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PAREDE CELULAR
Marcos BuckeridgeDepartamento de Botânica
Instituto de Biociências – [email protected]
…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)