Inhibidores de la Protoporfirinógeno Oxidasa

La protoporfirinógeno oxidasa (PPO) es una enzima de los cloroplastos, la cual oxida al protoporfirinógeno para producir protoporfirina IX. Este producto es importante ya que es la molécula precursora de las clorofilas (necesarias para la fotosíntesis) y los grupos hemo (necesarios en las cadenas de transferencia de electrones) (Figura: Protoporfirina IX).

Sin embargo, los efectos de los inhibidores de esta enzima oxidasa van mas allá de la simple obstrucción de la síntesis de clorofilas y grupos hemos. Cuando la enzima es inhibida, el substrato protoporfirinógeno se acumula y es lentamente oxidado por las altas concentraciones de O₂ producidas en el cloroplasto, con lo cual se produce protoporfirina IX. Con esta producción espontánea del producto podría parecer que se evade el efecto del inhibidor, pero en realidad esto tiene graves consecuencias celulares.  

La protoporfirina es una molécula fotosensibilizadora muy eficiente. Normalmente, las concentraciones de protoporfirina en las células son mantenidas muy bajas, siendo transportada de su sitio de síntesis en el cloroplasto hacia otros sitios en la célula donde es requerida para la biosíntesis de grupos hemo. En presencia de herbicidas inhibidores, la concentración de protoporfirina se incrementa y empieza a acumularse en toda la célula. Como con la mayoría de los herbicidas discutidos en esta lección, si la planta es mantenida en la oscuridad o bajo luz muy tenue, los efectos del herbicida no son observados. Sin embargo, cuando la planta es expuesta a la luz solar directa, la protoporfirina acumulada en la célula es excitada a un estado triplete, interactuando entonces con el oxígeno molecular (O₂ ) para producir oxígeno excitado simple (¹O₂). El oxígeno excitado simple es tóxico para las células porque es mucho mas destructivo que el oxígeno molecular en su estado triplete normal. Los principales puntos de ataque del oxígeno excitado simple incluyen los enlaces dobles de los ácidos grasos y los aminoácidos.

Las membranas celulares, sitios con altas concentraciones de ácidos grasos insaturados, son particularmente vulnerables a la peroxidación (daño molecular causado por los radicales libres). La membrana plasmática de las células vegetales es considerada el componente vulnerable mas impactado por los daños fotodinámicos causados por los herbicidas que inhiben a la enzima protoporfirinógeno oxidasa. En la Figura: Daño por Blazer (acifluorfén), pueden verse los daños causados en la malva (velvetleaf, Abutilon theophrasti) por la aplicación del herbicida Blazer (acifluorfén), que es un inhibidor de la enzima PPO. Observe las lesiones necróticas (tejido muerto localizado) que se han formado por la aplicación del herbicida. La inhibición de la enzima ha causado la liberación y acumulación de protoporfirina a través de las células. En presencia de luz se produce oxígeno excitado simple que causa la muerte rápida de las células.