8 Parede Celular

Introdução

Quando Pedro Álvares Cabral chegou ao Brasil em 1500, uma das primeiras providências tomadas pelos portugueses foi mandar escrever uma carta para o Reino de Portugal, avisando o rei sobre o que tinha encontrado. Na carta, escrita em papel, Pero Vaz de Caminha descreve a nova terra, salientando, entre outras coisas, o valor de suas plantas. Algo que nem Cabral nem Caminha podiam saber na época é que tudo isso só foi possível graças à parede celular das plantas. As famosas caravelas que os trouxeram haviam sido construídas em madeira e suas velas eram feitas de pano, compostas principalmente pelas paredes celulares das fibras e dos tecidos vasculares de plantas. As roupas dos tripulantes eram todas feitas de celulose, a comida de origem vegetal trazida a bordo foi a fonte de fibras que fez os intestinos das tripulações funcionarem durante a viagem e, finalmente, a carta de Caminha foi escrita sobre a celulose.

O exemplo da descoberta do Brasil denota o fato de que é muito difícil escapar do envolvimento da parede celular dos vegetais em qualquer evento, passado ou moderno. Isso porque todas as células vegetais são envolvidas por uma matriz de polímeros chamada parede celular, e, ao usar qualquer produto de origem vegetal, direta ou indiretamente, empregam-se as propriedades físicas e químicas da parede celular.

Da mesma forma que na história e no dia a dia, na fisiologia vegetal também se pode afirmar que a parede celular está relacionada com a maioria dos eventos biológicos. Há alguns poucos processos fisiológicos em que a parede é determinante direto, como o transporte de água a longas distâncias nas plantas pelo xilema e pela abertura dos estômatos. Porém, em qualquer fenômeno fisiológico nos vegetais, a parede terá uma participação, seja na germinação, passando pelo crescimento até o desenvolvimento de folhas, flores e frutos.

Como a parede está envolvida em todos os processos fisiológicos, com maior ou menor intensidade, não é possível mencionar e discutir neste capítulo todos os papéis biológicos que ela desempenha nas plantas, bem como permear todos os capítulos deste livro colocando a parede nos diferentes contextos. Nesse sentido, os leitores são convidados a usar os conhecimentos adquiridos neste capítulo e, ao lerem os outros, perguntar a si mesmos como a parede pode estar envolvida nos diferentes processos fisiológicos abordados.

Neste capítulo, serão primeiro mostradas as características químicas e físicas da parede, que a definem estruturalmente (composição). Depois, serão discutidos os modelos que tentam explicar como os polímeros se arranjam, gerando as propriedades emergentes que formam o que hoje se chama de arquitetura da parede celular vegetal (estrutura). A compreensão da composição e estrutura dos componentes e de como estes são arranjados no complexo de polímeros que forma a parede permite inferir suas funções principais na planta, ajudando a explicar os processos de crescimento e desenvolvimento, que constituem a essência da fisiologia vegetal.

Por último, há uma breve exposição sobre algumas das principais aplicações da parede celular em biotecnologia vegetal, bem como o seu papel na questão ambiental em relação ao sequestro de carbono diante das mudanças climáticas globais em curso no planeta.

Estrutura e localização da parede celular Você já pensou em por que uma planta para em pé? Árvores atingiram tamanhos e alturas (há sequoias no hemisfério norte com quase 100 metros de altura) que, mesmo depois de milhões de anos de evolução, animais jamais conseguiram atingir.

As plantas têm estruturas que podem ser consideradas análogas aos ossos, isso porque, em tecidos vegetais, cada célula é envolvida por uma

estrutura chamada de parede celular (Figura 8.1). Ela é um complexo de polímeros que fica do lado de fora das membranas celulares, o chamado apoplasto.

Os fisiologistas chamam de apoplasto o espaço existente entre as células vegetais. Essa é uma característica marcante das plantas, pois o apoplasto forma um espaço contínuo que liga o exterior da planta a qualquer célula no tecido vegetal. O apoplasto permeia toda a planta e só é interrompido pelas “estrias de Caspari” localizadas na endoderme radicular. Isso quer dizer que, se uma molécula de água ganhar o espaço apoplástico, ao chegar à endoderme da raiz, ela terá obrigatoriamente que passar pelo simplasto, ou seja, por dentro da célula. O transporte de água descreve esse processo e a eficiência desse transporte. Nos vasos do xilema, fica claro o papel da parede celular, no qual as células precisam suportar enormes forças de tensão (forçando a separação entre as células) e coesão (mantendo as células justapostas) para que o processo de transporte de água seja completo, desde a entrada de água via pelos radiculares (por capilaridade) até a sua saída pelos estômatos.

O apoplasto pode ser definido como um espaço cheio de água e solutos, em que estão diversos compostos que a planta sintetiza e transporta, como açúcares, aminoácidos e compostos do metabolismo secundário. Esses compostos são denominados coletivamente matriz extracelular vegetal (MEV). A parede celular faz parte da MEV e, justaposta à parede, está a

lamela média (Figura 8.1), que “cimenta” as células entre si. A lamela média é formada por pectinas e é permeável a vários compostos de baixo peso molecular.

 

Química e bioquímica da parede celular Para compreender a arquitetura da parede celular vegetal e sua composição nos diferentes tecidos, é importante entender as propriedades químicas e físicas dos polímeros. Em média, 90% da parede celular é composta por açúcares. Se forem consideradas todas as possibilidades de ligações entre os açúcares em paredes celulares de plantas, o número de combinações possíveis passa de 1,5 bilhão. No entanto, destes, apenas algumas dezenas ocorrem.

Considerando que a maior parte da parede celular é composta por carboidratos, torna-se fundamental entender um pouco mais sobre quem são

eles. Na Tabela 8.1, são dadas algumas informações importantes sobre a estrutura química desses açúcares.

A parede celular vegetal divide-se em três domínios, sendo um domínio microfibrilar envolto por outro domínio denominado matriz. Pode-se fazer uma analogia com o concreto: o domínio microfibrilar seria como o ferro e o da matriz seriam a areia e as pedras. O domínio microfibrilar é altamente cristalino e homogêneo, constituído basicamente por celulose e hemiceluloses e confere resistência e rigidez à parede celular. A matriz, na qual o domínio celulose-hemicelulose se insere, é formada por substâncias pécticas. A parede é um compartimento dinâmico das células vegetais em que alterações ocorrem a todo momento. Assim, fazem parte da parede várias proteínas (entre elas, proteínas estruturais e enzimas) que operam sobre os polímeros de açúcares – este é chamado de domínio proteico.

 

Celulose

A celulose é considerada um glucano, ou seja, um polissacarídio formado por unidades de glicose. A celulose apresenta longas cadeias lineares (ou seja, sem ramificações) de glicose unidas por ligações glicosídicas do tipo beta-(1,4). Não se sabe ao certo qual o tamanho máximo que uma molécula de celulose pode atingir, mas é possível que uma única molécula consiga dar toda a volta, ou mesmo algumas voltas completas, ao redor da célula.

 

Figura 8.1 Fotomicrografia de células de folhas de Hymenaea courbaril L. (jatobá) mostrando detalhes da parede celular primária (uma célula paliçádica) (A) e da parede celular secundária (fibras do sistema vascular) (B). PC: parede celular; ML: lamela média; V: vacúolo; A: grânulo de amido; S1, S2, S3: camadas da parede secundária das fibras com deposição de celulose em diferentes sentidos. Essas células têm parede primária (PP), que constituem uma fina camada de tom cinza mais escuro (ponta da seta). Imagens de Marcelo Machado e Marcos Buckeridge (2007). C. Secção transversal de uma raiz de feijão vista em microscopia de fluorescência. Os vasos do xilema são vistos ao centro e o brilho está relacionado com a presença de lignina. O anel ao redor do feixe vascular é a endoderme, e os pontos claros (seta) as estrias de Caspary. Imagem cedida pelo Departamento de Botânica do Instituto de Biociências da Universidade de São Paulo (IB-USP).

Tabela 8.1 Química dos carboidratos.

