<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-3.3.1
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)果膠(Pectin)-3.3.1
1.果膠的結構(Structures of pectins)
(1)果膠的歷史及其複雜性(History of pectin and its complexity)
果膠(pectique)源自希臘語πηκτικοί(意為凝結)，最初由亨利·布拉克諾(Henri Braconnot)用於描述從超過15 種植物的多種組織中分離出的具有凝膠特性的酸性黏性物質。布拉克諾(Braconnot)指出，少量果膠使大量醣水凝膠化的能力使其具有工業用途，例如在糖果製造業中。這些特性促使果膠工業於20世紀初建立，隨後來自柑橘和蘋果等商業來源的果膠凝膠特性的化學基礎研究不斷增加。布拉克諾(Braconnot)也認知到，果膠具有結合和去除有毒金屬的能力，從而具有藥用特性，此後，果膠在工業、食品和醫學領域的應用不斷進展，包括將果膠用於食品的可食性塗層、抗菌生物薄膜、奈米顆粒，以及作為療傷劑和癌症治療的潛在用途。果膠的多種功能特性使得布拉克諾(Braconnot)提出，這種”普遍分布在植物中的物質” ”必然在植物中扮演重要角色，應由植物生理學家進行研究”。從那時起，植物生物學家和化學家確認了這種植物細胞壁葡聚糖中最具結構性複雜性的多種功能，包括在植物生長和細胞擴張中的作用、細胞形狀、器官大小和質地、細胞間黏附、細胞壁孔隙度、細胞壁結構、訊號傳導、果實成熟、器官脫落、花粉發育、花粉發育和植物防禦。如此多樣化的功能，為何單一類型的細胞壁葡聚糖可以提供如此多樣的功能？這一問題仍然困擾著植物生物學家。
了解果膠的多種功能需要掌握以下知識(1)它們的初級、次級、三級和四級結構；(2)各個果膠聚合物之間以及果膠與其他細胞壁聚合物之間的共價和非共價相互作用；(3)果膠在特定細胞類型的細胞壁結構中的角色；(4)與每種功能反應相關的特定果膠聚合結構。目前，這些信息均未被完全掌握。雖然我們對從不同組織的細胞壁提取物中存在的不同類型果膠聚醣有一定了解，但我們缺乏有關不同細胞類型中果膠聚合物的數量和結構，以及它們如何整合到細胞壁結構中的信息。此外，合成並嵌入細胞壁的果膠會在發育過程中及應對生物和非生物逆境時被大量果膠修飾酶(pectin-modifying enzyme)修飾，這些酶包括果膠水解酶(pectin hydrolase)、裂解酶(lyase)、甲酯酶(methylesterase)、乙醯酯酶(acetylesterase)以及調節或抑制這些酶的蛋白質。重要的是，不同類別的酵素包括專門針對不同果膠骨架同型半乳糖醛酸聚糖和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖 (見下文)的蛋白質。
(2)果膠結構的複雜性(The complexity of pectin structure)
所有果膠聚合物都有 1 或 2 個骨架：同型半乳糖醛酸聚糖和/或鼠李糖半乳糖醛酸聚糖。同型半乳糖醛酸聚糖是 α-D-1,4 鍵結的半乳糖醛酸的同聚物，其 C-6 羧基可具有低度、部分或幾乎完全的甲基酯化 (圖 5A)。有研究提出，同型半乳糖醛酸聚糖在體內，以高度甲基酯化的形式合成；然而，不同同型半乳糖醛酸聚糖生合成酶在體內合成的同型半乳糖醛酸聚糖的酯化程度及機制尚待確定。同型半乳糖醛酸聚糖生合成的半乳糖醛酸轉移酶(galacturonosyltransferase)可以在體外可合成無甲基酯化的同型半乳糖醛酸聚糖聚合物，顯示在體外酶合成同型半乳糖醛酸聚糖時，同型半乳糖醛酸聚糖甲基酯化並非必要條件。然而，許多生物效應與果膠的甲基酯化狀態有關，而免疫標記研究顯示，在發育過程中，許多細胞壁具有高或可變的同型半乳糖醛酸聚糖甲基酯含量。
同型半乳糖醛酸聚糖中的每個半乳糖醛酸殘基在 C6 位置都有一個羧酸基團，在 pH 值高於 3.5 時，該羧酸基會高度離子化並帶負電荷。因此，聚合同型半乳糖醛酸聚糖是一種多陰離子，可以與鈣等正離子或蛋白質上的正離子相互作用。果膠甲基轉移酶(pectin methyltransferase)對羧基進行的甲基酯化可降低電荷，並增加每個半乳糖醛酸殘基和同型半乳糖醛酸聚糖甲基酯化區域的疏水性。同型半乳糖醛酸聚糖的去酯化與細胞壁結構的變化相關，因為非酯化同型半乳糖醛酸聚糖區域可以相互作用形成 HG-Ca2+-HG 鍵結，而這種鍵結作用可能影響同型半乳糖醛酸聚糖聚合物及細胞壁中果膠網絡的結構和構象。為了了解同型半乳糖醛酸聚糖聚合物在發育過程中的結構變化，需掌握不同同型半乳糖醛酸聚糖聚合物在被插入細胞壁的甲基酯化(和乙醯基酯化)程度和模式，以及同型半乳糖醛酸聚糖沉積於細胞壁後的後續修飾。同型半乳糖醛酸聚糖在細胞壁中的酯化程度、模式及同型半乳糖醛酸聚糖大小取決於細胞類型、發育階段以及生物或非生物逆境情況，因為這些因素會影響同型半乳糖醛酸聚糖降解和修飾酶的表達。這些同型半乳糖醛酸聚糖修飾酶包括果膠甲基酯酶(pectin methylesterase)、果膠甲基酯酶抑制劑(pectin methylesterase inhibitor)、乙醯酯酶(acetylesterase)以及聚半乳糖醛酸酶(polygalacturonase)，分別水解甲基酯/乙醯基酯和/或同型半乳糖醛酸聚糖骨架。同型半乳糖醛酸聚糖甲基酯化和/或同型半乳糖醛酸聚糖大小的變化與多種同型半乳糖醛酸聚糖功能相關，包括細胞間的黏附、細胞伸長/形狀/生長、和果實成熟。
