The Plant Cell / Soluseinä

Transkriptio

1 The Plant Cell / Soluseinä Solubiologian luennot 2003, kasvitiede Kasvisolun solukalvon interaktiot soluseinän kanssa Solukalvon ja soluseinän välisten fyysisten yhteyksien olemassa olo pääteltiin kun mikroskoopissa havaittiin ns. Hechtian-säikeet, jotka yhdistivät plasmolysoituneiden solujen protoplasteja soluseiniin. Mahdollisesti kyseessä reseptorit, jotka tunnistavat tietyn aminohappojakson (Arg-Gly-Asp) soluseinän konstituenteista.» Plasmolysoitunut solu: veden menetyksen aiheuttama soluliman irtoaminen seinästä latestnews/archives/winter97/page5.htm Kasvisolun seinä - Jokaista solua ympäröi soluseinä. Soluseinällä on monta tehtävää. Soluseinä tukee solua ja vahvistaa koko kasvia. - Elävissä soluissa soluseinä määrää solun kasvunopeuden ja -suunnan ja näin ollen sillä on suuri merkitys kasvin kehitykselle ja morfologialle. 1

2 Soluseinät osallistuvat myös symbioottisten N-sitovien bakteerien varhaiseen tunnistukseen. Seinän pintamolekyylit voivat myös tunnistaa vieraat solut (siitepöly-emi). Kasvisolun seinä -Rakenteellisten seikkojen ohella, joissakin soluseinissä on molekyylejä, jotka vaikuttavat kehitykseen. Seinissä on signaalimolekyylejä, jotka osallistuvat solu-solu ja seinä-tuma kommunikaatioon. Soluseinä suojelee kasvipatogeenejä vastaan (aktiivisesti tai passiivisesti). Soluseinä on tehokas fysikaalinen este. Aktiivisessa puolustuksessa polysakkaridit voivat osallistua puolustusmolekyylien eritykseen (esim. fytoaleksiinit) ja seinässä on myös proteiineja ja ligniiniä joita tarvitaan sieni- ja bakteeripatogeeneja vastaan. Soluseinä on myös suoja herbivoreja vastaan. Symplastisella reitillä kuljetus tapahtuu kunkin solun sytosolin kautta kuolleisiin soluihin asti. Apoplastisella reitillä kuljetus (siis pienet molekyylit ja ionit) tapahtuu soluseiniä pitkin aina Casparyn juovaan saakka, jonka jälkeen kuljetus tapahtuu symplasmassa. Symplasti ja apoplasti (Esau 1977) Protoplastien eristys Nitella expansa n lehtien soluista - Protoplastit eristettiin eli seinät hajotettiin entsymaattisesti digestoimalla (1% Cellulase Onozuka R-10, 0.05% Macerozyme Onozuka R-10, 1mM CaCl 2, 1 mm NaCl, 0.1 mm KCl ja sorbitoli, ph 5.5). 2 h entsyymikäsittelyn jälkeen verkon päällä oli vain kasvijätettä ja protoplastit olivat putken pohjalla. Vasta eristetyt protoplastit ovat usein epäsäännöllisen muotoisia ja soluliman virtausta ei ole. 2

