ĆELIJSKI ZID

ĆELIJSKI ZID

• Definiše izgled, oblik i veličinu ćelija.

• On nije inertan, „neživi“ deo ćelije i nema isključivo

funkciju mehaničke potpore.

• Ćelijski zid biljaka može da se rasteže i raste zajedno

sa rastenjem ćelije. Da bi to mogao da postigne, on

mora biti elastičan i plastičan. Elastičnost (sposobnost da

promeni oblik i da se zatim vrati u prvobitni oblik) je bitna za

procese primanja i odavanja vode, a plastičnost

(sposobnost da promeni oblik, rastegne se) je u osnovi procesa

rastenja biljaka.

• Sveukupnost, kontinuitet ćelijskih zidova u biljnom

organizmu naziva se APOPLAST.

PROTOPLASTI = biljne ćelije bez ćelijskog

zida

• Ćelijski zid biljaka

sastoji se iz tri dela:

o središnja lamela

o primarni ćelijski zid

o sekundarni ćelijski zid

HEMIJSKI SASTAV PRIMARNOG

ĆELIJSKOG ZIDA

•UGLJENI HIDRATI (polisaharidi)

•PROTEINI

•VODA

• U sastav sekundarnog ćelijskog zida mogu još ući:

- fenolna jedinjenja

- lipidi

• Primarni ćelijski zid je sličnog sastava kod skoro svih biljnih ćelija, dok sastav sekundarnog ćelijskog zida veoma varira od ćelije do ćelije (zavisno od funkcije, vrste itd.)

POLISAHARIDI ĆELIJSKOG ZIDA

Podela na osnovu rastvorljivosti:

• pektini (ekstrahuju se ključalom vodom)

• hemiceluloze (ekstrahuju se razblaženim bazama)

• celuloza (nerastvornljiva u vodi i bazama)

Podela na osnovu gradivnih jedinica (šećera):

• Homopolimeri – sastoje se samo od jednog tipa šećera (glukani, ksilani, arabinani itd.). Tu spada celuloza.

• Heteropolimeri – sastoje se od dva ili više tipova šećera (ksiloglukani, arabinogalaktani itd.). To su hemiceluloze i pektini.

MONOSAHARIDI KOJI ULAZE U SASTAV

POLISAHARIDA PRIMARNOG ĆELIJSKOG ZIDA

BELOG JAVORA

HEKSOZE: Glukoza, galaktoza i manoza (koje su

stereoizomeri)

PENTOZE:

Ksiloza i arabinoza

URONSKE KISELINE:

Glukuronska i galakturonska kiselina

DEZOKSI ŠEĆERI:

Fukoza i ramnoza (nemaju

hidroksilnu grupu na 6. C-atomu)

CELULOZA

Celuloza je nerazgranati homopolimer, tj. polimer β-D

glukopiranoze - β-1,4-glukan;

Molekul i sadrži 8000 do 15000

glukoznih ostataka;

Osnovnu strukturnu jedinicu čini

disahariod celobioza, koji se

ponavlja 4000 ili više puta;

Dva susedna ostatka

glukopiranoze u celobiozi su pod uglom od 180º

Celulozni molekuli nalaze se u paralelnim ravnima i povezani su

vodoničnim vezama gradeći

strukture koje se zovu

mikrofibrile

Mikrofibrile su ovalnog oblika, prečnika 4.5-8.5 nm

Oko 50 molekula celuloze čini

centralno jezgro mikrofibrila

i tako gradi pravilnu trodimenzionalnu strukturu sa

optičkim osobinama kristala

Na periferiji mikrofibrila

nalazi se parakristalna struktura, koju čine molekuli celuloze manje pravilno

raspoređeni (zbog molekula

hemiceluloze koji se umeću

između njih).

ORIJENTACIJA MIKROFIBRILA U

ĆELIJSKOM ZIDU

• U primarnom ćelijskom zidu orijentisane su

u svim pravcima

• U sekundarnom su paralelne i prostiru se ili

duž duže osovine ćelije (longitudinalno) ili

poprečno na nju (transverzalno)

• Orijentacija mikrofibrila može se menjati u

primarnom ćelijskom zidu (pod uticajem

biljnih hormona napr.) i zavisi od

orijentacije kortikalnih mikrotubula u ćeliji.

HEMICELULOZE • To su razgranati heteropolimeri.

• Obuhvataju više različitih polisaharida sa, za

razliku od celuloze, razgranatim molekulima

• Molekuli hemiceluloze ne grade vrpce

slične celuloznim zbog prisustva bočnih

lanaca različite dužine, mada među

pojedinim molekulima postoje mnogobrojne

vodonične veze.

