Fitocromo

Os fitocromos son unha clase de fotorreceptores en plantas, bacterias e fungos usados para detectar a luz. Son sensibles á luz na rexión do vermello e vermello distante (=infravermello próximo) do espectro visible e poden ser clasificados como de tipo I, que son activados pola luz do vermello distante, ou de tipo II que son activados pola luz vermella. Avances recentes suxeriron que os fitocromos tamén actúan como sensores de temperatura, xa que as temperaturas máis cálidas potencian a súa desactivación. Todos estes factores contribúen á capacidade das plantas para xerminaren.

Os fitocromos controlan moitos aspectos do desenvolvemento das plantas. Regulan a xerminación de sementes (fotoblastia), a síntese de clorofila, a elongación de plantas de sementeiro, o tamaño, forma, cantidade e movemento das follas e o tempo da floración en plantas adultas. Os fitocromos son amplamente expresados en moitos tecidos e estadios do desenvolvemento.

Outros fotorreceptores de plantas son os criptocromos e as fototropinas, que responden ao azul e á luz ultravioleta A e o UVR8, que é sensible á luz UV B.

 Estrutura 
Os fitocromos constan dunha proteína, unida covalentemente a un cromóforo bilina sensible á luz.Sharrock R. A. (2008). The phytochrome red/far-red photoreceptor superfamily. Genome biology, 9(8), 230. doi:10.1186/gb-2008-9-8-230 PMC 2575506 A parte proteica consta de dúas cadeas idénticas (A e B). Cada cadea ten un dominio PAS, un dominio GAF e un dominio PHY. A combinación de dominios en fitocromos coñecidos de plantas, bacterias e fungos é comparable, xa que os tres dominios N-terminais son sempre de tipo PAS, GAF e PHY. Porén os dominios C-terminais son máis diverxentes. O dominio PAS serve como sensor de sinais e o dominio GAF é responsable da unión do GMPc e tamén percibe sinais luminosos. Xuntas, estas subunidades forman a rexión fitocromo da molécula, que regula os cambios fisioloxicos en plantas causados polas condicións de luz vermella ou vermella distante. En plantas, a luz vermella cambia os fitocromos á súa forma bioloxicamene activa, mentres qaue a luz vermella distante cámbiaa á súa forma bioloxicamente inactiva.

 Isoformas ou estados 
miniatura|250px|Dúas hipóteses que explican as conversións inducidas pola luz dos fitocromos (PR - forma para luz vermella, PIR - forma para luz vermella distante, B - proteína). Esquerda - disociación de H+. Dereita - formación do anel similar ao da clorofila.
Os fitocromos están caracterizados por unha fotocromicidade vermella/vermella distante. Os pigmentos fotocrómicos cambian a súa "cor" (propiedades de absorbancia espectral) coa absorción de luz. No caso dos fitocromos o estado fundamental é Pr, o subíndice r indica que absorbe a luz vermella (red) de maneira especialmente intensa. O máximo de absorbancia é un pico agudo de 650–670 nm, polo que as concentracións de fitocromo concentardas aparecen de cor azul turquesa ao ollo humano. Pero unha vez que se absorbeu un fotón vermello, o pigmento sofre un rápido cambio conformacional para pasar ao estado Pfr. Aquí, o subíndice fr (far red) indica que agora non se absorbe preferentemente o vermello senón o vermello distante (tamén chamado "infravermello próximo"; 705–740 nm). Este cambio en absorbancia aparece ante o ollo humano como unha cor lixeiramente máis verdosa. Cando Pfr absorbe luz do vermello distante convértese de novo en Pr. Por tanto, a luz vermella crea Pfr e a vermella distante Pr. En plantas polo menos o Pfr é o estado fisioloxicamente activo ou "de sinalización".

 Efecto sobre o fototropismo 
Os fitocromos tamén teñen a capacidade de percibir a luz e causan o crecemento das plantas cara á luz, o que se chama fototropismo. Janoudi e colaboradores estudaron se os fitocromos eran os responsables de causar o fototropismo por medio dunha serie de experimentos. Atoparon que a luz azul causa que a planta Arabidopsis thaliana mostre pouca resposta fototrópica, pero que a súa curvatura cara á luz aumenta coa adición de luz vermella. Encontraron que a planta tiña cinco fitocromos, e había diversos mutantes nos que os fitocromos non funcionan axeitadamente. Dous deses mutantes foron moi importantes nos seus estudos, o phyA-101 e o phyB-1, que son mutantes para os fitocromos A e B, respectivamente. O fitocromo A con funcionalidade normal causa que haxa sensibilidade á luz vermella e vermella distante, e orixina unha regulación na expresión da curvatura da planta cara á luz. O fitocromo B é máis sensible á luz vermella.