Poli-hidroxialdeído: Açúcares ou carboidratos são

note que no carbono 1 de nidos como poli-hidroxialdeídos

(último à esquerda, e seus derivados. Eles apresentam

em vermelho) há um vários grupamentos hidroxila e um

aldeído grupamento aldeído ou cetona em

suas moléculas. Aqueles com

grupamentos aldeído são chamados

Poli-hidroxicetona:

aldoses, e os do tipo cetona são as

note que nesse caso

cetoses. Os poli-hidroxialdeídos e as

há uma cetona (no

poli-hidroxicetonas são as unidades

carbono 2, segundo da

básicas dos carboidratos. Substâncias

esquerda para a

com as características citadas são

direita)

denominadas genericamente

monossacarídios

 

Hexoses: são Os monossacarídios são classi cados

monossacarídios que conforme o número de átomos de

contêm seis carbonos carbono da molécula, sendo o

no total e formam um gliceraldeído e a di-hidroxicetona os

anel piranosídico menores monossacarídios

(hexâmero). Exemplos conhecidos, uma vez que

são a glucose, manose apresentam apenas três átomos de

e galactose. Esta carbono. O número de átomos de

última também pode carbono varia entre três e oito e os

formar anéis nomes dados a esses

furanosídicos, como a monossacarídios são designados por

frutose pre xos conforme este número, ou

seja, tri, tetra, penta (ver estrutura

ao lado), hexa (ver estrutura ao

lado), hepta e octa, acrescidos

sempre do su xo ose. Assim, pode-se

classi car a glicose e a frutose como

hexoses, pois ambas têm seis átomos

de carbono em suas moléculas. Além

de se distinguirem pela presença de

grupamentos aldeído ou cetona e

pelo número de átomos de carbono,

os açúcares diferem quanto à posição

das hidroxilas nas moléculas. Mesmo

a glicose e a manose (aldoses e

hexoses) diferem entre si quanto à

posição de hidroxila do carbono 2.

Essa diferença dá a cada molécula

propriedades físicas e químicas

diversas, que possibilitam a sua

denominação por nomes especí cos.

Nas plantas, os monossacarídios mais

comuns entre as pentoses são a

desoxirribose e a ribose

(componentes do DNA e do RNA,

respectivamente), a arabinose e a

xilose (componentes da parede

celular). Entre as hexoses, destacam-

se a glicose, a manose, a galactose

(todas aldoses) e a frutose (uma

cetose)

 

Pentoses: são Normalmente, há uma reação

monossacarídios com interna nas moléculas dos

cinco carbonos. monossacarídios, ou seja, o

Exemplos são a ribose, grupamento aldeído (no carbono 1)

a arabinose e a xilose. ou o grupamento cetona (no carbono

A frutose também 2) reage com um grupamento

forma um anel de hidroxila de própria molécula (em

cinco carbonos, mas geral pertencente ao carbono 5) e

contém seis carbonos forma um anel característico. Em

no total e é, portanto, razão da proximidade do átomo de

uma hexose (ver oxigênio, o carbono 1 se torna mais

anteriormente). Tal reativo que os demais, podendo

anel é formado, pois a reagir com as hidroxilas de outras

frutose é uma cetose moléculas de monossacarídios.

Quando duas moléculas de

monossacarídios se unem formando

uma molécula maior, esta é

denominada dissacarídio, e a ligação

estabelecida entre as duas leva o

nome de ligação glicosídica. Os

oligossacarídios são açúcares

compostos por duas a dez moléculas

monossacarídicas unidas por ligações

glicosídicas. Se o número de

monossacarídios é maior que dez, o

carboidrato é denominado

polissacarídio. A ligação glicosídica é

formada sempre pelo carbono 1 de

uma das moléculas do

monossacarídio com qualquer átomo

de carbono de outra molécula,

exceto o carbono 5 (nas hexoses),

pois este está impedido de reagir por

fazer parte da ligação que forma o

anel de hexose. Assim, no caso de

duas moléculas de glicose, nove tipos

diferentes de ligações glicosídicas

são possíveis

 

Ligação glicosídica: o Obviamente, o número de estruturas

carbono 1 (C1) de um possíveis no caso dos oligossacarídios

dos monossacarídios é muito maior. Esse número aumenta

se liga ao carbono 4 mais ainda, pois podem existir

A estrutura acima é uma

(C4) de outro ligações entre diferentes

celobiose, para exempli car a

monossacarídio. A monossacarídios. Contudo, essa

ligação glicosídica. Esse

ligação é feita por diversidade não é tão grande na

dissacarídio consiste em duas

meio da reação entre natureza quanto poderia, pois a

moléculas de glucose ligadas

duas hidroxilas, de entre si por ligação glicosídica maioria das estruturas possíveis

modo que uma beta-(1,4) e constitui a base da simplesmente não ocorre. No caso

molécula de água molécula de celulose dos polissacarídios, a maioria das

entra para cada reação moléculas conhecidas apresenta

realizada e uma unidades monossacarídicas

molécula de água sai respectivas de um único tipo ou de

quando a reação é dois a três tipos diferentes

quebrada. Daí vem o

nome hidrólise, que

signi ca quebra pela

água

 

Adaptada de Dietrich et al. (1988).

 

Na cadeia central da celulose, cada molécula de glicose fica disposta em

uma rotação de 180° em relação à molécula adjacente (Figura 8.2 A). Sabe-se que 36 cadeias de celulose se unem formando um complexo cristalino denominado microfibrila. Isso ocorre porque uma molécula de celulose é

disposta em relação à molécula adjacente de maneira antiparalela (Figuras

8.2 A e 8.3). A disposição das hidroxilas das moléculas de glicose, quando arranjadas desse modo, forma um grande número de ligações de pontes de

hidrogênio entre essas cadeias (Figura 8.2 A). Essas pontes competem com a água de hidratação das hidroxilas e, com isso, durante a formação da microfibrila, apenas um mínimo de água permanece no cristal. O resultado é uma estrutura cristalina extremamente compacta e desidratada, levando a uma consequência relevante para as plantas, pois, em virtude do enorme número de ligações de pontes de hidrogênio entre as glicoses das moléculas de celulose, as microfibrilas resistem a grandes forças de tensão. Além disso, o fato de serem desidratadas dificulta o ataque de enzimas à celulose, a não ser em casos muito especiais. Isso ocorre porque, para que se quebre uma ligação glicosídica (um processo chamado de hidrólise), é necessário haver água. Outro ponto importante refere-se ao fato de que as ligações glicosídicas do tipo beta, existentes entre as glicoses na celulose, necessitam de mais energia para serem quebradas que as ligações alfa existentes no amido. Há, portanto, uma grave limitação de acesso à celulose, tanto por hidratação quanto por ação de enzimas. Todas essas características notáveis ilustram por que a celulose, entre todas as outras possibilidades de formação de cristais de polímeros de açúcares, foi selecionada durante a evolução e é encontrada desde algas verdes até as plantas mais derivadas do planeta.

Figura 8.2 Estrutura e aparência da celulose. A. Estrutura da celulose mostrando três cadeias com pontes de hidrogênio que fortalecem as ligações entre as moléculas e as ligações glicosídicas beta-(1,4) entre as moléculas de glicose. B. Micrografia de varredura da superfície de uma folha de papel mostrando fibras (seta) compostas por 99% de celulose. Mesmo depois do processamento, ainda se encontra até 1% de xilose pertencente ao xilano, uma hemicelulose. Imagens de Cesar Gustavo Lisboa e Marcos Buckeridge (2005).

 

As microfibrilas de celulose são sintetizadas em complexos proteicos, denominados rosetas, que atravessam a membrana plasmática. Enquanto as cadeias de glicose são formadas, elas são depositadas na parte exterior da membrana, preenchendo o apoplasto. A celulose é o único polissacarídio de parede sintetizado na membrana plasmática, uma vez que os demais o são no complexo de Golgi, ainda dentro do citoplasma da célula. Os polissacarídios não celulósicos são transportados pelas vesículas de rede trans-Golgi e secretados para o apoplasto. Lá, alguns deles interagirão entre si e com a celulose, formando uma estrutura altamente organizada denominada código glicômico.

A partir da década de 1990, foram identificados em plantas vasculares os membros da primeira família gênica que codifica para enzimas de síntese de celulose. Essa família foi chamada de CesA (Celulose synthase A). Quando novos genes foram descobertos, notou-se que muitos membros da família CesA faziam parte, na realidade, de outra família (denominada Csl – do inglês Cellulose synthase like), responsável pela síntese das hemiceluloses e das pectinas. Mais recentemente, com o sequenciamento dos genomas de várias espécies, as famílias de CesA de plantas-modelo (p. ex., Arabidopis, milho e outras) foram desvendadas e mapeadas. Há várias isoformas de proteínas de CesA e Csl, sendo estas responsáveis por diferentes funções nos processos de síntese da celulose e de hemiceluloses.

Durante a síntese da celulose na membrana citoplasmática, uma enzima chamada sacarose-sintase participa do complexo de síntese de celulose (as rosetas), utilizando sacarose para produzir o nucleotídio açúcar base para a síntese da celulose, a uridina-difosfato-glicose (UDPG). A transferência de glicose a partir da UDPG para uma cadeia de glucano formará as moléculas básicas que interagirão formando as microfibrilas.

A celulose sofre poucas modificações durante a vida da planta, sendo degradada somente em casos especiais, como a abscisão foliar, o amadurecimento de frutos e a formação de aerênquima. Contudo, muitos microrganismos apresentam celulases que agem diretamente na degradação de celulose para obter energia. Esse é um dos principais mecanismos por trás da decomposição de biomassa nas florestas.

