Perfil-proteico-de-membranas-plasmaticas-de-plantas-aclimatadas

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE QUÍMICA 
 
PERFIL PROTEICO DE MEMBRANAS PLASMÁTICAS DE PLANTAS 
ACLIMATADAS 
 
 
T E S I S 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE 
QUÍMICA DE ALIMENTOS 
 
 
PRESENTA 
JOSETTE ALEJANDRA REYES RENTERÍA 
 
 
 
 CIUDAD UNIVERSITARIA, CD. MX. AÑO 2018 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
II 
 
JURADO ASIGNADO: 
 
PRESIDENTE: Profesor: MARINA GAVILANES RUIZ 
VOCAL: Profesor: JOSE PEDRAZA CHAVERRI 
SECRETARIO: Profesor: SAMUEL CANIZALES QUINTEROS 
1er. SUPLENTE: Profesor: FELIX MORALES FLORES 
2° SUPLENTE: Profesor: FRANCISCA MORAYNA GUTIERREZ LUNA 
 
 
SITIO DONDE SE DESARROLLÓ EL TEMA: 
LABORATORIO 101. DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA. CONJUNTO E, FACULTAD DE 
QUÍMICA, UNAM. 
 
 
ASESOR DEL TEMA: 
 
 MARINA GAVILANES RUIZ 
SUPERVISOR TÉCNICO: 
 
ILIAN GIORDANO PONCE PINEDA 
SUSTENTANTE: 
 
JOSETTE ALEJANDRA REYES RENTERÍA 
 
III 
 
RECONOCIMIENTOS 
 
Este trabajo de tesis fue realizado bajo la dirección y supervisión de la Dra. Marina 
Gavilanes Ruíz, en el laboratorio 101 del Departamento de Bioquímica, ubicado en 
el Conjunto E de la Facultad de Química de la UNAM. 
Al I.Q. Ilián Giordano Ponce Pineda por su asesoría técnica, supervisión y apoyo 
incondicional en todo momento en la elaboración de esta tesis. 
A la Q.F.B. María del Consuelo Enríquez Arredondo por la obtención de las 
vesículas de membrana plasmática de Arabidopsis thaliana utilizadas para llevar a 
cabo la parte experimental de este trabajo. 
Al Dr. Edgar Cahoon (Center for Plant Science Innovation & Department of 
Biochemistry, University of Nebraska-Lincoln, EUA), por proporcionar las semillas 
de las mutantes lcb2a-1, sld1/sld2 y sbh1-1. 
Al Dr. Ángel Arturo Guevara García (IBT, UNAM), por la donación de las mutantes 
mpk3 y mpk6. 
Al Dr. Néstor Carrillo (Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario de la 
Universidad Nacional de Rosario, Argentina), por haber proporcionado la línea 
transgénica pfld18-18. 
****************************** 
Este trabajo de tesis estuvo financiado por: 
 DGAPA, UNAM (PAPIIT IN222815), 
 Facultad de Química (PAIP 5000 9115) y 
 CONACYT (238368) que otorgó una beca de licenciatura para este trabajo. 
 
IV 
 
ÍNDICE 
RESUMEN ................................................................................................................................... 1 
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 2 
Mecanismos generales de respuesta al estrés en las plantas ..................................... 2 
Estrés por bajas temperaturas en plantas ....................................................................... 3 
Percepción y transducción de la señal de frío ................................................................ 4 
Efecto de las bajas temperaturas en las plantas ............................................................ 7 
Respuesta de las plantas a las bajas temperaturas ..................................................... 15 
a. Aclimatación ............................................................................................................. 18 
b. Respuesta al frío a nivel celular ............................................................................ 20 
c. Síntesis de compuestos crioprotectores ............................................................ 22 
d. Remodelación membranal ..................................................................................... 23 
Cambios en lípidos ............................................................................................................. 24 
Esfingolípidos .................................................................................................................. 26 
Cambios en proteínas membranales ............................................................................... 28 
Composición de la membrana plasmática ..................................................................... 29 
Funciones ......................................................................................................................... 30 
I Lípidos ....................................................................................................................... 31 
II Proteínas membranales .......................................................................................... 33 
III Carbohidratos ........................................................................................................... 35 
HIPÓTESIS ................................................................................................................................ 37 
OBJETIVOS ............................................................................................................................... 37 
I Objetivo general ........................................................................................................... 37 
II Objetivos particulares ................................................................................................ 37 
JUSTIFICACIÓN ....................................................................................................................... 37 
I Material biológico ........................................................................................................ 38 
II Características genotípicas y fenotípicas de cada una de las líneas de plantas 
de Arabidopsis thaliana ..................................................................................................... 38 
METODOLOGÍA ........................................................................................................................ 40 
I Estrategia experimental. Diagrama de bloques. .................................................... 40 
I.I Germinación y crecimiento de plántulas de Arabidopsis thaliana ................ 41 
I.II Crecimiento hasta plantas adultas ................................................................... 41 
V 
 
I.III Preparación y obtención de fracciones microsomales ................................ 42 
I.IV Obtención de vesículas de membrana plasmática ........................................ 44 
I.V Determinación de proteína por el método de Lowry ..................................... 44 
I.VI Separación de proteínas en geles de PA-SDS ............................................... 44 
Cálculo de MR para la determinación de la masa molecular de las bandas de 
interés ................................................................................................................................ 49 
Análisis densitométrico ................................................................................................. 49 
Procedimientos estadísticos ......................................................................................... 50 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN ................................................................................................ 51 
I Consideraciones sobre el análisis comparativo de los perfiles electroforéticos
 51 
II Análisis individual de los perfiles electroforéticos por genotipo ...................... 54 
Genotipo silvestre (wt) ...................................................................................................54 
Genotipo lcb2a-1 ............................................................................................................. 61 
Genotipo sbh1-1 .............................................................................................................. 66 
Genotipo sld1/sld2 .......................................................................................................... 69 
Genotipo pfld18-18 .......................................................................................................... 74 
Genotipo mpk3................................................................................................................. 76 
Genotipo mpk6................................................................................................................. 81 
III Análisis comparativo de los perfiles electroforéticos por genotipo y por 
tratamiento ........................................................................................................................... 86 
Perfiles de genotipos con tratamiento de NA ............................................................ 87 
Perfiles de genotipos con tratamiento de AC ............................................................ 88 
Perfiles de genotipos con tratamiento de NA y AC .................................................. 89 
IV Análisis densitométrico por genotipo y tratamiento .......................................... 100 
Genotipo silvestre (wt) ................................................................................................. 102 
Genotipo lcb2a-1 ........................................................................................................... 105 
Genotipo sbh1-1 ............................................................................................................ 110 
Genotipo sld1/sld2 ........................................................................................................ 112 
Genotipo mpk6............................................................................................................... 117 
Genotipo mpk3............................................................................................................... 120 
Genotipo pfld18-18 ........................................................................................................ 124 
RESUMEN DE RESULTADOS .............................................................................................. 125 
VI 
 
CONCLUSIONES ................................................................................................................... 129 
PERSPECTIVAS ..................................................................................................................... 130 
APÉNDICES ............................................................................................................................ 131 
Apéndice 1 .......................................................................................................................... 131 
Apéndice 2 .......................................................................................................................... 134 
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................ 139 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 
 
RESUMEN 
La sensibilidad a las bajas temperaturas depende de la especie y de la 
temperatura de crecimiento. Además de la pérdida de fluidez de las membranas, 
las lesiones más serias están relacionadas con la formación de cristales de hielo a 
temperatura de congelación, que se encargan de producir daños mecánicos y que 
desencadenan estrés hídrico y oxidativo. Una disminución súbita de la 
temperatura ocasiona que el crecimiento se altere y que las lesiones sean graves 
dependiendo de la duración del estrés. Muchos de los efectos del estrés por 
temperaturas extremas están relacionados con la variación en la fluidez de la 
membrana, que depende del grado de saturación de los lípidos que la componen y 
de la temperatura. Las plantas pueden aclimatarse gradualmente a las bajas 
temperaturas aumentando el contenido en lípidos insaturados en sus membranas 
y previniendo la formación de cristales de hielo mediante la síntesis de proteínas 
que pueden actuar disminuyendo la temperatura a la cual se forman estos 
cristales. Algunas plantas poseen un mecanismo para prevenir la deshidratación 
del citoplasma una vez que comienza la congelación del agua extracelular, 
consistente en la formación de cristales de hielo en la pared celular. 
Una forma de estudiar la aclimatación al frío en las plantas y conocer de qué 
manera influyen las bajas temperaturas sobre éstas, es mediante la determinación 
de patrones electroforéticos de proteínas de la membrana plasmática de plantas 
con diferentes contenidos de esfingolípidos, de MAP cinasas y de especies 
reactivas de oxígeno en condiciones de aclimatación. Después de haber realizado 
el análisis de los perfiles electroforéticos de las muestras No Aclimatadas (NA) y 
Aclimatadas (AC) provenientes de las plantas silvestres y de las líneas mutantes, 
se detectaron bandas de proteínas con masas moleculares entre 43 kDa y 47 kDa, 
y entre 25 kDa y 27 kDa, que variaron en su intensidad bajo la condición de 
Aclimatación (AC). Por lo que es posible decir que la composición proteica en la 
membrana plasmática de Arabidopsis thaliana cambia cuantitativamente durante 
la AC al frío y que tales cambios son producidos por la variación de los niveles de 
esfingolípidos, y la presencia de MAP cinasas. 
2 
 
