Fitocromo

Los fitocromos son una clase de proteínas fotorreceptoras que se encuentran en plantas , bacterias y hongos . Responden a la luz en las regiones roja y roja lejana del espectro visible y se pueden clasificar como Tipo I, que se activan con luz roja lejana, o Tipo II, que se activan con luz roja. ^{[ 2 ]} Avances recientes han sugerido que los fitocromos también actúan como sensores de temperatura, ya que las temperaturas más cálidas aumentan su desactivación. ^{[ 3 ]} Todos estos factores contribuyen a la capacidad de la planta para germinar .

Los fitocromos controlan muchos aspectos del desarrollo de las plantas. Regulan la germinación de las semillas (fotoblastia), la síntesis de clorofila , la elongación de las plántulas, el tamaño, la forma, el número y el movimiento de las hojas , y el momento de la floración en las plantas adultas. Los fitocromos se expresan ampliamente en muchos tejidos y etapas de desarrollo. ^{[ 2 ]}

Otros fotorreceptores vegetales incluyen los criptocromos y las fototropinas , que responden a la luz azul y ultravioleta A, y el UVR8 , que es sensible a la luz ultravioleta B.

Los fitocromos constan de una proteína , unida covalentemente a un cromóforo bilina fotosensible . ^{[ 4 ]} La parte proteica comprende dos cadenas idénticas (A y B). Cada cadena tiene un dominio PAS , un dominio GAF y un dominio PHY. La disposición de los dominios en los fitocromos de plantas, bacterias y hongos es comparable, ya que los tres dominios N-terminales son siempre dominios PAS, GAF y PHY. Sin embargo, los dominios C-terminales son más divergentes. El dominio PAS actúa como sensor de señal y el dominio GAF es responsable de la unión al cGMP y también detecta señales luminosas. Juntas, estas subunidades forman la región del fitocromo, que regula los cambios fisiológicos en las plantas en función de las condiciones de luz roja y roja lejana. En las plantas, la luz roja transforma el fitocromo en su forma biológicamente activa, mientras que la luz roja lejana transforma la proteína en su forma biológicamente inactiva.

Los fitocromos se caracterizan por una fotocromicidad rojo/rojo lejano . Los pigmentos fotocrómicos cambian su "color" (propiedades de absorbancia espectral) al absorber luz. En el caso del fitocromo, el estado fundamental es P _r , donde _r indica que absorbe la luz roja con especial intensidad. El máximo de absorbancia es un pico pronunciado entre 650 y 670  nm, por lo que las soluciones concentradas de fitocromo se ven de color azul turquesa para el ojo humano cuando se observan con luz blanca. Pero una vez que se ha absorbido un fotón rojo, el pigmento experimenta un rápido cambio conformacional para formar el estado P _fr . Aquí, _fr  indica que ahora no se absorbe el rojo, sino el rojo lejano (también llamado "infrarrojo cercano"; 705-740 nm). Este cambio en la absorbancia es perceptible para el ojo humano como un color ligeramente más verdoso . Cuando P _fr absorbe luz roja lejana, se convierte de nuevo en P _r . Por lo tanto, la luz roja hace P _fr , y la luz roja lejana hace P _r . En las plantas, al menos, P _fr es el estado fisiológicamente activo o de "señalización".

La amplitud de la curvatura fototrópica a la luz azul se ve potenciada por una exposición previa de las plántulas a la luz roja. Esta potenciación está mediada por el fitocromo. ^{[ 7 ]} En luz azul o blanca, las raíces exhiben fototropismo negativo, pero la luz roja induce fototropismo positivo. Estos ajustes de reacción también están mediados por el fitocromo. ^{[ 8 ]}

El fitocromo también puede regular la sensibilidad de la reacción gravitrópica. ^{[ 8 ]}

Solo algunos de los múltiples genes de fitocromo presentes en el genoma de la planta participan en la regulación del tropismo. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Químicamente, el fitocromo consta de un cromóforo , una molécula de bilina formada por una cadena abierta de cuatro anillos de pirrol , unida covalentemente a la proteína mediante el aminoácido cisteína, altamente conservado. Es el cromóforo el que absorbe la luz y, como resultado, modifica la conformación de la bilina y, posteriormente, la de la proteína a la que está unida, transformándola de un estado o isoforma a otra.