3 Protoplastit Yleensä jonkin ajan kuluttua eristyksestä protoplastit muuttuvat säännöllisen pyöreiksi, kun soluseinän säätelemä muoto puuttuu. Myös soluliman virtaus palautuu. Nitella tupakka mänty The protoplast is the cell s way of making more wall (Joe Varner). Kasvisolun seinä ja sen rakenne - Jokaista solua ympäröi soluseinä. Primaarisia solukoita ympäröivät primaariseinät ja keskilevyt, jotka eivät ole erityisen jäykkiä. - Primaariseinässä selluloosa mikrofibrillit ovat vain osittain samansuuntaisia, jolloin soluseinä voi laajeta solun kasvaessa. Solun pinta-alan kasvun saa aikaan protoplastin vesitilavuuden kasvu > turgoripaine > soluseinä venyy. Solunseinän löystymisen säätely on tärkein solunkasvun nopeutta rajoittava tekijä. - keskilevyt liittävät vierekkäiset solut yhteen (johtuu pektiineistä). Solun kasvu = tilavuuden kasvu Driving force = turgorpaine (eli osmoottinen paine) Solut voivat laajeta 10x, 100X jopa 1000X samalla kun seinän paksuus pysyy samana seinän löystyminen ja uuden materiaalin tuonti seinään ovat tiukasti integroituja tapahtumia kortikaaliset mikrotubulit ovat yhteydessä solukalvoon (kts. kuva). Suunta > selluloosa mikrofibrillien kerrostuminen. soluissa, jotka kasvavat tasaisesti mikrofibrillit eivät järjestäytyneet kuten pituutta kasvavissa soluissa 3

4 Pituuskasvu uusia mikrofibrillejä Kasvisolun seinä ja sen rakenne primaarinen seinä keskilevy S1-S3 ovat sekundaariseinän kerroksia Keskilevy eli välilamelli muodostuu ensimmäisenä (0.2-1 µm). Solun kasvaessa uuden seinämateriaalin kerrostuminen keskilevyn päälle (solun sisäpuolelle!) kerrostuu primaariseinä. Kun primaariseinä on saavuttanut tietyn paksuuden (tav µm) niin uutta seinämateriaalia syntetisoidaan vain sillä nopeudella, että paksuus pysyy näissä rajoissa. Yhdistetty keskilevy (cc) = keskilevy + primaariseinä, koska niitä on esim. puutumisen jälkeen vaikea erottaa toisistaan. Soluseinän rakenne -sekundaariseinä Viimeisenä muodostuu sekundaariseinä. Puuvartisilla kasveilla suurin osa soluista on sekundaariseinällisiä. Ruohovartisilla kasveilla näitä löytyy lähinnä erilaisissa tuki- ja johtosolukoissa. Puun kuivapainosta on 95 % seinämateriaalia > antaa koko kasville lujuuden. Puun kannettava latvuksen paino ja kestettävä tuulen taivuttelu. Puun solujen ominaisuudet riippuvat soluseinän rakenteesta ja siitä miten eri kemialliset rakenneosat ovat siinä järjestäytyneet. Cote (1967) Wood ultrastructure 4

5 Sekundaariseinä Joillakin soluilla (trakeidit, kuidut) soluseinä jatkaa paksuuskasvua pituuskasvun loputtua. Selluloosaa ja ligniiniä kerrostuu muodostaen 5-10 µm paksun sekundaariseinän. Kun sekundaariseinä on muodostunut seinästä tulee vähemmän joustava. Joissakin tapauksissa solu kuolee ja siitä tulee kuljetusja tukitehtävään erikoistunut kuollut rakenne. Sekundaariseinässä on 3 kerrosta (S1, S2 ja S3), joista jokaisella on erilainen mikrofibrillien suunta. Lignifioitunut seinä on vahva hydrofobinen rakenne, joka ympäröi muita solukomponentteja. Ei kykene venymään. Soluseinän rakenne -sekundaariseinä Rakenteeltaan ja kemialliselta koostumukseltaan hyvin vaihteleva. Erilaiset fibrillikulmat, jotka järjestäytyneet eri tavoin eri kerroksissa: S1 eli ulkokerros mikrofibrillikulma lähes 90 o, melkein vaakatasossa S2 eli keskikerros paksuin, lähes pituusakselin suuntaiset fibrillit, fibrillikulma loiva (vertaa S1) S3 eli sisäkerros kuin S1, mutta epäsäännöllisempi Cote (1967) Wood ultrastructure Redrawn by Tommi Salonen, Metla Keskilevy Middle lamella Primaarisoluseinä Primary cell wall Sekundaariseinä Secondary cell wall Pinus sylvestris xylem 5

