9.6 Molibdeno 

9.6.1 General

9.6.2 Nitrogenasa

9.6.3 Nitrato reductasa

9.6.4 Otras enzimas que contienen molibdeno

9.6.5 Cambios metabólicos gruesos

9.6.6 Deficiencia y toxicidad por molibdeno

9.6.1 General

El molibdeno es un elemento de transición, que se presenta en solución acuosa principalmente como el oxianión molibdato, MnO , en su forma mas oxidada [Mo(VI)]. Como componente metálico de las enzimas también existe como Mo(IV) y Mo(V). Debido a su configuración electrónica, el Mo(VI) comparte muchas semejanzas químicas con el vanadio y, particularmente, con el tungsteno. Varias propiedades del anión molibdato MnO también semejan a aquellas de varios aniones inorgánicos divalentes, en particular del sulfato (SO ) y del fosfato (HPO ), lo que tiene implicaciones importantes en la disponibilidad del molibdeno en los suelos y su toma por las plantas (Sección 9.6.6). En el transporte a larga distancia en plantas el molibdeno es fácilmente móvil en el xilema y floema. Se desconoce la forma en que el molibdeno es translocado, pero sus propiedades químicas indican que es mas probablemente transportado como MnO que en forma de complejos.

El requerimiento vegetal por molibdeno es inferior que aquel para cualquier otro nutriente mineral, excepto del níquel. Las funciones del molibdeno como nutriente vegetal están relacionadas con los cambios en la valencia que experimenta como componente metálico de las enzimas. En su estado oxidado existe como Mo(VI); este es reducido a Mo (V) y Mo(IV).

En plantas superiores se han encontrado solo unas pocas enzimas que contienen molibdeno como cofactor. En estas enzimas el molibdeno tiene ambas funciones estructurales y catalíticas y está directamente involucrado en reacciones redox. Estas enzimas son la nitrato reductasa, la nitrogenasa, la xantina oxidasa/deshidrogenasa y presumiblemente, la sulfito reductasa. Las funciones del molibdeno están por lo tanto estrechamente relacionadas con el metabolismo del nitrógeno, y el requerimiento de molibdeno depende fuertemente del modo de suministro de nitrógeno.

9.6.2 Nitrogenasa

La nitrogenasa es el único complejo enzimático clave para todos los microorganismos fijadores de N₂. Está consiste de dos proteínas de hierro, una de las cuales es la FeMo-proteína de 240kDa, compuesta de cuatro subunidades con 30 átomos de Fe y 2 de Mo. Los detalles del arreglo estructural y las funciones catalíticas del molibdeno en la nitrogenasa han sido discutidos en la Sección 7.3. En algunas bacterias diazotróficas (e.g., Azotobacter chroococcum), además de la Mo-nitrogenasa, hay otra nitrogenasa en que el molibdeno es reemplazado por el vanadio.

En leguminosas y no leguminosas dependientes de la fijación de N₂, el requerimiento de molibdeno es grande, particularmente en los nódulos radicales. Cuando el suministro externo es bajo, el contenido nodular de molibdeno por unidad peso seco es usualmente mayor que aquel  de las hojas, mientras que cuando el suministro externo es alto, el contenido foliar frecuentemente se eleva mas que el de los nódulos. Cuando el molibdeno es limitante, la acumulación preferencial en los nódulos radicales puede conducir a un contenido considerablemente menor de molibdeno en los vástagos y semillas de las leguminosas noduladas. Sin embargo, la relativa asignación de molibdeno a los varios órganos vegetales varia considerablemente no solo entre especies vegetales, sino también entre genotipos dentro de un especie, por ejemplo en Phaseolus vulgaris.

Como se espera, el crecimiento de plantas que dependen de la fijación de N₂ es particularmente estimulado mediante la aplicación de molibdeno a suelos deficientes (Tabla 9.32). La respuesta del peso seco nodular al molibdeno es espectacular y refleja indirectamente el incremento en la capacidad de fijación de N₂ causado por el molibdeno.

En suelos bajos en disponibilidad de molibdeno, el efecto de la aplicación de molibdeno a las leguminosas depende de la forma de suministro de nitrógeno. Como se muestra en la Tabla 9.33 el molibdeno aplicado a plantas de soya ambas noduladas y no noduladas incrementó el contenido de nitrógeno y rendimiento seminal solo en las plantas noduladas sin suministro ó con suministro insuficiente de fertilizantes de nitrógeno. Esto demuestra el mayor requerimiento de molibdeno en la fijación de N₂ que en la reducción del nitrato. Esto también indica que en suelos con baja disponibilidad de molibdeno es posible reemplazar la aplicación de fertilizantes de nitrógeno a las leguminosas por la aplicación de fertilizantes de molibdeno combinados con la apropiada infección de rizobios.

