Химический состав и структура оболочки

Оболочка растительных клеток состоит в ос­новном из полисахаридов, мономеры которых - сахара - связаны между собой гликозидной свя­зью (-О-) в виде цепочек (волокнистые структу­ры). Называют полисахариды по составу обра­зующих их мономеров с прибавлением «-ан». Например, полисахарид глюкан состоит из остат­ков сахара глюкозы, ксилан - ксилозы, галактан - галактозы и т.д.

В состав оболочки могут входить также вода, белки, минеральные соли, липиды, пигменты, суберин, лигнин. Главными химическими компонентами оболочки являются целлюлоза (скелетное вещество), гемицеллюлозы и пектино­вые вещества (матрикс) (табл. 2).

Табл. 2.

Химический состав оболочки растительных клеток

Вещества	Химические компоненты, из которых построено данное вещество	Специфический краситель
Целлюлоза	1,4-связанные остатки β-1,4-В-глюкозы	Хлор - цинк - йод (фиолетовое окрашивание)
Гемицеллюлозы	Изомер глюкозы, манноза, галактоза, ксилоза, арабиноза, уроновые кислоты	Не
Пектиновые вещества	1→4-связанные остатки α-D-галактуро-новой кислоты или ее метилового эфира, галактоза, арабиноза, ксилоза, рамноза	Рутений красный, метиловый синий
Структурный белок (гликопротеид)	Белок + остатки сахара арабинозы	-
Лигнин	Группа высокополимерных аморфных соединений ароматического ряда	Флороглюцин и соляная кислота (различные оттенки красного, бордового цветов)
Суберин	Эфир высокополимерных насыщенных и ненасыщенных жирных кислот и оксикислот	Судан III (красный цвет), хлор – цинк - йод и серная кислота с йодом (бурый цвет)
Кугикулярные вещества	Смесь различных воскоподобных веществ, обра­зованных путем полиме­ризации жирных кислот	Судан III (оранжевое окра­шивание)
Слизи, камеди	Полимерные соединения, близкие к пектинам	-
Минеральные соли	Кремнезем, карбонат кальция	-
Пигменты
Вода

Целлюлоза, или клетчатка. Один из самых распространенных природных полимеров, яв­ляющийся опорным скелетным полисахаридом оболочки растительных клеток, в структурный остов которой погружены вещества матрикса. Из 30 млрд. т углерода, которые высшие растения ежегодно превращают в органические соедине­ния, около 1/3 приходится на целлюлозу. Линей­ные молекулы целлюлозы построены из 1,4-связанных остатков β-D-глюкозы.

Число глюкозных остатков в β-1,4-Б-глюкане, обусловливающих длину молекул целлюлозы и свойства оболочки, у видов растений различ­ное.

Целлюлоза обладает двойным лучепреломле­нием, характерным для кристаллов, однако она -не типичный кристалл, так как способна к набу­ханию. Двойное лучепреломление объясняется тем, что волокнистые молекулы целлюлозы рас­полагаются группами по нескольку десятков, параллельно друг другу, образуя вытянутую трех­мерную решетку. Максимальный диаметр одной молекулы целлюлозы 0,8 нм, она не различима даже в электронный микроскоп.

Соединяясь, молекулы образуют элементарные фибриллы, или мицеллы, диаметром до 8-10 нм, которые можно видеть в электронный микроскоп. Каждая мицелла содержит до 100 молекул целлю­лозы. Элементарные мицеллы, объединяющиеся в кристаллические группировки ковалентными и водородными связями, составляют основу микрофибрилл - тончайших волокон, создающих струк­турный каркас оболочки. Волокна микрофибрилл содержат до 2000 молекул целлюлозы и имеют диаметр до 15-30 нм. Микрофибриллы содержат участки с более рыхлым расположением, не имеющим трехмерной ориентации целлюлозных молекул, так называемые паракристаллические зоны. Оболочки клеток различных растений отли­чаются соотношением кристаллических и паракристаллических участков, что обусловливает физические и механические свойства целлюлоз­ного сырья.

