Etileno

TEMA 20.- Etileno y poliaminas
Definiciones: metionina, etileno, triple respuesta, ACC sintasa, ACC oxidasa, Malonil-ACC, climaterio, poliaminas.
Metionina: aminoácido a partir del cual se forma la S-adenosilmetionina (SAM), que es precursora de rutas metabólicas como la biosíntesis de etileno y la síntesis de poliaminas.
Etileno: molécula reguladora del desarrollo (hidrocarburo, C₂H₄), tanto en plantas como en animales, de estructura química más simple con actividad en forma gaseosa. Su efecto en plantas se produce a muy bajas concentraciones y se manifiesta prácticamente en todas las etapas de su ciclo biológico.
Triple respuesta: efecto producido por el etileno en plántulas que provoca reducciónde la elongación de los tallos (hipocótilo), aumento de la expansión lateral (modificación de microfibrillas de celulosa de la PC) y formación de un gancho en el tallo (crecimiento diageotrópico).
ACC sintasa: enzima catalizador de la conversión de SAM en ácido 1-amino-ciclopropano-1-carboxílico (ACC) en la biosíntesis de etileno; esta actividad constituye en la mayoría de los casos la etapa reguladora limitante de la producción de etileno.
ACC oxidasa: enzima catalizador de la oxidación de ACC a etileno, en la etapa final de la síntesis de etileno.
Malonil-ACC: compuesto conjugado, sintetizado mediante la acción de la ACC N-maloniltransferasa; esta síntesis es una etapa alternativa a la oxidación de ACC en etileno; este proceso se puede considerar como una forma de almacenamiento del precursor del etileno y además puede controlar la concentración de ACC disponible para la conversión a etileno.
Climaterio: En términos botánicos, el climaterio de los frutos corresponde a un período de aumento significativo de la actividad respiratoria asociada al final del proceso de maduración. Este período de respiración climatérica es una fase de transición entre la maduración y la senescencia.

Explicar brevemente la biosíntesis del etileno (sin fórmulas). Señalar qué procesos o sustancias interfieren positiva o negativamente en cada paso de la biosíntesis.
La primera etapa de la biosíntesis de etileno en la plantas superiores es la formación de S-adenosilmetionina (SAM) desde el aminoácido metionina, conversión catalizada por la enzima S-adenosilmetionina sintasa y no es específica de la síntesis de etileno.
La primera etapa específica de esta síntesis es la conversión de SAM en el ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC), a través del enzima ACC sintasa (ACS), esta actividad constituye la etapa reguladora limitante de la producción de etileno; la ACS puede ser inhibida por los ácidos aminoetoxi-vinil-glicina (AVG) o amino-oxoacético (AOA), además la ACS tiene una corta vida media debido a la inactivación de la misma por su sustrato (inactivación suicida), de tal forma que la unión del SAM al centro activo de la ACS originaría un compuesto que inactivaría irreversiblemente al enzima.
La etapa final de la síntesis de etileno la constituye la oxidación de ACC a etileno por la enzima ACC oxidasa (ACO). Esta actividad requiere de iones hierro y ascorbato, como otras oxigenasas, además se estimula por CO2. La ACO tiene una gran afinidad por su sustrato y necesita la presencia de oxígeno para su actividad; también sufre inactivación catalítica pero su mecanismo es desconocido.
Existe una etapa alternativa a la oxidación de ACC en etileno, es la síntesis del compuesto conjugado malonil-ACC, mediante la acción de la ACC N-maloniltransferasa. Este proceso es irreversible de forma que la conjugación de ACC se puede considerar como una forma de almacenamiento del precursor del etileno.
La metionina es un aminoácido minoritario en las plantas, sin embargo, su suministro está asegurado a través del reciclaje en la forma de metiltioadenosisa (MTA); el resultado neto del ciclo de la metionina o ciclo de Yang es la formación de etileno desde el anillo de ribosa del ATP, mientras que el grupo sulfidrilo se conserva para regenerar de nuevo metionina.

Explica cómo se regula la biosíntesis del etileno.
Autorregulación:la activación de la producción de etileno por el mismo gas denominada autocatálisis se ha demostrado en diferentes tejidos y es el proceso característico durante la maduración de los frutos climatéricos o la senescencia de determinadas especies de flores. Cuando la concentración de etileno ha superado un nivel umbral comenzaría la estimulación de la actividad ACS, con el consiguiente aumento de ACC y, dado que la actividad ACO ya esta previamente intensificada, se genera el aumento masivo de la producción de etileno característico durante el climaterio de los frutos. Por otro lado el etileno también puede actuar negativamente en su biosíntesis, este proceso es rápido y reversible y conlleva diferentes mecanismos: el etileno inhibe la actividad ACS y dependiendo de los tejidos puede también suprimir la ACO. También se ha demostrado que incrementa la actividad ACC-malonil-transferasa lo que ocasiona una reducción general del contenido de ACC disponible para la formación de etileno.
Auxinas:estas inducen la síntesis al aumentar la actividad de la ACC sintasa.
Estreses medioambientales (sequía, herida, infección, congelación...) pueden estimular la síntesis de etileno ya que se activan la ACS y ACO.
Estado de desarrollo en la que se encuentre la planta también influye en la síntesis de etileno ya que la velocidad de síntesis puede verse aumentada como por ejemplo en la maduración de frutos.