INTRODUCCIÓN 
Mecanismos generales de respuesta al estrés en las plantas 
Las plantas están ligadas a su hábitat, no pueden huir de la amenaza de muchos 
agentes estresantes ambientales y entrópicos, y por lo tanto necesitan 
mecanismos especiales para evitar el estrés o adaptarse a él (Lichtenthaler, 
1998). La flexibilidad de su metabolismo permite a las plantas hacer frente a su 
entorno en constante fluctuación (Gaspar et al., 2002). 
La manifestación de las respuestas de las plantas frente a las condiciones 
ambientales adversas implica la puesta en marcha de una secuencia compleja de 
acciones. En primer lugar, se produce la percepción por la planta del estímulo 
estresante, siendo este proceso el aspecto menos conocido de esta secuencia de 
acciones. En general, la señal de estrés es detectada por receptores y 
seguidamente es procesada para su amplificación a través de cascadas o rutas de 
transmisión de la señal hasta el núcleo de las células. 
La transducción de la señal produce cambios transitorios en los niveles de 
determinados iones (calcio) y moléculas (lípidos, especies reactivas de oxígeno, 
especies antioxidantes, y óxido nítrico) que actúan como segundos mensajeros, 
amplificando la señal de estrés a través de la célula hasta inducir un cambio en 
una molécula efectora, como una cinasa o un factor de transcripción. Las 
hormonas también realizan una función importante en las rutas de transmisión 
intracelular de la señal de estrés. El ácido abscísico participa de forma activa en la 
señalización de muchas de las respuestas al estrés abiótico (Toumi et al., 2010), y 
se ha descrito también la implicación del etileno, el ácido salicílico y el ácido 
jasmónico, en la transmisión de la señal de infección por patógenos (Dempsey et 
al., 1999; Dong, 1998; Jameson & Clarke, 2002; Vlot et al., 2009). 
Finalmente tiene lugar la regulación de la expresión génica en el núcleo, donde se 
induce o reprime la expresión de diversos genes, o los factores de transcripción 
que los regulan, lo que a su vez provoca cambios en el metabolismo celular, que 
se traducen en alteraciones en el crecimiento y desarrollo de la planta. Estos 
3 
 
cambios van encaminados hacia el restablecimiento de la homeostasis de la 
planta y según Azcón-Bieto & Talón (2008) pueden ser, entre otros: 
o Alteraciones en el desarrollode las plantas. Normalmente se aprecia un 
menor desarrollo vegetativo, así como una reducción del número de 
estructuras reproductivas que aceleran su desarrollo para asegurar la 
siguiente generación. 
o Muerte celular y abscisión de los tejidos dañados, lo que elimina el foco de 
infección en estrés biótico, disminuye la superficie de transpiración y 
permite reciclar nutrientes. 
o Aumento o disminución en la actividad de rutas alternativas de disipación y 
obtención de energía, como la fermentativa. 
o Cambios en la actividad hormonal. Además de participar en la percepción y 
transmisión de la señal, la modificación de los niveles hormonales puede 
incrementar la resistencia al estrés. 
o Síntesis de nuevas proteínas, como la ubiquitina, las proteasas implicadas 
en la degradación de las proteínas dañadas, y las proteínas de choque 
térmico. Estas últimas no solo son inducidas frente a temperaturas 
extremas, sino que actúan como chaperonas plegando proteínas 
desnaturalizadas por el estrés y previniendo la formación de agregados 
proteicos irreversibles. 
o Síntesis y acumulación de compuestos osmoprotectores que actúan 
restaurando el potencial hídrico o bien como protectores de la estructura de 
membranas y macromoléculas. 
o Síntesis de metabolitos secundarios protectores, como los fenilpropanoides. 
Estrés por bajas temperaturas en plantas 
El frío es uno de los estreses abióticos más importantes, afecta severamente al 
crecimiento y desarrollo de las plantas, y limita su distribución geográfica. Solo un 
tercio del área total de la Tierra está libre de heladas y el 42% de la superficie 
terrestre soporta temperaturas por debajo de -20ºC (Larcher, 1995). 
4 
 
En general, las plantas originarias de zonas templadas presentan un grado 
variable de tolerancia al frío y pueden aumentar su tolerancia a la congelación 
mediante su exposición a temperaturas bajas por encima de 0ºC (proceso 
denominado aclimatación). Sin embargo, las plantas originarias de áreas 
tropicales y subtropicales son sensibles al frío y carecen del mecanismo de 
aclimatación (Miura & Furumoto, 2013). La mayoría de estas especies sufren 
daños durante el almacenamiento a temperaturas por encima del punto de 
congelación de los tejidos, pero inferiores a 15°C (Lukatkin et al., 2012). 
Para entender el efecto del frío sobre las plantas, conviene distinguir entre 
aquellas temperaturas que se encuentran por encima y por debajo de 0ºC. Puesto 
que el término “estrés por bajas temperaturas” puede resultar arbitrario, en 
adelante se utilizará el concepto “estrés por frío” para designar al chilling stress 
(estrés causado por temperaturas comprendidas en el intervalo entre 0 y 15ºC) y 
“estrés por congelación” para designar al freezing stress (estrés causado por 
temperaturas por debajo de 0ºC). 
Percepción y transducción de la señal de frío 
Actualmente no se ha identificado el mecanismo mediante el cual las plantas son 
capaces de detectar el descenso de temperatura. Se cree que múltiples sensores 
primarios podrían participar en la percepción del frío. Cada sensor percibiría un 
aspecto específico del estrés y estaría implicado en una de las ramas de las 
distintas rutas de señalización de frío (Miura & Furumoto, 2013). Las evidencias 
sugieren que las plantas son capaces de medir la temperatura absoluta, la tasa de 
variación, y el tiempo de exposición a las temperaturas bajas (Knight & Knight, 
2012). 
En varios estudios se ha demostrado que la rigidez de la membrana, junto con la 
reorganización del citoesqueleto, la entrada de calcio y la activación de cascadas 
de cinasas (CDPKs y MAPKs), desencadena la respuesta al frío (Uemura & 
Steponkus, 1999; Orvar et al., 2000; Xin & Browse, 2000; Sangwan et al., 2002; 
Vergnolle et al., 2005; Williams et al., 2005; Komatsu et al., 2007). Hoy en día, la 
hipótesis más ampliamente aceptada es que la reducción en la fluidez de la 
5 
 
membrana causada por el estrés por frío, podría ser el evento primario de la 
percepción de frío que activaría los canales de calcio, activados por estrés 
mecánico, tanto en procariotas como en plantas (Shi et al., 2015). 
La disminución de la fluidez de las membranas como consecuencia de la 
exposición a bajas temperaturas está bastante bien caracterizada. El frío produce 
la llamada “transición de fases”, que, si se prolonga en el tiempo, impide a la 
membrana mantener los gradientes iónicos y el metabolismo comienza a sufrir 
alteraciones. Finalmente, la muerte de la célula puede sobrevenir si el daño se 
acentúa. En este sentido, ha recibido considerable atención el papel de la 
insaturación de los lípidos de membrana en la tolerancia a bajas temperaturas y, 
de hecho, éste ha sido considerado como uno de los factores críticos entre los 
mecanismos de tolerancia al frío (Tambussi, 2004). En plantas aclimatadas 
cambia la composición lipídica, tanto de la membrana plasmática como de los 
cloroplastos, de modo que el umbral de temperatura en el que se producen daños 
en la membrana es menor que el umbral de plantas no aclimatadas (Uemura & 
Steponkus, 1999). Esto se consigue al aumentar el contenido de ácidos grasos 
insaturados en las membranas adaptadas al frío, lo que aumenta su fluidez (Vogg 
et al., 1998). 
Otro posible mecanismo sensor de los cambios en la fluidez de la membrana es la 
desestabilización del citoesqueleto. En células vegetales, las temperaturas bajas 
provocan una rápida despolimerización de los microtúbulos y los microfilamentos, 
que vuelven a polimerizar con la subida de temperatura (Hepler & Hush, 1996; 
Ruelland et al., 2010). La despolimerización, parcial y transitoria, de los 
microtúbulos es necesaria y suficiente para inducir eficientemente el proceso de 
aclimatación en trigo, sugiriendo que los microtúbulos actúan como sensores de 
temperaturas bajas (Schwarzerová et al., 2006; Nick, 2012). En protoplastos de 
Nicotiana plumbaginifolia la disrupción del citoesqueleto mediante tratamientos 
químicos eleva la magnitud del incremento de calcio (Ca2+) intracelular que se 
produce en respuesta a frío (Mazars et al., 1997), y aumenta la expresión de 
genes inducibles por frío como ocurre con la disminución de fluidez de la 
6 
 
