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Celulosa:

La celulosa es la base de la pared celular, sirviendo de armazón para la unión de otros componentes. Los complejos enzimáticos de celulosa sintasa están unidos a la membrana y tienen una estructura en rosetas hexaméricas de 25-30 nm de diámetro, que se puede observar mediante criofractura (Brown et al., 1996). Cada subunidad de la roseta emplea UDP-glucosa como sustrato para generar cadenas de β(1-4)-glucano.

Las proteínas de las subunidades catalíticas de la celulosa sintasa (CesA) están codificadas por genes de la familia CesA. Por ejemplo, en Arabidopsis hay al menos 10 genes de esta familia (Doblin et al., 2002). Cada unidad hexamérica de la roseta contiene seis subunidades, y cada subunidad contiene seis proteínas CesA, de forma que cada roseta contiene un total de 36 proteínas CesA. Estudios genéticos indican que en cada roseta debe haber como mínimo tres proteínas diferentes, y además serán diferentes según se forme una pared primaria (CesA1, CesA3 y CesA6) o secundaria (CesA4, CesA7 y CesA8) (Somerville, 2006).

Las proteínas CesA tienen un gran tamaño (sobre 1000 aminoácidos) y son proteínas de membrana: tienen ocho dominios transmembrana y un dominio hidrofílico hacia el citosol.

Además de las proteínas CesA, la síntesis de celulosa requiere otras proteínas, entre las que se pueden destacar las codificadas por los siguientes genes:

• KORRIGAN: codifica una β(1,4)-glucanasa (Lane et al., 2001)

• CYT1: su producto está relacionado con la biosíntesis de GDP-manosa (Lukowitz et al., 2001)

• PEANUT: codifican enzimas relacionados con la biosíntesis de glucosilfosfatidilinositol anclado a membrana

• COBRA: codifica una proteína esencial para la organización de las microfibrillas (Roudier et al., 2005)

Hemicelulosas:

Los genes de la familia CSL (Cellulose Synthase Like) codifican las glicano sintasas que participan en la síntesis de los polisacáridos que conforman los esqueletos de las hemicelulosas. Los genes CSL pertenecen a la misma superfamilia que los genes CesA y aparentemente están en el genoma de todas las plantas (Keegstra y Walton, 2006). Los CSLA codifican manano sintasas (Dhugga et al., 2004) y los CSLC glucano sintasas (Cocuron et al., 2007).

Además de estos esqueletos, las hemicelulosas contienen cadenas laterales que son añadidas mediante glicosiltransferasas que son proteínas integrales de membrana con un dominio catalítico hacia el lumen del Golgi (Keegstra y Raikhel, 2001).

• Fucosiltransferasa: identificada en Arabidopsis y en guisante. En Arabidopsis el gen responsable es el AtFT1. Un mutante deficiente en fucosa de Arabidopsis (mur2) mostró una mutación en este gen (Vanzin et al., 2002; Perrin et al., 2001)

• Galactosiltransferasa: añade galactosa en el tercer residuo de xilosa de la estructura XXXG. En A. thaliana está codificada por MUR3. El mutante mur3 carece de fucosa debido a la falta de galactosa en el lugar en el que la fucosa debería ser añadida (Madson et al., 2003).

• Xilosiltransferasa: una de las xilosiltransferasas (XT1) fue identificada por su similaridad con una galactosiltransferasa del fenogreco. Su función fue determinada por la expresión de genes candidatos en Pichia pastoris, demostrando que XT1 cataliza la transferencia de UDP-xilosa al β(1,4)-glucano. Posteriormente se identificó GT34, una xilosiltransferasa que presenta propiedades similares.

Pectinas:

Mediante aproximaciones genéticas se han identificado algunos genes relacionados con la biosíntesis de pectinas, entre los que se pueden destacar QUA1, NpGUT1 o PARVUS/GLZ1.

Se identificaron dos mutantes de Arabidopsis (qua1-1, qua1-2) que se caracterizaban por una reducción en el contenido de ácido galacturónico en su pared celular (Bouton et al., 2002). Posteriormente, se demostró que los mutantes qua1 presentaban una reducción en la actividad galacturonosiltransferasa y una reducción de la actividad xilano sintasa indirecta (Orfila et al., 2005).

En Arabidopsis se conocen la GAUT1 (Sterling et al., 2006), que es una galacturonosil transferasa; RGXT2 (Egelund et al., 2006) que es una xilosil transferasa de ramnogalacturonano II y XGD1 (Jensen et al., 2008) que es una xilosil transferasa de xilogalacturonano.

Bibliografía:

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Una de las características definitorias de las células vegetales es la presencia de la pared celular, que cumple funciones como mantener la forma, actuar como reserva de carbono y proteger de las agresiones externas actuando como filtro.

La pared celular se extiende permitiendo el crecimiento celular en respuesta a un programa genético, lo que va a determinar la velocidad y dirección de este crecimiento.

