La Respuesta Hipersensible

Jaime Garrido
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La respuesta hipersensible (HR) es una respuesta rápida y local, dirigida a impedir la entrada y/o dispersión del patógeno en la planta. Se inicia tras el reconocimiento del patógeno e implica la activación de un programa de muerte celular, la síntesis de sustancias defensivas y el refuerzo de la pared celular. Intervienen en el proceso ROS (Especie reactiva de oxígeno), NO (Oxido nitroso II) y SA (Ácido salicílico), y en definitiva conduce a la resistencia a la enfermedad (SAR).

Entre los acontecimientos que ocurren en la respuesta hipersensible podemos señalar:

  • Muerte de células infectadas
  • Limitación de nutrientes al patógeno y daños al patógeno
  • Refuerzo de la pared celular y limitación de la expansión del patógeno y sus productos
  • Síntesis de sustancias defensivas
  • Prevención del ataque de microorganismos oportunistas
  • Conduce a la resistencia a la enfermedad

Los acontecimientos que se producen en la respuesta defensiva de las plantas los podemos clasificar en tres fases:

  1. Reconocimiento
    1. De elicitores inespecíficos mediado por interacción R-Avr
  2. A corto plazo en tejidos infectados
    1. Muerte celular programada (por HR)
    2. Producción de SA, ROS y NO
    3. Refuerzo pared celular
    4. Síntesis de sustancias defensivas
    5. Producción de señales
    6. Muerte del patógeno
  3. A largo plazo en tejidos no infectados
    1. Percepción y producción de señales
    2. Resistencia sistémica adquirida (SAR)

Muerte celular

La muerte celular puede ocurrir por dos vías, una de ellas es la denominada apoptosis o muerte celular programada (PCD) y la otra es la necrosis debida a traumas o a tóxicos exógenos. En estos casos nos podríamos preguntar si la muerte celular es un suicidio o un asesinato.

respuesta hipersensible y muerte celular

En plantas, no se sabe muy bien si ocurre una verdadera apoptosis al igual que en las células animales, puesto que hay una participación de las enzimas proteolíticas, pero no existe la formación de cuerpos apoptóticos, ni su posterior fagocitosis.

En plantas se inician procesos de muerte celular en la senescencia foliar, en la respuesta hipersensible HR, en momentos asociados al desarrollo, y en algunos otros procesos.

Si en el asesinato, en términos jurídicos, tienen que concurrir alguna de las circunstancias siguientes: a) alevosía, b) precio, recompensa o promesa, y c) ensañamiento, aumentando deliberada e inhumanamente el dolor del ofendido, en el caso de las plantas no cabe hablar de asesinato ni se puede aplicar este término.

Las pruebas a favor de que la HR es un suicidio son las siguientes:

  • Implica cambios de expresión génica en la planta (transcripción y traducción)
  • Desencadenada por elicitores purificados exclusivamente en plantas resistentes
  • Existencia de mutantes “lesion mimic”
  • ”Escalera” de ADN

La HR es un proceso genéticamente programado como resultado de una nueva transcripción y traducción del genoma del hospedador, que finaliza con la activación del proceso de la muerte celular programada (PCD) tal como se ha comprobado con el aislamiento de mutantes HR y sus marcadores.

La HR provoca la activación de la muerte de las células infectadas y el aislamiento de estas células. Los mutantes lesion-mimic mimetizan el desarrollo de las lesiones HR con manchas de células muertas en las hojas, que no han sido inducidas por patógenos pero que responden como si los tejidos silvestres estuvieran bajo el ataque de un patógeno.

Estos mutantes se pueden categorizar en dos grupos: el grupo de inicio, el cual impropiamente inicia la HR, y el grupo de propagación, el cual impide la expansión o propagación de la HR.

Activación de la Respuesta Hipersensible

La acción de los mutantes en el inicio corresponde a la figura número 1, y la de los mutantes en la función de limitación con la figura número 3.

Se han apreciado en algunos mutantes “lesion-mimic” lesiones en las raíces.

Las plantas sacrifican células para combatir a los invasores, pero se ha comprobado que los componentes de la autofagia celular así como las vías dependientes de ácido salicílico contribuyen y regulan el proceso de HR, como se ha demostrado en recientes estudio.

Ejemplo: Proteína LSD1 o proteína con dedos de Zn (presunto factor de transcripción) regula la transcripción y reprime vías promuerte o activa vías anti-muerte. Estas proteínas se activan en respuesta a señales que proceden de células en las que está ocurriendo la HR. Del mismo modo actúan las ROS, impidiendo la propagación de la HR a las células adyacentes.

Mecanismos bioquímicos de la respuesta hipersensible.