membrana (Orvar et al., 2000; Sangwan et al., 2001). Se ha sugerido que los 
microtúbulos limitan la permeabilidad de los canales de calcio mecano-sensibles a 
través de la rigidez de la membrana (Nick, 2012). 
En un modelo simplista en el que la fluidez de la membrana actúa como un 
sensor, es difícil prever como este termómetro celular puede transmitir la 
temperatura absoluta como cambios biofísicos que probablemente sean 
transiciones de fase. Una solución a este problema podría ser que diferentes 
dominios en la membrana fueran responsables de comunicar un rango particular 
de temperaturas. Esto sucede en células de mamíferos, donde diferentes rangos 
de temperatura son transmitidos por distintos receptores y, donde también se 
producen cambios en la formación y composición de las balsas lipídicas en 
respuesta a frío (Bali et al., 2009). 
Se ha estudiado en Arabidopsis thaliana la implicación de los microdominios de 
membrana y sus componentes en la respuesta a las bajas temperaturas. Se ha 
observado que el frío induce cambios en la composición de estos microdominios, 
como la disminución de los componentes asociados al citoesqueleto (Minami et 
al., 2009), pudiendo originar una reorganización del citoesqueleto de actina. Esto 
podría inducir la activación de los canales de calcio mecano-sensibles de la 
membrana, provocando a su vez un aumento transitorio de la concentración de 
calcio citosólico (Theocharis et al., 2012). El Ca2+quetemporalmente aumenta en el 
citosol podría propagarse y llegar al núcleo a través de los complejos de poros 
nucleares, incrementando la concentración nuclear de Ca2+ e iniciando la 
señalización nuclear, del mismo modo que ocurre en célulasanimales (Mauger, 
2012). 
La fosforilación mediada por proteínas cinasas es uno de los mecanismos más 
comunes para transducir las señales ambientales y regular la función de las 
proteínas. La alteración de la fosforilaciónen las proteínas tiene un efecto 
significativo en el desarrollo del proceso de aclimatación de las plantas (Monroy et 
al., 1998). Varias familias de proteínas cinasas (MAPKs, CDPKs, CIPKs, etc.) 
están implicadas en la regulación de la respuesta a frío. 
7 
 
La fosforilación de proteínas en respuesta a frío y la supresión de la actividad de 
proteínas fosfatasas también pueden proporcionar a las plantas un modo de 
percibir la disminución de la temperatura. Las cascadas de cinasas de proteínas 
activadas por mitógenos (MAPK o MAP cinasas) están implicadas en la regulación 
de la señalización y la tolerancia al frío. Durante la primera hora de exposición al 
frío, en Arabidopsis thaliana, se produce la acumulación de transcritos de MEKK1 
(una MAPKKK) (Mizoguchi et al., 1996). MEKK1 interacciona con MKK2 (MAP 
kinase-kinase 2) y ésta fosforila a MPK4 y MPK6, especialmente en condiciones 
de estrés por frío. Las plantas que sobre-expresan MKK2 presentan una actividad 
constitutiva de MPK4 y MPK6, además de una inducción constitutiva de genes de 
respuesta a frío como CBF2, CBF3, etc. (Teige et al., 2004). 
Efecto de las bajas temperaturas en las plantas 
Las bajas temperaturas influyen negativamente sobre las propiedades 
estructurales y funcionales de los componentes celulares. Alteran el correcto 
funcionamiento de las maquinarias transcripcional y traduccional, ya que, 
desestabilizan las estructuras secundarias de ADN y ARN, afectando a la síntesis 
de proteínas. Por otro lado, se produce una reducción en la fluidez de la 
membrana plasmática modificando su funcionamiento (Los & Murata, 2004). Un 
descenso en la temperatura provoca una transición en la membrana plasmática de 
su estado líquido-cristalino habitual a estado gel. Este aumento de la rigidez de la 
membrana, es sumamente importante para la fisiología de la célula, ya que afecta 
su función, por ejemplo, induciendo la agregación de proteínas, disminuyendo la 
tasa de fusión lateral, aumentando la permeabilidad a cationes y agua, así como 
reduciendo la actividad de enzimas y transportadores asociados a la membrana 
(Inouye & Phadtare, 2004). 
Cuando la temperatura desciende por debajo de cero grados, hablamos de estrés 
por congelación. Se sabe que es un proceso complejo y multifactorial en el cual se 
producen varias situaciones de estrés para las células. Mientras que el frío reduce 
o detiene el crecimiento, la congelación es letal para la célula. 
8 
 
La formación y crecimiento de cristales de hielo supone un estrés mecánico para 
la célula. Los daños producidos dependen de la velocidad de congelación. Si ésta 
se produce rápidamente, da lugar a cristales intracelulares de hielo que rompen 
membranas internas, orgánulos y desnaturalizan macromoléculas. Sin embargo, si 
el enfriamiento es lento, la formación de cristales es principalmente extracelular lo 
que supone un flujo de agua hacia el exterior de la célula, con el consiguiente 
estrés osmótico y pérdida de turgencia. En ambos casos, una congelación de 
larga duración aumenta el tamaño de los cristales y acaba por producir daños en 
la membrana plasmática y la pared celular pudiendo derivar en lisis (Todorova et 
al., 2012). 
Por otra parte, también se asocia al proceso de congelación/descongelación la 
formación de especies reactivas del oxígeno (ERO), suponiendo un estrés 
oxidativo para la célula. Se crean a partir de radicales superóxido y electrones 
liberados por ejemplo de la cadena de transporte de electrones de la mitocondria. 
Las ERO causan, entre otros, inactivación de proteínas y daño en el ADN (Lamb & 
Dixon, 1997).Cabe mencionar que de manera similar a lo descrito para los 
cristales de hielo, las ERO producen daños en macromoléculas como las 
proteínas. Éstos pueden inducir un mal plegamiento de las mismas debido a la 
desnaturalización de sus estructuras, ya sea por daño mecánico u oxidativo. 
Los radicales libres se forman cuando una molécula con un par de electrones no 
apareados en la órbita externa recibe o pierde un electrón. El radical libre más 
común en la atmósfera es la molécula de oxígeno, la cual tiene dos electrones no 
apareados en la última órbita, por lo que forma una molécula bi-radical. La 
distribución particular de electrones hace del oxígeno un excelente aceptor de 
electrones. Cada molécula de oxígeno diatómico puede aceptar cuatro electrones 
y cuatro protones, produciendo dos moléculas de agua. En un sistema biológico 
ideal, la reducción de oxígeno a agua sucede secuencialmente. Si la molécula de 
oxígeno sólo recibe uno, dos o tres electrones, se forman las especies reactivas 
de oxígeno. El término especies reactivas de oxígeno se utiliza para incorporar a 
la molécula de peróxido de hidrógeno, la cual no es un radical libre, según la 
9 
 
definición, pero sus propiedades químicas son similares a las del superóxido, y 
fácilmente puede formar los radicales hidroxilo que son muy reactivos (Lamb & 
Dixon, 1997). 
Como todos los organismos aerobios, las plantas requieren de oxígeno para 
producir energía eficientemente. Durante la reducción de oxígeno a agua se 
pueden producir diferentes especies de oxígeno como los radicales superóxido y 
peroxilo, así como peróxido de hidrógeno. En un inicio la cadena de reacciones 
requiere de energía y los pasos posteriores que son exotérmicos suceden de 
manera espontánea, con la participación de enzimas. El oxígeno puede recibir un 
exceso de energía y producir un singulete de oxígeno, 1O2, una molécula 
altamente reactiva cuando se compara con el O2. El singulete puede transferir su 
energía a otras moléculas biológicas o reaccionar con ella misma, produciendo 
endoperóxidos o hidroperóxidos (Halliwell & Gutteridge, 1989). El radical 
superóxido es menos reactivo y además no atraviesa la membrana plasmática y 
es dismutado rápidamente a peróxido de hidrógeno. El radical superóxido también 
reacciona reduciendo quinonas y complejos de metales de transición Fe-Cu, 
afectando la actividad de las enzimas que contienen estos metales. Los radicales 
hidroperoxilo se forman a partir del radical superóxido por protonación; en solución 
acuosa, pueden atravesar la membrana y sustraer átomos de hidrógeno de los 
ácidos grasos insaturados que la forman, iniciando una autooxidación de lípidos. 
El peróxido de hidrógeno es una molécula moderadamente reactiva y puede 
difundir a alguna distancia desde el punto de producción. El H2O2 puede inactivar 
enzimas oxidando los grupos tiol; por ejemplo, las enzimas del ciclo de Calvin, la 
Cu-Zn superóxido dismutasa y la Fe-superóxido dismutasa pueden inhibirse por el 
H2O2. El radical hidroxilo que se forma a partir de H2O2 es el más reactivo. Debido 
a que las células no tienen mecanismo enzimático para eliminarlos, los radicales 
hidroxilos pueden reaccionar con todas las biomoléculas y el exceso de su 
producción lleva a la muerte celular (Vranová et al., 2002). 
Los daños por bajas temperaturas (frío y congelación), pueden producirse en 
todas las plantas, pero los mecanismos y la tipología del daño varían 
10 
 
