Ячеистые стеновые блоки: Газобетонный блок 600*300*200, Д400, 500, 600

Блоки из ячеистого бетона автоклавного твердения — это современный строительный материал высокого качества, который обеспечивает в построенных домах улучшенный микроклимат и комфортный тепло-влажностный режим в осенне-зимний период. Материал обладает свойствами дерева и камня одновременно. Благодаря наличию в порах ячеистого бетона воздуха, он обладает прекрасной тепло-звукоизолирующей способностью. Массивность материала обеспечивает выравнивание температурных колебаний, как в летнюю жару, так и в зимний холод. Теплоаккумулирующие свойства изделий из ячеистого бетона способствуют повышению комфорта во внутренних помещениях и позволяют значительно экономить на отопительной энергии. Строения из ячеистого бетона долговечны и требуют минимального ухода.

В последнее время ужесточились требования по тепловой защите зданий, изменился подход к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций.

В связи с этим, появилась необходимость производить изделия из ячеистого бетона с более низкой средней плотностью (D350, D400, D500) при сохранении прежнего класса бетона по прочности на сжатие, с высокой точностью геометрических размеров и высоким качеством поверхности.

Соответствовать современным требованиям удалось после приобретения оборудования немецкой фирмы «Wehrhahn». В итоге строители получили блоки для кладки на клеевом растворе с толщиной шва до 3 мм, что позволяет свести к минимуму так называемые «мостики холода» наружной стены.

Исследованиями РУП «БелНИИС» установлено, что при кладке блоков на растворе с толщиной шва 10 мм термическое сопротивление на 20% ниже, чем при кладке блоков на клею с толщиной шва 3 мм.

Преимущества стен из ячеистого бетона

Ячеистый бетон хорошо «дышит» и тем самым обеспечивает благоприятный температурно-влажностный режим в стенах.

Точные размеры и ровная поверхность блоков позволяют значительно экономить на отделочных работах.

Не содержит опасных для здоровья людей компонентов и считается экологически чистым материалом.

Структура ячеистого бетона позволяет легко и точно его пилить, строгать, сверлить, при этом могут использоваться обычные инструменты, применяемые для обработки древесины. Благодаря этому возможно воплощение в жизнь самых смелых замыслов архитекторов.

Среди стеновых материалов ячеистый бетон занимает лидирующие позиции по показателям коррозийной стойкости и огнестойкости. Изделия из ячеистого бетона надежно защищают от распространения пожара и соответствуют первой степени огнестойкости.

В силу своих теплотехнических и прочностных свойств ячеистый бетон является одним из немногих в Республике материалом, из которого в настоящее время возможно получить однослойные ограждающие конструкции с требуемым термическим сопротивлением. Качество ограждающей конструкции здания (наружной стены) определяется структурой и плотностью изделия, из которого она сделана. Лучшее конструкционное решение получается в том случае, когда ограждение выполнено из однородного материала. При этом однородность структуры и постоянство физических свойств сохраняются по всей толщине стены. Однородность стены можно обеспечить при её кладке из ячеистобетонных блоков низких объемных весов.

Особенно целесообразно применение ячеистого бетона низких объемных весов в малоэтажном строительстве, где он может выполнять не только теплоизоляционные, но и несущие функции. В многоэтажных зданиях ячеистый бетон применяется для устройства не несущих наружных стен.

Высыхание в ячеистобетонных конструкциях

В однородной стене водяной пар не имеет явных препятствий, где бы он мог накапливаться и конденсироваться — это свойство называется паропроницаемостью.

Если проектирование выполнено с учетом требований по защите ограждающих конструкций от переувлажнения, а строительство проведено с соблюдением указаний проекта, то через два–три отопительных сезона материалы наружных ограждений приобретут установившуюся, так называемую «эксплуатационную» влажность.

Для справки: эксплуатационная (равновесная) влажность — установившаяся влажность в толще ограждающей конструкции из автоклавного газобетона на протяжении двух лет эксплуатации здания.

В нашем климате (Беларусь, страны Балтии, Скандинавии, Северо-западный и Центральный федеральные округа России) по результатам многолетних наблюдений эксплуатационная влажность ячеистых бетонов автоклавного твердения составляет в среднем 4-5%, в зависимости от конструкции стены, условий эксплуатации, ориентации по сторонам света и ряда других факторов.

Для сухого и нормального режима эксплуатации помещения равновесная влажность газобетона составляет 4%, для мокрых помещений — 6%.

Изначально сухие стеновые или теплоизоляционные материалы (кирпич, минераловатные утеплители) увлажнятся, а изначально влажные (штукатурные и кладочные смеси, железобетон, стеновые ячеистобетонные блоки) высыхают. В дальнейшем в материалах стен будут происходить незначительные сезонные колебания влажности. Скорость изменения влажности материалов в стенах зависит в первую очередь от соотношения их паропроницаемости и сорбционной влажности (при равных режимах эксплуатации помещений и климатических условиях). Чем выше паропроницаемость и ниже сорбционная влажность, тем активнее происходит высушивание. Ячеистобетонные блоки в равных условиях высыхают до равновесной влажности быстрее, чем древесина.

Графически высыхание ячеистого бетона можно изобразить так:

Медленное высыхание будет в том случае, если конструкцию из ячеистого бетона с наружной стороны облицевать материалом с низкой паропроницаемостью, – например, утеплить пенополистирольными плитами или облицевать кирпичом без оставления воздушного зазора. В случае же паропроницаемой отделки (кирпич с вентилируемой воздушной прослойкой, тонкослойная штукатурка, окраска или гидрофобизация поверхности) высыхание будет происходить с высокой скоростью и конструкция выйдет на расчетный режим эксплуатации к началу второго отопительного сезона.

Блоки из ячеистого бетона автоклавного твердения сертифицированы на соответствие требованиям СТБ 1117-98 «Блоки из ячеистых бетонов стеновые. Технические условия», кроме того наша продукция соответствует требованиям европейского стандарта EN 771-4:2011+А1:2015 «Требования к изделиям для каменой кладки. Часть 4. Изделия из ячеистого бетона автоклавного твердения», о чем свидетельствует сертификат, полученный в органе по сертификации Европейского союза.

Блоки D350 B 1.5

Блоки D400

Блоки D500

Протокол испытаний на опредение предела огнестойкости блоков D500.

Протокол испытаний на опредение предела огнестойкости блоков D600.

Предлагаем Вам нашу новинку, стеновые блоки из ячеистых бетонов системы «паз-гребень». Ее особенность заключается в том, что торцевые поверхности блоков имеют пазогребневую форму. Наличие паза и гребня позволяет соединить блоки в «тепловой замок». Такое соединение исключает мостики холода по вертикальным швам, существенно ускоряет кладку блоков и значительно уменьшает расход клея. При использовании для строительства блоков с пазогребневой формой, вам не нужно будет выполнять вертикальное армирование, т. к. система паз-гребень выполняет функцию направляющих при кладке блоков.

В процессе кладки Вас могут напугать вертикальные гребни, оказавшиеся на внешних углах здания или внутри оконных и дверных проемов. Бояться этого не стоит, т.к. гребни легко затираются при помощи обычной терки по бетону, а пазы можно замазать раствором в процессе штукатурки.

