Fotoprotección

La fotoprotección es el proceso bioquímico que ayuda a los organismos a afrontar el daño molecular causado por la luz solar . Las plantas y otros organismos fotótrofos oxigénicos han desarrollado una serie de mecanismos fotoprotectores para prevenir la fotoinhibición y el estrés oxidativo causados ​​por el exceso o las fluctuaciones de luz. Los seres humanos y otros animales también han desarrollado mecanismos fotoprotectores para evitar el fotodaño por radiación UV en la piel, prevenir el daño al ADN y minimizar los efectos posteriores del estrés oxidativo.

En los organismos que realizan fotosíntesis oxigénica , el exceso de luz puede provocar fotoinhibición o fotoinactivación de los centros de reacción , un proceso que no necesariamente implica daño químico. Cuando los pigmentos antena fotosintéticos , como la clorofila , se excitan por la absorción de luz, pueden producirse reacciones improductivas por transferencia de carga a moléculas con electrones desapareados. Dado que los fotótrofos oxigénicos generan O₂ _como subproducto de la división fotocatalítica del agua (H₂O ₎ , los organismos fotosintéticos tienen un riesgo particular de formar especies reactivas de oxígeno .

Por lo tanto, los organismos fotosintéticos han desarrollado una amplia gama de mecanismos para mitigar estas amenazas potenciales, que se ven exacerbadas bajo alta irradiancia, condiciones de luz fluctuantes, en condiciones ambientales adversas como el frío o la sequía, y al experimentar deficiencias de nutrientes que causan un desequilibrio entre los sumideros y las fuentes de energía.

En los organismos fotótrofos eucariotas, estos mecanismos incluyen mecanismos de extinción no fotoquímica, como el ciclo de las xantofilas , vías bioquímicas que actúan como "válvulas de alivio", reordenamientos estructurales de los complejos del aparato fotosintético y el uso de moléculas antioxidantes. Las plantas superiores a veces emplean estrategias como la reorientación de los ejes de las hojas para minimizar la luz incidente que incide sobre la superficie. Los mecanismos también pueden actuar a mayor escala temporal, como la regulación positiva de las proteínas de respuesta al estrés o la regulación negativa de la biosíntesis de pigmentos, aunque estos procesos se caracterizan mejor como procesos de "fotoaclimatación".

Las cianobacterias poseen algunas estrategias únicas de fotoprotección que no se han identificado en plantas ni en algas. ^{[ 1 ]} Por ejemplo, la mayoría de las cianobacterias poseen una proteína carotenoide naranja (OCP), que sirve como una nueva forma de extinción no fotoquímica. ^{[ 2 ]} Otra estrategia única, aunque poco comprendida, de las cianobacterias involucra la proteína de unión a clorofila IsiA , que puede agregarse con carotenoides y formar anillos alrededor de los complejos del centro de reacción PSI para ayudar en la disipación de energía fotoprotectora. ^{[ 3 ]} Algunas otras estrategias de las cianobacterias pueden involucrar transiciones de estado del complejo antena del ficobilisoma ^{[ 4 ]} , fotorreducción de agua con las proteínas Flavodiiron, ^{[ 5 ]} y ciclo fútil de CO ₂ ^{[ 6 ]} .

Es bien sabido que las plantas necesitan luz para sobrevivir, crecer y reproducirse. A menudo se asume que más luz siempre es beneficiosa; sin embargo, el exceso de luz puede ser perjudicial para algunas especies. Así como los animales requieren un equilibrio preciso de recursos, las plantas requieren un equilibrio específico de intensidad y longitud de onda de la luz para un crecimiento óptimo (esto puede variar de una planta a otra). Optimizar el proceso de fotosíntesis es esencial para la supervivencia cuando las condiciones ambientales son ideales y para la aclimatación cuando las condiciones ambientales son adversas. Cuando se expone a una alta intensidad lumínica, una planta reacciona para mitigar los efectos nocivos del exceso de luz.

