Parede celular - Botânica - Instituto de...

PAREDE CELULAR

Marcos BuckeridgeDepartamento de Botânica

Instituto de Biociências – USPmsbuck@usp.br

…você pode escrever a oração do pai nosso na cabeça de um alfinete…

…por quê então nós não poderíamos escrever os 24 volumes da Enciclopédia Britânicana cabeça de um alfinete?

…por quê não escrever os 24 milhões de livros do mundo na cabeça de um alfinete?

…Feynman descreve os mecanismos existentes na época para fazer isso e defende a idéia de que não há impedimentos pelas leis da física conhecidas em 1959 para que se escreva em nano escala….

Em seguida, Feynman descreve o que era conhecido naquela época sobre o DNA e a síntese de proteínas nas células e pergunta: SERÁ QUE NÃO PODERÍAMOS TAMBÉM APRENDER A CONSTRUIR COM MÁQUINAS TÃO PEQUENAS QUE MANIPULASSEM ÁTOMOS?

Em 1959 o físico que iria se tornar ganhador do prêmio Nobel em 1965 por seu trabalho em eletrodinâmica quântica

Richard P. Feynman

fez a palestra inaugural do Congresso Americano de Física. A palestra foi intitulada There's Plenty of Room at the Bottom

O MUNDO NANO!

O QUE É NANO?

Boro nitrade siloConfigurações de

buckyballs em tubos de nitrito de boro . Os

empacotamentos são: (a) em tubos de 2 nm,

(b) em tubos de 2,8 nmas buckyballs se

agrupam como triângulos e em tubos de 3,3nm (c) as buckyballs

formam nanofiosµm= 1/1000mm

mm= 1/1000m

nm= 1/1000µm

Buckyball..60 átomos de carbono ligados entre si

como em uma bola de futebol W. Mickelson, S. Aloni, Wei-Qiang Han, John

Cumings, and A. Zettl, Science, 18 April 2003

Padrões arcados similares

nas matrizes

extracelulares de

células animais e vegetais

Célula epitelial da asa de mariposa

Esclerocito de caroço de pêssego

..

Estrutura e conformação da

celulose

cellulose

amilose

dextranos

glucanos

A parede celular écomposta por

polímero que são uma combinação

de monossacarídeosPode-se comparar

o número de combinações possíveis em

relação a outras macromoléculas

Considerando uma sequência..A-B-C-D-E-

Ácidos Nucléicos:

Quatro pares de bases ......45 = 1024

Proteinas:

Vinte aminoácidos....205 = 3,200,000

Carboidratos:

Dez monossacarídeos.... 105 = 100,000Quatro hidroxilas (hexoses) ou três (pentoses).... x 3.55 = 525

Ligações alfa ou beta... X 25 = 32

NÚMERO TOTAL DE POSSIBILIDADES = 1,680,700,000

Figura 2. Estrutura e aparência da celulose. (A) estrutura da celulose mostrando três cadeias antiparalelas com pontes de hidrogênio fortalecendo as ligações entre as moléculas e mostrando também as ligações glicosídicas beta-(1,4) entre as moléculas de glicose. (B) micrografia de varredura da superfície de uma folha de papel mostrando fibras (seta)compostas de 99% de celulose. Mesmo depois do processamento, ainda se encontra até 1% de xilose pertencente ao xilano, uma hemicelulose. Foto de Cesar Gustavo Lisboa e Marcos Buckeridge, 2005

Ponte de H Ligação glicosídica beta-(1,4)

A B

Figura 3. Estruturas químicas da celulose (A) e do xiloglucano (B). Note que a cadeia principal do xiloglucano é idêntica a da celulose e que há blocos repetitivos (colchetes) com quatro glicoses, três xiloses e galactose e fucose em proporções variáveis. XET e celulases só conseguem quebrar as ligações beta-(1,4) da cadeia principal no ponto indicado com a seta. O acesso às demais ligações da cadeia principal só ocorre quando outras enzimas (hidrolases) retiram as ramificações. As ramificações com galactose e fucose também dificultam o acesso à cadeia principal e pontos sem estas ramificações são atacados mais eficientemente pela xiloglucano endo transglicosilase (XET) ou celulases GLC=glicose, XIL=xilose, GAL=galactose e FUC=fucose.

