|
Celulosa sintase (formadora de UDP)
- Celulosa sintase redirixe aquí.
A celulosa sintase formadora de UDP (EC 2.4.1.12) é o principal encima que produce celulosa. Sistematicamente coñécese en encimoloxía como UDP-glicosa:(1→4)-β-D-glucano 4-β-D-glicosiltransferase. Cataliza a seguinte reacción química:
- UDP-glicosa + [(1→4)-β-D-glicosil]n
 UDP + [(1→4)-β-D-glicosil]n+1
Como utiliza a UDP-glicosa para introducir un residuo de glicosa máis nunha cadea de glucano, un dos produtos finais que forma é o UDP libre, xunto cunha cadea de glucano agrandada nun residuo.
Outro encima similar utiliza a GDP-glicosa, dá lugar á formación de GDP e denomínase celulosa sintase (formadora de GDP) (EC 2.4.1.29).
Esta familia de encimas atópase en bacterias e plantas. Os membros desta familia propios das plantas xeralmente coñécense como CesA (celulosa sintase) ou o provisional CslA (similar á celulosa sintase), mentres que os membros bacterianos desta familia de encimas poden denominarse ademais BcsA (celulosa sintase bacteriana) ou CelA (simplemente "celulosa").[1] As plantas adquiriron a CesA a partir dun evento de endosimbiose que produciu o cloroplasto.[2] Esta familia pertence á súa vez á familia da glicosiltransferase 2 (GT2).[1] As glicosiltransferases interveñen na biosíntese e hidrólise da maior parte da biomasa da biosfera.[3] Coñécense unhas sete subfamilias dentro da superfamilia da CesA de plantas,[4] ou dez na superfamilia combinada de plantas e algas.[5] Os urocordados son o único grupo de animais que posúen este encima, que adquiriron por transferencia horizontal de xenes hai máis de 530 millóns de anos.[6]
Celulosa
A celulosa é unha agregación de cadeas de polímeros de residuos de glicosa unidos por enlace glicosídico β-(1→4) que constitúe unha gran porción da parede celular primaria e secundaria.[7][8][9][10] Aínda que importante para as plantas, tamén a sintetizan as algas, algunhas bacterias e uns poucos animais (urocordados).[6][5][11][12] En todo o mundo, prodúcense 2 × 1011 toneladas de microfibrilas de celulosa,[13] que serven como unha fonte importante de biocombustibles renovables e doutros produtos de base biolóxica, como madeira, combustible, pensos, papel e algodón.[8][14]
Propósito da celulosa
As microfibrilas de celulosa fabrícanse na superficie da membrana celular para reforzar a parede celular, o que foi intensamente estudado polos bioquímicos vexetais e biólogos celulares porque regulan a morfoxénese celular e serven, xunto con outros constituíntes (lignina, hemicelulosa, pectina) da parede celular, como un forte soporte estrutural e dan forma á célula.[14] Sen estas estruturas de soporte, o crecemento celular causaría que a célula se inchase e expandise en todas direccións, perdendo así a súa forma viable.[15]
Estrutura do encima
Resolvéronse varias estruturas da celulosa sintase BcsAB. O encima bacteriano consta de dúas subunidades diferentes: a BcsA catalítica no lado citoplásmico, e a BcsB regulatoria no lado periplásmico. Están acopladas por medio dunha serie de hélices transmembrana, denominadas pola base de datos CATH 4p02A01 e 4p02B05. (Noutros modelos son similares, como en 4hg6
). O encima é estimulado polo di-GMP cíclico. In vivo, pero non in vitro, é necesaria outra subunidade chamada BcsC formada por un barril beta de 18 febras. Algunhas bacterias conteñen subunidades periplásmicas extra non esenciais.[16]