Se distinguen dos tipos de pared celular (Carpita y Gibeaut, 1993):

• Pared celular primaria: es la que se va depositando durante el crecimiento de la célula y debe proporcionarle estabilidad, aunque también debe ser extensible como para permitir la expansión de las células sin que se rompan por la turgencia. Está constituida por polisacáridos (celulosa, hemicelulosas y pectinas) y por glicoproteínas estructurales.

• Pared celular secundaria: se deposita una vez que finaliza el crecimiento y confiere mayor estabilidad. Está presente sólo en algunos tipos celulares y se caracteriza por la presencia de lignina.

PARED CELULAR PRIMARIA:

La pared celular primaria está formada por celulosa, hemicelulosas, pectinas y proteínas.

Celulosa:

La celulosa es el polisacárido más sencillo en la pared celular. Son microfibrillas con una estructura cristalina de entre 5 y 15 nm de grosor formadas por cadenas de β-1,4-glucosa. Cada microfibrilla contiene 36 cadenas situadas en paralelo y unidas por puentes de hidrógeno. Cada residuo de glucosa está rotado respecto a los contiguos, lo que permite que se mantenga una estructura plana y rígida, y a su vez permite que se establezcan los puentes de hidrógeno con las cadenas adyacentes.
La celulosa representa aproximadamente el 70% del peso seco de la pared.

Hemicelulosas:

Son polisacáridos relativamente lineales y neutros, que se unen entre sí o a las microfibrillas de celulosa por puentes de hidrógeno. El más abundante en dicotiledóneas es el xiloglucano.

Xiloglucano: son cadenas de β(1-4)-glucano que tienen entre 300 y 3000 residuos de glucosa. Casi el 75% de los residuos tienen unida xilosa (β-D-xilopiranosa) en el C6 mediante un enlace α(1-6). La unidad estructural básica es XXXG según la nomenclatura propuesta por  Fry et al. (1993).
Los restos de xilosa a su vez unen otros residuos en el C2 que pueden ser galactosa (β-D-galactopiranosa) o galactosa unida a su vez a fucosa (L-fucopiranosa-α(1-2)-D-galactopiranosa). Dependiendo de la especie que se trate, la proporción de estos residuos será diferente (Hoffman el al., 2005).
Para conocer la estructura del xiloglucano se puede realizar una digestión con endo-β(1-4)-glucanasas de hongos (Fry et al., 1993) que actúan en los enlaces C1 de las glucosas que no están sustituidas, por lo que generalmente se obtienen oligosacáridos con cuatro residuos de glucosa.

El xiloglucano se une a la celulosa por puentes de hidrógeno, formando una red xiloglucano-celulosa.

El xiloglucano mantiene las microfibrillas separadas, lo que provoca que aumente la elasticidad de la pared. Las cadenas laterales dotan al xiloglucano de sus principales características: la xilosa impide la formación de haces, la galactosa evita la agregación que podría provocar su precipitación y la fucosa facilita la adopción de una conformación plana.
El xiloglucano se puede dividir en tres dominios según su accesibilidad, y tienen diferencias en el contenido de subunidades (Pauly et al., 1999):

• El primer dominio es accesible al tratar la pared con endoglucanasas. Representa la fracción no unida a celulosa.

• El segundo dominio es el que está unido a la superficie de las microfibrillas y se extrae con tratamiento alcalino mediante KOH.

• El tercer dominio es accesible únicamente al tratar las paredes con celulasas, ya que se trata del xiloglucano que se encuentra atrapado en el interior de las microfibrillas de celulosa.

Nomenclatura de los oligosacáridos:

Los oligosacáridos del xiloglucano se nombran según la nomenclatura propuesta por (Fry et al., 1993): cada glucosa se representa por una letra que indica el tipo de cadena lateral que lleva unida, y se empieza siempre por el extremo no reductor.

Glucano mixto: está formado únicamente por residuos de glucosa unidos por enlaces β(1-4) y β(1-3) intercalados. No puede formar microfibrillas ya que adopta estructura globular, y sólo está presente en gramíneas.

Xilanos: están formados por β(1-4) xilosa, y tiene cadenas laterales de arabinosa y de ácido glucurónico.  Los arabinoxilanos y en menor grado los glucuronoarabinoxilanos están presentes en la pared celular primaria de gramíneas.
Mananos: están formados por manosa unida mediante enlaces β(1-4) que unen residuos de galactosa, y en algunos casos la manosa se intercala con glucosa. Son componentes minoritarios, pero importantes en las semillas ya que actúan como protección frente a la desecación.

Bibliografía:

Carpita NC, Gibeaut DM (1993) Structural models of primary cell walls in flowering plants: consistency of molecular structure with the physical properties of  the walls during growth. Plant J 3: 1–30.

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Pauly M, Albersheim P, Darvill A, York WS (1999) Molecular domains of the cellulose/xyloglucan network in the cell walls of higher plants. Plant J 20: 629–639.