Curso avanzado sobre Bioquímica del Suelo 3.1. (Salvador González Carcedo) Desde los materiales orgánicos hasta el concepto de humus. c) Los procesos bioquímicos derivados de las acciones enzimáticas exocelulares.

En los anteriores apartados 3.1. a y b hemos indicado “de pasada” que la degradación de los grandes polímeros orgánicos se alcanza gracias la actividad de enzimas exo-celulares, producidas por componentes biológicos (residentes en los intestinos animales o en el suelo en forma libre o asociada). Hoy vamos a revisar este escenario por el que muchos profesores pasan de puntillas a pesar de que luego le llaman al suelo “ente biológico”.

Para situarnos, indicar que los compuestos macromoleculares “a degradar” corresponden en primer lugar a la NECROMASA vegetal, animal o microbiana, y conformaron en su mayoría estructuras esqueléticas o de sostén. De ellos decimos en general que su velocidad de degradación permite ubicarles mayoritariamente dentro de los pool de degradación media, lenta y muy lenta.

Además aparecen en el suelo los contenidos endo-celulares en cantidades variables y aparentemente poco significativas. Ocurre cuando se extravasan los componentes de la BIOMASA endocelular, tras su muerte. Su condición de “integrantes del metabolismo” celular les concede la etiqueta de “fácilmente metabolizables”, aunque eso no debe de aceptarse como una verdad universal, ya que su elevada reactividad les hace susceptibles de asociarse, con suma facilidad a las superficies argílicas, modificándose su previsión metabólica. Esto justifica la importancia de la superficie activa y de la carga de las arcillas, y diferencia los ritmos metabólicos de cada suelo según el tipo dominante de arcilla que presente.

A efectos de susceptibilidad a la degradación, un tercer aspecto a contemplar es el grado de hidrofilia/hidrofobia que presentan los compuestos a degradar, y su capacidad para generar micelas o coloides.  No podemos obviar que los procesos degradativos, mediados enzimáticamente exigen, salvo excepciones muy concretas, de un medio acuoso donde realizar la catálisis.

Al clasificar las moléculas susceptibles de degradación, debemos de recurrir a la bioquímica. Así aparecen macromoléculas como polisacáridos, proteínas, esteres de ácidos grasos (lípidos de membranas), ácidos nucléicos y un amplio espectro de moléculas intermedias y de bajo peso molecular, susceptibles de ataque enzimático, hasta la liberación de nutrientes (orgánicos e inorgánicos).

La aparición de enzimas se debe tanto a la biomasa, como al momento de su muerte. Me explico. Los seres vivos generan a los enzimas endocelularmente. Una vez concebidos tienen tres destinos básicos:

·         el citosol (donde actúan durante un cierto tiempo definido como vida media de cada enzimas y manteniendo el metabolismo general de cada célula),

·         los lisosomas (orgánulos subcelulares que acumulan enzimas degradativos de gran capacidad catalítica, y se rompen con la muerte celular, asegurando la destrucción de la célula muerta)

·         el entorno celular ( a nuestros efectos, el ámbito intestinal o el medio edáfico).

Hay que recordar que las membranas y ámbitos pericelulares de las colonias contienen enzimas asociados, por lo que mientras no se desorganicen muchas de estas capacidades se mantienen en el suelo post mortem.

La muerte celular se manifiesta con la desorganización del metabolismo en el citosol, pérdida de la capacidad de las membranas plasmáticas para mantener estables las propiedades (de todo tipo) y el vertido de sus contenidos moleculares propios de cada citosol al exterior. Si en un ser pluricelular (animal o vegetal) este hecho es limitado podemos hablar de renovación de células o de tejidos, pero si está generalizado a todos los órganos y tejidos hablamos de muerte del individuo.  El primero de los casos lo percibimos fácilmente. El árbol no muere pero sus hojas y ramas caen al suelo y forman las capas L.  Un ejemplo del segundo caso lo encontramos en todas las plantas anuales.

