Estrés oxidativo en plantas; una consecuencia inevitable del metabolismo aeróbico
La aparición del oxígeno en la tierra hace más de 2 billones de años no solo dio origen a la vida sino también a una manera natural de provocar la muerte debido a su tendencia para activarse y generar especies reactivas con capacidad para destruir macromoléculas. Este gas tiene su origen en la fase clara de la fotosíntesis y, aun cuando el estado basal de la molécula es relativamente estable, sus dos electrones desapareados lo hacen vulnerable a activarse e iniciar el estrés oxidativo en cualquier sistema biológico aeróbico.
Causas
El estrés oxidativo es una condición fisiológica causada por la activación del oxígeno molecular (O2) para generar especies de oxígeno reactivo (ROS, por su sigla en inglés). Esta condición es parte del metabolismo celular y solo adquiere importancia cuando ocurre un desbalance entre la producción de ROS y los mecanismos de defensa.
La activación del O2 puede iniciarse por la transferencia de electrones desde la clorofila al O2 cuando la molécula absorbe energía lumínica. La consecuencia de esta fotoactivación es la producción de oxígeno singlete (1O2), el principal ROS generado en células vegetales que experimentan alta intensidad lumínica, o fotoinhibición.
La activación del O2 también puede ocurrir por la adición secuencial de un electrón para generar superóxido (O2•−), peróxido de hidrógeno (H2O2) y radical hidroxilo (OH•). Estos intermediarios son todos químicamente reactivos, y tóxicos cuando colisionan con una molécula orgánica y extraen sus electrones.
El radical superóxido se produce en compartimentos celulares donde existe drenaje de electrones, como en la cadena transportadora entre los fotosistemas I y II en el cloroplasto, entre los complejos I y III en la mitocondria, o en reacciones de óxido-reducción. No obstante, existe consenso en que el principal sitio de generación de O2•− es el fotosistema I, cuando un electrón se traspasa al O2 en lugar de utilizarse para reducir el NADP+ a NADPH (Figura 1).
El peróxido de hidrógeno se produce en cualquier sitio celular donde exista superóxido, así como directamente a partir del O2 en peroxisomas (Figura 1). Es más estable y menos tóxico que otros ROS ya que no tiene electrones desapareados (no es un radical libre). No obstante su menor toxicidad, es el sustrato a partir del cual se genera el radical hidroxilo, el más potente oxidante en sistemas biológicos.
Los radicales hidroxilo pueden también generarse en reacciones catalizadas por metales de transición como hierro (Fe2+/Fe3+) y cobre (Cu+/Cu2+). Estas reacciones se conocen como de Fenton y de Haber-Weiss, y ocurren naturalmente en todas las células donde está presente el H2O2.
Fuentes exógenas como radiación UV-B, ozono y dióxido de azufre también se han asociado con la formación de ROS, entre las cuales el ozono parece ser el de mayor impacto en células vegetales. A estas fuentes se agregan herbicidas cuyo mecanismo de acción radica, precisamente, en la generación de ROS suficiente para anular los mecanismos de defensa y provocar la muerte de las plantas.
Mecanismos de defensa
Todas las especies aeróbicas han desarrollado estrategias múltiples para detoxificar ROS. La primera línea de defensa es la dismutación (transformación) del superóxido a peróxido de hidrógeno por la enzima superóxido dismutasa (SOD) (Figura 1). Esta enzima tiene requerimientos absolutos de Cu, Fe y manganeso (Mn) dependiendo de la isoforma que se trate (CuZnSOD, FeSOD, MnSOD), por lo que su funcionalidad está íntimamente ligada a la disponibilidad de estos micronutrientes en la planta.
La detoxificación del H2O2 ocurre por la actividad de la enzima catalasa, cuando este ROS se ha producido en el peroxisoma durante la fotorespiración. Las células combinan mecanismos enzimáticos y no enzimáticos para detoxificar el H2O2, cuando esta especie se ha producido en otros compartimentos celulares. Es el caso de las enzimas ascorbato peroxidasa y glutationa peroxidasa, que utilizan el ascorbato y el glutatión como sustrato para extraer electrones en una estrategia que se conoce como el ciclo del ascorbato-glutatión (Figura 2).
Entre las moléculas de naturaleza lipofílica, el α-tocoferol (vitamina E) es considerado el mayor antioxidante de lípidos en membranas biológicas. Su ubicación en el cloroplasto le permite proteger a las membranas tilacoidales de la peroxidación, asociado a los componentes del ciclo ascorbato-glutatión. De hecho, ascorbato, glutatión y α-tocoferol se conocen como la triada de moléculas antioxidantes más potente en la respuesta de las plantas a estreses abióticos [2] (Figura 2) .
Además de su función antioxidante, la habilidad del ascorbato (vitamina C) para reducir Fe3+ y Cu2+ le permite también actuar como pro-oxidante y, de esta manera, contribuir a la producción de radicales hidroxilo en la reacción de Fenton y Haber-Weiss [3].
Todos estos mecanismos de defensa contra ROS funcionan de manera coordinada y, paradójicamente, son activados por los mismos factores adversos que estimulan el estrés oxidativo. La excepción es el radical hidroxilo que, a diferencia de otras especies reactivas, no tiene mecanismos específicos de detoxificación y es la causa primaria del daño a proteínas, ácidos nucleicos y lípidos de membrana.
Implicancias de la reacción de Fenton y la importancia de los micronutrientes
Aun cuando el Fe, Cu y Mn desempeñan un papel central en la actividad de la enzima SOD, su capacidad para ceder electrones les permite también funcionar como pro-oxidante e iniciar el estrés oxidativo. De hecho, esta condición fisiológica no sería posible sin la presencia de Fe y Cu en la célula demostrándose que, cuando están en exceso, su remoción prácticamente termina el estrés oxidativo [1].
De lo anterior se infiere las implicancias que la reacción de Fenton pudiera tener cuando el Cu, Fe y Mn no se encuentran en concentraciones adecuadas en la planta. Entre éstos el más relevante es el Cu ya que, aun cuando menos abundante que el Fe, es mucho más soluble a pH fisiológico y más potente catalizador de esta reacción química que ocurre con particular intensidad en cloroplastos, el compartimento celular aeróbicamente más activo de las plantas.
PHLOEM, Octubre de 2018
www.phloem.cl
Referencias
- Demidchik V. 2015. Mechanisms of oxidative stress in plants: From classical chemistry to cell biology. Environ. Exp. Bot. 109: 212–228.
- Szarka A, Tomasskovics B, Bánhegy G. 2012. The ascorbate-glutathione-α-tocopherol triad in abiotic stress response. Int. J. Mol. Sci. 13:4458-4483.
- Smirnoff N. 2018. Ascorbic acid metabolism and functions: A comparison of plants and mammals. Free Radic. Biol. Med. 122: 116–129.