6 Kasvisolun soluseinän kemiallinen rakenne Soluseinä koostuu mm. selluloosasta, hemiselluloosasta, pektiinistä, ligniinistä. Näiden aineiden synteesiin kuluu suuri osa kasvin tuottamista hiilihydraateista. Soluseinän rakennusaineiden synteesi voi muodostaa 30 % tai enemmän solun hiilihydraattimetaboliasta. Seinissä voi olla myös aromaattisia yhdisteitä (Chenopodiacea ei lignifioituneet soluseinät) Selluloosasyntaasi ja kalloosisyntaasi kompleksit ovat myös kalvoproteiineja. Selluloosa ja kalloosi eritetään suoraan soluseinään. Soluliman tuottamien rakennusaineiden täytyy liikkua solukalvon läpi soluseinän alueelle. Karkean ER:n tuottamat soluseinän proteiinit ja diktyosomien tuottamat soluseinän polysakkaridit kuljetetaan vesikkeleiden muodossa. AGP:t (runsaasti glukoosia sis. proteoglykaanit) ovat ankkuroituneet solukalvon ulkopinnalle. Siis soluseinän ja - kalvon välillä runsaasti hiilihydraatteja. Koska AGP:t ilmenevät solukko- ja ehitsyvaihespesifisesti niillä arvellaan olevan merkitystä erilaistumisessa. Puun kemiallinen koostumus Puun kemiallinen koostumus on myös monimutkainen, eikä sitä vielä täysin tunneta, vaikka sitä onkin tutkittu paljon sellun, paperin ja muiden puunjalostustuotteiden valmistuksen yhteydessä. Soluseinän kemiallista koostumusta on vaikea tutkia luonnontilaisena. 1) Holoselluloosa (60-85 %) eli selluloosaa (40-50 %) ja hemiselluloosaa (20-35 %), sekä pektiiniä (sokereita ja uronihappoja) 2) Ligniiniä (15-35 %) 3) Uuteaineita (eivät kuulu rakenteeseen), joita ovat mm. erilaiset kiteet (pii-, kalsiumsuolat), hartsihapot, rasvat, kumi, flavonolit, antosyaanit, polyfenolit, sokerit, tärkkelys. Em. uuteaineita on n. 1 % pintapuussa aina jopa 20 % sydänpuussa. Kasvisolun seinä ja sen rakenne -Sokerit (polysakkaridit = sokeripolymeerit) ovat soluseinien pääasialliset kemialliset komponentit. Soluseinän polymeerien monosakkaridit ovat peräisin glukoosista. -Sokerit ovat erinomaisia rakennusmateriaaleja, koska ne voivat muodostaa sidoksia useaan eri asemaan. Soluseinisssä on 11 suht. yleistä sokeria, kullakin näistä 4 eri kohtaa,joihin sidos voi muodostua -ja O-atomin suhteen kullakin 2 eri konfiguraatiomahdollisuutta. Näin ollen mahdollisuuksien määrä on valtava (5 x 10 9 ). Joidenkin pääkomponenttien rakenteet ovat kuitenkin jokseenkin konservoituneita. 6

7 Selluloosa, tärkeä soluseinän rakennusaine, on hiilihydraatti -Selluloosa on kasvien yleisin polysakkaridi, joka muodostaa % primaariseinien kuivamassasta ja vielä enemmän sekundaariseinien kyseessä ollen. Selluloosa on mikrofibrilleinä, jotka muodostuvat useista (1 4) β-d-glukaani ketjuista, joita yhdistää toisiinsa H-sidokset. Kasveilla keskimäärin jokainen mikrofibrilli sisältää poikkileikkauksessa 36 ketjua, mutta esimerkiksi levillä jopa satoja. Yksittäisten ketjujen pituus on 2-3 µm, mutta ketjut alkavat ja päättyvät eri kohtiin, jolloin mikrofibrillien pituus voi olla satoja µm ja sisältää tuhansia ketjuja. β-sidos Selluloosa on maapallon runsaimmin esiintyvä orgaaninen yhdiste. Arvioiden mukaan noin tonnia selluloosaa syntetoidaan vuosittain. Selluloosan synteesi Selluloosaa syntetisoidaan solukalvossa olevan selluloosasyntaasi entsyymin avulla. Mikrotubulusten orientaatio määrää mikrofibrillien orientaation soluseinässä selluloosamikrofibrillien distaaliset päät integroituvat olemassa olevaan seinään Solun ulkopuolinen tila (ekstrasellulaarinen) solukalvo sytosooli solukalvoon liittynyt mikrotubulus selluloosasyntaasi kompleksi Selluloosasyntaasi kompleksit ovat integraalisia kalvoproteiineja, jotka jatkuvasti syntetisoivat selluloosamikrofibrillejä solukalvon ulkopinnalla. Mikrofibrillien distaaliset päät integroituvat soluseinään 7