Также для Вашего удобства мы производим блоки, на торцевых поверхностях которых имеются углубления — «захватные карманы». Использование блоков с захватными карманами значительно упрощает процесс переноса и кладки. Это отражается в сокращении трудозатрат и ускоряет возведение объектов строительства

Предлагаем ознакомиться с нашей новинкой — блоках I-категории D350 здесь.

Стеновой газосиликатный блок из ячеистого бетона 600х200х300 D600

Cтеновой газосиликатный блок 600х200х300 D600 начали использовать в строительстве относительно недавно, но он уже популярен среди застройщиков из-за своих технических характеристик и уникальных свойств.

Газосиликат — это разновидность ячеистого бетона, которая получается из смеси извести, мелкофракционного песка и воды с добавками, которые образуют поры.

Газосиликатный блок предназначен для того, чтобы строить стены с малым количеством швов и минимальной толщиной. Этот строительный материал объединяет в себе преимущества и свойства камня и дерева. Поверхность этого изделия ровная и гладкая. Благодаря этому существенно можно сэкономить отделочные материалы.

Газосиликатный стеновой блок очень легко обрабатывается механически. Этот строительный материал очень легко пилить, сверлить, резать, обтесывать и тому подобное (если есть такая необходимость).

Газосиликатный стеновой блок 600Х200Х300 D600 используют при постройке многоэтажных жилых домов, используя при этом минимальные затраты энергии.

Этот продукт можно считать альтернативным видом стройматериала. Он  легко может заменить множество других деталей необходимых при стройке. 

2.3: Клеточная стенка пептидогликана

Цели обучения

1. Укажите три части мономера пептидогликана и укажите функцию пептидогликана в бактериях.
2. Кратко опишите, как бактерии синтезируют пептидогликан, указав роль аутолизинов, бактопренолов, трансгликозилаз и транспептидаз.
3. Кратко опишите, как антибиотики, такие как пенициллины, цефалоспорины и ванкомицин, влияют на бактерии, и свяжите это с синтезом их клеточной стенки.
4. Укажите, какого цвета окрашивают грамположительные бактерии после окрашивания по Граму.
5. Укажите, какого цвета окрашивают грамотрицательные бактерии после окрашивания по Граму.
6. Укажите, в какой цвет окрашиваются кислотоустойчивые бактерии после кислотостойкого окрашивания.

Микоплазмы — единственные бактерии, у которых естественным образом отсутствует клеточная стенка. Микоплазмы поддерживают почти равномерное давление между внешней средой и цитоплазмой, активно выкачивая ионы натрия. Их цитоплазматические мембраны также содержат стерины, которые, скорее всего, обеспечивают дополнительную прочность.Остальные бактерии в домене Бактерии , за исключением нескольких бактерий, таких как хламидии, имеют полужесткую клеточную стенку, содержащую пептидогликан. (Хотя бактерии, принадлежащие к домену Archaea , также имеют полужесткую клеточную стенку, она состоит из химических веществ, отличных от пептидогликана, таких как белок или псевдомуреин. Мы не будем здесь рассматривать Archaea .)

Функция пептидогликана

Пептидогликан предотвращает осмотический лизис.Как было замечено ранее, под цитоплазматической мембраной бактерии концентрируют растворенные питательные вещества (растворенные вещества) посредством активного транспорта. В результате цитоплазма бактерии обычно гипертоническая по отношению к окружающей среде, и чистый поток свободной воды направляется внутрь бактерии. Без прочной клеточной стенки бактерия вырвалась бы из-за осмотического давления воды, текущей в клетку.

Структура и состав пептидогликана

За исключениями, указанными выше, члены домена Бактерии имеют клеточную стенку, содержащую полужесткий, плотно связанный молекулярный комплекс, называемый пептидогликаном.Пептидогликан, также называемый муреином, представляет собой обширный полимер, состоящий из взаимосвязанных цепочек идентичных мономеров пептидогликана (Рисунок \ (\ PageIndex {1} \)). Мономер пептидогликана состоит из двух соединенных аминосахаров, N-ацетилглюкозамина (NAG) и N-ацетилмурамовой кислоты (NAM), с пентапептидом, выходящим из NAM (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)). Типы и порядок аминокислот в пентапептиде, хотя и почти идентичны у грамположительных и грамотрицательных бактерий, обнаруживают некоторые небольшие различия между доменом Бактерии .

Мономеры пептидогликана синтезируются в цитозоле бактерии, где они прикрепляются к молекуле мембранного носителя, называемой бактопренолом. Как обсуждается ниже, бактопренолы транспортируют мономеры пептидогликана через цитоплазматическую мембрану и работают с ферментами, обсуждаемыми ниже, для вставки мономеров в существующий пептидогликан, обеспечивая рост бактерий после бинарного деления.

Как только новые мономеры пептидогликана вставлены, гликозидные связи затем связывают эти мономеры в растущие цепи пептидогликана.Эти длинные сахарные цепи затем соединяются друг с другом посредством пептидных сшивок между пептидами, отходящими от NAM. Связывая таким образом ряды и слои сахаров вместе, пептидные поперечные связи обеспечивают огромную прочность клеточной стенки, позволяя ей функционировать подобно ограждению из звеньев молекулярной цепи вокруг бактерии (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1}) \)).

Синтез пептидогликана

Чтобы бактерии увеличили свой размер после бинарного деления, связи в пептидогликане должны быть разорваны, новые мономеры пептидогликана должны быть вставлены, а поперечные связи пептидов должны быть повторно запечатаны.Происходит следующая последовательность событий:

Шаг 1. Бактериальные ферменты, называемые автолизинами:

Шаг 2. Мономеры пептидогликана синтезируются в цитозоле (см. Рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг 1 и рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг 2) и связываются с бактопренолом. Бактопренолы транспортируют мономеры пептидогликана через цитоплазматическую мембрану и взаимодействуют с трансгликозидазами, чтобы вставить мономеры в существующий пептидогликан (см. Рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг 3, рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг -4, рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг 5 и рисунок \ (\ PageIndex {4} \), шаг 6)

Шаг 3.Ферменты трансгликозилазы (трансгликозидазы) вставляют и связывают новые мономеры пептидогликана в разрывы пептидогликана (см. Рисунок \ (\ PageIndex {5} \), шаг 1 и рисунок \ (\ PageIndex {5} \), шаг 2).

Шаг 4. Наконец, ферменты транспептидазы реформируют пептидные поперечные связи между рядами и слоями пептидогликана, чтобы сделать стенку прочной (см. Рисунок \ (\ PageIndex {6} \), шаг 1 и рисунок \ (\ PageIndex {6) }\), шаг 2).

В Escherichia coli концевой D-аланин отщепляется от пентапептидов с образованием тетрапептидов.Это обеспечивает энергию для связывания D-аланина одного тетрапептида с диаминопимелиновой кислотой другого тетрапептида (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) B). В случае Staphylococcus aureus концевой D-аланин отщепляется от пентапептидов с образованием тетрапептидов. Это обеспечивает энергию для связывания пентаглицинового мостика (5 молекул аминокислоты глицина) от D-аланина одного тетрапептида с L-лизином другого (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) A).

Упражнение: подумайте — попарно — поделитесь вопросами

1. Как мы увидим в Блоке 2, антибиотик бацитрацин связывается с бактопренолом после того, как он вставляет мономер пептидогликана в растущую стенку бактериальной клетки.

   Объясните, как это может привести к гибели бактерии.