9.6.3 Nitrato reductasa

La nitrato reductasa es una enzima dimerica con grupos prostéticos  que transfieren tres electrones por subunidad: flavín (FAD), hemo, y molibdeno. Durante la reducción del nitrato, los electrones son transferidos directamente desde el molibdeno al nitrato. Los detalles de este proceso de reducción han sido descritos en la Sección 8.2.

La actividad nitrato reductasa (NRA) es baja en hojas de plantas deficientes en molibdeno, pero puede ser fácilmente inducida en unas pocas horas al permear los segmentos foliares con molibdeno. Como se muestra en la Fig. 9.22, en plantas alimentadas con nitrato hay una estrecha relación entre el suministro de molibdeno, la NRA foliar (NRA - Mo), y el rendimiento de espinaca. De los segmentos foliares incubados por 2 h con molibdeno (NRA + Mo), solo en aquellos a partir de plantas deficientes fue donde hubo un incremento en la NRA del tejido foliar. La “NRA inducible” puede por lo tanto ser usada como un prueba para el estado nutricional del molibdeno en plantas.

Fig. 9.22  Actividad nitrato reductasa (NRA) en hojas de espinaca a partir de plantas cultivadas con diferentes niveles de molibdeno. Los segmentos foliares fueron incubados con (NRA + Mo) ó sin (NRA – Mo) molibdeno por 2 h. El área punteada represente al “NRA inducible”. (Redibujado a partir de Witt & Jungk, 1977.)

Como se espera, el requerimiento de molibdeno para el crecimiento vegetal es fuertemente dependiente de si el nitrógeno es suministrado como nitrato ó amonio (Tabla 9.34). En plantas alimentadas con nitrato no suplidas con molibdeno el crecimiento es pobre, son bajos los contenidos tanto de clorofila como de ácido ascórbico (ubicación principal en cloroplastos), pero el de nitrato es alto. Las hojas mostraron síntomas típicos de deficiencia de molibdeno (“cola de látigo”, ver Fig. 9.24). Cuando se suministra amonio, la respuesta al molibdeno es mucho menos marcada pero sigue presente en términos tanto de peso seco como contenido de ácido ascórbico. En ausencia de suministro de molibdeno, las plantas alimentadas con amonio también desarrollan síntomas de cola de látigo.

Hay reportes contradictorios a si existe algún requerimiento de molibdeno cuando las plantas son suplidas con nitrógeno reducido como amonio ó urea. Los resultados mostrados en la Tabla 9.34 incluyen este aspecto ya que bajo condiciones de cultivo no estériles se presentó en el sustrato la nitrificación del amonio y, de este modo, no pudo evitarse la toma y acumulación de nitrato. En plantas de coliflor cultivadas bajo condiciones estériles, aquellas suplidas con amonio pero sin molibdeno no desarrollaron ningún síntoma de deficiencia y no parecieron tener requerimiento de molibdeno, un resultado que está de acuerdo con aquel obtenido en algas verdes. Se ha supuesto que aún bajos contenidos de nitrato inducen la síntesis de la nitrato reductasa (ver también Sección 8.2.1) y que esta apoenzima en ausencia del apropiado cofactor de molibdeno puede tener otras propiedades catalíticas que conducen a perturbaciones metabólicas similares a aquellas inducidas por los altos niveles de radicales superóxido como la peroxidación de la membrana lipídica. Cuando se aplicó tungsteno a plantas deficientes de molibdeno, este fue incorporado en la apoenzima nitrato reductasa y evitó el desarrollo de los síntomas típicos de deficiencia de molibdeno pero no restauro la actividad nitrato reductasa. Es bien conocido que ciertas metaloenzimas aún dentro de la misma especie vegetal no son absolutamente metaloespecíficas. Metales similares pueden ser incorporados y pueden cualquiera restaurar la reacción catalítica original, ó desarrollar un tipo modificado de reacción enzimática.

En tabaco, el reemplazo del molibdeno por el tungsteno en la apoenzima de la nitrato reductasa deprime drásticamente la actividad nitrato reductasa en una pocas horas pero conduce a un progresivo incremento no solo de la apoenzima sino también de los correspondientes mRNA a niveles que son varias veces mayores que en plantas suplidas con molibdeno. Esta respuesta sugiera que el tungsteno inactiva la nitrato reductasa pero simultáneamente conduce a la sobreexpresión de los genes estructurales de la nitrato reductasa. Estos genes son suprimidos en plantas suplidas con molibdeno, probablemente por un mayor nivel del nitrógeno reducido.

