PAREDE CELULAR
Marcos Buckeridge
Departamento de Botânica
Instituto de Biociências – USP
[email protected]
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
…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 Britânica
na 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?
O MUNDO NANO!
O QUE É NANO?
mm= 1/1000m
µm= 1/1000mm
Boro nitrade silo
Configurações de
buckyballs em tubos de
nitrito de boro . Os
empacotamentos são:
(a) em tubos de 2 nm,
(b) em tubos de 2,8 nm
as buckyballs se
agrupam como
triângulos e em tubos de
3,3nm (c) as buckyballs
formam nanofios
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
Célula epitelial da
asa de mariposa
.
Esclerocito de caroço
de pêssego
Padrões
arcados
similares
nas
matrizes
extracelular
es de
células
animais e
vegetais
.
Estrutura e
conformação da
celulose
cellulose
amilose
dextranos
glucanos
A parede celular é
composta por
polímero que são
uma combinação
de
monossacarídeos
Pode-se comparar
o número de
combinações
possíveis em
relação a outras
macromoléculas
Considerando uma sequência..
A-B-C-D-EÁcidos Nucléicos:
Quatro pares de bases ......45 = 1024
Proteinas:
Vinte aminoácidos....205 = 3,200,000
Carboidratos:
Dez monossacarídeos.... 105 = 100,000
Quatro hidroxilas (hexoses) ou três (pentoses).... x 3.55 = 525
Ligações alfa ou beta... X 25 = 32
NÚMERO TOTAL DE POSSIBILIDADES = 1,680,700,000
A
Ponte de H
B
Ligação glicosídica beta-(1,4)
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
beta-(1,4)
GLC
GLC
GLC
GLC
XIL
GLC
GLC
GLC
GLC
B
alfa (1,2)
beta (1,2)
XIL
A
CELULOSE
GAL
XIL
XIL
FUC
GLC
GLC
XIL
GLC
GLC
GLC
alfa (1,6)
GLC
GLC
GLC
XIL
Ação de XET e celulases
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.
Xyloglucan conformation
Without Xg
Bacterial
cellulose
With Xg
Xiloglucano pode ser modificado com XET para aumentar a hidrofobicidade do
papel
AGL
XIL
GLUCURONOARABINOXILANO (GAX)
alfa-(1,6)
XIL
XIL
XIL
XIL
XIL
XIL
XIL
alfa-(1,3)
ARA
beta-(1,4)
beta-(1,3)
ARA
GLUCANO DE LIGAÇÃO MISTA (GLM)
GLC
beta-(1,4)
GLC
GLC
GLC
GLC
GLC
GLC
Figura 4. Hemiceluloses típicas de monocotiledoneas.
XIL=xilose, AGL=ácido glucurônico, ARA=arabinose,
GLC=glicose
GLC
GLC
beta-(1,4)
MAN
MAN
MAN
MANANO PURO (MP)
MAN
MAN
GLC
MAN
MAN
MAN
GLUCOMANANO (GMN)
beta-(1,4)
MAN
MAN
GLC
MAN
GLC
MAN
GLC
acetil
beta-(1,4)
GALACTOMANANO (GM)
GAL
MAN
MAN
MAN
MAN
MAN
MAN
MAN
GAL
GAL
alfa-(1,6)
Figura 5. Hemiceluloses do grupo dos mananos. MAN=manose, GAL=galactose, GLC=glicose
MAN
alfa-(1,4)
AGA
AGA
HOMOGALACTURONANO (HG)
AGA
AGA
AGA
AGA
AGA
MAN
GLC
AGA
A
metil
-
Ca
-
Ca
-
Ca
-
-
Ca
Ca
-
-
Caixa-de-ovos
Ions 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.
B
Figura 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-deovos. Neste caso forma-se um gel.
beta (1,3)
II
o
tan
c
ala
GAL
o
n
i
b
a
r
a
GAL
ARA
GAL
GAL
GAL
arabinogalactano I
beta (1,6)
AGA
alfa (1,6)
RAM
GAL
GAL
AGA
GAL
alfa (1,5)
ARA
RAM
beta (1,4)
AGA
AR
A
RAM
alfa (1,2)
AR
alfa (1,4)
AGA
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 arabinogalactanos
do 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.