GLC GLC GLC GLC GLC GLC GLC GLC

beta-(1,4) CELULOSE A

B

GLC GLC GLC GLC GLC GLC GLC GLC

XIL XIL

XIL

GAL

FUC

alfa (1,6)

beta (1,2) alfa (1,2)

Ação de XET e celulases

XIL

XIL

XIL

Xyloglucan conformation

Bacterialcellulose

Without Xg With Xg

Xiloglucano pode ser modificado com XET para aumentar a hidrofobicidade do papel

XIL XIL XIL XIL XIL XIL XILXIL

AGL

beta-(1,4) ARAARA

GLC

GLC GLC GLC GLC

GLC GLC GLC

beta-(1,4)GLC

beta-(1,3)

GLUCURONOARABINOXILANO (GAX)

GLUCANO DE LIGAÇÃO MISTA (GLM)

alfa-(1,3)

alfa-(1,6)

Figura 4. Hemiceluloses típicas de monocotiledoneas. XIL=xilose, AGL=ácido glucurônico, ARA=arabinose, GLC=glicose

MAN MAN MAN MAN MAN MAN MAN MAN

beta-(1,4) MANANO PURO (MP)

MAN GLC MAN GLC MAN GLC MAN GLC

beta-(1,4) GLUCOMANANO (GMN)

acetil

Figura 5. Hemiceluloses do grupo dos mananos. MAN=manose, GAL=galactose, GLC=glicose

MAN MAN MAN MAN MAN MAN MAN MAN

GAL

GAL

beta-(1,4)

alfa-(1,6)

GALACTOMANANO (GM)

GAL

MANGLC

HOMOGALACTURONANO (HG)

AGA

alfa-(1,4)

metil

AGA AGA AGAAGA AGA AGAAGA

Ca Ca CaCa Ca-

-

-

-

-

-

--

-

Caixa-de-ovosIons divalentes, principalmente cálcio e magnésio induzem a formação de gel em regiões NÃO metiladas do homogalacturonano. Ions monovalentes como sódio não têm o mesmo efeito.

A

BFigura 6. Pectinas. Estrutura do homogalacturonano. Forma-se uma cadeia linear de ácidos galacturônicos (AGA) que quando metilados tornam o polissacarídeo solúvel em água. Na ausência de metil-esterificações a conformação molecular do homogalacturonano interage com íons divalentes (Mg>Ca>Sr>Ba) formando um complexo conhecido como caixa-de-ovos. Neste caso forma-se um gel.

Figura 7. Principais componentes do ramnogalacturonano I, um dos principais componentes das pectinas em parede celular de plantas. A cadeia principal é formada por unidades de ácido galacturônico (AGA) e ramnose(RAM). As ramnoses podem apresentar ramificações com arabinogalactanosdo tipo I (1,3-1,6 ligados) e/ou do tipo II (1,4 ligados) e/ou arabinanos (1,5 ligados). GAL=galactose, ARA=arabinose.

AGA RAM

RAMAGA

AGA RAM

RAMAGA

AGA RAM

AGA

ARA

ARA

ARA

GAL

GAL

GAL

GAL

GAL

GAL GAL GAL

beta (1,3)

beta (1,6)

alfa (1,6)

alfa (1,5)

alfa (1,2)

alfa (1,4)

arabinogalactano I

arabinoalactano II

arabinano

beta (1,4)

ARA

A B

ATAQUES DA XET E EXPANSINA RELIGAÇÃO DO XG PELA XET E INTUSSUCEPÇÃO

Mic

rofib

rila

1

Mic

rofib

rila

2

Mic

rofib

rila

1

Mic

rofib

rila

2

Nov

a M

icro

fibril

a

expa

nsin

a

XET

Figura 15. Expansão celular em frutos de mamão. Cortes transversais do mesocarpo de frutos de mamão aos 5 (A) e 150 dias (B) após a antese. Nota-se um aumento de cerca de 3X no volume celular ao longo do período. Veja também que aos 5 dias há várias células em divisão (setas vermelhas) enquanto aos 150 só há expansão. PC=parede celular

50µm

50µm

A

BPC

Polis

saca

rídeo

Polissacarídeo

Polissacarídeo

Polissacarídeo

Polissacarídeo

Polissacarídeo

Lignina

LigninaLignina

Figura 9. As pontes diferúlicas (azul claro) são formadas por ácidos orgânicos que formam a ligação entre os polissacarídeos e a lignina. Esta última é um complexo de compostos fenólicos ligados entre si que são similares aos desenhados em azul claro. A deposição de compostos fenólicos na parede celular é características de paredes secundárias e de paredes do tipo II. Acredita-se que a deposição desses compostos trave a parede e impeça a continuidade do crescimento.

