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 pueden clasificarse como Tipo I, que se activa con luz roja lejana, o Tipo II, que se activa con luz roja. [2] Avances recientes han sugerido que los fitocromos también actúan como sensores de temperatura, ya que las temperaturas más cálidas mejoran 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 , el alargamiento de las plántulas, el tamaño, la forma y el número y movimiento de las hojas y el momento de la floración en plantas adultas. Los fitocromos se expresan ampliamente en muchos tejidos y etapas de desarrollo. [2]
Otros fotorreceptores de plantas incluyen criptocromos y fototropinas , que responden a la luz azul y ultravioleta -A y UVR8 , que es sensible a la luz ultravioleta -B.
Los fitocromos consisten en una proteína unida covalentemente a un cromóforo de bilina sensible a la luz . [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, en la medida en 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 sirve como sensor de señales y el dominio GAF es responsable de unirse al GMPc y también detecta señales luminosas. Juntas, estas subunidades forman la región del fitocromo, que regula los cambios fisiológicos en las plantas hasta los cambios en las condiciones de luz roja y roja lejana. En las plantas, la luz roja cambia el fitocromo a su forma biológicamente activa, mientras que la luz roja lejana cambia la proteína a su forma biológicamente inactiva.
Los fitocromos se caracterizan por una fotocromicidad roja/roja lejana . Los pigmentos fotocromáticos cambian su "color" (propiedades de absorbancia espectral) al absorber la luz. En el caso del fitocromo, el estado fundamental es P r , indicando r que absorbe la luz roja con especial fuerza. El máximo de absorbancia es un pico agudo de 650 a 670 nm, por lo que las soluciones concentradas de fitocromo parecen azul turquesa para el ojo humano cuando se observan con luz blanca. Pero una vez que se ha absorbido un fotón rojo, el pigmento sufre un rápido cambio conformacional para formar el estado P fr . Aquí fr indica que ahora no el rojo sino el rojo lejano (también llamado "infrarrojo cercano"; 705–740 nm) se absorbe de manera diferencial. Este cambio en la absorbancia es evidente para el ojo humano como un color ligeramente más verdoso. Cuando P fr absorbe luz roja lejana, se convierte nuevamente en P r . Por lo tanto, la luz roja genera P fr , la luz del rojo lejano genera P r . En las plantas al menos P fr es el estado fisiológicamente activo o de "señalización".
Los fitocromos también tienen la capacidad de detectar la luz, lo que hace que la planta crezca hacia ella. Esto se llama fototropismo . [7] Janoudi y sus compañeros de trabajo querían ver qué tipo de fitocromo era responsable de causar el fototropismo y realizaron una serie de experimentos. Descubrieron que la luz azul hace que la planta Arabidopsis thaliana muestre una respuesta fototrópica; esta curvatura se intensifica con la adición de luz roja. [7] También encontraron que cinco fitocromos diferentes estaban presentes en la planta, mientras que algunos mutantes que no funcionaban adecuadamente expresaban una falta de fitocromos. [7] Dos de estas variantes mutantes fueron muy importantes para este estudio: phyA-101 y phyB-1. [7] Estos son los mutantes del fitocromo A y B respectivamente. El fitocromo A, normalmente funcional, provoca sensibilidad a la luz roja lejana y provoca una regulación en la expresión de la curvatura hacia la luz, mientras que el fitocromo B es más sensible a la luz roja. [7]
El experimento consistió en la forma salvaje de Arabidopsis, phyA-101 (mutante nulo del fitocromo A (phyA)), phyB-1 (mutante deficiente en fitocromo B). [7] Luego fueron expuestos a luz blanca como control, luz azul y roja con diferentes fluencias de luz, y se midió la curvatura. [7] Se determinó que para lograr un fenotipo similar al del tipo salvaje, el phyA-101 debe exponerse a cuatro órdenes de magnitud mayor o aproximadamente 100 umol m -2 de fluencia. [7] Sin embargo, la fluencia que hace que phyB-1 muestre la misma curvatura que el tipo salvaje es idéntica a la del tipo salvaje. [7] En el fitocromo que expresaba cantidades superiores a las normales de fitocromo A, se descubrió que a medida que aumentaba la fluencia, la curvatura también aumentaba hasta 10 umol-m −2 , la curvatura era similar a la del tipo salvaje. [7] El fitocromo que expresa cantidades superiores a las normales de fitocromo B exhibió curvaturas similares a las del tipo salvaje en diferentes fluencias de luz roja hasta que la fluencia de 100 umol-m −2 en fluencias superiores a esta curvatura fue mucho mayor que la del tipo salvaje. -tipo. [7]
