¿Cuál es el Papel del Ca2+ en la apertura y cierre de los estomas?

1. Papel del Ca2+ en la apertura y cierre de los estomas
El venerable Mazliak, Paul [Fisiología Vegetal, Omega (1976)], dice que las plantas
transpiran más eficazmente a través de grietas, lenticelas suberosas o estomas. Los
estomas están presentes en las partes expuestas de todas las plantas, excepto en algas y
hongos. El aparato estomático está compuesto de dos células oclusivas que delimitan un
poro, una serie de células adyacentes (células subsidiarias) y una cavidad subestomática.
En respuesta a una serie de estímulos, los estomas pueden abrirse o cerrarse, regulando
así los flujos difusivos de CO2, O2 y vapor de agua, cuya pérdida, inevitable, se denomina
transpiración.
Los estomas se abren porque se llenan de agua y se cierran porque se vacían de agua. La
entrada de agua en las células oclusivas genera la turgencia que las deforma. A su vez,
esta entrada de agua se produce como respuesta a un descenso del potencial osmótico en
el interior de las células oclusivas provocado, fundamentalmente, por la entrada de K+.
Probablemente, las células oclusivas y su contraparte, las subsidiarias, presentan los flujos
iónicos más importantes (cuantitativamente) y más finamente regulados de todo el Reino
Vegetal.
La unidad básica de membrana de las células oclusivas no es permeable al K+. Los flujos
de este ion se establecen a través de poros especiales que se denominan canales de K+,
de distribución universal en plantas y animales [Hedrich, R. y Schroeder, J.I., Annu Rev.
Plant Physiol., 40, 539 (1989)]. A través de una técnica especial denominada patch-clamp
es posible aislar una pequeña porción de membrana, que probablemente contendrá un
cierto número de canales, y estudiar las corrientes eléctricas asociadas a los flujos iónicos
en un sentido y en otro. Esta técnica revela en células oclusivas la existencia de, al menos,
dos tipos diferentes de canales de K+: rectificadores de entrada y rectificadores de salida
[Schroeder, J.I., J. Gen. Physiol., 92, 667 (1988)]. Se denominan así, porque en el primer
caso los canales de K+ disipan una diferencia de potencial eléctrico aplicado a la membrana
mediante un flujo de entrada de K+. En el segundo tipo de canales, la disipación de la
diferencia de potencial está asociada a un flujo de salida. En ambos casos el K+ se mueve
según el gradiente de potencial electroquímico al que está sometido, que depende de la
concentración de K+ a ambos lados de la membrana y de la diferencia de potencial que se
aplica.
In vivo las células oclusivas incorporan K+, incorporan agua, y por tanto se abren, cuando
los canales de entrada para el K+ están abiertos y, al mismo tiempo, existe un gradiente de
potencial electroquímico favorable para su entrada, es decir, cuando la fuerza potasio-motriz
es negativa.

