Los pirenoides son microcompartimentos subcelulares que se encuentran en los cloroplastos de muchas algas [1] y en un solo grupo de plantas terrestres, las antocerotas [2] . Los pirenoides están asociados con el funcionamiento de un mecanismo de concentración de carbono (CCM). Su función principal es actuar como centros de fijación de dióxido de carbono (CO 2 ), generando y manteniendo un entorno rico en CO 2 alrededor de la enzima fotosintética ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa (RuBisCO). Por lo tanto, los pirenoides parecen tener un papel análogo al de los carboxisomas en las cianobacterias .
Las algas están restringidas a ambientes acuosos, incluso en hábitats acuáticos, y esto tiene implicaciones para su capacidad de acceder al CO 2 para la fotosíntesis. El CO 2 se difunde 10.000 veces más lento en el agua que en el aire, y también es lento para equilibrarse. El resultado de esto es que el agua, como medio, a menudo se agota fácilmente de CO 2 y es lenta para obtener CO 2 del aire. Finalmente, el CO 2 se equilibra con bicarbonato (HCO 3 − ) cuando se disuelve en agua, y lo hace en base al pH . En el agua de mar, por ejemplo, el pH es tal que el carbono inorgánico disuelto (CID) se encuentra principalmente en forma de HCO 3 − . El resultado neto de esto es una baja concentración de CO 2 libre que apenas es suficiente para que una RuBisCO de algas funcione a una cuarta parte de su velocidad máxima , y por lo tanto, la disponibilidad de CO 2 a veces puede representar una limitación importante de la fotosíntesis de algas.
Los pirenoides fueron descritos por primera vez en 1803 por Vaucher [3] (citado en Brown et al. [4] ). El término fue acuñado por primera vez por Schmitz [5], quien también observó cómo los cloroplastos de las algas se formaban de novo durante la división celular, lo que llevó a Schimper a proponer que los cloroplastos eran autónomos y a suponer que todas las plantas verdes se habían originado a través de la "unificación de un organismo incoloro con uno uniformemente teñido de clorofila". [6] A partir de estas observaciones pioneras, Mereschkowski finalmente propuso, a principios del siglo XX, la teoría simbiogenética y la independencia genética de los cloroplastos.
En el medio siglo siguiente, los psicólogos utilizaron a menudo el pirenoide como marcador taxonómico, pero los fisiólogos no apreciaron durante mucho tiempo la importancia de los pirenoides en la fotosíntesis acuática. El paradigma clásico, que prevaleció hasta principios de la década de 1980, era que el pirenoide era el sitio de la síntesis del almidón. [7] Las observaciones microscópicas eran fácilmente engañosas, ya que una vaina de almidón a menudo encierra a los pirenoides. El descubrimiento de mutantes deficientes en pirenoides con granos de almidón normales en el alga verde Chlamydomonas reinhardtii , [8] así como mutantes sin almidón con pirenoides perfectamente formados, [9] finalmente desacreditó esta hipótesis.
No fue hasta principios de los años 1970 que se dilucidó la naturaleza proteínica del pirenoide, cuando se aislaron con éxito los pirenoides de un alga verde, [10] y se demostró que hasta el 90% de este estaba compuesto de RuBisCO bioquímicamente activo. En la década siguiente, emergió cada vez más evidencia de que las algas eran capaces de acumular depósitos intracelulares de DIC y convertirlos en CO2 , en concentraciones que excedían por mucho las del medio circundante. Badger y Price sugirieron por primera vez que la función del pirenoide era análoga a la del carboxisoma en las cianobacterias, al estar asociada con la actividad CCM. [11] La actividad CCM en fotobiontes de algas y cianobacterias de asociaciones de líquenes también se identificó mediante intercambio de gases y discriminación de isótopos de carbono [12] y se asoció con el pirenoide por Palmqvist [13] y Badger et al. [14] El CCM de Hornwort fue caracterizado posteriormente por Smith y Griffiths. [15]
A partir de ahí, el pirenoide se estudió en el contexto más amplio de la adquisición de carbono en las algas, pero aún no se le ha dado una definición molecular precisa.