• Ovi polisaharidi se grupišu prema šećeru

koji je najobilniji u njima na: ksilane,

manane i galaktane

KSILANI

Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu Glu

Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil Ksil

Fuk

Gal Gal

Fuk

• Karakterišu se prisustvom β-D-ksiloze koja gradi ili glavni ili bočne lance

• Ksiloglukan, rasprostranjen u primarnom zidu dikotila, sastoji se od β-D-glukoze vezane 14 glikozidnim vezama, čiji mnogi molekuli nose ostatke ksiloze sa vezom β -16, ili trisaharide od ksiloze, fukoze i galaktoze

• U primarnom zidu monokotila javljaju

se ksilani koji se satoje od lanaca β-

1,4-ksiloze na čijim atomima 2 i 3 su

bočno vezani ostaci arabinoze,

galaktoze ili njihovih trisaharida

• Kod četinara ovaj lanac je acetilovan,

a pored toga, nosi i ostatke metil-glukuronske kiseline.

MANANI

• Lance manana sačinjavaju β-D-

manoza i β-D-glukoza u odnosu 3:1, a

za njih je vezana β-D-galaktoza β -1,6

glikozidnom vezom; neke od

hidroksilnih grupa mogu biti

acetilovane.

• Manani su rasprostranjeni kod četinara

i nekih paprati.

GALAKTANI

• Sastavljeni su od β-D-galaktoze

vezane β-13 glikozidnom vezom i

bočnih lanaca sastavljenih od

galaktoze i arabinoze;

• Rasprostranjeni su kod četinara i nekih

algi.

PEKTINI • Najobilniji sastojak ovih polisaharida čine

uronske kiseline, najčešće α-D-galakturonska kiselina;

• Jedan ramnogalakturonan:

Gal

Ram

Ram

Gal Gal Gal

Gal

Gal Gal Gal Gal Gal Gal Gal Gal

Gal

Gal Gal Gal Gal

Ram

Ram

• Mogu da budu kiseli i neutralni;

• Kod kiselih, karboksilne grupe galakturonske kiseline su slobodne ili grade estre sa metanolom, odnosno soli sa kalcijumom (kalcijum-pektati);

• Neutralni pektini su arabinogalaktani, koji se sastoje od lanaca arabinana (α-15 vezana L-arabinoza) i lanaca galaktana (β-14 vezana D-galaktoza):

GAL

GAL

GAL GAL GAL GAL GAL ARA ARA ARA ARA ARA ARA ARA

ARAARAARA

POLISAHARIDI ĆELIJSKOG ZIDA DRUGIH

ORGANIZAMA

N-acetil-D-

glukozamin

hitin Gljive

D-manoza manan Acetabularia

D-galaktoza Agar-agar Crvene alge

Gradivna

jedinica

Naziv Prisustvo kod

PROTEINI Javljaju se kao strukturni proteini ćelijskog zida i kao enzimi.

• Strukturni proteini se grupišu u pet klasa prema dominantnoj aminokiselini:

1. Ekstenzini - velika familija baznih glukoproteina u čijem sastavu učestvuje oko 30% hidroksiprolina; kod dikotila veliki broj pentapeptidnih ponovaka ovog proteina se sastoji od 4 molekula hidroksiprolina i 1 molekula serina; hidroksiprolin gradi glikozidne veze sa arabinozom, a serin sa galaktozom; jedna vrsta ovih proteina se akumulira u ćelijama koje rastu i pri kraju tog procesa ograničava dalje rastenje; do toga dolazi usled stvaranja izoditirozinskih veza (delovanjem peroksidaza) između dva molekula ekstenzina što ograničava dalje rastezanje ćelijskog zida.

2. klasa proteina bogatih glicinom - sadrže do 70%

ove aminokiseline, ali su česti i alanin i serin

3. klasa proteina bogatih prolinom - osim prolin-

prolin jedinice sadrže i hidroksiprolin

4. Lektini - klasa glukoproteina bogatih

hidroksiprolinom i arabinozom; osnovna funkcija

lektina je prepoznavanje ćelija pri kontaktu; to

naročito dolazi do izražaja u pojavama

inkompatibiliteta polena i stigme i prepoznavanju

patogenih organizama.

