Struttura e funzione delle proteine del fitocromo

Il fitocromo nativo è una proteina solubile del peso di circa 250 kDa. Esso è presente come dimero formato da due subunità equivalenti, ognuna delle quali è formata da due componenti: un pigmento che assorbe la luce, il cromoforo e una catena polipeptidica, l'apoproteina. Insieme, il cromoforo e la sua apoproteina formano l'oloproteina. Il cromoforo del fitocromo delle piante superiori è un tetrapirrolo lineare definito fitocromobilina. La luce può essere assorbita solamente quando il polipeptide è legato covalentemente alla fitocromobilina per formare l'oloproteina. La fitocromobilina è sintetizzata all'interno dei plastidi e deriva dall'acido 5-amminolevulinico tramite una via che si ramifica da quella della biosintesi della clorofille. Successivamente, la fitocromobilina è esportata nel citosol dove si lega all'apoproteina tramite un legame tioetere ad un residuo di cisteina (assemblaggio autocatalitico, cioè avviene spontaneamente). I domini strutturali che sono stati identificati nel fitocromo sono: la metà N-terminale del fitocromo contiene il dominio bilina liasi (BLD) che lega il fitocromo ed il dominio PHY che stabilizza il fitocromo nella forma Pfr. Una zona cardine separa la metà N-terminale e C-terminale della molecola e svolge un ruolo chiave nella conversione della forma inattiva Pr del fitocromo in quella attiva Pfr. Comunque, il fitocromo è una proteina chinasi capace di autofosforilazione con funzione serina/treonina chinasi. Le proteine chinasi sono enzimi che hanno la capacità di trasferire gruppi fosfato dall'ATP ad amminoacidi quali serina o tirosina, sia presenti sulla stessa proteina che su altre. Le chinasi sono spesso presenti in vie di trasduzione del segnale in cui l'aggiunta o la rimozione di un gruppo fosfato regola l'attività enzimatica.  
Nel citosol l'oloproteina del fitocromo si dimerizza nello stato inattivo Pr. Dopo aver assorbito la luce il cromoforo Pr va incontro ad una isomerizzazione cis-trans tramite rotazione intorno al doppio legame fra gli atomi di carbonio il 15 e 16 del legame singolo C14-C15. Durante la conversione da Pr a Prf, la componente proteica dell'oloproteina del fitocromo va anch'essa incontro a cambiamenti conformazionali nella regione cadine che espone un segnale di localizzazione nucleare (NLS) nella regione C-terminale del fitocromo portando al movimento delle molecole di fitocromo dal citosol al nucleo. Qui il fitocromo interagisce con i regolatori di trascrizione che mediano i cambiamenti nella trascrizione genica. Così un'importante funzione del fitocromo è di fungere da interruttore attivato dalla luce che causa cambiamenti globali nella trascrizione genica. La fisiologia dell'azione del fitocromo è molto complessa e difficile da spiegare considerando un solo tipo di fitocromo. I primi studi biochimici hanno dato idee sulla presenza di differenti forme di fitocromo. Per esempio, il fitocromo è più abbondante in particelle eziolate e in particolar modo nei meristemi apicali della radice e dell'epicotile, dove avvengono i cambiamenti di sviluppo più marcati. Ben presto si comprese che c'erano due classi di fitocromi con proprietà distinte, definiti fitocromi di Tipo I e di Tipo II. Il primo è circa nove volte più abbondante del Tipo II in pianticelle di pisello cresciute al buio; nelle stesse pianticelle cresciute alla luce la quantità dei due tipi è circa la stressa, indicando che la luce causa la degradazione del Tipo I. Il fitocromo è stato così suddiviso in due classi: la forma labile alla luce (Tipo I) e la forma stabile ala luce (Tipo II), in realtà è la forma Pfr del fitocromo di tipo I che è instabile. I risultati più importanti giunsero dalla comprensione che i fitocromi sono codificati da una famiglia genica con proprietà biochimiche differenti. In Arabidopsis la famiglia è composta da cinque membri strutturalmente affini: PHYA-E. L'apoproteina da sola (senza il cromoforo) è designata come PHY; l'oloproteina con il cromoforo è designata come phy. Sia nelle monocotiledoni che nelle dicotiledoni il fitocromo labile alla luce (Tipo I) è codificato da PHYA. In Arabidopsis, invece, il fitocromo più stabile alla luce (Tipo II) è codificato da PHYB. Studi genetici hanno dimostrato che PHYA e PHYB hanno ruoli contrastanti nello sviluppo.
Il fitocromo è anche noto per regolare la trascrizione di un determinato numero di geni nucleari. Numerosi geni coinvolti nel rinverdimento, come i geni codificati dal nucleo della proteina che lega le clorofille a/b nel complesso di raccolta della luce, sono regolati trascrizionalmente dal fitocromo (sia phyA che phyB). Il fitocromo sopprime anche la trascrizione di vari geni e svolge un ruolo importante nella sincronizzazione dell'orologio circadiano. Infatti, numerosi processi metabolici delle piante, come lo sviluppo di ossigeno e la respirazione, compiono alternativamente dei cicli, che vanno da fasi ad alta attività a quelle a bassa attività, con una periodicità regolare di circa 24 h, a causa degli effetti sincronizzanti della luce all'interruzione del giorno. Ad esempio i movimenti notturni delle foglie, noti come nictinastia, sono chiari esempi di un ritmo circadiano vegetale regolato dalla luce. Nella nictinastia le foglie e/o le foglioline si stendono orizzontalmente (si aprono) per esporsi alla luce durante il giorno e si ripiegano verticalmente (si chiudono) durante la notte. Questo cambiamento nell'angolo della foglia è causato da cambiamenti ritmici del turgore cellulare di cellule del pulvino, una struttura specializzata. La luce blu stimola l'apertura di foglie chiuse, mentre la luce rossa seguita dal buio causa la chiusura di foglie aperte.