Leghemoglobin

La leghemoglobina (también leghemoglobina o legoglobina ) es una fitoglobina transportadora de oxígeno que se encuentra en los nódulos radiculares fijadores de nitrógeno de las plantas leguminosas . Estas plantas la producen en respuesta a la colonización de sus raíces por bacterias fijadoras de nitrógeno, denominadas rizobios , como parte de la interacción simbiótica entre la planta y la bacteria: las raíces no colonizadas por Rhizobium no sintetizan leghemoglobina. La leghemoglobina presenta similitudes químicas y estructurales con la hemoglobina y, al igual que esta, es de color rojo. Inicialmente se pensó que el grupo prostético hemo de la leghemoglobina vegetal era proporcionado por el simbionte bacteriano dentro de los nódulos radiculares simbióticos. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Sin embargo, estudios posteriores demuestran que la planta huésped expresa fuertemente genes de biosíntesis de hemo dentro de los nódulos, y que la activación de estos genes se correlaciona con la expresión del gen de la leghemoglobina en los nódulos en desarrollo. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

En plantas colonizadas por Rhizobium , como la alfalfa o la soja , la presencia de oxígeno en los nódulos radiculares reduciría la actividad de la nitrogenasa sensible al oxígeno , una enzima responsable de la fijación del nitrógeno atmosférico. Se ha demostrado que la leghemoglobina amortigua la concentración de oxígeno libre en el citoplasma de las células vegetales infectadas para asegurar el correcto funcionamiento de los nódulos radiculares. Dicho esto, la fijación de nitrógeno es un proceso extremadamente costoso energéticamente, por lo que la respiración aeróbica , que requiere una alta concentración de oxígeno, es necesaria en las células del nódulo radicular. ^{[ 7 ]} La leghemoglobina mantiene una concentración de oxígeno libre lo suficientemente baja como para permitir el funcionamiento de la nitrogenasa, pero una concentración total de oxígeno (libre y unido a la leghemoglobina) lo suficientemente alta para la respiración aeróbica.

La leghemoglobina pertenece a la clase de globinas simbióticas , que también incluye las globinas de los nódulos radiculares de plantas actinorrícicas como la Casuarina . La globina simbiótica de la Casuarina es intermedia entre la leghemoglobina y la fitoglobina-2 no simbiótica. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Las leghemoglobinas son proteínas monoméricas con una masa de alrededor de 16 kDa y son estructuralmente similares a la mioglobina . ^{[ 10 ]} Una proteína de leghemoglobina consta de un hemo unido a un hierro y una cadena polipeptídica (la globina). ^{[ 10 ]} Al igual que en la mioglobina y la hemoglobina, el hierro del hemo se encuentra en su estado ferroso in vivo y es la porción que se une al oxígeno. ^{[ 10 ]} A pesar de las similitudes en el mecanismo de unión del oxígeno entre la leghemoglobina y la hemoglobina animal, y del hecho de que la leghemoglobina y la hemoglobina animal evolucionaron a partir de un ancestro común, existe disimilitud en la secuencia de aminoácidos entre estas proteínas en aproximadamente el 80% de las posiciones. ^{[ 10 ]}

Las afinidades de unión al oxígeno de las leghemoglobinas son entre 11 y 24 veces mayores que las afinidades de unión al oxígeno de la mioglobina del cachalote. ^{[ 11 ]} Las diferencias en las afinidades se deben a las tasas diferenciales de asociación entre los dos tipos de proteínas. ^{[ 11 ]} Una explicación de este fenómeno es que, en la mioglobina, una molécula de agua unida se estabiliza en un bolsillo que rodea al grupo hemo. Este grupo de agua debe desplazarse para que el oxígeno se una. No hay agua unida en el bolsillo análogo de la leghemoglobina, por lo que es más fácil que una molécula de oxígeno se acerque al hemo de la leghemoglobina. ^{[ 10 ]} La leghemoglobina tiene una tasa de disociación de oxígeno lenta, similar a la de la mioglobina. ^{[ 12 ]} Al igual que la mioglobina y la hemoglobina, la leghemoglobina tiene una alta afinidad por el monóxido de carbono. ^{[ 12 ]}

En la estructura primaria de la leghemoglobina A de la soja, se encuentra una valina (F7) en el lugar donde se encuentra una serina (F7) en la mioglobina. Sin un enlace de hidrógeno que fije la orientación de la cadena lateral de histidina proximal, el anillo de imidazol puede adoptar una conformación alternada entre los átomos de nitrógeno del pirrol y puede desplazarse fácilmente hacia arriba, hacia el plano del grupo hemo. Esto aumenta considerablemente la reactividad del átomo de hierro y la afinidad por el oxígeno. En la leghemoglobina A, la cadena lateral de histidina distal también se desplaza alejándose del ligando unido mediante la formación de un enlace de hidrógeno con la tirosina. ^{[ 13 ]}