O experimento utilizou a forma de tipo silvestre de Arabidopsis, o phyA-101 (mutante nulo para o fitocromo A) e o phyB-1 (mutante deficiente en fitocromo B). Foron expostos á luz branca, azul e vermella e mediuse a curvatura a diferentes fluencias de luz (enerxía radiante recibida por unha superficie). A conclusión era que o fototropismo debe constar de dúas fases. Determinaron que a resposta de curvatura ocorre a fluencias baixas e a altas (pero non a intermedias). En resumo, concluíron que o fitocromo A controla a curvatura a fluencias de luz baixas, pero non a altas, e o B non é necesario nin para altas nin para baixas, e debía haber outro(s) fitocromo(s) que a controlase(n) a fluencias altas.

 Efecto sobre o crecemento das raíces 
Os fitocromos poden tamén afectar ao crecemento das raíces. O gravitropismo é o principal tropismo nas raíces. Porén un recente estudo mostrou que o fototropismo tamén ten unha influencia. Informouse recentemente dun fototropismo positvo inducido pola luz vermella nun experimento con Arabidopsis para comprobar onde a planta tiña o maior efecto sobre unha resposta fototrópica positiva. Utilizouse un aparato que permitía que o ápice da raíz estivese a cero graos para que o gravitropismo non fose un factor competidor. Cando a situaron baixo luz vermella, as raíces de Arabidopsis mostraron unha curvatura de 30 a 40 graos. Isto mostrou unha resposta fototrópica positiva á luz vermella na raíz. Tamén determinaron onde a planta recibía a luz. Cubrindo distintas partes da planta probaron que o lugar onde se percibe a luz son as raíces laterais. Despois expuxéronse á luz vermella mutantes para os fitocromos A, B, D e E, e raíces WT. Os mutantes para os fitocromos A ou B quedaron gravemente alterados. Non houbo diferenzas significativas na resposta dos mutantes para D e E comparados co tipo silvestre, o que probaba que os fitocromos A e B son os responsables do fototropismo positivo nas raíces.   

 Bioquímica 

Quimicamente, o fitocromo consta dun cromóforo, unha soa molécula de bilina que consiste nunha cadea aberta de catro aneis de pirrol unidos covalentemente a un residuo de císteína moi conservado dunha proteína. O que absorbe a luz é o cromóforo e como resultado prodúcese un cambio na conformación da bilina e en consecuencia da proteína unida, que cambia dun estado ou isoforma a outra.

O cromóforo do fitocromo é xeralmente a fitocromobilina, que está estreitamente relacionada coa ficocianobilina (o cromóforo das ficobiliproteínas usadas polas cianobacterias e algas vermellas para capturar a luz na súa fotosíntese) e no pigmento biliar bilirrubina (cuxa estrutura tamén se ve afectada pola exposición á luz, o que se aproveita na fototerapia dos neonatos con ictericia).
A raíz "bili" que levan todos estes termos refírese á bile. As bilinas derivan dun anel tetrapirrol pechado do hemo por medio dunha reacción oxidativa catalizada por unha hemo oxixenase para render a característica cadea aberta destas moléculas. A clorofila tamén deriva do hemo. A diferenza das bilinas, o hemo e a clorofila portan un átomo de metal no centro do anel, ferro ou magnesio, respectivamente.

O estado Pfr traspasa un sinal a outros sistemas biolóxicos da célula, como mecanismos responsables da expresión xénica. Aínda que este mecanismo é case seguro un proceso bioquímico, aínda se discute. Sábese que aínda que os fitocromos se sintetizan no citosol e a forma Pr está localizada alí, a foma Pfr, cando se xera pola iluminación, translócase ao núcleo celular. Isto implica que o fitocromo exerce un papel no control da expresión xénica e coñécense moitos xenes que son regulados polo fitocromo, mais o mecanismo exacto aínda non se descubriu. Propúxose que o fitocromo na súa forma Pfr, pode actuar como quinase, e demostrouse que o fitocromo en forma Pfr pode interaccionar directamente con factores de transcrición.

 Descubrimentos 

O pigmento fitocromo foi descuberto por Sterling Hendricks e Harry Borthwick no USDA-ARS Beltsville Agricultural Research Center de Maryland durante o período entre finais da década de 1940 e inicios da de 1960. Usando un espectrógrafo construído con pezas prestadas ou sobrantes da guerra, descubriron que a luz vermella era moi efectiva para promover a xerminación ou desencadear as respostas de floración. As respostas á luz vermella eran reversibles por exposicón á luz vermella distante, o que indicaba a presenza dun pigmento fotorreversible.

O pigmento fitocromo foi identificado usando un espectrofotómetro en 1959 polo biofísico Warren Butler e o bioquímico Harold Siegelman. Butler foi tamén responsable de poñerlle como nome fitocromo.