 

Hemiceluloses

Uma das principais hemiceluloses encontradas na natureza é o xiloglucano

(XG) (Figura 8.3 B), que consiste em uma cadeia de glicoses unidas entre si por ligações do tipo beta-(1,4), idênticas à celulose. Porém, o XG apresenta ramificações em pontos específicos com xiloses ligadas alfa-(1,6), as quais podem ter ramificações com galactoses ligadas beta-(1,2). Algumas unidades de galactose podem apresentar ramificação com moléculas de fucose por meio de ligações glicosídicas do tipo alfa-(1,2). Acredita-se que as ramificações com fucose sejam os principais indutores de mudanças conformacionais na cadeia principal do XG, afetando diretamente sua capacidade de interação com a celulose.

Sabe-se desde 1960 que as ramificações com xilose são regulares, e, na maioria dos XG, uma em cada quatro ou cinco glicoses não apresenta qualquer ramificação. Esses são os únicos pontos de acesso à cadeia principal do XG por enzimas hidrolíticas.

Essas ramificações da cadeia principal celulósica dos XG alteram o ângulo de ligação entre as glicoses de 180° para cerca de 52°. Essa alteração faz com que a força de interação entre as cadeias principais de moléculas de xiloglucano, idênticas à celulose, seja bem menor, de modo que os XG não formam microfibrilas. Ainda assim, a proximidade estrutural entre os XG e a celulose faz com que o primeiro seja capaz de interagir com a segunda de maneira eficiente, mas de forma reversível.

 

Figura 8.3 Estruturas químicas da celulose (A) e do xiloglucano (B). Note que a cadeia principal do xiloglucano é idêntica à da celulose e que há blocos repetitivos (colchetes) com quatro glicoses, três xiloses, galactose e fucose em proporções variáveis. XTH e celulases só conseguem quebrar as ligações beta-(1,4) da cadeia principal no ponto indicado com a seta. O acesso às demais ligações da cadeia principal só ocorre quando outras enzimas (hidrolases) retiram as ramificações. As ramificações com galactose e fucose também dificultam o acesso à cadeia principal. Pontos sem essas ramificações são atacados mais eficientemente pela xiloglucano transglicosilase/hidrolase (XTH) ou por celulases. GLC: glicose; XIL: xilose; GAL: galactose; FUC: fucose.

 

A regularidade das ramificações dos XG está relacionada com a existência de regiões moleculares com diferentes graus de interação entre si e com a celulose, o que ilustra o fato de que, como o DNA e as proteínas, os polissacarídios também podem apresentar domínios funcionais em suas

moléculas (Figura 8.3 B). O XG é, portanto, considerado um polissacarídio com estrutura geneticamente codificada.

Dependendo das ramificações e do tamanho da molécula de xiloglucano (que é muito menor que a celulose), a interação será mais forte ou mais fraca. Quanto mais ramificado, principalmente com galactose e fucose, mais fraca será a interação com as microfibrilas, acontecendo o mesmo quando de uma molécula de XG grande.

Outro papel do XG na parede celular refere-se à orientação das microfibrilas de celulose na parede. Acredita-se que as microfibrilas de celulose em eudicotiledôneas sejam inteiramente cobertas por uma camada de xiloglucano. É importante notar que, nas regiões menos ramificadas, as moléculas de XG interagem entre si. Como as ramificações podem variar em uma mesma molécula, quanto mais ramificado um segmento de xiloglucano, mais solúvel ele será na água presente no apoplasto e menos interativo com a celulose. Por sua vez, um segmento da mesma molécula que tenha baixa ramificação com fucose e galactose será fortemente interativo com celuloses e outras moléculas de XG pouco ramificadas. Dessa forma, acredita-se que o XG tenha a capacidade de formar pontes moleculares entre as microfibrilas de celulose, aumentando ainda mais a resistência da parede como um todo às forças de tensão provocadas pelo aumento no turgor celular durante o crescimento. As interações entre as moléculas de XG e de celulose indicam que essas interações existam para auxiliar na expansão celular. Outro papel do XG pode estar relacionado com mudanças fenotípicas de tamanho, descoberta recente em um mutante deficiente em XG em Arabidopsis. Dois outros polímeros hemicelulósicos parecem exercer papéis análogos ao do xiloglucano, os glucuronoarabinoxilanos (GAX) e os glucomananos (GMN).

Os GAX são polímeros ácidos com uma cadeia de xiloses unidas por

ligações do tipo beta-(1,4) (Figura 8.4). A seleção natural, portanto, levou ao aparecimento, em alguns grupos de plantas, de um polímero que tem uma cadeia principal similar à celulose, porém com algumas diferenças. Como os XG, os GAX são ramificados e codificados, mas com arabinose e com ácido galacturônico. Os GAX são característicos de alguns grupos de monocotiledôneas e ocorrem também como a principal hemicelulose na maioria das paredes secundárias (fibras dos tecidos vasculares).

Já os GMN são hemiceluloses que apresentam uma cadeia principal de manoses e glicoses unidas por ligações glicosídicas do tipo beta-(1,4). Esse tipo de ligação produz uma cadeia linear que, quando em interação em uma disposição antiparalela, forma compósitos muito resistentes. Em alguns casos, a hemicelulose pode ser formada apenas por unidades de manose, chamando-se manano (MN). Os MN formam uma classe de polímeros que compreendem os mananos puros, os GMN e os galactomananos (GM)

(Figura 8.5). Tecidos vegetais com células contendo paredes repletas de MN apresentam grande resistência mecânica. Um dos exemplos é o da semente da palmeira Phoenix, usada durante muito tempo para a confecção de botões de roupas. No caso do café, grande parte da massa sólida insolúvel chamada de borra é composta por MN e celulose, que são insolúveis. A parte solúvel do café compreende principalmente pectinas (discutidas a seguir) e algum GM. Uma variação da estrutura dos MN são os GGM, que apresentam alternância de glicoses e manoses na cadeia principal. Esses polímeros podem se tornar mais solúveis se apresentarem ramificações com radicais acetila.

Figura 8.4 Hemiceluloses típicas de monocotiledôneas. XIL: xilose; AGL: ácido glicurônico; ARA: arabinose; GLC: glicose.

Figura 8.5 Hemiceluloses do grupo dos mananos. MAN: manose; GAL: galactose; GLC: glicose.

 

De maneira análoga ao XG e ao GAX, quando ocorrem ramificações com radicais acetila ou com galactose, a solubilidade em água dos GGM ou dos GM aumenta e a força de interação com celulose diminui. Os MN e suas variações em GGM e os GM também interagem com a celulose de forma eficiente e dependente das ramificações. Não há estudos acurados, mas acredita-se que GAX, GMN e os MN em geral tenham função similar à dos XG, participando da organização das microfibrilas de celulose na parede celular.

Os XG, GAX e MN podem ocorrer ao mesmo tempo em um dado tecido, mas geralmente um deles domina. De maneira geral, suas funções parecem estar relacionadas com o equilíbrio das forças de tensão das paredes celulares e o controle do crescimento celular. Outra função importante dos XG e dos GM refere-se ao fato de servirem como reserva de carbono em endospermas ou cotilédones de sementes. A vantagem em ter tais compostos como reserva de carbono é que o número de espécies capazes de produzir enzimas que ataquem esses polímeros é limitado e, com isso, há uma proteção contra herbivoria e ataque de microrganismos.

Outra hemicelulose encontrada principalmente em gramíneas (cana-de-açúcar, milho, sorgo) é o glucano de ligação mista (beta (1,3)-(1,4)), também conhecido como betaglucano, detectado sobretudo em tecidos em crescimento, quando boa parte é degradada ao longo do desenvolvimento. Ao contrário das outras hemiceluloses, o betaglucano interage pouco com os demais polissacarídios na parede celular. Há evidências de que o betaglucano de espécies como trigo, cevada e cana-de-açúcar tenha função de reserva tanto em folhas quanto em sementes.

 

Pectinas

As pectinas são polissacarídios ácidos que se acredita não estarem covalentemente ligadas à celulose ou às hemiceluloses (ver adiante o item sobre os modelos de parede). A cadeia central das pectinas é formada por ácido galacturônico (uma versão ácida da galactose) unido por ligações do tipo alfa-(1,4). Essa cadeia pode ser interrompida por unidades de ramnose, a qual apresenta ramificações longas com polímeros de galactanos e arabinanos.

Quando não ramificados, os polímeros com cadeias contendo somente ácido galacturônico são denominados homogalacturonanos (HG), e, quando

ramificados, levam o nome de ramnogalacturonanos (RG) (Figuras 8.6 e

8.7). Os HG conseguem formar complexos com cálcio e magnésio. Na

Figura 8.6 B, é mostrado como a conformação molecular leva à formação de complexos com esses cátions. Esse estado conformacional dos HG em interação com o cálcio é chamado de caixas de ovos. Cálcio e magnésio são cátions que têm baixa mobilidade nas plantas em decorrência da baixa solubilidade. A interação com as pectinas faz com que estoques desses íons envolvam cada uma das células vegetais, os quais podem ser acessados de modo rápido e eficiente, bastando uma alteração do pH do apoplasto. É possível, portanto, que a evolução das pectinas esteja diretamente relacionada com a conquista do ambiente terrestre pelas plantas e a possibilidade de crescimento, atingindo grande porte.

