, como la transferencia de fosfatos (e.g., fosfatasas y ATPasas) ó de grupos carboxilo (e.g., carboxilasas). En estas reacciones el magnesio es preferentemente enlazado al nitrógeno y a grupos fosforilo y este es también, por ejemplo, el caso con ATP:

El sustrato para ATPasas, así como para PP_iasas inorgánicas, es el Mg·ATP en vez del ATP libre. El complejo Mg·ATP es formado con razonable estabilidad encima de pH 6, y este complejo puede ser utilizado por los centros activos de las ATPasas para la transferencia de grupos fosforilo ricos en energía. Un ejemplo del requerimiento de Mg²⁺ de las ATPasas de membrana es mostrado en la Fig. 8.23. Es evidente que el Mg·ATP en vez del ATP es el sustrato para las ATPasas de membrana plasmática en raíces de maíz. La máxima actividad requiere de la presencia de ambos Mg²⁺ y K⁺. Por lo tanto, la concentración de Mg²⁺ libre afecta fuertemente las reacciones de fosforilación. En células meristemáticas de raíces suficientes en magnesio cerca del 90% del ATP citoplásmico es complejado al magnesio y la concentración de Mg²⁺ libre es solo 0.4 mм comparando con las concentraciones de magnesio total de 3.9 mм en el tejido.

También la síntesis de ATP (fosforilación: ADP + P_i → ATP) tiene un requerimiento absoluto de magnesio como componente puente entre el ADP y la enzima. Como se muestra en la Tabla 8.21 la síntesis de ATP en cloroplastos aislados (fotofosforilación, Sección 5.2.1) se incrementa considerablemente mediante el suministro externo de magnesio. Debido a que el contenido endógeno de magnesio en los cloroplastos es todavía relativamente alto aún en el control (sin cationes añadidos), el suministro de magnesio adicional solo puede estimular posteriormente la fotofosforilación. La adición de Ca²⁺ inhibe severamente la fotofosforilación. Es también por esta razón, que tiene también que ser mantenida una baja concentración de calcio in vivo dentro de los cloroplastos en los centros de fotofosforilación (Sección 8.6.7).

Fig. 8.23 Efecto del pH, magnesio (3mм), y potasio (50 mм) en la actividad ATPasa de la membrana plasmática de raíces de maíz. (En base a Leonard & Hotchkiss, 1976).

 Otra reacción clave del magnesio es la modulación de la RuBP carboxilasa en el estroma de los cloroplastos. La actividad de esta enzima es altamente dependiente de ambos magnesio y pH (Fig. 8.24A). El ligamiento del magnesio a la enzima incrementa su afinidad (K_m) por el sustrato CO₂ y la tasa de recambio V_max. El magnesio también cambia el pH óptimo de la reacción hacia el rango fisiológico (debajo de 8). En cloroplastos la activación de la RuBP carboxilasa provocada por la luz está relacionada con los incrementos ambos en el pH y en la concentración de magnesio en el estroma. Bajo iluminación, los protones son bombeados del estroma hacia el espacio intratilacoidal, creando un gradiente de protones requerido para la síntesis de ATP (Fig. 8.24B; Sección 5.2.1). El transporte de protones inducido por la luz desde el estroma es contrarestado por el transporte de Mg²⁺ (y H⁺) desde el espacio intratilacoidal al estroma que se vuelve mas alcalino, en cloroplastos foliares de cebada el pH del estroma puede incrementarse desde 7.6 en la oscuridad a 8.0 en la luz. Esta reacción provocada por la luz aumenta la concentración del magnesio en el estroma desde ~2mм en la oscuridad a ~4mм en la luz. Los cambios de esta magnitud en ambos pH y concentración de magnesio son suficientes para incrementar la actividad de la RuBP carboxilasa y de otras enzimas del estroma que dependen de altas concentraciones del magnesio y que tienen un pH óptimo encima de 6.