Los principales mecanismos bioquímicos son la producción de ROS y NO. Esto provoca la muerte del patógeno y de la célula infectada, así como un aumento de la resistencia de la pared celular, y además son moléculas señalizadoras.

Se produce un aumento de resistencia de la pared celular por una mayor lignificación y por la formación de enlaces cruzados entre proteínas ricas en hidroxiprolina.

Además se produce la síntesis de sustancias defensivas, como son las proteínas PR, las fitoalexinas, defensinas y las moléculas señalizadoras (ácido salicílico, ácido jasmónico)

ROS, O, SA y muerte celular en la HR.- ROS y NO aumentan el Ca2+ intracelular, lo cual es esencial para la PCD, y activa proteínas de la familia MAPK (SIPK, WIPK). Además ROS y NO aumentan la síntesis de SA y este a su vez aumenta el nivel de ROS, aunque después los disminuye. El SA aumenta en el lugar de la infección y es necesario para una defensa efectiva. Se requiere SA para que ocurra la muerte celular inducida por harpina (elicitor)

En las infecciones por microorganismos, las plantas producen súbitamente ciertas proteínas llamadas PR (Pathogenesis-Related). La síntesis de estas proteínas es inducida por la presencia de SA. En ensayos realizados con mutantes no-PR (npr1) se ha comprobado la importancia del aumento de SA en la síntesis de proteínas PR.

ácido salicílico y ácido jasmónico en la respuesta hipersensible

La respuesta defensiva de la planta es en muchos casos específica del patógeno. Por ejemplo, la planta produce HR+SA ante ataques de biotrofos, pero sin embargo produce jasmónico+etileno ante ataques de necrotrofos.

La expresión de genes controlada por SA inhibe la expresión de genes controlados por JA. Esto nos indica que la presencia de SA es dominante sobre las funciones del jasmónico.

El ácido salicílico en la HR produce los siguientes efectos:

  • Aumenta en el sitio de la infección
  • Necesario para defensa eficiente (en HR y en SAR)
  • Induce la síntesis de proteínas PR
  • Relacionado con lazos + y – con las ROS
    • SABP1 → Aumento ROS
    • SIPK → Limitación ROS

Especies reactivas de Oxigeno (ROS)

El oxígeno, en su estado fundamental es el denominado oxígeno triplete. Las especies radicales del oxígeno (ROS) son las siguientes: oxígeno singlete (1O2), anión superóxido (O2), peróxido de hidrógeno (H2O2), y radical hidroxilo (HO).

Oxígeno singlete, especies reactivas de oxieno

El oxígeno singlete se puede formar en situaciones de exceso de luz, cuando al sobre-excitarse la clorofila la cadena de electrones no es capaz de evacuar toda la energía producida.

especies reactvas de oxigeno

Las plantas poseen mecanismos enzimáticos de detoxificación de ROS:

SUPERÓXIDO DISMUTASA: 2O2 + 4H+ → H2O2

CATALASA: HO-OH + HO-OH → 2H2O + O-O

También poseen mecanismos no enzimáticos para mecanismos no enzimáticos de detoxificación de ROS, como son:

  • Ácido Ascórbico (vitamina C)
  • a-Tocoferol (vitamina E)
  • Glutatión (G-SH)
  • Otros:
    • Carotenoides
    • Compuestos fenólicos
    • Poliaminas

Los carotenos y xantofilas se presentan en las hojas de todas las plantas y, también en flores y frutos, localizados en los plastos. Actúan en la fotosíntesis como pigmentos accesorios en la captación y transporte de la energía luminosa y protegen a los vegetales del efecto letal combinado de la luz y el oxígeno formando epóxidos (radical formado por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono, que a su vez están unidos entre sí mediante un solo enlace covalente).

Estos pigmentos accesorios dan a la planta protección frente a especies activadas de oxígeno y permiten la disipación de exceso de energía (ciclo de las xantofilas). Además pueden ser precursores del ABA.

El estrés oxidativo es causado por un desequilibrio entre la producción de especies reactivas del oxígeno y la capacidad de un sistema biológico de detoxificar rápidamente los reactivos intermedios o reparar el daño resultante. Todas las formas de vida mantienen un entorno reductor dentro de sus células. Este entorno reductor es preservado por las enzimas que mantienen el estado reducido a través de un constante aporte de energía metabólica. Desbalances en este estado normal redox pueden causar efectos tóxicos a través de la producción de peróxidos y radicales libres que dañan a todos los componentes de la célula, incluyendo las proteínas, los lípidos y el ADN.

