arveja

El zinc es tomado predominantemente como un catión divalente (Zn²⁺); a alto pH, es presumiblemente también tomado como un catión monovalente (ZnOH⁺). En el transporte a larga distancia en el xilema, el zinc es cualquiera enlazado a ácidos orgánicos ó se presenta como catión divalente libre (Sección 3.2.1). En la savia del floema las concentraciones de zinc son bastante altas (Sección 3.3.2) con el zinc probablemente complejado con solutos orgánicos de bajo peso molecular. En plantas como en otros sistemas biológicos, el zinc solo existe como Zn(II), y no toma parte en las reacciones de oxidorreducción. Las funciones metabólicas del zinc están basadas en su fuerte tendencia a formar complejos tetraédricos con ligandos de N-, O-, y particularmente de S- y por lo tanto juega ambos un rol funcional (catalítico) y estructural en las reacciones enzimáticas. En la última década ha atraído mucho interés el rol del zinc en las moléculas proteicas involucradas en la replicación del DNA y en la regulación de la expresión génica. Son bastante complejos los cambios en el metabolismo llevados a cabo por la deficiencia de zinc. No obstante, algunos de estos cambios son típicos y pueden ser explicados bastante bien por las funciones del zinc en reacciones enzimáticas específicas ó en los pasos de vías metabólicas particulares.

Hay un gran número de enzimas en que el zinc es un componente integral de su estructura enzimática (enzimas de zinc). En estas enzimas el zinc tienen tres funciones: catalítica, cocatalítica (coactivo), ó estructural. En las enzimas en que el zinc tiene función catalítica (e.g., anhidrasa carbónica y carboxipeptidasas) el átomo de zinc está coordinado a cuatro ligandos, tres de los cuales son aminoácidos, siendo el mas frecuente la histidina (His), seguido por la glutamina (Glu) y la asparragina (Asp); una molécula de agua es el cuarto ligando en todas las centros catalíticos (modelo I):

En enzimas en que el zinc tiene función estructural (e.g., alcohol deshidrogenasa, y las proteínas involucradas en la replicación del DNA y en la expresión génica) los átomos de zinc están coordinados a los grupos-S de cuatro residuos de cisteína (modelo II) que forman una estructura terciaria de alta estabilidad. La mayoría de las enzimas de zinc tienen solo átomo de zinc por molécula, siendo la alcohol deshidrogenasa una excepción.

Esta enzima contiene dos átomos de zinc por molécula, uno con función catalítica y el otro con función estructural. La enzima cataliza la reducción del acetaldehído a etanol:

En plantas superiores bajo condiciones aeróbicas, la formación de etanol toma lugar principalmente en los tejidos meristemáticos, como los ápices radicales. En plantas deficientes de zinc, disminuye la actividad alcohol deshidrogenasa, pero no son conocidas las consecuencias para el metabolismo vegetal. La situación es diferente en plantas cultivadas en suelos saturados de agua ó sumergidos. En arroz de aniego la inundación estimula el doble la actividad de la alcohol deshidrogenasa radical en plantas suficientes en zinc comparando con plantas deficientes en zinc, y la menor actividad de está enzima clave en el metabolismo anaeróbico puede deteriorar considerablemente las funciones radicales del arroz sumergido.

Esta enzima contiene un solo átomo de zinc la cual cataliza la hidratación del CO₂:

La anhidrasa carbónica (CA) de las dicotiledóneas consiste de seis subunidades y tiene un peso molecular de 180 kDa, y seis átomos de zinc por molécula. La enzima está localizada ambos en los cloroplastos y el citoplasma (Fig. 9.14).

Fig. 9.14 Funcionamiento de la anhidrasa carbónica (CA) en células foliares de plantas C₃ y C₄. BS = cloroplastos de la vaina del haz; MS = cloroplastos del mesófilo. (En base a Edwars & Walter, 1983 y Hatch & Burnell, 1990)

Al evaluar el rol de la CA, y particularmente aquella en los cloroplastos, es esencial una diferenciación entre plantas C₃ y C₄ y, en plantas C₄ entre cloroplastos del mesófilo y de la vaina del haz.

