Sobre el metabolismo del carbono en células autótrofas y heterótrofas de plantas. Caracterización de mecanismos de regulación de enzimas claves para la partición del carbono fotoasimilado

Abstract

En las semillas, el metabolismo es principalmente heterotrófico y depende de la sacarosa que proviene de los tejidos fotosintéticos para suplir sus necesidades metabólicas. El desarrollo de las semillas se caracteriza por variaciones en el flujo del carbono, primeramente, destinado a solventar la formación del nuevo tejido, y posteriormente destinado a la acumulación de compuestos de reserva. Todo este desarrollo está genéticamente programado y numerosas señales inducen cambios en el metabolismo, donde las quinasas de proteínas juegan un rol fundamental, regulando postraduccionalmente por fosforilación a diferentes actores del metabolismo. Para contribuir al conocimiento de la regulación global del metabolismo y la partición del carbono en tejidos heterotróficos de plantas, nos focalizamos en evaluar la regulación alostérica y la ocurrencia de la fosforilación de enzimas claves. Además, estudiamos las quinasas de proteínas involucradas. Obtuvimos resultados novedosos para la ADP-glucosa pirofosforilasa de endosperma de trigo, enzima clave para la síntesis de almidón. La caracterización bioquímica de la enzima recombinante se condijo con los resultados para la misma enzima purificada de fuente. En un análisis comparativo a lo largo del desarrollo de semillas de trigo y de ricino, determinamos que esta enzima únicamente se fosforila en semillas de trigo, específicamente por quinasas dependientes de calcio. La información obtenida abre líneas de investigación para comprender la síntesis de almidón en semillas de cereales. Estos estudios serán importantes para el diseño de estrategias y herramientas biotecnológicas para mejorar los rendimientos de cultivos de interés agronómico y considerar la aplicación del almidón en biocombustibles y bioplásticos.

Seed metabolism is mainly heterotrophic and depends on the sucrose synthesized from photosynthetic tissues to supply its metabolic needs. Seed development is characterized by variations in the carbon flux, destined, firstly, to solve the formation of the new tissue, and later, to accumulate reserve compounds. This development is genetically programmed and numerous signals induce changes in metabolism, where protein kinases play a fundamental role, post-translationally regulating different metabolism actors by phosphorylation. To contribute to the knowledge in global regulation of metabolism and carbon partitioning in heterotrophic tissues of plants, we focused on evaluating allosteric regulation and the occurrence of phosphorylation of key enzymes. Furthermore, we studied the protein kinases involved. We obtained novel results for wheat endosperm ADP-glucose pyrophosphorylase, a key enzyme in the biosynthesis of starch. The biochemical characterization of the recombinant enzyme was consistent with the results for purified enzyme from endosperm. In a comparative analysis throughout the development of wheat and castor beans seeds, we determined that this enzyme is only phosphorylated in wheat seeds, specifically by calcium-dependent kinases. The information obtained opens lines of research to understand the synthesis of starch in cereal seeds. These studies will be important for the design of biotechnological strategies and tools to improve the yields of crops and consider the application of starch in biofuels and bioplastics.