9.2 Manganeso

9.2.1 General

9.2.2 Enzimas que contienen manganeso

9.2.3 Enzimas dependientes ó activadas por el manganeso

9.2.4 Fotosíntesis y evolución del oxígeno

9.2.5 Proteínas, carbohidratos, y lípidos

9.2.6 División y extensión celular

9.2.7 Deficiencia y toxicidad por manganeso

9.2.1 General

El manganeso puede existir en los estados de oxidación 0, II, III, IV, VI y VII.. En sistemas biológicos, sin embargo, se presenta principalmente en los estados de oxidación II, III y IV siendo bastante estable como Mn(II) y Mn(IV) e inestable como Mn(III). En las plantas, el Mn(II) es con creces la forma dominante, pero puede ser rápidamente oxidado a Mn(III) y Mn(IV). El manganeso juega por lo tanto un papel importante en los procesos redox. El manganeso(II) forma solo enlaces relativamente débiles con ligandos orgánicos. El radio iónico del Mn²⁺ (0.075 nm) cae entre el del Mg²⁺ (0.065 nm) y el del Ca²⁺ (0.099 nm) y puede por lo tanto sustituir ó competir, en varias reacciones que involucren cualquiera de estos dos iones. Las fuerzas de ligamiento de todos los tres iones con ligandos en base a donadores de oxigeno son aproximadamente las mismas ó superior para el Mn²⁺, como por ejemplo, por un factor cercano a cuatro en el caso del ATP Esto tiene importantes consecuencias en la compartimentación del Mn²⁺ en las células e interacciones entre la nutrición del manganeso y el magnesio.

9.2.2 Enzimas que contienen manganeso

Aunque un número relativamente grande de enzimas son activadas por el Mn²⁺ (Sección 9.2.3), a la fecha esta bien establecida la existencia de solo dos enzimas que contienen manganeso, es decir la proteína de manganeso en el fotosistema II (PS II) y la superóxido dismutasa que contiene manganeso (MnSOD). No se han confirmado los primeros reportes de una fosfatasa ácida que contiene manganeso. Esta enzima contiene dos átomos de hierro por molécula y requiere del hierro pero no de manganeso para su actividad.

Las superóxido dismutasas (SOD) están presentes en todos los organismos aeróbicos y juegan un rol esencial en la sobrevivencia de estos organismos en presencia del oxigeno. Ellas protegen a los tejidos de los efectos deletéreos de los radicales libres de oxígeno O . formados en varias reacciones enzimáticas en donde se transmite un solo electrón al O :

La conversión del O es catalizada por la SOD, y la subsiguiente dismutación del H₂O₂ en H₂O y O₂ es facilitada por cualquiera, peroxidasas, catalasas ó, en los cloroplastos, por una ascorbato peroxidasa especifica (Fig. 5.2). En células fotosintéticas iluminadas los cloroplastos son los organelos con la mayor tasa de recambio del oxígeno, incluyendo la formación de O .y H₂O₂. Por consiguiente, en hojas verdes mas del 90% de la SOD está localizada en los cloroplastos y solo el 4-5% en la mitocondria.

Las isoenzimas de la SOD difieren en su componente metálico que puede ser cualquiera hierro (FeSOD, Sección 9.1.2.2), manganeso (MnSOD) ó cobre+zinc (CuZnSOD). La FeSOD está principalmente confinada a los cloroplastos. La CuZnSOD también es encontrada en los cloroplastos pero esta se presenta también en el citosol y mitocondria. La MnSOD no es muy distribuida ampliamente en varias familias de plantas superiores. Dentro de las células está también localizada principalmente en la mitocondria y peroxisomas. Hay reportes polémicos concernientes a la existencia de MnSOD en cloroplastos. En arveja, por ejemplo, esta está ausente mientras que en tabaco muy probablemente está presente. En planta transgénicas de tabaco con elevados niveles de MnSOD ambas la degradación de la clorofila en la luz y el filtrado de solutos desde los cloroplastos y mitocondria fueron mucho menores que en las plantas control no transgénicas con bajos niveles de MnSOD. Ambos rizobios (bacteroides) de vida libre y simbióticos solo poseen MnSOD la que también se encuentra en el citosol de los nódulos, mientras que la CuZnSOD solo se encuentra en el citosol de loa nódulos. 