2. Как мы увидим в Блоке 2, антибиотики пенициллина связываются с бактериальным ферментом транспептидазой.
   1. Объясните, как это может привести к гибели бактерии.
   2. Можно ли использовать этот антибиотик для лечения простейших инфекций, таких как лямблиоз и токсоплазмоз?

В центре бактерии группа белков, называемых Fts (нитевидные термочувствительные), взаимодействует, образуя кольцо в плоскости деления клетки.Эти белки образуют аппарат деления клетки, известный как дивисома, и непосредственно участвуют в делении бактериальной клетки путем бинарного деления (см. Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) и Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).

Дивисома отвечает за управление синтезом новой цитоплазматической мембраны и нового пептидогликана с образованием перегородки деления.

Противомикробные агенты, ингибирующие синтез пептидогликанов, вызывающий бактериальный лизис

Многие антибиотики действуют, подавляя нормальный синтез пептидогликана в бактериях, вызывая их взрыв в результате осмотического лизиса.Как только что упоминалось, чтобы бактерии увеличивали свой размер после бинарного деления, ферменты, называемые автолизинами, разрушают пептидные поперечные связи в пептидогликане, ферменты трансгликозилазы затем вставляют и связывают новые мономеры пептидогликана в разрывы в пептидогликане, а ферменты транспептидазы преобразуют пептид. перекрестные связи между рядами и слоями пептидогликана, чтобы сделать стенку прочной.

Вмешательство в этот процесс приводит к ослаблению клеточной стенки и лизису бактерии под действием осмотического давления.Примеры включают пенициллины (пенициллин G, метициллин, оксациллин, ампициллин, амоксициллин, тикарциллин и т. Д.), Цефалоспорины (цефалотин, цефазолин, цефокситин, цефотаксим, цефаклор, цефоперазон, цефиксиме, цефтриемс и др.) имипенем, метропенем), монобактерии (азтреонем), карбцефемы (лоракарбеф) и гликопептиды (ванкомицин, тейхопланин).

• Например, пенициллины и цефалоспорины связываются с ферментами транспептидазы (также называемыми связывающими пенициллин белками), ответственными за повторное уплотнение клеточной стенки по мере добавления новых мономеров пептидогликана во время роста бактериальных клеток.Это блокирует ферменты транспептидазы от сшивания сахарных цепей и приводит к ослаблению клеточной стенки и последующему осмотическому лизису бактерии (см. Рисунок \ (\ PageIndex {8} \)).

Противомикробная химиотерапия будет обсуждаться более подробно позже в Разделе 2 «Контроль бактерий с помощью антибиотиков и дезинфицирующих средств».

Грамположительные, грамотрицательные и кислотоупорные бактерии

Большинство бактерий можно отнести к одной из трех групп в зависимости от их цвета после выполнения определенных процедур окрашивания: грамположительные, грамотрицательные или кислотоустойчивые.

• Грамположительные бактерии : Они сохраняют первоначальный кристаллический фиолетовый цвет красителя во время процедуры окрашивания по Граму и кажутся пурпурными при наблюдении в микроскоп. Общие грамположительные бактерии, имеющие медицинское значение, включают Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, виды и Clostridium .

(слева) Окраска по Граму Staphylococcus aureus, которая представляет собой скопления грамположительных (пурпурных) кокков. (справа) Окраска по Граму кишечной палочки, которая представляет собой грамотрицательных (розовых) бацилл.

• Грамотрицательные бактерии : Они обесцвечиваются во время процедуры окрашивания по Граму, улавливают контркрашивание сафранином и выглядят розовыми при наблюдении в микроскоп. Общие грамотрицательные бактерии, имеющие медицинское значение, включают видов Salmonella , видов Shigella , Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Proteus видов и Pseudomonas aeruginosa .Также обратите внимание на окраску по Граму смеси грамположительных и грамотрицательных бактерий.

Окраска по Граму смеси грамположительных и грамотрицательных бактерий. Обратите внимание на грамотрицательные (розовые) палочки и грамположительные (фиолетовые) кокки.

• кислотоустойчивые бактерии : Они сопротивляются обесцвечиванию кислотно-спиртовой смесью во время процедуры кислотостойкого окрашивания, сохраняют исходный краситель карболфуксин и выглядят красными при наблюдении в микроскоп.Общие кислотоустойчивые бактерии, имеющие медицинское значение, включают Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium leprae, и Mycobacterium avium-intracellulare .

Кислотостойкое окрашивание Mycobacterium tuberculosis в мокроте. Обратите внимание на красноватые кислотоустойчивые бациллы среди синей нормальной флоры и белые кровяные тельца в мокроте, которые не являются кислотоустойчивыми.

Эти реакции окрашивания происходят из-за фундаментальных различий в их клеточной стенке, как будет обсуждаться в Лаборатории 6 и Лаборатории 16.Теперь мы рассмотрим каждый из этих трех типов клеточной стенки бактерий.

S-слой

1. Структура и состав

Наиболее распространенная клеточная стенка у видов Archaea представляет собой паракристаллический поверхностный слой (S-слой). Он состоит из регулярно структурированного слоя, состоящего из взаимосвязанных гликопротеиновых или белковых молекул. На электронных микрофотографиях имеет рисунок, напоминающий напольную плитку. Хотя они различаются в зависимости от вида, S-слои обычно имеют толщину от 5 до 25 нм и имеют идентичные поры диаметром 2-8 нм.Некоторые виды бактерий также имеют S-слои.

Для просмотра электронных микрофотографий S-слоев см .:

• S-Layer Proteins, домашняя страница структурной биологии Университета Карла Франценса в Австрии.
• «Характерные свойства белков S-слоя», Институт Foresight Nanotech, Австрия.

2. Функции и значение для бактерий, вызывающих инфекции

S-уровень связан с рядом возможных функций.К ним относятся следующие:

а. S-слой может защищать бактерии от вредных ферментов, от изменений pH, от хищной бактерии Bdellovibrio , паразитической бактерии, которая фактически использует свою подвижность, чтобы проникать в другие бактерии и размножаться в их цитоплазме, а также от бактериофагов.

г. S-слой может действовать как адгезин, позволяя бактериям прилипать к клеткам-хозяевам и поверхностям окружающей среды, колонизировать и сопротивляться смыванию.

г.S-слой может способствовать вирулентности, защищая бактерии от атаки комплемента и фагоцитоза.

г. S-слой может действовать как крупное молекулярное сито.

Сводка

1. Подавляющее большинство доменных бактерий имеют жесткую клеточную стенку, состоящую из пептидогликана.
2. Клеточная стенка пептидогликана окружает цитоплазматическую мембрану и предотвращает осмотический лизис.
3. Пептидогликан состоит из взаимосвязанных цепочек строительных блоков, называемых мономерами пептидогликана.
4. Чтобы расти после бинарного деления, бактерии должны синтезировать новые мономеры пептидогликана в цитоплазме, транспортировать эти мономеры через цитоплазматическую мембрану, создавать разрывы в существующей клеточной стенке, чтобы мономеры могли быть вставлены, соединять мономеры с существующим пептидогликаном, и сшивают ряды и слои пептидогликана.
5. Многие антибиотики подавляют синтез пептидогликана в бактериях и приводят к осмотическому лизису бактерий.
6. Большинство бактерий можно отнести к одной из трех групп в зависимости от их цвета после выполнения определенных процедур окрашивания: грамположительные, грамотрицательные или кислотоустойчивые.Эти реакции окрашивания обусловлены фундаментальными различиями в клеточной стенке бактерий.
7. Грамположительные бактерии окрашиваются в фиолетовый цвет после окрашивания по Граму, а грамотрицательные бактерии окрашиваются в розовый цвет.
8. Кислотостойкие бактерии окрашиваются в красный цвет после кислотостойкого окрашивания.