9.6.4 Otras enzimas que contienen molibdeno

De las otras enzimas que contienen molibdeno en sistemas biológicos, más probablemente la xantina oxidasa/deshidrogenasa es también de importancia general en plantas superiores. Esta enzima es una metaloflavoproteína dimérica cada subunidad de la cual contiene un átomo de molibdeno junto con una molécula de FAD y cuatro grupos Fe-S como un cluster. Las apoenzimas de la nitrato reductasa (Sección 8.2.1) y de xantina oxidasa/deshidrogenasa comparten muchas propiedades en común, incluyendo un peso molecular similar. La xantina oxidasa/deshidrogenasa cataliza la vía catabólica de las purinas a ácido úrico:

La enzima se presenta bien como xantina oxidasa con O₂ como aceptor terminal de electrones, ó xantina deshidrogenasa donde los electrones son transferidos al NAD⁺. Se han encontrado ambas formas de la enzima en plantas superiores, en las hojas predomina la forma deshidrogenasa. La enzima está involucrada en el catabolismo de las purinas y, de este modo, en la vía biosintética de ureidos que son productos de la oxidación de las purinas (Sección 8.5). En leguminosas como la soya y caupí, en que los ureidos son los compuestos más predominantes de nitrógeno formados en los nódulos radicales (Sección 7.4.3), la xantina oxidasa/deshidrogenasa juega un rol clave en el metabolismo del nitrógeno. En el citosol de los nódulos las purinas (e.g., xantina) son oxidadas a ácido úrico, el precursor de los ureidos. En leguminosas noduladas del tipo ureido, bajo deficiencia de molibdeno puede resultar por lo tanto la inhibición del crecimiento y las bajas tasas de fijación de N₂ debido a la baja actividad nitrogenasa ó del deteriorado catabolismo de las purinas en los nódulos, ó de ambas causas.

La sulfito oxidasa es otra enzima que contiene molibdeno, bien caracterizada en microorganismos, que cataliza la oxidación del sulfito (SO ) a sulfato (SO ). Es bien conocido, sin embargo, que esta oxidación puede también llevarse a cabo por otras enzimas como peroxidasas y citocromo oxidasas, así como un número de iones metálicos, y radicales superóxido. No es por lo tanto claro si una sulfito oxidasa específica este involucrada en la oxidación del sulfito en plantas superiores, y, consecuentemente también si el molibdeno es esencial en plantas superiores para la oxidación del sulfito, como sucede por ejemplo durante la degradación proteica y reoxidación del azufre reducido en los aminoácidos (Sección 8.3.2).

9.6.5 Cambios metabólicos gruesos

En leguminosas dependientes de la fijación de N₂ como fuente de nitrógeno, la deficiencia de nitrógeno y sus correspondientes cambios metabólicos son los efectos más predominantes de la deficiencia de molibdeno. Esto también se mantiene cierto para plantas alimentadas con nitrato a condición de que la deficiencia de molibdeno no sea severa. Con deficiencia severa de molibdeno aún los síntomas visuales (e.g., cola de látigo. acortamiento de los entrenudos y clorosis de las hojas jóvenes) así como un rango de cambios metabólicos son notoriamente diferentes de aquellos de la deficiencia de nitrógeno. Estas diferencias pueden relacionarse en algún modo al rol del molibdeno en la xantina oxidasa/deshidrogenasa pero muchas son difíciles de reconocer con el conocimiento actual de las funciones metabólicas del molibdeno. Por ejemplo, en plantas deficientes de molibdeno se acumulan los ácidos orgánicos y aminoácidos, y la actividad ribonucleasa es alta mientras que la de la alanina transferasa es baja, como los contenidos foliares de RNA y DNA. Las plantas deficientes de molibdeno parecen ser más sensibles al estrés por bajas temperaturas y a la inundación. En muchos estudios la deficiencia de molibdeno ha sido tan severa y el crecimiento tan fuertemente deprimido, que es difícil identificar las funciones metabólicas primarias del molibdeno.

La deficiencia de molibdeno también tiene fuertes efectos en la formación del polen en maíz (Tabla 9.35). En plantas deficientes no solo se retrasó el espigamiento, sino que una gran proporción de flores fallaron al abrir y se redujo la capacidad de la antera para la producción de polen. Además, los granos de polen fueron mas pequeños, sin almidón, tenían mucha menor actividad invertasa, y mostraron pobre germinación. La deteriorada formación del polen puede también explicar la falla de la formación del fruto en sandía deficiente en molibdeno cultivada en suelo ácido.