El ejemplo mejor conocido y más documentado de una enzima que contiene manganeso es un polipéptido (proteína) de 33 kDa del sistema del rompimiento del agua asociado con el PSII (Sección 5.2.1). En este sistema están organizados cuatro átomos de manganeso como un cluster que actúa como un dispositivo para almacenar las cargas positivas prior a la oxidación de cuatro electrones de dos moléculas de agua:

El funcionamiento de los átomos de manganeso en ambos en el almacenamiento transitorio de electrones y en la transmisión de electrones esta acoplado con las fluctuaciones en el estado de oxidación del manganeso entre Mn(II) y Mn(IV). En células fotosintetizadoras este rol en el PSII es la función más sensible del manganeso a ser deteriorada por la deficiencia de manganeso (Sección 9.2.4).

9.2.3 Enzimas dependientes ó activadas por el manganeso

El manganeso actúa como un cofactor, activando alrededor de 35 enzimas diferentes. La mayoría de estas enzimas catalizan reacciones de oxido-reducción, descarboxilación, e hidrolíticas. El manganeso tiene un rol primario en el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) en las reacciones de descarboxilación oxidativas y no oxidativas, por ejemplo, en las descarboxilantes malato deshidrogenasa, enzima málica, e isocitrato deshidrogenasa específicas de NADPH:

La mayoría de los estudios sobre la activación con manganeso de las enzimas se han llevado a cabo in vitro y en muchos casos el Mn²⁺ puede ser reemplazado por el Mg²⁺, ó viceversa. Ya que la concentración de Mg²⁺ en la células es, en promedio, cerca de 50-100 veces mayor que la del Mn²⁺, la activación in vivo de las enzimas por el Mn²⁺ es presumiblemente importante solo para aquellas enzimas donde el Mn²⁺ es mucho mas efectivo que el Mg²⁺. Un ejemplo de una mucha mayor efectividad del Mn²⁺ es la RNA polimerasa cloroplástica donde para su activación son requeridas concentraciones de Mg²⁺ cerca de 10 veces mayores que con Mn²⁺. Un requerimiento absoluto del Mn²⁺ se presenta en los cloroplastos de la vaina del haz en aquellas plantas C₄ en que el oxalacetato actúa como lanzadera de carbono (Sección 5.2.4) y donde la descarboxilación es catalizada por la PEP carboxiquinasa. Esta enzima tiene un requerimiento absoluto de Mn²⁺ que no puede ser reemplazado por el Mg²⁺ (Fig. 9.6). De hecho, el Mg²⁺ inhibe su actividad. La máxima actividad se presenta en una proporción Mn/ATP de uno, sugiriendo que el substrato para esta enzima es el complejo Mn•ATP y no el Mg•ATP, como en la mayoría de reacciones (Sección 8.5).

Fig. 9.6 Efecto del Mn²⁺ y Mg²⁺ sobre la actividad PEP carboxiquinasa de Urochloa panicoides. La concentración de ATP se mantuvo constante a 0.25 mм. (Burnell, 1986)

El manganeso activa varias enzimas de la vía del ácido siquímico, y de las subsiguientes vías, que conducen la biosíntesis de aminoácidos aromáticos, como la tirosina, y varios productos secundarios, como la lignina, los flavonoides, así como el IAA. Por ejemplo, el Mn²⁺ afecta la fenilalanina-amonio liasa (PAL) y estimula las peroxidasas requeridas por la biosíntesis de lignina. En hojas deficientes de manganeso la actividad IAA oxidasa es excepcionalmente alta, como también es el caso en hojas que experimentan toxicidad por manganeso. Aún no es claro el rol del manganeso en la actividad IAA oxidasa. En la vía biosintética de los isoprenoides que produce carotenoides, esteroides, y GA, también se han hallado enzimas dependientes de manganeso, como por ejemplo, la fitoeno sintetasa.

