La forma de celulosa sintasa formadora de UDP ( EC 2.4.1.12 ) es la principal enzima que produce celulosa . Sistemáticamente, se conoce como UDP-glucosa: (1 → 4) -β- D -glucano 4-β- D -glucosiltransferasa en enzimología . Se cataliza la reacción química :
Celulosa sintasa (formadora de UDP) | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 2.4.1.12 | |||||||
No CAS. | 9027-19-4 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
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Celulosa sintasa (CesA / BcsA) | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | Sintetizador_de_celulosa | |||||||
Pfam | PF03552 | |||||||
InterPro | IPR005150 | |||||||
TCDB | 4.D.3 | |||||||
CAZy | GT2 | |||||||
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4p02 cadena A; CAZy y TCDB también incluyen otras proteínas |
Subunidad reguladora de unión a di-GMP de celulosa sintasa bacteriana | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | BcsB | |||||||
Pfam | PF03170 | |||||||
InterPro | IPR018513 | |||||||
CATH | 4p02 | |||||||
Superfamilia OPM | 302 | |||||||
Proteína OPM | 4p02 | |||||||
Membranome | 539 | |||||||
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4p02 cadena B |
- UDP-glucosa + [(1 → 4) -β- D -glucosil ] n = UDP + [(1 → 4) -β- D -glucosil ] n + 1
Una enzima similar utiliza GDP-glucosa , celulosa sintasa (formadora de GDP) ( EC 2.4.1.29 ).
Esta familia de enzimas se encuentra tanto en bacterias como en plantas . Los miembros de la planta se conocen habitualmente como CesA (celulosa sintasa) o CslA provisional ( similar a la celulosa sintasa), mientras que los miembros bacterianos pueden además conocerse como BcsA (celulosa sintasa bacteriana) o CelA (simplemente "celulosa"). [1] Las plantas adquirieron CesA del evento de endosimbiosis que produjo el cloroplasto . [2] Esta familia pertenece a la familia 2 de las glucosiltransferasas (GT2). [1] Las glicosiltransferasas están involucradas en la biosíntesis e hidrólisis de la mayor parte de la biomasa terrestre. [3] Se sabe que hay alrededor de siete subfamilias en la superfamilia de plantas CesA , [4] o diez en la superfamilia combinada de plantas y algas. [5] Los urocordados son el único grupo de animales que poseen esta enzima, habiéndolos adquirido por transferencia horizontal de genes hace más de 530 millones de años. [6]
Celulosa
La celulosa es una agregación de cadenas poliméricas no ramificadas hechas de residuos de glucosa enlazados en β- (1 → 4) que constituyen una gran parte de las paredes celulares primarias y secundarias . [7] [8] [9] [10] Aunque es importante para las plantas, también lo sintetizan la mayoría de las algas, algunas bacterias y algunos animales. [6] [5] [11] [12] En todo el mundo, se producen 2 × 10 11 toneladas de microfibrillas de celulosa, [13] que sirven como una fuente crítica de biocombustibles renovables y otros productos de base biológica, como madera, combustible, forrajes, papel y algodón. [8] [14]
Propósito de la celulosa
Las microfibrillas de celulosa se fabrican en la superficie de las membranas celulares para reforzar las paredes celulares, lo que ha sido investigado ampliamente por bioquímicos de plantas y biólogos celulares porque 1) regulan la morfogénesis celular y 2) sirven junto con muchos otros componentes (es decir , lignina , hemicelulosa , pectina ) en la pared celular como un fuerte soporte estructural y forma celular. [14] Sin estas estructuras de soporte, el crecimiento celular haría que una célula se hinchara y se extendiera en todas direcciones, perdiendo así su viabilidad de forma [15]
Estructura
Se han resuelto varias estructuras de la celulosa sintasa bacteriana BcsAB. La enzima bacteriana consta de dos subunidades diferentes, la BcsA catalítica en el lado citoplásmico y la BcsB reguladora en el lado periplásmico. Están acoplados por una serie de hélices transmembrana, denominadas por la base de datos CATH como 4p02A01 y 4p02B05. (Las divisiones para otros modelos, como 4hg6 , siguen de manera similar). La enzima es estimulada por di-GMP cíclico . In vivo, pero no in vitro , se requiere una tercera subunidad denominada BcsC formada por un barril beta de 18 hebras. Algunas bacterias contienen subunidades periplásmicas adicionales no esenciales. [dieciséis]