Por lo tanto, el experimento resultó en el hallazgo de que otro fitocromo además del fitocromo A actúa influyendo en la curvatura, ya que el mutante no está tan lejos del tipo salvaje y phyA no se expresa en absoluto. [7] Lo que lleva a la conclusión de que dos fases deben ser responsables del fototropismo. Determinaron que la respuesta se produce con fluencias bajas y con fluencias altas. [7] Esto se debe a que para phyA-101 el umbral de curvatura se produjo con fluencias más altas, pero la curvatura también ocurre con valores de fluencia bajos. [7] Dado que el umbral del mutante se produce en valores de fluencia altos, se ha determinado que el fitocromo A no es responsable de la curvatura en valores de fluencia altos. [7] Dado que el mutante del fitocromo B mostró una respuesta similar a la del tipo salvaje, se concluyó que el fitocromo B no es necesario para mejorar la exposición a fluencia baja o alta. [7] Se predijo que los mutantes que sobreexpresaban el fitocromo A y B serían más sensibles. Sin embargo, se muestra que una sobreexpresión de phy A realmente no afecta la curvatura, por lo que hay suficiente fitocromo en el tipo salvaje para lograr la curvatura máxima. [7] Para el mutante de sobreexpresión del fitocromo B, una curvatura mayor de lo normal con fluencias de luz más altas indicó que el phy B controla la curvatura con fluencias altas. [7] En general, concluyeron que el fitocromo A controla la curvatura con bajas fluencias de luz. [7]
Los fitocromos también pueden afectar el crecimiento de las raíces. Está bien documentado que el gravitropismo es el principal tropismo en las raíces. Sin embargo, un estudio reciente ha demostrado que el fototropismo también influye. Recientemente se registró un fototropismo positivo inducido por luz roja en un experimento que utilizó Arabidopsis para probar en qué parte de la planta tenía el mayor efecto sobre una respuesta fototrópica positiva. Los experimentadores utilizaron un aparato que permitía que el ápice de la raíz estuviera a cero grados para que el gravitropismo no pudiera ser un factor competitivo. Cuando se colocaron bajo luz roja, las raíces de Arabidopsis mostraron una curvatura de 30 a 40 grados. Esto mostró una respuesta fototrópica positiva a la luz roja. Luego quisieron identificar exactamente en qué parte de la planta se recibe la luz. Cuando se cubrieron las raíces, hubo poca o ninguna curvatura de las raíces cuando se expusieron a la luz roja. Por el contrario, cuando se cubrieron los brotes, hubo una respuesta fototrópica positiva a la luz roja. Esto demuestra que las raíces laterales es donde tiene lugar la detección de luz. Para recopilar más información sobre los fitocromos involucrados en esta actividad, se expusieron a luz roja mutantes de fitocromo A, B, D y E, y raíces WT. Los mutantes de fitocromo A y B estaban gravemente afectados. No hubo diferencias significativas en la respuesta de phyD y phyE en comparación con el tipo salvaje, lo que demuestra que phyA y phyB son responsables del fototropismo positivo en las raíces.
Químicamente, el fitocromo consiste en un cromóforo , una única molécula de bilina que consta de una cadena abierta de cuatro anillos de pirrol , unida covalentemente al resto proteico a través de un aminoácido cisteína altamente conservado. Es el cromóforo el que absorbe la luz y, como resultado, cambia la conformación de la bilina y posteriormente la de la proteína unida, cambiándola de un estado o isoforma a otro.
El cromóforo del fitocromo suele ser fitocromobilina , y está estrechamente relacionado con la ficocianobilina (el cromóforo de las ficobiliproteínas utilizado por las cianobacterias y las algas rojas para capturar la luz para la fotosíntesis ) y con el pigmento biliar bilirrubina (cuya estructura también se ve afectada por la exposición a la luz, hecho aprovechado en la fototerapia de recién nacidos con ictericia ). El término "bili" en todos estos nombres se refiere a la bilis. Las bilinas se derivan del anillo de tetrapirrol cerrado del hemo mediante una reacción oxidativa catalizada por la hemooxigenasa para producir su característica cadena abierta. La clorofila y el hemo ( Heme ) comparten un precursor común en forma de protoporfirina IX y comparten la misma estructura característica de anillo de tetrapirrol 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. [8]
El estado P fr transmite una señal a otros sistemas biológicos de la célula, como los mecanismos responsables de la expresión genética . Aunque es casi seguro que este mecanismo es un proceso bioquímico , todavía es objeto de mucho debate. Se sabe que aunque los fitocromos se sintetizan en el citosol y la forma P r se localiza allí, la forma P fr , cuando se genera mediante iluminación luminosa, se transloca al núcleo celular . Esto implica un papel del fitocromo en el control de la expresión genética, 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 la forma P fr , puede actuar como una quinasa , y se ha demostrado que el fitocromo en la forma P fr puede interactuar directamente con factores de transcripción . [9]
El pigmento fitocromo fue descubierto por Sterling Hendricks y Harry Borthwick en el Centro de Investigación Agrícola Beltsville del USDA-ARS en Maryland durante un período comprendido entre finales de los años 40 y principios de los 60. Utilizando un espectrógrafo construido a partir de piezas prestadas y excedentes de la guerra, descubrieron que la luz roja era muy eficaz para promover la germinación o desencadenar respuestas de floración. Las respuestas a la luz roja fueron reversibles con la luz roja lejana, lo que indica la presencia de un pigmento fotorreversible.
