植物細胞壁3.1.1

<翻譯文章>

植物細胞壁-具有動態性、強韌性和適應性-是一個天然的變形者-3.1.1

The plant cell wall—dynamic, strong, and adaptable-is a natural shapeshifter

Deborah Delmer, Richard A. Dixon , Kenneth Keegstra, and Debra Mohnen

THE PLANT CELL 2024: 36: 1257-1311

三、植物細胞壁的5種主要聚合物

(一) 纖維素(cellulose)

常見的說法纖維素“是地球上最豐富的有機化合物”以及考慮密度差異後，“纖維素比鋼還強”，這實際上是正確的。雖然纖維素(cellulose)是細胞壁聚合物中結構最簡單的一種(由一種醣，透過一種鍵結鍵結)，但由於各個β-1,4-聚醣鏈可以組合成多種不同的結構，因此它絕不簡單。我們將看到，這項特徵使其不僅可以與自身相互作用，還可以與其他非纖維素多醣相互作用，並且它的存在對於細胞壁結構非常重要，如果細胞壁中纖維素(cellulose)含量減少，細胞會發出緊急信號，提醒細胞迅速採取措施來糾正這種情況。除了在植物中的作用之外，所有這些特性使纖維素成為木材、紡織品、紙張的關鍵成分以及化學品的主要原料；以及其難以消化的事實影響著農業和全球營養。

1.纖維素的結構

(1)早期的研究

早期的植物學家經常將細胞壁與纖維素這個術語劃上等號，因為纖維素在許多細胞類型都十分豐富。被譽為“纖維素化學之父(the father of cellulose chemistry)” 的安塞爾姆·佩恩(Anselme Payen, 1838)首先分離出了細胞壁的主要醣類，並驚訝地發現其元素組成與澱粉相同。佩恩已確認纖維素(cellulose)可以分解為葡萄糖，但對其結構及單體如何聚合成與澱粉截然不同的聚合物卻一無所知。幾十年後，隨著醣化學和高分子化學領域的發展，一些傑出的科學家陸續研究，最終得出結論：纖維素是一種由數千個葡萄糖基殘基以 β-1,4 鍵結合而成的聚合物。當時，聚合物的概念在化學領域仍屬新穎，因為同一種聚合物的長度可能變化很大，即使其化學組成式保持不變。但到1936 年，這一概念才普遍被接受。根據纖維素的來源及其分離方式，不同研究對其鏈長的估計範圍從數百到數千個殘基不等。

瑞士科學家阿爾伯特·弗雷-維斯林(Albert Frey-Wyssling) 開創了一個名為”亞顯微形態學(submicroscopic morphology)” 的新研究領域，並對纖維素的高度有序和結晶特性導出了多項富有洞見的預測。隨著電子顯微鏡的引入，弗雷-維斯林(Frey-Wyssling)的預測得到了證實，他和弗里茨·穆勒塔勒(Fritz Muhlethaler)提供了纖維素纖維在初生細胞壁中的最早圖像。其中一個重要結論是，不同寬度的纖維(fibril)是由更小的纖維組成的，這些原纖維約35 Å寬，對應於約 6×6 排列的葡聚醣鏈。這種被稱為”初級纖維”(或微纖維)的結構，如今被認為是纖維素的基本單位，雖然預測的鏈數量隨著時間的推移而減少。此外，在弗雷-維斯林(Frey-Wyssling)的領導下，蘇黎世聯邦理工學院開創了冷凍斷裂技術，這項技術後來促成了纖維素合成酶複合物的圖像出現。

關於天然纖維素(纖維素I)鏈的排列方式，是平行排列(所有還原端朝同一方向)或是反向排列(端點相對)，這個關鍵問題花了超過 60 年的時間才得到解答。隨著電腦建模技術的進步，繞射圖譜分析得到了改進，加德納和布萊克威爾(Gardner and Blackwell, 1974)以及薩爾科和穆格利 (Sarko and Muggli, 1974)，在各自獨立研究，使用相同的法囊藻屬(Valonia)藻類天然纖維素I樣本進行分析，後來伍德科克和薩爾科(Woodcock and Sarko, 1980)使用苧麻纖維進行研究，所有研究均得出相同的結論-纖維素鏈確實是平行排列的。這一結果後來也透過其他方法得到確認，如今纖維素I的鏈為平行排列已成為公認的模型。與此相對，經過鹼處理的纖維素 II則是一種較穩定的形式。早在邁爾和米施(Meyer and Misch, 1937)的研究中，他們便發現纖維素 II的鏈呈反向排列的，這一發現後來被科爾帕克和布萊克威爾(Kolpak and Blackwell, 1976)以及比勒翁和尚齊(Buleon and Chanzy, 1978)所證實。

(2)新技術提供新見解

晶體學家花了很長時間才對天然纖維素的晶體結構達成共識，主要是因為天然纖維素可以多種晶體形式存在，而這些晶體形式在 X 射線繞射中僅顯示出細微的差異。此後，可用於研究纖維素結構的新技術數量急劇增加。賈維斯(Jarvis, 2018)表示，”從廣義上講，核磁共振光譜能夠提供有關鏈構象的最多資訊；晶體學專注於鏈的排列；傅立葉轉換紅外光譜儀主要研究氫鍵；原子力顯微鏡，則關注於微纖維的尺寸；小角度散射技術則用來研究微纖維的聚集狀態”。阿塔拉和范德哈特(Atalla and Vanderhart, 1984)使用交叉偏振魔角核磁共振證明，天然纖維素至少存在兩種結晶形式存在；1α 主要存在於天然細菌和藻類纖維素中；1β則主要存在於被囊動物(tunicates)和高等植物中。在結晶核心與表面微纖維上，C-6 位置的不同構象會改變氫鍵的模式，進而影響表面鏈與其他微纖維或其他聚合物的相互作用。

西山等人(Nishiyama et al., 2002)廣為引用的研究顯示，在純1β纖維素中存在兩條平行鏈，且它們具有略微不同的構象。中子散射實驗支持這兩條鏈之間存在兩種類型的鏈內氫鍵，即每個葡萄糖殘基與其相鄰殘基之間的氫鍵，這些氫鍵穩定了葡萄糖的共平面方向。令人驚訝的是，研究未發現任何片層間的O—H…O 氫鍵，這顯示纖維素片層主要透過凡得瓦力，以及伴隨少量弱C—H…O 氫鍵結合在一起。因此，葡聚糖鏈同時具有親水性面和疏水性面，這使得鏈間能夠形成極強的相互作用，儘管單個相互作用本身較弱。

令人驚訝的是，玉米初生細胞壁的纖維素由多達七種不同的同質異形體組成，其中只有一種與 1α 或 1β 幾乎相同。一些同質異形體在微纖維表面上顯示出差異，這些差異可能是與其他聚合物如果膠相互作用的靶點。另一些同質異形體則具有內部鏈與表面鏈相連，而另一種同質異形體則嵌入微纖維的核心中。還有一種同質異形體被預測存在於表面，但水合程度較低，被認為可能是擴展蛋白(expansin)的作用靶點。微纖維表面如何與水相互作用、如何彼此結合形成更大的束狀結構，或如何與其他細胞壁聚合物結合，對整體細胞壁的結構和擴展模式至關重要，目前仍是正在研究的領域。