فيتوكروم

الفيتوكرومات هي فئة من البروتينات المستقبلة للضوء، توجد في النباتات والبكتيريا والفطريات . تستجيب هذه البروتينات للضوء في نطاقي الأحمر والأحمر البعيد من الطيف المرئي ، ويمكن تصنيفها إلى نوعين : النوع الأول، الذي يُنشط بواسطة الضوء الأحمر البعيد، والنوع الثاني، الذي يُنشط بواسطة الضوء الأحمر. ^{[ 2 ]} تشير الدراسات الحديثة إلى أن الفيتوكرومات تعمل أيضًا كمستشعرات لدرجة الحرارة، حيث أن ارتفاع درجات الحرارة يُعزز تعطيلها. ^{[ 3 ]} تُساهم جميع هذه العوامل في قدرة النبات على الإنبات .

تتحكم الفيتوكرومات في العديد من جوانب نمو النبات. فهي تنظم إنبات البذور (الاستجابة الضوئية)، وتخليق الكلوروفيل ، واستطالة الشتلات، وحجم الأوراق وشكلها وعددها وحركتها، وتوقيت الإزهار في النباتات البالغة. وتنتشر الفيتوكرومات على نطاق واسع في العديد من الأنسجة ومراحل النمو. ^{[ 2 ]}

تشمل مستقبلات الضوء النباتية الأخرى الكريبتوكرومات والفوتوتروبينات ، التي تستجيب للضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية -A و UVR8 ، الذي يكون حساسًا للأشعة فوق البنفسجية -B.

تتكون الفيتوكرومات من بروتين مرتبط تساهميًا بصبغة البيلين الحساسة للضوء . ^{[ 4 ]} يتألف الجزء البروتيني من سلسلتين متطابقتين (أ و ب). تحتوي كل سلسلة على نطاق PAS ، ونطاق GAF ، ونطاق PHY. تتشابه ترتيبات النطاقات في الفيتوكرومات النباتية والبكتيرية والفطرية، حيث أن النطاقات الثلاثة الطرفية N هي دائمًا نطاقات PAS و GAF و PHY. مع ذلك، فإن النطاقات الطرفية C أكثر تباينًا. يعمل نطاق PAS كمستشعر للإشارة، بينما يرتبط نطاق GAF بـ cGMP ويستشعر أيضًا الإشارات الضوئية. تشكل هذه الوحدات الفرعية معًا منطقة الفيتوكروم، التي تنظم التغيرات الفسيولوجية في النباتات استجابةً لتغيرات ظروف الضوء الأحمر والأحمر البعيد. في النباتات، يحول الضوء الأحمر الفيتوكروم إلى شكله النشط بيولوجيًا، بينما يحوله الضوء الأحمر البعيد إلى شكله غير النشط بيولوجيًا.

تتميز الفيتوكرومات بخاصية التغير اللوني الضوئي للضوء الأحمر/الأحمر البعيد . تغير الأصباغ المتغيرة لونها (خصائص امتصاصها الطيفي) عند امتصاص الضوء. في حالة الفيتوكروم، تكون الحالة الأرضية هي P_{_r}، حيث يشير الحرف _r إلى امتصاصها القوي للضوء الأحمر. يبلغ الامتصاص ذروته عند 650-670  نانومتر، لذا تبدو محاليل الفيتوكروم المركزة زرقاء فيروزية للعين البشرية عند رؤيتها بالضوء الأبيض. ولكن بمجرد امتصاص فوتون أحمر، يخضع الصباغ لتغير بنيوي سريع ليشكل الحالة P_{_fr} . هنا، يشير _fr إلى أن الضوء الممتص ليس الأحمر، بل الأحمر البعيد (المعروف أيضًا باسم "الأشعة تحت الحمراء القريبة"؛ 705-740  نانومتر). هذا التغير في الامتصاص واضح للعين البشرية كلون يميل إلى الأخضر قليلاً . عندما تمتص P _{_fr} الضوء الأحمر البعيد، فإنها تتحول مرة أخرى إلى P _{_r} . وبالتالي، الضوء الأحمر يُكوّن P_{_fr} ، والضوء الأحمر البعيد يُكوّن P_{_r} . في النباتات على الأقل، يعتبر P _fr الحالة النشطة فسيولوجيًا أو "حالة الإشارة".