La renovación de la edafo-biomasa es continua, asegurando aportes orgánicos, pero la intensidad del proceso es variable y depende de los ciclos vitales y de los procesos de sucesión ecológica que en él acaecen.  En climas templados, está fuertemente ligado a las estaciones climáticas y en los xéricos o críicos a la temperatura y disponibilidad de agua. En definitiva, la combinación de agua disponible y temperatura del medio, condicionan tanto la actividad biológica y sus formas adaptativas, como la catálisis enzimática y la reactividad química.  Por eso son componentes del clima como factor formador de suelos.

En el suelo, la presencia de enzimas exocelulares operativos se ubica en la solución del suelo, ya sea la correspondiente al espacio poral, entre partículas texturales como en el seno de las estructuras agregacionales.

Los enzimas excretados de forma activa están en función de las necesidades nutricionales o de sus sistemas defensivos. Los enzimas liberados por muerte celular cooperan puntualmente en determinados procesos.  La presencia y actividad de estas proteínas depende de su estabilidad, asociación potencial a superficies orgánicas (como las glomalinas o los compuestos húmicos) o argílicas, capacidades proteolíticas del medio líquido del recinto en que se vierten y de las normas de autorregulación a que se someten los procesos. 

Si el sistema biológico necesita glucosa, los organismos celulolíticos se encargan excretar los enzimas correspondientes, y como consecuencia de esa actividad aparece celobiosa soluble.  Cada célula bacteriana expresa la cantidad de celobiasa suficiente, que ubica en su entorno (en muchos casos ligada a la pared bacteriana) y degrada la cantidad de glucosa que precisa para satisfacer su demanda metabólica.  Si la celobiosa no se consume, se convierte en un inhibidor del resto del sistema celulolítico, lo que muestra la existencia de sistemas edáficos de retrorregulación enzimática. Al proceso global se le denomina celulolisis, pero la participación enzimática es muy amplia y variada.

En nuestro laboratorio hemos constatado que este retrocontrol se repite con el potencial fosfohidrolítico y la biodisponibilidad excesiva de fosfato, con las sulfatohidrolasas y la cantidad excesiva de sulfato biodisponible y con los potenciales amidohidrolítico y desaminante y la acumulación de ión amonio en la solución del suelo.

Es de destacar el segundo aspecto. La urea es un compuesto con una elevada actividad osmótica. Su aparición, en la solución del suelo, (la urea es un compuesto anómalo), genera una señal, (no conocida) que conduce a una respuesta bacteriana, que se genera en muy pocos minutos: la excreción de ureasa al medio en cantidades suficientes para eliminar la amenaza.   Esta acción justifica determinados hechos técnicos como el desarrollo de urea-derivados o los estudios sobre la persistencia en el suelo de la urea-abono aplicada.

Los procesos enzimáticos pueden agruparse según las grandes macromoléculas de partida:

Así, el proceso de degradación de proteínas mediado por proteasas se le llama proteolisis, y al de degradación de péptidos, generado por exo o endo peptidasas se le llama peptidolisis.

Los aminoácidos liberados a la solución del suelo tienen tres opciones:

·         ser captados por los microorganismos del suelo

·         desaminarse enzimáticamente (proceso de amoniolísis) aportando amonio, que puede ocupar el complejo de cambio de las arcillas, formar amidas de reserva glutamina o asparragina (proceso de amidación) o servir de sustrato para la producción oxidativa de nitritos y nitratos (proceso global de nitrificación) que a su vez posee procesos propios de regulación, dado que si la disponibilidad de O₂ es muy baja se generan los NO_x .(dañan la capa de ozono).  Si la acumulación de amonio en la solución es excesivo, se activa el proceso de desnitrificación , por el que el nitrógeno se devuelve a la atmósfera en forma de gas N2.

·         reaccionar con monosacáridos o monofenoles, dándose los primeros pasos agradativos, cuyo punto final serán los ácidos húmicos de origen abiótico. Sus posibilidades de asociación, progresión edafoquímica y estabilidad son propias de cada suelo cada suelo y dependen no solo de los otros dos apartados anteriores sino también de sus factores de formación y su potencial de dilución y eluviación derivados.  Hablamos de los precursores húmicos y su posibilidad de evolución (procesos de neoformación de compuestos húmicos).

