Fitoglobina

Las fitoglobinas son proteínas globulares de plantas ( algas y plantas terrestres) clasificadas en la superfamilia de las globinas, que contienen un grupo prostético hemo, es decir, protoporfirina IX-Fe. Las fitoglobinas más antiguas conocidas son las leghemoglobinas , descubiertas en 1939 por Kubo tras el análisis espectroscópico y químico del pigmento rojo de los nódulos radiculares de la soja . ^{[ 1 ]} Unas décadas después del informe de Kubo, la cristalización de una fitoglobina de lupino (conocida como leghemoglobina) por Vainshtein y colaboradores reveló que la estructura terciaria de esta proteína y la de la mioglobina del cachalote eran notablemente similares, lo que indicaba que la fitoglobina descubierta por Kubo correspondía efectivamente a una globina. ^{[ 2 ]}

Una función importante de la fitoglobina es su actividad de óxido nítrico dioxigenasa . ^{[ 3 ]}

Las fitoglobinas (abreviadas como fitogbs) se distribuyen de forma ubicua tanto en las algas verdes como en las plantas terrestres. Se pueden clasificar de la siguiente manera: ^{[ 3 ] [ 4 ]}

• 2/2 Fitoglobinas (familia de globinas truncadas, subfamilia TrHb2)
  • Phytogb3: se encuentra en cianobacterias, algas y plantas terrestres. ^{[ 3 ]}
• 3/3 Fitoglobinas (familia similar a la mioglobina)
  • Phytogb0: el tipo basal, que se encuentra en algas, briofitas y gimnospermas . ^{[ 4 ] [ 3 ]}
  • Phytogb1, 2: solo se encuentran en angiospermas .
    • Phytogb1: se divide en dos partes para monocotiledóneas y dicotiledóneas respectivamente. ^{[ 3 ]}
    • Phytogb2: se encuentra exclusivamente en dicotiledóneas. ^{[ 3 ]}
    • Lb: leghemoglobina , la globina simbiótica de las leguminosas. ^{[ 3 ]}

Las globinas simbióticas no leguminosas (SymPhytogbs) ^{[ 4 ]} se encuentran dispersas entre Phytogb1 y Phytogb2. ^{[ 3 ]} Generalmente, las globinas simbióticas proporcionan oxígeno a las bacterias simbióticas que fijan el nitrógeno. En las leguminosas, estas bacterias son rizobios , pero en algunas plantas actinorrícicas, el actinomiceto Frankia realiza esta función. ^{[ 3 ]}

Los fitogbs están codificados por genes interrumpidos por 3 intrones (aunque se ha detectado un gen de fitogb con 4 intrones en el musgo Physcomitrella patens ). ^{[ 5 ]} El primer y tercer intrón de los genes de fitogb se localizan en la misma posición que los genes de mioglobina , lo que sugiere que los genes de fitogb y mioglobina evolucionaron a partir de un ancestro común hace más de 600 millones de años. ^{[ 6 ]} La existencia de un segundo intrón en los genes de fitogb fue predicha por Go mediante análisis teórico, ^{[ 7 ]} lo cual fue verificado posteriormente mediante la clonación y secuenciación de genes lb de soja por Marker y colaboradores. ^{[ 8 ]}

Las Phytogbs son proteínas monoméricas cuya masa molecular oscila entre ~17 y ~19 kDa. Sin embargo, a altas concentraciones (más de 1 mM), las Phytogbs pueden formar dímeros. La cadena polipeptídica de las Phytogbs se pliega en una disposición particular de 6 a 7 hélices (nombradas con las letras A a H) conocida como pliegue de globina, que forma una cavidad hidrofóbica donde se ubica el hemo. Se han identificado dos tipos de pliegue de globina en las Phytogbs: el plegamiento 3/3 y 2/2, ^{[ 9 ] [ 10 ]} donde las hélices A, E y F se superponen con las hélices B, G y H, y las hélices B y E se superponen con las hélices G y H, respectivamente.

Al igual que otras globinas, el hierro hemo en Phytogbs está coordinado en la región proximal por un aminoácido His (denominado His proximal). La región distal del hierro hemo puede estar ocupada por una variedad de ligandos (como oxígeno y óxido nítrico ) o un aminoácido distal (frecuentemente un His), dando lugar a Phytogbs penta- o hexacoordinados, respectivamente. Phytogbs2, SymPhytogbs y Lbs son predominantemente penta-coordinados, mientras que Phytogbs1 es predominantemente hexacoordinado y Phytogbs0 y Phytogbs3 son una combinación de penta- y hexacoordinados. ^{[ 4 ]} La coordinación del hierro hemo es esencial para la función de Phytogb (y otras globinas) porque regula la velocidad de unión y liberación de ligandos como consecuencia de las constantes cinéticas k _on y k _off , respectivamente. Por ejemplo, la afinidad de la Lb de soja y la Phytogb1 del arroz por el O₂ _{( K} O₂ ) es _moderada y muy alta porque k _on es 130 y 68 mM ⁻¹ s ⁻¹ , k _off es 5,6 y 0,038 s ⁻¹ y K O₂ ( es decir , la afinidad por el O₂ _resultante de k _on / k _off ) es 23 y 1800 mM ⁻¹ , respectivamente. ^{[ 11 ]} Esto indica que la Lb de soja podría funcionar como una proteína de almacenamiento o transporte de O₂ _y que la función de la Phytogb1 del arroz (y otras Phytogbs hexacoordinadas) podría ser distinta del transporte de O₂ _porque la alta afinidad de esta proteína por el O₂ _resulta de una constante k _{off extremadamente baja.} ^{[ 12 ]}

