Las paredes celulares son características importantes de las células vegetales que realizan una serie de funciones esenciales, incluida la forma de los diferentes tipos de células necesarios para formar los tejidos y órganos de una planta. Al formar la interfaz entre las células adyacentes, las paredes celulares de las plantas a menudo juegan un papel importante en la comunicación intercelular. Debido a su ubicación en la superficie, las paredes celulares de las plantas juegan un papel importante en las interacciones planta-microbio, incluidas las respuestas de defensa contra posibles patógenos. El deseo de comprender estas y otras funciones de la planta ayuda a explicar el gran interés en la estructura de la pared y la biosíntesis.
Las paredes celulares de las plantas generalmente se dividen en los libros de texto en dos categorías: paredes primarias que rodean las células en crecimiento o células capaces de crecer y paredes secundarias que son estructuras engrosadas que contienen lignina y células especializadas circundantes, como elementos de vasos o células de fibra. En realidad, todas las células diferenciadas contienen paredes con composiciones distintas, lo que resulta en un espectro de paredes celulares especializadas con paredes primarias y secundarias como dos extremos. Este breve resumen prospectivo se centra principalmente en los problemas que deben resolverse si queremos comprender el papel de las paredes celulares en la fisiología de las plantas. Muchas revisiones sobresalientes cubren el progreso reciente, incluida una serie de excelentes actualizaciones en un número especial reciente de Plant Physiology centrado en este tema (ver McCann y Rose, 2010). Además, el componente de lignina de las paredes celulares secundarias está cubierto en otra parte de este tema (Li y Chapple, 2010), al igual que los usos de las paredes celulares como fuente de energía (Somerville et al., 2010). El autor se disculpa con los muchos colegas cuyo trabajo no pudo ser citado debido a limitaciones de espacio.
CUESTIONES ESTRUCTURALES
Los componentes de polisacárido y glicoproteína que se encuentran en las paredes celulares de las plantas se han caracterizado estructuralmente bien. Ahora necesitamos comprender cómo se organizan estos componentes en la matriz tridimensional necesaria para que las paredes celulares de las plantas realicen sus funciones.
El componente más característico que se encuentra en todas las paredes celulares de las plantas es la celulosa. Consiste en una colección de cadenas de glucano unidas a β-1,4 que interactúan entre sí a través de enlaces de hidrógeno para formar una microfibrilla cristalina (Somerville, 2006). Además de la celulosa, las paredes celulares de las plantas contienen varios polisacáridos de matriz que se agrupan en dos categorías generales: (1) los polisacáridos pécticos incluyen homogalacturonan y rhamnogalacturonan I y II (Harholt et al., 2010) y (2) los polisacáridos hemicelulósicos incluyen xiloglucanos, glucomananos, xilanos y glucanos de enlace mixto (Scheller y Ulvskov, 2010). Las paredes celulares de las plantas también contienen muchas proteínas y glicoproteínas, incluidas varias enzimas y proteínas estructurales (Rose y Lee, 2010). Por ejemplo, las proteínas de arabinogalactano son moléculas estructuralmente complejas que se encuentran en la membrana plasmática y en la pared celular; Se cree que juegan un papel importante en el reconocimiento y la señalización de eventos en la superficie celular (Ellis et al., 2010). A pesar de la tentadora evidencia de su participación en muchos eventos importantes de reconocimiento y señalización, hay pocos detalles disponibles sobre cómo se reconocen o cómo el reconocimiento conduce a la transmisión de la señal.
¿Cómo se organizan los componentes de la pared en una matriz funcional? Con los años, se han propuesto varios modelos para explicar la organización de los componentes de la pared (Keegstra et al., 1973; Carpita y Gibeaut, 1993; Somerville et al., 2004). La mayoría de los modelos se han centrado en comprender la organización de los componentes en las paredes celulares primarias que permitirían la reorganización regulada de los componentes de la pared durante el crecimiento y la diferenciación celular. Se sabe que los polisacáridos hemicelulósicos se unen fuertemente a las microfibrillas de celulosa a través de enlaces de hidrógeno y la mayoría de los modelos de pared han incorporado esta interacción como una característica importante de la arquitectura de la pared celular. Se sabe menos sobre cómo los polisacáridos pécticos interactúan con otros componentes en las paredes celulares de las plantas, pero existe una creciente conciencia de su importancia en las paredes celulares primarias, donde son más abundantes.
