Aminoácidos en plantas: Una revolución en la agricultura moderna
Por Víctor Bataller Gómez – Tratamientos Bio-ecológicos S. A.
Es evidente que en las últimas décadas los sistemas agrarios se han intensificado hasta niveles insospechados. La falta de suelo útil y la escasez de aguas libres de contaminación nos han obligado a obtener producciones muy elevadas por unidad de superficie cultivada. Los aminoácidos obtenidos por extracción vegetal o animal han sido una de las piezas clave en esos aumentos de rendimientos. Un tema tan apasionante como el mundo de los aminoácidos proteicos se merece un artículo en Cannabis Magazine como éste.
Los aminoácidos son moléculas orgánicas formadas en exclusiva por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, excepto los aminoácidos metionina y cistina que además contienen azufre. Su nombre se debe al grupo amino básico (NH2) que los constituye y que se encuentra unido a un grupo carboxilo ácido (COOH) por medio a una cadena carbonatada.
Se han identificado veinte aminoácidos esenciales, que son los que constituyen la base estructural para la formación de todas las proteínas. Por otro lado, se han detectado también en los vegetales más de 250 aminoácidos no proteicos con funciones fisiológicas, metabólicas o de otro tipo, pero que no están presentes en la formación de proteínas.
Los aminoácidos poseen una propiedad esencial para su uso como bioestimulante o fertilizante en las plantas: la estereoisomería, consistente en la presencia de un carbono asimétrico que permite que los grupos amino y ácido se pueden situar espacialmente en dos posiciones. A estas dos formas se les denomina estereoisómeros, ya que sus estructuras espaciales son imágenes especulares, no superponibles, y se les denomina L o D. En los L-aminoácidos la posición del grupo amino se sitúa a la izquierda del grupo hidroxilo del carboxilo y en los D-aminoácidos la posición del grupo amino se sitúa a la derecha del grupo hidroxilo. Sólo los L-aminoácidos son útiles para la formación de las proteínas.
Metabolismo vegetal y síntesis de aminoácidos
Todos sabemos que la diferencia principal entre los organismos del reino vegetal y los organismos del reino animal es que son autótrofos y heterótrofos respectivamente. Los primeros son capaces de fabricar sus alimentos por sí mismos, mientras que los segundos necesitan ingerir de otros organismos los nutrientes necesarios para completar su ciclo biológico. Las plantas sintetizan sus aminoácidos a partir de cinco vías metabólicas fundamentales, que son denominadas en función de su precursor:
- Del ciclo del pirúvato proceden alanina, valina y leucina.
- Del ciclo del oxalcetato proceden ácido aspártico, lisina, treonina, metionina e isoleucina.
- Del ciclo del alfa-cetoglutarato provienen ácido glutámico, prolina, hidroxiprolina y arginina.
- Del ciclo del siquimato proceden tirosina, fenilalanina, triptófano e histidina.
- Del ciclo de Calvin proceden glicina, serina y cistina.
Cabe señalar que existen interacciones metabólicas entre las diferentes familias originadas por cada uno de estos ciclos.
Propiedades de las proteínas y aplicaciones prácticas
Las proteínas están constituidas por largas cadenas de aminoácidos unidos entre sí por un tipo de enlace llamado “enlace peptídico”. El peso molecular o tamaño de las proteínas es muy diverso y pueden ir desde unos pesos moleculares inferiores a 500 Daltons hasta otros superiores a los 300.000 Daltons (un Daltons equivale a una doceava parte del peso del isótopo Carbono-12).
La gran variedad de proteínas se debe a las numerosísimas diferencias que existen entre sí por la cantidad de cada uno de los aminoácidos presentes en cada una de ellas. Los aminoácidos son los mismos en todas las proteínas, la diferencia está en la cantidad de cada uno de ellos, es decir, en su aminograma.
Desde hace varias décadas se emplean diversos formulados que aportan directamente los aminoácidos a nuestros cultivos, lo que permite que la planta gaste menos energía en los procesos metabólicos y pueda destinar esta energía a otros procesos, como en los sistemas de autodefensa o en la creación de biomasa. Para la obtención de estos formulados se deben extraer de las proteínas que los contienen y, para ello, deben someterla a la rotura de los enlaces peptídicos y de esta forma se obtendría un hidrolizado, que es el producto final resultante de este proceso que se denomina hidrólisis, donde se produce la rotura del enlace peptídico con la consiguiente formación de una molécula de agua.