Вопросы

Изучите материал этого раздела, а затем запишите ответы на эти вопросы. Не просто нажимайте на ответы и записывайте их. Это не будет проверять ваше понимание этого руководства.

1. Мономер пептидогликана состоит из _____________, _____________ и _______________. (ANS)
2. Укажите функцию пептидогликана у бактерий. (ANS)
3. Укажите роль следующих ферментов в синтезе пептидогликана:
   1. автолизины (ANS)
   2. бактопренолы (ANS)
   3. транспептидаз (ANS)
   4. трансгликозилаза (ANS)
4. Пенициллин используется для лечения бактериальной инфекции.Опишите механизм, с помощью которого этот антибиотик в конечном итоге убивает бактерии. (ANS)
5. Окрашивание грамположительных бактерий ____________ (ans) после окрашивания по Граму, а окрашивание грамотрицательных бактерий _____________ (ans) .
6. Бактерии обычно живут в гипотонической среде. Поскольку вода поступает в клетку в гипотонической среде, почему бактерии не разрываются под действием осмотического давления? (ANS)
7. Множественный выбор (ANS)

Авторы и авторство

11 основных строительных материалов, которые убивают вашу стойку сотового телефона

Что может мешать сигналу соты

Ни для кого не секрет.

Строительная конструкция и материалы, как правило, являются основной причиной плохого сигнала сотовой связи в Америке.

Даже если вы живете в глуши, где расстояние до вышек сотовой связи является большой проблемой, металлическая крыша или кирпичная стена — это, по сути, последний гвоздь смерти любой надежды на то, что служба доставки будет работать внутри вашего дома.

Сигналы 3G и 4G LTE представляют собой радиоволны. И, как и все радиоволны (сотовая связь, Wi-Fi, AM / FM, спутник и т. Д.), Достаточно небольшого количества помех или препятствий, и вы получите такую ​​же надежность, как и продолжительность концентрации внимания трехлетнего ребенка.

Сегодня мы рассмотрим лучшие строительные материалы, которые полностью останавливают радиочастотные сигналы.

Но сначала небольшое объяснение.

См. Полные комплекты усилителя сигнала клеток для вашей ситуации:

Дом

Автомобиль

Бизнес

Коммерческий

Как на самом деле измеряется уровень сигнала сотового телефона

Количество полосок на телефоне действительно субъективно.

Насколько субъективно?

На самом деле не привязан ни к какому стандарту. Ваш оператор должен решить, сколько стоит 1, 2, 3, 4 или полные такты на их услугах.

Итак, то, что 1 полоса на Verizon может быть 2 на AT&T, 3 на Sprint или полными полосами на T-Mobile , несмотря на получение одного и того же сигнала и работу с точно такими же скоростями.

Но, к счастью, есть способ узнать истинную силу сигнала. Это называется показанием в децибелах (дБ). Это измеряется в децибел-милливаттах или дБм.

Сигнал сотового телефона работает с определенной частотой:

от –50 дБм до –120 дБм.

-50 дБм — полные полосы. -120 дБм — это в основном мертвая зона. Чем ближе вы к -50 дБм, тем лучше ваш сигнал.

Так при чем здесь строительный материал?

Ну, строительные материалы в основном вычитают дБ из вашего сигнала при попытке проникнуть в ваш дом. Чем больше он вычитает, тем ближе вы приближаетесь к -120 дБм, что является мертвой зоной.

Давайте посмотрим, какие материалы препятствуют передаче сигналов 3G и 4G LTE.

11 лучших строительных материалов, которые блокируют сигнал вашего сотового телефона

11. Мать-природа (от -3 до -20 дБ)

Хорошо, технически это не строительный материал, но, тем не менее, хорошая отправная точка. Люди часто задаются вопросом: блокируют ли деревья сигнал сотовой связи? Ответ: решительное да.

Деревья, горы, холмы и даже погода могут повлиять на сигнал вашего мобильного телефона. Но сколько?

Rain: от -3 до -5 дБ

Листва: от -7 до -20 дБ

Листва — очень большая проблема, поскольку они очень способны блокировать сигнал клеток, особенно сосновых шишек.Большинство домов и офисов считают, что осенью они работают намного лучше.

Причина?

Падающие листья — меньше препятствий с воздуха. Ага.

10. Гипсокартон / гипсокартон (-2 дБ)

Ваши внутренние стены и потолок, скорее всего, сделаны из гипсокартона, и они являются первой линией внутренней защиты, предотвращающей попадание сигнала в комнату.

9. Изоляция из стекловолокна: блокирует сигнал сотового телефона из углеродного волокна (-2 дБ)

Стекловолоконная изоляция в стенах или на чердаке также блокирует сигналы ячеек.При объединении меток с гипсокартоном он уже составляет -4 дБ, что означает, что внешний сигнал уже снижен на 50% к тому времени, когда он входит в ваш дом.

8. Прозрачное стекло (-4 дБ)

Хотя окна отлично подходят для пропускания света, обзора и тепла, они также способны отражать и преломлять сотовый сигнал до -4 дБ.

7. Фанера (от -4 до -6 дБ)

Фанера — это еще один листовой материал, который снижает уровень сигнала 3G и 4G LTE. А если фанера намокнет и не будет водонепроницаемой, она будет действовать как губка, способная ослабить сигнал до -20 дБ.Ой.

6. Массив дерева (от -5 до -12 дБ)

Эта красивая деревянная дверь или мебель? Убийца сотового сигнала. Любая древесина из бука, ясеня, дуба, красного дерева, клена и т. Д. Очень способна поглощать и блокировать сигналы. Чем толще древесина, тем хуже сигнал.

5. Штукатурка (от -8 до -16 дБ)

Штукатурка — строительный материал из гипса, извести или цемента, используемый для защитного покрытия стен и потолков. Кто бы мог подумать, что такой тонкий слой пасты может нанести столько вреда?

4.Brick (от -8 до -28 дБ)

Кирпичи из глины, сланца или цемента — отличный строительный материал для эстетики и дизайна. Но, не позволяя большому злобному волку сбить его с ног, он также блокирует клеточные сигналы.

3. Бетон и цемент: 6 дюймов (от -10 до -20 дБ)

Здесь нет ничего удивительного. Большинство современных зданий построено из бетона. Многие архитекторы полагаются на промышленную прочность бетона и цемента для создания прочных конструкций, поэтому во многих городских районах возникают проблемы с получением рабочего сигнала внутри помещений.

2. Тонированное и низкоэмиссионное стекло (от -24 до -40 дБ)

В новом здании используются энергоэффективные материалы, такие как низкоэмиссионное стекло, для отвода тепла. К сожалению, они также хорошо отражают сигнал сотовой связи.

1. Металл: какой металл блокирует сигнал ячейки (от -32 до -50 дБ)

Часто спрашивают: не загораживают ли металлические крыши прием сотовых телефонов? К сожалению, да, очень много.