La naturaleza dinámica de las paredes celulares de las plantas es una característica importante que falta en la mayoría de los modelos. A medida que las células crecen y se diferencian, se coloca nuevo material de pared cerca de la membrana plasmática y se empuja hacia afuera el material de pared más antiguo. Este proceso tiene el potencial de crear un muro donde la composición y la arquitectura no son uniformes a través del muro. Por ejemplo, se cree que los polisacáridos pécticos se depositan poco después de la división celular, lo que lleva a una lámina media rica en pectinas; otros componentes se depositan más tarde. Esta diferenciación de la pared puede ser especialmente importante para los componentes de proteínas y glicoproteínas, como los AGP que pueden cambiar a medida que las células maduran y se diferencian. La información sobre dicha heterogeneidad se pierde cuando los tejidos se muelen y se someten a análisis bioquímicos. Por lo tanto, para comprender completamente la naturaleza dinámica de las paredes celulares de las plantas a nivel molecular, se necesitan nuevas técnicas de visualización que revelen la complejidad tridimensional de las paredes en las células individuales, así como la capacidad de monitorear cualquier cambio en función del tiempo de desarrollo. y espacio. Una herramienta importante que ayudará en tales estudios es un conjunto de anticuerpos y proteínas de unión a carbohidratos que pueden usarse para visualizar epítopos específicos dentro de las paredes celulares de las plantas (Pattathil et al., 2010). El análisis preliminar respalda la hipótesis de que cada tipo de célula tiene una matriz distinta de componentes de la pared, pero se necesitará mucho más trabajo y una resolución aún mayor para obtener la información deseada sobre la organización tridimensional de los componentes de la pared celular.
CUESTIONES BIOSINTÉTICAS
Probablemente, la mayor brecha en nuestro conocimiento sobre las paredes celulares se relaciona con la biosíntesis de los diversos componentes de la pared. Se ha estimado que se requieren más de 2000 genes para la síntesis y el metabolismo de los componentes de la pared celular (McCann y Rose, 2010). La identificación de los genes responsables de la biosíntesis de pared y la caracterización de las funciones bioquímicas y biológicas de los productos génicos que median la biosíntesis de pared son áreas importantes de la actividad de investigación actual. Finalmente, a medida que se revela el proceso de biosíntesis de la pared, será importante comprender cómo se regulan estos procesos, tanto a nivel bioquímico como transcripcional.
Una característica importante de la biosíntesis de la pared celular de la planta es que involucra múltiples compartimentos celulares (Fig. 1). Específicamente, la celulosa se sintetiza en la membrana plasmática y las microfibrillas de celulosa insolubles se depositan directamente en la matriz extracelular. Por otro lado, los polisacáridos de matriz y varias glicoproteínas se sintetizan en el sistema endomembranoso, y los polímeros se entregan a la pared a través de vesículas secretoras (Fig. 1). Los componentes sintetizados en diferentes ubicaciones deben ensamblarse en una matriz de pared funcional. Aunque se sabe muy poco sobre este proceso de ensamblaje, parece probable que sea un evento mediado, que probablemente requiera proteínas de diversos tipos.
Figura 1.
Representación esquemática de los eventos clave en la biosíntesis de la pared celular. La biosíntesis de celulosa se produce en la membrana plasmática en grandes complejos visualizados como rosetas. La síntesis de polisacáridos de matriz y glucoproteínas se produce en el Golgi, donde el …
La biosíntesis de celulosa implica un gran complejo de múltiples subunidades que contiene al menos tres enzimas de celulosa sintasa diferentes y probablemente otras proteínas (Guerriero et al., 2010). Estas proteínas forman un complejo que aparece en la membrana plasmática como una estructura de roseta que se cree que transfiere Glc de UDP-Glc citosólico para producir múltiples cadenas de glucano extracelular que finalmente se unen en una microfibrilla de celulosa (Fig. 1). Si bien se ha aprendido mucho sobre la biosíntesis de celulosa en las últimas dos décadas (Somerville, 2006; Guerriero et al., 2010), quedan muchas preguntas. Por ejemplo, a nivel bioquímico, ¿cómo se inicia la polimerización de la cadena de glucano? ¿Cómo se transportan las moléculas de azúcar individuales, o las cadenas en crecimiento, a través de la membrana plasmática mientras se mantiene el potencial de membrana característico de las células vivas? A nivel biológico celular, ¿cómo se orientan adecuadamente las microfibrillas de celulosa? Se sabe que los microtúbulos corticales son importantes para determinar la orientación de las microfibrillas de celulosa (Wightman y Turner, 2010), pero los detalles moleculares de cómo se logra esto aún no están claros.
La biosíntesis de los polisacáridos de la matriz y la glucosilación de diversas glucoproteínas de la pared celular se producen en las membranas de Golgi (Fig. 1). Aunque los avances recientes han mejorado nuestra comprensión de la síntesis de estas moléculas (Ellis et al., 2010; Harholt et al., 2010; Scheller y Ulvskov, 2010), quedan muchas preguntas importantes. A nivel bioquímico, debemos identificar y caracterizar las enzimas necesarias para sintetizar la gran variedad de componentes de la matriz. Por ejemplo, se ha estimado que se requieren más de 65 enzimas diferentes para sintetizar los polisacáridos pécticos que se sabe que existen en las células vegetales (Harholt et al., 2010). Sin embargo, solo algunos de ellos han sido identificados y caracterizados, en parte debido a la dificultad inherente del problema.