Los grupos hemo son iguales en todas las leghemoglobinas conocidas, pero la secuencia de aminoácidos de la globina difiere ligeramente según la cepa bacteriana y la especie de leguminosa. ^{[ 10 ]} Incluso dentro de una misma planta leguminosa, pueden existir múltiples isoformas de leghemoglobinas. Estas suelen diferir en su afinidad por el oxígeno y ayudan a satisfacer las necesidades de una célula en un entorno particular dentro del nódulo. ^{[ 14 ]}

Los resultados de un estudio de 1995 sugirieron que la baja concentración de oxígeno libre en las células de los nódulos radiculares se debe en realidad a la baja permeabilidad al oxígeno de dichas células. ^{[ 15 ]} De ello se deduce que la función principal de la leghemoglobina es captar el oxígeno libre limitado en la célula y entregarlo a las mitocondrias para la respiración. Sin embargo, científicos de un artículo posterior de 2005 sugieren que la leghemoglobina es responsable tanto de amortiguar la concentración de oxígeno como de entregarlo a las mitocondrias. ^{[ 16 ]} Sus estudios de eliminación de leghemoglobina mostraron que la leghemoglobina sí disminuye significativamente la concentración de oxígeno libre en las células de los nódulos radiculares, y que la expresión de la nitrogenasa se eliminó en los mutantes con eliminación de leghemoglobina, presumiblemente debido a la degradación de la nitrogenasa con una alta concentración de oxígeno libre. Su estudio también mostró una mayor relación ATP / ADP en las células de los nódulos radiculares de tipo silvestre con leghemoglobina activa, lo que sugiere que la leghemoglobina también ayuda a entregar oxígeno para la respiración.

Las plantas contienen hemoglobinas tanto simbióticas como no simbióticas. Se cree que las hemoglobinas simbióticas son importantes para la fijación simbiótica de nitrógeno (FSN). En las leguminosas, la FSN tiene lugar en órganos especializados llamados nódulos, que contienen bacteroides o rizobios fijadores de nitrógeno. La inducción de genes vegetales específicos de los nódulos, incluidos los que codifican las leghemoglobinas simbióticas (Lb), acompaña al desarrollo de los nódulos. Las leghemoglobinas se acumulan en concentraciones milimolares en el citoplasma de las células vegetales infectadas antes de la fijación de nitrógeno para amortiguar el oxígeno libre en el rango nanomolar, lo que puede evitar la inactivación de la nitrogenasa lábil al oxígeno, manteniendo al mismo tiempo un flujo de oxígeno suficientemente alto para la respiración celular. Las leghemoglobinas son necesarias para la FSN, pero no para el crecimiento y desarrollo de la planta en presencia de una fuente externa de nitrógeno fijado. Las leghemoglobinas contribuyen de manera esencial al establecer bajas concentraciones de oxígeno libre, manteniendo al mismo tiempo un alto nivel de energía en las células. Estas son las condiciones necesarias para una FSN eficaz. ^{[ 16 ]}

Desde entonces, se ha identificado a las globinas como una proteína común a muchos taxones de plantas, no restringida a las simbióticas. A la luz de este descubrimiento, se ha propuesto que el término fitoglobinas se utilice para referirse a las globinas de las plantas en general. ^{[ 8 ]}

Las fitoglobinas se pueden dividir en dos clados. El tipo 3/3 contiene las clases I y II de las fitoglobinas de angiospermas y es común a todos los eucariotas ( transferencia horizontal de genes de una flavohemoglobina bacteriana). La leghemoglobina sensu stricto es una fitoglobina de clase II. El tipo 2/2 "TrHb2" contiene la clase III en la nomenclatura de angiospermas y parece haber sido adquirido de Chloroflexota (anteriormente Chloroflexi) por el ancestro de las plantas terrestres. ^{[ 8 ]}

Impossible Foods solicitó a la FDA estadounidense su aprobación para usar leghemoglobina de soja recombinante producida por Pichia pastoris en alternativas a la carne como análogo de la hemoglobina derivada de la carne . ^{[ 17 ] [ 18 ]} La aprobación de la FDA llegó en julio de 2019, ^{[ 19 ]} fue impugnada, ^{[ a ]} ​​y posteriormente confirmada, el 3 de mayo de 2021, por un tribunal federal de apelaciones de San Francisco. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Actualmente se está utilizando en sus productos para imitar el color, el sabor y la textura de la carne. ^{[ 22 ]}

• Hemocianina
• Hemoglobina
• Mioglobina
• Fitoglobina

• Virtanen, Artturi I. (1948). "Fijación biológica de nitrógeno". Annual Review of Microbiology . 2 (1): 485– 506. doi : 10.1146/annurev.mi.02.100148.002413 . PMID  18122253 .
• Taiz, L.; Zeiger, E. (2006). Fisiología vegetal en línea (3ª ed.). Sunderland, MA: Sinauwr Associates, Inc. pág. 269.ISBN​ 978-0-87893-856-8Archivado del original el 9 de mayo de 2008. Consultado el 3 de mayo de 2008 .
• La "salsa secreta" de Impossible Burger pone de relieve los desafíos de la tecnología alimentaria.
• Actualizaciones: La FDA anuncia la fecha de entrada en vigor de la norma final que añade la leghemoglobina de soja a la lista de aditivos colorantes exentos de certificación.