A
RAM
AGA
no
a
n
bi
a
r
a
RAM
AGA
Microfibrila 1
T
XE
ATAQUES DA XET E EXPANSINA
Microfibrila 2
Nova Microfibrila
Microfibrila 1
Microfibrila 2
expansina
A
B
RELIGAÇÃO DO XG PELA XET E INTUSSUCEPÇÃO
A
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
PC
50µm
B
Po
liss
ac
arí
de
o
Polissacarídeo
Lignina
deo
Polissacarí
Lignina
Po
Po
l i ss
li
r íd
a
c
ssa
eo
Lignina
ac
arí
de
o
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.
Po
ac
s
lis
de
í
r
a
o
A
V
PC
ML
A
2µm
B
PC
S1
S3
S2
PP
ML
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)
C
A ARQUITETURA DA PAREDE
CELULAR
Microfibrila de celulose
Ramnogalacturonano I
Ponto em que foi proposta ligação
covalente entre extensina e pectina
Extensina com tetrassacarídeos
de arabinose (losangos)
Arabinogalactano
Ponto em que foi proposta ligação
covalente entre xiloglucano e
pectina
Xiloglucano
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.....
Pectinas
Celulose-Hemicelulose
Proteínas
DOMÍNIOS
PAREDE
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).
microfibrila
Hemicelulose
fortemene aderida à
celulose
Hemicelulose
fracamente aderida
à celulose
Pectinas
Proteínas
Compostos fenólicos
Tipo I
Tipo II
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 é
menor 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 é
seguido 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 nm
diametro e
100 - 40 000
nm de
comprimento
AAAAAA
AAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
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 celulósicos
Modelo proposto por Ariel Orellana com base em Arabidopsis – Univ. do Chile
N-P-P-açúcares
Glycosil
Transferase
Ca++
S
S
SS
S
S
S S SS
S
S
S
S
Transportadores de
NDP-Sugar
N-P-P-açúcares
N-P-P-açúcares
Glycosil
Transferase
SS
S
SS
S
S
S
S
S
A PAREDE CELULAR DURANTE
E O CRESCIMENTO
DIA
NOITE
Figura 14
A
pt
B
b
pt
pt
a
Storage walls can be
very complex
M1 antibody binds specifically to fucosylated XGs, which are present only in primary cell walls
Tiné, Braga, Hahn, Freshhour & Buckeridge, unpublished results
A
B
Cross link between
microfibrils
Cellulose microfibril
Pectin domain
Hemicellulose strongly
linked to cellulose
Middle
lamela
Cell wall
Citoplasmic
membrane
C
Hemicellulose
weakly linked to
cellulose
(A) Schematic representation of
the cross section of the “primary”
cell
wall.
The
cellulosehemicellulose
domain
is
embedded in a pectic domain.
(B) The mjicrofibrils are covered
with hemicelluloses (xyloglucan,
arabinoxylans, mannans or betaglucans (in grasses) that can be
bound strongly or weakly to
cellulose.
“Primary wall”
(C)
typical
arabinogalactan
containing wall (lupin and coffee).
Storage wall with pectin as a
major compound
D
“Primary wall”
Storage wall with hemicellulose
as a major compound
(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 parede
do bagaço
Alteração da síntese
Modificação
da estrutura
Aumentar parede
e diminuir sacarose
Controle da hidrólise
Ativação da hidrólise
endógena
Mudança na
arquitetura
Parede modificada
Aumento de acessibilidade
CANA ENERGIA
Açúcares livres fermentáveis
Fermentação
Etanol
Aumento de acessibilidade
A EVOLUÇÃO DA PAREDE
CELULAR
Transference of functions in Angiosperms
Meristem
Leaf
Flower
Fleshy fruit
Seed
ction
d atra
n
a
n
sion
io
iepser
rotect
d
p
o
t
o
t
in
s
fer
sform
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c
u
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protec
nthetic
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y
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b
r
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s
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a
o
t
h
e
Pho
gainst
storag
sfer to
ction a
n
e
t
a
r
o
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r
n
p
ce (
functio
Defen
thetic
n
y
s
o
t
ho
ons: p
otyled
c
e
m
s beco
Leave
Stebbins, G.L.1970 Transference of function as a factor in the evolution of seeds and their
accessory structures. Israel J. Bot. 19, 59-70.