2. El origen de dicha fuerza es la estimulación de la actividad de la H+-ATPasa de las células
oclusivas, que hiperpolarizan su interior [Shimazaki, K. et al., Nature, 319, 324 (1986)], la
estimulación de la bomba primaria es consistente con el incremento del consumo de
oxígeno en las mismas condiciones [Gautier, H. et al., Plant Physiol., 98, 34 (1992)]
consecuencia del incremento en la demanda de ATP (ver Figura 1). Las H+-ATPasas de las
células oclusivas se activan por luz (tanto azul como roja) y por auxinas (hormonas
vegetales que estimulan el crecimiento).
Figura 1. Esquema de los principales flujos iónicos en una célula oclusiva y su regulación.
Modificado de Kearn y Assmann, Plant Physiol., 102:711 (1993).
¿Qué tiene que ver el Ca2+ en todo esto? Pues que el
Ca2+, directa o indirectamente, regula la actividad de los
canales de K+: tanto los de entrada como los de salida, ya
se añada desde el exterior o se inyecte en el interior de las
células oclusivas. Un incremento en la concentración
externa de Ca2+ cierra los estomas a través de la inhibición
de los canales de entrada de K+ y estimulando la apertura
de canales aniónicos [Schroeder, J.I. y Hagiwara, S.,
Nature, 338, 427 (1989)], cuyo flujo natural, al potencial de
membrana de las células oclusivas, es de salida.
La liberación de Ca2+ o IP3 (inositol-1,4,5-trifosfato) en el
citoplasma de las células oclusivas induce también el cierre
de los estomas. En el caso del IP3 incluso en presencia de
La3+ (agente bloqueante de los canales de Ca2+). Así, el
IP3 parece liberar Ca2+ de la vacuola y retículo endoplásmico [Gilroy, S. et al., Plant Cell, 3,
333 (1991)]. Un incremento de la concentración externa de Ca2+, ya sea directamente o a
través del IP3, induce la liberación de más Ca2+ al citoplasma [Gilroy, S. et al., Plant Cell, 3,
333 (1991)]. El incremento de la concentración citoplasmática de Ca2+ estimula la apertura
de los canales de salida de K+ y de los canales aniónicos [Schroeder, J.I. et al., Proc. Natl.
Acad. Sci. USA., 84, 4108 (1987)]. El cierre de los estomas incluye pues, tanto el vaciado de
K+ como la despolarización de las células oclusivas.
La activación de las proteínas G, el IP3 y el ABA inducen el cierre de los estomas a través
del incremento de la concentración citoplasmática de Ca2+. Proteínas G activas inhiben los
canales de entrada de K+. Dicha respuesta no tiene lugar en presencia de agentes
quelantes de Ca2+, indicando que la inhibición se establece a través de un pico de Ca2+ o
que se necesita un cierto nivel de este ion para que la inhibición tenga lugar [Hedrich, R. et
al., Bot. Acta, 101, 7 (1988)]. ABA e IP3 inhiben los canales de entrada de K+ y activan una
corriente de entrada, probablemente de Ca2+ al interior de las células oclusivas [Schroeder,
J.I. y Hagiwara, S., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 9305 (1990)]. Un tratamiento continuo
con 1µM de ABA induce pulsos repetitivos de entrada de Ca2+ [Kearn, E.V. y Assmann,
S.M., Plant Physiol., 102, 711 (1993)] a su vez, la salida de K+ de las células oclusivas
inducida por el ABA es mucho más rápida si la concentración de Ca2+ se incrementa de 0.5
a 100 µM [MacRobbie, E.A.C., Proc. R. Soc Lond B., 241, 214 (1990)].
La entrada de Ca2+ a las células oclusivas parece tener lugar a través de tres canales
diferentes. Canales de Ca2+ de alta selectividad frente al K+, activados por turgencia,
canales con baja selectividad para el Ca2+, probablemente canales de salida para el K+ y,
por último, canales de entrada de K+ con una limitada permeabilidad para el Ca2+.

3. El primer y el tercer tipo de canal podrían ser los responsables de limitar el grado máximo
de apertura del estoma ya que, en el primer caso, los canales se activarían cuando la
turgencia de las células oclusivas alcanzase un determinado valor, y en el segundo la
apertura masiva de canales de K+ originaría un cierto flujo de entrada de Ca2+, algunos
autores dicen que regulable [Schroeder, J.I. y Keller, B.U., Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 89,
5025 (1992)], que así mismo limitaría el grado máximo de apertura. El segundo tipo de
canal estaría relacionado con el mecanismo de cierre.
Hay quien sugiere que el pH citoplasmático (pHc) es también una señal que regula la
apertura y cierre de los estomas [MacAinsh, M.R. et al., The Plant Cell, 4, 1113-1122
(1992)] y que se superpone al Ca2+. Se ha demostrado que un pHc alcalino induce el cierre
del estoma estimulando la apertura de los canales de salida de K+ [Blatt, M.R., J. Gen.
Physiol., 99, 615-644 (1992)], esta señal es la que se propone para explicar el cierre de
estomas inducido por ABA en los casos donde no se ha observado el esperado pico
citoplasmático de Ca2+ [Blatt, M.R., Planta, 180, 445 (1990)].
No obstante, MacAinsh, M.R. y colaboradores atribuyen a un error metodológico la
respuesta al ABA independiente de Ca2+ [The Plant Cell, 4, 1113(1992)].
Esta respuesta al pHc de los canales de K+ parece consistente con la síntesis de ácido
málico durante el proceso de apertura, ya que un pHc relativamente ácido mantendría los
canales de salida de K+ cerrados y por tanto ayudaría a mantener la turgencia. ¿A qué
estímulos responden las proteínas G?¿Su efecto depende del transporte de Ca+2 al interior
de las células oclusivas?¿Existe respuesta al ABA sin pico citoplasmático de Ca+2?¿Existe
relación entre la variación de pHc y [Ca+2]c?. Si el ritmo de investigación en células
oclusivas no decae, no pasará mucho tiempo antes de saber las respuestas.
Miguel Angel Heredia es Doctorando en Fisiología Vegetal y José Antonio Fernández es
Profesor Titular en Fisiología Vegetal.