D-aminoácidos en plantas: origen, probable función, e implicancias en los bioestimulantes comerciales

Los aminoácidos son moléculas orgánicas sintetizadas a partir del carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, además de azufre en dos de los 20 aminoácidos proteinogénicos que existen en plantas.  Estructuralmente están formados por un átomo de carbono (carbono α) unido a un ion hidrógeno, un grupo amino (-NH₂), un grupo carboxilo (-COOH), y una cadena lateral que los identifica.

La unión a cuatro radicales distintos define al carbono α como asimétrico.  Este atributo provoca lo que en química se conoce como quilaridad, un concepto que describe a aquellas moléculas con idéntica fórmula pero diferente estructura espacial.  Moléculas quilares se conocen como enantiómeros o isómeros ópticos, y se caracterizan porque su imagen especular no se superpone.

Con excepción de la glicina, en donde el carbono α no es asimétrico, cada aminoácido proteinogénico puede ocurrir en dos formas enantiómeras que se identifican como L y D dependiendo de la posición de los radicales en el espacio (Figura 1).  Solo los L-aminoácidos son reconocidos por los ribosomas e incorporados en las proteínas.

Origen y metabolismo del isómero D en plantas

Aun cuando parece no existir excepciones a la regla que las proteínas están compuestas sólo por L-aminoácidos (L-AA), los D-aminoácidos (D-AA) también ocurren en los sistemas biológicos.  Entre los ejemplos más conocidos está la participación especialmente de D-alanina y D-glutamato como componente estructural de la pared celular en bacterias.

Precisamente, la descomposición de las bacterias es la principal fuente de D-AA potencialmente accesibles a las plantas, los que pueden representar entre 10 a 20% de la concentración de L-AA libres en la materia orgánica del suelo ^[1].  Los transportadores de aminoácidos no discriminan eficientemente entre los isómeros D y L por lo que los D-AA pueden ser absorbidos por las raíces y movilizados en el floema.

En la planta, los D-AA pueden ser convertidos en sus respectivos enantiómeros L-AA en una reacción reversible catalizada por enzimas racemasas, o preferentemente en D-alanina por acción de enzimas transaminasas (Figura 2).  De hecho, D-alanina es uno de los mayores productos que aparecen en el perfil de aminoácidos cuando los D-AA se aplican externamente, y uno de los más tóxicos ^[2,3].

La D-alanina puede también unirse a otra molécula de la misma identidad para formar el dipéptido D-ala-D-ala por acción de la enzima alanina ligasa ^[4].  Para evitar su acumulación a niveles tóxicos, la D-alanina puede también ser exudada en la rizósfera, u oxidada para generar piruvato y amonio en una de las estrategias más seguras de procesamiento de D-AA en plantas ^[1,4] (Figura 2).

Probable función fisiológica

Los D-AA son responsables de una variedad de funciones insospechadas y muy poco comprendidas hasta la fecha, entre las que se incluye la participación de la D-serina en el crecimiento del tubo polínico observado en Arabidopsis thaliana ^[5].  En mutantes de esta especie, la pérdida de función de la enzima responsable de la conversión de L-serina en D-serina se tradujo en el crecimiento aberrante del tubo polínico, una evidencia sobre la importancia de la enzima serina racemasa en la síntesis de D-AA en plantas.

Otra función atribuible a los D-AA es el papel del dipéptido D-ala-D-ala como componente estructural de la membrana de cloroplastos en musgos ^[6].  La pérdida de función de la enzima que cataliza esta reacción de ligación se tradujo en incapacidad de los cloroplastos para dividirse, confirmando la relevancia de la enzima alanina ligasa en la regulación endógena de la D-alanina.

Los D-AA pueden también funcionar como posible fuente de nitrógeno, como se demostró en trigos para D-alanina y para el tripéptido D-ala-D-ala-D-ala, aun cuando a tasas muy inferiores a los L-AA ^[1].  Esta es la primera evidencia sobre la capacidad de las plantas para absorber no solo formas libres sino también oligómeros de D-AA generados como productos de la degradación de la pared celular de bacterias.