Na ausência do cálcio, os HG são bastante solúveis em água por causa das ligações alfa entre as unidades de ácido galacturônico. Na presença de íons cálcio e magnésio, os HG formam um gel. O grau de hidratação desse gel depende de outra característica estrutural. As pectinas podem apresentar diferentes graus de esterificação, ou seja, a formação de radical O-R, em que R pode ser um radical metila (CH3) ou acetila (COCH3), o qual se liga a uma hidroxila do anel do açúcar pelo oxigênio de uma dessas hidroxilas. Quanto mais metilado o HG, menos solúveis em água, pois a metilação confere um caráter mais hidrofóbico ao polissacarídio. O grau de esterificação com metila e o pH determinam as propriedades de formação de gel das pectinas. Em pH ácido, pectinas com baixa esterificação com metila gelificam na presença de íons divalentes, formando as caixas de ovos. No entanto, se o grau de esterificação for maior que 50%, há alguma interação com cálcio, mas não se forma gel. Portanto, o grau de esterificação com metila das pectinas determina quanto de cálcio e magnésio ficam armazenados no apoplasto e, também, a força de coesão entre as células na lamela média. Na parede celular, a pectina consiste na região mais hidratada, quando comparada à celulose e às hemiceluloses. Além disso, o nível de hidratação da parede pode ser controlado por enzimas, as metilesterases, que retiram os radicais metila das pectinas, tornando-as mais solúveis e capturando o cálcio por meio da formação de caixas de ovos.

Figura 8.6 Pectinas. A. Estrutura do homogalacturonano. Forma-se uma cadeia linear de ácidos galacturônicos (AGA) que, quando metilados, tornam o polissacarídio solúvel em água. Na ausência de metil-esterificações, a conformação molecular do homogalacturonano interage com íons divalentes (Mg > Ca > Sr > Ba), formando um complexo conhecido como caixa de ovos (B). Nesse caso, forma-se um gel.

 

Na lamela média, os chamados pectatos de cálcio e magnésio, ou seja, as caixas de ovos formadas pelos HG e os íons, estão entre as principais forças que mantêm as células vegetais justapostas e dão sustentação aos tecidos vegetais. Em frutos durante o amadurecimento, a solubilização da pectina da lamela média faz o tecido perder consistência, tornando mais difícil estourar as células e obter o líquido intracelular durante a mastigação. Em pêssegos armazenados a baixa temperatura, esse fenômeno pode acontecer, dando uma consistência desagradável durante o consumo. O mesmo ocorre com as chamadas “maçãs farinhentas”.

Na pectina da parede celular, as ramificações com galactanos e arabinanos, que se ligam às unidades de ramnose que interrompem a cadeia de HG, compreendem galactanos de dois tipos: os beta-(1,4) ligados e os beta-(1,3)-(1,6) ligados, este último um dos principais compostos do café. Os arabinanos, que podem estar isolados ou ligados aos galactanos, são

geralmente do tipo alfa-(1,5) (Figura 8.7). Trata-se de polímeros neutros que parecem dar estabilidade aos grandes complexos pécticos da parede celular. Uma das suas funções parece estar relacionada com o grau de porosidade da parede celular.

Há ainda outro tipo de pectina, que consiste nos ramnogalactoronanos II (RGII). Esses polímeros são encontrados em pequena proporção na parede e têm algumas características das pectinas. Eles são considerados provavelmente os polissacarídios mais complexos da natureza. Sua estrutura química não será discutida aqui, mas é importante saber que se acredita que o RGII tenha a função de complexar o boro e mantê-lo no apoplasto, fator muito importante, pois, como o cálcio, o boro é pouco móvel nas plantas e essencial para diversas reações nas células vegetais. Mutantes de Arabidopsis que não contêm, ou contêm muito pouco RGII, apresentam sérios problemas de crescimento, os quais são característicos de deficiência de boro.

 

Proteínas

Apesar de serem encontradas em menor proporção (cerca de 10%), várias proteínas fazem parte da parede celular vegetal. Há duas classes principais: as proteínas estruturais e as enzimas. As primeiras são geralmente proteínas ricas em glicina ou hidroxiprolina e apresentam sequências repetitivas que lembram as proteínas estruturais de animais, como o colágeno. Em decorrência de as proteínas estruturais da parede celular serem muito pouco solúveis, houve um grande atraso nos estudos de suas estruturas. Quando essas proteínas foram descobertas, acreditava-se que estavam relacionadas com o processo de extensão celular, motivo pelo qual foram chamadas de extensinas. Posteriormente se verificou que elas não têm esse papel, mas mesmo assim o nome persiste. Desse modo, ainda não se compreende bem as funções dessas proteínas na parede celular.

Na década de 1990, o grupo de Daniel Cosgrove, nos EUA, descobriu uma proteína que tem a função de controlar a expansão e a extensão celular, a que se deu o nome de expansina. Trata-se de uma proteína com características únicas, pois consegue quebrar as pontes de hidrogênio entre a celulose e as hemiceluloses, desfazendo a interação entre eles. A estrutura de algumas expansinas lembra a de uma celulase, com um domínio de ligação à celulose, mas sem um sítio catalítico. Isso significa que a expansina não é uma enzima, mas uma proteína capaz de causar distúrbios conformacionais nos polissacarídios e alterar suas interações.

 

Figura 8.7 Principais componentes do ramnogalacturonano I, um dos principais elementos das pectinas na parede celular de plantas. A cadeia principal é formada por unidades de ácido galacturônico (AGA) e ramnose (RAM). As ramnoses podem apresentar ramificações com arabinogalactanos do tipo I (1,3-1,6 ligados) e/ou do tipo II (1,4 ligados) e/ou arabinanos (1,5 ligados). GAL: galactose; ARA: arabinose.

 

Já no caso das enzimas, há um grande número de estudos sobre suas estruturas e funções, além de terem sido clonados diversos genes que codificam para várias hidrolases de polissacarídios da parede celular.

A parede é extremamente dinâmica, com vários componentes sendo renovados diariamente, motivo pelo qual, a todo momento, um grande número de enzimas permeia o apoplasto, promovendo modificações como desramificações de hemiceluloses e pectinas, metil-esterificação de pectinas, transglicosilação etc. Não é possível, neste capítulo, discutir todas as enzimas importantes nos processos de modificação da parede celular, mas algumas delas serão abordadas a seguir, ao tratar sobre os papéis fisiológicos da parede.

Uma enzima de parede com características não usuais é a xiloglucano endotransglicosilase (XET). Ela foi descoberta no Japão por Kazuhiko Nishitani e na Escócia, ao mesmo tempo, nos laboratórios de Stephen Fry e John Grant Reid. Usando sistemas biológicos diferentes, os três chegaram a resultados que mostravam que o XG, quando em presença da XET, pode sofrer um processo chamado de transglicosilação. Se duas moléculas de XG são incubadas com XET, fragmentos de ambas podem ser trocados sem que

os pesos moleculares das duas moléculas se alterem (Figura 8.8). Descobriu-se posteriormente que a XET se liga covalentemente ao XG e transfere a molécula a ela ligada para outra molécula de XG solúvel. A descoberta da família das XET resolveu uma questão que estava sem resposta sobre a expansão celular: como as células vegetais podem alongar e/ou expandir sem hidrólise significativa de celulose e de XG? Hoje em dia, já se conhecem vários tipos de XET, atualmente chamadas de XTH (xiloglucano transglicosilase hidrolases).

 

Compostos fenólicos Além de carboidratos e proteínas, há compostos fenólicos na parede celular que interagem com os polissacarídios formando uma rede de interações que

confere rigidez aos tecidos vegetais (Figura 8.9), como o caso dos troncos de árvores e das hastes do bambu.

A lignina, depois da celulose, é o segundo biopolímero mais abundante na Terra, sendo responsável por 30% do carbono orgânico do planeta, além de uma adaptação evolutiva importante para que as plantas tivessem sucesso na conquista do ambiente terrestre.

A lignina é composta por ácidos ferúlicos, alcoóis sinapílicos, coniferílicos e cumáricos, que podem ser encontrados nas paredes de duas formas distintas. Uma delas é a formação dos chamados anéis diferúlicos, responsáveis por ligações covalentes entre dois polissacarídios, via ligação

éster entre as suas ramificações, chamadas pontes diferúlicas (Figura 8.9). Acredita-se que esses compostos “travem” a parede e impeçam modificações posteriores. Compostos fenólicos se ligam aos polímeros de parede celular de monocotiledôneas (paredes do tipo II, veja a seguir), fazendo com que as paredes dessas plantas apresentem autofluorescência

(ver Figura 8.1 C). Um possível papel biológico desses anéis diferúlicos nas paredes de monocotiledôneas poderia ser a filtração da luz ultravioleta, já que grande parte das espécies desse grupo, como as gramíneas, cresce em alta intensidade luminosa.