Алюминий, алюминиевая фольга, свинец, латунь, медь, сталь, железо и т. Д. Металл — материал №1 для блокирования ячеек во всех зданиях в Америке.Людям с металлической крышей трудно получить прием. Даже наличие металла внутри дома создает искажения для радиочастотных сигналов.

Мы написали руководство по улучшению сотового сигнала внутри металлического здания для тех, кто страдает от этой проблемы.

Инфографика о строительном материале, блокирующем сотовый сигнал

Подводя итог этой статье, мы создали эту удобную инфографику, чтобы проиллюстрировать наши основные положения. Пусть это будет простое наглядное резюме всего, что мы обсудили!

Заключение

Практически все, что находится под солнцем, может повлиять на ваш сотовый сигнал.Если смотреть на всю картину, типичный дом с гипсокартоном, штукатуркой, стеклом и деревом может потерять до -30 дБ и более.

В «барах» это потеря 2–4 полосок, разница между наличием работающего сервиса снаружи и отсутствием его внутри.

Какой еще строительный материал влияет на ваш дом или офис? Дайте нам знать в комментариях ниже.

Как усилить сигнал ячейки

Wilson Amplifiers — ведущий поставщик усилителей сигнала для сотовых телефонов.Усилители сотовых телефонов усиливают 3G и 4G LTE для любого телефона с любым оператором связи для дома, офиса или автомобиля.

Мы серьезно ненавидим прерванные звонки и плохое покрытие, поэтому наша цель в жизни — топтать пятнистый сигнал, как маленькие тараканы, которыми они являются:

• Бесплатная консультация (спросите нас о чем угодно) в нашей службе поддержки клиентов в США ( [email protected] ) или позвоните нам по телефону 1-800-568-2723 .
• Бесплатная доставка.
• Лучший сигнал или лучший в отрасли возврат денег в размере 90.Никаких вопросов не было задано.
• Мы хотим, чтобы все остались довольны, поэтому мы предоставляем пожизненную техническую поддержку и двухлетнюю гарантию на все продукты.

Спросите нас о чем угодно, и мы будем рады помочь.

УСИЛИТЕЛИ WILSON ПРЕИМУЩЕСТВА

БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА Нет минимальной покупки

90-ДНЕЙ
Гарантия возврата денег

LIFETIME
Техническая поддержка

Детали ячеек | Спросите у биолога

Роль ауксина в расширении клеточной стенки

Abstract

Растительные клетки окружены клеточными стенками, которые представляют собой динамические структуры, демонстрирующие строго регулируемый баланс между жесткостью и гибкостью. Стенки достаточно жесткие, чтобы обеспечивать поддержку и защиту, но также растяжимы, чтобы обеспечить рост клеток, который запускается высоким внутриклеточным тургорным давлением. Свойства стенок регулируют дифференцированный рост клеток, что приводит к разнообразию размеров и форм клеток.Хорошо известно, что растительный гормон ауксин стимулирует удлинение клеток за счет увеличения растяжимости стенок. Ауксин участвует в регуляции свойств клеточной стенки, вызывая ее разрыхление. Здесь мы рассмотрим то, что известно о регуляции свойств клеточной стенки с помощью ауксина. Мы уделяем особое внимание роли ауксина во время размножения клеток, непосредственно связанной с модификациями клеточной стенки. Мы также анализируем нижестоящие мишени транскрипционной передачи сигналов ауксина, которые связаны с клеточной стенкой и могут быть связаны с ростом кислоты и действием белков, разрыхляющих стенки.В целом, это обновление проливает свет на связь между передачей гормональных сигналов и синтезом и отложением клеточной стенки.

Ключевые слова: рост клеток , клеточная стенка, кислотный рост, ауксин

1. Введение

Растительные клетки обладают большим разнообразием по размеру и форме. Меристематические клетки обычно изодиаметричны, а затем дифференцируются, развивая различные формы для приобретения определенных функций. Это легко заметить в таких клетках, как корневые волоски, растущие на кончиках, или клетки с многодолями.В отличие от животных клеток особенность растительных клеток состоит в том, что они плотно связаны друг с другом окружающими их стенками, расположенными за пределами плазматической мембраны. Клеточные стенки — это динамические структуры, которые действуют как экзоскелет, участвуя в создании и поддержании формы клетки и защищая содержимое клетки от биологических, химических и биофизических источников агрессии [1,2]. Крупные растения, такие как деревья, способны противостоять внешним силам благодаря прочности, создаваемой их клеточными стенками [1].Более того, клеточные стенки играют важную роль в таких процессах, как клеточная адгезия, межклеточная коммуникация и движение воды [1,3]. Стенки растительных клеток подразделяются на две группы; основные и второстепенные стены. Последние обычно присутствуют в специализированных, нерастущих клетках и выходят за рамки данного обзора [1,2,3,4].

Первичные клеточные стенки (толщина около 100–1000 нм в молодых растущих клетках) в основном состоят из микрофибрилл целлюлозы на основе глюкана (CMF), встроенных в высокогидратированный матрикс, состоящий из пектинов, гемицеллюлоз, структурных белков и протеогликанов [1,2, 3,5].Клеточная стенка должна быть достаточно жесткой, чтобы обеспечивать поддержку и защиту, но также растяжимой, чтобы позволить клеткам экспансию, которая вызвана сильным внутриклеточным тургорным давлением [6,7,8,9,10,11]. Строго регулируемый баланс между жесткостью и гибкостью стенок, следовательно, необходим для регулирования дифференциального роста, который приводит к такому разнообразию размеров и форм клеток [2,7,12,13]. Растительный гормон ауксин считается стимулятором удлинения клеток, поскольку он увеличивает растяжимость клеточной стенки [14,15,16].В частности, ауксин регулирует свойства клеточной стенки, инициируя ее разрыхление [17,18]. Тесная связь между гормональным действием и синтезом и отложением клеточной стенки изучалась в течение многих лет, но многие детали все еще нуждаются в уточнении. Здесь мы суммируем то, что в настоящее время известно о регуляции свойств клеточной стенки и роли ауксина в этом процессе.

2. Стенки растительных клеток

Стенки растительных клеток очень неоднородны, и составы клеточных стенок различаются у разных видов и типов клеток.Стены очень динамичны, и их состав со временем меняется даже в пределах одной клетки [1,19,20,21,22,23,24]. Тем не менее, ключевые полисахариды обычно присутствуют, и их структура, биосинтез и взаимодействие кратко описаны в этой главе.

2.1. Микрофибриллы целлюлозы (CMF)

Клеточная стенка состоит из различных полимеров, включая CMF, которые встроены в такие компоненты, как нецеллюлозные полисахариды и структурные белки. CMF — это самые большие полисахариды клеточной стенки, состоящие из параллельных массивов (1,4) -β-d-глюканов, собранных в длинные цилиндры [25,26].Благодаря своим жестким и несущим свойствам CMF устойчивы к растягивающим силам [1,2,3]. CMF определяют направление роста клеток. Действительно, их отложение и выравнивание определяют анизотропию роста клеток [2,27,28], как показано характеристикой дефицитных по целлюлозе мутантов Arabidopsis , у которых удлинение клеток резко снижено [29]. Синтез целлюлозы происходит под клеточной стенкой на плазматической мембране через крупные розеточные комплексы, состоящие из СИНТАЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ (CESA) и, конечно, других компонентов, таких как KORRIGAN1 (KOR1), функция которого остается неуловимой [25,26,30,31] .Формирование паттерна CMF стенки опосредуется кортикальными микротрубочками (cMT) и CESA на плазматической мембране, при этом ориентация CMF внутри стенки соответствует паттерну, заданному cMTs [28,32,33,34,35,36,37 ].