A BcsA ten unha disposición dos dominios citoplasmáticos que fai un sándwich entre o dominio transmembrana C-terminal e o N-terminal. Ten o dominio 2 GT típico da familia encimática (4p02A02) cunha estrutura de pregamento GT-A. No extremo C-terminal hai un dominio PilZ conservado en bacterias,[16] que forma parte da superficie de unión do di-GMP ciclico xunto coa BcsB e o dominio de barril beta (4p02A03).[17] Ademais do dominio TM C-terminal, a BcsB esta feita de dúas repeticións, cada unha das cales consiste nun módulo de unión a carbohidratos 27 (CATH 2.60.120.260) e un sándwich alfa-beta (CATH 3.30.379.20).[16]
A BcsA e a BcsB xuntas forman unha canle a tavés da cal sae da célula a celulosa sintetizada, e as mutacións dos residuos que tapizan esta canle reducen a actividade deste encima.[16] Un bucle que serve de porta na BcsA pecha a canle, e abre cando o o di-GMP cíclico se une ao encima.[17]
Plantas
Nas plantas a celulosa sintetízase por gandes complexos de celulosa sintase (CSCs), que consta de isoformas da proteína sintase (CesA) que se dispoñen nunha soa estrutura hexagonal coñecida como “partícula roseta” de 50 nm de ancho e 30–35 nm de alto.[5][18][19] Hai máis de 20 destas proteínas integrais de membrana de lonxitude completa, cada unhadas cales ten arredor de 1.000 aminoácidos de longo.[8][9] Estas rosetas, denominadas gránulos, descubríronse en 1972 por microscopia electrónica en especies de algas verdes dos xéneros Cladophora e Chaetomorpha.[20] A dispersión de raios X en solución mostrou que a CesAs están na superficie da célula da planta e son monomeros alongados con dous dominios catalíticos que se fusionan formando dímeros. O centro dos dímeros é o punto principal da actividade catalítica,[5] e os lobos crese que conteñen as rexións conservada en plantas (P-CR) e específica de clase (CSR) específicas de plantas.[8] Como a celulosa se fabrica en todas as paredes celulares, as proteínas CesA están presentes en todos os tecidos e tipos celulares de plantas. Porén, hai diferentes tipos de CesA, e algúns tipos de tecidos poden ter concentracións diversas dun tipo ou doutro. Por exemplo, a proteína AtCesA1 (RSW1) está implicada na biosíntese de paredes celulares primarias en toda a planta, mentres que a proteína AtCesA7 (IRX3) só se expresa no talo para a produción da parede celular secundaria.[9]
Comparado co encima bacteriano, as versións que teñen as plantas son moito máis difíciles de cristalizar, e en agosto de 2019 non se coñecían estruturas atómicas experimentais da celulase sintase catalítica de plantas. Porén, polo menos predixéronse dúas estruturas con alta fiabilidade destes encimas.[8][11] A máis ancha destas dúas estruturas (Sethaphong 2013[11]), que inclúe o dominio citoplasmático medio enteiro (de novo en sándwich entre hélies TM), dá unha visión útil de como é este encima: dúas insercións específicas de plantas chamadas P-CR (rexión conservada en plantas, similar en todas as plantas) no extremo N-terminal e CSR (rexión específica de clase, que determina o número da subclase que vai despois da abreviatura CesA) no extremo C-terminal aparecen no corazón catalítico GT usual, probablemente proporcionando a función formadora da roseta da CesA de plantas.[11] (Algunhas proteínas CesA posúen unha inserción adicional.)[21] A estrutura parece explicar os efectos de moitas mutacións coñecidas. Porén, a posición das dúas insercións non se corresponde co resultado da dispersión feita por Olek 2014.[11] Un modelo experimental de 2016 do dominio P-CR (5JNP