Figura 1. Fotomicrografia de células de folhas de Hymenaea courbaril L. (jatobá) mostrando detalhas da parede celular primaria (uma célula paliçadica) (A) e da parede celular secundária (fibras do sistema vascular) (B). PC=parede celular; LM=lamela média, V=vacúolo; A=grânulo de amido; S1, S2, S3 camadas da parede secundária das fibras com deposição de celulose em

diferentes sentidos. Estas células têm parede primária (PP) que constituem uma fina camada de tom cinza

mais escuro (ponta da seta) Fotos de Marcelo Machado e Marcos Buckeridge, 2007 (C) Secção transversal de

uma raíz de feijão vista em microscopia de fluorescência. Os vasos do xilema são vistos ao centro

e o brilho está relacionado à presença de lignina. O anel ao redor do feixe vascular é a endoderme e os pontos

claros (seta) säo as estrias de Caspary (Foto da disciplina Forma e Função em Plantas – IB-USP)

A

B

ML

ML

S1S2

S3

PC

PC

2µm

V

A

PP

C

A ARQUITETURA DA PAREDE CELULAR

Microfibrila de celulose

Xiloglucano

Ramnogalacturonano I

Arabinogalactano

Extensina com tetrassacarídeosde arabinose (losangos)

Ponto em que foi proposta ligação covalente entre xiloglucano e pectina

Ponto em que foi proposta ligação covalente entre extensina e pectina

Figura 10 . Modelo de parede celular proposto em 1973 por Peter Albersheim e colaboradores. Neste, as ligações covalentes (exemplos circundados) seriam a principal forma de manter os diferentes polissacarídeos em interação. Note porém, que a interação não covalente entre xiloglucano e celulose já havia sido proposta neste modelo.

Então, a parede poderia ser como um cristal líquido.....

Figura 12. Modelo descontínuo da parede celular. Neste desenho a parede é mostrada em “corte transversal” ao eixo das microfibrilas. Ao invés de se sustentar por ligações covalentes, a parede celular primária e composta por três domínios independentes: Pectinas, Celulose-hemicelulose e Proteínas. Os três coexistem independentemente, ou seja sem ligações químicas covalentes, mas por interações fracas (pontes de hidrogênio).

Pectinas Celulose-Hemicelulose Proteínas

DO

MÍN

IOS

PAR

EDE

Tipo I Tipo II

microfibrila

Hemicelulosefortemene aderida àcelulose

Hemicelulosefracamente aderida à celulose

Pectinas

Proteínas

Compostos fenólicos

Figura 13. Arquitetura das paredes celulares dos tipos I e II segundo as idéias de Nick Carpita e David Gibeaut em 1993. Na parede do tipo I, o domínio celulose-hemicelulose é composto por xiloglucanos com diferentes tipos de ramificações que lhe conferem diferentes níveis de adesão às microfibrilas (tons de laranja). As proporções entre celulose, hemicelulose e pectinas é equilibrada. Na parede do tipo II, a principal hemicelulose é o arabinoxilano(azul). Acredita-se que quando ele é sintetizado as ramificações com arabinose são retiradas quando na parede. O polímero menos ramificado adere fortemente às microfibrilas (azul claro), enquanto o mais ramificado adere fracamente (azul escuro). Diferente dos xiloglucanos, os arabinoxilanos parecem se ligar entre si por compostos fenólicos, que são mais abundantes nas paredes celulares do tipo II. Nas paredes do tipo II, a proporção de pectina émenor do que celulose e hemicelulose.

