Las biliproteínas son compuestos proteicos pigmentarios que se encuentran en organismos fotosintéticos como las algas y, a veces, también en ciertos insectos. Se refieren a cualquier proteína que contenga un cromóforo de bilina . En plantas y algas, la función principal de las biliproteínas es hacer más eficiente el proceso de acumulación de luz necesario para la fotosíntesis ; mientras que en los insectos desempeñan un papel en el crecimiento y el desarrollo. Algunas de sus propiedades, incluida la receptividad a la luz, la captación de luz y la fluorescencia, las han hecho adecuadas para aplicaciones en bioimagen y como indicadores ; mientras que otras propiedades como la antioxidante , el antienvejecimiento y la antiinflamación en las ficobiliproteínas les han dado potencial para su uso en medicina, cosmética y tecnología alimentaria. Si bien la investigación sobre las biliproteínas se remonta a 1950, [1] se vio obstaculizada debido a problemas relacionados con la estructura de la biliproteína, la falta de métodos disponibles para aislar los componentes individuales de la biliproteína, así como la información limitada sobre las reacciones de la liasa (que son necesarias para unir las proteínas con sus cromóforos). La investigación sobre biliproteínas también se ha centrado principalmente en las ficobiliproteínas; pero los avances en tecnología y metodología, junto con el descubrimiento de diferentes tipos de liasas, han renovado el interés en la investigación de las biliproteínas, permitiendo nuevas oportunidades para investigar los procesos de las biliproteínas, como el ensamblaje/desensamblaje y el plegamiento de proteínas . [2]
Las biliproteínas que se encuentran en las plantas y las algas sirven como un sistema de pigmentos cuyo propósito es detectar y absorber la luz necesaria para la fotosíntesis. Los espectros de absorción de las biliproteínas complementan los de otros pigmentos fotosintéticos como la clorofila o el caroteno . [3] Los pigmentos detectan y absorben energía de la luz solar; la energía se transfiere posteriormente a la clorofila a través de la transferencia de energía interna. [4] Según un artículo de 2002 escrito por Takashi Hirata et al., los cromóforos de ciertas ficobiliproteínas son responsables de las actividades antioxidantes en estas biliproteínas, y la ficocianina también posee cualidades antiinflamatorias debido a su apoproteína inhibidora. Cuando es inducida tanto por colágeno como por trifosfato de adenosina (ADP) , el cromóforo ficocianobilina suprime la agregación plaquetaria en la ficocianina, su ficobiliproteína correspondiente. [5]
En los insectos, las lipocalinas biliproteínicas generalmente funcionan para facilitar el cambio de colores durante el camuflaje, pero también se han encontrado otras funciones de las biliproteínas en los insectos. Se han planteado hipótesis sobre funciones como la prevención del daño celular, la regulación de la guanilil ciclasa con biliverdina , entre otras funciones asociadas con el mantenimiento metabólico, pero aún deben demostrarse. En el gusano cuerno del tabaco , se descubrió que la insecticida biliproteínica (INS) desempeña un papel crucial en el desarrollo embrionario, ya que se observó la absorción de INS en los huevos de la polilla. [6]
La estructura de las biliproteínas se caracteriza típicamente por cromóforos de bilina dispuestos en formación tetrapirrólica lineal , y las bilinas están unidas covalentemente a las apoproteínas a través de enlaces tioéter. [2] Cada tipo de biliproteína tiene una bilina única que le pertenece (por ejemplo, la ficoeritrobilina es el cromóforo de la ficoeritrina y la ficocianobilina es el cromóforo de la ficocianina). Los cromóforos de bilina se forman por la escisión oxidativa de un anillo hemo y catalizada por hemooxigenasas en uno de los cuatro puentes metino , lo que permite que se produzcan cuatro posibles isómeros de bilina. En todos los organismos que se sabe que tienen biliproteínas, la escisión suele ocurrir en el puente α, generando biliverdina IXα. [7]
Las ficobiliproteínas se agrupan en grupos separados, de aproximadamente 40 nm de diámetro, conocidos como ficobilisomas . [3] Los cambios estructurales involucrados en la derivación de bilinas a partir de su isómero biliverdina IXα determinan el rango espectral de absorción de luz. [7]