Implicancias en los bioestimulantes

Además de su papel como componente estructural de proteínas, los L-AA están involucrados en una variada gama procesos fisiológicos como crecimiento y desarrollo, control del pH intracelular, señalización, y generación de energía metabólica particularmente en situaciones de estrés, entre otros.

Debido a su función estimulante de procesos fisiológicos particularmente en situaciones de estrés, a partir de los 80 comienza a comercializarse bioproductos en base a aminoácidos libres derivados de la hidrólisis de proteínas para su utilización como bioestimulantes en la agricultura.  Esta hidrólisis utiliza métodos químicos o enzimáticos, o una combinación de ambos la que, dependiendo del método, puede tener impacto significativo en la calidad del producto medida en términos de la concentración de aminoácidos libres del isómero L.

Si bien la hidrólisis química genera alta proporción de aminoácidos libres, un aspecto crítico del método es la racemización, esto es, la conversión espontánea del isómero L al isómero D  particularmente cuando se utiliza hidrólisis alcalina ^[7].

La importancia de la racemización como indicador de la calidad del hidrolizado se demostró en un estudio con 22 muestras comerciales de hidrolizados de proteína de origen animal (16) y vegetal (6).  En este estudio, el grado de racemización para alanina (D-ala/(D-ala + L-ala) x 100) fluctuó entre 4,5 y 50% del isómero D-alanina atribuible principalmente a la prevalencia de métodos de hidrólisis química en estos 22 productos ^[8].

Por tratarse de un método biológico y selectivo, en tanto, la hidrólisis enzimática no genera D-AA durante la ruptura de los enlaces peptídicos.  Esto indica que el uso de bioestimulantes cuya composición contenga aminoácidos libres derivados de la hidrólisis alcalina es una fuente importante de D-AA, menos efectivos y potencialmente tóxicos, y que los vegetales no pueden utilizar directamente.

Si bien las plantas tienen la capacidad de procesar los D-AA como estrategia para reducir su potencial toxicidad, esta capacidad está condicionada a concentraciones bajo el umbral tóxico y con un costo metabólico probablemente muy superior a un eventual beneficio como fuente de nitrógeno.

PHLOEM, Abril de 2019

www.phloem.cl

Referencias

1. Hill PW, Quilliam RS, DeLuca TH, Farrar J. et al .  2011.  Acquisition and assimilation of nitrogen as peptide bound and D-enantiomers of amino acids by wheat.  Plos ONE 6:4 /e19220.
2. Gördes D, Koch G, Thurow K, Kolukisaoglu Ü .  2013.  Analyses of Arabidopsis ecotypes reveal metabolic diversity to convert D-amino acids.  SpringerPlus 2:559. http://www.springerplus.com/content/2/1/559.
3. Kolukisaoglu U, Suarez J.  2017.  D-Amino Acids in plants: new insights and aspects, but also more open questions.  DOI: 10.5772/intechopen.68539.
4. Hener C, Hummel S, Suarez J, Stahl M, Kolukisaogl U.  2018.  D-Amino Acids are exuded by Arabidopsis thaliana roots to the rhizosphere.  Int. J. Mol. Sci. 19, 1109; doi:10.3390/ijms19041109.
5. Michard E, Lima PT, Borges F, Silva AC, Portes MT, et al.  2011.  Glutamate receptor-like genes form Ca2+ channels in pollen tubes and are regulated by pistil D-serine.  Science 332:434–437. 
6. Hirano T, Tanidokoro K, Shimizu Y, Kawarabayasi Y, Ohshima T, et al.  2016.  Moss chloroplasts are surrounded by a peptidoglycan wall containing D-amino acids.  Plant Cell 28:1521–1532.
7. Colla G, Nardi S , Cardarelli M, Ertani  A, Lucini L,  et al.  2015.  Protein hydrolysates as biostimulants in horticulture.  Sci. Hortic. http://dx.doi.org/10.1016/j.
8. Cavani L, Margon A, Sciubba L, Ciavatta C, Marzadori C.  2017.  What we talk about when we talk about protein hydrolyzate-based biostimulants.  AIMS Agriculture and Food, 2(3): 221-232.