- Časopis Quark - https://www.quark.sk -

Prestavba rastlinnej bunkovej steny

Najvýznamnejším rozdielom medzi živočíšnou a rastlinnou alebo fungálnou bunkou je prítomnosť či neprítomnosť bunkovej steny bohatej na polysacharidy.

Primárna bunková stena rastlín. Vľavo model usporiadania štrukturálnych polysacharidov v primárnej bunkovej stene inšpirovaný Albersheim a kol., Plant Cell Walls, from Chemistry to Biology 2011. Vpravo vplyv účinku enzýmu xyloglukánendotransglykozyláza na rozvoľňovanie primárnej bunkovej steny, inšpirovaný Fry, New Phytologist 2004, obrázky B. Stratilová

V priebehu evolúcie sa bunkové steny vyvinuli tak, aby boli schopné zabezpečiť množstvo funkcií vrátane podpory mechanickej stability bunky a samotnej rastliny, difúzie látok a regulácie rastu, ochrany proti biotickému a abiotickému stresu alebo medzibunkovej komunikácie. Existujú primárne a sekundárne bunkové steny, ktoré sa líšia svojím zložením, štruktúrou a funkciou, ale rozdiely pozorujeme aj v rámci evolučného vývoja rastliny, medzidruhových rozdielov, alebo dokonca v závislosti od rastových podmienok. V časoch označovaných ako klimatická kríza môžeme predpokladať, že sa bude čoraz viac prejavovať práve posledný zo spomínaných faktorov.

Zloženie

Nosným polysacharidom dynamickej primárnej bunkovej steny je celulóza. Celulóza je súčasne najrozšírenejšou organickou látkou na Zemi. Jej paralelne usporiadané vlákna sú zosieťované rôznymi hemicelulózami, v prípade dvojklíčnolistových rastlín najmä xyloglukánom (celulózovo-xyloglukánová sieť). Xyloglukán sa však v menších množstvách nachádza vo všetkých primárnych bunkových stenách rastlín vrátane zelených rias.
Priestor medzi vláknami týchto polysacharidov je vyplnený pektínom sgelifikačnými vlastnosťami a schopnosťou zachytávať napríklad ióny ťažkých kovov. Vzájomné interakcie týchto polysacharidov sú zabezpečené kovalentnými a vodíkovými väzbami. V prípade sekundárnych stien, ktoré sú typické pre drevnaté a cievne pletivá, je pektín v prevažnej miere nahradený sieťovanými glykánmi a lignínom.

Reštrukturalizácia

Model enzýmu xyloglukánendotransglykozyláza s nadokovaným donorovým a akceptorovým fragmentom xyloglukánu, model a obrázok B. Stratilová

V prípade rastu buniek alebo zmien turgorového tlaku (prijímanie vody a živín) je nevyhnutná prestavba rigidnej bunkovej steny, aby bola umožnená zmena veľkosti, prípadne tvaru bunky. Tento proces zabezpečujú enzýmy, tzv. xyloglukánendotransglykozylázy, ktoré katalyzujú štiepenie xyloglukánu spájajúceho molekuly celulózy a prenášajú jeho fragmenty na iné molekuly, prípadne inkorporujú do štruktúry novosyntetizovaný xyloglukán. V dôsledku toho dochádza k približovaniu alebo vzďaľovaniu molekúl celulózy, bunková stena sa rozvoľní alebo stiahne, čím umožní zmenu vnútrobunkového objemu. Tento proces je vzhľadom na svoj význam pre bunku esenciálny a prebieha neustále. Enzým, ktorý ho umožňuje, si rastliny vyvinuli súčasne s bunkovými stenami s obsahom xyloglukánu, t. j. nájdeme ho už v zelených riasach.

Xyloglukánendotransglykozyláza

Objav enzýmu xyloglukánendotransglykozyláza bol publikovaný v roku 1992 naraz tromi výskumnými skupinami – japonskou, anglickou a našou. Odvtedy sa vylepšujú metódy stanovenia a identifikácie týchto enzýmov, narastá počet primárnych štruktúr v databázach, určujú a porovnávajú sa ich vlastnosti. Veľkým prínosom bolo stanovenie prvej (a zatiaľ jedinej) kryštalografickej štruktúry xyloglukánendotransglykozylázy švédskou skupinou, ktorá okrem biochemických a molekulárno-biologických štúdií otvorila cestu aj metódam výpočtovej chémie.
Naša skupina na Chemickom ústave SAV sa zamerala najmä na štúdium substrátovej špecificity týchto enzýmov. Zistili sme, že napriek predpokladom je väčšina týchto enzýmov schopná spájať kovalentnou väzbou aj xyloglukán s celulózou. Našli sme aj formy, ktoré katalyzovali prenosy fragmentov xyloglukánu a celulózy na hemicelulózy alebo pektín, t. j. boli schopné sieťovať všetky polysacharidy bunkových stien. Kombinovanými metódami výpočtovej chémie, bioinformatiky a mutačnej analýzy sme zistili, ktoré konkrétne aminokyseliny väzobného miesta zodpovedajú za rôznu substrátovú špecificitu týchto enzýmov a pomocou fluorescenčne značených substrátov lokalizovali mikroskopicky miesta, kde sa tieto enzýmy nachádzajú.

Mgr. Barbora Stratilová,
Mgr. Stanislav Kozmon, PhD.,
Ing. Eva Stratilová, PhD.
Centrum glykomiky Chemického ústavu SAV v Bratislave,
Katedra fyzikálnej a teoretickej chémie PriF UK v Bratislave
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 10/2021. Ak ešte nie ste našou predplatiteľkou/naším predplatiteľom a chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.
Komentáre