La estructura de las biliproteínas en los insectos difiere ligeramente de la de las plantas y las algas; tienen una estructura cristalina y sus cromóforos no están unidos covalentemente a las apoproteínas. [8] A diferencia de las ficobiliproteínas cuyos cromóforos se mantienen en una disposición extendida por interacciones específicas entre cromóforos y proteínas, el cromóforo en las biliproteínas de los insectos tiene una estructura cristalina helicoidal cíclica en el estado unido a la proteína, como se encontró en estudios de la biliproteína extraída de la gran mariposa blanca. [9]
Las ficobiliproteínas se encuentran en las cianobacterias (también conocidas como algas verdeazuladas) y en grupos de algas como las rodofitas (algas rojas) y las criptofitas . [10] Las principales ficobiliproteínas incluyen variaciones de ficocianina (pigmento azul), variaciones de ficoeritrina (pigmento rojo) y aloficocianina (pigmento azul claro); cada una de ellas posee diferentes propiedades espectrales. Estas biliproteínas solubles en agua no son esenciales para el funcionamiento de las células. Algunas cualidades especiales de las ficobiliproteínas incluyen propiedades antioxidantes y alta fluorescencia, y son sus cromóforos los que dan a estas proteínas su fuerte pigmento. [5] [11] Las ficobiliproteínas se clasifican en dos categorías según sus secuencias amino-terminales: secuencias de "tipo α" y "tipo β". En las biliproteínas donde el número de bilinas en las dos subunidades es desigual, la subunidad con más bilinas tiene una secuencia amino de tipo β. [12]
Los ficocromos son una subclase de ficobiliproteína que inicialmente se reconoció solo como pigmentos sensoriales de luz en cianobacterias. Ahora se considera que constituyen todos los pigmentos fotocrómicos fotorreversibles posibles, independientemente de la función. También se encuentran en las algas rojas. [10] [13] En una serie de artículos de revistas escritos por GS y LO Björn, se informó que los ficocromos a, b, c y d fueron descubiertos por científicos que fraccionaron muestras de algas verdeazuladas utilizando electroenfoque . Las fracciones con puntos isoeléctricos en o alrededor de 4,6 parecían análogas a los fitocromos en el sentido de que poseían propiedades fotocrómicas , pero eran sensibles a la luz de longitudes de onda más cortas. Los cuatro ficocromos, excepto el ficocromo c, se extrajeron del alga verdeazulada Tolypothrix distorsiona ; que el ficocromo a también se encontró en Phormidium luridum , Nostoc muscorum 1453/12 y Anacystis nidulans ; y el ficocromo c se extrajo de Nostoc muscorum A y Tolypothrix tenuis . [14] [15]
Los fitocromos (también conocidos como phys) se descubrieron inicialmente en plantas verdes en 1945. El pigmento fotoreversible se encontró más tarde en hongos, musgos y otros grupos de algas debido al desarrollo de la secuenciación del genoma completo , como se explica en el artículo de revista Phytochromes de 2010 de Peter H. Quail . [16] Como se describe en el artículo de revista Biliproteins de 1981 de Hugo Scheer, los fitocromos funcionan como un sensor de la intensidad de la luz en reacciones de "alta energía", es decir, en plantas superiores (por ejemplo, plántulas subterráneas), durante la transformación del crecimiento de blanqueamiento heterotrófico al crecimiento fotosintético autótrofo. [10] Llevan a cabo esta función monitoreando los diversos parámetros de las señales de luz (como presencia/ausencia, color, intensidad y fotoperiodicidad ). Esta información luego se transduce a través de vías de señalización intracelular que desencadenan respuestas específicas del organismo y su estado de desarrollo tanto a nivel celular como molecular, como explicó Quail. Los fitocromos también son responsables de regular muchos aspectos del crecimiento, desarrollo y reproducción de una planta a lo largo de su ciclo de vida. [16]
Las lipocalinas que se han identificado como biliproteínas se han encontrado en una amplia variedad de insectos, pero principalmente en el orden Lepidoptera . Los científicos las han descubierto en la gran mariposa blanca y en varias especies de polillas y polillas de seda, incluidas las polillas de seda ailanto y domésticas , la polilla gigante del gusano de seda , la polilla halcón del tabaco, la polilla del panal y la polilla puss . [6] [8] Las biliproteínas asociadas con estas especies de insectos son las proteínas de unión a bilina, las proteínas de unión a biliverdina, bombirina, lipocalinas 1 y 4, insecticianina, gallerina y CV-bilina respectivamente. [6] [7] Las biliproteínas que se encuentran en la polilla halcón del tabaco y la polilla puss constituyen una parte importante de los fluidos hemolinfáticos de los insectos.