considerablemente. Algunos cultivos frutales, hortícolas y ornamentales de origen 
tropical experimentan daños fisiológicos cuando están sometidos a temperaturas 
por debajo de +12.5°C, bastante por encima de las temperaturas de congelación. 
Sin embargo, el daño por encima de 0°C es más por enfriamiento que por helada. 
Esto ocurre en todas las plantas debido a la formación de hielo. Las plantas 
cultivadas que se desarrollan en climas tropicales, a menudo experimentan daños 
importantes por heladas cuando se exponen a temperaturas ligeramente por 
debajo de cero, mientras que muchos cultivos que se desarrollanen climas más 
fríos, a menudo, sobreviven con pocos daños si la congelación no es muy severa, 
aunque existen excepciones como es el caso de algunos frutos subtropicales, que 
a pesar de tener un origen tropical, pueden permanecer a temperaturas de -5°C a 
-8°C (Snyder et al., 2010). 
Las especies o las variedades de cultivos exhiben distintos daños por heladas a la 
misma temperatura y en el mismo estado fenológico, dependiendo de las 
condiciones meteorológicas previas. Su adaptación a las temperaturas frías antes 
de una helada nocturna se denomina “endurecimiento”. Durante los períodos fríos, 
las plantas tienden a endurecerse contra el daño por congelación, y pierden ese 
endurecimiento después de un período de calentamiento. El endurecimiento está 
relacionado, probablemente, con el aumento del contenido de solutos en el tejido 
de las plantas o con la disminución de la concentración de bacterias activas en la 
nucleación de hielo (INA) durante los períodos fríos, o una combinación de ambos. 
Durante los períodos cálidos, las plantas exhiben crecimiento, el cual reduce la 
concentración de solutos, y aumenta la concentración de bacterias INA, haciendo 
a las plantas menos resistentes al frío (Snyder et al., 2010). 
El daño por heladas se da cuando se forma hielo dentro del tejido de las plantas. 
Puede ocurrir en las plantas anuales (cultivos para ensilado o forrajes de 
gramíneas y leguminosas; cereales; cultivos para aceite o de raíces; hortícolas; y 
cultivos ornamentales), y en multianuales. Estos daños tienen un efecto drástico 
para la planta entera o pueden afectar únicamente a una pequeña parte del tejido 
11 
 
de la planta, lo cual reduce el rendimiento o desprecia la calidad del producto 
(Snyder et al., 2010). 
Algunos de los daños causados a las plantas por las bajas temperaturas son: 
 Severa deshidratación celular 
 Alteración de la membrana 
 Desnaturalización de proteínas 
 Acumulación de Especies Reactivas de Oxígeno 
 Inhibición de la capacidad fotosintética 
 Daño físico de hojas, flores, frutos 
Temperaturas de invierno y otoñales 
Días cortos y disminución en las temperaturas inducen aclimatación al frío y 
dormancia. La dormancia es el estado de reposo del crecimiento de una planta, en 
otras palabras, es una estrategia que muchas especies de plantas utilizan, ya que 
les permite sobrevivir cuando las condiciones climáticas no son apropiadas para el 
crecimiento, como durante el invierno o durante la estación seca. Las plantas que 
exhiben dormancia tienen un reloj biológico que sigue el ciclo circadiano, 
informándoles cuándo disminuir la actividad de los tejidos vivos en preparación 
para un período de heladas o de escasez de agua. Después de un período de 
crecimiento normal, la dormancia llega a causa de los días más cortos, caídas en 
las temperaturas o disminución de lluvias. Una vez completamente en receso, la 
planta requiere entre 800 a 1600 horas; o frío entre 0 y 7°C, para completar su 
requerimiento de frío y comenzar a crecer (Bentsink & Koornneef, 2008). 
Temperaturas primaverales 
El tiempo entre la última helada primaveral y la primera helada otoñal es crucial, 
ya que, una vez iniciado su crecimiento vegetativo, temperaturas inferiores a -2°C 
causan daños importantes en las plantas. 
Un período libre de heladas de 120 a 150 días se requiere para un buen desarrollo 
y producción. Particularmente, durante la floración, que es el período en el cual la 
12 
 
temperatura no debería bajar de los 0°C. De lo contrario se deberían emplear 
algunos métodos para contrarrestar las heladas (Bentsink & Koornneef, 2008). 
El daño directo por helada ocurre cuando se forman cristales de hielo dentro del 
citoplasma de las células (congelación o hielo intracelular), mientras que el daño 
indirecto puede ocurrir cuando se forma hielo dentro de las plantas pero fuera de 
las células (hielo extracelular). Lo que realmente daña a las plantas no son las 
temperaturas frías, sino la formación de hielo (Westwood, 1978). Se cree que la 
formación de hielo intracelular causa una “ruptura mecánica de la estructura 
citoplásmica” (Levitt, 1980). La extensión del daño debido a la congelación 
intracelular depende principalmente de la rapidez y de la intensidad del 
enfriamiento antes de congelarse. Hay poca evidencia de que la duración de la 
congelación contribuya al daño. De hecho, el daño por congelación parece ser 
independiente del tiempo para períodos cortos, por ejemplo, de 2 a 24 horas 
(Levitt, 1980). 
El daño directo por congelación intracelular se asocia con un enfriamiento rápido. 
En estudios realizados en cámaras climáticas para determinar temperaturas 
críticas, los cortes de plantas se enfrían normalmente a un ritmo entre 1 y 2°C/h. 
Éste es un ritmo más lento comparado con los ritmos que se dan generalmente en 
la naturaleza. Levitt (1980), indicó que, en la naturaleza, el daño por congelación 
resulta de la formación de cristales de hielo extracelular y de que no hay evidencia 
de congelación intracelular. 
Aunque la evidencia no es muy grande, parece que el ritmo de deshielo después 
de una congelación está parcialmente relacionado con la intensidad del daño. 
Yoshida & Sakai (1968) sugirieron que el ritmo de deshielo hará más lenta la 
rehidratación de las células de las plantas que han experimentado congelación 
extracelular y se reducirá el daño debido a un deshielo rápido. 
Por su parte, Levitt (1980) propuso que las células se morían de forma gradual 
como resultado del crecimiento de la masa de hielo extracelular. La presión de 
vapor a saturación es más baja sobre hielo que sobre el agua líquida. Como 
13 
 
resultado de la formación de hielo extracelular, el agua se evaporará desde el 
líquido dentro de las células y pasará a través de las membranas semipermeables 
y se depositará sobre los cristales de hielo fuera de las células. Conforme el agua 
sale de dichas células, la concentración interna de solutos aumenta y reduce el 
riesgo de congelación. Sin embargo, a medida que el hielo continúa creciendo, las 
células se desecan más. Normalmente, en las plantas dañadas, los cristales de 
hielo extracelular son mucho más grandes que las células muertas de alrededor, 
que han colapsado debido a la desecación. En consecuencia, la principal causa en 
la naturaleza del daño por helada a las plantas es la formación de hielo 
extracelular, que produce un estrés de agua secundario a las células adyacentes. 
De hecho, hay una estrecha relación entre las plantas tolerantes a la sequía y las 
plantas tolerantes a la congelación. 
Las plantas resisten las temperaturas bajas evitándolas o tolerándolas. Las 
estrategias para evitar temperaturas bajas incluyen: 
 La retención de la nieve a lo largo del invierno (en zonas donde el clima es 
extremadamente frío), protege tanto las partes aéreas de las plantas como 
las subterráneas (Ventskevich, 1958). 
 El efecto biofísico de cubiertas densas, que protegen parte de la planta de 
una atmósfera fría. 
 Organismos con elevada capacidad de calor que retrasan la caída de 
temperatura respecto a la temperatura del aire, lo que puede salvarles de 
las temperaturas que más dañan (Turrell & Austin, 1969). 
 Los métodos de protección contra heladas artificiales, que modifican el 
microclima de las plantas. 
La tolerancia a bajas temperaturas puede conseguirse: 
 Evitando la congelación mediante una disminución del punto de 
congelación o un aumento en el grado de súper-enfriamiento (Burke et al., 
1976). 
14 
 
 Reduciendo la cantidad de hielo formado debido a un incremento de la 
concentración de solutos en el citoplasma(Li & Palta, 1978). 
 Tolerando un grado más alto de desecación debido a la plasmólisis del 
protoplasma (Gusta et al., 1975). 
 Aumentando la permeabilidad de la membrana plasmática para evitar la 
congelación intracelular (Alden & Hermann, 1971; Levitt, 1980). 
La temperaturaa la cual ocurre la congelación puede fluctuar considerablemente 
dependiendo de la dureza que han alcanzado las plantas. Sin embargo, existen 
plantas que tienen muy poca o ninguna capacidad de endurecimiento (Olien, 1967; 
Larcher, 1982). El endurecimiento implica tanto mecanismos de evasión como de 
tolerancia a la congelación. La acumulación de azúcares o azúcares-alcoholes 
disminuye la temperatura de congelación de los tejidos. Algunas células pueden 
endurecer aumentando la proporción de ácidos grasos no saturados de los lípidos 
de la membrana plasmática, que, a su vez, aumentarán la estabilidad de la 
membrana durante la desecación. Como el endurecimiento es un proceso activo 
que depende del nivel de asimilación en los tejidos, todas las condiciones que 
disminuyen el conjunto de asimilados en los tejidos reducirán el endurecimiento. 
Aunque las temperaturas frías provocan que los frutos de las plantas se 
endurezcan contra los daños por la helada, el endurecimiento se pierde 
rápidamente tras unos pocos días cálidos. Las yemas de los frutos se volverán a 
endurecer, pero a un ritmo mucho más lento que al que lo han perdido. Ésta es la 
base de la práctica de enfriar los cultivos con aspersores durante los períodos más 
cálidos del día para reducir la temperatura y evitar la pérdida de endurecimiento 
(Snyder et al., 2010). 
En el pasado, investigadores han atribuido las fluctuaciones en la sensibilidad a la 
congelación a cambios fisiológicos, pero la contribución de INA a la sensibilidad, lo 
cual también puede ser un factor a considerar, se ha ignorado en general. Por 
ejemplo, un aumento rápido en la concentración de bacterias nucleadoras de hielo 
puede ocurrir también en períodos cálidos. Conforme vayan volviendo las 
temperaturas frías, la concentración de bacterias puede disminuir lentamente. 
15 
 