Fig. 8.24 A. Activación por magnesio de la ribulosa-1,5-bifosfato (Rubí) carboxilasa en hojas de espinaca (Modificado a partir de Sugiyama et al., 1969). B. Modelo para el transporte de magnesio inducido por la luz desde el espacio intratilacoidal al estroma de los cloroplastos con la subsiguiente activación de la RuBP carboxilasa/oxigenasa.

Una de las enzimas clave que tiene un alto requerimiento de magnesio y alto pH óptimo es la fructosa-1,6-bifosfatasa que, en los cloroplastos, regula el particionamiento de los asimilados entre la síntesis de almidón y la exportación de triosas fosfatos. Otra enzima clave con requerimiento similar de magnesio es la glutamina sintetasa. Un incremento inducido por la luz en la reducción de nitrito y de este modo en la producción de NH₃ requiere un incremento simultáneo en la actividad de enzimas como la glutamina sintetasa que regula la asimilación del amonio en los cloroplastos. De este modo, el modelo de regulación para la fijación y reducción del CO₂  (Fig. 8.24B) se mantiene cierto, en principio, para la reducción del nitrito y asimilación del amoniaco. 

8.5.5 Particionamiento de carbohidratos

La acumulación de carbohidratos no estructurales (almidón, azucares) es una característica típica en hojas fuente en plantas deficientes en magnesio (Tabla 8.22) y es responsable principalmente del superior contenido de materia seca en estas hojas (Tabla 8.20), indicando que la fotosíntesis per se es menos deteriorada que la degradación del almidón en los cloroplastos, que el metabolismo de los azucares en las células y/ó la carga de sacarosa en el floema. La acumulación de almidón también es encontrada en hojas deficientes de fósforo pero está asociada con el alto contenido de clorofila de las hojas (Tablas 8.17 y 8.22). La acumulación de carbohidratos en hojas fuente en plantas deficientes en magnesio, por ejemplo, en Phaseolus vulgaris, esta correlacionada con una notable disminución en el contenido de carbohidratos en las demandas como las vainas y raíces (Tabla 8.22). La limitación por suministro de carbohidratos a las raíces deteriora fuertemente el crecimiento radical e incrementa la relación peso seco vástago–raíz, esto es justo lo opuesto de lo que se observa bajo deficiencia de fósforo (Tabla 8.22).

Muy probablemente la inhibición de la carga de sacarosa en el floema en hojas fuente deficientes en magnesio es responsable del cambio en el particionamiento de los carbohidratos. En la Sección 5.4 se discutió el rol clave de la ATPasa bombeadora de protones en la carga de sacarosa en el floema (cotransporte protón–sacarosa). Para la actividad optima esta enzima parece requerir una concentración de magnesio de 2 mм, y en hojas deficientes la concentración de magnesio es muy probablemente mucho menor en el “pool metabólico” en general y en la membrana plasmática de las células del tubo criboso en particular. De acuerdo con esta suposición, la carga de sacarosa en el floema puede ser restaurada un día después del resuministro de magnesio a las plantas deficientes. En acículas de coníferas deficientes en magnesio la acumulación de almidón parece ser el resultado no solo de la inhibida carga del floema sino también de la destrucción del floema.

La acumulación de fotosintatos en las hojas ejerce una retroregulación en la RuBP carboxilasa/oxigenasa a favor de la reacción oxigenasa y, de este modo, realza la activación del O₂ (Sección 5.2). Por consiguiente, en hojas deficientes en magnesio se realza la formación de radicales superóxido (O ) y peróxido de hidrogeno (H₂O₂) y, en respuesta a esto, el contenido de antioxidantes como ascorbato, y la actividad de enzimas detoxificantes de radicales superóxido y H₂O₂ (Tabla 8.23). Las hojas y acículas deficientes en magnesio son por lo tanto altamente fotosensibles, y los síntomas de clorosis y necrosis se incrementan fuertemente con la intensidad lumínica a la cual las hojas sean expuestas (Fig. 5.3).