Figura 8.8 Mecanismos moleculares envolvidos nos processos de extensão da parede e intussuscepção de novos polissacarídios na parede. Com o aumento da turgescência celular, há uma pressão positiva que força a célula a expandir. A parede, apesar de ter certa elasticidade, é resistente à expansão. Muitas células vegetais apresentam mecanismos bioquímicos que permitem o afastamento das microfibrilas e a colocação de mais material, possibilitando o crescimento por plasticidade. Em A, as expansinas destacam os xiloglucanos da superfície das microfibrilas. Ao mesmo tempo, moléculas de XTH atacam o xiloglucano, principalmente em regiões destacadas. A XTH fica ligada covalentemente à molécula de xiloglucano até que encontre outra cadeia de xiloglucano, à qual a cadeia carregada pela XTH é religada. Em B, é mostrada uma situação posterior. Uma nova microfibrila e novas moléculas de xiloglucano (laranja) foram introduzidas por intussuscepção entre as duas microfibrilas anteriormente existentes. Note que a expansina não está mais presente e a XTH está religando as cadeias de xiloglucano, reconstruindo o domínio celulose-hemicelulose.

 

Nas paredes secundárias do sistema vascular das plantas, alcoóis sinapílicos e coniferílicos se condensam formando uma rede que “trava” e “enrijece” a parede constituída de grandes proporções de microfibrilas de celulose cobertas por uma camada fina de hemicelulose (nesse caso, o xilano, um polímero que só apresenta a cadeia principal dos GAX). É essa rede de compostos fenólicos interligados a que se dá o nome de lignina

(Figura 8.9). A proporção entre lignina e celulose muda as propriedades mecânicas dos tecidos vegetais. Ramos de plantas com paredes ricas em lignina apresentam-se quebradiços, enquanto aqueles com maior proporção de celulose são mais flexíveis.

 

Propriedades físicas da parede celular e sua relação com funções e papéis biológicos

A parede celular é composta por uma mistura de polissacarídios complexos que interagem entre si formando um compósito (material feito de várias substâncias diferentes) com propriedades similares às de um cristal líquido. Em um cristal líquido, as moléculas podem ter diferentes graus de liberdade de movimento. Isso provoca uma situação tal que um cristal líquido pode exibir propriedades de sólidos e líquidos ao mesmo tempo. Enquanto algumas moléculas se apresentam no estado líquido, no mesmo compósito, outras se apresentarão como se fossem cristais.

Muitas substâncias apresentam uma propriedade chamada ponto de fusão e, se aquecidas, mudam de fase (p. ex., de sólido para líquido) abruptamente em uma dada temperatura. A água pura, por exemplo, desde que em uma pressão de 1 atmosfera, tem um ponto de fusão de 0°C. Outras substâncias, como o vidro, não apresentam um ponto de fusão, mas uma fase mais longa e mais lenta de mudança de fase chamada de transição vítrea. A parede celular das plantas, sendo composta por vários polímeros com estruturas diferentes, apresenta características compatíveis com as de um cristal líquido em que alguns polímeros podem apresentar um real ponto de fusão (p. ex., a celulose), enquanto outros transição vítrea (p. ex., o XG). Assim, enquanto a celulose forma um verdadeiro cristal, que é sólido, as hemiceluloses têm propriedades de materiais amorfos e apresentam transição vítrea. Ao compreender essas propriedades, é possível inferir que existe um alto nível de complexidade relacionado com as propriedades emergentes da parede celular com todos os seus polímeros. Há também um alto nível de complexidade em como as forças de tensão e coesão entre os polímeros se distribuem no compósito, gerando propriedades mecânicas emergentes que permitem que células delicadas mantenham a sua forma e função sob o peso de várias toneladas.

 

Figura 8.9 As pontes diferúlicas (azul-claro) são compostas por ácidos orgânicos que formam a ligação entre os polissacarídios e a lignina. Esta última é um complexo de compostos fenólicos ligados entre si similares aos desenhados em azul-claro. A deposição de compostos fenólicos na parede celular é característica de paredes secundárias e de paredes do tipo II. Acredita-se que a deposição desses compostos trave a parede e impeça a continuidade do crescimento.

 

O equilíbrio entre as forças de tensão e coesão e as propriedades de cristal líquido da parede é fundamental para a planta. Ao mesmo tempo que certos tecidos vegetais precisam ser extremamente delicados, de modo que células na polpa de um fruto estourem e deixem o conteúdo intracelular à disposição dos animais, outros suportam pressões gigantescas, como as células da base de uma grande árvore. Essas células precisam suportar o peso de toda a árvore, que pode ser de várias toneladas. Já nas raízes, as células da epiderme, que estão em contato com o solo, ao crescerem, sofrem atrito e ficam diretamente expostas aos microrganismos. Por isso, as paredes celulares da epiderme têm diferentes composições e arranjos que fazem com que, ao mesmo tempo que a planta consiga absorver nutrientes, também se defenda do ataque de patógenos. Já nos tecidos internos da raiz, as células apresentam estruturas delicadas que selecionam íons e deixam passar água.

Na maioria das sementes, as paredes celulares podem conferir grande resistência aos tecidos, para evitar ou dificultar a predação. As paredes celulares da casca das sementes também apresentam características que evitam a entrada de água e controlam o processo de embebição e germinação.

Toda a diversidade de propriedades físico-químicas e biológicas das paredes celulares de diferentes tecidos pode ser explicada pelo fato de serem encontradas diferentes combinações de compostos nas paredes celulares de uma única planta, conforme o tecido analisado. Assim, as propriedades físicas de cada parede dependem da combinação de polímeros nela existentes, que são em quantidade bastante restrita, considerando o grande número de possibilidades.

 

Modelos da parede celular vegetal

Por volta de 1970, já se conhecia a estrutura química de muitos dos compostos da parede celular. Em outras palavras, àquela altura sabia-se como as glicoses se ligam entre si e quais os principais tipos de ligações glicosídicas existentes nas hemiceluloses e nas pectinas. Um grupo de pesquisas liderado por Peter Albersheim, na University of Georgia, nos EUA, vinha trabalhando com células em suspensão do plátano (Acer pseudoplatanus). Ao separarem os polímeros da parede celular e determinarem as suas estruturas químicas, esses pesquisadores não utilizaram apenas as ferramentas químicas para sondar a estrutura da parede, como era feito até então, mas também um coquetel de enzimas, observando que apenas alguns pontos da parede eram atacados.

Em uma série de três trabalhos que se tornaram clássicos da fisiologia vegetal, o grupo de Albersheim (um dos quais citados a seguir como Keegstra et al., 1973) propôs o primeiro modelo para o arranjo de

polímeros na parede celular (Figura 8.10), no qual a celulose interage com as hemiceluloses (o xiloglucano, no caso do plátano). Nessa proposta, as microfibrilas de celulose são cobertas com hemicelulose e ligadas à extensina (proteína) por meio de polímeros de pectinas. Essa ideia trouxe uma nova dimensão para a interpretação do que seria a parede celular. Em vez do conceito quase estritamente focado na celulose, que advém mais das

paredes do sistema vascular (Figura 8.1 B), o grupo de Albersheim abriu o caminho para novas ideias, extrapolando a importância das ligações químicas e colocando em evidência as interações entre os polímeros. Esses pesquisadores sugeriram que esses polímeros teriam papel fundamental nos processos biológicos relacionados com a parede celular. No modelo proposto, a parede se sustentaria majoritariamente por ligações covalentes entre os polímeros. Em outras palavras, deveria haver ligações covalentes entre celulose e hemicelulose, entre hemicelulose e as pectinas e entre as pectinas e as proteínas.

Por quase 20 anos, grupos de pesquisa por todo o mundo buscaram as ligações covalentes previstas pelo grupo de Albersheim. Apesar de terem encontrado evidências aqui e ali, não foi observado um padrão universal que sustentasse o modelo de 1973.

Em 1991, Maureen McCann e Keith Roberts, do John Innes Institute, na Inglaterra, empregaram o termo arquitetura, com um fim funcional, para definir a parede celular. A arquitetura pode ser definida como a arte e a ciência de desenhar construções. Ela envolve o posicionamento dos elementos considerando forma, luz e sombra, volume, textura, materiais e elementos de custo e tecnologia. A finalidade da arquitetura seria atingir formas estéticas, artísticas e funcionais.

O termo arquitetura é bastante adequado para abordar a parede celular, pois envolve a determinação de funções por materiais dispostos em posições que promovem motivos análogos ao volume e à textura, os quais ajudam a definir o termo. Para definir a parede celular, os autores sugeriram que a existência de ligações covalentes entre todos os polímeros de parede celular poderia não ser tão importante quanto se achava. Os polímeros poderiam interagir por meio de forças mais fracas (p. ex., pontes de hidrogênio) e formar complexos de polímeros independentes, promovendo, assim, diferentes motivos arquitetônicos.