Las plantas pueden agruparse en cuatro categorías de sensibilidad a la 
congelación: (1) frágiles; (2) ligeramente resistentes; (3) moderadamente 
resistentes; y (4) muy resistentes (Levitt, 1980). Las plantas frágiles son aquellas 
que no han desarrollado la evitación de la congelación intracelular. Las plantas 
ligeramente resistentes incluyen muchas especies sensibles al enfriamiento hasta 
los -5°C. Las plantas moderadamente resistentes incluyen aquellas que pueden 
acumular suficientes solutos para resistir el daño por heladas hasta temperaturas 
tan bajas como -10°C, principalmente evitando el daño por deshidratación, pero 
son menos capaces de tolerar temperaturas más bajas. Las plantas muy 
resistentes son capaces de evitar la congelación intracelular, así como de evitar el 
daño debido a la desecación de las células. 
A pesar de que las categorías de sensibilidad a la congelación dan una 
información general sobre el frío que el órgano de una planta puede aguantar 
antes de que ocurra el daño por helada, el endurecimiento y el estado fenológico 
son importantes. 
Respuesta de las plantas a las bajas temperaturas 
Se admiten como bajas temperaturas aquellas inferiores a las que permiten el 
desarrollo normal de la planta, para cada especie y en cada etapa de desarrollo. A 
medida que las temperaturas descienden de los valores normales se producen 
una serie de alteraciones: debilitamiento de la actividad funcional, desplazamiento 
de los equilibrios biológicos, muerte celular y destrucción de tejidos y órganos 
vegetales. En general, cuando se habla de la influencia de las bajas temperaturas 
sobre las plantas, se hace referencia a las heladas; pero como ya se dijo antes, 
temperaturas por debajo de las normales pueden dar problemas. 
Las tasas de las reacciones químicas sencillas aumentan exponencialmente con la 
temperatura. Sin embargo, la mayoría de las reacciones químicas de las plantas 
tienen un óptimo térmico característico, y se desaceleran tanto a las temperaturas 
superiores al óptimo como a las inferiores a él. Esto se debe, en primera instancia, 
a que la actividad enzimática y la integridad de las membranas celulares son 
afectadas por temperaturas extremas. El óptimo térmico para el crecimiento y el 
16 
 
desarrollo de la planta resulta de la integración de las diferentes respuestas 
térmicas de procesos fisiológicos concurrentes. Por su parte, la temperatura de la 
planta, en un momento dado, es el resultado del equilibrio entre la radiación neta 
absorbida y la disipada por transpiración y convección (Sierra, 2005). 
La planta puede modificar activamente su temperatura, dentro de ciertos límites, 
por medio de respuestas morfológicas y fisiológicas que afectan su balance 
energético (Gates, 1980; Nobel, 1983). La respuesta de las plantas a la 
temperatura depende de su estado de desarrollo y del ambiente térmico 
anteriormente experimentado. Cada especie posee sus temperaturas cardinales 
(mínimo, óptimo y máximo) bien definidas que pueden ser parcialmente 
modificadas por la aclimatación. 
La materia prima para el crecimiento, y el desarrollo, de una planta proviene del 
equilibrio entre la fotosíntesis y la respiración, procesos que aumentan con la 
temperatura. La respiración es más sensible a la temperatura, por lo que el 
crecimiento es menor a temperaturas superiores a la óptima. En general, el óptimo 
térmico de ambos procesos está relacionado con la temperatura promedio del 
hábitat de origen de la especie vegetal. 
Por otra parte, la aclimatación térmica puede afectar el valor de la tasa 
fotosintética máxima y la relación temperatura-fotosíntesis. Tanto la temperatura 
óptima de ese proceso como el punto superior de compensación térmica 
(temperatura a la cual la fotosíntesis iguala a la respiración) son desplazadas a 
menudo en la dirección de la temperatura de aclimatación (Patterson, 1980). 
Los cambios de temperatura, usualmente acompañados por cambios en el 
fotoperíodo, actúan como estímulos activadores o desactivadores de la 
germinación y la floración, y son más evidentes en los hábitats donde hay amplias 
fluctuaciones térmicas. Los síntomas visuales causados por extremos térmicos 
son variados y numerosos, mientras que la adaptación y la aclimatación son 
procesos que ocurren en una escala de tiempo diferente, y pueden impedir o 
moderar los efectos del estrés térmico o alterar la sensibilidad de la planta a ese 
17 
 
estrés. A nivel celular, los daños de los extremos térmicos se deben básicamente 
a la inactivación enzimática o a la alteración de la permeabilidad de las 
membranas celulares, o a ambos fenómenos (Steponkus, 1981). 
Los efectos de las bajas temperaturas se traducen en marchitamiento, reducción 
del crecimiento, fallas en la germinación de la semilla y en la reproducción y 
muerte de tejidos. Los daños dependen de cuán baja sea la temperatura y del 
tiempo de exposición a ella, que varían considerablemente entre las especies 
vegetales y según el estado de desarrollo de éstas (McWilliam, 1978). 
Además de la reducción directa de la tasa fotosintética y del crecimiento, el frío 
interfiere en el control estomático y reduce la conductividad hidráulica de las 
raíces, efectos que ocasionan severo estrés hídrico (Jones, 1985). La clorosis es 
común a bajas temperaturas, y se debe a la reducción en la síntesis de clorofila y 
de caroteno (McWilliam, 1978). La acumulación de almidón en los cloroplastos es 
otro efecto del frío, y es una consecuencia del retardo en la translocación de 
metabolitos y de la disminución de la actividad amilolítica. 
Esta acumulación limita el crecimiento y produce daños físicos en los cloroplastos 
(Humphreys, 1981). La síntesis y el transporte de hormonas, principalmente 
giberelinas, también resultan afectados por las bajas temperaturas, lo que causa 
retardos en el crecimiento (Jones, 1985). 
Se ha intentado explicar la tolerancia al frío de ciertas especies como una función 
de la estabilidad térmica de las enzimas, y de las características estructurales de 
las membranas celulares.Ciertos factores morfológicos de las plantas son también 
importantes para explicar la tolerancia al frío. La capacidad de algunas especies 
de sobrevivir cuando la temperatura es baja se debe a que sus puntos de 
crecimiento se hallan debajo de la superficie del suelo y están así protegidos del 
frío (Clements & Ludlow, 1977). 
Los bajos potenciales osmóticos reducen los daños causados por la temperatura 
baja, porque disminuyen la temperatura de congelación de los líquidos celulares. 
De este modo, las plantas sometidas a estrés hídrico deberían tolerar mejor el frío 
18 
 
que las plantas bien regadas. La pubescencia foliar y el rocío que se forma sobre 
las hojas también contribuyen a minimizar los daños que causarían las bajas 
temperaturas. 
a. Aclimatación 
Se entiende por aclimatación, la adaptación de las plantas de un entorno a otro, es 
un proceso por el cual la planta se adapta fisiológicamente a los cambios de su 
medio ambiente, que en general tiene relación directa con el clima. Se suele usar 
este término para referirse a procesos que ocurren durante un período corto, 
dentro del período vital de un organismo individual o grupo (Wilson & Craig, 2002). 
Las temperaturas bajas, incluidas las de congelación, constituyen uno de los 
factores medio-ambientales más importantes que influencian el crecimiento y 
desarrollo de las plantas, determinando la distribución geográfica y la producción 
de un buen número de especies de interés económico. Algunas plantas de 
regiones templadas son capaces de desarrollar, o incrementar su tolerancia a las 
temperaturas de congelación en respuesta a temperaturas bajas, pero no de 
congelación mediante un proceso denominado Aclimatación a las temperaturas 
bajas. La aplicación exógena de ácido abscísico (ABA) y el estrés hídrico también 
desencadenan el proceso de aclimatación. La comprensión de los mecanismos 
moleculares que controlan este proceso es el primer paso para poder manipular, 
mediante estrategias biotecnológicas, la tolerancia de las plantas a las bajas 
temperaturas. Aunque el proceso de aclimatación ha sido correlacionado con 
cambios rápidos de expresión génica, tan solo un número muy pequeño de genes 
ha sido implicado realmente en el proceso y la cadena de transducción de la señal 
que media la expresión génica durante la aclimatación es poco conocida 
(Chandler & Robertson, 1994). 
Las plantas han desarrollado una amplia variedad de mecanismos para sobrevivir 
en hábitats expuestos a largos y cortos períodos de heladas. Además de las 
medidas para reducir el estrés de congelación, las plantas también han 
evolucionado en las formas de reunión de otros tipos de estrés relacionados con 
inviernos fríos, tales como la fotoinhibición, la sequía de invierno y la nieve. Las 
19 
 