Por lo general en plantas C₃ se carece de una relación directa entre la actividad CA y la asimilación fotosintética de CO₂ ó el crecimiento vegetal con los diferentes estados nutricionales del zinc (Fig. 9.15). La actividad está estrechamente relacionada con el contenido de zinc, pero son muy poco afectados por las actividades CA la asimilación de CO₂ por unidad de área foliar (Fig. 9.15) ó la producción de materia seca. Con extrema deficiencia de zinc se carece de actividad CA, pero aún cuando la actividad CA es baja, puede presentarse la máxima fotosíntesis neta (Fig. 9.15).

Fig. 9.15 Relación entre el contenido de zinc de las laminas foliares, fotosíntesis neta y actividad anhidrasa carbónica en algodón. EU, unidades enzima. (Modificado a partir de Ohki, 1976)

En plantas C₄, sin embargo, la situación es diferente. Se requiere una alta actividad CA en los cloroplastos del mesófilo para cambiar el equilibrio a favor del HCO , el sustrato para la PEP carboxilasa (Fig. 9.14) que forma compuestos C₄ (e.g., malato) para su lanzamiento a los cloroplastos de la vaina del haz (Sección 5.2.4). Aquí se libera el CO₂ y sirve como sustrato para la RuBP carboxilasa. De acuerdo con esto, a pesar de las similares actividades totales en hojas de plantas C₃ y C₄, en las plantas C₄ de la actividad total CA solo el 1% está localizada en los cloroplastos de la vaina del haz, pero del 20-60% está asociada con la membrana plasmática.

Se ha presentado evidencia de que por lo menos en plantas C₄ la actividad in vivo de la CA puede ser solo suficiente para evitar que la tasa de conversión de CO₂ a HCO limite la fotosíntesis. Por consiguiente, la deficiencia de zinc puede tener un efecto más dramático en la tasa fotosintética de plantas C₄ comparando con las C₃. La anhidrasa carbónica es una enzima adaptable, su síntesis se incrementa rápidamente a bajas concentraciones de CO₂ y su actividad cae en unos pocos días bajo oscuridad, ó bajo deficiencia de nitrógeno. Los cambios en su actividad presentan siempre un paralelo con la PEP carboxilasa, indicando que la expresión de los genes que codifican para las dos proteinas pueden estar estrechamente relacionados.

En esta isoenzima el zinc está asociado con el cobre (CuZnSOD). Se ha discutido la localización y el rol de la CuZnSOD en la Sección 9.3. Más probablemente el átomo de cobre representa al componente metálico catalítico y el de zinc el estructural. Con la deficiencia de zinc la actividad SOD es mucho menor pero puede ser restaurada in vitro al resuministrar zinc en el medio de ensayo, indicando que el átomo de zinc es un componente estructural esencial para el normal funcionamiento de la CuZnSOD.

Es particularmente crítica la disminución en la actividad SOD que sucede bajo deficiencia de zinc, ya que se presenta un incremento simultaneo en la tasa de generación de O (Tabla 9.16). El correspondiente mucho mayor nivel de radicales tóxicos O , y de oxidantes relacionados (Sección 2.3) son los principales factores responsables de la peroxidación lipídica de la membrana y del incremento en la permeabilidad de la membrana.

2. Fosfolipasa: Ambas de estas enzimas contiene tres átomos de zinc cada una, y por lo menos uno de estos átomos tiene funciones catalíticas.

3. Carboxipeptidasas, que hidrolizan clivajes peptídicos, y contienen un solo átomo de zinc con funciones catalíticas.

4. RNA polimerasa que contiene dos átomos de zinc por molécula, y se inactiva si se remueve el zinc.

El estado nutricional ha sido estudiado extensivamente en bacterias, animales y el hombre. Hay poca información, sin embargo, acerca de su relación en las plantas superiores.

