34.-FITOCROMO. Introducción. Estructura química. Reacción de baja energía. Fototransformaciones. Distribución y localización. Efectos fisiológicos. Mecanismo de acción. Significación ecológica. Reacción de alta energía: criptocromo. INTRODUCCIÓN La luz es responsable de la fotosíntesis así que afecta a la producción de biomasa pero va a afectar al vegetal por diversos procesos biológicos: efectos letales información ambiental orientación temporal orientación espacial La luz va a provocar, por tanto, procesos de crecimiento y desarrollo produciendo cambios que dan una respuesta de desarrollo(fig 1) fig1.proceso parcial de la morfogénesis Existen fotorreceptores candidatos para captar la luz y su captación va a facilitar el control de todos los procesos de desarrollo y mantenimiento de homeostasis. Hay gran variedad de fotorreceptores, se habla en general de pigmentos sensores: Receptores de luz UV-B criptocromos (receptores de UV-A y azul) clorofilas(azul-roja) carotenoides (verde y amarilla) fitocromos (rojo-rojo lejano) FOTOMORFOGÉNESIS La fotomorfogénsis es la secuencia de acontecimientos que están inducidos por luz a excepción de los procesos que conducen a la formación de biomasa. La luz dispara multitud de procesos, para que sea de manera adecuada se necesita algo que lo capte y lo amplifique. Un ejemplo es la germinación de semillas, crecen en principio sin luz y progresivamente pasan de una situación ausente de clorofila o blanco a una situación con clorofila o verde, este proceso se conoce como enverdecimiento. La luz puede producir varias respuestas según los receptores, así hablamos de: Escotomorfogénesis- cambios según los períodos de oscuridad Fotomorfogénesis- debidos al período luminoso EFECTOS FISIOLÓGICOS Los fitocromos son pigmentos sensores que van a controlar en la planta todos los procesos de desarrollo, desde la germinación a sucesivas etapas. El descubrimiento de los fitocromos fue hacia 1937. Se estudió el efecto producido por destellos de luz en la germinación de ciertas plantas (fig.2) y se llegó a la conclusión de que mientras la luz roja producía activación de germinación si se usaban destellos de rojo lejano se inhibía este proceso. El proceso revertía y el último tipo de luz que recibían las plantas era el que determinaba la respuesta. fig 2. experimento con detellos de luz roja y rojo lejano Tratamiento lumínico Oscuridad Germinación 21% 5 min. R 5 min. R+10 min. RL 92% 38% R-RL-R 88% R-RL-R-RL 42% 10 min. RL 40% Fig 3.datos obtenidos en el experimento sobre germinación Ante estos datos(fig.3), se vio que mientras que una luz de 780nm(RL)tiene efecto negativo una luz de 680nm(R) tiene efecto positivo. Habrá un receptor que va a interconvertirse en 2 posibles formas de manera que pueda cambiar y revertir de una en otra según la aplicación de determinadas longitudes de onda. Existe una forma activa del receptor y una forma inactiva. Según los datos vemos que se tiene a alcanzar un equilibrio y que la fotoconversión no llega a ser del 100%. La forma inactiva del fitocromo se denominó Pr mientras que la forma activa es Pfr y va a dar lugar a múltiples procesos como floración, germinación o movimiento foliar. rojo Pfr Pr rojo lejano En las respuestas mediadas por fitocromo va a tener importancia no sólo el efecto de cada forma por separado sino que la responsabilidad del efecto fisiológico recae sobre la relación Pr/Pfr a esta relación se la conoce como Estado Fotoestacionario. MECANIMOS DE ACCIÓN Las respuestas que hasta ahora son atribuibles a fitocromos varían desde procesos que se manifiestan en segundos a procesos que tardan minutos o incluso horas. Los mecanimos a largo plazo son producidos por expresión génica(producción de proteínas), los mecanismos a medio plazo se basan en la activación de una molécula preexistente y los mecanismos a corto plazo se basan en cambios de potencial. Mecanismo a corto plazo El fitocromo en forma inactiva Pr que se presenta en células no tratadas tiene una situación dispersa. Si se someten a las células a 680nm la forma inactiva estable se transforma en Pfr activo que se adhiere a estructuras de membrana lo cual provoca un cambio de polaridad y potencial de membrana. Eso es una respuesta a corto plazo. Mecanismo a medio plazo Si se dispara una actividad enzimática que activa el mecanismo de actuación del fitocromo sigue una transformación de Pr a Prf que va a provocar cambios en el contenido de Ca2+ intracitoplasmático y sabemos que produce cambios en Ca2+-calmodulina que permite el paso de una proteína inactiva a activa. Según este mecanismo se producen los procesos de expansión de la pared, el transporte de Ca2+ vía calmodulina puede inferir en la deposición de Ca2+ en la pared que unirá más los componentes de la misma en esa zona y no permite que sea susceptible por esa zona a abrir poros. Mecanismo a largo plazo Pfr(activa) puede actuar sobre factores de transcripción o directamente sobre el propio genoma produciendo cierta expresión. Se conocen determinados genes que tienen una región promotora donde existen elementos que responden a la luz y que son los dominios donde se incorporan los factores de transcripción relacionados con fitocromos, por ejemplo, tiene que haber coexistencia entre Pfr y dominios para la regulación de procesos concretos como la síntesis de rubisco. Además la síntesis de Pr tiene que estar regulada. Los genes responsables de la parte proteica del fitocromo responden a este mecanismo. El fitocromo es capaz de regular su propia síntesis. ESTRUCTURA QUÍMICA Se demostró hace pocos años que existen varios tipos de fitocromos, está aceptada la existencia de al menos 5 fitocromos que se denominan: phy A, phy B, phy C, phy D, phy E. Se ha visto que todos están regulados por una familia multigénica y eso permite entender cómo la relación variable Pr/Pfr pueden intervenir en tantos procesos de regulación. El estudio de estás moléculas se ha basado en someter a semillas a luz contante bien R o RL y hay una serie de mutantes que aunque tengan la maquinaria correcta para desarrollar el proceso pueden sufrir cambios en el mecanismo de señalización. La purificación y análisis de la molécula de fitocromo fue bastante complejo porque existen en concentraciones bajas dentro de la planta. Se utilizó material etiolado porque se pensó desde el principio que podría haber ciertas semejanzas estrucutrales entre las clorofilas y los fitocromos puesto que ambos pigmentos captan luz, y además se usó material verde tratado con inhibidores de síntesis de clorofila. Se demostró que el fitocromo era un homodímero constituido por un cromóforo con un tetrapirrol unido a un resto proteico(fig4). A veces al utilizarse in vitro la molécula no tenía actividad, se debía a que existía cierta hidrólisis del resto proteico. Para que sean activos, los fitocromos necesitan estar integrados por un grupo proteico de al menos 120KD y un grupo cromóforo constituyendo homodímeros. La activación por luz de 660nm provoca un cambio conformacional en esta estructura que le permite producir respuestas. Se vio que había dos secuencias de aminoácidos muy conservadas en la proteina: una cerca de la cola carboxilo que es responsable de la transducción de respuesta una secuencia próxima al cromóforo que es responsable del cambio conformacional(Pr→Pfr) fig4.estructura química de un fitocromo CRIPTOCROMO Los criptocromos son candidatos a recibir luz, son pigmentos sensores que modulan procesos de crecimiento y desarrollo inducidos por luz ultravioleta/azul. Los criptocromos son un nombre genérico y su estructura molecular es tipo carotenoide.