Las plantas son capaces de obtener con delicadeza suficiente luz solar para la fotosíntesis, evitando al mismo tiempo el daño que esta podría causar. Si bien la clorofila es muy eficiente en la absorción de luz visible para la fotosíntesis, ningún organismo fotosintético puede utilizar toda esta energía bajo la luz solar directa. Además, el estrés ambiental, como las temperaturas extremas en invierno y verano, la alta salinidad y la baja humedad o nutrientes, también disminuye la fotosíntesis. ^{[ 7 ]}

La fotoprotección de las plantas tiene tres niveles principales. El primero es la reflexión o el filtrado de la luz. Esto puede implicar la senescencia de las hojas en condiciones de estrés. El segundo es la conversión de la energía lumínica en calor. Como método eficaz, que dura desde segundos hasta varias estaciones, se utiliza solo en condiciones de luz excesiva, maximizando la luz absorbida para la fotosíntesis. De manera similar, la radiación infrarroja del sol se convierte en calor al calentar el agua en las células vegetales; no representa un peligro excepto en calor extremo o cuando no se puede enfriar por evaporación. Por lo tanto, la principal amenaza para las hojas se encuentra en la luz visible. El tercer nivel, y el más importante, es la desintoxicación de radicales tóxicos producidos por el exceso de luz. Si la luz no se canaliza hacia la fotoquímica, puede dejar un exceso de energía proveniente de la clorofila o de la cadena de transporte de electrones . Esto puede generar especies reactivas de oxígeno, que pueden dañar moléculas como el ADN, las proteínas y los lípidos en las membranas celulares, o incluso provocar la muerte celular. Estos efectos son aún más graves en presencia de factores estresantes. Las especies reactivas de oxígeno son desintoxicadas por enzimas antioxidantes y metabolitos (por ejemplo, vitaminas C y E) antes de reaccionar con otras moléculas. Si bien este método antioxidante es común en las plantas, es más frecuente cuando los cambios de luz superan temporalmente la disipación de calor. Cuando las enzimas antioxidantes se inhiben, como en condiciones de estrés invernal por bajas temperaturas, también se inhibe la desintoxicación del oxígeno. Por lo tanto, se debe generar calor para disminuir los niveles de luz cuando son excesivos, pero no cuando son suficientes, ya que esto interferiría con la fotosíntesis; estos procesos están exquisitamente coordinados. ^{[ 7 ]}

Para protegerse mejor del exceso de luz, las plantas emplean multitud de métodos para minimizar el daño causado por este. Utilizan diversos fotorreceptores para detectar la intensidad, la dirección y la duración de la luz. En respuesta al exceso de luz, algunos fotorreceptores pueden desplazar los cloroplastos dentro de la célula, alejándolos de la fuente de luz y disminuyendo así el daño causado por la luz superflua. Asimismo, las hojas pueden crecer o moverse para reducir la absorción cuando están expuestas a la máxima luz. ^{[ 7 ] [ 8 ]} De igual modo, las plantas pueden producir enzimas esenciales para la fotoprotección, como la antocianina sintasa. Las plantas deficientes en enzimas de fotoprotección son mucho más sensibles al daño causado por la luz que las que poseen enzimas de fotoprotección funcionales. ^{[ 9 ]} Además, las plantas producen diversos metabolitos secundarios beneficiosos para su supervivencia y protección contra el exceso de luz. Estos metabolitos secundarios, que proporcionan protección a las plantas, se utilizan comúnmente en protectores solares y fármacos para complementar la protección contra la luz inadecuada que es inherente a las células de la piel humana. ^{[ 10 ]} Las plantas también pueden emplear diversos pigmentos y compuestos como forma de fotoprotección contra los rayos UV, incluyendo aquellos presentes en la cutícula , la epidermis y los pelos de la superficie externa de la hoja. Esto es importante ya que puede causar daños al ADN y a las proteínas, y la radiación UV no se utiliza en la fotosíntesis. ^{[ 7 ] [ 11 ]}

