Transporte de aminoácidos en vegetales
Marisa Aguilar y Manuel G. Claros
El transporte de metabolitos se puede clasificar en dos grupos (Figura 1):
1) Transporte no mediado, que ocurre por difusión, atravesando una molécula la membrana impulsada por su gradiente de potencial energético.
2) Transporte mediado, que ocurre por acción de proteínas transportadoras denominadas permeasas, translocasas, transportadores o portadores.
Termodinámicamente, el transporte mediado puede dividirse en:
a) Pasivo o difusión facilitada, que ocurre igual que la simple difusión pero aquí las moléculas atraviesan la membrana ³ayudadas² por unas proteínas específicas
b) Activo, en el cual las moléculas se transportan a través de la membrana en contra de un gradiente de potencial energético. Al ser éste un proceso endergónico, ha de estar acoplado a otro proceso lo suficientemente exergónico para que sea favorable energéticamente.
El transporte activo puede dividirse en: b.1) primario, cuando el transporte está ligado directamente a una reacción química como la hidrólisis de ATP. b.2) secundario, donde la translocación de la especie en contra del gradiente electroquímico está acoplada al transporte de otra especie a favor de dicho gradiente, de modo que la magnitud absoluta de la energía libre es lo suficientemente alta para impulsar el transporte de ambas especies.
El transporte mediado también puede clasificarse según la estequiometría del proceso en: uniporte cuando sólo se transporta una sola molécula, simporte cuando se transportan dos moléculas a la vez en el mismo sentido, y antiporte cuando se transportan dos moléculas en sentido opuesto.
Figura 1. Clasificación de los distintos tipos de transporte de metabolitos
La mayoría del transporte asociado a membranas biológicas es mediado por proteínas de membrana que contienen dominios hidrofóbicos con estructura de alfa-hélice y en algunos casos de lámina-beta. Podemos distinguir bombas, canales y portadores (carriers). Las bombas median el transporte activo primario. Los canales catalizan la difusión facilitada formando canales transmembrana o poros en los que queda un camino acuoso a través del cual pueden difundir selectivamente distintos sustratos. Los portadores median el transporte activo secundario y la difusión facilitada uniendose a sus sustratos específicos, transportándolos a través de la membrana y liberándolos en el otro lado. Las proteínas transportadoras pueden clasificarse en distintas superfamilias cuyos miembros existen en todas las especies, desde micoplasmas a humanos. Una de éstas es la superfamilia principal de transportadores facilitadores (MFS), caracterizada por presentar 2 unidades estructurales de 6 dominios transmembrana cada uno. Esta superfamilia MFS puede dividirse en varias familias, siendo las de azúcares, aminoácidos, y la de permeasas que confieren resistencia a fármacos (MDR) las de mayor número de miembros.
La toma de nitrógeno es de vital importancia para el desarrollo de las plantas, pues al igual que el fosfato y el potasio, el nitrógeno es uno de los principales nutrientes limitantes en el suelo. El metabolismo del nitrógeno y su transporte es poco conocido en plantas superiores debido principalmente a la dificultad de purificar proteínas integrales de membrana, ensayar su actividad y la complejidad de su regulación. En los últimos años, mediante expresión heteróloga de genes en Xenopus y en Saccharomyces cerevisiae, se ha conseguido la identificación y caracterización de muchos de estos transportadores. Las fuentes de nitrógeno del suelo más importantes son nitrato, amonio y aminoácidos. Estos nutrientes se absorben por las raíces y se incorporan metabólicamente en las mismas o bien, se transportan a otros órganos que pueden estar alejados. Dependiendo de la planta, el nitrato puede ser reducido en las raíces o transportado a través del xilema a las hojas, donde la energía fotosintética es usada para la producción de aminoácidos. En el caso del amonio, la asimilación ocurre mayoritariamente en las raíces. El nitrógeno orgánico puede ser almacenado transitoriamente en distintos órganos vegetativos en forma de proteínas de almacenamiento, o bien puede ser transportado en forma de aminoácidos, aminas y ureidos por el sistema vascular (floema y xilema). Las plantas usan preferentemente determinados aminoácidos para ser transportados a larga distancia: arginina, asparagina, glutamato y glutamina. La similar composición de aminoácidos en el mesófilo y en la savia del floema y del xilema de las hojas sugiere que los transportadores implicados han de ser de amplio rango de especificidad. Estudios bioquímicos realizados en vesículas de membrana plasmática indican la existencia de una permeasa de aminoácidos de baja especificidad, tratándose de un simporte acoplado a protones (transporte activo secundario). En S. cerevisiae, además de un transportador general de aminoácidos, existe un transportador específico para cada aminoácido. En otros organismos unicelulares se han identificado tres sistemas de transporte de aminoácidos: uno para ácidos, uno para básicos y otro para neutros. En plantas superiores éste es un asunto controvertido. Así, hay investigadores que defienden la existencia de un solo sistema general de transporte, mientras que otros hablan de una multiplicidad de sistemas (hasta llegar a siete). Por ejemplo en hojas de remolacha hay cuatro sistemas (uno de aminoácidos ácidos, otro de básicos y dos de neutros), en Arabidopsis se han encontrado tres familias: las permeasas AAP que constituyen el sistema general de transporte al reconocer a un amplio espectro y cotransportan protones, las permeasas AAT que constituye un sistema de mayor afinidad, relacionadas con los transportadores de aminoácidos de mamíferos, y las permeasas NTR1 que transportan péptidos con alta afinidad.
La clonación de la mayoría de transportadores de aminoácidos se ha conseguido gracias a la complementación de mutantes de levaduras. Así, en Arabidopsis se ha conseguido identificar cinco permeasas de la familia AAP (AAP1-5); por experimentos de competición y de toma directa de aminoácidos, estas permeasas se clasificaron en dos subfamilias: permeasas que reconocen a aminoácidos ácidos y neutros (AAP1, 2 y 4) y transportadores generales que reconocen a todos (AAP3 y 5). La diferencia esencial entre estas permeasas reside en patrones de expresión tisular y etapas de desarrollo. Por último, señalar que a pesar de que la mayoría de los transportadores de aminoácidos en plantas son de amplio rango, éstos difieren con respecto a sus afinidades hacia aminoácidos individuales; esto lleva a pensar en la existencia de distintos requerimientos y preferencias por determinados aminoácidos según el tipo celular.
Marisa Aguilar y Manuel G. Claros son doctoranda e investigador, respectivamente, del Departamento de Bioquímica y Biología Molecular.