目前尚無確鑿證據顯示純同型半乳糖醛酸聚糖作為植物細胞壁中的單獨聚合物存在，雖然純同型半乳糖醛酸聚糖可在體外合成(圖6A)。相反，同型半乳糖醛酸聚糖通常以共價鍵形式與於鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I(圖6B)或以與被取代的同型半乳糖醛酸聚糖類型(如鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II) (圖6E))、木糖半乳糖醛酸聚糖 (圖6C)和芹糖半乳糖醛酸聚糖 (圖5D)結合在一起而被分離出來的。所有取代同型半乳糖醛酸聚糖均具有同型半乳糖醛酸聚糖骨架，並且需要內切聚半乳糖醛酸酶(endopolygalacturonase)消化細胞壁以釋放鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I，這通常被解釋為鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I可能存在於同型半乳糖醛酸聚糖聚合物內，並可能作為細胞壁中的一種共價連接的異聚合物。然而，這一點尚未在結構上得到證實，果膠以及細胞壁中不同果膠異多醣和醣共聚物的結構仍然是一個關鍵問題。
鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II(圖5E)是結構最複雜的果膠聚合物(pectic polymer)，由13種不同的醣組成，其結構由一個同型半乳糖醛酸聚糖骨架上延伸出6 個高度保守的側鏈。那麼，植物為什麼花費這麼多能量來製造這種複雜的聚糖(glycan)？至少部分原因可能在於鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II在植物從水生環境遷移到陸地過程中所發揮的結構性作用有關，包括透過硼酸二酯複合體鍵結構形成的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II二聚體來加強細胞壁，這一過程涉及側鏈A上的芹糖殘基(apiosyl residues)。事實上，鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II突變體表現出的矮化表型以及細胞壁結構表型，支持了鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II在細胞壁結構和細胞/植物生長中扮演著不可或缺的角色。
鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I是唯一一種不以同型半乳糖醛酸聚糖為骨架的果膠聚合物 (圖 6B)。鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I具有半乳糖醛酸-鼠李糖雙醣重複骨架[−α−1,4-D-GalA-α−1,2-L-Rha-](n)組成，其中約一半的鼠李糖骨架殘基被單一或分支的半乳糖、阿拉伯糖或其他醣取代 (圖 5B)。分支的程度和類型具有組織特異性和發育階段特異性。例如，阿拉伯芥種子黏液中的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I是不分支的，而豌豆子葉中的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I 在早期階段經阿拉伯糖基化，在晚期發育中獲得顯著的β-1,4-半乳聚糖側鏈分支。目前尚未確定任何果膠聚合物側鏈的確切順序和位置，在查看果膠異聚醣結構的示意圖時
(3)果膠的構象(Conformation of pectins)