¿Qué bioensayo se utilizan para estimar el contenido de etileno? Explicar.
Cromatografía gaseosa: La cromatografía es un método físico de separación basado en la distribución de los componentes de una mezcla entre dos fases inmiscibles, una fija y otra móvil. En cromatografía gaseosa, la fase móvil es un gas que fluye a través de una columna que contiene a la fase fija.
En el caso de la cuantificación de etileno en un material vegetal este se aísla y se incuba en condiciones de oscuridad, a 25ºC y en una atmósfera controlada, posteriormente se extraen soluciones del mismo y se inyectan en el cromatógrafo.
Con los resultados obtenidos las cantidades de etileno se determinan por comparación con la media de las áreas de los picos - patrón de etileno.

¿Qué efecto realiza el etileno en la maduración de frutos? Explicar.
Al verse incrementada la síntesis de etileno en frutos climatéricos aumenta la concentración de CO₂ por lo que aumenta la respiración, los sustratos respiratorios, la disponibilidad de ATP y por tanto la actividad enzimática; por lo que el etileno actúa:
-Aumentando la permeabilidad: hace que se liberen enzimas degradativas por lo que se produce una aceleración de procesos metabólicos.
-Aumentando el contenido de proteínas: mayor cantidad de enzimas por mayor disponibilidad de sustratos.
-Induciendo la abscisión de frutos y hojas.
¿Qué resultado es esperable si se aplica etefón a un fruto de tomate mutante never ripe? ¿Y si se aplica a un fruto de tomate mutante ripening inhibitor? ¿Y si se aplica a un fruto de tomate normal, sin mutación alguna o wild type?
Nada porque los tomates never ripe son mutantes incapaces de responder al etileno.
En el caso del ripening inhibitor al igual que un tomate normal o un wild type se producirían efectos relacionados con la maduración, es decir, esta se vería acelerada.

Explicar la participación fisiológica del etileno en la abscisión foliar.

El etileno promueve la síntesis de enzimas que hidrolizan los polisacáridos de la pared celular lo que provoca la separación y posterior abscisión foliar.

Explicar la triple respuesta inducida por etileno en plántulas.
Consiste en la reducción de la elongación, incremento del desarrollo lateral y fomento del hábito de crecimiento en horizontal (cambio en la orientación del desarrollo), originando hipocotilos más cortos, gruesos y con gancho plumular cerrado. Este tipo de estructuras, se inducen igualmente cuando el crecimiento de las plántulas se obstaculiza mecánicamente, por lo que el etileno podría controlar las respuestas de las plantas en dichas condiciones. Esta morfología particular facilita y protege al meristemo apical durante la emergencia de la plántula del suelo. La curvatura del gancho plumular se debe a que las células de la parte interna sintetizan más etileno, esto trae consigo una redistribución de auxina que lleva a un menor desarrollo de estas células, produciéndose un cambio en la dirección de crecimiento. La acción del etileno en este proceso está modulada por la luz, cuya presencia restaura la apertura del gancho. El efecto del etileno sobre la elongación y engrosamiento se debería a una alteración en la deposición de las microfibrillas de celulosa de la pared celular.

¿Cuáles son los principales usos del etileno en la agricultura? Menciona algunos ejemplos de compuestos utilizados.
MADURACIÓN DE FRUTOS: Acelera la maduración, se utilizan para la producción de frutos antes de temporada (manzanas, tomate), para el desverdizado de cítricos.
ENRAIZAMIENTO Y PROPAGACIÓN: Estimula la formación de raíces, induce la germinación de semillas.
FLORACIÓN: Provoca femineidad, induce la floración de Bromeliáceas, acelera la abscisión de flores.
AMARRE Y DESARROLLO DE FRUTOS: Induce la abscisión de flores y frutos jóvenes (auxinas/etileno) por lo que se utilizan para el aclareo, induce la abscisión de hojas por lo que se utiliza en cultivos de recolección mecánica para la desfoliación de caducifolios.

Compuestos que desprenden y generan etileno
Etefón (ác. cloroetilfosfónico) -CEPA, Ethrel, Cepha, Florel, Bromeflor
Alsol (2-cloroetil-tris-(2-metoxietoxi) silano)-CGA 15281
DMNP (5-cloro-3-metil-4-nitro-1 H-pirazol) -release

Explica el mecanismo de acción del etileno.
El etileno es captado por un receptor situado en la membrana plasmática que transmite una señal a un dímero proteico ETR1

¿Qué son las poliaminas? ¿Cuál es su naturaleza química? ¿Son fitohormonas?
Las poliaminas son moléculas policatiónicas (cationes polivalentes con grupos amino) presentes en la mayoría de los seres vivos. Están relacionadas con los aminoácidos básicos: arginina, ornitina y ác. Glutámico. Aunque su presencia en las plantas está documentada desde hace años, su naturaleza como reguladores del desarrollo o fitohormonas se cuestiona todavía, sobre todo por su alta concentración endógena en la mayoría de tejidos, su transporte a larga distancia tampoco esta claro. Sus efectos sin embargo afectan a numerosos aspectos de crecimiento, desarrollo, senescencia y situaciones de estrés.

¿Cuáles son los principales efectos de las poliaminas sobre el crecimiento y el desarrollo?
Intervienen en la morfogénesis y división celular-no en la iniciación, sino en etapas más avanzadas: Inducen embriogénesis somática in Vitro, Espermidina actúa sobre la formación de flores, Putrescina es un buen marcador de la formación de raíces, estimulan el desarrollo del fruto, inducen la elongación del tallo
Retrasan la senescencia: Estabilizan membranas, interaccionan con ácidos nucleicos, ejercen un control de la estructura proteica y actividad enzimática, inhiben o retrasan la degradación de clorofilas, retrasan la maduración de frutos en variedades tardías.
Actúan sobre la biosíntesis de macromoléculas.
Minimizan los efectos del estrés: ya que tienen capacidad antioxidante y estabilizadora de membranas.