El glutatión es un tripéptido que presenta la estructura γ-glutamil-L-cisteinil-L- glicina, y juega un papel muy importante en un amplio número de organismos. El glutatión es un compuesto casi ubicuo, aunque está ausente en algunos organismos que utilizan diferentes cofactores tiólicos tales como la coenzima A, micotiol y ergotioneina (Li et al., 2003). Existen otros homólogos del glutatión en algunas plantas, especialmente en leguminosas, en los que la glicina de la región carboxi-terminal es reemplazada por otro aminoácido como puede ser β-alanina, dando origen al homoglutatión (Klapheck, 1988); serina, formándose el hidroximetilglutatión (Klapheck
et al., 1994); o glutamato generándose el γ-glutamilcisteinilglutámico (Meuwly et al.,
1993). Todas estas estructuras poseen un enlace-γ que confiere estabilidad y protección al tripéptido de ser degradado por aminopeptidasas (Sies, 1999). El homólogo más frecuente es el homoglutatión (hGSH), presente en leguminosas; el hidroximetilglutatión se encuentra principalmente en gramíneas, incluyendo el arroz, trigo y cebada (Okumura et al., 2003); y el compuesto γ-glutamilcisteinilglutámico se encuentra principalmente en maíz (Meuwly et al., 1993).
El glutatión existe como forma reducida (GSH) o bien como forma oxidada (GSSG), en la cual dos moléculas de glutatión están unidas vía puente disulfuro, con eliminación de dos protones y dos electrones. El potencial redox GSH/GSSG tiene un valor de -240 mV a un pH de 7,0 (Meyer y Hell, 2005). Este valor es muy similar a los valores que han sido determinados para muchas tiorredoxinas (desde -280 a 300 mV). Sin embargo, cuando GSSG se disocia mediante reducción generando dos moléculas de GSH, su influencia en el estado redox de la célula depende de la concentración total de glutatión y su ratio GSH/GSSG (Meyer y Hell, 2005; Mullineaux y Rausch, 2005).
En plantas, glutatión es el principal compuesto tiólico no proteico, estando presente en altas concentraciones (Noctor et al., 2002). El contenido de GSH en el citosol de hojas de Arabidopsis es de 3-4 mM (Halliwell y Foyer, 1976; Meyer y Hell, 2005; Krueger et al., 2009), mientras que en los cloroplastos el contenido se estima entre 1-4,5 mM (Noctor y Foyer, 1998). En un estudio reciente (Fernández-García et al., 2009) se calculó que la mayor localización de acumulación de GSH se encuentra en los cloroplastos (62-75 % del total de GSH) comparado con el 15-25 % encontrado en las mitocondrias. Otros compartimentos tales como los peroxisomas y el núcleo tienen menor contenido de GSH (Zechmann et al., 2008; Fernández-García et al., 2009). Se ha determinado también que células específicas como los tricomas tienen un contenido muy elevado de glutatión de más de 300 veces superior a otras células epidérmicas, poniendo de manifiesto la importancia de los tricomas en la biosíntesis de glutatión y su posible función de sumideros en los procesos de detoxificación en los que está implicado esta molécula (Gutierrez-Alcala et al., 2000).
Así, sus funciones esenciales están relacionadas con la protección y detoxificación de xenobióticos, protección frente a metales pesados, tolerancia a perturbaciones medioambientales que promueven estrés oxidativo, actúa como cofactor en diversos procesos metabólicos, y como forma de almacenamiento y de transporte del azufre reducido (Foyer et al., 2001; Cobbett y Goldsbrough, 2002; Noctor et al., 2002; Droux, 2004). Además, el glutatión participa en la regulación del crecimiento y desarrollo de las plantas (May et al., 1998; Vernoux et al., 2000; Meyer y Hell, 2005; Cairns et al., 2006; Foyer y Noctor, 2011). Este tripéptido, que se encuentra en equilibrio con su forma oxidada, se ha considerado el determinante mayoritario de la homeostasis redox de la célula, actuando como antioxidante y manteniendo el balance redox celular. La función redox del GSH es una acción tan importante en la planta que el citosol y la mitocondria de Arabidopsis han desarrollado un sistema de reserva en caso de que la reducción de GSH sea insuficiente (Marty et al., 2009).
La biosíntesis de glutatión tiene lugar a través de dos etapas enzimáticas sucesivas dependientes de ATP, catalizadas por las enzimas γ-glutamilcisteína sintetasa (γ-ECS o GSH1, EC 6.3.2.2) y glutatión sintetasa (GSH2, EC 6.3.2.3), respectivamente. En la primera etapa se forma γ-glutamil-cisteína a partir de L- glutamato y L-cisteína, en presencia de ATP. En plantas, la enzima GSH1 contiene uno o dos puentes disulfuro que son inhibidos mediante reducción. La reducción de uno de los puentes, conservado en todas las especies de plantas, gobierna la transición de la forma monomérica a la dimérica, mientras que la reducción del segundo puente disulfuro, presente sólo en algunas especies de plantas incluyendo a las Brassicaceae, bloquea el acceso al sitio activo, disminuyendo la eficiencia catalítica (Jez et al., 2004;
Introducción
Hothorn et al., 2006; Hicks et al., 2007; Gromes et al., 2008). En el segundo paso de la síntesis de GSH, una molécula de L-glicina se une al extremo carboxi-terminal del dipéptido para formar glutatión, también en presencia de ATP gracias a la acción de la GSH2. La enzima glutatión sintasa de Arabidopsis thaliana está formada por 480 aminoácidos, con una región rica en glicina protegiendo el sitio activo de la enzima (Wang y Oliver, 1997).
En Arabidopsis, ambas enzimas GSH1 y GSH2 están codificadas por una sola
copia de genes nucleares (At4g23100 y At5g27380, respectivamente) (May et al., 1998). El análisis de la localización de las proteínas mediante fusión con proteínas fluorescentes muestra que GSH1 está exclusivamente localizada en los cloroplastos, mientras que más del 90 % de GSH2 está localizada en el citosol y menos del 10 % en los cloroplastos. Estos datos indican que γ-EC es sintetizada en los cloroplastos, y que GSH puede ser sintetizado en ambos compartimentos, cloroplastos y citosol (Wachter et
al., 2005; Gromes et al., 2008).
La producción de glutatión está regulada a múltiples niveles. La regulación de la biosíntesis de GSH depende de la asimilación de carbono, nitrógeno y azufre, así como la coordinación entre estas rutas de asimilación (Kopriva y Rennenberg, 2004), y se ve por tanto afectada por la disponibilidad de cisteína y de luz, ya que en oscuridad la disponibilidad de glicina está limitada (Buwalda, 1990; Noctor et al., 1996; Creissen et
al., 1999). Los mecanismos que potencialmente controlan la biosíntesis de GSH
incluyen, además de la regulación de la disponibilidad de los aminoácidos que lo constituyen, la regulación transcripcional de las enzimas GSH1 y GSH2, la regulación de las actividades de estas enzimas y el control de hormonas. Diversas evidencias indican también que en la regulación de la biosíntesis de GSH influyen todos aquellos mecanismos en los que sea requerida alguna de las diferentes funciones del glutatión (Kopriva y Rennenberg, 2004).
3. Fotosíntesis y regulación redox