Como se muestra en la Fig. 9.23 el riesgo de brotado prematuro de granos en poblaciones de maíz se incrementa mucho cuando el contenido de molibdeno en la materia seca cae debajo de 0.03 μg g^-1 en los granos (Fig. 9.23), ó está debajo de 0.02 μg en los granos y 0.10 μg en las hojas. El brotado prematuro es también un serio problema en algunas área de cultivo de trigo y puede deprimirse fuertemente mediante aspersiones foliares de molibdeno. En maíz el grado de brotado prematuro también parece estar relacionado con el momento de aplicación de nitrógeno. Se presento poco brotado cuando se efectuó la fertilización superficial con NH₄NO₃ antes de 60 días después de la germinación. El bajo brotado de granos en molibdeno, sin embargo, se realza fuertemente mediante la aplicación muy tardía de nitrógeno. No se conocen las relaciones causales. Pueden intervenir efectos estimuladores directos de los altos niveles de nitrato sobre los tejidos en brotación ó efectos indirectos vía otros cambios metabólicos en granos deficientes.

Fig. 9.23 Relación entre el contenido de molibdeno en los granos de maíz, momento de fertilización superficial con nitrógeno, y porcentaje de mazorcas brotadas en maíz. La fertilización superficial con nitrógeno a (▼) 30 días; (□) 40-55 días; (●) 70-85 días. (En base a Tanner, 1978.)

En granos de trigo adecuadamente suplidos con molibdeno la mayoría del molibdeno está asociado con la nitrato reductasa, la xantina oxidasa/deshidrogenasa, y un polipéptido de 60 kDa, siendo todas las tres fracciones drásticamente deprimidas bajo deficiencia de molibdeno.

9.6.6 Deficiencia y toxicidad por molibdeno

Dependiendo de la especie vegetal y de la fuente de suministro de nitrógeno, los niveles críticos de deficiencia del molibdeno varían entre 0.1 y 1.0 μg g^-1 peso seco foliar. En semillas el contenido de molibdeno es altamente variable (ver abajo) pero, en general, es mucho mayor en leguminosas que en no leguminosas (Sección 9.5; Tabla 9.31).

En plantas deficientes en molibdeno, son comunes los síntomas de deficiencia de nitrógeno (e.g., leguminosas) y crecimiento estancado y clorosis en las hojas jóvenes (Sección 9.6.5). En especies dicotiledóneas los síntomas visuales mas típicos son una drástica reducción en tamaño e irregularidades en la formación de la lamina foliar (cola de látigo) (Fig. 9.24), causados por necrosis local en el tejido e insuficiente diferenciación de los haces vasculares en las etapas iniciales del desarrollo foliar.

Fig. 9.24 Representación esquemática de los cambios en la morfología foliar en coliflor deficiente en molibdeno (síntoma de “cola de látigo”).

La clorosis local y la necrosis a lo largo de las arterias principales de hojas maduras (e.g., “manchas amarillas” en cítricos) y la cola de látigo en hojas jóvenes pueden reflejar el mismo tipo de perturbaciones metabólicas locales, sucediendo, sin embargo, a diferentes etapas del desarrollo foliar. Cuando hay deficiencia severa también se presenta clorosis y necrosis marginal en hojas maduras con un alto contenido de nitrato.

La deficiencia de molibdeno es difunda en leguminosas y ciertas especies vegetales (e.g., coliflor y maíz) cultivadas en suelos minerales ácidos con alto contenido de hidrato de oxido de hierro reactivo y de este modo con una alta capacidad de adsorber MoO . Además, el ácido molíbdico es un ácido débil; con un pH decreciente de 6.5 a 4.5 y abajo, disminuye la disociación (MoO .→ HMoO → H₂MoO₄) y se favorece la formación de polianiones (molibdato → tri- → hexa-molibdato) lo que conduce a la disminución  en la toma de molibdeno. Estos aspectos se tienen que tener en cuenta en las mediciones para la corrección de la deficiencia de molibdeno en suelos ácidos.

Como se muestra en la Tabla 9.36, independiente de si el molibdeno es cualquiera suplido ó no, el contenido caulinar de molibdeno en soya se incrementa cuando se incrementa el pH del suelo de 5.0 a 7.0 al encalar. El efecto del tratamiento del solo encalado en el peso seco planta es similar al de la aplicación de molibdeno al suelo sin encalar. De este modo, bastante frecuentemente el encalado y la aplicación de molibdeno pueden ser alternativas para estimular el crecimiento de leguminosas en suelos minerales ácidos. El crecimiento respuesta de las leguminosas al encalado por lo tanto también depende fuertemente del estado del molibdeno en el suelo. Una combinación de ambos, encalado y suministro de molibdeno frecuentemente conducirán a un notorio consumo de lujo y a un muy alto contenido de molibdeno en las partes vegetativas de los vástagos y en las semillas.

Un alto contenido seminal de molibdeno asegura el apropiado crecimiento de la plántula y altos rendimiento finales de grano en suelos bajos en molibdeno disponible (Tabla 9.37). Correspondientemente, el efecto de la aplicación de molibdeno a un suelo deficiente sobre el crecimiento vegetal está inversamente relacionado con el contenido de la semilla y con las cantidades de molibdeno aplicadas al cultivo productor de la semilla.