Hay dos estrategias básicas disponibles para identificar las funciones bioquímicas y biológicas asociadas con las muchas secuencias de genes que se han identificado como candidatos para participar en la biosíntesis de la pared. El primero es la expresión de un gen clonado seguido de la medición de la actividad bioquímica de la proteína resultante. La expresión del gen es relativamente fácil, pero medir la actividad bioquímica resultante es difícil, en gran parte debido a la especificidad extrema de las enzimas glicosiltransferasas. Muchos de los sustratos que donan moléculas de azúcar están disponibles comercialmente, pero pocas de las moléculas aceptoras lo están. Estos últimos son a menudo carbohidratos complejos que son difíciles de producir en el laboratorio. Finalmente, existe una creciente evidencia de que muchas enzimas biosintéticas de pared actúan en complejos multienzimáticos, de modo que los ensayos in vitro pueden requerir la acción de múltiples enzimas. Una segunda estrategia para explorar la función génica es la genética inversa utilizando el poder de sistemas modelo como Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ; Liepman et al., 2010). Sin embargo, este enfoque a menudo se complica por la presencia de múltiples genes que codifican una enzima particular, por lo que se necesitan mutantes de orden doble, triple o incluso de orden superior. Una vez que se obtienen los mutantes, algunas plantas mutantes no tienen un fenotipo visible, pero incluso cuando los mutantes tienen cambios morfológicos, se necesita un análisis detallado para definir los cambios bioquímicos en los componentes de la pared y conectarlos a los cambios morfológicos.
Aunque se está avanzando en la identificación y caracterización de los genes necesarios para la síntesis de los componentes de la matriz de la pared (Ellis et al., 2010; Guerriero et al., 2010; Harholt et al., 2010; Scheller y Ulvskov, 2010), poco es Se sabe cómo se regula la producción y acumulación de componentes de la pared. Está claro que la síntesis de los componentes de la pared está regulada de maneras muy específicas para producir la diversidad de formas y funciones celulares que caracterizan a una planta viva. Pero comprender cómo se logra esta deposición regulada de los componentes de la pared es un desafío importante.
Un aspecto importante de controlar este proceso general es la regulación del flujo de carbono hacia los azúcares de nucleótidos que son los donantes de azúcar para los polímeros de la pared celular (Reiter, 2008). Todavía se desconoce cómo se regula este flujo de carbono, es decir, los controles bioquímicos, los controles transcripcionales o ambos, y cuánto contribuye esta regulación a la regulación general de la deposición de la pared.
Otro punto probable de regulación son las actividades de las glicanos sintasas y glicosiltransferasas que ensamblan los polisacáridos de la pared a partir de los azúcares de nucleótidos. Una hipótesis atractiva plantea que la cantidad de estas enzimas se regula controlando la expresión génica, probablemente de manera coordinada, de modo que todas las enzimas necesarias para la producción de un componente de pared particular se regulan de forma coordinada. Además, parece probable que las actividades de muchas enzimas puedan controlarse mediante la fosforilación u otros mecanismos. Las cantidades y las tasas de deposición de celulosa pueden controlarse en parte por la ubicación y el ciclo de las rosetas que median la síntesis de celulosa, mientras que la orientación de las microfibrillas de celulosa está determinada por las interacciones con el citoesqueleto (Wightman y Turner, 2010; ver Fig. 1) .
Otros puntos reguladores potenciales son los pasos de entrega y montaje. Por ejemplo, el suministro de componentes de la matriz desde el Golgi a la superficie celular puede regularse controlando la actividad del sistema secretor. Se ha sugerido que las células tienen mecanismos de retroalimentación que detectan el estado de la pared celular y controlan los eventos de deposición de la pared en respuesta a la necesidad (ver Seifert y Blaukopf, 2010, para una actualización reciente). Sin embargo, quedan muchas preguntas importantes sobre cómo funcionan estos mecanismos de retroalimentación.
OBSERVACIONES FINALES
Una última cuestión relevante tanto para la estructura de las paredes celulares de las plantas como para la biosíntesis de los componentes de las paredes es la relación evolutiva de las paredes celulares de las muchas especies de plantas y sus progenitores de algas. Si bien la mayoría del trabajo sobre estructura y biosíntesis se ha centrado en las angiospermas, especialmente en sistemas modelo como Arabidopsis (Liepman et al., 2010) y plantas de cultivo, el trabajo reciente sobre las paredes celulares de las algas y las plantas primitivas ha comenzado a dar una visión interesante de la evolución de paredes celulares y sus componentes (Popper y Tuohy, 2010; Sørenson et al., 2010). Dichos estudios pueden conducir a ideas importantes sobre las relaciones funcionales entre los diversos componentes de la pared.
Una conclusión importante de este breve resumen es que la comunidad de plantas enfrenta muchos desafíos para comprender la estructura, la función y la biosíntesis de la pared celular. Se necesitarán nuevos métodos biofísicos y de visualización para comprender la organización de los componentes en la pared de una sola célula. Con respecto a los desafíos de comprender la biosíntesis de la pared celular y su regulación, la biología molecular, la genética molecular y la genómica ya han proporcionado muchas herramientas nuevas y poderosas para que se pueda esperar un rápido progreso.