Микрофибриллы иногда объединяются в макрофибриллы, которые содержат до 500 000 молекул целлюлозы, имеют толщину 0,3-0,5 мкм и хоро­шо различимы в световой микроскоп (рис. 60).

Рис. 60. Структура клеточной оболочки на различных уровнях организации (по К. Эсау, 1980): 1 - фрагмент молекулы целлюлозы (два глюкозных остатка, связанных ато­мом кислорода); 2 - участок мицеллы с трехмерной пространственной ориен­тацией молекул целлюлозы; 3 - микрофибриллы, состоящие из цепочек молекул целлюлозы (а), упорядочение распложенных в мицеллах (б); 4 - уча­сток макрофибриллы с микрофибриллами (в) и нецеллюлозными веществами (г) между ними (д); 5 - фрагмент среднего слоя вторичной оболочки, в кото­ром видны макрофибриллы (е - белые полосы) целлюлозы и межфибрилляр­ное пространство (ж - черные полосы), заполненное нецеллюлозными веще­ствами; 6 - поперечный слой клеток механической ткани (склеренхимных волокон): видны слой первичной (з) и три слоя вторичной (и) оболочки. Клетки соединены срединной пластинкой (ж); 7 - тяж склеренхимных во­локон

Биосинтез целлюлозы у высших растений осуществляется наращиванием остатков глюкозы из уридиндифосфатглюкозы или гуанозиндифосфатглюкозы на молекулу целлюлозы-«затравки».

Целлюлоза относится к химически инертным веществам, не растворяется в воде, органических растворителях, разведенных кислотах и даже в концентрированных щелочах. Расщепление цел­люлозы до глюкозы происходит под действием двух ферментов - целлюлозы и целлобиазы, нахо­дящихся в желудочно-кишечном тракте травояд­ных животных.

Микрофибриллы целлюлозы эластичны и по прочности на разрыв сходны со сталью. Эти свойства обусловливают практическое значение целлюлозы и ее продуктов в народном хозяйстве. Так, мировая продукция хлопкового волокна из волосков семян хлопчатника, содержащего до 98 % целлюлозы, составляет 1,5 • 10⁷ т в год. Из целлюлозы получают бумагу, ацетатный шелк и вискозу, целлофан, бездымный порох.

Целлюлоза входит в состав оболочек не у всех растительных организмов. В разнообразной груп­пе зеленых водорослей, от которых, вероятно, берут начало высшие растения, встречаются раз­личные вещества оболочек. Помимо целлюлозы (Valonia), полисахариды с фибриллярным строе­нием найдены у Bryopsida, Caulerpa (β-1,3-поликсилан), Hydrodyctyon (глюкоманнан), у Acetabularia (кристаллический маннан А) и т. д. Создается впечатление, что природа эксперимен­тировала с разнообразными типами полисахари­дов, пока отбор не показал, что именно цепи целлюлозы могут служить наилучшим материа­лом для укрепления клеточных оболочек в борьбе растений за переход к наземному образу жизни.

В клеточных оболочках большинства грибов вместо целлюлозы содержится хитин - полимер, построенный из остатков глюкозамина. Он еще труднее растворим и еще более устойчив к гидро­лизу, чем целлюлоза. Разрушается под действием фермента хитиназы, вырабатываемого некоторы­ми микроорганизмами. Волокнистый компонент оболочек дрожжевых клеток представлен полиглюканом.

Фибриллярная система погружена в непре­рывный аморфный матрикс оболочки, обычно представляющий собой пластичный гель, насы­щенный водой. Вещества матрикса определяют такие свойства оболочки, как сильная набухаемость, высокая проницаемость для воды и рас­творенных в ней молекул и ионов, катионооб-менные свойства. Матрикс состоит из сложной смеси полимеров, среди которых преобладают полисахариды различной молекулярной массы. Условно их разделяют на две группы - гемицел-люлозы и пектиновые вещества.

