I fotorecettori della luce blu

I tre fotorecettori associati alle risposte alla luce blu sono: criptocromi, fototropina e zeaxantina. Il fotorecettore della luce blu capace di mediare l'inibizione dell'allungamento del fusto è chiamato criptocromo 1 (CRY1). Questa proteina ha una forte omologia con la DNA fotoliasi microbica, un enzima attivato dalla luce blu che ripara i dimeri di pirimidine presenti nel DNA danneggiato dalla luce ultravioletta. Le fotoliasi, comunque, sono pigmenti proteici associati che contengono un flavin adenin dinucleotide (FAD) e una pterina che assorbe la luce. Un altro prodotto genico omologo a CRY1, chiamato CRY2, è stato isolato da Arabidopsis e gioca un ruolo fondamentale nell'inibire l'allungamento del fusto. La differenza più evidente è che CRY2 è rapidamente degradato dalla luce, mentre in pianticelle cresciute alla luce CRY1 è più stabile. Invece, mutanti di Arabidopsis incapaci di fototropismo dell'ipocotile dipendente dalla luce blu hanno fornito numerose informazioni sugli eventi cellulari che precedono il ripiegamento. Uno di questi mutanti, il mutante nph1 (nonphototropic hypocotyl) manca di una risposta fototropica dell'ipocotile, ma mostra unoa normale inibizione stimolata dalla luce blu dell'allungamento dell'ipocotile. Il gene nph1 è stato rinominato phot1 e la proteina che codifica è la fototropina. La porzione C-terminale della fototropina è una serina/treonina chinasi, mentre la porzione N-terminale contiene due domini simili, detti domini LOV, ognuno di circa 100 amminoacidi. Questi domini si legano al flavin mononucleotide (FMN) e vanno incontro ad una reazione di autofosforilazione dipendente dalla luce blu. Studi recenti di spettroscopia hanno dimostrato che al buio una molecola di FMN è legata covalentemente ad ogni dominio LOV. A seguito di illuminazione con luce blu la molecola di FMN si lega covalentemente ad un residuo di cisteina nella molecola di fototropina, formando un addotto covalente cisteina-flavina. Questa reazione è reversibile tramite trattamento al buio. Infine la zeaxantina, come sappiamo, è una delle tre componenti del ciclo della xantofilla dei cloroplasti, che protegge i pigmenti fotosintetici dall'eccesso dell'energia di eccitazione. Numerosi studi indicano che la zeaxantina gioca anche un ruolo centrale nell'apertura degli stomi stimolata dalla luce. Il mutante di Arabidopsis nqp1 ha una lesione dell'enzima che converte la violaxantina in zeaxantina. Per via di questa mutazione, né il mesofillo né i cloroplasti delle cellule di guardia possono accumulare zeaxantina alla luce o al buio. La disponibilità di questo mutante ha reso possibile valutare il ruolo della zeaxantina nella risposta stomatica alla luce blu in cellule di guardia. Sono stati caratterizzati numerosi passaggi nella cascata di trasduzione del segnale dell'apertura stomatica stimolata dalla luce blu. Il C-terminale della H+ATPasi ha un dominio di autoinibizione che regola l'attività dell'enzima. Se si rimuove sperimentalmente questo dominio tramite una proteasi la H+-ATPasi diventa irreversibilmente attivata. La luce blu attiva il pompaggio di protoni e stimola la sintesi di soluti organici. Il pompaggio di protoni crea una differenza di carica elettrica tra l'esterno e l'interno della cellula (potenziale di membrana), la membrana si iperpolarizza (potenziale -150/-250 mV). Questo gradiente elettrico favorisce l'apertura dei canali voltaggio dipendenti del K+ e quindi gli ioni potassio entrano nella cellula. Per controbilanciare K+ viene assorbito Cl- o prodotto acido malico (2-) per degradazione dell'amido. I maggior fattori che influenzano l'apertura stomatica quindi risultano essere: la luce blu che stimola l'apertura, l'umidità relativa, quando il contenuto di vapor d'acqua delle foglie è troppo basso gli stomi si chiudono e la concentrazione intracellulare di CO2, elevata concentrazione determina la chiusura.