En leguminosas noduladas como la soya que transporta al vástago nitrógeno principalmente en la forma de alantoína y alantoato (Sección 7.4), la degradación de estos ureidos en las hojas y en la cubierta seminal es catalizada por la enzima alantoato amidohidrolasa que parece tener un requerimiento absoluto de Mn²⁺. La arginasa es otra enzima dependiente de manganeso en el metabolismo del nitrógeno.

Se supuso antiguamente un rol del Mn²⁺ en la actividad nitrato reductasa debido al incremento en el contenido de nitrato en hojas deficientes de manganeso. Esta acumulación de nitrato, sin embargo, es la consecuencia de un déficit de equivalentes reductores en los cloroplastos y de carbohidratos en el citoplasma, así como de una retroregulación negativa que resulta a partir de una menor demanda de nitrógeno reducido en los nuevos crecimientos en plantas deficientes. No hay evidencia de un rol directo del Mn²⁺ en la actividad nitrato reductasa.

El manganeso (Mn²⁺) puede rápidamente desplazar el Mg²⁺ del ATP ya que el Mn²⁺ se liga al ATP cuatro veces mas fuertemente que el Mg²⁺. A altas concentraciones de Mn²⁺ el ATP en el citoplasma es rápidamente saturado por el Mn²⁺. A fin de un normal funcionamiento del Mg•ATP como el principal sistema transmisor de energía las concentraciones de Mn²⁺ en el citosol y en el estroma de los cloroplastos tienen por lo tanto que ser mantenidas a un bajo nivel. De acuerdo con esto, la mayoría del Mn²⁺ es secuestrado en las vacuolas ó en otros compartimentos celulares como las vesículas de Golgi. La depresión de la fotosíntesis neta en hojas altas en manganeso es causada por la inhibición de la reacción RuBP carboxilasa, mas probablemente debido al reemplazo del Mg²⁺ por el Mn²⁺ y, de este modo, es un reflejo de la inadecuada compartimentación del Mn²⁺.

9.2.4 Fotosíntesis y evolución del oxígeno

En algas verdes se descubrió el rol particular del manganeso en la fotosíntesis. En Chlorella el requerimiento de manganeso para el óptimo crecimiento es cerca de 1000 veces menor bajo condiciones heterotróficas (oscuridad y suministro externo de carbohidratos) que bajo condiciones autotróficas, i.e., suministro de carbono vía fotosíntesis. También en plantas superiores la fotosíntesis en general y la evolución del O₂ fotosintético en el PSII, en particular, son los procesos que responden mas sensiblemente a la deficiencia de manganeso (Fig. 9.7). Una disminución en el contenido de manganeso en las hojas jóvenes tiene solo un pequeño efecto en el contenido de clorofila (Fig. 9.7) ó en el peso seco foliar, pero la evolución del O₂ fotosintético cae más del 50%. El resuministro de Mn²⁺ a las hojas deficientes restaura en un solo día la evolución del O₂ fotosintético a los niveles en hojas adecuadamente suplidas con manganeso. Se han obtenido resultados similares en trigo. Las alteraciones en la evolución del O₂ inducidas por la deficiencia de manganeso están correlacionadas con los cambios en la ultraestructura de las membranas tilacoidales, es decir con la perdida de ciertas partículas (unidades funcionales del PSII) asociadas con las áreas apiladas de las membranas tilacoidales. El resuministro de manganeso restaura el número de partículas en las membranas tilacoidales.

