La forma formadora de UDP de la celulosa sintasa ( EC 2.4.1.12) es la enzima principal que produce celulosa . Sistemáticamente, se la conoce como UDP-glucosa:(1→4)-β- D -glucano 4-β- D -glucosiltransferasa en enzimología . Cataliza la reacción química :
Una enzima similar utiliza GDP-glucosa, la celulosa sintasa (formadora de GDP) ( EC 2.4.1.29 ).
Esta familia de enzimas se encuentra tanto en bacterias como en plantas . Los miembros vegetales se conocen generalmente como CesA (celulosa sintasa) o la tentativa CslA (similar a la celulosa sintasa), mientras que los miembros bacterianos también pueden conocerse como BcsA (celulosa sintasa bacteriana) o CelA (simplemente "celulosa"). [2] Las plantas adquirieron CesA del evento de endosimbiosis que produjo el cloroplasto . [3] Esta familia pertenece a la familia 2 de glucosiltransferasas (GT2). [2] Las glucosiltransferasas están involucradas en la biosíntesis e hidrólisis de la mayor parte de la biomasa de la Tierra. [4] Se sabe que hay alrededor de siete subfamilias en la superfamilia CesA de plantas , [5] o diez en la superfamilia combinada de plantas y algas. [6] Los urocordados son el único grupo de animales que poseen esta enzima, habiéndola adquirido por transferencia horizontal de genes hace más de 530 millones de años. [7]
La celulosa es una agregación de cadenas poliméricas no ramificadas formadas por residuos de glucosa unidos por enlaces β-(1→4) que constituye una gran parte de las paredes celulares primarias y secundarias . [8] [9] [10] [11] Aunque es importante para las plantas, también la sintetizan la mayoría de las algas, algunas bacterias y algunos animales. [7] [6] [12] [13] En todo el mundo, se producen 2 × 10 11 toneladas de microfibrillas de celulosa, [14] que sirven como fuente fundamental de biocombustibles renovables y otros productos de base biológica, como madera, combustible, forraje, papel y algodón. [9] [15]
Las microfibrillas de celulosa se forman 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. [15] 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 [16]
Se han resuelto varias estructuras de la sintasa de celulosa bacteriana BcsAB. La enzima bacteriana consta de dos subunidades diferentes, la catalítica BcsA en el lado citoplasmático y la reguladora BcsB en el lado periplásmico. Están acopladas 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 llamada BcsC formada por un barril beta de 18 hebras. Algunas bacterias contienen subunidades periplásmicas adicionales no esenciales. [17]
BcsA sigue una disposición de dominios citoplasmáticos intercalados entre el dominio transmembrana N- y C-terminal. Tiene un dominio GT de la familia 2 típico (4p02A02) con una estructura de pliegue GT-A. En el extremo C-terminal hay un dominio PilZ conservado en bacterias, [17] que forma parte de la superficie de unión del di-GMP cíclico junto con BcsB y el dominio barril beta (4p02A03). [18] Además del dominio TM C-terminal, BcsB está formado por dos repeticiones, cada una de las cuales consta de un módulo de unión a carbohidratos 27 (CATH 2.60.120.260) y un alfa-beta sandwith (CATH 3.30.379.20). [17]
BcsA y BcsB juntos forman un canal a través del cual la celulosa sintetizada sale de la célula, y se sabe que las mutaciones en los residuos que recubren el canal reducen la actividad de esta enzima. [17] Un circuito de compuerta en BcsA cierra el canal; se abre cuando el di-GMP cíclico se une a la enzima. [18]
En las plantas, la celulosa es sintetizada por grandes complejos de celulosa sintasa (CSC), que consisten en isoformas de la 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. [6] [19] [20] Hay más de 20 de estas proteínas de membrana integrales de longitud completa , cada una de las cuales tiene alrededor de 1000 aminoácidos de longitud. [9] [10] Estas rosetas, anteriormente conocidas como gránulos, fueron descubiertas por primera vez en 1972 por microscopía electrónica en las especies de algas verdes Cladophora y Chaetomorpha [21] (Robinson et al. 1972). La dispersión de rayos X en solución ha demostrado que las 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 la actividad catalítica, [6] y se presume que los lóbulos contienen el PC-R y el CS-R específicos de la planta. [9] 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 tejidos pueden tener concentraciones variables de una sobre otra. Por ejemplo, la proteína AtCesA1 (RSW1) está involucrada 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. [10]