En plantas superiores es cualquiera requerido para, ó por lo menos modula, la actividad de un gran numero de varios tipos de enzimas, incluyendo las deshidrogenasas, aldolasas, isomerasas y transfosforilasas. Algunos ejemplos son dados abajo.

Las pirofosfatasas inorgánicas (PP_iasas) son componentes importantes de la actividad bombeadora de protones en el tonoplasto (Sección 2.1). Además de la conocida enzima dependiente de Mg²⁺ (Mg•PP_iasa), en las hojas existe una isoenzima PP_iasa que depende de Zn²⁺ (Zn•PP_iasa). En hojas de arroz la proporción de la actividad Mg•/Zn•PP_iasa varía entre 3 y 6, y ambas pirofosfatasas son probablemente diferentes isoenzimas.

Se ha documentado por muchos años el rol del zinc en el metabolismo del DNA y RNA, en la división celular, y en la síntesis proteica, pero solo se ha identificado recientemente un nueva clase de moléculas proteicas dependientes de zinc (metaloproteínas de zinc) que están involucradas en la replicación del DNA, transcripción y, de este modo, en la regulación de la expresión génica. Para la transcripción, se requiere zinc en estas proteínas para su ligamiento a genes específicos mediante la formación de complejos tetraédricos con los residuos aminoácidos de la cadena polipeptídica (Fig. 9.16).

Fig. 9.16 Presentación esquemática del rol del zinc en la estructura terciaria de la cadena peptídica en proteínas de replicación (“dedo de zinc”). (En base a Coleman, 1992 y Vallee & Falchuk, 1993)

De este modo la cadena polipeptídica forma un bucle ó “dedo” de usualmente 11-13 residuos aminoácidos que ligan las secuencias específicas de DNA (“motivo dedo de zinc”). En estas metaloproteínas que ligan DNA el zinc está por lo tanto involucrado directamente en el paso de traducción de la expresión génica y en la activación ó represión de elementos de DNA.

Se reducen drásticamente la tasa de síntesis proteica y el contenido proteico en plantas deficientes de zinc mientras que se acumulan los aminoácidos (Tabla. 9.17). Al resuministrar zinc a plantas deficientes se reanuda bastante rápidamente la síntesis proteica. Además de las funciones del zinc descritas arriba, por lo menos otras dos funciones del zinc en el metabolismo de las proteínas son principalmente responsables de estos cambios. El zinc es un componente estructural de los ribosomas y es esencial para su integridad estructural. El contenido de zinc en el RNA ribosómico en células de Euglena suficientes en zinc está dentro del rango de 650-1280 μg g^-1 RNA, mientras que en células deficientes en zinc está en 300-380 μg g^-1. En ausencia del zinc, los ribosomas se desintegran, pero después de reanudar el suministro de zinc sucede su reconstrucción.

En meristemos caulinares de arroz, la desintegración de los ribosomas 80S (fracción soluble en el citoplasma) sucede cuando el contenido de zinc cae debajo de los 100 μg g^-1 peso seco. En contraste a este bastante alto contenido requerido de zinc para la integridad de los ribosomas, el contenido proteico empieza a disminuir a contenidos de zinc considerablemente menores (Fig. 9.17). En células de tabaco en cultivo de tejido los correspondientes contenidos fueron de 70 μg Zn para la disminución en el contenido de ribosomas 80S y de 50 μg Zn para la disminución en el contenido proteico.

Tabla 9.17

Efecto del suministro de zinc en el peso seco caulinar y en la composición de las partes caulinares apicales (hojas jóvenes y ápice caulinar) en plantas de fríjol ^a

Suministro de Zn

Peso seco caulinar

(g por 3 plantas)

Contenido en hojas jóvenes y ápice caulinar

(μg g^-1 peso seco)

Aminoácidos libres

(μmol g^-1 peso seco)

Proteína

(mg g^-1 peso fresco)

Triptófano

(μmol g^-1 peso seco)

IAA

(ng g^-1 peso fresco)

+Zn (1 μм)

-Zn

-Zn, +Zn ^b

8.24

3.66

4.53

141

533

118

0.37

1.32

0.27

239

118

198

^a A partir de Cakmak et al. (1989)

^b Resuministro de 3 μм Zn por 3 días.