Fig. 9.7 Efecto del retiro y resuministro de manganeso sobre el contenido de manganeso y clorofila y evolución del O₂ fotosintético en hojas jóvenes de Trifolium subterraneum. (Recalculado a partir de Nable et al., 1984)

Cuando la deficiencia de manganeso se vuelve más severa, el contenido de clorofila también disminuye y cambia drásticamente la ultraestructura de los tilacoides. Estas alteraciones ultraestructurales son cualquiera muy difíciles de restaurar, ó son irreversibles y presumiblemente son causadas por la inhibición de la biosíntesis de lípidos (Sección 9.2.5) y carotenoides. Ellas no son llevadas a cabo por la realzada fotooxidación (peroxidación lipídica) de los tilacoides y la clorofila.

9.2.5 Proteínas, carbohidratos, y lípidos

Aunque el Mn²⁺ activa la RNA polimerasa, la síntesis proteica obviamente no es específicamente deteriorada en tejidos deficientes de manganeso. El contenido de proteínas en plantas deficientes es cualquiera similar a (Tabla 9.6) ó algo mayor a aquel en plantas adecuadamente suplidas con manganeso. La acumulación de nitrógeno soluble es un reflejo de un agotamiento de equivalentes reductores y carbohidratos para la reducción del nitrato, así como de una menor demanda por nitrógeno reducido. La deficiencia de manganeso tiene el efecto más severo en el contenido de carbohidratos no estructurales, como se mostró en la Tabla 9.6 para la fracción soluble (azúcar). Esta disminución en el contenido de carbohidratos es particularmente evidente en las raíces y más probablemente es un factor clave responsable de la depresión en el crecimiento radical de plantas deficientes (Tabla 9.6).

Es más complejo el rol del manganeso en el metabolismo de los lípidos. En hojas deficientes de manganeso no solo el contenido de la clorofila es menor sino que aún mucho mas, el contenido de constituyentes típicos de la membrana tilacoidal como los glicolípidos y los ácidos grasos poliinsaturados. Ellos son deprimidos en su contenido hasta un 50%. Esta depresión en el contenido de lípidos en los cloroplastos puede ser atribuida al rol del Mn²⁺ en la biosíntesis de ácidos grasos (acoplamiento de las unidades C₂; Sección 8.3) y de carotenoides y de compuestos relacionados (Sección 9.2.4).

Se observan cambios notables en el contenido y composición lipídica en semillas en plantas deficientes de manganeso (Fig. 9.8). En el rango de deficiencia de manganeso el contenido foliar de manganeso y tanto el rendimiento como el contenido de aceite seminal están correlacionados positivamente. En contraste, el contenido proteico seminal esta correlacionado negativamente con el contenido foliar de manganeso, que en este caso es una expresión de un típico “efecto de concentración” que resulta del inhibido crecimiento seminal bajo deficiencia de manganeso. También se altera marcadamente la composición de ácidos grasos del aceite, aumenta el contenido del ácido linoleico (Fig. 9.8) y el de ciertos ácidos grasos. Esto es contrarrestado por una disminución en el contenido del ácido oleico. El menor contenido de aceite seminal en plantas deficientes probablemente resulta principalmente a partir de las menores tasas de fotosíntesis y de este modo del disminuido suministro de esqueletos de carbono para la síntesis de ácidos grasos. Además puede ser un factor que contribuye la participación directa del manganeso en la biosíntesis de ácidos grasos. No son claras las razones de los cambios en la composición de ácidos grasos en relación al suministro de manganeso.

Los menores contenidos de lignina en plantas deficientes de manganeso (Tabla 9.7) son un reflejo del requerimiento de manganeso en las varias etapas de la biosíntesis de lignina. La disminución es particularmente evidente en raíces, y un importante factor responsable de la menor resistencia de plantas deficientes de manganeso a la infección de patógenos radicales (Capitulo 11). 

Fig. 9.8 Relación entre el contenido foliar de manganeso, rendimiento de semilla y composición seminal de soya. (Reproducido a partir de Wilson et al., 1982, con permiso de la Crop Science Society of America.)