De fato, o novo modelo de parede celular proposto por McCann e

Roberts (Figura 8.11) era fortemente baseado na proposta de 1973, diferindo pelo fato de que abandonava a ideia das ligações covalentes entre os polímeros e propunha a coexistência do que se chamaram domínios da parede celular. Trata-se de um modelo descontínuo da parede celular

(Figuras 8.11 e 8.12) em que os três domínios seriam:

1. Celulose-hemicelulose.

2. Pectinas.

3. Proteínas.

No modelo descontínuo, o domínio paracristalino celulose-hemicelulose, assim como o domínio proteico, estaria embebido em uma

matriz péctica (Figura 8.12). Esse modelo se adequou muito bem às ideias em voga na década de 1990 e ajuda a explicar muitos eventos fisiológicos, além de permitir explicações razoáveis sobre as propriedades físico-químicas da parede celular.

Figura 8.10 Modelo de parede celular proposto em 1973 por Peter Albersheim et al., em que as ligações covalentes (exemplos circundados) seriam a principal forma de manter os diferentes polissacarídios em interação. Note, porém, que a interação não covalente entre xiloglucano e celulose já havia sido proposta nesse modelo.

Figura 8.11 Representação do modelo descontínuo da parede celular baseado em Maureen McCann e Keith Roberts (1991). A parede celular localiza-se no lado externo da membrana plasmática (verde), contendo uma lamela média com a função de manter unidas todas as células por meio de suas paredes. A interação entre as hemiceluloses (vermelho) e celulose (cilindros azul-claro) foi conservada, formando o domínio celulose-hemicelulose, propondo-se que as pectinas (nuvem azul-claro) interajam com as hemiceluloses e celulose, formando uma matriz péctica (arabinanos e arabinogalactanos) que constitui um domínio independente. Em verde, são representadas as ligninas que amarram toda a estrutura da parede celular.

 

O terceiro salto na modelagem da parede celular foi realizado pelos fisiologistas vegetais Nicholas Carpita e David Gibeaut, da Purdue University, nos EUA. Em 1993, eles publicaram uma revisão em que separaram as paredes celulares em dois tipos, com base na composição dos domínios. Os dois tipos, portanto, apresentariam diferentes arquiteturas. As

paredes do tipo I (Figura 8.13) seriam aquelas que têm como principal hemicelulose o xiloglucano. As pectinas, nas paredes do tipo I, se apresentam, em média, como 30% do total de polímeros da parede e são características das eudicotiledôneas e parte das monocotiledôneas. Carpita e

Gibeaut caracterizaram as paredes do tipo II (Figura 8.13) como aquelas cuja principal hemicelulose é o glucuronoarabinoxilano em substituição ao xiloglucano. Estas, por sua vez, são paredes com proporções relativamente menores de pectinas em comparação às do tipo I e são características de monocotiledôneas. Outras duas distinções importantes observadas pelos autores referem-se ao fato de que as gramíneas (na realidade todo o grupo de espécies de Poales) apresentam, entre as hemiceluloses, os glucanos de ligação mista, e essas paredes apresentam grande quantidade de compostos fenólicos que fluorescem intensamente sob luz ultravioleta.

 

Figura 8.12 Modelo descontínuo da parede celular, no qual a parede é mostrada em “corte transversal” ao eixo das microfibrilas. Em vez de se sustentar por ligações covalentes, a parede celular primária é composta por três domínios independentes: pectinas, celulose-hemicelulose e proteínas. Os três coexistem de maneira independente, ou seja, sem ligações químicas covalentes, mas por interações fracas (pontes de hidrogênio).

 

O mais novo modelo de parede (tipo III) foi proposto em 2011 pelo grupo de Marcos Buckeridge para samambaias e licofitas. Nas paredes do tipo III, a maior proporção da hemicelulose é de mananos com uma

pequena quantidade de RGI (Figura 8.13).

No presente estágio do conhecimento sobre a parede celular, ainda são pouco conhecidas as pressões seletivas que levaram ao aparecimento dos subgrupos atuais em eudicotiledôneas, monocotiledôneas e samambaias. Suspeita-se que características ligadas às diferentes estratégias de adaptação associadas ao ambiente, crescimento e desenvolvimento dos vegetais tenham resultado na diversidade de estruturas encontradas nas paredes celulares das plantas.

Uma das ideias mais recentes para abordar a parede celular é a de que a arquitetura da parede seja uma estrutura codificada, denominada código glicômico. Nessa teoria, cada um dos polissacarídios seria codificado para promover interações mútuas, dando origem a compósitos organizados. De acordo com as combinações dos diferentes códigos dos polímeros da parede, uma diversidade considerável de arquiteturas distintas determina diferentes relações forma-função nos tecidos vegetais.

 

Funções e papéis biológicos da parede celular Utilizando o conceito de função e papel biológico proposto por Ernst Mayr, a parede celular vegetal poderia ser vista como com duas funções:

 

Figura 8.13 Arquitetura das paredes celulares dos tipos I e II, segundo as ideias de Nick Carpita e David Gibeaut (1993), e tipo III, de acordo com Silva, Carpita e Buckeridge (2011). Na parede do tipo I, o domínio celulose-hemicelulose é composto por xiloglucanos com diferentes tipos de ramificações que lhe conferem diferentes níveis de adesão às microfibrilas (tons de laranja). As proporções entre celulose, hemicelulose e pectinas são equilibradas. Na parede do tipo II, a principal hemicelulose é o arabinoxilano (azul). Acredita-se que, quando o arabinoxilano é sintetizado, as ramificações com arabinose são retiradas na parede. O polímero menos ramificado adere fortemente às microfibrilas (azul-claro), enquanto o mais ramificado adere fracamente (azul-escuro). Diferentemente dos xiloglucanos, os arabinoxilanos parecem se ligar entre si por compostos fenólicos, que são mais abundantes nas paredes celulares do tipo II. Nessas paredes, a proporção de pectina é menor que de celulose e hemicelulose. Na parede do tipo III, encontra-se como hemicelulose mais abundante o manano (tons de cinza). Paredes do tipo III são encontradas em samambaias.

 

1. Determinação da forma e distribuição de forças nas células e tecidos. 2. Manutenção de cátions ao redor das células.

A primeira função está diretamente relacionada com a capacidade que cada combinação de polímeros tem no controle da extensão e/ou da expansão celular e, também, na estabilização das forças de tensão e coesão nas células e tecidos vegetais. Durante a divisão celular, forma-se o fragmoplasto, um conjunto de microtúbulos, microfilamentos e retículo endoplasmático que serve como andaime para a iniciação de uma nova parede celular, durante o processo de divisão celular em vegetais. Antes da divisão, há um período de extensão e/ou expansão celular, caracterizado pelo afrouxamento da parede em virtude de mudanças na interação entre hemicelulose e celulose, e nos níveis de ramificação das pectinas. Em eudicotiledôneas, a expansina tem papel importante nesse processo, pois ela age sobre o xiloglucano, permitindo que as microfibrilas se afastem umas das outras, abrindo espaço para a adição de novas microfibrilas. Paralelamente, a XTH quebra e refaz ligações internas das moléculas de xiloglucano, evitando que as microfibrilas percam sua orientação geral. Parece ser durante esse período que o xiloglucano perde parcialmente sua interação com a celulose e que novas microfibrilas, hemicelulose e pectinas são colocadas nos espaços recém-formados entre as moléculas. Quando microfibrilas de celulose são colocadas em uma parede preexistente, o

processo é chamado de intussuscepção (ver Figura 8.8).

A força física que conduz o processo de expansão celular e aumenta a tendência de afastamento das microfibrilas é a turgescência da célula, dada pela pressão interna exercida pela água. Essa pressão faz a célula expandir, o que provoca o afastamento das microfibrilas, já que a ação da expansina acaba por destacar o xiloglucano da superfície das microfibrilas de celulose

(ver Figura 8.8). Acredita-se que a ação conjunta da expansina e da XTH possibilite um afastamento controlado das microfibrilas durante o crescimento. Se as microfibrilas estiveram em deposição ao acaso, a célula se expandirá isodiametricamente (como uma esfera), mas, se houver deposição organizada (ou orientada) das microfibrilas, surgirão sentidos específicos para a expansão, e a esse fenômeno se dá o nome de

alongamento celular (ver Figura 8.8). Uma vez que o espaço entre as microfibrilas se forma, novas microfibrilas de celulose e moléculas de XG são secretadas para o espaço extracelular e a XTH “costura” a nova rede de

moléculas (ver Figura 8.8). Com isso, durante a expansão, normalmente a espessura da parede se mantém, o que sugere que, ao mesmo tempo que ocorre intussuscepção, novas camadas de parede são depositadas sobre a parede preexistente.

Todo esse processo está associado à ação das auxinas em tecidos

vegetais (ver Capítulo 9). Durante o crescimento, o ápice caulinar e as folhas da planta produzem o hormônio, que é transportado para todos os tecidos em crescimento. A auxina, além de promover uma acidificação da parede celular ao entrar nas células, facilitando a quebra de ligações de pontes de hidrogênio entre o xiloglucano e a celulose, induz a transcrição de vários genes relacionados com enzimas da parede celular, como hidrolases e metilesterases de pectinas.