結構決定功能。除了果膠的一級結構(已經非常複雜)之外，其二級結構(例如螺旋形成的程度和類型)、三級結構(單分子三維結構)和四級結構(聚合物-聚合物的結合) 結構共同造就了其多樣化的生物和工業功能。然而，我們對於這些更高級的果膠結構的了解仍然不清楚。 1930 年代中期，邦納(Bonner)根據 X 射線繞射和黏度測試研究得出結論，認為果膠以長鏈形式存在。眾所周知，從植物分離的果膠具有從高甲基酯化到低甲基酯化的多樣性，其游離羧基的數量會影響果膠的膠體特性。隨後對不同條件下(有或無鈣存在) 的甲基酯化果膠酸鹽和去甲基酯化果膠酸鹽的X 射線繞射分析，顯示各種同型半乳糖醛酸聚糖的形式，包括果膠酸鈉、果膠酸、甲基酯化同型半乳糖醛酸聚糖 (果膠酸)和鈣鹽橋接的同型半乳糖醛酸聚糖具有纖維狀的31(每圈3個殘基)螺旋四級結構。此後不久，里斯(Rees)及其同事和其同事提出了證據，證明果膠酸鈣二聚體具有21構象(每圈2個殘基)，並將這種構象命名為蛋盒結構(egg box structure)。最近的建模研究，顯示果膠的構象可能更加複雜，而同型半乳糖醛酸聚糖在體內的構象仍有爭議。關於被取代的HG RG-II，佩雷斯(Pérez)及其同事提供了證據，顯示鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II單體具有緊湊、扁平、盤狀結構，而在二聚化過程中每個單體進一步壓縮，形成類似兩個平坦平行盤疊加的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-II 二聚體結構。最近對鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架寡醣的研究，顯示為31右旋螺旋結構，每圈包含2個骨架雙醣重複單元。顯然，未來需要進一步研究，以明確果膠在體內和體外的構象，從而更好地確立果膠結構與功能之間的關係。
多年來的許多報告指出，果膠可能附著於蛋白質或半纖維素上。塞爾文德蘭(Selvendran) 提出了果膠-羥基脯胺酸和富含絲胺酸的蛋白質複合物存在於多個物種薄壁組織細胞壁中的證據。後來，莫特(Mort)及其同事報告了棉花中的果膠-蛋白交叉鏈接，該交叉鏈接似乎位於鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I和延伸蛋白之間。在阿拉伯芥懸浮培養液中分離出的果膠中阿拉伯半乳聚糖蛋白質阿拉伯木聚糖果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白1中，發現了AGP57C 的阿拉伯半乳聚糖結構域與鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架之間的共價連接，從生化角度證實了果膠與蛋白質的共價連結。阿拉伯木聚糖果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白 I 具有短木聚糖鏈，這些鏈分別連接到阿拉伯半乳聚糖結構域和鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架中的鼠李糖，鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架在非還原端延伸並含同型半乳糖醛酸聚糖 (見圖 6，D 和 E)。值得注意的是，在對阿拉伯芥懸浮細胞壁中分離鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I的研究中，一種名為鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I-阿拉伯半乳聚糖蛋白質(RG-I-AGP)的果膠的阿拉伯半乳聚糖蛋白質被確認為這些細胞壁中最豐富的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I形式。由於果膠的阿拉伯半乳聚糖蛋白質是透過傳統內切聚半乳糖醛酸酶(endopolygalacturonase)消化細胞壁後進行分子篩析層析法分離出來的，結果說明，細胞壁中傳統定義的大量鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I是與蛋白質共價鍵結 (圖7)。鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I-阿拉伯半乳聚糖蛋白質(RG-I-AGP)與阿拉伯木聚糖果膠阿拉伯半乳聚糖蛋白1相似；但是， RG-I-AGP不具有共價鍵結的木聚糖鏈，而是具有附著於鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I骨架上的單個木糖殘基。研究是否所有鼠李糖半乳糖醛酸聚糖-I都是以果膠的阿拉伯半乳聚糖蛋白質形式合成的，以及有多少透過阿拉伯半乳聚糖蛋白質蛋白核心的糖磷脂醯肌醇錨定連接到原生質膜，以及多少以未附著於蛋白質的游離異多醣形式合成(例如，存在於同型半乳糖醛酸聚糖結構域之間的 HG-RG-HG 聚醣，對於理解果膠結構和細胞壁結構至關重要。值得注意的是，帶負電荷的果膠異聚醣和醣共聚物家族在結構和功能上與動物醣胺聚醣和蛋白聚醣具有相似性。