El pigmento fitocromo fue identificado mediante un espectrofotómetro en 1959 por el biofísico Warren Butler y el bioquímico Harold Siegelman. Butler también fue responsable del nombre 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 descubrieron que existía más de un tipo de fitocromo; por ejemplo, se demostró que la planta de guisante tiene al menos dos tipos de fitocromos (entonces llamados tipo I (que se encuentra predominantemente en plántulas de color oscuro) y tipo II (predominante en plantas verdes)). Ahora se sabe mediante la secuenciación del genoma que Arabidopsis tiene cinco genes de fitocromos (PHYA - E) pero que el arroz tiene sólo tres (PHYA - C). Si bien esto probablemente representa la condición en varias plantas di y monocotiledóneas, muchas plantas son poliploides . Por 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 usan fitocromobilina como cromóforo que absorbe la luz. El fitocromo A o phyA se degrada rápidamente en la forma Pfr, mucho más que los demás miembros de la familia. A finales de los años 1980, el laboratorio de Vierstra demostró que phyA es degradada por el sistema de ubiquitina, el primer objetivo natural del sistema identificado en eucariotas.
En 1996, David Kehoe y Arthur Grossman de la Carnegie Institution de la Universidad de Stanford identificaron proteínas en la cianobacteria filamentosa Fremyella diplosiphon llamada RcaE con un fitocromo similar al de las plantas que controlaba una respuesta fotorreversible de color rojo-verde llamada aclimatación cromática e identificaron un gen en la secuencia. genoma publicado de la cianobacteria Synechocystis con mayor similitud con los del fitocromo vegetal. Esta fue la primera evidencia de fitocromos fuera del reino vegetal. Jon Hughes en Berlín y Clark Lagarias en UC Davis demostraron posteriormente que este gen Synechocystis de hecho codificaba un fitocromo genuino (llamado Cph1) en el sentido de que es una cromoproteína reversible roja/roja lejana. Presumiblemente, los fitocromos vegetales se derivan de un fitocromo cianobacteriano ancestral, tal vez por migración de genes desde el cloroplasto al núcleo. Posteriormente, se han encontrado fitocromos en otros procariotas , incluidos Deinococcus radiodurans y Agrobacterium tumefaciens . En Deinococcus el fitocromo regula la producción de pigmentos protectores de la luz, sin embargo en Synechocystis y Agrobacterium la función biológica de estos pigmentos aún se desconoce.
En 2005, los laboratorios Vierstra y Forest de la Universidad de Wisconsin publicaron una estructura tridimensional de un fitocromo truncado de Deinococcus (dominios PAS/GAF). Este artículo reveló que la cadena de proteínas forma un nudo, una estructura muy inusual para una proteína. En 2008, dos grupos en torno a Essen y Hughes en Alemania y Yang y Moffat en Estados Unidos publicaron las estructuras tridimensionales de todo el dominio fotosensorial. Una de las estructuras era para Synechocystis sp. (cepa PCC 6803) fitocromo en estado Pr y otro para el fitocromo de Pseudomonas aeruginosa en estado P fr . Las estructuras mostraron que una parte conservada del dominio PHY, la llamada lengua PHY, adopta diferentes pliegues. 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 llamativamente cortos y hojas de color verde oscuro. Harry Smith y sus colaboradores de 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 las sombras . [10] Como resultado, las plantas pueden gastar menos energía en crecer lo más alto posible y tener más recursos para cultivar semillas y expandir sus sistemas de raíces. Esto podría tener muchos beneficios prácticos: por ejemplo, las hojas de pasto que crecerían más lentamente que el pasto normal no requerirían ser cortadas con tanta frecuencia, o las plantas de cultivo podrían transferir más energía al grano en lugar de crecer más.
En 2002, la interacción inducida por la luz entre un fitocromo vegetal y el factor de interacción con fitocromo (PIF) se utilizó para controlar la transcripción genética en levadura. Este fue el primer ejemplo de uso de fotoproteínas de otro organismo para controlar una vía bioquímica. [11]