heladas pueden retrasarse o incluso prevenirse. En última instancia, en los climas 
fríos la supervivencia de una planta está determinada por su tolerancia al grado de 
congelación. 
El daño por congelación en los tejidos vegetales es considerado un estrés 
abiótico. Sin embargo, las plantas han desarrollado mecanismos de resistencia al 
frío. Para una especie y órgano en particular, dicha resistencia es variable a lo 
largo del año, en función (principalmente) de la temperatura ambiental. Las 
temperaturas bajas, sin llegar a ser de congelación, también afectan las etapas 
reproductivas mediante la disminución de la actividad de los agentes polinizadores 
y la alteración del proceso de fecundación. Las reservas nutricionales influyen en 
la resistencia a heladas mediante la degradación del almidón en compuestos 
osmóticamente activos, que aumentan la capacidad de sobre-enfriamiento del 
tejido vegetal. La elección del sitio de cultivo, de los cultivares más resistentes a 
heladas y la implementación de prácticas de manejo, permitirían la disminución en 
la aplicación del control activo contra heladas, volviendo eficiente el uso de los 
recursos y disminuyendo el daño ambiental. La existencia de modelos predictivos 
permite adelantarse a los posibles efectos perjudiciales del calentamiento global, y 
por lo tanto, seleccionar con anticipación los materiales vegetales adecuados para 
el nuevo escenario (Pearce, 2001). 
Ante el estrés ya mencionado, algunas plantas han evolucionado y desarrollado 
mecanismos de resistencia, siendo ésta una característica de suma importancia 
para los cultivos, que puede determinar la factibilidad de obtener cosechas 
aceptables, minimizando el porte de energía calórica. 
En especies herbáceas, existen revisiones sobre la regulación génica de los 
mecanismos que intervienen en la aclimatación al frío (Thomashow, 1999). La 
resistencia puede cambiar notablemente con la estación y el estado de desarrollo 
de las plantas, entre otros factores (Burke et al., 1976). 
La resistencia a heladas puede ser constitutiva, como una característica genética 
de la especie, o inducida. La inducción puede ocurrir cuando la planta es expuesta 
20 
 
a bajas temperaturas, generalmente entre 0 y 10°C, también conocida como 
aclimatación al frío o endurecimiento. La mayoría de las plantas resistentes a 
heladas pueden incrementar su endurecimiento mediante la inducción ambiental 
de baja temperatura no perjudicial (Li et al., 2004; Jacobsen et al., 2007; Szalay et 
al., 2010). 
Durante el proceso de endurecimiento al frío tienen lugar una serie de cambios 
morfológicos y fisiológicos que permiten a las plantas aclimatarse a las nuevas 
condiciones atmosféricas y sobrevivir durante el invierno. El transporte de 
sustancias de reserva hacia órganos, la disminución en el contenido de humedad 
de los tejidos, la transformación de almidón en azúcares solubles y las 
modificaciones en la composición lipídica de las membranas celulares son algunos 
de ellos (Pearce, 2001; Gallino et al., 2007). 
b. Respuesta al frío a nivel celular 
Se podría decir que la formación de cristales de hielo y la deshidratación del 
protoplasto matan a las células. La capacidad para tolerar las temperaturas 
congelantes en condiciones naturales varía mucho con el grado de hidratación de 
los tejidos. 
En el caso de las células vegetativas y completamente hidratadas, la velocidad de 
enfriamiento también es importante ya que si ésta es muy rápida se evita la 
formación de cristales intracelulares grandes que destruirían la estructura 
subcelular. Los cristales de hielo de congelación rápida son demasiado pequeños 
para producir daño mecánico. Sin embargo, el enfriamiento muy rápido no ocurre 
en la naturaleza (Levitt, 1980). 
En condiciones naturales, el enfriamiento de los órganos vegetales intactos nunca 
es lo bastante rápido como para limitar la formación de cristales pequeños e 
inofensivos. El hielo se forma usualmente primero en los espacios intercelulares y 
en los vasos del xilema, a lo largo de los cuales el hielo puede propagarse 
rápidamente. Este hielo no es letal en plantas resistentes y el tejido se recupera 
completamente si es calentado. Pero, cuando las plantas se exponen a 
21 
 
temperaturas congelantes durante mucho tiempo, el crecimiento de los cristales de 
hielo extracelulares causa la salida de agua líquida desde el protoplasto hasta el 
hielo extracelular, causando una deshidratación excesiva. Si la temperatura 
continúa bajando, la congelación ocurre intracelularmente en los protoplastos 
individuales (Levitt, 1980). 
Durante la congelación rápida, el citosol y la vacuola se superenfrían, es decir, el 
agua celular permanece líquida incluso a temperaturas varios grados abajo de su 
punto de congelación teórico. Son necesarios varios cientos de moléculas de 
agua, tanto en las paredes celulares como en el protoplasto, para empezar a 
formarse un cristal de hielo. El proceso por el cual estos cientos de moléculas de 
agua empiezan a formar un cristal de hielo estable se llama nucleación del hielo y 
depende de las propiedades de lassuperficies implicadas. Algunos polisacáridos 
grandes y proteínas facilitan la formación de cristales de hielo y se llaman 
nucleadores de hielo. Algunas bacterias que viven sobre las superficies de las 
hojas aumentan el daño por congelación por sintetizar proteínas de nucleación de 
hielo (Levitt, 1980). 
El estrés ocasionado por frío, salinidad y sequía representa uno de los mayores 
factores limitantes, que afecta negativamente el desarrollo y la productividad de 
las plantas en todo el mundo. La aclimatación de las plantas a este tipo de estrés 
depende de la regulación de cascadas de redes bioquímicas y moleculares 
involucradas en la percepción del agobio, la transducción de señales y la 
expresión de genes específicos relacionados con tal limitante ambiental. Los 
componentes clave que controlan y modulan la aclimatación al estrés son los 
factores de transcripción, los cuales son pequeñas proteínas que regulan la 
expresión de muchos genes que conducen a la modulación de complejos 
mecanismos de aclimatación, por lo que constituyen un grupo de moléculas de 
interés crucial para entender los mecanismos que emplean las plantas para tolerar 
este tipo de agobio ambiental. En las plantas superiores cuyos genomas han sido 
secuenciados completamente, las familias de los factores de transcripción son 
numerosas y oscilan entre 79 y 81, según la especie. 
22 
 
c. Síntesis de compuestos crioprotectores 
Los compuestos que por excelencia son utilizados en el manejo del estrés por frío 
son llamado crioprotectores. Estos compuestos tienen la capacidad de 
proporcionar resistencia a bajas temperaturas, pero su actividad crioprotectora no 
solamente depende del metabolismo celular, sino también de una buena nutrición, 
por lo que bajo condiciones de estrés no todas estas moléculas son sintetizadas 
por las plantas. 
Muchas plantas sometidas a condiciones extremas acumulan osmolitos, los cuales 
son sustancias de bajo peso molecular, tanto iones inorgánicos como pequeñas 
moléculas orgánicas, que comprenden la mayoría de los solutos osmóticamente 
activos, y que están presentes en todas las células. Estas sustancias forman parte 
del medio donde se realizan las reacciones bioquímicas. Dichos osmolitos son 
compatibles como prolina, glicina-betaína, beta-alanina, betaína y azúcares 
reductores; la síntesis de estos compuestos osmo-protectores facilita la retención 
de agua por el citoplasma, reajustan el potencial hídrico intracelular y estabilizan la 
estructura de membranas y macromoléculas (Azcón-Bieto & Talón, 2000; Oliver et 
al., 2000). 
Según Van Swaaij et al., (1986), la acumulación de prolina se produce cuando la 
planta se encuentra bajo estrés por temperatura; se piensa que disminuye la 
deshidratación celular y el punto de congelación del citoplasma; además actúa 
como una fuente de nitrógeno y energía para la recuperación y el crecimiento que 
siguen al estrés. Parece tener también un papel directo en la crioprotección de las 
membranas celulares, de orgánulos y de las enzimas por dilución coligativa de las 
altas concentraciones de sales, y mantiene la solubilidad de las proteínas durante 
la deshidratación. 
Los azúcares actúan disminuyendo el punto de congelamiento de la matriz 
citoplasmática, previniendo la plasmólisis y la toxicidad de compuestos 
citoplasmáticos o estabilizando la estructura de las proteínas (Livingston et al., 
1989). En condiciones de desecación grave protegen la célula al propiciar la 
cristalización o vitrificación del contenido interno, obteniendo propiedades de un 
23 
 
gel en cuanto a su viscosidad, evitando que la célula se colapse (Azcón-Bieto & 
Talón, 2000). También se ha encontrado en algunas plantas, un incremento en la 
concentración de hidratos de carbono solubles, que da lugar a un descenso en el 
potencial osmótico durante las horas de la noche, en respuesta a un eventual 
decremento de temperatura por debajo de 0 °C. Esto puede representar una 
ventaja adaptativa, ya que la sacarosa y otros azúcares solubles han sido 
reportados como crioprotectores de la membrana (Steponkus et al., 1977). 
Si el cambio de temperaturas es rápido, entonces el hielo puede formarse en el 
citoplasma o en las vacuolas, por lo que como se mencionó antes, se sintetizan 
moléculas crioprotectoras, que evitan la formación de cristales en estos 
compartimentos celulares. La concentración alta de sustancias solubles y bajo 
peso molecular pueden encontrarse en plantas tolerantes a la congelación, 
pueden ser tales como la sacarosa, rafinosa, estaquiosa, frutanos, sorbitol, 
manitol, aminoácidos y poliaminas; estos compuestos diluyen la carga iónica en la 
superficie de la membrana y al mismo tiempo estabilizan la estructura de la bicapa 
por ser débilmente polares. 
Por otra parte, existen genes que codifican proteínas, tanto en plantas como en 
animales, cuya función es evitar la formación de los cristales de hielo, gracias a 
que se unen a moléculas de agua, evitando su ordenación. Cuando el agua 
empieza a salir de las células se activa la formación de estas proteínas para evitar 
la completa deshidratación por frío de las células (Snyder et al., 2010). 
d. Remodelación membranal 
Los efectos de las bajas temperaturas en plantas incluyen cambios en aspectos 
bioquímicos, y biofísicos de la membrana, así como en la síntesis proteica, 
modificaciones conformacionales en enzimas, en la ultraestructura de 
mitocondrias y cloroplastos y en los metabolismos fotosintético y respiratorio, 
además de disminución del crecimiento y alteraciones en el desarrollo (Azcón-
Bieto & Talón, 2000). 
24 
 