) axuda a encher este oco, xa que mellora moito a correspondencia en contra dos resultados previos de Olek.[22] Tamén cadra ben coa predición de Sethaphong de 2015 da existencia dun pozo superenrolado antiparalelo. Os dous grupos de investigadores continuaron aumentando a comprensión da estrutura da CesA, enfocándose Olek et al nas estruturas experimentais e Sethaphong et al nos estudos de plantas e construíndo mellores modelos computacionais.[23]
Outras diferenzas respecto da BcsA bacteriana son un número de hélices TM diferentes (a BcsA ten 4 hélices en cada extremo; a CesA ten dúas no extremo N-terminal e 6 no C-terminal), e a presenza dun dedo de cinc (1WEO
) no N-terminal.[8]
Actividade
A biosíntese da celulosa é o proceso durante o cal se sintetizan cadeas de β-(1→4)-glucano homoxéneas separadas, cunha lonxitude entre 2.000 e 25.000 residuos de glicosa, e despois establecen inmediatamente enlaces de hidróxeno entre elas para formar estruturas ríxidas cristalinas, que son as microfibrilas.[8] As microfibrilas da parede celular primaria teñen aproximdamente 36 cadeas de longo, mentes que as da parede secundaria son moito máis grandes, contendo ata 1200 cadeas de β-(1→4)-glucano.[14][9] A uridín difosfato-glicosa (UD-glicosa), que xera o encima sacarosa sintetase (SuSy) e que transporta a UDP-glicosa á membrana plasmática é o substrato utilizado pola celulosa sintase para producir as cadeas de glucano.[8][24] A velocidade á que se sintetizan os residuos de glicosa por cadea de glucano vai de 300 a 1.000 residuos de glicosa por minuto, e unha maior velocidade é máis común nas partículas da parede secundaria, como as do xilema.[25][26]
Estruturas de soporte
A síntese de microfibrilas está guiada por microtúbulos corticais, que están situados baixo a membrana plasmática das células en elongación, porque forman unha plataforma sobre a cal a CSCs pode converter moléculas de glicosa nas cadeas cristalinas. A hipótese do aliñamento de microtúbulos–microfibrilas propón que os microtúbulos corticais de debaixo da membrana plasmática das células en elongación proporcionan pistas para a CSCs, que converte as moléculas de glicosa en microfibrilas de celulosa cristalina.[27] A hipótese directa postula algúns tipos de ligazón directa entre os complexos de celulosa sintases (CESA) e os microtúbulos.[24] Ademais, pénsase que a proteína KORRIGAN (KOR1) é un compoñente crítico da síntese de celulosa porque actúa como unha celulase na interface membrana plamática-parede celular. A KOR1 interacciona con dúas proteínas CesA específicas, posiblemente para unha corrección de erros e aliviando o estrés creado pola síntese da cadea de glucano, ao hidrolizar a celulosa amorfa desordenada.[28]
Influencia medioambiental
A actividade da síntese de celulosa está afectada por moitos estímulos ambientais, como as hormonas, luz, estímulos mecánicos, nutrición e interaccións co citoesqueleto. As interaccións con estes factores poden influír na deposición de celulosa, xa que afectan a cantidade de substrato producido e a concentración e/ou a actividade da CSCs na membrana plasmática.[8][5]
Notas
- ↑ 1,0 1,1 Omadjela O, Narahari A, Strumillo J, Mélida H, Mazur O, Bulone V, Zimmer J (outubro de 2013). "BcsA and BcsB form the catalytically active core of bacterial cellulose synthase sufficient for in vitro cellulose synthesis". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (44): 17856–61. Bibcode:2013PNAS..11017856O. PMC 3816479. PMID 24127606. doi:10.1073/pnas.1314063110.
- ↑ Popper ZA, Michel G, Hervé C, Domozych DS, Willats WG, Tuohy MG, et al. (2011). "Evolution and diversity of plant cell walls: from algae to flowering plants". Annual Review of Plant Biology 62: 567–90. PMID 21351878. doi:10.1146/annurev-arplant-042110-103809. hdl:10379/6762.