Figura 14. Roda do crescimento. A parede celular está diretamente relacionada com o crescimento das plantas pois após a divisão se dá o processo de expansão e/ou alongamento celular. Nas folhas e no ápice de plantas em crescimento ocorre a produção e transporte de auxina pela manhã, concomitantemente com o início do influxo de água e nutrientes devido à abertura estomática. A entrada de água gera uma pressão positiva sobre as células cujas paredes já sofreram afrouxamento durante a noite anterior. Entre as microfibrilas que se afastaram devido ao afrouxamento (ver também a figura 8) ocorre a deposição de mais material de parede. Neste momento, a célula se torna mais resistente à expansão e a força de turgor começa a aumentar. No meio do dia, como os estômatos abertos e a fotossíntese funcionando, as células foliares armazenam amido. No fim do dia ocorre a expressão dos genes relacionados à expansão celular e ao mesmo tempo começa a mobilização do amido que, transformado em sacarose é transferido para os tecidos com potencial de crescimento. A noite, expansina e XET produzidas a partir da expressão gênica, começam a operar o processo de afrouxamento a parede. Este éseguido pela expressão dos genes de síntese de compostos de parede. O ciclo é fechado com o reinício do transporte polar de auxina.

COMO SÃO FEITOS OS POLÍMEROS DA PAREDE

CELULAR?

Biossíntese da celulose: o único polímero feito no

plasmalema

Microfibrilas: 2-20 nmdiametro e 100 - 40 000 nm de comprimento

AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAA

Com exceção da celulose, os demais polímeros da parede

são feitos no complexo de Golgi

Como são montados os polímeros da

parede

Biossíntese de compostos não celulósicosModelo proposto por Ariel Orellana com base em Arabidopsis – Univ. do Chile

Biossíntese de compostos não celulósicosModelo proposto por Ariel Orellana com base em Arabidopsis – Univ. do Chile

N-P-P-açúcaresN-P-P-açúcares

Transportadores deNDP-Sugar

N-P-P-açúcaresN-P-P-açúcares

GlycosilTransferase

SS

SS

SS

S

SS

S

N-P-P-açúcaresN-P-P-açúcares

SSS

SS SS

S

S

S

SS

SS

GlycosilTransferaseCa++Ca++

A PAREDE CELULAR DURANTE E O CRESCIMENTO

DIANOITE

Figura 14

Tiné, Braga, Hahn, Freshhour & Buckeridge, unpublished results

A Bb

a

pt ptpt Storage walls can be

very complex

M1 antibody binds specifically to fucosylated XGs, which are present only in primary cell walls

B

Hemicellulose strongly linked to cellulose

Hemicellulose weakly linked to

cellulose

Cellulose microfibril

Cross link between microfibrils

Storage wall with hemicellulose as a major compound

C

D

“Primary wall”

“Primary wall” Storage wall with pectin as a major compound

Cell wall Middle lamela

A

Pectin domain

Citoplasmic membrane

(A) Schematic representation of the cross section of the “primary”cell wall. The cellulose-hemicellulose domain is embedded in a pectic domain. (B) The mjicrofibrils are covered with hemicelluloses (xyloglucan, arabinoxylans, mannans or beta-glucans (in grasses) that can be bound strongly or weakly to cellulose. (C) typical arabinogalactan containing wall (lupin and coffee). (D) galactomannan or xyloglucan containing storage walls. Fonte: Buckeridge et al. (2000a)

TYPES OF STORAGE CELL

WALLS

A evolução da parede celular

Buckeridge et al. 2000.Plant Physiology and Biochemistry 38:141

Como modificar a parede para produzir bioenergia?

Microorganismos

Enzimas hidrolíticas

Ação sobre a parededo bagaço

Açúcares livres fermentáveis

Modificação da estrutura

Alteração da síntese

Mudança na arquitetura

Controle da hidrólise

Ativação da hidróliseendógena

Parede modificada

Etanol

Fermentação

Aumentar paredee diminuir sacarose

CANA ENERGIAAumento de acessibilidade Aumento de acessibilidade

A EVOLUÇÃO DA PAREDE CELULAR

George Ledyard Stebbins

Stebbins, G.L.1970 Transference of function as a factor in the evolution of seeds and theiraccessory structures. Israel J. Bot. 19, 59-70.

Meristem Leaf Flower Fleshy fruit Seed

Leaves become cotyledons: photosynthetic function transfer to storage and protection

Defence (protection against herbivors) function transforms into diepsersion

Photosynthetic function transfer to protection and atraction

Transference of functions in Angiosperms

Transference of function: a mechanism to producenovelties....or change them!