El hidrolizado es una mezcla de aminoácidos libres y péptidos de diferente tamaño, en función del proceso de hidrólisis. Conforme se van provocando las roturas de los enlaces peptídicos se van generando diversos compuestos:
- Peptonas, que son las fracciones más grandes.
- Polipéptidos, que son cadenas de más de diez aminoácidos.
- Péptidos u oligopéptidos, si las cadenas son inferiores a diez aminoácidos.
- Aminoácidos libres, son los aminoácidos esenciales ya separados de la cadena proteica.
Hidrólisis y sus tipos en la obtención de aminoácidos
La hidrólisis es una reacción química que únicamente genera agua y necesita la presencia de un catalizador o agente hidrolítico y, según sea la naturaleza química de éste, se define el tipo de hidrólisis:
- Hidrólisis ácida: proceso mediante el cual se utiliza un compuesto ácido para romper las uniones entre las proteínas y los péptidos. Es un proceso muy agresivo que destruye muchos de los aminoácidos y se obtienen también aminoácidos D.
- Hidrólisis ácida controlada: un proceso menos agresivo que el anterior, pero con similares efectos adversos.
- Hidrólisis enzimática o fermentación: proceso de hidrólisis mediante enzimas específicas que rompen las uniones entre los aminoácidos de la proteína. Es el mejor de los procesos de obtención química porque no destruye ningún aminoácido y permite obtener los 20 aminoácidos esenciales, todos ellos en su forma L (asimilable para la planta). Permite la obtención L-Triptófano, que es un precursor para la síntesis de auxinas (fundamentales para la protección de la planta), y todo el nitrógeno obtenido es orgánico.
- Hidrólisis alcalina: genera una mezcla racémica de aminoácidos libres, es decir, la mitad de los aminoácidos libres son L y la otra mitad son D. Sólo se utiliza esta hidrólisis cuando lo que se busca es obtener aminoácidos de alto contenido en nitrógeno de una forma rápida y económica.
Científicamente está probado que las hidrólisis ácida y enzimática son las que mantienen la característica “L” de los aminoácidos libres en mayor porcentaje.
Origen de los aminoácidos y su impacto en las plantas
Otro de los aspectos que condicionan las características de los formulados a base de aminoácidos es la materia prima empleada. Estas materias primas pueden ir desde restos de matadero (que generan aminoácidos de origen animal) o material vegetal seleccionado. Los aminoácidos de origen animal suelen ser asimilados con mucha dificultad por parte de las plantas por su mayor peso molecular y la energía que en teoría se ahorra la planta en fabricarlos debe emplearla en asimilarlos. Por el contrario, los aminoácidos de origen vegetal tienen las características necesarias para ser consumidos de inmediato por la planta con el mínimo esfuerzo.
Los efectos de los aminoácidos sobre las plantas siempre se han centrado en su acción para ayudarlas a superar situaciones de estrés y situaciones de gran actividad metabólica, como las que se producen en las fases de brotación, floración, fructificación, etc. El estrés se refiere al cambio de cualquier factor ambiental, que actúe sobre el vegetal afectando a la respuesta bioquímica y fisiológica de los mismos, pudiendo provocar daños y lesiones, ocasionalmente irrecuperables. En general, las situaciones de estrés originan en el vegetal una serie de cambios fisiológicos compensatorios que van encaminados a mantener las condiciones vitales del organismo. Hay tres fases en la dinámica del estrés:
- Alarma: caracterizada por una reducción de la vitalidad.
- Resistencia: que es la respuesta al estrés prolongado en la que el vegetal intenta adaptarse y readquirir un funcionamiento casi normal.
- Agotamiento: donde la capacidad adaptativa se ha agotado, provocando perturbaciones metabólicas graves y en algunos casos la muerte del vegetal.