8 soluseinän mikrofibrillejä mikrofibrilli, joka koostuu (1 4) β-d-glukaani - ketjuista Kasvisolun seinä ja sen rakenne -Kaikki soluseinän kerrokset koostuvat selluloosamolekyylien muodostamasta mikrofibrillaarisesta faasista ja mikrofibrillien välisestä faasista. Tämä välifaasi on kemialliselta koostumukseltaan monimutkainen. Se koostuu erilaisista polysakkarideista, proteiineista ja fenolisista yhdisteistä. Polysakkaridit voidaan edelleen jakaa hemiselluloosaan ja pektiineihin. -Pektiinit (mm. rhamnogalakturonaanit, galakturonaanit, galaktoosin ja arabinoosin polymeerit) -Pektiinit ovat tyypillisiä keskilevyssä ja primaariseinässä (kaksisirkkaisilla kasveilla päärakennusaine rhamnogalakturonaani I) - Hemiselluloosa (ksylaanit, glukomannaanit, mannaanit, ksyloglukaanit, kalloosi) voi muodostaa vetysidoksia mikrofibrillien kanssa (cross-linking glycans). 2-sirkkaisten sekundaariseinän yleisin hemiselluloosa on glukuroniksylaani, paljassiemenisillä glukomannaani jne. - Soluseinän rakenneproteiinit ovat glykoproteiineja (HRGP= hydroxyproline-rich glycoproteins, PRP & GRP) Hemiselluloosa-molekyylin rakenne β 1 4 sidoksin toisiinsa liittyneet glukoosi yksiköt voivat muodostaa vetysidoksia selluloosamikrofibrillin pinnalle Esiintyöntyvä olikosakkaridi sivuketju Tämä pää voi olla liittyneenä neutraaliin pektiini molekyyliin Koostuu glukoosiyksiköiden muodostamasta ketjusta. Glukoosit voivat liittyä selluloosa mikrofibrillien pinnalle vetysidoksin. Kuvassa kyseessä ns. ksyloglukaani, jossa ksyloosiyksiköitä on liittyneenä useisiin glukoosimolekyyleihin. Myös muita sokereita kuten galaktoosia ja fukoosia voi olla liittyneenä. 8

9 - Soluseinän rakenneproteiinit ovat glykoproteiineja (HRGP= hydroxyproline-rich glycoproteins, PRP & GRP) - Ekstensiini, josta 40 % hydroksiproliinia, lisäksi seriiniä, lysiiniä ja tyrosiinia, sitoutuu mahdollisesti kovalenttisesti muihin molekyyleihin ja vahvistaa näin seinärakennetta. Pektiiniä keskilevyssä Selluloosamikrofibrillit Hemiselluloosa Primääriseinä koostuu pääosin pektiinistä, hemiselluloosasta ja selluloosasta 9