Гемицеллюлозы, или полуклетчатки. Группа полисахаридов, в основе которых лежит не глю­коза, как у целлюлозы, а другие сахара - моно­меры, наиболее распространенными из которых являются ксилоза, изомер глюкозы, манноза, в меньшей степени галактоза и арабиноза. При гидролизе гемицеллюлозы дают также уроновые кислоты (галактуроновая, глюкуроновая). Геми­целлюлозы часто бывают смешанными: одна молекула содержит остатки сахара не одного типа, а нескольких, например арабиногалактаны, глюкуроноксиланы, глюкоманнаны, галактоглюкоман-наны и т. д.

Общее содержание гемицеллюлозы в растени­ях может достигать 40 %, состав их зависит от вида растений и может быть различным для раз­ных его частей. Большинство гемицеллюлоз име­ет относительно невысокую степень полимериза­ции (50-200 моносахаридных остатков), их во­локнистые цепочки характеризуются над­молекулярной структурой, менее упорядоченной, не имеющей строгой пространственной ориента­ции. Гемицеллюлозы также являются очень стой­кими веществами, но поддаются гидролизу не­сколько легче, чем целлюлоза, слабо набухают.

В оболочке гемицеллюлозы, подобно целлю­лозе, выполняют механическую функцию, неко­торые могут откладываться в оболочках клеток семян, плодов в виде запасных веществ и в даль­нейшем, подвергаясь гидролизу, использоваться формирующимся зародышем.

Пектиновые вещества (пектины). Кислые полисахариды, основой молекул которых служат цепи из 1→4-связанных остатков α-D-галактуроновой кислоты или ее метилового спирта. Наиболее распространенным пектиновым веществом является α-1,4-полигалактуроновая кислота (галактуронан), называемая также пектиновой кислотой или протопектином. Мономер ее - продукт окисления сахара галактозы. Пектиновые вещества образуют не нитчатые, а сильно раз­ветвленные молекулы, не имеющие пространственной ориентации и находящиеся в аморфном состоянии. Боковые цепочки, как правило, по­строены из остатков нейтральных моносахаридов - D-галактозы, L-арабинозы, D-ксилозы, L-рамнозы. Как и у гемицеллюлоз, в состав молекул пектинов могут входить несколько мономеров в различных сочетаниях. Производные метилового спирта галактуронана образуют растворимый в воде пектин. Оставшиеся карбоксильные группы СООН, взаимодействуя с ионами Са и Mg, способны образовывать не растворимые в воде соли (пектаты).

Пектины сильно набухают в воде, образуют слизи и гели, иногда растворяются в воде и легко разрушаются под действием щелочей и кислот. С гемицеллюлозами пектиновые вещества связаны постепенными переходами.

Вещества матрикса не просто вкраплены в промежутки целлюлозного каркаса. Они активно взаимодействуют друг с другом и микрофибрил­лами целлюлозы, образуя ковалентные, водород­ные, гликозидные связи, что повышает прочность оболочки. Часто клеточную стенку сравнивают с железобетоном, где матрикс, подобно бетону, заполняет «железную» арматуру из целлюлозы. Высокая гидрофильность матрикса способствует легкой проницаемости оболочки для воды и рас­творенных в ней молекул и ионов. По клеточным оболочкам в связи с этим идет пассивный транс­порт веществ - передвижение веществ от клетки к клетке путем диффузии по градиенту концен­трации.

Кроме полисахаридов, в матриксе оболочек целого ряда клеток может находиться особый структурный белок (несколько процентов), яв­ляющийся гликопротеидом, так как он связан с остатками сахара арабинозы. В живых, особенно молодых клетках, оболочка всегда пропитана во­дой (80—90 %) и находится в набухшем состоя­нии. С возрастом оболочки многих клеток могут инкрустироваться различными веществами, по­вышающими ее прочность и придающими ей специфические свойства (см. дальше).