Клеточная стенка – мощный потребитель фотосинтетических ассимилятов. Именно компоненты клеточной стенки, в первую очередь целлюлозу и лигнин, которые в растительном организме практически никогда не расщепляются, можно рассматривать как конечные продукты фотосинтеза. Затраты клетки на создания клеточной стенки необходимы для образования субстратов синтеза ее компонентов, их транспортировки по растению и внутри клетки, формирования сложного ферментативного комплекса, энергетических расходов.

1.2 Состав клеточных стенок

Основным компонентом клеточных стенок, значение которого часто недооценивается, является вода. Матрикс клеточной стенки на 75% состоит из воды и напоминает плотный водный гель (Cosgrove, 1997). Важной характеристикой клеточной стенки является ее рН. Различные методы определения обычно дают значения рН между 4 и 5 (Fry, 1988; Peters, Felle, 1991; Rayle, Cleland, 1992; Schopfer, 1993). Однако уникальность свойств клеточной стенки определяется присутствующими в ней полимерами, среди которых полисахариды, фенольные соединения (лигнин), белки.

Номенклатура полисахаридов построена так, что последним в слове называются формирующие остов молекул моносахара, к корню которых добавляется суффикс – ан. Например, «ксилан», если остов из ксилозы, «глюкан», если остов из глюкозы и т.д. Перед названием остова ставятся названия тех моносахаров, которые встроены в боковые цепочки. Например, «глюкуроноксилан», если к остову из ксилозы присоединены боковые звенья из глюкуроновой кислоты. Правда, структура полисахаридов значительно разнообразнее, чем можно изобразить словесными построениями; с примерами этого мы столкнемся, разбирая ниже структуру отдельных полисахаридов.

Полисахариды клеточной стенки подразделяют на три класса: 1) целлюлоза; 2) связующие гликаны (раньше называли гемицеллюлозы); 3) пектиновые вещества. Эта терминология в настоящее время наиболее распространена, хотя и достаточно условна, поскольку названия основаны на разных принципах, а граница между вторым и третьим классом несколько размыта. К первому типу относится, единственный полисахарид – целлюлоза. Название второго класса полисахаридов клеточной стенки определяется тем, что они связывают между собой микрофибриллы целлюлозы. Этот термин применяют ко всем нецеллюлозным полисахаридам, не относящимся к пектиновым веществам, поэтому в этот класс попадают и те полимеры, функции которых не совсем ясны, например глюко(галакто) маннаны. Раньше все эти полисахариды называли гемицеллюлозы, что означает «полуцеллюлозы» и совсем не отражает их состав и функции. Разграничение этих полимеров с пектиновыми веществами по наличию или отсутствию уроновых кислот также не совсем абсолютно, поскольку некоторые из связующих гликанов содержат уроновые кислоты, хотя и в минорных количествах. Путаница с подобной терминологией полисахаридов клеточной стенки приводит к тому, что исследователи пытаются использовать другой тип классификации – по экстрагируемости полисахаридов различными растворами. Например, «фракция, растворимая в оксалате аммония», или «фракция, растворимая, в уксусно-азотном реактиве». Эта классификация вполне корректна, но, кроме неблагозвучности, обладает тем недостатком, что не дает представления о том, какие именно полисахариды в нее входят, поскольку у различных растительных образцов одним и тем же растворителем могут извлекаться разные полимеры. С другой стороны, один и тот же полимер может попадать в различные фракции из-за наличия или отсутствия у его молекул связей с другими компонентами клеточной стенки. Предпочтительным, конечно, является перечисление индивидуальных полисахаридов, а не несколько безликой группы полимеров, но такая характеристика является достаточно трудоемкой и выполнена лишь для ограниченного круга объектов. И все же отнесение полисахарида к той или иной группе дает его первичную характеристику и ориентиры в возможных функциях.