En 1983 os laboratorios de Peter Quail e Clark Lagarias imformaron da purificación química da molécula intacta de fitocromo, e en 1985 Howard Hershey e Peter Quail publicaron a primeira secuencia xénica dun fitocromo. En 1989, os traballos de xenética molecular e con anticorpos monoclonais demostraron que existía máis dun tipo de fitocromo; por exemplo, a planta dos chícharos ten polo menos dous fitocromos (entón chamados tipo I, que se encontra predominantemente en plantas de sementeiro que crecen na escuridade, e tipo II, o predominante en plantas verdes). Agora sábese por secuenciación do xenoma que Arabidopsis ten cinco xenes para fitocromos (de PHYA a PHYE) pero que o arroz ten só tres (de PHYA a PHYC). Aínda quen isto probablemente representa a condición presente en varias plantas dicotiledóneas e monocotiledóneas, moitas plantas son poliploides. Por tanto, o millo, por exemplo, ten seis fitocromos (phyA1, phyA2, phyB1, phyB2, phyC1 e phyC2). Aínda que todos estes fitocromos teñen compoñentes proteicos significativamente diferentes, todos usan a fitocromobilina como cromóforo absorbedor de luz. O fitocromo A ou phyA é rapidamente degradado na forma Pfr, en moito maior grao que outros membros da familia. A finais da década de 1980, o Vierstra lab demostrou que phyA é degradado polo sistema da ubiquitina, no que foi a primeira diana natural deste sistema identificada en eucariotas.

En 1996 David Kehoe e Arthur Grossman da Institución Carnegie da Universidade de Stanford identificaron a proteína, na cianobacteria filamentosa Fremyella diplosiphon chamada RcaE, que era similar ao fitocromo das plantas que controlaba unha resposta ao vermello-verde fotorreversible chamada aclimatación cromática, e identificaron un xene no xenoma secuenciado e publicado da cianobacteria Synechocystis que tiña unha estreita semellanza cos dos fitocromos das plantas. Esta foi a primeira evidencia de que os fitocromos existían fóra do reino das plantas. Jon Hughes en Berlin e Clark Lagarias na UC Davis mostraron despois que este xene de Synechocystis realmente codificaba un fitocromo (denominado Cph1), xa que é unha cromoproteína reversible vermello/vermello distante. Probablemente os fitocromos das plantas derivan dun fitocromo ancestral das cianobacterias, quizais por migración xénica desde o cloroplasto ao núcleo. Seguidamente, atopáronse fitocromos noutros procariotas, como Deinococcus radiodurans e Agrobacterium tumefaciens. En Deinococcus o fitocromo regula a produción de pigmentos protectores da luz, mentres que en Synechocystis e Agrobacterium a función biolóxica destes pigmentos é aínda descoñecida.

En 2005 os Vierstra and Forest labs da Universidade de Wisconsin publicaron a estrutura tridimensional dun fitocromo truncado de Deinococcus (os dominios PAS/GAF). Este artigo revelou que a cadea proteica forma un nó (unha estrutura moi pouco habitual nunha proteína). En 2008, dous grupos en Alemaña e Yang e Moffat nos Estados Unidos publicaron as estruturas tridimensionais do dominio fotosensor completo. Unha das estruturas era do fitocromo de Synechocystis sp. (cepa PCC 6803) en estado Pr e a outra do fitocromo de Pseudomonas aeruginosa en estado Pfr. As estruturas mostraban que unha parte conservada do dominio PHY, a denominada lingua PHY, adopta diferentes pregamentos. En 2014 Takala et al confirmaron que o distinto pregamento ocorre incluso no mesmo fitocromo (en Deinococcus) en función das condicións de iluminación.* Linda C Sage. A pigment of the imagination: a history of phytochrome research. Academic Press 1992. 

 Enxeñaría xenética 
En 1989 varios laboratorios produciron con éxito plantas transxénicas que producían cantidades elevadas de diferentes fitocromos (sobreexpresión). En todos os casos as plantas resultantes tiñan talos curtos e follas verdes escuras. Harry Smith e colaboradores na Universidade de Leicester, Inglatera, mostraron que ao incrementar o nivel de expresión de fitocromo A (que responde á luz vermella distante), poden alterarse as respostas de evitación da sombra.Robson, P. R. H., McCormac, A. C., Irvine, A. S. & Smith, H. Genetic engineering of harvest index in tobacco through overexpression of a phytochrome gene. Nature Biotechnol. 14, 995–998 (1996). Como resultado, as plantas poden gastar menos enerxía en crecer o máis altas posibles e teñen máis recursos para formar sementes e expandir os seus sistemas de raíces. Isto podería ter outros beneficios prácticos; por exemplo, se as follas de herba crecesen máis lentamente que o normal non necesitarían ser cortadas tan frecuentemente nos céspedes, ou as plantas agrícolas poderían transferir máis enerxía aos grans en vez de creceren tan altas, o que melloraría as colleitas.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Bibliografía 
 Gururani, Mayank Anand, Markkandan Ganesan, and Pill-Soon Song. "Photo-biotechnology as a tool to improve agronomic traits in crops." Biotechnology Advances (2014).
 http://www.ars.usda.gov/is/timeline/light.htm
 https://web.archive.org/web/20161126175726/http://www.mobot.org/jwcross/duckweed/phytochrome.htm#tetrapyrrole
 https://web.archive.org/web/20050302091035/http://ucce.ucdavis.edu/files/filelibrary/616/17562.htm
 Terry e Gerry Audesirk. Biology: Life on Earth.

Categoría:Fisioloxía vexetal
Categoría:Pigmentos biolóxicos
Categoría:Receptores sensoriais