Assim, com um aumento do influxo de água na planta pela abertura dos estômatos, bem como a síntese e o transporte polar de auxina, a expansão celular em tecidos em crescimento representa um processo que necessita, ao mesmo tempo, de atividades de degradação ou rearranjo de polímeros e de biossíntese de polissacarídios com deposição na parede preexistente. Na cana-de-açúcar, foi observada expressão de genes relacionados com a degradação e a biossíntese simultaneamente em toda a planta. Em Arabidopsis, o grupo de Steve Kay, nos EUA, mostrou que os genes relacionados com a biossíntese de polissacarídios de parede celular apresentam um pico no fim do período noturno, enquanto aqueles associados à expansina e ao ataque a pectinas tiveram um pico no fim do dia. Nesse caso, os produtos dos genes (as enzimas) e seus efeitos ocorreriam durante o dia e a noite, respectivamente. Assim, pelo menos para Arabidopsis, o afrouxamento da parede parece ocorrer durante o período noturno, enquanto a deposição dos produtos de síntese, ou seja, a intussuscepção, aparentemente ocorre durante o dia. Isso denota o fato de que as paredes celulares não são estruturas sintetizadas uma única vez na vida da planta, mas constantemente rearranjadas, respondendo aos padrões de fluxos de carbono e água na planta e integradas ao seu metabolismo

(Figura 8.14).

É interessante ressaltar que a força motriz do processo é a entrada de água nos tecidos, o que exige a abertura dos estômatos que conectam o sistema solo-água-atmosfera. Como consequência, há a entrada de CO2, que permite o funcionamento da fotossíntese, fornecendo o carbono e a energia para o crescimento, que se dará principalmente durante o período noturno

(Figura 8.14).

Durante o desenvolvimento, um tecido vegetal precisa lançar mão de dois processos: um deles é a divisão celular e o outro é a expansão (crescimento isodiamétrico) e o alongamento celular (crescimento longitudinal). Nas plantas, um terceiro processo é crucial para a formação do xilema e dos frutos: a morte celular programada.

Geralmente, os tecidos de frutos passam por um período de divisão celular bem no início do processo de crescimento e, posteriormente, crescem somente por expansão. A capacidade de expansão celular compreende uma característica notória de vários tecidos vegetais. Em um fruto de mamão, o período de divisão se dá até o ponto em que ele atinge 5 a 10 cm de tamanho. Daí em diante, o crescimento se dá apenas por expansão, até que as paredes sejam novamente alteradas, impedindo que a

expansão continue (Figura 8.15).

Pode-se deduzir, portanto, que a capacidade de expandir é crucial para o crescimento e o desenvolvimento dos vegetais, processo no qual as paredes celulares são os principais atores.

A expansão celular se dá em todos os sentidos e é fácil de deduzir como isso acontece em um tecido em que as células são isodiamétricas. No entanto, ao se observarem as formas celulares em uma folha, o arranjo não é tão simples. As células epidérmicas são achatadas e algumas delas se transformam em estômatos. A camada paliçádica apresenta células alongadas em um dos eixos e as do parênquima lacunoso podem apresentar, em alguns casos, formas estreladas que produzem um grande espaço intercelular que possibilita ao CO2 fluir entre as células e atingir o máximo possível de superfície celular naquele tecido.

Figura 8.14 Roda do crescimento. A parede celular está diretamente relacionada com o crescimento das plantas, pois, após a divisão, dá-se o processo de expansão e/ou alongamento celular. Nas folhas e no ápice de plantas em crescimento, ocorrem a produção e o transporte de auxina pela manhã, concomitantemente com o início do influxo de água e nutrientes pela abertura estomática. A entrada de água promove uma pressão positiva (turgor) sobre as células cujas paredes já sofreram afrouxamento durante a noite anterior. Entre as microfibrilas que se afastaram em decorrência do afrouxamento (ver a

 

Figura 8.8), mais material de parede é depositado. Nesse momento, a célula se torna mais resistente à expansão, e a força de turgor começa a aumentar. No meio do dia, com os estômatos abertos e a fotossíntese funcionando, as células foliares armazenam amido. No fim do dia, ocorre a expressão dos genes relacionados com a expansão celular e, ao mesmo tempo, começa a mobilização do amido, que, transformado em sacarose, é transferido para os tecidos com potencial de crescimento. À noite, expansina e XTH, produzidas a partir da expressão gênica, começam a operar o processo de afrouxamento da parede. Este é seguido pela expressão dos genes de síntese de compostos de parede. O ciclo é fechado com o reinício do transporte polar de auxina.

 

Figura 8.15 Expansão celular em frutos de mamão. Cortes transversais do mesocarpo de frutos de mamão aos 5 (A) e 150 dias (B) após a antese. Nota-se um aumento de cerca de 3× no volume celular ao longo do período. Veja também que, aos 5 dias, há várias células em divisão (setas), enquanto aos 150 só há expansão. PC: parede celular.

 

Já no caule, o nível de complexidade dos processos de diferenciação pode ser bem mais alto, com células que se alongam e se dividem em diferentes sentidos. Do ponto de vista funcional, a parede celular ainda carece de observações e experimentos, mas já se sabe que a deposição das microfibrilas de celulose nas fibras do caule tem papel fundamental no equilíbrio de forças que fazem a madeira ter características tão importantes, como no caso do floema e do xilema, em que algumas células apresentam perfurações que deixam passar os nutrientes e os fotoassimilados.

Todos esses processos constituem a ação orquestrada por padrões de expressão gênica que produzem as proteínas atuantes durante o desenvolvimento das paredes celulares, gerando as relações morfofuncionais que fazem com que o vegetal funcione e sobreviva no ambiente natural ou em condições de cultivo.

Em todos os casos anteriormente mencionados, os processos de divisões assimétricas e posterior expansão celular constroem tecidos com diferentes papéis biológicos, decorrentes da função de determinação da forma e distribuição das forças nas células e nos tecidos.

As raízes, por apresentarem tecidos similares aos do caule, têm muitas células com funções como transporte de água e de nutrientes e o armazenamento de compostos de reserva. A função primária da raiz consiste na absorção e no transporte de água e nutrientes para a planta. A parede celular, nesse caso, tem um papel importante na captação e distribuição de cátions divalentes. Esses íons (cálcio, magnésio e boro) ficam armazenados, os dois primeiros nas caixas de ovos e o boro no RGII, ambos pertencentes ao domínio péctico da parede.

Em outros órgãos, as pectinas exercem papel na sinalização celular relacionado com o ataque de microrganismos. Quando um fungo invade uma planta e ataca a célula vegetal com enzimas que digerem a parede, os fragmentos (oligossacarinas) de pectina produzidos pela ação enzimática (normalmente endopoligalacturonases que atacam o HG) disparam um sinal intracelular que faz a célula atacada emitir sinais para as células adjacentes. Esse processo induz à produção de fitoalexinas, compostos do metabolismo secundário que funcionam como defesa para a planta.

Muitas sementes podem armazenar compostos de parede celular como reserva, como as de Leguminosae. Elas podem apresentar um endosperma quando maduras, acumulando grandes quantidades de galactomanano (hemicelulose), enquanto sementes cuja reserva de carbono fica nos cotilédones podem apresentar grande quantidades de xiloglucano (hemicelulose) ou galactano (pectina). Em palmeiras (p. ex., palmito) e Rubiaceae (p. ex., café), mananos puros são armazenados nas sementes. Esse tipo de armazenamento pode constituir uma vantagem, pois esses polímeros não são facilmente degradados por predadores (ou o número de organismos capazes de fazê-lo é menor), evitando herbivoria e aumentando a probabilidade de deixar um maior número de descendentes jovens. Os mecanismos de síntese e degradação dos polissacarídios de reserva de sementes são essencialmente os mesmos encontrados nas paredes primárias.

 

Parede celular e biotecnologia

A parede celular tem grande importância como um produto natural em biotecnologia. Seus componentes são usados comercialmente para a fabricação de manufaturas têxteis, fibras como algodão, linho, aditivos de alimentos, papel, fármacos, cosméticos. Uma das aplicações mais antigas e importantes da aplicação das paredes celulares é na produção de energia. Queimar madeira compreendeu um dos primeiros processos desenvolvidos pelo homem. Acredita-se que foi graças ao uso do fogo para o cozimento de alimentos que o cérebro humano desenvolveu uma capacidade distinta dos outros animais. Isso porque o cozimento possibilita maior acesso aos conteúdos celulares (vitaminas, açúcares, aminoácidos etc.), uma vez que o cozimento modifica a parede celular, extraindo polissacarídios que funcionam como fibras alimentares e aumentam a eficiência do trânsito intestinal e absorção dos alimentos.

O interesse na importância da parede celular e de seus componentes para os alimentos vem crescendo sensivelmente nos últimos anos. Esse aumento de interesse resulta principalmente da importância que as fibras alimentares adquiriram no final do século 20.

