METABOLISMO DEL AZUFRE
1. ROL DE LAS PLANTAS EN EL CICLO DEL AZUFRE Digamos que el azufre entra en las vías de biosíntesis en los niveles de oxidación del SO4- (+6) y del S -(-2). En las plantas, la capacidad de reducir compuestos de azufre está ampliamente extendida. Las plantas son capaces de vivir a expensas del sulfato como única fuente de azufre e incorporarlo, incorporarlo, por un proceso previo de reducción a nivel de sulfuro a compuestos orgánicos orgánicos (nutrición autótrofa del S). En la reducción de nitratos se distinguen también entre la reducción asimiladora de los sulfatos y la reducción no asimiladora de los sulfatos. La reducción asimiladora de los sulfatos es un proceso de reducción en pequeña escala del sulfato necesario para la biosíntesis de compuestos orgánicos con azufre reducido. Por el contrario, la reducción no asimiladora de los sulfatos es un proceso de transformación en gran escala del sulfato a iones sulfuro cuya finalidad es el suministro de energía. La reducción asimiladora del sulfato es una propiedad de las plantas superiores mientras que la reducción no asimiladora del sulfato se limita a ciertas bacterias anaerobias obligadas ( Desulfovibrio ) en las que el sulfato sustituye al O 2 como aceptor final de electrones en la respiración celular (metabolismo (metabolismo energético). La importancia central de las bacterias y las plantas en el ciclo del S en la biosfera y su significación ecológica, debido a la capacidad de los animales para realizar esta biosíntesis y, por tanto, su estrecha dependencia de la vida de las plantas. El carácter cíclico se cierra por la posibilidad de que los compuestos reducidos de azufre sirvan como dadores de electrones sirvan como dadores de electrones para procesos de respiración aerobia o anaerobia y en la fotosíntesis fotosínt esis de determinadas determinadas bacterias (tiorrobacteriales).
Figura 1. Ciclo del azufre en el ecosistema
2. ABSORCION Y TRANSPORTE DEL SULFATO La principal forma disponible de S para las plantas son los sulfatos. Una pequeña cantidad de ellos se incorporan, sin ningún cambio de oxidorreducción, a distintos compuestos orgánicos (polisacáridos, esteroides, fenoles, sulfolipidos, etc.) o libre, como tal ion inorgánico, puede contribuir a la regulación osmótica celular. No obstante, para la mayoría de compuestos de S en la planta, sufren cambios de óxido- reducción y se incorporan a compuestos orgánicos (metionina, cisteína, ácido lipoico, glutatión, biotina, CoA, tiamina, etc.). La raíz es el órgano principal de absorción de los sulfatos, desde donde alcanzan la vía del xilema y son transportados al resto de la planta. Se cree que la absorción de los sulfatos es un proceso activo de tipo simporte de cotransporte de H+ /SO-4. El SO2 atmosférico (agente contaminante cada vez más frecuente) puede ser captado directamente por las hojas a través de los estomas y se ha comprobado su transporte por el floema, de forma que se ha postulado que el SO2 puede así alcanzar a las raíces desde su penetración por las hojas. En conclusión, el azufre presenta un ciclo en el suelo similar al del nitrógeno en cuanto a que su dinámica es dependiente de microorganismos. El S en la solución del suelo se encuentra como ion sulfato, SO42-, y así se absorbe y se transporta por el xilema. La absorción de sulfato es activa pero se produce a una velocidad relativa lenta, si se compara con la de nitrato o fosfato. También se puede absorber por los estomas es forma de dióxido de azufre, y así puede ser utilizado por la planta. No obstante el SO2 se considera un agente contaminante atmosférico, que proviene de la combustión de carbono fósil, que hace disminuir el proceso fotosintético al disminuir la clorofila. El sulfato, al igual que el nitrato, una vez dentro de la planta se asimila, fundamentalmente en hoja, antes de incorporarse a un esqueleto de carbono o molécula orgánica. 3. REDUCCION Y ASIMILACION DEL SULFATO
La planta absorbe por las raíces sulfato, que no es susceptible de ser incorporado en materia orgánica, ya que el sulfato es bastante estable. Para fijarse tiene que experimentar un proceso de reducción para llegar a la forma de sulfuro, que va a ser compatible con la formación de materia orgánica. La reducción asimiladora se produce cuando a partir del sulfato se reduce a cisteína. La transformación del sulfuro a sulfato se realiza por oxidación quimiosintética o bien por oxidación respiratoria. Existe la forma de incorporación de sustrato en forma de ésteres para mantener estructuras de ciertos polisacáridos, de fenoles y de otros compuestos. La planta dispone de trazas de óxido de azufre y ácido sulfhídrico que son absorbidos por los estomas a partir de la actividad volcánica e industrial.