5. klasa proteina sa arabinogalaktanom – sadrže i

do 90% polisaharida sastavljenih od lanaca

arabinoze i galaktoze, zbog čega su veoma

rastvorljivi u vodi; imaju važne funkcije u

morfogenezi

ENZIMI ĆELIJSKOG ZIDA

• Nisu do kraja proučeni. Ne znaju se ni potpuni spisak ni tačna lokacija proteina za koje se smatra da se nalaze u ćelijskom zidu.

• Mnogi od njih su solubilni (ekstrahuju se iz ćelijskih zidova vodenim rastvorima).

• Najzastupljenije su hidrolaze koje učestvuju u modifikacijama strukture ćelijskog zida tako što razgrađuju pojedine njegove komponente. One imaju bitnu funkciju u rastenju (izduživanju i povećanju dimenzija) stabala, korenova i plodova, zatim u omekšavanju ćelijskih zidova tokom sazrevanja plodova, kao i tokom apscisije (opadanja) listova, plodova i drugih organa.

• Enzimi ćelijskog zida koji učestvuju u sintezi novog ćelijskog zida tokom rastenja ćelija su:

ekspanzini – raskidaju nekovalentne vodonične veze među konstituentima ćelijskog zida.

celulaze – supstrat im nije celuloza, nego hemiceluloze; raskidaju 1→4 i 1→3 glikozidne veze.

ksiloglukanska endotransglukozilaza (XET) – raskidaju glikozidne veze u sredini ksiloglukanskih molekula i nastale fragmente prebacuju na druge molekule ksiloglukana.

Svi enzimi koji učestvuju u rekonstrukciji ćelijskog zida imaju optimum aktivnosti na kiselom pH (4-6) i nalaze se pod kontrolom biljnih hormona - auksina (učestvuju u „kiselom“ rastenju), odnosno giberelina (aktivnost XET).

• Otkrivene su i druge hidrolaze, zatim sintaze, transferaze, peroksidaze i invertaze.

• U biljnim ćelijskim zidovima nalaze se i hitinaze, koje hidrolizuju glikozidne veze između konstituenata ćelijskih zidova patogenih gljiva i bakterija i imaju važnu ulogu u odbrani od ove vrste biotičkog stresa.

VODA

• Ispunjava sve prostore između krupnih makromolekula izuzev kristalnih regiona celuloznih mikrofibrila

• Količina vode u ćelijskom zidu varira, a od nje zavisi čvrstina pektinskog gela i povezanost među polisaharidima

• To je sredina u kojoj se odvijaju enzimske reakcije u ćelijskom zidu i u kojoj je jedino moguć transport čestica.

Prema zastupljenosti konstiruenata, primarni

ćelijski zidovi se dele na 2 tipa:

- Tip 1 (kod golosemenjača, dikotila i

većine monokotila) – sadrži 80-90 %

polisaharida, 10 - 20 % proteina i malo ili

nimalo fenolnih jedinjenja. Celuloza i

hemiceluloze se nalaze u jednakim

količinama (25%), a pektina ima 30%.

Hemiceluloze se retko nalaze u obliku ksilana.

- Tip 2 (kod monokotila iz porodice trava,

Poaceae) - sadrži oko 20% fenolnih supstanci

(različitih od lignina), više ksilana i mnogo

manje pektina.

SEKUNDARNI ĆELIJSKI ZID • Sekundarni ćelijski zid razlikuje se od

primarnog po sastavu i strukturi – sadrži više celuloze, celulozne mikrofibrile su orijentisane ili longitudinalno ili transverzalno, sadrži lignin, suberin ili kutin, može se sastojati od više slojeva i zadebljavati ka unutrašnjosti ćelije tako da na kraju sadržaj ćelije odumire itd.

• Struktura i sastav sekundarnog ćelijskog zida variraju od vrste do vrste biljaka i od tipa ćelije do tipa ćelije.

• Nastaje inkrustacijom ili adkrustacijom.

LIGNIN, SUBERIN I KUTIN • Lignin, suberin i kutin su hidrofobne supstance, te

ograničavaju ili sasvim sprečavaju kretanje vode kroz zidove koji ih sadrže.

• Lignin je polifenol izgrađen od aromatičnih alkohola koniferola, p-kumarola i sinapola; u sekundarnom ćelijskom zidu odlaže se u njegove pore inkrustacijom, istiskujući vodu. Lignin biljke ne mogu da razlože i uklone iz ćelijskih zidova jer nemaju ligninaze (imaju ih neke vrste gljiva i bakterija). Tkiva čiji su ćelijski zidovi lignifikovani nazivaju se sklerenhim. Lignifikovane zidove imaju i sekundarni ksilemi (drvo). Lignin daje drvetu čvrstinu, jačinu, rigidnost, ali i elastičnost, otpornost na patogene i otpornost ka vodi (lignin je hidrofoban).