- ↑ Campbell JA, Davies GJ, Bulone V, Henrissat B (febreiro de 1998). "A classification of nucleotide-diphospho-sugar glycosyltransferases based on amino acid sequence similarities". The Biochemical Journal. 329 (Pt 3) (3): 719. PMC 1219098. PMID 9445404. doi:10.1042/bj3290719.
- ↑ Richmond TA, Somerville CR (outubro de 2000). "The cellulose synthase superfamily". Plant Physiology 124 (2): 495–8. PMC 1539280. PMID 11027699. doi:10.1104/pp.124.2.495.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 Yin Y, Huang J, Xu Y (xullo de 2009). "The cellulose synthase superfamily in fully sequenced plants and algae". BMC Plant Biology 9: 99. PMC 3091534. PMID 19646250. doi:10.1186/1471-2229-9-99.
- ↑ 6,0 6,1 Nakashima K, Yamada L, Satou Y, Azuma J, Satoh N (febreiro de 2004). "The evolutionary origin of animal cellulose synthase". Development Genes and Evolution 214 (2): 81–8. PMID 14740209. doi:10.1007/s00427-003-0379-8.
- ↑ Campbell JA, Davies GJ, Bulone V, Henrissat B (setembro de 1997). "A classification of nucleotide-diphospho-sugar glycosyltransferases based on amino acid sequence similarities". The Biochemical Journal. 326 ( Pt 3) (3): 929–39. PMC 1218753. PMID 9334165. doi:10.1042/bj3260929u.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 8,8 Olek AT, Rayon C, Makowski L, Kim HR, Ciesielski P, Badger J, et al. (xullo de 2014). "The structure of the catalytic domain of a plant cellulose synthase and its assembly into dimers". The Plant Cell 26 (7): 2996–3009. PMC 4145127. PMID 25012190. doi:10.1105/tpc.114.126862.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 Richmond T (2000). "Higher plant cellulose synthases". Genome Biology 1 (4): REVIEWS3001. PMC 138876. PMID 11178255. doi:10.1186/gb-2000-1-4-reviews3001.
- ↑ Lei L, Li S, Gu Y (2012). "Cellulose synthase complexes: composition and regulation". Frontiers in Plant Science 3: 75. PMC 3355629. PMID 22639663. doi:10.3389/fpls.2012.00075.
- ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 Sethaphong L, Haigler CH, Kubicki JD, Zimmer J, Bonetta D, DeBolt S, Yingling YG (abril de 2013). "Tertiary model of a plant cellulose synthase". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 110 (18): 7512–7. Bibcode:2013PNAS..110.7512S. PMC 3645513. PMID 23592721. doi:10.1073/pnas.1301027110.
- ↑ Li S, Lei L, Gu Y (marzo de 2013). "Functional analysis of complexes with mixed primary and secondary cellulose synthases". Plant Signaling & Behavior 8 (3): e23179. PMC 3676487. PMID 23299322. doi:10.4161/psb.23179.
- ↑ Lieth H (1975). Measurement of calorific values. Primary productivity of the biosphere. Ecological Studies 14. Nova York: Springer. pp. 119–129. ISBN 978-3-642-80915-6. doi:10.1007/978-3-642-80913-2.
- ↑ 14,0 14,1 14,2 Cutler S, Somerville C (febreiro de 1997). "Cloning in silico". Current Biology 7 (2): R108–11. PMID 9081659. doi:10.1016/S0960-9822(06)00050-9.
- ↑ Hogetsu T, Shibaoka H (xaneiro de 1978). "Effects of colchicine on cell shape and on microfibril arrangement in the cell wall of Closterium acerosum". Planta 140 (1): 15–8. PMID 24414355. doi:10.1007/BF00389374.
- ↑ 16,0 16,1 16,2 16,3 Morgan JL, Strumillo J, Zimmer J (xaneiro de 2013). "Crystallographic snapshot of cellulose synthesis and membrane translocation". Nature 493 (7431): 181–6. Bibcode:2013Natur.493..181M. PMC 3542415. PMID 23222542. doi:10.1038/nature11744.