Al igual que otras globinas, las Phytogbs pentacoordinadas se unen y transportan reversiblemente O₂ _. La función de las Lbs en los nódulos fue dilucidada en 1974 por Wittenberg, Appleby y otros. ^{[ 13 ]} En los nódulos, la concentración de Lbs es muy alta, ya que corresponden a aproximadamente el 30% del total de proteínas solubles. La función aparente de las Lbs en los nódulos es facilitar la difusión de O₂ _hacia los bacteroides respiratorios para la fijación de nitrógeno . Al mismo tiempo, la Lb contribuye a mantener bajos niveles de O₂ ₍ ~10 nM) para evitar la inactivación de la nitrogenasa sensible al _O₂ que fija el nitrógeno atmosférico. ^{[ 14 ]}

Además, Phytogbs se unen a otros ligandos gaseosos, en particular al óxido nítrico (NO), y exhiben una actividad de NO dioxigenasa . ^{[ 15 ]} El trabajo de Hill y colaboradores durante los últimos ~15 años ha demostrado que los niveles de NO endógeno varían con la concentración de Phytogbs1 en maíz y alfalfa transgénicos. ^{[ 16 ]} Con base en estas observaciones, estos autores han propuesto que una función de Phytogbs oxigenado es modular los niveles de NO a través de una actividad de NO dioxigenasa y regular indirectamente una amplia variedad de funciones celulares que son moduladas por los niveles de NO. Las fitoglobinas oxigenadas de clase 1 que reaccionan con NO para producir nitrato representan el principal mecanismo por el cual se elimina el NO en las plantas. El ciclo que involucra la nitrato reductasa , la reducción de nitrito a NO, la eliminación de NO por la fitoglobina se definió como el ciclo fitoglobina-NO . ^{[ 17 ]} Su funcionamiento conduce al mantenimiento del estado redox y energético durante la hipoxia y resulta en la producción reducida de etanol y ácido láctico . ^{[ 18 ]}

Las fitogbs0, 1, 2 y 3 se sintetizan en concentraciones muy bajas en diversos órganos vegetales (embrionarios y vegetativos). ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} Sin embargo, las concentraciones de fitogbs aumentan en plantas sometidas a condiciones de estrés específicas, como inundaciones ^{[ 22 ]} y limitación de luz. ^{[ 23 ]} Por lo tanto, algunas fitogbs se han considerado proteínas vegetales que responden al estrés.

El trabajo de Arredondo-Peter, Vinogradov y colaboradores ha dilucidado los principales eventos que pudieron haber ocurrido durante la evolución de Phytogbs. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} Aunque Phytogbs evolucionó a partir de un ancestro común anterior al origen de los eucariotas ( es decir , en el dominio eubacteria ), en las plantas se han identificado dos linajes evolutivos para Phytogbs: el linaje (3/3-) Phytogb0, 1 y 2 y SymPhytogb y Lb y el linaje (2/2-) Phytogb3. Aparentemente, Phytogbs0 fueron los ancestros de Phytogbs1 y 2, y SymPhytogbs y Lbs evolucionaron a partir de un ancestro Phytogb1 como una adaptación a la fijación simbiótica de nitrógeno. El análisis comparativo de la estructura de Phytogb0 del musgo con Phytogb1 del arroz y Lb de la soja reveló que los principales cambios evolutivos que probablemente ocurrieron durante la evolución de Phytogbs0, 1 y 2, SymPhytogbs y Lbs fueron (i) una transición de hexacoordinación a pentacoordinación en el grupo hemo, (ii) una disminución de la longitud en el bucle CD y los extremos N y C, y (iii) la compactación de la proteína en una estructura globular. Además, la estructura del dominio de globina de Phytogbs3 es muy similar a la de las globinas truncadas bacterianas, lo que indica que el plegamiento 2/2 se conservó durante la evolución de Phytogbs3. Sin embargo, el dominio de globina de Phytogbs3 de plantas terrestres está flanqueado por secuencias de aminoácidos adicionales que probablemente se originaron en el ancestro de Phytogbs3 de plantas terrestres. Aún se desconoce la importancia funcional y evolutiva de las secuencias de aminoácidos adicionales en la estructura de Phytogbs3. 

Los Phytogbs son potencialmente útiles para una serie de aplicaciones biotecnológicas. Por ejemplo, poco después del descubrimiento del Phytogbs1 del arroz, una aplicación prevista fue el uso de estas proteínas como sensores _de O₂ en dispositivos electrónicos. Además, se ha propuesto la sobreexpresión de Phytogbs como una estrategia para aumentar la tolerancia de los cultivos a condiciones de estrés específicas, como la inundación de cultivos, ^{[ 27 ] [ 28 ]} ya que acopla la señal temprana de inundación etileno a la respuesta de bajo oxígeno de las plantas. ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Recientemente, los Phytogbs fueron considerados candidatos para el desarrollo de sustitutos de la sangre y como aditivos en hamburguesas vegetarianas .