La membrana celular es una bicapa lipídica que delimita todas las células, regula 
la entrada y salida de muchas sustancias entre el citoplasma y el medio 
extracelular. Estas funciones y su composición se afectan ante temperaturas 
bajas, ya que comienza a endurecerse por efecto del frío provocando que sea 
menos permeable, impidiendo así la entrada de agua y de nutrientes y generando 
una baja en la tasa metabólica, fotosintética y respiratoria. 
Las hojas de las plantas dañadas por el enfriamiento muestran la inhibición de la 
fotosíntesis, transporte más lento de carbohidratos, velocidades inferiores de 
respiración, inhibición de la síntesis proteica y aumento de la degradación de 
proteínas existentes. Todas estas respuestas al parecer dependen de un 
mecanismo común implicando la pérdida de la función de las membranas durante 
el enfriamiento. La pérdida de solutos hasta el agua refleja un daño a la membrana 
plasmática y posiblemente también al tonoplasto (membrana que delimita la 
vacuola central en las células vegetales que es responsable de la turgencia celular 
y permite a las células de las plantas incorporar y almacenar agua con muy poco 
gasto de energía, es selectivamente permeable y permite incorporar ciertos iones 
al interior de la vacuola). Por otra parte, la inhibición de la fotosíntesis y de la 
respiración refleja el daño a las membranas del cloroplasto y de la mitocondria 
(Azcón-Bieto & Talón, 2000). 
Cambios en lípidos 
Uno de los efectos mejor caracterizados de las bajas temperaturas es la 
disminución de la fluidez de la membrana. En ese sentido, ha recibido 
considerable atención el papel de la insaturación de lípidos de membrana en la 
tolerancia a bajas temperaturas y de hecho, este ha sido considerado como uno 
de los factores críticos entre los mecanismos de tolerancia al frío (Azcón-Bieto & 
Talón, 2000). 
En términos más prácticos, el estrés por frío provoca una reducción en la 
velocidad de absorción de agua y nutrientes, esto a su vez disminuye la velocidad 
de translocación interna de las soluciones absorbidas. Se reduce la asimilación de 
las sustancias nitrogenadas y se hace especialmente lenta la síntesis de 
25 
 
proteínas. Se afecta significativamente la asimilación de potasio, y en menor 
proporción la de fósforo. Lasplantas bajo situaciones de estrés enfocan esfuerzos 
y energía en funciones vitales y dejan en segundo término o en gasto mínimo de 
energía el envío de fotosintatos a órganos de demanda o almacenamiento. Se 
sabe que la raíz es un órgano de vital importancia para la vida de la planta. La 
parte aérea de la planta, que contiene los tallos y hojas, tiene un papel importante 
para la producción de nutrimentos orgánicos como resultado del proceso de 
fotosíntesis. Estos compuestos orgánicos, a los que llamamos fotosintatos, se 
necesitan tanto para construir todos los órganos de la planta, como para obtener la 
energía para los procesos vitales. Como los fotosintatos no se producen en la raíz, 
tienen que ser transportados desde la parte aérea. 
En las plantas sensibles al enfriamiento, los lípidos de la bicapa tienen un 
porcentaje alto de cadenas de ácidos grasos saturados y las membranas con esta 
composición tienden a solidificarse en un estado semicristalino a una temperatura 
por debajo de 0°C. 
Los lípidos de la membrana de las plantas resistentes al enfriamiento tienen 
frecuentemente una proporción de ácidos grasos insaturados mayor que la de las 
plantas sensibles al enfriamiento y durante la aclimatación a temperaturas frías 
aumenta la actividad de las enzimas desaturasas y consecuentemente sube la 
proporción de lípidos insaturados (con dobles enlaces). Esta modificación 
disminuye la temperatura a la que los lípidos de las membranas empiezan un 
cambio de fase gradual desde fluido a semicristalino y permite a las membranas 
permanecer fluidas a temperaturas inferiores. Por ello, la desaturación de los 
ácidos grasos proporciona protección frente al daño por enfriamiento (Avers, 
1991). 
Por tanto, las plantas optan por una estrategia en principio sencilla: transforman 
sus ácidos grasos saturados –el componente principal de la membrana lipídica- en 
ácidos grasos insaturados gracias a las enzimas desaturasas, las cuales 
remueven dos átomos de hidrógeno de un ácido graso, creando así un doble 
26 
 
enlace. Estos ácidos grasos insaturados son moléculas con mayor movilidad y les 
conceden mayor fluidez a las membranas. 
Los ácidos grasos saturados necesitan una mayor temperatura para volverse 
líquidos y a bajas temperaturas son sólidos (en estado semicristalino). De forma 
inversa, los ácidos grasos insaturados son líquidos, permitiendo que haya un 
mayor movimiento de los compuestos de la membrana celular. Al bajar la 
temperatura, para permitir que los procesos metabólicos se lleven a cabo en la 
membrana celular y no se queden detenidos, la membrana se hace más fluida. 
Las plantas resistentes al frío suelen tener una proporción mayor de ácidos grasos 
insaturados que las plantas sensibles (Avers, 1991). 
Además de esta estrategia, las células deben evitar la formación de cristales 
dentro de las células. En un inicio, la formación de hielo en el espacio intercelular 
no trae ningún problema para las plantas. La formación de este hielo es muy 
común en los enfriamientos lentos, pero si esto ocurre en períodos prolongados de 
tiempo, la falta de agua disponible en el exterior celular puede ser un problema. En 
estas circunstancias el agua celular puede moverse hacia el exterior. 
Esfingolípidos 
Los esfingolípidos son lípidos que contienen esfingosina, un amino alcohol con 
una larga cadena hidrocarbonada no saturada, en lugar del glicerol. Los tres 
primeros carbonos de la cadena de esfingosina son análogos a la estructura del 
glicerol de los glicerofosfolípidos. Ambos tipos de lípidos poseen una cabeza polar 
y dos colas hidrofóbicas, pero en el caso de los esfingolípidos, solamente una de 
las colas hidrofóbicas corresponde a un ácido graso, ya que la otra cadena 
hidrofóbica forma parte de la base de cadena larga de la esfingosina. El ácido 
graso que se encuentra unido mediante un enlace amida forma la ceramida. Los 
esfingolípidos se encuentran en plantas y animales estando presentes en grandes 
cantidades en los tejidos nervioso y cerebral. La esfingomielina tiene un ácido 
graso unido mediante un enlace amida al grupo amino de la esfingosina teniendo 
fosforil colina unida al grupo hidroxilo terminal mediante enlaces éster. La 
esfingomielina es el más abundante de los esfingolípidos y es el único fosfolípido 
27 
 
derivado de la esfingosina presente en las membranas. Al igual que la fosfatidil 
colina, la esfingomielina tiene una cabeza polar y dos colas apolares, siendo una 
de ellas la larga porción hidrocarbonada no saturada de la esfingosina (Bradley & 
Bennett, 1982). 
Se ha observado que en las plantas que han sido sometidas a aclimatación, 
ocurre una disminución en la cantidad de esfingolípidos y un aumento de 
glicerofosfolípidos en la membrana plasmática. Dicha disminución de 
esfingolípidos puede deberse no solamente al bajo grado de hidratación que 
presentan estos lípidos, lo que podría favorecer la poca separación con lípidos de 
otras endomembranas, sino que también puede deberse a que la porción de la 
ceramida presente en todos los esfingolípidos es rígida y esto disminuye la fluidez 
membranal. Por lo que es posible que las ceramidas presentes sean los primeros 
constituyentes hidrofóbicos afectados de manera importante por las bajas 
temperaturas (Bohn et al., 2007). 
Los esfingolípidos se encuentran en todas las células eucariontes y son los lípidos 
más abundantes en las plantas pero su estudio es bastante reciente. Por ello, sus 
funciones están apenas descubriéndose. De las dos que se conocen hasta ahora, 
está la de constituir bloques estructurales fundamentales de las membranas 
celulares, si bien su distribución específica en las diferentes organelas 
membranosas es desconocida. Evidencias experimentales recientes ubican a 
estos lípidos en membranas como la plasmática formando balsas o microdominios 
de lípidos (Chen et al., 2009; Carmona-Salazar et al., 2011). La otra función de los 
esfingolípidos es la de ser mediadores intracelulares pues los precursores 
biosintéticos de los esfingolípidos complejos, como las bases de cadena larga, se 
comportan como segundos mensajeros que median las respuestas a la sequía, a 
los patógenos y como se ha propuesto más recientemente, a las bajas 
temperaturas. En este último caso, las bajas temperaturas fueron usadas como 
factores de estrés, no de aclimatación. Muchas de las funciones señalizadoras de 
los esfingolípidos son complementadas por MAP cinasas y por ERO (Saucedo et 
al., 2015). 
28 
 