Respecto a la presencia y degradación de ácidos nucléicos, todos los enzimas precisos de degradar sus bases nucléicas hasta liberar CO₂ y NH₄⁺ se pueden encontrar en la solución del suelo, así como las fosfatasas correspondientes a la degradación de los polímeros de fosfato de ribosa o desoxi-ribosa. 

Sin embargo hay ejemplos de ácidos nucléicos como los viroides (fragmentos de ácidos nucleicos con capacidad infectiva, bien conocidos en Irlanda -viroide de la patata- o en Australia -viroide del eucalipto-) y de proteínas como los priones (responsables del desarrollo de encefalopatías espongiformes que afectan a la vaca, a los corderos y a los renos), que manifiestan una gran resistencia a la degradación enzimática y a la acción química, en medios adversos.

Estos modelos de resistencia a la degradación se basan en la adquisición de una conformación espacial, que las hace inaccesibles a las acciones degradativas de los enzimas.   Además ambos tipos de moléculas tienen una especial atracción por las arcillas sobre todo a las montmorillonitas, a las que se unen, generando un sorbatos, que por lo que se sabe, puede desorberse ante determinados cambios del medio, cambios a los que no son ajenos el ámbito de la rizosfera del eucalipto y del medio intestinal de los rumiantes.  Cuando ocurre esto, la enfermedad se hace transferible a un nuevo huésped.

Otro grupo molecular de extraordinaria importancia son los fosfolípidos. Son  constituyentes de casi todas las superficies membranosas de células y orgánulos subcelulares, con excepción de los ribosomas (formadas por proteínas). Una gran mayoría son compuestos de tamaño molecular pequeño, con eje molecular en base al glicerol fosfato (luego en su degradación participan fosfo-mono o/y fosfo-di-esterasas).  Los otros dos hidroxilos de la glicerina se unen a ácidos grasos mediante éster (el conjunto se llama ácido fosfatídico, y para la degradación de estos enlaces últimos enlaces se emplean esterasas.  La variedad de ácidos fosfatídicos existentes se debe a que el ácido fosfórico se puede unir a diversas moléculas que poseen un hidroxilo alcohólico. Si abundan radicales como la etanolamina, la colina y la serina estamos, en general  ante fosfolípidos (cefalinas, lecitinas y serín fosfátidos respectivamente) que tipifican las membranas de células animales.  Si quien abunda es la fitina (molécula con 6 esteres de fosfato) nos encontramos ante membranas de células vegetales y para la liberación del P se precisan fosfatasas (fitasa) cuya actividad respecto del potencial fosofohidrolítico total del suelo es del 10%.

Hay variantes de gran interés en el ámbito de las producciones agrarias.  Quizás la de mayor interés actual, es el componente de las membranas de los plastos de muchos vegetales, entre los que destaca el trigo y otras plantas de interés agrícola. Se llaman quinovósidos, y se caracterizan por integrar azufre (sulfoquinovósidos) y cloro (clorosulfoquinovósidos).  Su hallazgo ha obligado a reconsiderar la presencia de ambos elementos (S y Cl) en la composición de los fertilizantes, dado que la conformación correcta de las membranas de los plastos, al ser soporte directo de los fotosistemas que desarrollan los procesos fotosintéticos, tienen respuesta inmediata en la producción vegetal.

Si los fosfolípidos son importante constitutivamente, otros lípidos como las ceras (ésteres de ácido y alcohol de cadena larga) y los aceites (tri-ésteres de la glicerina) no son ajenos al mundo vegetal.  La hidrólisis de los mismos la ejercen las lipasas.

Para acabar este apartado falta por mencionar las ligninas y compuestos asociados, pero de ellas y de las implicaciones enzimáticas relacionadas me emplearé con cariño en los procesos de formación de los compuestos poliaromáticos (no solo de los fúlvicos y húmicos, os prometo hablar también de las cervezas que se toman poniéndose morenos en la playa)

Saludos cordiales del profe,

Salvador González Carcedo