26.- CITOQUININAS. Introducción. Naturaleza química. Relación entre estructura química y actividad biológica. Clasificación. Metabolismo. Transporte. Efectos fisiológicos. Mecanismo y modo de acción. Receptores. Introducción CITOQUININAS: hormonas vegetales que promueven la división y diferenciación celular. En 1955, Miller y Skoog consiguieron preparar por tratamiento térmico de ADN un compuesto, el 6-furfurilamino purina, que promovía la división celular. Denominaron a esa sustancia quinetina y llamaron a los reguladores que se incluían dentro de este grupo citocininas (citoquininas), debido a su aparente implicación en los procesos de citocinesis, o división celular. La quinetina es una citocinina artificial que probablemente no existe en plantas de modo natural, tiene una estructura relativamente simple y es activa a 10-9 M. En 1964, Letham y sus colaboradores aislaron una citoquinina natural a partir de semillas de maíz (Zea mays), a la que denominaron zeatina, la cual es la citoquinina natural más activa que se conoce. Actualmente se han aislado citoquininas de muchas especies diferentes de plantas, encontrándose fundamentalmente en órganos cuyos tejidos se están dividiendo de forma activa, es decir, en semillas, frutos y raíces. Recientemente, las citoquininas se han identificado en dos plantas vasculares sin semillas, un equiseto (Equisetum arvense) y el helecho Dryopteris crassirhizoma. Naturaleza química Son derivados de la adenina. La biosíntesis está asociada a regiones de la planta con actividad meristemática (meristemos apicales y cámbium), especialmente en tejidos en crecimiento (semillas, frutos y raíces). Relación biológica entre estructura química y actividad En su estructura química puede distinguirse: grupo hidrofílico muy específico (la adenina), cuyas alteraciones reducen o alteran la actividad de la citoquinina. grupo lipofílico de poca o nula actividad, correspondiente a la cadena lateral que puede sustituirse dando compuestos con menor o mayor actividad. Clasificación Se clasifican en cuatro grupos, en función del sustituyente en el nitrógeno 6 de la adenina: Isoprenoides: o Cadenas saturadas (dihidrozeatina) o Cadenas insaturadas (trans-zeatina) Aromáticas: o Quinetina (sintética) o N6-benciladenina (BA) (endógeno) Compuestos tipo citoquininas: o Fenilureas (sintéticas, no derivadas de adenina) Otros: o Alcohol dihidroconiferílico o Leucoantocianinas y otros fenoles Biosíntesis de citoquininas De novo Vía t-RNA Vía infección bacteriana Biosíntesis de citoquininas directa (DE NOVO) Tiene lugar gracias a una serie de reacciones catalizadas por diversos enzimas, algunos de ellos aún desconocidos: 1) DMAPP (AMP transferasa / isopentenil transferasa) 2) Trans-hidroxilasa 3) 5’- Nucleotidasa (defosforilación) 4) Adenosin nucleosidasa 5) 5’- Nucleotidasa (defosforilación) 6) Nucleosidasa 7) Hidroxilasa 8) Hidroxilasa 9) Trans-hidroxilasa 10) Trans-hidroxilasa 1 5 6 2 9 3 10 4 8 7 t – RNA como fuente de citoquininas Durante años: Nucleótidos cuyas bases han sido modificadas para formar citoquininas. t-RNA asociados a codones: U- 50% de citoquininas libres procedentes del t-RNA Problemas: Hidrólisis de t-RNA hasta el nivel mononucleótido (células senescentes) Rotura del t-RNA en todos los tejidos Cis-zeatina es la citoquinina más abundante en el t-RNA Biosíntesis vía infección bacteriana Algunas bacterias patógenas de plantas expresan genes para la biosíntesis de citoquininas. Estas citoquininas son utilizadas por las bacterias para estimular el crecimiento de la planta infectada. A. tumefaciens produce tumores en las plantas mediante un plásmido inductor (Ti) que contiene genes relacionados con la producción de citoquininas. Enzimas metabólicos 1. Conversiones entre bases-nucleótidos y nucleotidos Son enzimas con elevada afinidad por adenina y AMP. Mutantes deficientes en APRTasa aislados de Arabidopsis permitieron conocer dos de los genes que codifican para el enzima (ATP1 y ATP2). 