9.2.6 División y extensión celular

La inhibición del crecimiento radical en plantas deficientes de manganeso es causada por un agotamiento de carbohidratos así como por su requerimiento directo en el crecimiento. Parece responder más rápidamente a la deficiencia de manganeso la tasa de elongación que la tasa de división celular. Como se mostró en la Fig. 9.9 con raíces de tomate aisladas en cultivo estéril y bajo un amplio suministro de carbohidratos, pero sin manganeso, hay una rápida declinación en la extensión del eje principal en menos de 2 días. El resuministro de manganeso restaura rápidamente la tasa de crecimiento a niveles normales si su deficiencia no es muy severa. En plantas deficientes de manganeso, cesa completamente la formación de las raíces laterales. En estas raíces hay una mayor abundancia de pequeñas células no vacuoladas que en las raíces control, lo que indica que por la deficiencia de manganeso se deteriora a un mayor grado la elongación celular que la división celular, una observación sustentada por experimentos en cultivo de tejidos.

Fig. 9.9 Efecto de la transferencia desde un medio deficiente en manganeso a un medio completo en el crecimiento del eje principal de raíces escindidas de tomate. Clave: ○, manganeso ausente; ●, manganeso presente. (En base a Abbort, 1967)

9.2.7 Deficiencia y toxicidad por manganeso

La deficiencia de manganeso es abundante en plantas cultivadas en suelos derivados de materiales parentales inherentemente bajos en manganeso, y en suelos tropicales altamente lixiviados. Es también común en suelos de alto pH que contienen carbonatos libres, particularmente cuando se combinan con un gran contenido de materia orgánica. La deficiencia de manganeso puede ser corregida por aplicación al suelo ó foliar de MnSO₄, pero este último método tiene sus limitaciones (Sección 4.3.2). Un alto contenido de manganeso en las semillas, cualquiera suministrado naturalmente por la planta parental ó artificialmente mediante el empapamiento de las semillas en MnSO₄, puede mejorar considerablemente el crecimiento vegetal y el rendimiento de semilla en suelos deficientes de manganeso como se ha mostrado para cebada. Especies vegetales y cultivares dentro de una especie difieren considerablemente en su susceptibilidad a la deficiencia de manganeso cuando son cultivados en suelos bajos en manganeso. Por ejemplo, la avena, el trigo, la soya ó el durazno son muy susceptibles mientras que el maíz y el centeno no son susceptibles. En contraste, los contenidos críticos de deficiencia del manganeso en las plantas son similares, variando entre 10 y 20 mg Mn Kg^-1 peso seco en hojas completamente expandidas, independiente de la especie vegetal ó cultivar ó las condiciones ambientes imperantes. Solo el Lupinus angustifolius tiene un contenido crítico de deficiencia que es el doble de alto del de otras especies vegetales. Debajo del contenido crítico de deficiencia declinan rápidamente la producción de materia seca, la fotosíntesis neta, y el contenido de clorofila, mientras que permanecen sin afectarse las tasas de respiración y transpiración. Las plantas deficientes de manganeso son más susceptibles al daño por temperaturas de heladas y se requiere el doble de tiempo para alcanzar la etapa de embuchamiento que con plantas suficientes en manganeso. La caída que ocurre en el número de granos, y en rendimiento de grano en plantas deficientes de manganeso es presumiblemente una combinación de ambos baja fertilidad del polen y un déficit en el suministro de carbohidratos para el llenado del grano.

En dicotiledóneas, el síntoma más notable de deficiencia de manganeso es la clorosis intervenal de las hojas mas jóvenes, mientras que en cereales, los principales síntomas son las manchas verde-grisáceas en la mayoría de hojas básales (“moteado gris”, “Dörrfleckenkrankheit”). En leguminosas, los síntomas de deficiencia de manganeso en los cotiledones son conocidos como las “manchas del pantano” en arveja ó como el desorden de “semillas rajadas” en lupino; el ultimo desorden causa decoloración, rajado, y deformidad en las semillas.