En comparación con la enzima bacteriana, las versiones vegetales de la sintasa son mucho más difíciles de cristalizar y, hasta agosto de 2019, no se conocen estructuras atómicas experimentales del dominio catalítico de la sintasa de celulosa vegetal. Sin embargo, se han predicho al menos dos estructuras de alta confianza para estas enzimas. [9] [12] La más amplia de las dos estructuras (Sethaphong 2013), que incluye todo el dominio citoplasmático medio (de nuevo intercalado entre hélices TM), proporciona una visión útil de la enzima: dos inserciones específicas de la planta llamadas PC-R (región conservada por la planta, similar en todas las plantas) en el extremo N-terminal y CS-R (región específica de la clase, determina el número de subclase después de CesA) en el extremo C-terminal marcan el núcleo catalítico GT habitual, probablemente proporcionando la función única de formación de rosetas de CesA vegetal. [12] (Algunas proteínas CesA poseen una inserción adicional). [22] La estructura parece explicar los efectos de muchas mutaciones conocidas. Sin embargo, la posición de las dos inserciones no coincide con el resultado de dispersión de Olek 2014. [12] Un modelo experimental de 2016 del dominio PC-R ( 5JNP ) ayuda a llenar este vacío, ya que mejora en gran medida el ajuste con el resultado anterior de Olek. [23] También coincide con la predicción de Sethaphong 2015 de un pozo de bobina enrollada antiparalela. Los dos grupos continúan profundizando sus conocimientos de la estructura de CesA , con Olek et al centrándose en estructuras experimentales y Sethaphong et al centrándose en estudios de plantas y construyendo mejores modelos informáticos. [24]
Otras diferencias con la BcsA bacteriana incluyen un recuento diferente de hélices TM ( BcsA tiene 4 hélices en cada extremo; CesA tiene dos en el extremo N y 6 en el extremo C) y la presencia de un dedo de zinc ( 1WEO ) en el extremo N. [9]
La biosíntesis de celulosa es el proceso durante el cual se sintetizan cadenas homogéneas separadas de β-(1→4)-glucano, que varían de 2000 a 25 000 residuos de glucosa de longitud, y luego se unen inmediatamente mediante enlaces de hidrógeno entre sí para formar matrices cristalinas rígidas o microfibrillas. [9] Las microfibrillas en la pared celular primaria tienen aproximadamente 36 cadenas de longitud, mientras que las de la pared celular secundaria son mucho más grandes y contienen hasta 1200 cadenas de β-(1→4)-glucano. [15] [10] 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. [9] [25] La velocidad a la que se sintetizan los residuos de glucosa por cada cadena de glucano varía de 300 a 1000 residuos de glucosa por minuto, siendo la velocidad más alta más frecuente en las partículas de la pared secundaria, como en el xilema. [26] [27]
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 las moléculas de glucosa en cadenas cristalinas. La hipótesis de alineación microtúbulos-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. [28] La hipótesis directa postula algunos tipos de enlace directo entre los complejos CESA y los microtúbulos. [25] Además, se cree que la proteína KORRIGAN (KOR1) es un componente crítico de la síntesis de celulosa, ya que actúa como una celulasa en la interfaz de la pared celular con la membrana plasmática. KOR1 interactúa con dos proteínas CesA específicas, posiblemente corrigiendo y aliviando el estrés creado por la síntesis de la cadena de glucano, hidrolizando la celulosa amorfa desordenada. [29]
La actividad de síntesis de celulosa se ve afectada por muchos estímulos ambientales, como las hormonas, la luz, los estímulos mecánicos, la nutrición y las interacciones con el citoesqueleto . Las interacciones con estos factores pueden influir en la deposición de celulosa, ya que afectan la cantidad de sustrato producido y la concentración y/o actividad de las CSC en la membrana plasmática. [9] [6]