Cambios en proteínas membranales 
A medida que la membrana se hace menos fluida, sus componentes proteicos no 
pueden funcionar con normalidad. El resultado es la inhibición de la actividad de la 
ATPasa de protones, del transporte de solutos desde y hacia las células, de la 
transducción de la energía y el metabolismo dependiente de enzimas. 
Varios eventos celulares ocurren durante las heladas: 
 Comienza la congelación y se forma hielo extracelular. 
 El agua se moviliza desde adentro hacia afuera de la célula. 
 Los solutos y componentes celulares adquieren alta concentración y causan 
un estrés prolongado a la célula. 
 La muerte eventual de las células ocurre por la desnaturalización de las 
proteínas o de sus uniones químicas y por la destrucción de las proteínas 
de la membrana celular. 
Estos eventos son el producto de una complicada interacción física y química, 
pero la destrucción final en la célula es probablemente mayor a nivel químico. 
Varias hipótesis que explican el daño por las bajas temperaturas y la muerte 
celular que se relacionan con las proteínas son: 
o Hipótesis de disulfuro-sulfhidrilo. Levitt (1980) propuso que la lesión por 
congelación se debía a la desnaturalización de proteínas, causando 
cambios en la estructura terciaria. La formación de nuevos puentes 
disulfuro intermoleculares que unían proteínas, esperaba ser estimulada por 
deshidratación inducida porcongelación llevando proteínas estructurales a 
la proximidad, que dicho de otra manera, se refiere a que la deshidratación 
celular ocasiona que las moléculas de proteína se acerquen demasiado 
unas a otras; se produce una oxidación de los grupos sulfhidrilos y se 
forman uniones disulfuro entre ellas que causan un efecto irreversible que 
desnaturaliza las proteínas. La aglutinación de proteínas causaría la 
inactivación de la función enzimática. En este modelo, la tolerancia a la 
congelación disminuiría la desnaturalización de proteínas previniendo la 
29 
 
formación de enlaces disulfuro en sentido bioquímico y físico. Experimentos 
para demostrar esta teoría han dado resultados negativos y positivos. Por 
tanto, es más el hecho de que la formación de puentes disulfuro son un 
resultado y no una causa de lesión por congelación, o en otras palabras, un 
efecto secundario y no primario. Al tiempo que Levitt evaluaba su modelo 
no tenía en cuenta el significado del estrés oxidativo, o de la posibilidad de 
que formas activadas del oxígeno podían atraer átomos de hidrógeno de 
grupos tiol (Estrada, 2001). 
o Hipótesis de la capa de agua protectora de la proteína. El movimiento de 
agua desde el interior hacia afuera de la célula produce un 
desacoplamiento del sistema de las fosforilasas que actúan en la 
fotosíntesis, por la ruptura de las uniones de hidrógeno. 
o Hipótesis de la precipitación de proteínas. Bajo la acción de la congelación 
se forman pequeños y numerosos cristales de hielo que producen 
deshidratación, desnaturalización y precipitación de proteínas. 
o Hipótesis del agua vital (Weiser, 1970). Se requiere una cantidad mínima de 
agua para mantener la integridad estructural de la célula. Durante la 
congelación, el citoplasma pierde mucha agua. Si continúa la presión de la 
congelación, la resistencia final de la célula dependerá de la tenacidad con 
que el agua esté unida a los constituyentes protoplásmicos. 
En todas las hipótesis anteriores, el factor común es el papel que las proteínas 
desempeñan en la función y estructura celular, el cual resulta alterado por la 
congelación. 
Composición de la membrana plasmática 
Las membranas biológicas son barreras de permeabilidad bastante selectivas, que 
crean compartimentos cerrados que definen el interior y exterior de una célula 
completa (membrana plasmática o membrana externa) o de orgánulos 
intracelulares. La composición química de la membrana plasmática al igual que 
cualquier otra membrana biológica es diversa y depende de la especie y de la 
30 
 
célula, pero principalmente está compuesta de lípidos, proteínas e hidratos de 
carbono (Stryer et al., 2004). 
La estructura de la membrana plasmática se basa principalmente en dos 
monocapas de lípidos contrapuestas entre sí, formando una estructura laminar 
continua (bicapa lipídica). El centro de la bicapa es de naturaleza hidrofóbica y las 
superficies de sus dos caras son hidrofílicas, las dos caras de la membrana son 
asimétricas entre sí, esto es, que su composición es diferente cuantitativa y 
cualitativamente hablando. La bicapa es estable, mantenida por las interacciones 
hidrofóbicas cooperativas entre los lípidos. Las proteínas membranales, tienen 
organización y orientación muy precisas en la bicapa, y contribuyen a regular las 
composiciones moleculares así como las iónicas de los compartimentos que 
delimitan. Los carbohidratos contenidos en la membrana están unidos 
covalentemente a lípidos (glicolípidos) ó a proteínas (glicoproteínas); dichos 
carbohidratos se encuentran localizados en la cara no citosólica de la bicapa en el 
caso de la membrana plasmática (Alberts & col., 1994; Callen, 2000; Stryer et al., 
2004). 
Funciones 
 Define la extensión de la célula y establece sus límites. 
 Constituye una barrera selectivamente permeable, dado que impide el 
intercambio indiscriminado de sustancias entre el citoplasma y el medio 
extracelular. La membrana plasmática, gracias a sus propiedades 
fisicoquímicas, está capacitada para transportar de un lado a otro de la 
misma, determinados solutos, macromoléculas y complejos 
macromoleculares. Sin embargo, hay moléculas, que a pesar de ser tóxicas 
para la célula, pueden ingresar sin dificultad a la misma a través de la 
membrana. Un ejemplo sería el CO (monóxido de carbono). 
 Controla las interacciones de la célula con el medio extracelular (tanto con 
la matriz extracelular como con otras células vecinas). Permite a las células 
reconocerse, adherirse entre sí cuando sea necesario e intercambiar 
materiales e información. 
31 
 
 Interviene en las respuestas a señales externas a la célula. La membrana 
posee receptores, que son moléculas o conjuntos de moléculas, capaces 
de reconocer y responder a señales provenientes del medio extracelular 
portando información específica. Cuando dichas señales llegan hasta la 
membrana plasmática, se desencadenan señales internas en la célula, 
tanto activadoras como inhibitorias de distintos procesos celulares. 
Las membranas no son estructuras estáticas ni rígidas. Están formadas por un 
conjunto de moléculas hidrofóbicas e hidrofílicas que se mantienen unidas por 
enlaces, en general, no covalentes. Una de las principales características de las 
membranas biológicas es su alto grado de fluidez. Esto implica que sus lípidos y 
proteínas pueden desplazarse libremente en todas las direcciones, pero siempre 
en el plano de la membrana. De allí entonces la denominación de “mosaico fluido”; 
a esta propiedad también se la conoce como difusión lateral. 
I Lípidos 
La variedad de lípidos presentes en las membranas es muy amplia; sin embargo, 
todos poseen una característica en común: son moléculas anfipáticas. Esto 
significa que sus moléculas contienen una zona hidrofílica o polar y una 
hidrofóbica o no polar. 
Los fosfolípidos son los lípidos más abundantes en las membranas. Debido a su 
carácter anfipático, los fosfolípidos, en un medio acuoso se organizan 
espontáneamente conformando la denominada bicapa lipídica. Las cabezas 
polares están orientadas hacia el medio acuoso (intra y extracelular) y las colas 
hidrofóbicas hacia el interior de la bicapa, constituyendo la matriz de la membrana. 
A su vez, estas bicapas tienden a cerrarse espontáneamente sobre sí mismas 
formando vesículas, es decir, compartimentos cerrados en toda su extensión 
tridimensional, similares a una esfera. 
La bicapa de fosfolípidos funciona principalmente como armazón estructural de la 
membrana y como barrera que impide el pasaje de sustancias hidrosolubles a 
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través de la misma; esto último es debido al carácter fuertemente hidrofóbico de la 
matriz de la membrana. 
Los lípidos más frecuentes de las membranas son los glicerofosfolípidos, los 
esfingolípidos y los esteroles. 
La estabilidad de las bicapas lipídicas está dada por: 
 Interacciones hidrofóbicas entre las colas hidrocarbonadas. 
 Fuerzas de Van der Waals entre las colas hidrofóbicas. 
 Fuerzas electrostáticas y puentes de hidrógeno entre las cabezas polares 
de los lípidos, ya sea entre ellos mismos y con las moléculas de agua de los 
medios extra e intracelular. 
Todas estas son uniones débiles (no covalentes) y le confieren simultáneamente 
estabilidad y fluidez a la membrana. 
Las cadenas hidrocarbonadas de los ácidos grasos (también denominadas “colas” 
o grupos acilo), que forman parte los glicerofosfolípidos y de los esfingolípidos 
pueden presentarse como: 
 Saturados (sin dobles enlaces) 
 Monoinsaturados (con un único doble enlace) 
 Poliinsaturados (más de un doble enlace) 
En general, los lípidos de membrana contienen un grupo acilo insaturado y otro 
saturado en su estructura. 
La presencia de ácidos grasos insaturados aumenta la fluidez de la membrana, 
debido al ”doblamiento” de las colas en los dobles enlaces. Esto impide, o al 
menos dificulta, que las colas hidrocarbonadas se compacten,