En plantas, al igual que ocurre en los fagocitos, la actividad de la ADPH-oxidasa constituye una de las fuentes endógenas más importantes de especies reactivas del oxígeno en el organismo. La NADPH-oxidasa cataliza la transferencia de un electrón desde el NADPH hacia el O2 con la formación de radical superóxido (O2.-). El O2.- es rápidamente convertido en peróxido de hidrógeno, radical hidroxilo y ácido hipocloroso.

Las NAPDH-oxidasa de plantas tienen mucho parecido estructural con las de los animales, como se puede ver en la figura.
Las NAPDH-oxidasa de plantas tienen mucho parecido estructural con las de los animales, como se puede ver en la figura.

Otras enzimas que generan ROS son:

  • Peroxidasas (reacción inversa a la de detoxificación de peróxido de hidrógeno)
  • Oxalato oxidasa
  • Lipoxigenasas

En los comienzos de las investigaciones de las ROS se pensaba que sólo tenían carácter destructivo frente al patógeno, pero se ha comprobado que además tienen una función señalizadora muy importante. Las principales funciones de ROS en la defensa como respuesta hipersensible son las siguientes:

  • Muerte celular en la respuesta hipersensible
  • Daños al patógeno
  • Aumento de resistencia de la pared celular
    • lignificación
    • ”cross-linking”
  • Señalización: genes regulados por H2O2
  • Genes que codifican proteínas implicadas en el programa de muerte celular
  • Genes relacionados con la síntesis de SA
  • Genes que codifican antioxidantes
  • LIPOXIGENASAS (participan en la síntesis del ácido jasmónico)

Como el H2O2 tiene capacidad para atravesar las membranas celulares puede actuar en la regulación de genes mediante la acción oxidativa sobre enzimas y otras moléculas necesarias para la transcripción genética.

Las ROS no pueden transmitir información compleja porque son moléculas de pequeño tamaño. Pero son los péptidos generados con su acción los que pueden dar una información más compleja. Son estos péptidos los que añaden especificidades a las ROS.

Oxido nítrico

Hasta la fecha no se conoce el mecanismo de síntesis de NO en plantas. Es un compuesto químicamente instable que se oxida de forma espontánea hasta nitrito y luego a nitrato en presencia del anión superóxido y/o oxihemoproteínas.

En mamíferos (en macrófagos, células endoteliales y algunas neuronas) la óxido nítrico sintasa (NOS) es una enzima NADPH-dependiente que cataliza la conversión de arginina y oxígeno en citrulina y óxido nítrico (NO). Es una oxidorreductasa (ya que tiene un dominio oxidasa y un dominio reductasa) responsable de la síntesis de óxido nítrico a partir del átomo terminal de nitrógeno de la L-arginina en presencia de nad-fosfato reducido o NADPH y oxígeno.

NO sintasas de oxido de nitrógeno

Las NO-sintasas que se generan como respuesta hipersensible pueden ser de carácter constitutivo o de carácter inducible. Las primeras son calcio dependientes y las segundas no. El óxido nítrico puede regular por sí mismo la expresión y actividad de NOS.

Desde mediados de los 80´s se ha descrito una producción de NO dependiente de la Nitrato reductasa (NR), que cataliza la transferencia de 2 electrones desde el NADPH hasta el nitrato, reduciéndolo a nitrito, y una función menos comprendida de esa enzima es la encargada de reducir el nitrito hasta óxido nítrico.

Síntesis de oxido de nitrógeno

Tanto en animales como en plantas se genera NO pero en plantas se supone la existencia de una enzima homóloga a la NOS que puede sintetizar NO a partir de arginina y nitrito.

Las principales funciones del NO en plantas son las siguientes:

  • Control del desarrollo
    • germinación
    • crecimiento de la raíz
    • cierre estomático
  • Respuestas a estrés abiótico
  • RESPUESTAS A ESTRÉS BIÓTICO

En mamíferos, la unión del NO al S de Cys se denomina S-nitrosilación. La unión de NO a metales se denomina Nitrosilación de metales (Fe, Zn). Cuando se une el peroxinitrito que se forma en presencia de superóxido a Tyr el proceso se denomina Tyr-nitración.

Las principales funciones del NO en la defensa de las plantas se recogen en la siguiente figura:

En plantas se supone la existencia de NOS o de un análogo porque si se suministran inhibidores de NOS de mamíferos se inhibe la síntesis de NO en plantas.

El NO se considera como una hormona porque actúa en:

  • Control del desarrollo
    • germinación
    • crecimiento de la raíz
    • cierre estomático
  • Respuestas a estrés abiótico
  • RESPUESTAS A ESTRÉS BIÓTICO

El aumento de concentraciones de Ca2+ induce la síntesis de NO como se puede apreciar en la siguiente figura:

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