Las biliproteínas que se han encontrado en otros órdenes de insectos aparte de los lepidópteros aún tienen secuencias desconocidas, por lo que su naturaleza de lipocalina aún está abierta. [6]
En un estudio de 1988 realizado por Hugo Scheer y Harmut Kayser, se extrajeron biliproteínas de la gran mariposa blanca y de la polilla gato y se examinaron sus respectivas propiedades. Se compararon sus propiedades con las de las biliproteínas de plantas y algas, y se tuvieron en cuenta sus características distintivas. [ cita requerida ]
A diferencia de las biliproteínas de plantas y algas cuyas bilinas generalmente se derivan únicamente del isómero IXα de la biliverdina, las bilinas de las biliproteínas de insectos también se derivan del isómero IXγ, que se encuentra casi exclusivamente en los lepidópteros. [7] El estudio citó a M. Bois-Choussy y M. Barbier que indicaban que estos pigmentos biliares de la serie IXγ se derivan de la escisión de los precursores de la porfirina en el puente de metina C-15 (anteriormente γ) , lo que no es característico de otras biliproteínas de mamíferos y plantas. Cuando los científicos examinaron las biliproteínas de la mariposa blanca grande y de la polilla, descubrieron que sus polipéptidos tenían un bajo contenido de hélice α en comparación con las ficobiliproteínas. [8]
Se planteó la hipótesis de que el papel de las biliproteínas en los insectos también tendría un papel relacionado con la absorción de la luz similar al de las biliproteínas de las plantas y las algas. Sin embargo, cuando se descubrió que las propiedades fotoquímicas necesarias para la absorción de la luz no se encontraban en la biliproteína de la gran mariposa blanca, se descartó esta hipótesis y se asumió que esas propiedades fotoquímicas tampoco se dan en ninguna otra biliproteína de insectos. [6]
Con base en estos exámenes, se concluyó que las biliproteínas de los insectos están relacionadas vagamente con las de las plantas y las algas, debido a la gran cantidad de diferencias que tienen en cuanto a estructura, composición química, derivación de bilinas y funciones generales. [8]
Las proteínas fluorescentes han tenido un impacto sustancial en la bioimagen, por lo que las biliproteínas se han convertido en candidatas adecuadas para la aplicación, debido a sus propiedades de fluorescencia, captación de luz, sensibilidad a la luz y fotosensibilidad (esta última ocurre solo en fitocromos). Las ficobiliproteínas, que son altamente fluorescentes, se han utilizado en aplicaciones externas de bioimagen desde principios de la década de 1980. Esa aplicación requiere que el cromóforo bilina se sintetice a partir del hemo , después de lo cual se necesita una liasa para unir covalentemente la bilina a su apoproteína correspondiente. Un método alternativo utiliza fitocromos en su lugar; algunos fitocromos solo requieren una enzima, la hemooxigenasa , para sintetizar cromóforos. Otro beneficio de usar fitocromos es que se unen a sus bilinas de forma autocatalítica. Si bien existen pigmentos fotocrómicos con poca fluorescencia, este problema se ha aliviado mediante la ingeniería de variantes de proteínas que reducen la fotoquímica y mejoran la fluorescencia. [17]
Las propiedades de las ficobiliproteínas, como sus actividades antioxidantes naturales, antiinflamatorias, colorantes alimentarios, pigmentos fuertes y antienvejecimiento, les han dado un potencial considerable para su uso en aplicaciones alimentarias, cosméticas y medicinales. También han demostrado ser terapéuticas en el tratamiento de enfermedades como la enfermedad de Alzheimer y el cáncer. Dada su amplia gama de aplicaciones y usos potenciales, los investigadores han estado tratando de encontrar y desarrollar formas de producir y purificar ficobiliproteínas para satisfacer la creciente demanda de ellas. [18] Una de estas ficobiliproteínas es la C-ficocianina (C-PC), que se encuentra en la espirulina . Un factor limitante del uso de C-PC en estas aplicaciones es su estabilidad proteica, dado que en su forma natural, C-PC es altamente sensible a la luz y al calor cuando está en solución acuosa, debido a su cromóforo fotosensible ficocianobilina (PCB), que también lo hace propenso a la oxidación por radicales libres. Al igual que otros colorantes alimentarios naturales, C-PC también es sensible a las condiciones ácidas y a la exposición a oxidantes. Esto ha impulsado estudios para desarrollar métodos de estabilización de C-PC/PCB y ampliar sus aplicaciones a otros sistemas alimentarios. [19]
Se pueden encontrar más detalles sobre las aplicaciones de la ficocianina en alimentos y medicinas aquí . [ cita requerida ]
Las señales de fluorescencia emitidas por la ficoeritrina y la ficocianina las han hecho adecuadas para su uso como indicadores para detectar cianotoxinas como las microcistinas en el agua potable. Un estudio examinó la naturaleza de las señales de fluorescencia de las biliproteínas con respecto a su carácter en tiempo real, la sensibilidad y el comportamiento de las biliproteínas en diferentes etapas de tratamiento (del agua) en comparación con las microcistinas. El carácter en tiempo real de las señales de fluorescencia se confirmó mediante mediciones de fluorescencia, ya que pueden llevarse a cabo sin tener que concentrar previamente las biliproteínas. Si la relación entre biliproteína y microcistina es superior a 1, las señales de fluorescencia pueden estimar concentraciones muy bajas de microcistinas. Una prueba realizada en 2009 comparó el comportamiento de las biliproteínas y las microcistinas seleccionadas MC-LR y MC-RR durante el tratamiento del agua. Los resultados de la prueba mostraron que las biliproteínas tienen una función de alerta temprana contra las microcistinas en etapas de tratamiento convencionales que utilizan preoxidación con permanganato , carbón activado y cloración . Sin embargo, la función de alerta temprana no se produce cuando se utiliza dióxido de cloro como preoxidante o desinfectante final. Es importante conocer la relación biliproteína/toxina del agua cruda para utilizar las biliproteínas en las mediciones de control en el tratamiento del agua potable. [20]