Celulosa sintasa (formadora de UDP)

Las microfibrillas de celulosa se forman en la superficie de las membranas celulares para reforzar las paredes celulares, lo cual ha sido ampliamente investigado por bioquímicos vegetales y biólogos celulares porque 1) regulan la morfogénesis celular y 2) sirven junto con muchos otros constituyentes (es decir, lignina , hemicelulosa , pectina ) en la pared celular como un fuerte soporte estructural y de 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 ]}

En las plantas, la celulosa es sintetizada por grandes complejos de celulosa sintasa (CSC), que consisten en isoformas de proteína sintasa (CesA) que se organizan en una estructura hexagonal única conocida como "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 están en la superficie de una célula vegetal y son monómeros alargados con dos dominios catalíticos que se fusionan entre sí para formar dímeros . El centro de los dímeros es el punto principal de actividad catalítica, ^{[ 6 ]} y se presume que los lóbulos contienen las PC-R y CS-R específicas 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 celulares de las plantas. No obstante, existen diferentes tipos de CesA, y algunos tipos de tejido pueden tener concentraciones variables de una sobre otra. Por ejemplo, la proteína AtCesA1 (RSW1) participa en la biosíntesis de las paredes celulares primarias en toda la planta, mientras que la proteína AtCesA7 (IRX3) solo se expresa en el tallo para la producción de la pared celular secundaria. ^{[ 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 (nuevamente intercalado entre hélices TM), proporciona una visión útil de la enzima: dos inserciones específicas de plantas llamadas PC-R (región conservada en plantas, similar en todas las plantas) en el extremo N-terminal y CS-R (región específica de clase, determina el número de subclase después de CesA) en el extremo C-terminal puntúan el núcleo catalítico GT habitual, probablemente proporcionando la función única de formación de rosetas de la CesA vegetal. ^{[ 12 ]} (Algunas proteínas CesA poseen una inserción adicional.) ^{[ 22 ]} La estructura parece explicar los efectos de muchas mutaciones conocidas. Sin embargo, el posicionamiento 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 enormemente el ajuste con respecto al resultado anterior de Olek. ^{[ 23 ]} También coincide bien con la predicción de Sethaphong 2015 de una hélice enrollada antiparalela. Los dos grupos continúan profundizando en su comprensión de la estructura de CesA , con Olek et al. centrándose en estructuras experimentales y Sethaphong et al. centrándose en estudios de plantas y en la construcción de mejores modelos computacionales. ^{[ 24 ]}

Otras diferencias con la proteína bacteriana BcsA incluyen un número 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 síntesis de microfibrillas está guiada por los microtúbulos corticales , que se encuentran debajo de la membrana plasmática de las células en elongación, ya que forman una plataforma sobre la cual las CSC pueden convertir las moléculas de glucosa en cadenas cristalinas. La hipótesis de alineación microtúbulo-microfibrilla propone que los microtúbulos corticales, que se encuentran debajo de la membrana plasmática de las células en elongación, proporcionan vías para las CSC que convierten las moléculas de glucosa en microfibrillas de celulosa cristalina. ^{[ 28 ]} La hipótesis directa postula algún tipo 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 celulasa en la interfaz membrana plasmática-pared celular. KOR1 interactúa con dos proteínas CesA específicas, posiblemente mediante la corrección de errores y el alivio del estrés creado por la síntesis de cadenas de glucano, mediante la hidrólisis de la celulosa amorfa desordenada. ^{[ 29 ]}

La actividad de síntesis de celulosa se ve afectada por numerosos estímulos ambientales, como hormonas, luz, estímulos mecánicos, nutrición e interacciones con el citoesqueleto . Las interacciones con estos factores pueden influir en la deposición de celulosa, ya que afectan la cantidad de sustrato producido y la concentración y/o actividad de las CSC en la membrana plasmática. ^{[ 9 ] [ 6 ]}