2.2. Гемицеллюлозы и пектины

CMF встроены в матрицу гемицеллюлоз и пектинов, состоящую из различных углеводов, которые демонстрируют сложные глиозидные связи. В двудольных, таких как Arabidopsis , пектины и ксилоглюканы гемицеллюлозы (XyG) являются наиболее распространенными компонентами клеточной стенки [1].XyGs обнаруживаются в основном в первичных клеточных стенках и, как полагают, участвуют в расширении клеточной стенки во время удлинения клеток [38,39,40,41]. XyG состоят из цепей (1,4) -β-d-глюкана с боковыми цепями, состоящими из остатков галактозы, фукозы и ксилозы [42]. XyG влияют на растяжимость и жесткость стенок, поскольку клеточные стенки у мутанта Arabidopsis double xyloglucan xylosyltransferases ( xxt1 xxt2 ) мягче и слабее, чем стенки у дикого типа [7,43]. Маннаны и гетероманнаны представляют собой гемицеллюлозы, которые широко распространены во мхах, ликофитах и ​​во вторичных клеточных стенках голосеменных [42,44].Другие гемицеллюлозы, такие как ксиланы, гетероксиланы и (1,3; 1,4) -β-d-глюканы, широко представлены в однодольных (злаки и травы) и во вторичных клеточных стенках [1,5].

Пектины играют важную роль в регулировании свойств стенок, поскольку они регулируют пористость и гидратацию стенок, что вызывает набухание стенок и влияет на их толщину. Более того, пектины регулируют растяжимость стенок, влияя на выравнивание CMF и формируют среднюю пластинку, адгезивный отсек между двумя соседними клеточными стенками [45,46,47,48].Пектины состоят из весьма гетерогенных полисахаридов, среди которых можно выделить четыре основных элемента: гомогалактуронан (HG), рамногалактуронан I (RGI), рамногалактуронан II (RGII) и ксилогалактуронан (XGA) [45,49,50,51,52]. HG часто содержит сильно метилэтерифицированные остатки галактуроновой кислоты, тогда как RGI более сложен и состоит из чередующихся галактуроновой кислоты и рамнозы с галактозой, арабинозой или арабиногалактанами, образующими боковые цепи [45,47,49,53]. Общей чертой RGII является наличие сложных эфиров бората между RGII-специфическими остатками сахара [3,45,49,54].

Нецеллюлозные компоненты клеточной стенки синтезируются в аппарате Гольджи, упаковываются в пузырьки и транспортируются по актиновым филаментам (AF) к стенке [33,55,56,57,58]. Стенки активно растущих клеток имеют пористую структуру, которая позволяет полисахаридам перемещаться относительно друг друга (например, скользить) внутри стенки [7,59]. Синтез полисахаридов осуществляется синтазами, которые катализируют полимеризацию остатков сахаров, и гликозилтрансферазами, которые связывают моносахариды и короткие олигосахариды с полимерными цепями [1,60].

2.3. Структурные белки

Помимо полисахаридов, клеточная стенка содержит различные структурные (неферментативные) белки, регулирующие ее образование и рост [2,61]. Среди этих структурных белков EXPANSINs (EXPs), EXTENSINs (EXTs) и ARABINOGALACTAN PROTEINs (AGPs) хорошо охарактеризованы как регулирующие расширение стенки [62,63]. EXP определяются как белки, разрыхляющие стенки, усиливающие расширение стенок при кислом pH [64], и будут обсуждаться позже в контексте опосредованного ауксином расширения клеточной стенки.Другие структурные гликопротеины, EXT, необходимы для сборки клеточной стенки [65,66,67,68], так как мутант Arabidopsis с дефектом EXT3, дефектный по корням, побегам, гипокотилям (rsh ), дефектный по EXT3, представляет собой дефектное образование стенки [ 2,69]. AGP играют роль в защите растений от патогенов, и, кроме того, повышенное количество AGP может наблюдаться в поврежденных растениях [61,70]. Известно, что AGP специфически контролируют рост пыльцевых трубок [61], но также считается, что они регулируют общее развитие растений [71].

2.4. Взаимодействия внутри клеточной стенки

Физические свойства клеточной стенки поддерживаются за счет взаимодействия между ее полисахаридами [3,72]. Недавно была представлена ​​новая модель, демонстрирующая взаимодействия между различными полимерами клеточной стенки, в которой «биохимические горячие точки» сшивают различные полисахариды [7,73]. Эти горячие точки присутствуют между CMF и XyG, но также и между различными CMF, соединяя их друг с другом [7,73,74,75]. Эта интересная модель обновляет предыдущую теорию, которая была основана на том, что стена состоит из отдельных CMF, которые могут быть сшиты либо с XyG, чтобы укрепить стену, либо с пектинами, чтобы смягчить стену [5 , 76].

Сшивание CMF с XyG увеличивает механическое сопротивление стенок [77,78,79,80,81,82]. XyGs важны для разделения CMFs, поскольку XyG-дефицитный мутант xxt1 xxt2 характеризуется сильно компактными CMFs [7,43]. Взаимодействия XyG-CMF модулируются XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE / HYDROLASE (XTH), которые либо катализируют связывание XyG с целлюлозой (укрепление стенки), либо гидролизуют разрыв связи XyG с CMF (ослабление стенки) [83,84 , 85,86,87,88,89,90].Во время развития клеток пектины регулярно доставляются и вставляются в матрикс стенки, что предполагает, что их присутствие и количество может регулировать растяжимость стенки. Пектины могут либо увеличивать расширение стенок, способствуя движению CMF, либо поддерживать CMF в зонах нерастущих клеточных стенок [91,92,93,94,95,96]. Более того, различные пектиновые домены сшиваются друг с другом через связи кальция и бора [1,47,49]. Эти соединения модифицируются пектиновыми метилэстеразами (PME), которые регулируют сшивание пектинов с ионами кальция.Метилэтерификация (добавление метильных групп) снижает способность HG образовывать поперечные связи с ионами кальция, вызывая размягчение стенки. Соответственно, демилэтерификация (удаление метильных групп) увеличивает способность HG к сшиванию с ионами кальция, что вызывает жесткость стенок, уплотнение и повышенную адгезию [97,98]. Интересно, что ауксин снижает жесткость клеточной стенки за счет деметилэстерификации пектинов в верхушке побега, что приводит к разрастанию органов [99].С другой стороны, цепи RGII связаны друг с другом через связи диэфира бората, влияя на гидратацию стенок и толщину [47]. Известно, что арабинаны и арабиногалактаны вызывают набухание клеточной стенки, уменьшая ее жесткость и увеличивая при этом растяжимость [100,101]. Таким образом, клеточная стенка состоит из ряда различных полисахаридов, количество и взаимодействие которых определяют его свойства и регулируют рост клеток.