Existe una diversidad sustancial en la morfología y ultraestructura de los pirenoides entre las especies de algas. La característica común de todos los pirenoides es una matriz esferoidal, compuesta principalmente de RuBisCO. [10] En la mayoría de los organismos que contienen pirenoides, la matriz pirenoide está atravesada por membranas tilacoides, que están en continuidad con los tilacoides del estroma. En el alga roja unicelular Porphyridium purpureum , las membranas tilacoides individuales parecen atravesar el pirenoide; [16] en el alga verde Chlamydomonas reinhardtii , múltiples tilacoides se fusionan en la periferia del pirenoide para formar túbulos más grandes que atraviesan la matriz. [17] [18] A diferencia de los carboxisomas, los pirenoides no están delineados por una cubierta de proteína (o membrana). A menudo se forma o deposita una vaina de almidón en la periferia de los pirenoides, incluso cuando ese almidón se sintetiza en el citosol en lugar de en el cloroplasto. [19]
Cuando se examina con microscopio electrónico de transmisión, la matriz pirenoide aparece como una estructura granular densa en electrones aproximadamente circular dentro del cloroplasto. Los primeros estudios sugirieron que RuBisCO está dispuesto en matrices cristalinas en los pirenoides de la diatomea Achnanthes brevipes [20] y el dinoflagelado Prorocentrum micans [21] . Sin embargo, trabajos recientes han demostrado que RuBisCO en la matriz pirenoide del alga verde Chlamydomonas no está en una red cristalina y, en cambio, la matriz se comporta como un orgánulo líquido separado por fases [22] .
Los trabajos mutagénicos sobre Chlamydomonas han demostrado que la subunidad pequeña de RuBisCO es importante para el ensamblaje de la matriz pirenoide, [23] y que dos hélices alfa expuestas al solvente de la subunidad pequeña de RuBisCO son clave para el proceso. [24] Se ha demostrado que el ensamblaje de RuBisCO en un pirenoide requiere la proteína repetida de unión a RuBisCO intrínsecamente desordenada EPYC1, que se propuso para "unir" múltiples holoenzimas de RuBisCO para formar la matriz pirenoide. [25] Se ha demostrado que EPYC1 y Rubisco juntos son suficientes para reconstituir gotitas separadas en fases que muestran propiedades similares a los pirenoides de C. reinhardtii in vivo, lo que respalda aún más un papel de "enlazador" para EPYC1. [26]
Se ha caracterizado el proteoma del pirenoide de Chlamydomonas [27] y se determinaron sistemáticamente las localizaciones e interacciones proteína-proteína de docenas de proteínas asociadas al pirenoide. [28] Las proteínas localizadas en el pirenoide incluyen la RuBisCO activasa, [29] la nitrato reductasa [30] y la nitrito reductasa. [31]
En Chlamydomonas , un complejo de alto peso molecular de dos proteínas (LCIB/LCIC) forma una capa concéntrica adicional alrededor del pirenoide, fuera de la vaina de almidón, y actualmente se plantea la hipótesis de que esto actúa como una barrera para la fuga de CO 2 o para recapturar el CO 2 que escapa del pirenoide. [32]
En Porphyridium y en Chlamydomonas , hay un solo pirenoide muy visible en un solo cloroplasto, visible mediante microscopía óptica. Por el contrario, en diatomeas y dinoflagelados, puede haber múltiples pirenoides. Se ha observado que el pirenoide de Chlamydomonas se divide por fisión durante la división del cloroplasto. [33] [22] En casos raros en los que no se produjo la fisión, pareció formarse un pirenoide de novo. [22] Los pirenoides se disolvieron parcialmente en el estroma del cloroplasto durante cada división celular, y este grupo de componentes disueltos puede condensarse en un nuevo pirenoide en los casos en los que no se hereda uno por fisión.
Se cree que el confinamiento de la enzima fijadora de CO2 en un microcompartimento subcelular, en asociación con un mecanismo para suministrar CO2 a ese sitio, mejora la eficacia de la fotosíntesis en un entorno acuoso. Tener un CCM favorece la carboxilación frente a la oxigenación derrochadora por RuBisCO. La base molecular del pirenoide y el CCM se han caracterizado con cierto detalle en el alga verde modelo Chlamydomonas reinhardtii .