Na alimentação humana, os polissacarídios de parede celular são genericamente chamados de fibras ou gomas, de acordo com a sua solubilidade em água e da quantidade utilizada. Entre as fibras, pode-se incluir a importante classe dos carboidratos complexos de origem vegetal não digeridos no intestino humano. As fibras desse tipo são grandes fragmentos de parede celular com vários polissacarídios insolúveis associados. As gomas são polissacarídios mais solúveis e que promovem soluções mais viscosas. Em geral, são bastante enriquecidos com um polissacarídio específico (p. ex., goma-guar, um GM). Tais soluções viscosas de polissacarídios são amplamente utilizadas como espessantes em alimentos, sem promover alteração significativa no teor calórico.

As fibras alimentares apresentam funções importantes não apenas na formação do bolo alimentar, mas também na modulação da absorção dos nutrientes e como elemento adsorvente para reter compostos nocivos. Esses compostos não são absorvidos pelo organismo e também se correlacionam com a redução na incidência de câncer de intestino e com o controle do diabetes em pacientes não dependentes de insulina.

Nas aplicações biotecnológicas em agricultura e produção de alimentos, estudos sobre frutos se concentraram principalmente no processo de amadurecimento, um estágio em que se observam claramente alterações na textura que têm sido atribuídas às modificações na parede celular. Esse processo começa com a fecundação do óvulo, quando do disparo do programa de desenvolvimento. Parte desse programa envolve o desenvolvimento do fruto, quando há a montagem dos tecidos. Nessa etapa, os principais eventos metabólicos estão relacionados com a divisão celular e biossíntese e a degradação de componentes da parede celular. A compreensão desses processos tem consequências econômicas importantes, pois a preservação dos frutos por mais tempo altera a qualidade destes como produtos e pode promover lucro para as indústrias.

Em vista desses fatos, será de grande importância no futuro a capacidade de modificar a composição de certas fibras in planta ou mesmo introduzir certos tipos de fibras em plantas já de uso consagrado na alimentação humana, mas que não dispõem delas em quantidade ou com estrutura conveniente.

No momento atual, em que o planeta Terra passa por uma situação inusitada em que a emissão de combustíveis fósseis está aquecendo a atmosfera de modo anormal, os processos ligados à formação da parede celular e sua manutenção têm importância vital. Isso porque, na maioria dos tecidos vegetais, o teor de carbono é da ordem de 40 a 50%, e a maior parte do carbono da biosfera está na parede celular vegetal. Se forem consideradas, ainda, que são as árvores as responsáveis pelo maior estoque de carbono em seres vivos do planeta e que apresentam a maioria desse carbono armazenada em fibras mortas do xilema, desvendar os mecanismos de biossíntese dos polímeros de parede torna-se fundamental para ajudar a resolver as principais questões ambientais do século 21.

Atualmente, tem-se intensificado o emprego da biomassa vegetal como uma das alternativas energéticas renováveis para a geração de eletricidade (queima) e de bioetanol (fermentação) em substituição ao uso do petróleo. Para isso, estudos vêm avançando no sentido de compreender mecanismos de síntese e degradação da parede celular a fim de entender diferentes estratégias de como desmontar a parede para obter a energia armazenada na forma de açúcares. O maior gargalo consiste no desenvolvimento de técnicas de pré-tratamento da biomassa para remover a lignina e outros compostos que dificultam a fermentação para gerar etanol a partir da parede celular. No Brasil, o maior alvo para a geração de bioeletricidade e etanol de segunda geração (biomassa) é a cana-de-açúcar (parede do tipo II), visto que se trata de uma planta produzida em larga escala pelo país, e muito se tem estudado sobre os seus aspectos fisiológicos, químicos e biotecnológicos. Hoje, a maior parte do etanol advém da fermentação da sacarose (etanol de primeira geração), retirada por esmagamento da cana-de-açúcar em moendas nas usinas, e boa parte do bagaço (composto por parede celular) é queimada para gerar eletricidade ou, então, descartada. O que se pretende é utilizar essa biomassa para gerar o etanol de segunda geração ou etanol celulósico. Já existem duas usinas que utilizam essa nova tecnologia, gerando etanol a partir da parede celular, mas muito ainda deve ser pesquisado para melhorar o processo produtivo. Novas variedades de plantas, que podem servir como fonte de bioenergia, têm sido desenvolvidas para aumentar a produtividade, o teor de sacarose e a porcentagem de biomassa, tanto em escala de matéria-prima quanto pesquisas na área industrial na melhora de processos.

Processos em vegetais que envolvem biotecnologia a fim de produzir compostos de interesse econômico devem andar junto à fisiologia vegetal. Levar em consideração que a parede celular é uma estrutura altamente complexa e desempenha um papel fundamental não só na vida da planta, como também na do ser humano, resulta na necessidade de maiores investimentos em estudos que contemplem a temática.

 

Agradecimentos

Os autores agradecem as valiosas sugestões e comentários dos colegas Leila Mortari, Miguel José Minhoto e Simone Godoi (versão da 2a edição). Marcos Buckeridge agradece o incentivo e a confiança do Prof. Gilberto Kerbauy, que incentiva, com as oportunidades dadas e nossas discussões sobre as questões fundamentais da fisiologia vegetal, novas ideias.

 

Bibliogra a

Buckeridge MS. Implications of emergence, degeneracy and redundancy for

the modeling of the plant cell wall. In: Hayashi T, editor. The science

and the lore of the plant cell wall: biosynthesis, structure and function.

Boca Raton: BrownWalker; 2006. p. 41-7.

Buckeridge MS, Cavalari AA, Silva CO, Tiné MAS. Relevância dos

processos de biossíntese de polissacarídios da parede celular para a

biotecnologia de frutos. In: Lajolo FM, Menezes EW, editores.

Carbohidratos en alimentos regionales iberoamericanos. São Paulo:

Edusp; 2006. p. 149-69.

Buckeridge MS, Mortari LC, Machado MR. Respostas fisiológicas de

plantas às mudanças climáticas: alterações no balanço de carbono nas

plantas podem afetar o ecossistema? In: Rego GM, Negrelle RRB,

Morellato LPC. Fenologia: ferramenta para conservação e manejo de

recursos vegetais arbóreos (Editores Técnicos). Colombo, PR: Embrapa

Florestas; 2007.

Buckeridge MS, Santos HP, Tiné MAS. Mobilisation of storage cell wall

polysaccharides in seeds. Plant Physiology and Biochemistry

2000;38:141-56.

Carpita NC, Gibeaut DM. Structural models of primary cell walls in

flowering plants: consistency of molecular structure with the physical

properties of the walls during growth. Plant Journal 1993;3;1-30.

De Paula ACCFF, Sousa RV, Figueiredo-Ribeiro RCL, Buckeridge MS.

Hypoglycemic activity of polysaccharide fractions containing ß-glucans

from extracts of Rhynchelytrum repens (Willd.) C.E. Hubb. Poaceae

Brazilian Journal of Medical and Biological Research 2005;38:885-93.

Dietrich SMC, Figueiredo-Ribeiro RCL, Chu EP, Buckeridge MS. Os

açúcares das nossas plantas. Ciência e Cultura (SBPC). 1988;7(39):42-8.

Keegstra K, Talmadge K, Baurer WD, Albersheim P. Structure of the plant

cell walls. Plant Physiology 1973;51:188-96.

Harmer SL, Hogenesch JB, Straume M, Chang HS, Han B, Zhu T, et al.

Orchestrated transcription of key pathways in Arabidopsis by the

circadian clock. Science 2000;290;2110-3.

Lima DU, Chaves RO, Buckeridge MS. Seed storage hemicelluloses as

wet-end additives in papermaking. Carbohydrate Polymers 2003;52:367-

73.

Lima DU, Santos HP, Tiné MA, Molle FD, Buckeridge MS. Patterns of

expression of cell wall related genes in sugar cane. Genetics and

Molecular Biology 2001;24:191-8.

Marques MR, Buckeridge MS, Braga MR, Dietrich SMC. Characterization

of an extracellular endopolygalacturonase from saprobe Mucor

ramosissimus Samutsevitsch and its action as trigger of defensive

response in tropical plants. Mycopathologia 2006;162:337-46.

McCann MC, Roberts K. Architecture of the primary cell wall. In: Lloyd

CW, editors. The cytoskeletal basis of plant growth and form. London:

Academic; 1991. p. 109-29.

Mayr E. Biologia, ciência única: reflexões sobre a autonomia de uma

disciplina científica. São Paulo: Companhia das Letras; 2005.

Tiné MAS, Silva CO, Lima DU, Carpita NC, Buckeridge MS. Fine

structure of a mixed-oligomer storage xyloglucan from seeds of

Hymenaea courbaril. Carbohydrate Polymers 2006;66:444-54.

Wranghan R. Pegando fogo: como cozinhar nos tornou humanos. Rio de

Janeiro: Jorge Zahar; 2010.

 

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