3. Роль ауксина в расширении стенок

Накопление воды в вакуоли вызывает высокое тургорное давление, которое стимулирует рост растительных клеток.Это сильное растягивающее напряжение давит на плазматическую мембрану, что приводит к растяжению полисахаридов клеточной стенки. Стена должна быть умеренно жесткой, чтобы противостоять этому тургорному давлению, чтобы не сломаться. Однако стенка также должна адаптировать свой состав, изменяя и постоянно добавляя полисахариды, чтобы обеспечить расширение клеток [7,59,102,103].

Расширение клеточной стенки и общий рост клеток регулируются несколькими факторами, включая гормоны растений. Среди них ауксин играет жизненно важную роль в контроле роста и развития растений посредством стимулирования деления (пролиферации), роста (размножения, удлинения) и дифференцировки [15,16,104,105,106,107,108].Увеличение клетки происходит до деления клетки, однако на этой стадии не наблюдается изменений размера вакуолей. С другой стороны, расширение клеток включает расширение вакуолей и определяется как увеличение размера клеток, обусловленное тургором, которое контролируется способностью к расширению клеточной стенки. Экспансия клеток связана с повышенным уровнем плоидности (эндоредупликация), клеточной вакуолизацией и дифференцировкой [106,109]. Почти четыре десятилетия назад ауксин или индол-3-уксусная кислота (ИУК) впервые были вовлечены в разрыхление клеточной стенки и рост клеток посредством модификации состава клеточной стенки.ИУК вызывает полимеризацию пектина, увеличивает вязкость пектина и деполимеризацию XyG [110].

Во второй части мы обсуждаем роль ауксина во время размножения клеток и его прямую связь с изменениями, происходящими в клеточной стенке [111]. Ауксин активирует экспрессию генов, связанных с клеточной стенкой, и стимулирует синтез протонных насосов, что приводит к закислению апопласта [106]. Ауксин также активирует плазматическую мембрану (PM) H ⁺ -АТФазы за счет активации фосфорилирования предпоследнего треонина из PM H ⁺ -АТФаз, что приводит к закислению апопласта [112].В кислой среде белки, разрыхляющие стенки, активны и вызывают увеличение стенок. Изменения в стенке заставляют клетку активировать кальциевые каналы, которые накачивают кальций в стенку и повышают pH, вызывая прекращение роста. Наконец, ауксин действует на цитоскелет (AFs и cMTs) через RHO OF PLANTS (ROP) GUANOSINE-5′-TRIPHOSPHATASES (GTPases) и способствует перемещению пузырьков, содержащих новый материал клеточной стенки [113,114,115,116].

3.1. Передача сигналов ауксина стимулирует удлинение клеток

Гипокотили проростков Arabidopsis удлиняются исключительно за счет размножения клеток, что делает этот орган модельной системой для исследования вклада передачи сигналов ауксина в удлинение клеток [111,117].Ауксин действует через семейство ядерных ауксиновых рецепторов, устойчивое к ингибиторам транспорта 1 / AUXIN SIGNALING F-BOX (TIR1 / AFB), деградацию регуляторов транскрипции AUXIN / INDOLE-3-ACETIC ACID (AUX / IAA) и AUXIN RESPONSE FACTORs (ARF). ), которые опосредуют разные транскрипционные ответы [117,118]. TIR1 / AFB являются частью комплекса Skp1 / Cullin / F-box (SCF), который способствует деградации AUX / IAA, которые в противном случае репрессируют опосредованную ауксином транскрипцию [119] через взаимодействия с ARF в отсутствие ауксина.Когда концентрация ауксина увеличивается, гормон опосредует связывание TIR1 / AFB с AUX / IAA и деградацию последних через протеасомную активность [120,121,122,123]. Различные мутанты Arabidopsis AUX / IAA, такие как ауксин-резистентный / индуцибельный индол-3-уксусной кислотой ( axr2 / iaa7 , axr5 / iaa1 , axr3 / iaa17 ) или короткий гипокотил / индол-3 -индуцибельный ( shy2 / iaa3 ), индуцируемый уксусной кислотой, обнаруживает дефекты роста клеток [106,124,125], указывая на то, что ауксин индуцирует рост клеток за счет деградации AUX / IAA.ARFs представляют собой факторы транскрипции, которые связываются с промоторами ауксин-чувствительных генов [122,126,127,128]. Среди 22 ARFs в Arabidopsis, ARF7, как было показано, положительно регулирует экспрессию EXP8 [129], таким образом играя важную роль в экстенсивном росте клеток [130].

3.2. Ауксин и гены, связанные с клеточной стенкой

Несколько исследований показали, что обработка ауксином может специфически изменять экспрессию различных генов. В одном из таких исследований проростки, обработанные экзогенной ИУК, показали более 790 дифференциально регулируемых генов, 55% из которых были активированы [131].Из них мы отобрали только гены с повышенной регуляцией, которые были специфически связаны с клеточными стенками, и классифицировали их на группы, связанные с различными компонентами клеточной стенки, такими как целлюлоза, XyG, пектины и структурные белки (EXP), пероксидазы и компоненты, связанные с вторичными клеточными стенками. клеточные стенки (). Очевидно, что лечение ауксином приводит к усилению активности ключевых генов, связанных с компонентами клеточной стенки, как видно из таблицы. Однако важно отметить, что указанные гены не обязательно конкретно связаны с удлинением клеток (разрастанием стенки) и могут быть связаны с различными процессами, управляемыми ауксином, такими как деление, рост или дифференцировка клеток.

Таблица 1

Отобранные гены, связанные с клеточной стенкой, активируются обработкой ИУК в проростках Arabidopsis (гены из [131]).

Было показано, что несколько ауксин-чувствительных генов активируются в удлиненных гипокотилях, выращенных в темноте [130].Интересно, что в этом удлиняющемся органе также была обнаружена повышенная регуляция генов, связанных с клеточной стенкой, среди них гены, кодирующие разрыхляющие стенки EXP [64,132], XTHs [86,133], AGP [134,135] и связанные с модификацией пектина [130,136]. Использование этиолированных гипокотилей показало, что эти гены специфически связаны с удлинением клеток.

Синтетический пиклорам ауксина (4-амино-3,5,6-трихлорпиколиновая кислота) вызывает удлинение гипокотиля [137]. Транскрипционный анализ дифференциально регулируемых генов был выполнен в удлиненных на свету гипокотилях после обработки пиклорамом [117], обнаружив, что пиклорам и передача сигналов IAA действуют через общие нижестоящие транскрипционные мишени, которые, как полагают, стимулируют удлинение клеток.Однако обработка пиклорамом выявила 79% новых дифференциально регулируемых генов, которые не регулировались дифференцированно в проростках, обработанных ИУК, что позволяет предположить, что они могут быть специфичными для растущих клеток. После обработки пиклорамом изменения в экспрессии 1193 ауксин-зависимых генов (из которых 62% были активированы) предшествовали удлинению гипокотиля. Более того, эти гены были идентифицированы как нижестоящие мишени для стимулируемой пиклорамом транскрипционной передачи сигналов ауксина [117]. Изучение онтологии генов, относящихся к ауксин-чувствительным генам, показало чрезмерную представленность генов, связанных с передачей сигналов гормонов, клеточной стенкой и размножением клеток [117,138,139].Мы решили сосредоточиться на генах, активируемых обработкой пиклорамом в гипокотиле, и выбрали те, которые были конкретно связаны с клеточными стенками (). Аналогично обработке ИУК целых проростков обработка гипокотилей пиклорамом индуцировала гены, связанные с элементами клеточной стенки, такими как целлюлоза, пектины, EXP, XTH и пероксидазы. Однако члены этих разных классов были более широко представлены в гипокотилях, что указывает на их потенциальную роль в удлинении клеток и удлинении стенок.Анализ также выявил множество активированных генов, связанных с метаболизмом пектина, а также новых участников, связанных с гемицеллюлозами, AGP и другими структурными белками. Таким образом, среди дифференциально регулируемых генов при лечении ауксином многие связаны с постсинтетическими модификациями клеточной стенки. Это указывает на то, что ауксин регулирует рост клеток, стимулируя изменения свойств клеточной стенки. Однако концентрации ауксина, использованные в этих исследованиях, не являются физиологически значимыми, и интерпретация результатов должна быть осторожной.