El cromóforo del fitocromo suele ser la fitocromobilina , y está estrechamente relacionada con la ficocianobilina (el cromóforo de las ficobiliproteínas que utilizan las cianobacterias y las algas rojas para captar la luz para la fotosíntesis ) y con el pigmento biliar bilirrubina (cuya estructura también se ve afectada por la exposición a la luz, un hecho que se aprovecha en la fototerapia de los recién nacidos con ictericia ). El término "bili" en todos estos nombres se refiere a la bilis. Las bilinas se derivan del anillo tetrapirrólico cerrado del hemo mediante una reacción oxidativa catalizada por la hemooxigenasa, que da lugar a la biliverdina, seguida de reacciones de reducción . En el caso de la fitocromobilina, el paso final está catalizado por la fitocromobilina:ferredoxina oxidorreductasa . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

hemo B

 

 

 

 

 

 

biliverdina

 

 

 

 

 

 

fitocromobilina

La clorofila y el hemo comparten un precursor común en forma de protoporfirina IX , con su característica estructura de anillo tetrapirrólico cerrado. A diferencia de las bilinas, el hemo y la clorofila llevan un átomo de metal en el centro del anillo, hierro o magnesio, respectivamente. ^{[ 11 ]}

El estado P _fr transmite una señal a otros sistemas biológicos de la célula, como los mecanismos responsables de la expresión génica . Aunque este mecanismo es casi con toda seguridad un proceso bioquímico , sigue siendo objeto de mucho debate. Se sabe que, si bien los fitocromos se sintetizan en el citosol y la forma P _r se localiza allí, la forma P _fr , cuando se genera por la iluminación, se transloca al núcleo celular . Esto implica una función del fitocromo en el control de la expresión génica, y se sabe que muchos genes están regulados por el fitocromo, pero el mecanismo exacto aún no se ha descubierto por completo. Se ha propuesto que el fitocromo, en su forma P _fr , puede actuar como una quinasa , y se ha demostrado que el fitocromo en su forma P _fr puede interactuar directamente con factores de transcripción . ^{[ 12 ]}

El pigmento fitocromo fue descubierto por Sterling Hendricks y Harry Borthwick en el Centro de Investigación Agrícola Beltsville del USDA-ARS en Maryland, entre finales de la década de 1940 y principios de la de 1960. Utilizando un espectrógrafo construido con piezas prestadas y excedentes de guerra, descubrieron que la luz roja era muy eficaz para promover la germinación o desencadenar respuestas de floración. ^{[ 13 ]} Las respuestas a la luz roja eran reversibles mediante luz roja lejana, lo que indicaba la presencia de un pigmento fotorreversible.

El pigmento fitocromo fue identificado en 1959 mediante un espectrofotómetro por el biofísico Warren Butler y el bioquímico Harold Siegelman . Butler también fue quien le dio el nombre de fitocromo.

En 1983, los laboratorios de Peter Quail y Clark Lagarias informaron sobre la purificación química de la molécula de fitocromo intacta, y en 1985 Howard Hershey y Peter Quail publicaron la primera secuencia del gen del fitocromo. Para 1989, la genética molecular y el trabajo con anticuerpos monoclonales demostraron que existía más de un tipo de fitocromo; por ejemplo, se demostró que la planta de guisante tenía al menos dos tipos de fitocromo (entonces llamados tipo I (que se encuentra predominantemente en plántulas cultivadas en la oscuridad) y tipo II (predominante en plantas verdes)). Ahora se sabe, gracias a la secuenciación del genoma , que Arabidopsis tiene cinco genes de fitocromo (PHYA - E) pero que el arroz tiene solo tres (PHYA - C). Si bien esto probablemente representa la condición en varias plantas di- y monocotiledóneas, muchas plantas son poliploides . Por lo tanto, el maíz , por ejemplo, tiene seis fitocromos: phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 y phyC2. Si bien todos estos fitocromos tienen componentes proteicos significativamente diferentes, todos utilizan la fitocromobilina como su cromóforo fotorreceptor. El fitocromo A o phyA se degrada rápidamente en su forma Pfr, mucho más que los demás miembros de la familia. A finales de la década de 1980, el laboratorio de Vierstra demostró que el sistema de ubiquitina degrada el phyA, siendo este el primer objetivo natural de dicho sistema identificado en eucariotas.