• Suberin je polimer masnih kiselina koje su povezane međusobno

estarskim vezama. Deponuje se između ćelijske membrane i

primarnog ćelijskog zida adkrustacijom. Suberinizovane ćelije (pluta)

imaju sekundarne ćelijske zidove koji se sastoje iz više slojeva i koji,

osim suberina sadrže lipidna i neka aromatična jedinjenja. Periderm

korena i Kasparijeve trake u endodermu korena su primer

suberinizovanih tkiva, nepropustljivih za vodu.

• Kutin je polimer C16 i C18 hidroksimasnih kiselina, koje se drže

zajedno pomoću estarskih veza. Ulazi u sastav kutikule,

višeslojne strukture na površini sekundarnog ćelijskog zida na

spoljašnjoj površini ćelija pokrovnih tkiva (epidermisa). Kutikula je često prožeta slojevima voska.

STRUKTURA PRIMARNOG

ĆELIJSKOG ZIDA • Krupni molekuli polisaharida i proteina su međusobno povezani i

grade veoma složenu strukturu;

• Središnja lamela je amorfne građe, sastoji se najvećim delom od pektina i ne sadrži celulozne fibrile;

• U primarnom ćelijskom zidu su mikrofibrile celuloze utopljene u amorfni matriks, koji čine ostali polisaharidi i proteini;

• Problemi prilikom analize (raznovrsne ćelije);

• Albersheim i saradnici (1975) proučili strukturu ćelijskog zida

koristeći suspenzije ćelija javora gajene in vitro;

• Degradacija zida jednom endopoligalakturonazom iz parazitskih gljiva daje nekoliko osnovnih frakcija.

ALBERSHEIM-ov MODEL

ĆELIJSKOG ZIDA

Prema najnovijim saznanjima, u ćelijskom zidu postoje 3 međupovezane mreže:

1. Mreža celuloznih mikrofibrila i hemiceluloze (vodonične veze)

2. Pektinska mreža (vodonične i kovalentne veze)

3. Proteinska mreža (vodonične i kovalentne veze)

Noviji modeli ćelijskog zida

podrazumevaju manju povezanost između ove tri mreže.

SINTEZA ĆELIJSKOG ZIDA

PROPUSTLJIVOST ĆELIJSKOG

ZIDA • Sumatra se da između fibrila celuloze postoje pore

koje mogu imati prečnik do 10 nm, ali nije poznato kolike su pore i kanali u amorfnom matriksu;

• Prečnik mnogih molekula i jona koji prolaze kroz ćelijske zidove manji je od 1 nm (voda 0,39 nm);

• Smatra se da je primarni ćelijski zid potpuno propustljiv (holopermeabilan) za vodu i rastvorene supstance;

• Molekuli pektina i proteina zida često mogu da budu jonizovani (slobodne karboksilne i amino grupe);

• Ćelijski zidovi deluju kao jonski izmenjivači i ublažuju nagle promene u jonskom sastavu spoljašnjeg rastvora;

Funkcije biljnog ćelijskog zida su:

1. mehanička

2. transportna

3. zaštitna (zaštita od mehaničkih

povreda, gubitka vode, hemiskih,

fizičkih i klimatskih faktora sredine i

patogena)

TRANSPORTNA FUNKCIJA

ĆELIJSKOG ZIDA

• Izvesne modifikacije ćelijskog zida imaju značaja za ubrzavanje ili ograničenje transporta;

• Zadebljali i lignifikovani zidovi mnogih ćelija i ćelijskih elemenata mehaničkih i sprovodnih tkiva otežavaju transport;

• To je rešeno prisustvom pora i jamica sa karakterističnim izgledom;

• Posebno ograničavanje transporta prisustvom radijalno i tangencijalno suberinizovanih zidova ćelija endoderma korena (Kasparijeve trake);

• Transferne ćelije ubrzavaju transport povećanjem površine;

ZAŠTITNA FUNKCIJA

ĆELIJSKOG ZIDA

Degradacijom ćelijskog zida nastaju oligosaharidi male molekulske mase koji imaju važnu funkciju u odbrani biljaka od patogena (predstavljaju signalne molekule, tj. “elicitore”)

Neki efekti oligosaharina:

- stimulacija sinteze fitoaleksina

- oksidativni prasak (“oxidative burst”)

- sinteza proteina vezanih za odbranu od patogena (hitinaza i glukanaza)