Fig. 9.17 Relación entre el contenido de zinc, de ribosomas 80S y proteico en la fracción soluble del tejido meristemático caulinar de arroz. (A partir Kitagishi et al., 1987.)

También se ha mostrado un alto requerimiento específico de zinc en los centros de síntesis proteica en los tubos polínicos donde el contenido de zinc en la punta de crecimiento fue cerca de 150 μg g^-1 peso seco comparando con los cerca de 50 μg en las regiones mas básales.

En los meristemos caulinares, y presumiblemente también en otros tejidos meristemáticos, es esencial un contenido de zinc de por lo menos 100 μg g^-1 peso seco para el mantenimiento de la síntesis proteica. Como se muestra en la Tabla 9.18 este es cerca de 5-10 veces mayor que el contenido que se considera dentro del rango adecuado para láminas foliares maduras. Para otros nutrientes minerales este gradiente es usualmente menos abrupto, y para otros el gradiente puede ser lo contrario, dependiendo del estado nutricional (Capitulo 12). Para satisfacer la alta demanda de zinc en el meristemo caulinar, la mayoría del zinc suministrado a la raíz es translocado preferentemente al meristemo caulinar, mediado por la transferencia xilema-floema en el tallo.

Los bajos contenidos proteicos y altos contenidos de aminoácidos en plantas deficientes de zinc no son solo el resultado de la reducida transcripción y traducción sino también de las realzadas tasas de degradación del RNA. Las mayores tasas de actividad RNAasa son una característica típica de la deficiencia de zinc. Existe una clara relación inversa entre el suministro de zinc y la actividad RNAasa, y también entre la actividad RNAasa y el contenido proteico (Tabla 9.19).

Tabla 9.19

Efecto del suministro de zinc en el peso fresco, actividad RNAasa, y nitrógeno proteico en soya (Glycine wighii) ^a

Suministro de zinc

(mg l^-1)

Peso fresco

(g por planta)

Actividad RNAasa

(%)^b

Nitrógeno proteico

(% peso fresco)

0.005

0.01

0.05

0.10

4.0

5.1

6.6

10.0

1.82

2.25

2.78

3.65

^a En base a Jonson & Simona (1979).

^b % hidrólisis del sustrato RNA

Se observa frecuentemente un incremento en la actividad RNAasa aún antes de que aparezcan los síntomas de deficiencia de zinc como el crecimiento estancado y los cambios en la anatomía foliar.

Muchas enzimas dependientes de zinc están involucradas en el metabolismo de los carbohidratos en general y de las hojas en particular. Además de su función en la reacción de la anhidrasa carbónica, el zinc es requerido para, por ejemplo, la actividad de otras dos enzimas clave, la fructosa 1,6-bifosfatasa y la aldolasa.

Ambas enzimas están localizadas en los cloroplastos así como en el citoplasma. La fructosa-1,6-bifosfatasa es un enzima clave en el particionamiento de los azucares C₆ en los cloroplastos y el citoplasma. La aldolasa regula la transferencia de fotosintatos C₃ desde los cloroplastos hacia el citoplasma, y dentro del citoplasma el flujo de metabolitos vía la vía glucolítica. Bajo deficiencia de zinc se reduce drástica y bastante específicamente la actividad aldolasa así que la actividad de esta enzima puede servir como un indicador del estado nutricional del zinc en las plantas.

Por lo general, en hojas que sufren de deficiencia de zinc, una abrupta declinación en la actividad anhidrasa carbónica es el cambio más sensible y obvio en la actividad de las enzimas del metabolismo de los carbohidratos (Tabla 19.20). La actividad de la fructosa-1,6-bifosfatasa también se declina bastante rápidamente; sin embargo, aquella de las otras enzimas es afectada en un mucho menor grado, particularmente con deficiencia suave de zinc.