Un elemento clave en esta función es el ciclo de las xantofilas , compuesto por un conjunto de carotenoides , conocidos como xantofilas, que alternan entre diferentes niveles de intensidad lumínica o estrés. Cuando la luz es baja, la fotosíntesis aumenta proporcionalmente con el incremento de la luz, hasta alcanzar la saturación. Cuando la luz supera ese punto o aumenta el estrés, se produce una conversión de las xantofilas, es decir, de violaxantina a anteraxantina y luego a zeaxantina. El proceso inverso ocurre cuando la luz es menor o no hay estrés. La saturación lumínica también provoca la torsión de una proteína en el lecho de pigmentos de clorofila, lo que se cree que ayuda a disipar el calor de forma segura al posicionar la molécula de zeaxantina junto a la clorofila. Originalmente se pensaba que la energía se transfería directamente de la clorofila a la zeaxantina para permitir la disipación térmica, pero ahora se ha descubierto que puede existir un intercambio rápido de electrones que también contribuye a disipar el calor. A medida que la luz se vuelve más intensa, tanto la zeaxantina como la disipación de calor aumentan proporcionalmente. Los niveles de zeaxantina y anteraxantina aumentan desde el amanecer hasta el mediodía y luego disminuyen hacia el anochecer. Las plantas con mayor disipación de calor (y, por lo tanto, con mayor cantidad de pigmentos disipadores) son menos eficientes en la fotosíntesis, es decir, utilizan menos de la luz total absorbida para la fotosíntesis. Si las condiciones de luz varían rápidamente, la fotoprotección se ajustará en consecuencia, lo que conlleva un rápido aumento de la disipación con luz intensa y un rápido aumento de la fotosíntesis eficiente con poca luz; los pigmentos también se activan y desactivan rápidamente. Estas medidas pueden utilizarse durante periodos de tiempo más prolongados, como días o incluso estaciones. Por ejemplo, las hojas expuestas a la luz solar directa disipan mejor el calor y tienen más carotenoides del ciclo de las xantofilas que las hojas en condiciones de sombra. Además, en invierno, las bajas temperaturas inhiben la fotosíntesis (y a veces incluso junto con la regulación interna en plantas como las coníferas), se produce una inhibición de la conversión de zeaxantina a violaxantina, y la zeaxantina podría fijarse (posiblemente con la ayuda de proteínas), lo que provoca una fotoprotección constante durante todo el día. Los altos niveles de zeaxantina y anteraxantina persisten durante todo el día y la noche, y la eficiencia fotosintética es muy baja. Algunas especies bienales y anuales, por ejemplo, los cereales de invierno y las malas hierbas herbáceas de actividad invernal, mantienen altos niveles de fotosíntesis durante el invierno y crecen durante períodos intermitentes más cálidos. Pero muchas plantas perennes detienen el crecimiento y la fotosíntesis invernales, debido a la degradación de algunas proteínas fotosintéticas importantes, para evitar la transferencia de exceso de energía (de un electrón excitado) al oxígeno. Además, la zeaxantina desempeña esta misma función de transferencia de exceso de energía de la clorofila al oxígeno. Juntos, estos procesos previenen el peligro de absorción de luz durante el estrés invernal. En primavera, la fotosíntesis puede reanudarse. ^{[ 7 ]}

La pigmentación es un método empleado por diversas plantas como forma de fotoprotección. Por ejemplo, en la Antártida, los musgos nativos de color verde se encuentran naturalmente a la sombra de rocas u otras barreras físicas, mientras que los musgos rojos de la misma especie suelen encontrarse en lugares expuestos al viento y al sol. Esta variación de color se debe a la intensidad de la luz. Los fotorreceptores de los musgos, los fitocromos (longitudes de onda rojas) y las fototropinas (longitudes de onda azules), ayudan a regular la pigmentación. Para comprender mejor este fenómeno, Waterman et al. realizaron un experimento para analizar las cualidades fotoprotectoras de los compuestos absorbentes de rayos ultravioleta (CUV) y la pigmentación roja en musgos antárticos. Se recolectaron especímenes de musgo de las especies Ceratodon purpureus, Bryum pseudotriquetrum y Schistidium antarctici en una región insular de la Antártida Oriental . Todos los especímenes se cultivaron y observaron en un laboratorio bajo condiciones constantes de luz y agua para evaluar la fotosíntesis, la producción de CUV y la pigmentación. Los gametofitos de musgo de variedades rojas y verdes se expusieron a la luz y a un riego constante durante dos semanas. Tras la observación del crecimiento, se extrajeron los pigmentos de la pared celular de los especímenes de musgo. Estos extractos se analizaron mediante espectrofotometría UV-Vis, que utiliza luz del espectro UV y visible para crear una imagen que representa la absorbancia de la luz. Los UVAC se encuentran normalmente en el citoplasma de la célula; sin embargo, cuando se exponen a luz de alta intensidad, los UVAC se transportan a la pared celular. Se observó que los musgos con mayores concentraciones de pigmentos rojos y UVAC ubicados en las paredes celulares, en lugar de intracelularmente, presentaban un mejor rendimiento bajo luz de mayor intensidad. Se determinó que el cambio de color en los musgos no se debía al movimiento de los cloroplastos dentro de la célula. Se descubrió que los UVAC y los pigmentos rojos funcionan como fotoprotección a largo plazo en los musgos antárticos. Por lo tanto, en respuesta al estrés lumínico de alta intensidad, se incrementa la producción de UVAC y la pigmentación roja. ^{[ 11 ]}