BcsA sigue un diseño de dominios citoplásmicos intercalados entre el dominio transmembrana N- y C-terminal. Tiene un dominio GT de la familia 2 típica (4p02A02) con una estructura de pliegue GT-A. En el extremo C-terminal hay un dominio PilZ conservado en bacterias, [16] que forma parte de la superficie de unión cíclica de di-GMP junto con BcsB y el dominio beta-barril (4p02A03). [17] Además del dominio TM C-terminal, BcsB se compone de dos repeticiones, cada una de las cuales consta de un módulo de unión a carbohidratos 27 (CATH 2.60.120.260) y una arena con alfa-beta (CATH 3.30.379.20). [dieciséis]
BcsA y BcsB juntos forman un canal a través de la celulosa sintetizada que sale de la célula, y se sabe que las mutaciones en los residuos que recubren el canal reducen la actividad de esta enzima. [16] Un bucle de puerta en BcsA se cierra sobre el canal; se abre cuando el di-GMP cíclico se une a la enzima. [17]
Plantas
En las plantas, la celulosa es sintetizada por grandes complejos de celulosa sintasa (CSC), que consisten en isoformas de proteína sintasa (CesA) que están dispuestas en una estructura hexagonal única conocida como una “roseta de partículas” de 50 nm de ancho y 30-35 nm de alto. [5] [18] [19] Hay más de 20 de estas proteínas integrales de membrana de longitud completa , cada una de las cuales tiene alrededor de 1000 aminoácidos de longitud. [8] [9] Estas rosetas, antes conocidas como gránulos, fueron descubiertas por primera vez en 1972 por microscopía electrónica en especies de algas verdes Cladophora y Chaetomorpha [20] (Robinson et al. 1972). La dispersión de rayos X en solución ha demostrado que los CesA se encuentran en la superficie de una célula vegetal y son monómeros alargados con dos dominios catalíticos que se fusionan en dímeros . El centro de los dímeros es el punto principal de actividad catalítica, [5] y se presume que los lóbulos contienen PC-R y CS-R específicos de la planta. [8] Dado que la celulosa se produce en todas las paredes celulares, las proteínas CesA están presentes en todos los tejidos y tipos de células de las plantas. No obstante, existen diferentes tipos de CesA, algunos tipos de tejido pueden tener concentraciones variables de uno sobre otro. Por ejemplo, la proteína AtCesA1 (RSW1) participa en la biosíntesis de las paredes celulares primarias en toda la planta, mientras que la proteína AtCesA7 (IRX3) solo se expresa en el tallo para la producción de la pared celular secundaria. [9]
En comparación con la enzima bacteriana, las versiones vegetales de la sintasa son mucho más difíciles de cristalizar y, en agosto de 2019, no se conocen estructuras atómicas experimentales del dominio catalítico de la celulosa sintasa vegetal. Sin embargo, se han predicho al menos dos estructuras de alta confianza para estas enzimas. [8] [11] La más amplia de las dos estructuras (Sethaphong 2013), que incluye todo el dominio citoplasmático medio (nuevamente intercalado entre las hélices de TM), brinda una vista útil de la enzima: dos inserciones específicas de la planta llamadas PC-R (región conservada en plantas, similar en todas las plantas) en el extremo N-terminal y CS-R (región específica de clase, determina el número de subclase después de CesA) en el extremo C-terminal puntúan el núcleo catalítico GT habitual, probablemente proporcionando el función única de formación de rosetas de la planta CesA. [11] (Algunas proteínas CesA poseen una inserción adicional). [21] La estructura parece explicar los efectos de muchas mutaciones conocidas. El posicionamiento de las dos inserciones, sin embargo, no coincide con el resultado de dispersión de Olek 2014. [11] Un modelo experimental de 2016 del dominio PC-R ( 5JNP ) ayuda a llenar este vacío, ya que mejora en gran medida el ajuste contra Olek resultado anterior. [22] También coincide con la predicción de Sethaphong 2015 de un pozo de bobina enrollada antiparalelo. Los dos grupos continúan mejorando su comprensión de la estructura CesA , con Olek et al enfocándose en estructuras experimentales y Sethaphong et al enfocándose en estudios de plantas y construcción de mejores modelos de computadora. [23]