Los factores que afectan a los vegetales dividen al estrés en dos grupos: el primero es el estrés abiótico que provocan la alteración en el metabolismo celular, inducido por factores no infecciosos como la falta o exceso de luz, las temperaturas extremas, el exceso o la escasez de agua, altas concentraciones de metales pesados y contaminantes atmosféricos como ozono (O3), el dióxido de nitrógeno (NO2), el monóxido de carbono (CO), etc.; el otro es el estrés biótico que provoca alteración en el metabolismo celular inducido por factores infecciosos como hongos, bacterias, virus, nematodos y plantas adventicias o malas hierbas.
Investigaciones y aplicaciones de aminoácidos en la agricultura
Desde principios del siglo XX se vienen estudiando los efectos positivos que los aminoácidos poseen sobre los vegetales y dichos estudios se centraban en las funciones nutricionales de los aminoácidos. Con el paso del tiempo, las investigaciones se orientaron más hacia su papel como colaboradores de los agentes de regulación del metabolismo y crecimiento de los vegetales en condiciones naturales. Una de las primeras investigaciones sobre los efectos de los aminoácidos como colaboradores en la regulación del crecimiento fue realizado por Nickell (1964) en el cultivo de la caña de azúcar ya que en la implantación de la caña de azúcar existen graves problemas para obtener una buena germinación y un crecimiento inicial rápido. Los investigadores ensayaron diversos reguladores con esta finalidad y observaron una respuesta extraordinaria con la aplicación de arginina.
El científico hindú Rajagopal (1981) demostró que la prolina promueve un aumento de la resistencia de los estomas en el haz y en el envés de las hojas, con lo que evita una excesiva transpiración durante los episodios de estrés hídrico. Posteriormente McCue y Hanson (1990) y Riquelme et al. (1997), demostraron la cualidad como osmoprotector de la prolina para la resistencia a las condiciones de sequía y salinidad. Parsons (1991) estudió que la acumulación de prolina bajo el estrés hídrico alcanza hasta 100 veces más que en condiciones normales y que esta se debe a procesos de síntesis metabólico y no a la degradación de las proteínas del vegetal. Ortega et al. (1999) demostraron la actividad de la prolina en la protección de algunas enzimas frente a una desnaturalización térmica. Un trabajo de investigación de Smykov (1984) concluye que la adición de prolina promueve el aumento del cuajado de diversas variedades del manzano.
En 1985, Bretelet estudió el efecto de diversos aminoácidos sobre la utilización de nitratos por las raíces, estimulando la actividad de la enzima nitrato reductasa para incrementar la absorción de los nitratos. Estas observaciones fisiológicas pueden tener interés en la mejora económica de la fertilización nitrogenada.
Un ensayo de tres años de duración llevado a cabo por Khrenovskov durante la década de los ochenta demostró que distintos aminoácidos promueven un aumento de la respiración y de la síntesis de pigmentos en los estadios iniciales del desarrollo de los injertos de viña.
López G. (2009), estudió los efectos de la alanina y la glicina en la síntesis de la clorofila y de las porfirinas. También demostró que la arginina estimula el crecimiento de las raíces y la leucina ayuda en la fecundación y cuaje de los frutos.
En 1986, Lambracht publicó uno de los primeros estudios sobre los efectos de un bioestimulante comercial a base de aminoácidos en diversos cultivos de frutales y ornamentales. Las aplicaciones por pulverización aumentan el vigor de las plantas madre de diversas especies ornamentales, con el consiguiente incremento en la producción de esquejes. El riego del sustrato de enraizamiento de ornamentales mejora el enraizamiento y el crecimiento de esquejes. La incorporación del aminoácido a los tratamientos de plaguicidas implica una mejor eficacia pudiéndose incluso reducir las dosis de aplicación.
La pulverización en cultivo de olivos con arginina aumentó el cuajado de la aceituna sin afectar a la caída de frutos jóvenes. El tratamiento debe realizarse en plena floración o al inicio de la caída de los pétalos (Rigini, 1986).
En un ensayo de Moustafa (1986) durante tres años en viñas de doce años se comprobó que la aplicación de un bioestimulante comportaba un incremento de la producción y de la calidad de la uva.
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