- ↑ 17,0 17,1 Morgan JL, McNamara JT, Zimmer J (maio de 2014). "Mechanism of activation of bacterial cellulose synthase by cyclic di-GMP". Nature Structural & Molecular Biology 21 (5): 489–96. PMC 4013215. PMID 24704788. doi:10.1038/nsmb.2803.
- ↑ Giddings TH, Brower DL, Staehelin LA (febreiro de 1980). "Visualization of particle complexes in the plasma membrane of Micrasterias denticulata associated with the formation of cellulose fibrils in primary and secondary cell walls". The Journal of Cell Biology 84 (2): 327–39. PMC 2110545. PMID 7189756. doi:10.1083/jcb.84.2.327.
- ↑ Bowling AJ, Brown RM (2008). "The cytoplasmic domain of the cellulose-synthesizing complex in vascular plants". Protoplasma 233 (1–2): 115–27. PMID 18709477. doi:10.1007/s00709-008-0302-2.
- ↑ Robinson DG, White RK, Preston RD (xuño de 1972). "Fine structure of swarmers of Cladophora and Chaetomorpha : III. Wall synthesis and development". Planta 107 (2): 131–44. PMID 24477398. doi:10.1007/BF00387719.
- ↑ Carroll A, Specht CD (2011). "Understanding Plant Cellulose Synthases through a Comprehensive Investigation of the Cellulose Synthase Family Sequences". Frontiers in Plant Science 2: 5. PMC 3355508. PMID 22629257. doi:10.3389/fpls.2011.00005.
- ↑ Rushton PS, Olek AT, Makowski L, Badger J, Steussy CN, Carpita NC, Stauffacher CV (xaneiro de 2017). "Rice Cellulose SynthaseA8 Plant-Conserved Region Is a Coiled-Coil at the Catalytic Core Entrance". Plant Physiology 173 (1): 482–494. PMC 5210708. PMID 27879387. doi:10.1104/pp.16.00739.
- ↑ Sethaphong L, Davis JK, Slabaugh E, Singh A, Haigler CH, Yingling YG (24 de outubro de 2015). "Prediction of the structures of the plant-specific regions of vascular plant cellulose synthases and correlated functional analysis". Cellulose 23 (1): 145–161. doi:10.1007/s10570-015-0789-6.
- ↑ 24,0 24,1 Heath IB (decembro de 1974). "A unified hypothesis for the role of membrane bound enzyme complexes and microtubules in plant cell wall synthesis". Journal of Theoretical Biology 48 (2): 445–9. PMID 4459594. doi:10.1016/S0022-5193(74)80011-1.
- ↑ Paredez AR, Somerville CR, Ehrhardt DW (xuño de 2006). "Visualization of cellulose synthase demonstrates functional association with microtubules". Science 312 (5779): 1491–5. Bibcode:2006Sci...312.1491P. PMID 16627697. doi:10.1126/science.1126551.
- ↑ Wightman R, Turner SR (xuño de 2008). "The roles of the cytoskeleton during cellulose deposition at the secondary cell wall". The Plant Journal 54 (5): 794–805. PMID 18266917. doi:10.1111/j.1365-313X.2008.03444.x.
- ↑ Green PB (decembro de 1962). "Mechanism for Plant Cellular Morphogenesis". Science 138 (3548): 1404–5. Bibcode:1962Sci...138.1404G. PMID 17753861. doi:10.1126/science.138.3548.1404.
- ↑ Mansoori N, Timmers J, Desprez T, Alvim-Kamei CL, Kamei CL, Dees DC, et al. (2014). "KORRIGAN1 interacts specifically with integral components of the cellulose synthase machinery". PLOS ONE 9 (11): e112387. Bibcode:2014PLoSO...9k2387M. PMC 4226561. PMID 25383767. doi:10.1371/journal.pone.0112387.
Véxase tamén
Outros artigos
Bibliografía
|
|