Otras diferencias con el BcsA bacteriano incluyen un recuento de hélice TM diferente ( BcsA tiene 4 hélices en cada extremo; CesA tiene dos en el N-terminal y 6 en el C-terminal) y la presencia de un dedo de zinc ( 1WEO ) en el N-terminal. [8]
Actividad
La biosíntesis de celulosa es el proceso durante el cual se sintetizan cadenas de β- (1 → 4) -glucano homogéneas separadas, que varían de 2.000 a 25.000 residuos de glucosa de longitud, y luego se unen inmediatamente por enlace de hidrógeno entre sí para formar matrices cristalinas rígidas o microfibrillas. [8] Las microfibrillas de la pared celular primaria tienen aproximadamente 36 cadenas de largo, mientras que las de la pared celular secundaria son mucho más grandes y contienen hasta 1200 cadenas de β- (1 → 4) -glucano. [14] [9] La uridina difosfato-glucosa (UDP), que es producida por la enzima sacarosa sintasa (SuSy) que produce y transporta UDP-glucosa a la membrana plasmática, es el sustrato utilizado por la celulosa sintasa para producir las cadenas de glucano. [8] [24] La velocidad a la que se sintetizan los residuos de glucosa por una cadena de glucano varía de 300 a 1000 residuos de glucosa por minuto, siendo más frecuente la velocidad más alta en las partículas de la pared secundaria, como en el xilema. [25] [26]
Estructuras de apoyo
La síntesis de microfibrillas está guiada por microtúbulos corticales , que se encuentran debajo de la membrana plasmática de las células en elongación, ya que forman una plataforma en la que las CSC pueden convertir moléculas de glucosa en cadenas cristalinas. La hipótesis de alineación entre microtúbulos y microfibrillas propone que los microtúbulos corticales, que se encuentran debajo de la membrana plasmática de las células en elongación, proporcionan pistas para las CSC que convierten las moléculas de glucosa en microfibrillas de celulosa cristalina. [27] La hipótesis directa postula algunos tipos de enlace directo entre los complejos CESA y los microtúbulos. [24] Además, se cree que la proteína KORRIGAN (KOR1) es un componente crítico de la síntesis de celulosa, ya que actúa como celulasa en la interfaz entre la membrana plasmática y la pared celular. KOR1 interactúa con dos proteínas CesA específicas, posiblemente mediante la corrección de pruebas y aliviando el estrés creado por la síntesis de la cadena de glucano, al hidrolizar la celulosa amorfa desordenada. [28]
Influencias medioambientales
La actividad de síntesis de celulosa se ve afectada por muchos estímulos ambientales, como hormonas, luz, estímulos mecánicos, nutrición e interacciones con el citoesqueleto . Las interacciones con estos factores pueden influir en la deposición de celulosa, ya que afecta la cantidad de sustrato producido y la concentración y / o actividad de las CSC en la membrana plasmática. [8] [5]
Referencias
- ↑ a b Omadjela O, Narahari A, Strumillo J, Mélida H, Mazur O, Bulone V, Zimmer J (octubre de 2013). "BcsA y BcsB forman el núcleo catalíticamente activo de la celulosa sintasa bacteriana suficiente para la síntesis de celulosa in vitro" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 110 (44): 17856–61. Código bibliográfico : 2013PNAS..11017856O . doi : 10.1073 / pnas.1314063110 . PMC 3816479 . PMID 24127606 .
- ^ Popper ZA, Michel G, Hervé C, Domozych DS, Willats WG, Tuohy MG, et al. (2011). "Evolución y diversidad de las paredes celulares de las plantas: desde las algas hasta las plantas con flores". Revisión anual de biología vegetal . 62 : 567–90. doi : 10.1146 / annurev-arplant-042110-103809 . hdl : 10379/6762 . PMID 21351878 . S2CID 11961888 .
- ^ Campbell JA, Davies GJ, Bulone V, Henrissat B (febrero de 1998). "Una clasificación de glicosiltransferasas de nucleótido-difosfo-azúcar basada en similitudes de secuencia de aminoácidos" . La revista bioquímica . 329 (Parte 3) (3): 719. doi : 10.1042 / bj3290719 . PMC 1219098 . PMID 9445404 .