10 Primääriseinä koostuu pääosin pektiinistä, hemiselluloosasta ja selluloosasta Primaariseiniä on kahta eri tyyppiä. Tyyppi I on paljassiemenisillä, kaksisirkkaisilla ja useilla yksisirkkaisilla, joilla soluseinä sisältää lähes yhtä paljon ksyloglukaania ja selluloosaa. Tyyppi II on heinäkasveilla (Graminae) ja useilla yksisirkkaisilla ja näillä hemiselluloosana on glukuroniarabinoksylaani ja pektiinejä vähemmän kuin tyypissä I. Soluseinässä on myös kohtia, joissa kahta vierekkäistä solua erottavat vain keskilevyt (primaari- ja sekundaariseinää ei synny). Näitä kohtia kutsutaan huokosiksi. Selluloosan, hemiselluloosan ja ligniinin pitoisuudet eri soluseinäkerroksissa Kutiini ja suberiini 10

11 Trakeidit eli putkisolut kevätpuu kesäpuu Huokosen rakenne Rengashuokonen, jossa keskellä sulkulevy eli torus Douglaskuusi Esim. männyllä sydänpuun muodostuessa rengashuokoset sulkeutuvat (aspiraatio), jolloin puuaineen läpäisevyys alenee Ligniini ja fenoliset yhdisteet Ligniini lujittaa soluseinän rakenteen. Ligniiniä on kasvien puutuneissa osissa noin % puuaineksen kuivapainosta. Havupuissa sitä on n %. Soluseinän lignifikaatio alkaa yleensä sen jälkeen kun sen hiilihydraattikomponentit: selluloosa, hemiselluloosa, pektiinit ja muut polysakkaridit ovat jo syntetisoituneet. Ligniini täyttää polysakkaridikuitujen välit ja ankkuroi kuidut toisiinsa. Rakenteeltaan ligniini on kompleksinen ja heterogeeninen; aromaattinen polymeeri, jonka lähtöaineena ovat kanelialkoholin johdannaiset. 11

12 Ligniini lujittaa soluseinän rakenteen lopullisesti Ligniini on fenyylipropaaniyhdisteistä muodostunut polymeeri (koniferyyli-, p-kumaryyli- ja sinapyyli-alkoholit) Fenyylipropaanirunko p-hydroksifenyyliligniini Guajasyyliligniini Syringyyliligniini Ligniini-polymeerin rakenne kuvassa havupuun ligniini 12

13 NH2 phenylalanine cinnamate 4-coumarate CO CO CO caffeate CO ferulate CO 5-hydroxy ferulate sinapate CO CO PAL C4H C3H COMT F5H COMT HO CH3O 4CL 4CL 4CL CO SCoA CO SCoA CO SCoA? CCoAOMT Ligniinin biosynteesi reitti - alkoholien synteesi solulimassa, kuljetus vesikkeleissä soluseinään - polymerisaatio soluseinässä CCR CHO CHO CHO Cald5H AldOMT CAD SAD CH2 CH2 HO CH3O CH3O Guaiacyl monolignol Syringyl monololignol PEROXIDASES H 2O 2 O 2 LACCASES Lignification proceeding in the cellwalls of Scots pine xylem as viewed by safranin staining under the fluorescent microscope. Largest amounts of lignin are in the middle lamella. Photo: Pekka Saranpää / Metla Soluseinäverkostot - polymeeriverkot Polymeeriverkostot muodostuvat polysakkaridesita (selluloosa-, hemiselluloosa - ja pektiiniverkostot) ovat hydrofiilisiä. Ligniiniverkosto on hydrofobinen. Kasvavissa soluissa selluloosa- hemiselluloosa verkostot vastaavat rakenteen vahvuudesta. Hemiselluloosat pitävät mikrofibrillejä paikallaan. Pektiiniverkosto kontrolloi huokosten kokoa ja siis makromolekyylien kuljetusta sekä soluseinän varausta. Ligniiniverkosto muodostuu viimeisenä. Ligniini vaikuttaa suuresti muiden verkostojen ominaisuuksiin ja mm. sellluloosahemiselluloosa verkoston lujuus kasvaa (vetysidokset vahvistuvat veden puutuessa koska vesimolekyylit eivät kilpaile polysakkaridimolekyylien kanssa sidosten muodostumisesta). Vedettömyys estää entsyymien tunkeutumista. 13