2. o d i f i c a c M 2. Modificaciones de la adenina N-glucosilación: está restringida a citoquininas con bases libres. Las citoquininas N-glucosiladas en el N3, N7 o N9 del anillo de la base púrica no son activas, reducen la cantidad de citoquininas activas en respuesta a condiciones fisiológicas. Conjugación con alanina: produce metabolitos extremadamente estables e inactivos, reduciendo también la cantidad de citoquininas activas. 3. Modificación de la cadena isoprenoide Citoquinin oxidasas: degradan cadenas insaturadas por oxidación, convirtiendo citoquininas activas en adenina. Son susceptibles bases y nucleósidos pero no nucleótidos. Glucosil transferasa: las citoquininas O-glicosiladas en el grupo OH de las posiciones 7 o 9 de la cadena son más resistentes a la acción de oxidasas. β-glucosidasas: restauran la actividad de citoquininas Zeatin reductasa: reduce trans-zeatina a dihidrozeatina, requiere NADH como cofactor. Zeatin isomerasa: favorece la conversión cis-trans-zeatina. Hidroxilasa: hidroxilación del isopentenil, requiere NADPH. Transporte Se sintetizan en el ápice de la raíz y se encuentran en xilema, floema y hojas; esto indica que el transporte es xilema-floema. Se transportan por vía acrópeta, desde el ápice de la raíz hasta las hojas, moviéndose a través de la savia en los vasos correspondientes al xilema. Efectos fisiológicos Inducen división celular junto con auxinas. Alterando ligeramente las concentraciones relativas de auxina y citoquinina, los investigadores han podido modificar el desarrollo de las células indiferenciadas de los cultivos de tejidos. Una concentración más o menos igual de las dos hormonas hace que las células sigan indiferenciadas, formando masa de tejido llamadas callos. Cuando la concentración de auxina es superior, el tejido indiferenciado organiza raíces. Con una concentración superior de citoquininas, se forman yemas. citoquininas / auxinas = 1 → callos citoquininas / auxinas < 1 → promueve elongación de raíces citoquininas / auxinas > 1 → promueve formación de tallos Activan el crecimiento (rompen la dormición) de las yemas laterales. Inducen formación de yemas adventicias Retardan la senescencia en las hojas (promueven síntesis de clorofila y desarrollo de cloroplastos) y estimulan la movilización de nutrientes. Inducen partenocarpia en algunos frutos Estimulan la pérdida de agua por transpiración Estimulan la formación de tubérculos en patatas Estimulan diferenciación celular Mantienen la síntesis de proteínas Inducen la formación de órganos en cultivo de tejidos: morfogénesis Eliminan la dormición que presentan yemas y semillas de algunas especies Factores que influyen sobre la actividad Luz roja: provoca un aumento rápido del nivel de citoquininas. Temperatura: el paso de las citoquininas desde la raíz al xilema es mayor a bajas temperaturas. Rotura de la dormición: aumenta el nivel de citoquininas. O2 atmosférico: a altas concentraciones promueve la germinación e incrementa el nivel de citoquininas. KNO3 ó (NH4)2SO4: aplicados al suelo aumenta el nivel de citoquininas en hojas y xilema. Carencia de P: disminuye el nivel de citoquininas. Estres debido a sequía, inundación, salinidad, bajo pH: disminuye el nivel de citoquininas en tejidos y xilema. Mecanismo y modo de acción Regulan la síntesis proteica afectando a las etapas posttranscripcionales en algunas especies. Además su presencia en los ARN-t puede regular la síntesis proteica aunque este mecanismo es aún desconocido. Por otro lado, la síntesis de citoquininas por los tejidos de las agallas en corona produce la transformación de las células. Receptores Existe controversia entre si el funcionamiento es igual para las citoquininas con base adenina y las fenilureas. Se han identificado proteínas con receptores específicos de citoquininas, la unión produce un cambio conformacional que emite una señal en cascada de fosforilación/defosforilación de la cadena o de proteína G. Sara Pérez García (Curso 2005-2006)