- ^ Richmond TA, Somerville CR (octubre de 2000). "La superfamilia de la celulosa sintasa" . Fisiología vegetal . 124 (2): 495–8. doi : 10.1104 / pp.124.2.495 . PMC 1539280 . PMID 11027699 .
- ^ a b c d e Yin Y, Huang J, Xu Y (julio de 2009). "La superfamilia de celulosa sintasa en plantas y algas completamente secuenciadas" . Biología Vegetal BMC . 9 : 99. doi : 10.1186 / 1471-2229-9-99 . PMC 3091534 . PMID 19646250 .
- ^ a b Nakashima K, Yamada L, Satou Y, Azuma J, Satoh N (febrero de 2004). "El origen evolutivo de la celulosa sintasa animal". Genes de desarrollo y evolución . 214 (2): 81–8. doi : 10.1007 / s00427-003-0379-8 . PMID 14740209 . S2CID 23186242 .
- ^ Campbell JA, Davies GJ, Bulone V, Henrissat B (septiembre de 1997). "Una clasificación de glicosiltransferasas de nucleótido-difosfo-azúcar basada en similitudes de secuencia de aminoácidos" . La revista bioquímica . 326 (Pt 3) (3): 929–39. doi : 10.1042 / bj3260929u . PMC 1218753 . PMID 9334165 .
- ^ a b c d e f g h yo Olek AT, Rayon C, Makowski L, Kim HR, Ciesielski P, Badger J, et al. (Julio de 2014). "La estructura del dominio catalítico de una celulosa sintasa vegetal y su ensamblaje en dímeros" . La célula vegetal . 26 (7): 2996–3009. doi : 10.1105 / tpc.114.126862 . PMC 4145127 . PMID 25012190 .
- ^ a b c d Richmond T (2000). "Celulosa sintasas superior vegetal" . Biología del genoma . 1 (4): OPINIONES3001. doi : 10.1186 / gb-2000-1-4-reviews3001 . PMC 138876 . PMID 11178255 .
- ^ Lei L, Li S, Gu Y (2012). "Complejos de celulosa sintasa: composición y regulación" . Fronteras en la ciencia de las plantas . 3 : 75. doi : 10.3389 / fpls.2012.00075 . PMC 3355629 . PMID 22639663 .
- ^ a b c d Sethaphong L, Haigler CH, Kubicki JD, Zimmer J, Bonetta D, DeBolt S, Yingling YG (abril de 2013). "Modelo terciario de una celulosa sintasa vegetal" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 110 (18): 7512–7. Código bibliográfico : 2013PNAS..110.7512S . doi : 10.1073 / pnas.1301027110 . PMC 3645513 . PMID 23592721 .
- ^ Li S, Lei L, Gu Y (marzo de 2013). "Análisis funcional de complejos con celulosa sintasas mixtas primarias y secundarias" . Señalización y comportamiento de la planta . 8 (3): e23179. doi : 10.4161 / psb.23179 . PMC 3676487 . PMID 23299322 .
- ^ Lieth H (1975). Medida de valores caloríficos. Productividad primaria de la biosfera . Estudios ecológicos. 14 . Nueva York: Springer. págs. 119-129. doi : 10.1007 / 978-3-642-80913-2 . ISBN 978-3-642-80915-6. S2CID 29260279 .
- ^ a b c Cutler S, Somerville C (febrero de 1997). "Clonación in silico" . Biología actual . 7 (2): R108-11. doi : 10.1016 / S0960-9822 (06) 00050-9 . PMID 9081659 . S2CID 17590497 .
- ^ Hogetsu T, Shibaoka H (enero de 1978). "Efectos de la colchicina sobre la forma celular y la disposición de las microfibrillas en la pared celular de Closterium acerosum". Planta . 140 (1): 15–8. doi : 10.1007 / BF00389374 . PMID 24414355 . S2CID 7162433 .
- ^ a b c d Morgan JL, Strumillo J, Zimmer J (enero de 2013). "Instantánea cristalográfica de la síntesis de celulosa y translocación de membrana" . Naturaleza . 493 (7431): 181–6. Código bibliográfico : 2013Natur.493..181M . doi : 10.1038 / nature11744 . PMC 3542415 . PMID 23222542 .
- ^ a b Morgan JL, McNamara JT, Zimmer J (mayo de 2014). "Mecanismo de activación de la celulosa sintasa bacteriana por di-GMP cíclico" . Naturaleza Biología Molecular y Estructural . 21 (5): 489–96. doi : 10.1038 / nsmb.2803 . PMC 4013215 . PMID 24704788 .