A pesar de una disminución en las actividades enzimáticas y en la tasa de fotosíntesis (como se indica por la actividad de la reacción de Hill) en la mayoría de casos se acumulan azúcares y almidón en las plantas deficientes de zinc (Tabla 9.21). Ya 24 h después de ser restaurado el suministro de zinc, los niveles de azúcar y la actividad de la reacción de Hill son otra vez comparables a aquellos de plantas control adecuadamente suplidas que reciben continuamente 1.0 μм zinc. La acumulación de carbohidratos en hojas deficientes de zinc se incrementa con la intensidad lumínica y es una expresión del deteriorado nuevo crecimiento, particularmente de los ápices caulinares, i.e., de la menor actividad demanda.

Tabla 9.21

Efecto de la deficiencia de zinc y de la reanudación del suministro de zinc en los contenidos de zinc y carbohidratos en hojas de col ^a

Parámetro

Suministro de zinc (μм)

1.0

0.001

0.001 + 2.0 ^b

Contenido de zinc (mg kg^-1 peso seco)

Azucares (mg g^-1 peso fresco)

Almidón (mg g^-1 peso fresco)

Actividad reacción de Hill (relativo)

4.2

7.5

100

9.1

24.6

5.0

19.2

^a En base a Sharma et al. (1982).

^b 24 h después de reanudar el suministro de 2.0 μм zinc.

En conclusión, la mayoría de evidencia experimental obtenida con plantas verdes apoya la perspectiva de que los cambios inducidos por la deficiencia de zinc en el metabolismo de los carbohidratos no son principalmente responsables de cualquiera el retraso del crecimiento ó de los síntomas visuales de la deficiencia de zinc.

Los más notables síntomas de deficiencia de zinc —crecimiento estancado y “hojas pequeñas”— están presumiblemente relacionados con las perturbaciones en el metabolismo de las auxinas, en particular del ácido indolacético (IAA). Aún no es claro el modo de acción del zinc en el metabolismo de las auxinas. En plantas de tomate deficientes en zinc se ha mostrado que la retarda elongación caulinar esta correlacionada con una disminución en el nivel IAA, y la reanudación de ambos la elongación caulinar y del nivel IAA suceden después de que el zinc es resuministrado. Las respuestas de los crecientes niveles de IAA al tratamiento con zinc fueron más rápidas que aquellas del crecimiento por elongación. Los bajos niveles de IAA en plantas deficientes de zinc pueden ser el resultado de su inhibida síntesis ó de la realzada degradación del IAA. El triptófano es mas probablemente el precursor en la biosíntesis del IAA.

Hay reportes contradictorios acerca del requerimiento de zinc para la síntesis del triptófano. El incremento en el contenido de triptófano en la materia seca de granos de arroz mediante la fertilización con zinc en plantas cultivadas en un suelo calcáreo puede apoyar una suposición tal. Sin embargo, un incremento tal puede ser una expresión de un incremento general en el contenido proteico en los granos y, de este modo, el resultado es inconcluso en términos del requerimiento del zinc para la síntesis del triptófano.

En hojas de plantas deficientes de zinc el triptófano puede incrementarse en vez de disminuirse

Tabla 9.20 Efecto de la creciente deficiencia de zinc en las actividades foliares enzimáticas en plantas de maíz cultivadas sin suministro de zinc ^a
Enzima	Porcentaje de disminución en la actividad después de días sin suministro de zinc
	5	10	15
Fructosa-1,6-bifosfatasa Anhidrasa carbónica PEP carboxilasa RuBP carboxilasa Enzima málica	36 84 <1 9 <1	50 76 5 41 22	65 84 34 38 37
^a Valores relativos; plantas suficientes en zinc = 100. En base a Shrotri et al. (1983).