تزداد سعة انحناء الانتحاء الضوئي للضوء الأزرق عند تعريض الشتلات مسبقًا للضوء الأحمر. ويتم هذا التحسن بواسطة الفيتوكروم. ^{[ 7 ]} في الضوء الأزرق أو الأبيض، تُظهر الجذور انتحاءً ضوئيًا سلبيًا، بينما يُحفز الضوء الأحمر انتحاءً ضوئيًا إيجابيًا. وتتم هذه التعديلات في الاستجابة أيضًا بواسطة الفيتوكروم. ^{[ 8 ]}

يمكن للفيتوكروم أيضًا تنظيم حساسية التفاعل الجاذبي. ^{[ 8 ]}

لا تشارك سوى بعض جينات الفيتوكروم المتعددة الموجودة في جينوم النبات في تنظيم الانتحاء. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

يتكون الفيتوكروم كيميائياً من كروموفور ، وهو جزيء بيلين واحد يتألف من سلسلة مفتوحة من أربع حلقات بيرول ، مرتبطة تساهمياً بجزء البروتين عبر حمض السيستين الأميني المحفوظ للغاية. هذا الكروموفور هو الذي يمتص الضوء، وبالتالي يغير شكل البيلين، ومن ثم شكل البروتين المرتبط به، محولاً إياه من حالة أو نظير إلى آخر.

عادةً ما يكون الكروموفور الخاص بالفيتوكروم هو فيتوكروموبيلين ، وهو وثيق الصلة بفيوكوسيانوبيلين (كروموفور بروتينات الفيكوبيلين التي تستخدمها البكتيريا الزرقاء والطحالب الحمراء لالتقاط الضوء لعملية التمثيل الضوئي ) وبصبغة الصفراء بيليروبين ( التي تتأثر بنيتها أيضًا بالتعرض للضوء، وهي حقيقة تُستغل في العلاج الضوئي لحديثي الولادة المصابين باليرقان ). يشير مصطلح "بيلي" في جميع هذه الأسماء إلى الصفراء. تُشتق البيلينات من حلقة التترا بيرول المغلقة للهيم عن طريق تفاعل أكسدة يحفزه إنزيم أوكسيجيناز الهيم، مما ينتج عنه بيليفيردين، يليه تفاعلات اختزال . في حالة فيتوكروموبيلين، تُحفز الخطوة الأخيرة بواسطة إنزيم فيتوكروموبيلين:فيريدوكسين أوكسيدوريدوكتاز . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

هيم ب

 

 

 

 

 

 

بيليفيردين

 

 

 

 

 

 

فيتوكروموبيلين

يشترك الكلوروفيل والهيم في طليعة مشتركة هي بروتوبورفيرين IX ، ببنيته الحلقية المميزة رباعية البيرول المغلقة. وعلى عكس البيلينات، يحمل الهيم والكلوروفيل ذرة معدنية في مركز الحلقة، إما الحديد أو المغنيسيوم على التوالي. ^{[ 11 ]}

ينقل شكل P _fr إشارةً إلى الأنظمة البيولوجية الأخرى في الخلية، مثل الآليات المسؤولة عن التعبير الجيني . ورغم أن هذه الآلية هي على الأرجح عملية كيميائية حيوية ، إلا أنها لا تزال موضع نقاش واسع. من المعروف أنه على الرغم من أن الفيتوكرومات تُصنَّع في السيتوسول، وأن شكل P _r يتمركز هناك، فإن شكل P _fr ، عند توليده بفعل الضوء، ينتقل إلى نواة الخلية . وهذا يشير إلى دور الفيتوكروم في التحكم في التعبير الجيني، ومن المعروف أن العديد من الجينات تُنظَّم بواسطة الفيتوكروم، ولكن الآلية الدقيقة لم تُكتشف بالكامل بعد. وقد اقتُرح أن الفيتوكروم، في شكل P _fr ، قد يعمل ككيناز ، وثبت أن الفيتوكروم في شكل P _fr يمكنه التفاعل مباشرةً مع عوامل النسخ . ^{[ 12 ]}