The Origin of SpeciesChapter 13: Mutual Affinities of Organic Beings: Morphology:

Embryology: Rudimentary Organs

An organ serving for two purposes, may become rudimentary or utterly aborted for one, even the moreimportant purpose, and remain perfectly efficient for the other. Thus in plants, the office of the pistil isto allow the pollen-tubes to reach the ovules protected in the ovarium at its base. The pistil consists ofa stigma supported on the style; but in some Compositae, the male florets, which of course cannot befecundated, have a pistil, which is in a rudimentary state, for it is not crowned with a stigma; but thestyle remains well developed, and is clothed with hairs as in other Compositae, for the purpose ofbrushing the pollen out of the surrounding anthers. Again, an organ may become rudimentary for itsproper purpose, and be used for a distinct object: in certain fish the swim-bladder seems to berudimentary for its proper function of giving buoyancy, but has become converted into a nascentbreathing organ or lung. Other similar instances could be given.

Keys to understand phylogenetic trees

Green algae

S. Fry foundisoprimeverose here, whatsuggests that xyloglucan is already present in thisclade

Graham te al. (2004). Early land plant adaptations to terrestrial stress:a focus on phenolics. In The Evolution of Plant Physiology. A.R. Hemsley and I. Poole. Elsevier Academic Press, London p 155-159

Diverg

ência

Paralelismo

Dive

rgên

cia

Convergência

Caracteres homólogos

Caracteres análogos

Celulose, pectins a

nd hemicelluloses

as apomorphies

Modificatio

n of pre-exis

tent

structu

res, i.e

. POLARITIES,

CONVERGENCE AND REVERSALS

Convergência funcional

Transferênciade função

Ch 1

Ch 5

Ch 3

Ch 2

Ch 6 Function A

Ch 4

Ch 13

Ch 7

Ch 14

Ch 15

Function B

Ch 8

Ch 12

Ch 9Ch 11 Function C

Ch 10

Function D

Ch 18

Ch 16

Ch 17

Ch 13

Function E

Function F

Ch 19Ch 20

HIERARCHICAL NETWORK FORMED BY SIX FUNCTIONS AND 20 CHARACTERS

WILD IDEA !

Ch 1

Ch 5

Ch 3

Ch 2

Ch 6 Function A

Ch 4

Ch 13

Ch 7

Ch 14

Ch 15

Function B

Ch 8

Ch 12

Ch 9Ch 11 Function C

Ch 10

Function D

Ch 18

Ch 16

Ch 17

Ch 13

Function E

Function F

Ch 19Ch 20

HIERARCHICAL NETWORK FORMED BY SIX FUNCTIONS AND 20 CHARACTERS

WILD IDEA !

Polissacarídeos e a robustez das redes funcionais na parede

A mensagem importante aqui é que se houver mudança na área periférica da rede o sistema como um todo não “percebe”. Vigora, neste caso, a percepção local. Contudo, se houver mudança em um “hub” importante (com muitos links) toda a rede pode ser afetada

drasticamente. Em resumo: a natureza também não joga dados!

Número de links (k)

Núm

ero

de n

ós c

om k

links

Cel

ulos

e

Xila

no

Pec

tinas

(RG

I)

Xilo

gluc

ano

Ara

bino

xila

no

Gal

acto

man

ano

Susceptibilidade ao ataque

Ram

ifica

ções

das

pe

ctin

as

Bet

a-gl

ucan

o

Probabilidade de encontrar mutantes

MMMMM

MGMGM

MMMMMG

GMMMMM

G

G G GMMMMM

G G

G G GMGMGM

A AMMMMM

A A

Har

dnes

s

Waterretention

Coffee, Palms

Legumes, Ferns

Orc

hids

,B

rom

elia

ds

Orc

hids

, B

rom

elia

ds,

Fern

s,

Ast

erac

eae

Legumes, Ferns

GGGG?

(cellulose)

Alp

haga

lact

osid

ase

Gal

acto

sylt

ranf

eras

eCesA Csl 3

Csl 4

Galactosyl transferase

Acetyl transferase

XG

XXGG XXXXG

LG

FG XG

SG

JG

XXXG

PP,PT,TP

Cel

lulo

se-X

gbi

ndin

gco

ntro

l?B

eta

gluc

an

XylanCsl 2

Csl 1

(Csl n)

GAX

Ara

tran

(Csl

6)

Evolution of thecellulose-hemicellulose

domain in plants

Epiphytism

(Csl

5)