El sulfato se incorpora progresivamente a medida que aumenta la concentración de sulfato en el medio. Esto indica que no hay transportadores específicos de sulfato porque no se saturan. Por ello tienen que existir varios mecanismos de transporte y tiene que existir algún mecanismo fisiológico de secuestración por acumulación en vacuolas. Es dependiente de ATP y cuando existe compartimentalizaciones, la propia compartimentalización es un mecanismo de regulación. REDUCCION DEL SULFATO A CISTEINA El Ión sulfato va a ser la fuente de absorción de azufre por la planta. Para que el azufre sea incorporado a materia orgánica va a tener que reducirse y va a haber unos pasos de asimilación. La fijación de azufre a forma orgánica va a tener lugar a través de acetil serina, siendo el primer aminoácido que se obtiene cisteína. De la disponibilidad de cisteina depende la disponibilidad de metionina, y de la metionina depende la de S-Adenosilmetionina. Así se afecta a procesos tan fundamentales como regulación de la expresión génica de forma directa y de forma indirecta porque también dependen del etileno y de la poliamida. El azufre también es básico para la formación de todos los derivados de cisteína y también para las vías de degradación. La cisteína es el compuesto de entrada del azufre reducido a la materia orgánica. La O-acetilserina es la forma activa para la biosíntesis de la cisteína en plantas. A partir de la serina, el enzima serina acetil transferasa cataliza la reacción de la O- acetilserina que es el substrato de la cisteína sintasa (O-acetil-2-serina sulfidrilasa). La transferencia del sulfuro unido, XSSH (persulfuro), requiere la rotura reductora del enlace azufre- azufre del persulfuro. El portador, en estado oxidado, [XS]ox, debe de nuevo ser reducido para poder servir como aceptor del grupo sulfo en la formación sulfato unido, para lo cual se requieren dos electrones que podrían ser suministrados por el NADPH del cloroplasto. Una vez sintetizada la cisteína, las plantas son capaces de sintetizar a partir de ella el aminoácido metionina y los distintos compuestos orgánicos azufrados del metabolismo primario (biotina, ácido lipoico, tiamina, CoA, etc.) y secundario (glicósidos- S, antibióticos- S, etc.). La vía prioritaria, en las plantas, de biosíntesis de la metionina es por transulfuración para formar homocisteína, seguido de metilación a metionina.
Figura 2. Asimilación del sulfato
ACTIVACION DEL SULFATO El sulfato es un compuesto relativamente poco reactivo. Por ello, el metabolismo del sulfato requiere previamente de su activación biológica. Este proceso de activación del sulfato es común tanto a los microorganismos y plantas como a los animales. En un primer paso, el sulfato reacciona con el ATP para formar adenosina 5’ fosfosulfato (APS). Esta reacción es catalizada por el enzima ATP sulfurilasa (ATP: sulfato-adenililtransferasa) y transcurre con un equilibrio desfavorable para la formación de APS. La posterior activación de APS se consigue por la acción del enzima APS quinasa (ATP: 5’ adenililsulfato -3’ – fosfotransferasa) que cataliza la reacción irreversible. El pirofosfato producido en la primera reacción es hidrolizado por acción de la pirofosfata inorgánica. Por acción de las tres reacciones se consiguen las condiciones termodinámicas y de equilibrio necesarias para la acumulación del sulfato activo o 3’ - fosfatoadenosina- 5’- fosfosulfato (PAPS), pues si bien la primera reacción requiere de energía, la segunda y la tercera son exergónicas y, al mismo tiempo, favorecen el equilibrio hacia la derecha, por separación de los productos de la primera reacción (APS y PP i ). La formación de PAPS representa así una vía común presente tanto en animales como en vegetales. Para un metabolismo anabólico posterior, los animales no disponen de los sistemas enzimáticos para la reducción del sulfato a nivel de sulfuro y su incorporación del sulfato a compuestos orgánicos. Solo es común en animales y vegetales la utilización de PAPS para procesos de incorporación del sulfato a compuestos orgánicos, preferentemente en forma de esteres, por la actividad de la sulfotransferasas. En las plantas se forman, por este mecanismo, esteres sulfato, por ejemplo del tipo colina-sulfato, flavonoidessulfato, polisacárido- sulfatos y glicósidos de aceite de mostaza.
