La historia de tres proteínas

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

Las plantas, las algas y las cianobacterias solo necesitan tres ingredientes para producir azúcares a través de la fotosíntesis: dióxido de carbono, agua y luz solar. Sin embargo, el proceso es mucho más complicado de lo que podría sugerir esta simple lista de ingredientes. El profesor Dario Lister y un grupo de investigación del Departamento de Biología I de LMU están analizando la compleja organización de la fotosíntesis. Sus últimos hallazgos destacan las funciones de tres proteínas, llamadas PGRL1, PGRL2 y PGR5, que participan en el control de uno de los dos subsistemas fotosintéticos. El propio PGRL2 se descubrió por primera vez en el contexto del nuevo estudio.

La fotosíntesis implica varias secuencias coordinadas de reacciones. En el primer paso, una cierta porción de la radiación electromagnética emitida por el sol es absorbida por complejos de proteínas pigmentadas unidas a la membrana, que se organizan en dos «fotosistemas» llamados PSI y PSII. Los sistemas de imágenes funcionan en dos modos básicos: lineal y cíclico. Anteriormente, PSII y PSI operaban en serie. La energía luminosa separa los electrones de las moléculas de agua, generando iones de hidrógeno (protones) y oxígeno molecular. Los protones se bombean al otro lado de la membrana, mientras que los electrones se mueven secuencialmente de un complejo a otro, 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 electrónico lineal (LEF) a través de PSI también proporciona las «ecuaciones reductoras» necesarias para convertir el dióxido de carbono en azúcares.

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

Un trabajador, un motivador, un supervisor

¿Cómo se organiza la vía cíclica? Hace unos 20 años, investigadores japoneses se propusieron describir un grupo de mutantes de Arabidopsis thaliana, 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 causado por la transferencia de protones a través de la membrana durante la fotosíntesis. En el metamórfico, la formación del gradiente se vio perturbada. «Para nuestra sorpresa, la proteína PGR5 no tenía ninguna de las secuencias que uno esperaría encontrar en un portador de electrones típico», dice Lister. Esto pronto dio lugar a la idea de que también deben intervenir otros factores en el mantenimiento del gradiente de protones.

Los experimentos de Lester en 2008 confirmaron esta sospecha. Descubrió una segunda proteína que llamó «pgr5-like 1» (PGRL1). Arabidopsis contiene dos genes diferentes que codifican este factor, lo que explica por qué no se mostró 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 en el modo cíclico de la fotosíntesis. Además, esta idea está respaldada por el hecho de que contienen los elementos estructurales que uno esperaría encontrar en un portador de electrones.

pero organiza flujo periódico de electrones Resultó ser más complicado que eso. Lister y sus colegas identificaron PGRL2 como una tercera proteína implicada, y descubrirla complica enormemente las cosas. El equipo demostró que cuando se detuvo 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 desactivaron al mismo tiempo: reapareció PGR5 y por sí solo pudo restaurar la transferencia periódica de electrones. Curiosamente, estas plantas crecieron más lentamente que aquellas en las que faltaba PGR5 (y la transferencia periódica de electrones). Lister proporciona una interpretación indicativa de estos hallazgos. «يقوم PGR5 بالمهمة بالفعل ، يعمل PGRL1 كمحفز لـ PGR5 ، و PGRL2 هو مشرف PGR5. في حالة عدم وجود محفز ، يكون PGR5 غير نشط. في غياب المشرف ، يعمل بشكل جيد. ولكن عندما يكون المحفز والمشرف كلاهما مفقود ، يصبح PGR5 مفرط النشاط ومدمرًا al final.

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