El modelo actual del CCM biofísico que depende de un pirenoide [34] [35] considera el transporte activo de bicarbonato desde el entorno extracelular hasta la proximidad de RuBisCO, a través de transportadores en la membrana plasmática , la membrana del cloroplasto y las membranas tilacoides . Se cree que las anhidrasas carbónicas en el periplasma y también en el citoplasma y el estroma del cloroplasto contribuyen a mantener un acervo intracelular de carbono inorgánico disuelto, principalmente en forma de bicarbonato. Luego se cree que este bicarbonato se bombea al lumen de los tilacoides transpirenoidales, donde se plantea la hipótesis de que una anhidrasa carbónica residente convierte el bicarbonato en CO2 y satura la RuBisCO con el sustrato carboxilante. Es probable que diferentes grupos de algas hayan desarrollado diferentes tipos de CCM, pero generalmente se considera que el CCM de las algas se articula en torno a una combinación de anhidrasas carbónicas, transportadores de carbono inorgánico y algún compartimento para empaquetar la RuBisCO.
Los pirenoides son estructuras altamente plásticas y el grado de empaquetamiento de RuBisCO se correlaciona con el estado de inducción del CCM. En Chlamydomonas , cuando el CCM está reprimido, por ejemplo cuando las células se mantienen en un ambiente rico en CO2, el pirenoide es pequeño y la matriz no está estructurada. [ 36] En el dinoflagelado Gonyaulax , la localización de RuBisCO en el pirenoide está bajo control circadiano: cuando las células son fotosintéticamente activas durante el día, RuBisCO se ensambla en múltiples cloroplastos en el centro de las células; por la noche, estas estructuras desaparecen. [37]
El CCM de las algas es inducible y la inducción del CCM es generalmente el resultado de condiciones de bajo CO2 . La inducción y regulación del CCM de Chlamydomonas se estudió recientemente mediante análisis transcriptómico, revelando que uno de cada tres genes se regula al alza o a la baja en respuesta a niveles modificados de CO2 en el medio ambiente. [38] La detección de CO2 en Chlamydomonas implica un "interruptor maestro", que fue descubierto conjuntamente por dos laboratorios. [39] [40] Este gen, Cia5/Ccm1, afecta a más de 1.000 genes sensibles al CO2 [41] y también condiciona el grado de empaquetamiento de RuBisCO en el pirenoide.
El CCM solo se induce durante períodos de niveles bajos de CO2 , y fue la existencia de estos niveles desencadenantes de CO2 por debajo de los cuales se inducen los CCM lo que llevó a los investigadores a especular sobre el probable momento del origen de mecanismos como el pirenoide.
Existen varias hipótesis sobre el origen de los pirenoides. Con el surgimiento de una gran flora terrestre tras la colonización de la tierra por los ancestros de las algas carófitas , los niveles de CO2 cayeron drásticamente, con un aumento concomitante de la concentración atmosférica de O2 . Se ha sugerido que esta caída abrupta de los niveles de CO2 actuó como un impulsor evolutivo del desarrollo de la CCM y, por lo tanto, dio lugar a los pirenoides [42], asegurando así que la tasa de suministro de CO2 no se convirtiera en un factor limitante para la fotosíntesis frente a la disminución de los niveles de CO2 atmosférico .
Sin embargo, se han propuesto hipótesis alternativas. Las predicciones de los niveles de CO2 pasados sugieren que pueden haber caído previamente tan precipitadamente como lo que se vio durante la expansión de las plantas terrestres: aproximadamente 300 millones de años atrás, durante la Era Proterozoica . [43] Siendo este el caso, podría haber habido una presión evolutiva similar que resultó en el desarrollo del pirenoide, aunque en este caso, un pirenoide o una estructura similar al pirenoide podría haberse desarrollado, y haberse perdido a medida que los niveles de CO2 aumentaron , solo para ser ganado o desarrollado nuevamente durante el período de colonización de la tierra por las plantas. Se encontró evidencia de múltiples ganancias y pérdidas de pirenoides en períodos de tiempo geológicos relativamente cortos en las antocerotas. [2]
Los pirenoides se encuentran en linajes de algas, [1] independientemente de si el cloroplasto se heredó de un solo evento endosimbiótico (por ejemplo, algas verdes y rojas , pero no en glaucófitas ) o de múltiples eventos endosimbióticos ( diatomeas , dinoflagelados , cocolitóforos , criptofitas , clorraracniófitas y euglenozoos ). Sin embargo, algunos grupos de algas carecen de pirenoides por completo: algas rojas "superiores" y algas rojas extremófilas , los géneros de algas verdes Chloromonas y Mougeotiopsis , [44] y " algas doradas ". Los pirenoides generalmente se consideran marcadores taxonómicos pobres y pueden haber evolucionado independientemente muchas veces. [45]