HIPÓTESIS QUE TRATAN DE DEFINIR LA VÍA DE REDUCCIÓN DEL SULFATO EN LAS PLANTAS. Una hipótesis es que el APS (adenosina- 5’-fosfosulfato) se va a incorporar a través de un transportador intermediario para incorporar el azufre por reducción. La otra hipótesis del PAPS (3’-fosfato-adenosina-5’ fosfosulfato) se da preferentemente en heterótrofos ya que es común con los vegetales solo para procesos de incorporación de sulfato a compuestos orgánicos (esteres). La vía intermediaria se da en plantas superiores. Existe una interconexión entre APS y PAPS incluso en plantas. En plantas el sulfato va a ser incorporado junto con un transportador. El transportador es una molécula con grupos tilo. Dentro de los precursores está el glutatión y las fitoquelatinas. Las fitoquelatinas funcionan esencialmente en la resistencia de las plantas a metales pesados. Son capaces de secuestrar ciertos metales y entre ellos metales pesados.
REDUCCION DEL SULFITO Se conocen dos sistemas enzimáticos capaces de reducir al sulfito en las plantas: la sulfito reductasa y la tiosulfato orgánico reductasa. La primera actúa sobre sulfito libre, SO 3- , la segunda con sulfito unido, XSSO 3- . En ambos casos, se trata de una reducción directa, sin pasos intermedios en los estados de valencia del azufre y que requiere de 6 electrones, al igual que la nitrito reductasa que opera en la reducción del nitrito a amonio y la nitrogenasa que cataliza la reducción del N2 atmosférico a amonio. Otra propiedad común de estos enzimas es la utilización de la ferredoxina reducida como dador de electrones. La sulfito reductasa cataliza la reducción del sulfito libre por medio de la ferredoxina, en las plantas superiores, y el NADPH, en microorganismos. Muy similarmente a la nitrito reductasa contiene un sirohemo y un centro Fe 4S4 por cada una de sus dos subunidades. La tiosulfato orgánico reductasa (tiosulfonato reductasa) cataliza la reducción del sulfito unido a sulfuro unido, mediante ferredoxina reducida. En Chlorella y espinaca son los principales materiales en los que se ha estudiado esta enzima.
Figura 3. Reacciones de la reducción de sulfito.
LUGARES DE ASIMILACION DEL SULFATO El metabolismo de la reducción del sulfato precisa de una conexión con el metabolismo energético (necesidad del ATP) y de la disponibilidad de equivalencia de reducción (NADPH, ferredoxina reducida). Al descubrirse que la luz influía en la reducción del sulfato en hojas seccionadas pronto fue objeto de una intensa investigación. Fruto de estos estudios ha sido la comprobación de la localización preferencial de estos enzimas (ATP sulfurilasa, APS quinasa, APS sulfotransferasa, tiosulfato orgánico reductasa, sulfito reductasa, cisteína sintasa) en los cloroplastos o proplastidios y, mucho más raramente en mitocondrias. Ello explica el gran papel de las hojas en dicho metabolismo y la función mucho más secundaria de las raíces. En el mismo sentido hablan la ausencia o las bajas concentraciones de compuestos de azufre reducidos en el xilema. En plántulas en desarrollo juegan un papel importante los proplastidios de las raíces, así como en determinadas condiciones de estrés. En plantas C-4, la ATP sulfurilasa y la APS sulfotransferasa muestran actividad casi exclusivamente en las células de la vaina. En tanto, las células de la vaina como del mesófilo presentan actividad sulfito reductasa y cisteína sintasa.
Figura 4. Deficiencias de azufre (S).
SINTESIS DE METIONINA Junto a la cisteína, la metionina es uno de los dos aminoácidos proteinogénicos que contienen azufre. Este deriva de la S-Adenosil metionina (SAM), sirviendo como donante de metilos (la SAM también es usada por las plantas en la síntesis del etileno, en un proceso conocido como ciclo de la metionina o ciclo de Yang). La metionina es un intermediario en la biosíntesis de la cisteína.