اكتشف ستيرلينغ هندريكس وهاري بورثويك صبغة الفيتوكروم في مركز بيلتسفيل للأبحاث الزراعية التابع لوزارة الزراعة الأمريكية في ولاية ماريلاند ، وذلك خلال الفترة الممتدة من أواخر الأربعينيات إلى أوائل الستينيات. وباستخدام مطياف ضوئي مصنوع من قطع غيار مستعارة وفائضة من مخلفات الحرب، اكتشفا أن الضوء الأحمر فعال للغاية في تعزيز الإنبات أو تحفيز الاستجابات الزهرية. ^{[ 13 ]} وكانت استجابات الضوء الأحمر قابلة للانعكاس بواسطة الضوء الأحمر البعيد، مما يشير إلى وجود صبغة قابلة للانعكاس الضوئي.

تم التعرف على صبغة الفيتوكروم باستخدام مطياف ضوئي في عام 1959 من قبل عالم الفيزياء الحيوية وارن بتلر وعالم الكيمياء الحيوية هارولد سيجلمان . كما أن بتلر هو المسؤول عن تسمية الصبغة باسم الفيتوكروم.

في عام 1983، أبلغ مختبرا بيتر كويل وكلارك لاغارياس عن التنقية الكيميائية لجزيء الفيتوكروم السليم، وفي عام 1985 نُشر أول تسلسل لجين الفيتوكروم بواسطة هوارد هيرشي وبيتر كويل. وبحلول عام 1989، كشفت الوراثة الجزيئية والأبحاث باستخدام الأجسام المضادة وحيدة النسيلة عن وجود أكثر من نوع واحد من الفيتوكروم؛ فعلى سبيل المثال، تبين أن نبات البازلاء يحتوي على نوعين على الأقل من الفيتوكروم (كان يُطلق عليهما آنذاك النوع الأول (الموجود بشكل رئيسي في الشتلات النامية في الظلام) والنوع الثاني (السائد في النباتات الخضراء)). ومن المعروف الآن، من خلال تسلسل الجينوم، أن نبات الرشاد (Arabidopsis ) يحتوي على خمسة جينات للفيتوكروم (PHYA-E)، بينما يحتوي الأرز على ثلاثة جينات فقط (PHYA-C). وفي حين أن هذا يمثل على الأرجح الحالة السائدة في العديد من النباتات ثنائية الفلقة وأحادية الفلقة، فإن العديد من النباتات متعددة الصيغ الصبغية . لذا ، يحتوي الذرة ، على سبيل المثال، على ستة أنواع من الفيتوكرومات - phyA1، وphyA2، وphyB1، وphyB2، وphyC1، وphyC2. ورغم اختلاف مكوناتها البروتينية اختلافًا كبيرًا، إلا أنها جميعًا تستخدم الفيتوكروموبيلين كصبغة ماصة للضوء. يتحلل الفيتوكروم A (phyA) بسرعة في شكله Pfr، وبشكل أسرع بكثير من باقي أفراد العائلة. في أواخر ثمانينيات القرن الماضي، أظهر مختبر فيرسترا أن phyA يتحلل بواسطة نظام اليوبيكويتين، وهو أول هدف طبيعي لهذا النظام يُكتشف في حقيقيات النوى.