8.5.6 Suministro de magnesio, crecimiento vegetal y composición

El requerimiento de magnesio para el óptimo crecimiento vegetal está en el rango de 0.15–0.35% del peso seco de las partes vegetativas. La clorosis en hojas completamente expandidas es el síntoma visible obvio de deficiencia de magnesio. De acuerdo con la función del magnesio en la síntesis proteica, se deprime la proporción de nitrógeno proteico y se incrementa la de nitrógeno no proteico en hojas deficientes en magnesio. Calculada en base a ambas unidad de área foliar y unidad de clorofila, la tasa de fotosíntesis es inferior en hojas de plantas deficientes en magnesio (retroregulación negativa) y se acumulan  carbohidratos. La aparición de síntomas ligeros y transitorios de deficiencia de magnesio durante la etapa de crecimiento vegetativo, sin embargo, no esta necesariamente asociado con una depresión en el rendimiento final a menos que ocurran cambios irreversibles, como una reducción en el número de granos por espiga en cereales. A un suministro radical permanentemente insuficiente, la removilización del magnesio desde las hojas maduras reduce la duración del área foliar como se indicó, por ejemplo, en perennes como el pícea de Noruega donde se disminuye el contenido de magnesio y clorofila así como la tasa de fotosíntesis de las acículas mas viejas en primavera cuando se desarrollan los nuevos brotes.

En la ultima década se ha presentado evidencia creciente de que la deficiencia de magnesio esta generalizada en ecosistemas forestales de Europa Central, acentuada por otros factores de estrés, en particular la polución del aire y la acidificación del suelo. El deterioro del crecimiento radical que es además típico en poblaciones decaídas de picea bajo deficiencia de magnesio tiene un impacto considerable sobre la adquisición no solo de magnesio sino además de otros nutrientes y de agua y, de este modo, en la resistencia a la sequía y en la adaptación a sitios pobres en nutrientes.

Cuando el magnesio es deficiente y se deteriora la exportación de carbohidratos desde la fuente a la demanda, hay también una disminución en el contenido de almidón en los tejidos de almacenamiento como los tubérculos de papa y en el peso de granos individuales en cereales. En cereales de grano, sin embargo, el magnesio puede jugar un rol adicional en la regulación de la síntesis de almidón mediante su efecto sobre el nivel de P_i y la formación de Mg-K-fitato. Como se mostró en la sección 8.4.4, los altos niveles de P_i inhiben la síntesis de almidón. En granos de trigo deficiente en magnesio, el doble del fósforo permanece como P_i, y hay una proporción correspondientemente menor de fósforo fitato, comparando con granos adecuadamente suplidos con magnesio. 

El creciente suministro de magnesio mas allá del nivel que limita el crecimiento resulta en un magnesio adicional que es almacenado principalmente en las vacuolas, actuando como buffer en la homeostasis del magnesio en el “pool metabólico” y como un contraión en la compensación de cargas y osmorregulación en la vacuola. Sin embargo, los altos contenidos foliares de magnesio (e.g., 1.5% de la materia  seca foliar) pueden volverse críticos bajo estrés hídrico. Como el potencial hídrico foliar caiga, las concentraciones de magnesio en el “pool metabólico” se incrementan desde cerca de 3-5 mм a 8-13 mм en girasol. Tales altas concentraciones, por ejemplo, en el estroma de los cloroplastos, inhiben la fotofosforilación y la fotosíntesis. Se ha reportado en arveja bajo estrés hídrico que las concentraciones de magnesio en los cloroplastos se incrementan a una concentración tan alta como 24 mм.

En la mayoría de casos, los elevados contenidos de magnesio mejoran la calidad nutricional vegetal. Por ejemplo, la hipomagnesemia (tetania por pastos) es un desorden serio en rumiantes y el bajo contenido de magnesio en la alimentación y la reducida eficiencia en la resorción del magnesio son los principales factores causales. Es relativamente fácil de lograr el incremento en el contenido de magnesio en pastos forrajeros mediante el suministro de fertilizantes de magnesio, una alternativa es el mejoramiento de cultivares con alto contenido de magnesio, por ejemplo el ryegrass Italiano. La toma insuficiente de magnesio en la dieta humana conduce a un síndrome de deficiencia de magnesio que también ha  atraído considerable atención.  

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