George Ledyard Stebbins
Transference of function:
a mechanism to produce
novelties....or change them!
The Origin of Species
Chapter 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 more
important purpose, and remain perfectly efficient for the other. Thus in plants, the office of the pistil is
to allow the pollen-tubes to reach the ovules protected in the ovarium at its base. The pistil consists of
a stigma supported on the style; but in some Compositae, the male florets, which of course cannot be
fecundated, have a pistil, which is in a rudimentary state, for it is not crowned with a stigma; but the
style remains well developed, and is clothed with hairs as in other Compositae, for the purpose of
brushing the pollen out of the surrounding anthers. Again, an organ may become rudimentary for its
proper purpose, and be used for a distinct object: in certain fish the swim-bladder seems to be
rudimentary for its proper function of giving buoyancy, but has become converted into a nascent
breathing organ or lung. Other similar instances could be given.
Keys to understand phylogenetic trees
Green algae
S. Fry found
isoprimeverose here, what
suggests that xyloglucan is
already present in this
clade
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
Convergência
Di v
erg
ênc
ia
ve
rg
ên
c
ia
Caracteres
análogos
Di
P
mo
s
i
l
e
l
a
ar
Caracteres homólogos
nt S, RS
e
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s
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p
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p
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l
u
l
m
Ce a p o
as
h
l
ce
i
em
se
o
l
lu
s
Convergência funcional
Transferência
de função
HIERARCHICAL NETWORK FORMED BY SIX FUNCTIONS AND 20 CHARACTERS
Ch 1
Ch 6
Ch 13
Ch 2
Ch 3
Function A
Ch 4
Ch 5
Ch 11
Function F
Ch 15
Ch 14
Function B
Ch 7
Ch 8
Ch 16
Ch 9
Function C
Function D
Ch 13
Ch 12
Function E
Ch 17
Ch 20
Ch 19
Ch 10
Ch 18
WILD IDEA !
HIERARCHICAL NETWORK FORMED BY SIX FUNCTIONS AND 20 CHARACTERS
Ch 1
Ch 6
Ch 13
Ch 2
Ch 3
Function A
Ch 4
Ch 5
Ch 11
Function F
Ch 15
Ch 14
Function B
Ch 7
Ch 8
Ch 16
Ch 9
Function C
Function D
Ch 13
Ch 12
Function E
Ch 17
Ch 20
Ch 19
Ch 10
Ch 18
WILD IDEA !
Polissacarídeos e a robustez das redes funcionais na parede
Susceptibilidade ao ataque
Celulose
Xilano
Pectinas (RGI)
Ramificações das
pectinas
Xiloglucano
Arabinoxilano
Galactomanano
Beta-glucano
Número de nós com k links
Probabilidade de encontrar mutantes
Número de links (k)
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!
Legumes, Ferns
Legumes, Ferns
Evolution of the
cellulose-hemicellulose
domain in plants
JG
XG
XXXG
XXGG
XXXXG
Alpha galactosidase
G
MMMMM
G
Epiphytism
Ara tran
(Csl 5)
GAX
Beta glucan
XG
Csl
1
MMMMM
Coffee,
Palms
GGGG
Xylan
Csl 2
Csl 4
(cellulose)
CesA
MGMGM
?
Csl 3
A A
MMMMM
A A
Orchids,
Bromeliads
MMMMM
G
Acetyl transferase
G G G
MGMGM
Galactosyl transferase
Orchids,
Bromeliads,
Ferns,
Asteraceae
(Csl 6)
PP,PT,TP
Hardness
SG
LG
Galactosyl tranferase
FG
Water retention
Cellulose-Xg binding control ?
(Csl n)
G G G
MMMMM
G G