Sabiendo que las plantas pueden responder de manera diferencial a distintas concentraciones e intensidades de luz, es esencial comprender por qué estas reacciones son importantes. Debido al aumento constante de las temperaturas globales en los últimos años, muchas plantas se han vuelto más susceptibles al daño causado por la luz. Muchos factores, como la riqueza de nutrientes del suelo, la fluctuación de la temperatura ambiente y la disponibilidad de agua, influyen en el proceso de fotoprotección de las plantas. Las plantas expuestas a alta intensidad lumínica junto con déficits hídricos mostraron una respuesta de fotoprotección significativamente inhibida. ^{[ 12 ]} Aunque aún no se comprende completamente, la fotoprotección es una función esencial de las plantas.

La fotoprotección de la piel humana se logra mediante la conversión interna extremadamente eficiente del ADN, las proteínas y la melanina. La conversión interna es un proceso fotoquímico que transforma la energía del fotón UV en pequeñas cantidades de calor inofensivas. Si la energía del fotón UV no se transformara en calor, se generarían radicales libres u otras especies químicas reactivas dañinas (por ejemplo, oxígeno singlete o radical hidroxilo).

En el ADN, este mecanismo fotoprotector evolucionó hace cuatro mil millones de años en los albores de la vida. ^{[ 13 ]} El propósito de este mecanismo fotoprotector extremadamente eficiente es prevenir el daño directo e indirecto al ADN . La conversión interna ultrarrápida del ADN reduce la vida media del estado excitado del ADN a solo unos pocos femtosegundos (10 ⁻¹⁵ s); de esta manera, el ADN excitado no tiene tiempo suficiente para reaccionar con otras moléculas.

En el caso de la melanina, este mecanismo se desarrolló más tarde en el curso de la evolución. La melanina es una sustancia fotoprotectora tan eficaz que disipa más del 99,9 % de la radiación UV absorbida en forma de calor. ^{[ 14 ]} Esto significa que menos del 0,1 % de las moléculas de melanina excitadas sufrirán reacciones químicas dañinas o producirán radicales libres.

En la Unión Europea y Estados Unidos, la afamelanotida está indicada para la prevención de la fototoxicidad en adultos con protoporfiria eritropoyética. ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]} La afamelanotida también se está investigando como método de fotoprotección en el tratamiento de la erupción polimorfa lumínica , la queratosis actínica y el carcinoma de células escamosas (una forma de cáncer de piel ). ^{[ 18 ]}

La industria cosmética afirma que el filtro UV actúa como una "melanina artificial". Sin embargo, estas sustancias artificiales utilizadas en los protectores solares no disipan eficazmente la energía del fotón UV en forma de calor. En cambio, estas sustancias tienen una vida media en estado excitado muy prolongada. ^{[ 19 ]} De hecho, las sustancias utilizadas en los protectores solares se emplean a menudo como fotosensibilizadores en reacciones químicas (véase Benzofenona ).

La oxibenzona , el óxido de titanio y el octil metoxicinamato son agentes fotoprotectores utilizados en muchos protectores solares, que proporcionan una cobertura UV de amplio espectro, incluyendo los rayos UVB y UVA de onda corta. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

• protector solar
• Fotocarcinógeno
• Daño directo al ADN
• Daño indirecto al ADN