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Fisiología vegetal: una historia de tres proteínas

Fisiología vegetal: una historia de tres proteínas
Prof. Dario Leister en el invernadero de Martinsried. Crédito: LMU

Los biólogos de LMU han demostrado que se requieren proteínas «supervisoras» y «motivadoras» para permitir que un tercer factor realice su función en la fotosíntesis.


por la Universidad Ludwig Maximilian de Munich


Las plantas, las algas y las cianobacterias solo necesitan tres ingredientes para la síntesis de azúcares a través del proceso de fotosíntesis: dióxido de carbono, agua y luz solar. Sin embargo, la operación es mucho más complicada de lo que podría sugerir esta simple lista de ingredientes. El Prof. Dr. Dario Leister y el grupo de investigación del Departamento de Biología I de LMU están analizando la compleja regulación de la fotosíntesis. Sus últimos hallazgos arrojan luz sobre el papel de tres proteínas, llamadas PGRL1, PGRL2 y PGR5, que participan en el control de uno de los dos subsistemas del aparato fotosintético. El propio PGRL2 se descubrió por primera vez en el curso del nuevo estudio.

La fotosíntesis implica varias secuencias coordinadas de reacciones. En el primer paso, una porción específica de la radiación electromagnética emitida por el Sol es absorbida por complejos pigmento-proteína unidos a la membrana, que se organizan en dos «fotosistemas» llamados PSI y PSII. Los fotosistemas operan en dos modos básicos: lineal y cíclico. En el primero, PSII y PSI actúan en serie. La energía luminosa separa electrones de las moléculas de agua, generando iones de hidrógeno (protones) y oxígeno molecular. Los protones se bombean al lado opuesto de la membrana, mientras que los electrones se transfieren secuencialmente de un complejo al siguiente, ganando energía en el proceso. En última instancia, esta energía se almacena en forma de ATP, que impulsa la mayoría de las transacciones bioquímicas en las células. El flujo lineal de electrones (LEF) a través de PSI también proporciona el «

El segundo modo de fotosíntesis involucra solo el fotosistema I. Aquí, los electrones energizados por la radiación solar son desviados por otras proteínas, de modo que siguen una ruta cíclica. En particular, este flujo cíclico de electrones (CEF) a través de PSI genera solo ATP. «Las plantas necesitan ambos subsistemas», señala Leister. La vía cíclica es particularmente significativa cuando las plantas están bajo estrés y necesitan más ATP. De hecho, sin este mecanismo, las plantas no podrían sobrevivir en condiciones naturales.

Fisiología vegetal: una historia de tres proteínas
Fotosíntesis en el sistema modelo de Arabidopsis. Crédito: LMU

Un trabajador, un motivador, un supervisor

¿Cómo se regula la vía cíclica? Hace unos 20 años, investigadores japoneses se propusieron caracterizar una colección de mutantes de Arabidopsis thaliana (thale berro), un sistema modelo popular utilizado por los genetistas de plantas. En una de estas cepas, se mutó un gen al que llamaron PGR5. «PGR» significa «gradiente de protones» y se refiere al gradiente de concentración de protones creado por la transferencia de protones a través de la membrana durante el curso de la fotosíntesis. En el mutante, se alteró la formación del gradiente. «Para nuestra sorpresa, la proteína PGR5 no tenía ninguna de las secuencias que uno esperaría encontrar en un transportador de electrones típico», dice Leister. Esto pronto dio lugar a la idea de que también deben intervenir otros factores en el mantenimiento del gradiente de protones.

Los experimentos llevados a cabo por Leister en 2008 confirmaron esta sospecha. Descubrió una segunda proteína, a la que llamó «pgr5-like 1» (PGRL1). Arabidopsis tiene dos genes diferentes que codifican este factor, lo que explica por qué no apareció en la pantalla mutante original en la que se identificó el gen PGR5. «En ese momento, pensamos que ahora teníamos en nuestras manos la proteína realmente importante», recuerda. La inactivación de PGRL1 o PGR5 reduce el flujo de electrones cíclicos alrededor del fotosistema. Además, la pérdida de PGRL1 desestabiliza a PGR5, pero no al revés. Así que parecía que PGRL1 era un componente central del modo cíclico de fotosíntesis. Además, esta noción fue apoyada por el hecho de que contiene los elementos estructurales que uno esperaría encontrar en un transportador de electrones.

Pero la regulación del flujo cíclico de electronesmás tarde resultó ser más complejo que eso. Leister y sus colegas identificaron PGRL2 como una tercera proteína involucrada, y su descubrimiento complicó las cosas de manera significativa. El equipo demostró que cuando se eliminó PGRL2, la fotosíntesis no se vio afectada. Por el contrario, la sobreproducción de PGRL2 desestabilizó a PGR5, incluso en presencia de PGRL1. La gran sorpresa llegó cuando PGRL1 y PGRL2 se inactivaron simultáneamente: PGR5 reapareció y fue capaz de restaurar por sí solo el transporte cíclico de electrones. Curiosamente, estas plantas crecieron más lentamente que aquellas en las que faltaba PGR5 (y el transporte cíclico de electrones). Leister ofrece una interpretación instructiva de estos hallazgos. «PGR5 realmente hace el trabajo, PGRL1 actúa como motivador de PGR5 y PGRL2 es el supervisor de PGR5. En ausencia de su motivador, PGR5 está inactivo. En ausencia de su supervisor, funciona bastante bien. Pero cuando faltan tanto el motivador como el supervisor, el PGR5 se vuelve hiperactivo y, en última instancia, destructivo.

El equipo de Leister ahora planea dilucidar los mecanismos bioquímicos que subyacen a estos comportamientos, utilizando cianobacterias, que son genéticamente mucho más simples que Arabidopsis, como sistema modelo.



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