في عام ١٩٩٦، حدد ديفيد كيهو وآرثر غروسمان في مؤسسة كارنيجي بجامعة ستانفورد بروتينات تُسمى RcaE في البكتيريا الزرقاء الخيطية Fremyella diplosiphon، وهي بروتينات تُشبه في تركيبها فيتوكروم النباتات، وتتحكم في استجابة ضوئية عكسية بين اللونين الأحمر والأخضر تُعرف بالتأقلم اللوني. كما حددا جينًا في الجينوم المنشور والمتسلسل للبكتيريا الزرقاء Synechocystis، يُظهر تشابهًا أكبر مع فيتوكروم النباتات. كان هذا أول دليل على وجود فيتوكرومات خارج المملكة النباتية. لاحقًا، أظهر جون هيوز في برلين وكلارك لاغارياس في جامعة كاليفورنيا في ديفيس أن جين Synechocystis هذا يُشفّر فيتوكرومًا حقيقيًا (يُسمى Cph1) بمعنى أنه بروتين مُلوّن عكسي بين اللونين الأحمر والأحمر البعيد. يُفترض أن الفيتوكرومات النباتية مشتقة من فيتوكروم بكتيري أزرق سلفي، ربما عن طريق انتقال الجينات من البلاستيدات الخضراء إلى النواة. لاحقًا، وُجدت الفيتوكرومات في بدائيات نوى أخرى، بما في ذلك بكتيريا Deinococcus radiodurans و Agrobacterium tumefaciens . في بكتيريا Deinococcus ، ينظم الفيتوكروم إنتاج الأصباغ الواقية من الضوء، إلا أن الوظيفة البيولوجية لهذه الأصباغ في بكتيريا Synechocystis و Agrobacterium لا تزال غير معروفة.

في عام ٢٠٠٥، نشر مختبرا فيرسترا وفوريست في جامعة ويسكونسن بنية ثلاثية الأبعاد لفيتوكروم مُختزل من بكتيريا دينوكوكوس (نطاقات PAS/GAF). وكشفت هذه الدراسة أن سلسلة البروتين تُشكّل عقدة، وهي بنية غير مألوفة للبروتينات. وفي عام ٢٠٠٨، نشرت مجموعتان بحثيتان، إحداهما بقيادة إيسن وهيوز في ألمانيا والأخرى بقيادة يانغ وموفات في الولايات المتحدة، البنى ثلاثية الأبعاد للنطاق الحسي الضوئي الكامل. إحدى البنيتين كانت لفيتوكروم بكتيريا سينيكوسيستيس (السلالة PCC 6803) في الحالة Pr، والأخرى لفيتوكروم بكتيريا الزائفة الزنجارية في الحالة P _fr . وأظهرت البنيتان أن جزءًا محفوظًا من نطاق PHY، يُعرف باسم لسان PHY، يتخذ طيات مختلفة. في عام 2014 تم التأكيد من قبل تاكالا وآخرون أن إعادة الطي تحدث حتى بالنسبة لنفس الفيتوكروم (من Deinococcus ) كدالة لظروف الإضاءة.

في حوالي عام ١٩٨٩، نجحت عدة مختبرات في إنتاج نباتات معدلة وراثيًا تُنتج كميات مرتفعة من أنواع مختلفة من الفيتوكرومات ( فرط التعبير الجيني ). في جميع الحالات، تميزت النباتات الناتجة بسيقان قصيرة وأوراق خضراء داكنة. أظهر هاري سميث وزملاؤه في جامعة ليستر بإنجلترا أنه من خلال زيادة مستوى التعبير عن الفيتوكروم A (الذي يستجيب للأشعة تحت الحمراء البعيدة)، يمكن تعديل استجابات تجنب الظل . ^{[ ١٤ ]} ونتيجة لذلك، تستطيع النباتات استهلاك طاقة أقل في النمو إلى أقصى طول ممكن، وتوفير المزيد من الموارد لإنتاج البذور وتوسيع جذورها. قد يكون لهذا الأمر فوائد عملية عديدة: على سبيل المثال، لن تحتاج شفرات العشب، التي تنمو ببطء مقارنةً بالعشب العادي، إلى القص بشكل متكرر، أو قد تُحوّل المحاصيل الزراعية المزيد من الطاقة إلى الحبوب بدلًا من النمو الطولي.

في عام 2002، استُخدم التفاعل الضوئي بين فيتوكروم نباتي وعامل التفاعل مع الفيتوكروم (PIF) للتحكم في نسخ الجينات في الخميرة. وكان هذا أول مثال على استخدام البروتينات الضوئية من كائن حي آخر للتحكم في مسار كيميائي حيوي. ^{[ 15 ]}