Metal ligands in micronutrient acquisition and homeostasis

Resumo

A aquisição e a homeostase de micronutrientes como o ferro (Fe) e o zinco (Zn) impõem desafios específicos. A baixa solubilidade e a alta reatividade exigem a síntese e o fornecimento controlados de ligantes para complexar esses metais no espaço extracelular e intracelular. Os compartimentos lábeis citosólicos representam apenas uma fração minúscula do conteúdo celular total. Vários ligantes de baixo peso molecular são conhecidos em plantas, incluindo ligantes de enxofre (cisteína e peptídeos), ligantes de nitrogênio/oxigênio (moléculas derivadas de S-adenosil-L-metionina e histidina) e ligantes de oxigênio (fenólicos e ácidos orgânicos). Alguns ligantes são secretados no espaço extracelular e influenciam a fito-disponibilidade de íons metálicos. Uma segunda função principal é o tamponamento intracelular de micronutrientes, bem como a facilitação do transporte a longa distância no xilema e no floema. Além disso, os ligantes de baixo peso molecular estão envolvidos no armazenamento de metais, predominantemente em vacúolos. Uma compreensão molecular detalhada é dificultada por limitações técnicas, em particular a dificuldade de detectar e quantificar complexos metal-ligante celulares. Mais, mas ainda muito pouco, se sabe sobre a síntese de ligantes e o transporte através de membranas, com ou sem um metal complexado. Os ligantes metálicos têm um impacto imediato no bem-estar humano. A engenharia da síntese e distribuição de ligantes metálicos em culturas tem um tremendo potencial para melhorar a qualidade nutricional dos alimentos e enfrentar os principais riscos à saúde humana.

Abstract

Acquisition and homeostasis of micronutrients such as iron (Fe) and zinc (Zn) pose specific challenges. Poor solubility and high reactivity require controlled synthesis and supply of ligands to complex these metals extracellularly and intracellularly. Cytosolic labile pools represent only a minute fraction of the total cellular content. Several low-molecular-weight ligands are known in plants, including sulfur ligands (cysteine and peptides), nitrogen/oxygen ligands (S-adenosyl-l-methionine-derived molecules and histidine), and oxygen ligands (phenolics and organic acids). Some ligands are secreted into the extracellular space and influence the phytoavailability of metal ions. A second principal function is the intracellular buffering of micronutrients as well as the facilitation of long-distance transport in xylem and phloem. Furthermore, low-molecular-weight ligands are involved in the storage of metals, predominantly in vacuoles. A detailed molecular understanding is hampered by technical limitations, in particular the difficulty to detect and quantify cellular metal–ligand complexes. More, but still too little, is known about ligand synthesis and the transport across membranes, either with or without a complexed metal. Metal ligands have an immediate impact on human well-being. Engineering metal ligand synthesis and distribution in crops has tremendous potential to improve the nutritional quality of food and to tackle major human health risks.