En contraste al estrecho rango del contenido crítico de deficiencia foliar, el contenido crítico de toxicidad varía ampliamente entre especies vegetales y condiciones ambientales. Un ejemplo de las diferencias entre especies cultivadas es dado en la Tabla 9.8. Aún en una especie el contenido crítico de toxicidad puede variar en gran parte entre cultivares.

De los factores ambientales que afectan los contenidos críticos de toxicidad, son de particular importancia la temperatura y la presencia de silicio. A altas temperaturas los contenidos críticos foliares de toxicidad son frecuentemente mucho mayores que a bajas temperaturas. El efecto del silicio es comparable al de las altas temperaturas; i.e., aumentan la tolerancia tisular al manganeso (Sección 10.3). Hay reportes contradictorios sobre el efecto de la alta intensidad lumínica sobre la toxicidad por manganeso, por ejemplo, de incrementar la severidad de los síntomas por toxicidad ó de disminuir los síntomas por toxicidad. La diversidad de síntomas de toxicidad por manganeso es una razón importante para estos resultados contradictorios.

En muchas especies vegetales los síntomas de toxicidad por manganeso se caracterizan por pecas marronas en hojas maduras, y estos síntomas son mucho menos notables en condiciones de alta luminosidad comparando con condiciones de baja luminosidad. Aunque estas pecas marronas contienen manganeso oxidado, el color café no deriva del manganeso (e.g., MnO₂) sino de polifenoles oxidados. La formación de las pecas marronas es precedida por la realzada formación de calosa en la misma área, indicando los efectos tóxicos del Mn²⁺ sobre la membrana plasmática y el realzado influjo de Ca²⁺ como una “señal” para la formación de calosa (Sección 8.6). La intensidad de la formación de pecas marronas puede ser usada como un método rápido y simple para seleccionar diferentes cultivares para la tolerancia al manganeso.

En hojas de especies vegetales tolerantes al manganeso como el girasol ó la ortiga urticante, también se encuentra frecuentemente a alto contenido de manganeso manchas marronas alrededor de la base de los tricomas y se considera como un mecanismo de tolerancia la deposición de óxidos de manganeso en estos sitios.

En muchos casos los síntomas de toxicidad por manganeso se presentan como clorosis y necrosis intervenal. Particularmente en dicotiledóneas como el fríjol y algodón estos síntomas se combinan con deformaciones de las hojas jóvenes (“hoja torcida”), que es un síntoma típico de la deficiencia de calcio. En estos casos, dominan las deficiencias inducidas de otros nutrientes minerales como el hierro, magnesio, y calcio, ó por lo menos están involucradas. La deficiencia inducida de hierro y magnesio es causada por ambas la inhibida toma y competencia (ó desbalance) a nivel celular. Se han dado en la Sección 2.5.3 ejemplos del efecto inhibidor del Mn²⁺ sobre la toma del Mg^{2+ ,} y es discutida arriba la competencia a nivel celular. Por consiguiente, la toxicidad por manganeso puede frecuentemente ser contrarrestada con un alto suministro de magnesio.

En contraste al hierro y el magnesio, la inducción de los síntomas de deficiencia de calcio (“hoja torcida”) debido a los altos contenidos tisulares de manganeso es más probablemente un efecto indirecto en el transporte del calcio a las hojas en expansión. El transporte acropétalo del calcio es mediado por un contratransporte basipétalo de IAA (Sección 3.4.3), y la alta actividad IAA oxidasa, ó de la actividad polifenoloxidasa en general, es una característica típica en tejidos con altos contenidos de manganeso. Los síntomas de deficiencia de calcio inducidos por la toxicidad por manganeso son por lo tanto mas probablemente causados por la realzada degradación del IAA, un proceso que es agravado, por ejemplo, por una alta intensidad lumínica. La perdida en la dominancia apical y la realzada formación de vástagos axilares (“escoba de bruja”) constituye otro síntoma de la toxicidad por manganeso, sustentando adicionalmente la hipótesis de una relación entre el deteriorado transporte basipétalo del IAA y la toxicidad por manganeso.  

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