- ^ Giddings TH, Brower DL, Staehelin LA (febrero de 1980). “Visualización de complejos de partículas en la membrana plasmática de Micrasterias denticulata asociados a la formación de fibrillas de celulosa en paredes celulares primarias y secundarias” . The Journal of Cell Biology . 84 (2): 327–39. doi : 10.1083 / jcb.84.2.327 . PMC 2110545 . PMID 7189756 .
- ^ Bowling AJ, Brown RM (2008). "El dominio citoplasmático del complejo sintetizador de celulosa en plantas vasculares". Protoplasma . 233 (1–2): 115–27. doi : 10.1007 / s00709-008-0302-2 . PMID 18709477 . S2CID 168550 .
- ^ Robinson DG, White RK, Preston RD (junio de 1972). "Estructura fina de enjambres de Cladophora y Chaetomorpha: III. Síntesis y desarrollo de paredes". Planta . 107 (2): 131–44. doi : 10.1007 / BF00387719 . PMID 24477398 . S2CID 9301110 .
- ^ Carroll A, Specht CD (2011). "Comprensión de la celulosa sintasa vegetal a través de una investigación exhaustiva de las secuencias de la familia de la celulosa sintasa" . Fronteras en la ciencia de las plantas . 2 : 5. doi : 10.3389 / fpls.2011.00005 . PMC 3355508 . PMID 22629257 .
- ^ Rushton PS, Olek AT, Makowski L, Badger J, Steussy CN, Carpita NC, Stauffacher CV (enero de 2017). "Región conservada de planta de celulosa sintasaA8 de arroz es una bobina en espiral en la entrada del núcleo catalítico" . Fisiología vegetal . 173 (1): 482–494. doi : 10.1104 / pp.16.00739 . PMC 5210708 . PMID 27879387 .
- ^ Sethaphong L, Davis JK, Slabaugh E, Singh A, Haigler CH, Yingling YG (24 de octubre de 2015). "Predicción de las estructuras de las regiones específicas de plantas de celulosa sintasas de plantas vasculares y análisis funcional correlacionado". La celulosa . 23 (1): 145-161. doi : 10.1007 / s10570-015-0789-6 . S2CID 83876123 .
- ^ a b Heath IB (diciembre de 1974). "Una hipótesis unificada para el papel de los microtúbulos y complejos enzimáticos unidos a la membrana en la síntesis de la pared celular vegetal" . Revista de Biología Teórica . 48 (2): 445–9. doi : 10.1016 / S0022-5193 (74) 80011-1 . PMID 4459594 .
- ^ Paredez AR, Somerville CR, Ehrhardt DW (junio de 2006). "Visualización de celulosa sintasa demuestra asociación funcional con microtúbulos". Ciencia . 312 (5779): 1491–5. Código Bibliográfico : 2006Sci ... 312.1491P . doi : 10.1126 / science.1126551 . PMID 16627697 . S2CID 20181662 .
- ^ Wightman R, Turner SR (junio de 2008). "Las funciones del citoesqueleto durante la deposición de celulosa en la pared celular secundaria" . The Plant Journal . 54 (5): 794–805. doi : 10.1111 / j.1365-313X.2008.03444.x . PMID 18266917 .
- ^ Green PB (diciembre de 1962). "Mecanismo de morfogénesis celular vegetal". Ciencia . 138 (3548): 1404–5. Código Bibliográfico : 1962Sci ... 138.1404G . doi : 10.1126 / science.138.3548.1404 . PMID 17753861 . S2CID 39081841 .
- ^ Mansoori N, Timmers J, Desprez T, Alvim-Kamei CL, Kamei CL, Dees DC, et al. (2014). "KORRIGAN1 interactúa específicamente con componentes integrales de la maquinaria de la celulosa sintasa" . PLOS ONE . 9 (11): e112387. Código Bibliográfico : 2014PLoSO ... 9k2387M . doi : 10.1371 / journal.pone.0112387 . PMC 4226561 . PMID 25383767 .
Otras lecturas
- Glaser L (junio de 1958). "La síntesis de celulosa en extractos libres de células de Acetobacter xylinum". La revista de química biológica . 232 (2): 627–36. PMID 13549448 .