4. INCORPORACION DEL AZUFRE REDUCIDO A COMPUESTOS ORGANICOS El sulfito tiene que transformarse en una forma compatible para su asimilación. Esa forma reducida es el sulfuro. Para que el sulfato entre a la reducción, necesitamos energetizarlo con ATP. Para ello se utiliza la ATP-sulfurilasa. Con ello pasamos de adenosínfosfosulfato a pirofosfato. El paso siguiente es la reactivación de adenosínfosfosulfato con ATP para dar lugar a fosfoadenosinfosfosulfato. Obtenemos 2 formas de sulfato activo, y esto trae como consecuencia muchos problemas para explicar los mecanismos de reducción de S2. Es probable que la reducción de SO42- a SO32- sea mediante dos vías. La primera parte de adenosinfosfosulfato y la otra necesita fosfoadenosinfosfosulfato para incorporarse. La necesidad de tener PAPS (fosfoadenosinfosfosulfato) se da en heterótrofos (levaduras, algas, bacterias) mientras que la APS se da en autótrofos (algas verdeazuladas, protozoos,...) Una hipótesis es que el APS se va a incorporar a través de un transportador intermediario para incorporar el azufre por reducción. La otra hipótesis del PAPS se da preferentemente en heterótrofos. La vía intermediaria se da en plantas superiores. Existe una interconexión entre APS y PAPS incluso en plantas. En plantas el sulfato va a ser incorporad junto con un transportador. El transportador es una molécula con grupos tilo. Dentro de los precursores está el glutation y las fitoquelatinas. Las fitoquelatinas funcionan esencialmente en la resistencia de las plantas a metales pesados. Son capaces de secuestrar ciertos metales y entre ellos metales pesados.
Figura 5. Ciclo del azufre.
5. REDUCCION FOTOSINTETICA DEL SULFATO. Los experimentos con isotopos marcados ( 32S), con el seguimiento de la cinética de la secuencia de transformación de los compuestos azufrados, en cloroplastos, rotos o reconstituidos, y el estudio de los sistemas enzimáticos del cloroplasto o de homogeneneizados de hojas y algas, así como las investigaciones sobre la influenza de la luz y de la fotosíntesis , permiten ya establecer que la reacción asimiladora de los sulfatos es uno de los procesos fotosintéticos que ocurren en el seno del estroma de los cloroplastos (fotosíntesis del S). De acuerdo con la figura 6, este esquema operaria en el seno del cloroplasto, en el que se han aislado los sistemas enzimáticos y metabolitos intermediarios y en el que aporte energético (ATP) y de equivalentes de reducción (NADPH y Fd red) provendría directamente del acoplamiento con el proceso primario o lumínico de la fotosíntesis. De forma sumaria, el acoplamiento entre el proceso primario de la fotosíntesis (formación del poder asimilador: ATP, NADPH y Fd red) y la fijación y reducción del sulfato, se considera que ocurre el esquema de la figura 7, en donde se puede observar que el equivalente de reducción es suministrado bien directamente por la ferredoxina reducida o bien, indirectamente, a partir de ella por formación del piridín nucleótido reducido, NADPH.
Figura 6.Esquema global del metabolismo de la reducción asimiladora del sulfato en plantas.
Figura 7. Esquema del acoplamiento entre el proceso primario de la fotosíntesis y la fijación del sulfato.
6. REGULACION DE LA REDUCCION DEL SULFATO Los bajos niveles de cisteína y metionina en las plantas comparando con los de otros aminoácidos, sugieren un estrecho control del metabolismo que conduce a estos aminoácidos. Un primer nivel de regulación del sulfato que es un proceso activo. El incremento interno de sulfato y cisteína reducen dicha absorción.
Un segundo nivel más complejo es la regulación de enzimas de la reducción asimiladora del sulfato que pueden afectar tanto a su actividad como a su concentración. La ATP sulfurilasa y la APS sulfotransferasa son dos enzimas clave de esta regulación. En general, diversos factores fisiológicos (concentración de SO 4- en el medio, APS, 5’ AMP, cisteína, nutrición y metabolismo nitrogenado, etc.) ejercen un control mayoritariamente negativo sobre estas enzimas. A nivel del primer enzima se supone que puede haber una regulación positiva desde algún compuesto del metabolismo nitrogenado que permitiría coordinar ambos procesos, tan estrechamente ligados metabólicamente en la planta.
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