Las células vegetales utilizan señales eléctricas para procesar y transmitir información. En 1987, como postdoctorado de Erwin Neher en Göttingen, el biofísico Rainer Hedrich descubrió un canal de iones en la vacuola central de la célula vegetal, que se activa con calcio y voltaje eléctrico, utilizando la técnica patch-clamp (Premio Nobel para Neher y Sakmann 1991).

En 2019, el equipo de Hedrich en Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) identificó este canal TPC1 como un elemento importante para la comunicación eléctrica en las plantas. Si el canal falla, la transmisión de la señal se ralentiza. Si es hiperactiva, es decir, abierta durante demasiado tiempo, la planta está muy estresada y tiene problemas para crecer.

Estas reacciones lo dejan claro:las plantas deben controlar estrictamente el tiempo de apertura del canal iónico TPC1 para que la comunicación eléctrica entre sus células funcione sin problemas.

La estructura explica cómo se enciende el canal

Una publicación en la revista PNAS ahora proporciona nuevos conocimientos sobre la función molecular y la regulación del canal TPC1. Esto se logró combinando dos áreas de especialización:un equipo de JMU dirigido por Rainer Hedrich e Irene Marten fue responsable de la biofísica vegetal, y un grupo dirigido por Robert M. Stroud y Sasha Dickinson de la Universidad de California en San Francisco fue responsable de la estructura. biología.

Utilizando imágenes de microscopía crioelectrónica de alta resolución, el equipo de EE. UU. demuestra claramente que se producen cambios conformacionales masivos en varios dominios de proteínas antes de que se abra el canal. Un estímulo eléctrico inicia un movimiento giratorio del dominio del sensor de voltaje. Esto aleja los residuos de aminoácidos que sirven como sitios de unión para los iones de calcio inhibidores en la región de entrada vacuolar del canal, lo que despeja el camino para el flujo de iones.

El contenido de calcio vacuolar mantiene el sensor de voltaje bajo control

El equipo de Hedrich y Marten pudo demostrar que el canal TPC1 se activa cuando el nivel de calcio en el plasma celular aumenta en respuesta a estímulos externos. Un aumento en el nivel de calcio en la vacuola, por otro lado, ralentiza un flujo de iones excesivo a través del canal y prácticamente hace que la membrana vacuolar sea insensible a los estímulos eléctricos dependientes del calcio.

El sitio de unión recientemente descubierto para los iones de calcio vacuolar en el poro conductor de iones del canal juega un papel crucial en este proceso.

"Pudimos dilucidar la función de este dominio de canal con mediciones de abrazadera de parche", dice la profesora de JMU Irene Marten. "Cuando el calcio se une al sitio de unión del poro vacuolar, se produce una retroalimentación negativa con el sensor de voltaje, lo que significa que el movimiento del dominio del sensor de voltaje se ve fuertemente afectado. Como resultado, el canal permanece cerrado y no hay excitación eléctrica del sensor de voltaje". vacuola. Si, por otro lado, los residuos de aminoácidos del poro se eliminan de la vía de transporte de iones, no se produce la unión del calcio vacuolar y la apertura del canal se facilita enormemente".

Pregunta sobre la evolución de los canales TPC1

La publicación en PNAS contribuye aún más al hecho de que el canal iónico TPC1 de la planta es ahora uno de los canales iónicos dependientes de voltaje mejor entendidos. Este conocimiento también puede ayudar a comprender mejor los procesos dependientes de TPC1 en células animales.

¿Qué harán los científicos a continuación? "Estamos analizando la cuestión de si los canales TPC1 de diferentes especies de plantas difieren en términos de regulación y también en otras propiedades, y si esto abre nuevas posibilidades de adaptación al medio ambiente", dice Rainer Hedrich. "Al hacerlo, también estamos teniendo en cuenta los reguladores que desempeñan un papel en los canales TPC1 animales. Los estudios también deberían darnos una idea de la evolución de los canales TPC1".