En 1996, David Kehoe y Arthur Grossman, de la Institución Carnegie de la Universidad de Stanford, identificaron en la cianobacteria filamentosa Fremyella diplosiphon una proteína llamada RcaE, similar a un fitocromo vegetal, que controlaba una respuesta fotorreversible rojo-verde denominada aclimatación cromática. Asimismo, identificaron un gen en el genoma secuenciado y publicado de la cianobacteria Synechocystis con una mayor similitud a los fitocromos vegetales. Esta fue la primera evidencia de fitocromos fuera del reino vegetal. Posteriormente, Jon Hughes, de Berlín, y Clark Lagarias, de la UC Davis, demostraron que este gen de Synechocystis codificaba un fitocromo genuino (denominado Cph1), en el sentido de que se trata de una cromoproteína reversible rojo/rojo lejano. Presumiblemente, los fitocromos vegetales derivan de un fitocromo cianobacteriano ancestral, quizás mediante la migración de genes del cloroplasto al núcleo. Posteriormente, se han encontrado fitocromos en otros procariotas , como Deinococcus radiodurans y Agrobacterium tumefaciens . En Deinococcus, el fitocromo regula la producción de pigmentos fotoprotectores; sin embargo, en Synechocystis y Agrobacterium, la función biológica de estos pigmentos aún se desconoce.

En 2005, los laboratorios de Vierstra y Forest en la Universidad de Wisconsin publicaron una estructura tridimensional de un fitocromo truncado de Deinococcus (dominios PAS/GAF). Este artículo reveló que la cadena proteica forma un nudo, una estructura muy inusual para una proteína. En 2008, dos grupos, liderados por Essen y Hughes en Alemania y Yang y Moffat en Estados Unidos, publicaron las estructuras tridimensionales del dominio fotosensorial completo. Una estructura correspondía al fitocromo de Synechocystis sp. (cepa PCC 6803) en estado Pr y la otra al fitocromo de Pseudomonas aeruginosa en estado P _fr . Las estructuras mostraron que una parte conservada del dominio PHY, la denominada "lengua PHY", adopta diferentes plegamientos. En 2014, Takala et al. confirmaron que el replegamiento ocurre incluso para el mismo fitocromo (de Deinococcus ) en función de las condiciones de iluminación.

Alrededor de 1989, varios laboratorios lograron producir plantas transgénicas que producían cantidades elevadas de diferentes fitocromos ( sobreexpresión ). En todos los casos, las plantas resultantes tenían tallos notablemente cortos y hojas de color verde oscuro. Harry Smith y sus colaboradores en la Universidad de Leicester, en Inglaterra, demostraron que al aumentar el nivel de expresión del fitocromo A (que responde a la luz roja lejana), se pueden alterar las respuestas de evitación de la sombra . ^{[ 14 ]} Como resultado, las plantas pueden gastar menos energía en crecer lo más alto posible y tener más recursos para producir semillas y expandir sus sistemas radiculares. Esto podría tener muchos beneficios prácticos: por ejemplo, las hojas de césped que crecerían más lentamente que el césped normal no requerirían un corte tan frecuente, o las plantas de cultivo podrían transferir más energía al grano en lugar de crecer más alto.

En 2002, se utilizó la interacción inducida por la luz entre un fitocromo vegetal y el factor de interacción con el fitocromo (PIF) para controlar la transcripción génica en levaduras. Este fue el primer ejemplo del uso de fotoproteínas de otro organismo para controlar una vía bioquímica. ^{[ 15 ]}