Целлюлоза

Целлюлоза, вероятно, – самый известный полимер клеточной стенки. Подсчитано, что ежегодно на Земле синтезируется 180 миллиардов тонн целлюлозы (Delmer, 1999). Кроме высших растений, целлюлозу способны синтезировать большинство водорослей, некоторые слизевики (Dictyostelium), ряд видов бактерий (включая цианобактерии, а также Acetobacter xylinum, Agrobacteriem tumifaciens), некоторые грибы, а среди животных организмов – оболочники (Tunicata) (Saxena, Brown, 2005).

Строение молекул целлюлозы с первого взгляда производит впечатление очень простого, поскольку они представляют собой линейные молекулы гомополимера, состоящего из глюкозы. Все остатки глюкозы находятся в пиранозной форме и соединены между собой первым атомом углерода одной молекулы глюкозы и четвертым атомои углерода следующей молекулы. Тип связи одинаков для всех мономеров – b. Все вместе это записывается как b – (1®4) – D-глюкан. Степень полимеризации молекул целлюлозы составляет порядка 10 000, колеблясь в пределах 300 – 15 000.

Цепочки целлюлозы образуют кристаллическую надмолекулярную структуру: несколько дюжин молекул целлюлозы связаны между собой водородными связями (рис. 11) и силами Ван-дер-Вальса в микрофибриллу, толщина которой составляет 5–10 нм. Отдельная молекула целлюлозы обычно имеет степень полимеризации в несколько тысяч молекул глюкозы и достигает длины 2–3 мкм. Внутри микрофибриллы молекулы целлюлозы начинаются и кончаются в разных местах, поэтому микрофибрилла может достигать сотен микрометров в длину и содержать тысячи индивидуальных цепочек. В качестве аналогии можно привести льняную нитку, которую можно сделать неограниченной длины, хотя состоит она из волокон, каждое их которых – не более нескольких сантиметров в длину. Прочность на разрыв (tensile strength) микрофибрилл целлюлозы выше, чем у стали.

В молекуле целлюлозы глюкозные остатки расположены в одной плоскости, так что формируется плоская, лентообразная цепочка. Внутри микрофибриллы отдельные молекулы расположены параллельно друг другу, то есть все восстанавливающие концы направлены в одну сторону (целлюлоза I). Подобную конфигурацию непросто объяснить с термодинамической точки зрения, поскольку при антипараллельной ориентации появляется возможность для дополнительной водородной связи, что делает такое расположение более вероятным. При самосборке целлюлозные цепи соединяются именно в антипараллельной ориентации (целлюлоза II).

В микрофибрилле высокоупорядоченные, кристаллические участки чередуются с относительно неупорядоченными, аморфными, которые отличаются по своим свойствам. Степень кристалличности (доля упорядоченных участков) в растительных объектах довольно высока и составляет от 60 до 80%. Аморфные участки – «слабое место» микрофибрилл. Различают также Ia (triclinic unit) и Ib (monoclinic unit) структуры целлюлозы I, которые отличаются молекулярной конформацией и упаковкой кристалла (Delmer, 1999). Доля Ia-типа колеблется от 64% у Valonia до 20% в волосках семян хлопчатника (Gossipium hirsutum) (Brett, 2000).

Термин «целлюлоза» (цит. по Franz, Blashek, 1990) был введен в 1838 году А. Payen и сначала использовался для обозначения целого ряда полисахаридов, поскольку не существовало способов их разделения. Аналогом этого термина в русском языке является «клетчатка». Schulze в 1891 году предложил использовать название «целлюлоза» для полисахаридов, устойчивых к разбавленной кислоте и щелочи и дающих в результате гидролиза глюкозу. Несколько позднее Nageli (с использованием поляризованного света) установил кристалличность целлюлозы, которая окончательно была доказана после появления рентгеновского анализа. Химическая природа целлюлозы как b-D – (1®4) – глюкана была установлена в 1932 году В. Хеуорсом (W.N. Haworth). Микрофибриллы целлюлозы, будучи кристаллическим образованием, расположенным снаружи от плазмалеммы, были одной из первых структур, надежно идентифицированных с помощью электронного микроскопа (Frey-Wissling et al., 1948; Preston et al., 1948).