Таблица 2

Отобранные гены, связанные с клеточной стенкой, активируются обработкой пиклорамом при удлинении гипокотилей Arabidopsis (гены из [117]).

3.3. Ауксин вызывает рост кислоты

Известно, что ауксин вызывает рост кислоты (), который определяется как разрыхление стенок при низком pH, что приводит к увеличению растяжимости стенок и быстрому удлинению клеток [14,16,140,141,142,143,144,145] через Сигнальное оборудование TIR / AFB [146]. Ауксин стимулирует активность протонных насосов H ⁺ -АТФазы плазматической мембраны [147,148] ((Aa)), которые откачивают протоны (H ⁺ ) в матрикс стенки, что приводит к закислению апопласта (pH 4,5–6) [ 15 138 145 149].Этот процесс вызывает гиперполяризацию плазматической мембраны и регулируется индуцируемыми ауксином белками SMALL AUXIN UP-RNA (SAUR) [148]. Происходит активация калиевых каналов, и ионы калия перекачиваются в цитозоль ((Ab)). Увеличивающаяся концентрация калия в цитозоле стимулирует поглощение воды, что создает напряжение растяжения, заставляя клеточную стенку расширяться [106, 150, 151]. Ауксин не только стимулирует активность протонных насосов и калиевых каналов [150,151,152], но также индуцирует экспрессию генов, кодирующих эти белки [150,151,152,153,154].Обратите внимание, что чувствительные к ауксину протонные насосы в основном расположены в эпидермисе [14,155], который, как полагают, ограничивает рост и необходим для формирования органов растений [154,155,156,157]. Более того, разные клетки проявляют разные способности воспринимать рост кислоты; например, зрелые клетки менее чувствительны к кислому pH и разрастаются меньше, чем молодые клетки [158,159].

Роль ауксина в расширении клеточной стенки. Изодиаметрическая растительная клетка, готовящаяся к удлинению ( A ), претерпевающая удлинение ( B ) и полностью удлиняющаяся ( C ).Клетка содержит внутриклеточные структуры, такие как ядро ​​(n) и вакуоль (s) (v) в цитозоле (c), и окружена плазматической мембраной (PM). Вне PM присутствует клеточная стенка (CW) ( A — C ). PM состоит из фосфолипидного бислоя (синий), а клеточная стенка состоит из различных полисахаридов, таких как микрофибриллы целлюлозы (CMF желтым), пектины (зеленая двойная линия), XyG (красная линия) и другие полисахариды (не показаны). Ауксин активирует протонные насосы H ⁺ -АТФазы плазматической мембраны, которые перекачивают протоны (H ⁺ ) в матрицу стенки, что приводит к закислению стенки ( a ).Подкисление апопласта активирует калиевые каналы, которые переносят ионы калия (K ⁺ ) в цитозоль, стимулируя поглощение воды (H ₂ O) и поддерживая растягивающее напряжение (желтые стрелки в A и B ) ( б ). Кислый pH активирует белки и ферменты, разрыхляющие стенки, которые ослабляют связи между различными полисахаридами клеточной стенки ( c ). PME активируют никотинамидадениндинуклеотидфосфат плазматической мембраны (НАДФН), транспортируя супероксид-анионы к клеточной стенке, где они превращаются в перекись водорода ( d ).Белки и ферменты, разрыхляющие стенки, вызывают скольжение и раздвигание CMF, что увеличивает пористость стенки ( e ). Расширение клеточной стенки приводит к активации кальциевых каналов и оттоку кальция в цитозоль ( f ). Накопление цитозольного кальция подавляет протонную помпу H ⁺ -АТФазы и подщелачивание протопластов ( г, ). Недавно синтезированные полисахариды вставляются в стенку, где они попадают через везикулярный транспорт ( h ). Подщелачивание стенок активирует PME, которые, в свою очередь, активируют разрушающие стенки ферменты ( i ) и НАДФН ( j ), вызывая сшивание полисахаридов стенки и прекращение роста ( k ).

3.4. ЭКСПАНСИНЫ опосредуют рост кислоты

Кислый pH, индуцированный ауксином, необходим для активации EXP ((Ac)), которые являются специфическими неферментативными белками, разрыхляющими стенки. EXP были идентифицированы как индуцирующие релаксацию стенок в активно разрастающихся клетках гипокотиля Cucumis sativa [64, 160, 161, 162]. EXP разрушают полисахаридные сети, разрывая и ослабляя связи между CMF и нецеллюлозными полисахаридами, такими как XyG [161, 163, 164]. В результате CMF скользят и расходятся, способствуя разрыхлению, гидратации и набуханию стенок.Интересно, что у растений, подвергшихся воздействию гравитропных и световых стимулов, гены, кодирующие EXP ( EXP1 и EXP8 ), активируются в растущих клетках. Это наблюдалось до появления морфологических изменений растений, предполагая, что ауксин стимулирует экспрессию EXP , что приводит к изменениям свойств стенки [106,129].

3.5. Модификация целлюлозы и ксилоглюкана во время расширения стенки

Подкисление ауксина вызывает модификации клеточной стенки, опосредованные XTH и ENDO- (1,4) -β-d-глюканазой (CELLULASE), которые ослабляют связи между различными полисахаридами клеточной стенки в матрице стенки ( (Ас)) [3,165,166,167].Ауксин усиливает экспрессию членов семейства XTH (таких как XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE ; XET ) и CELLULASEs [106,117,168,169,170,171,172,173,174,175,176]. Белки XTH были обнаружены в активно растущих клетках, таких как меристематические клетки в апикальной меристеме побегов, зачатках листьев и удлиненных корнях, которые, как известно, накапливают ауксин [177]. В этих клетках XTH контролируют рост клеток двумя разными способами. Во-первых, XTHs опосредуют включение возникающих цепей XyG в уже существующие XyG, которые подавляют удлинение клеток [39].Во-вторых, стимулированные ауксином XTH вызывают модификацию полисахаридной сети путем разрезания остова XyG и повторного формирования гликозидных связей между различными цепями XyG в уже существующей сети стенки. XTH-опосредованное разрезание XyGs обеспечивает короткие фрагменты XyG, которые приводят к разрыхлению стенки и способствуют перестройке стенки для удлинения клеток [2,39,178]. Эти короткие фрагменты XyG, как было показано, также мешают передаче сигналов ауксина, что указывает на наличие петли отрицательной обратной связи [179].Степень фукозилирования XyG, по-видимому, также важна для регуляции роста клеточной стенки. После обработки ауксином нерастяющиеся клетки обнаруживают повышенное количество фукозилированных XyG [180]. Было показано, что в отсутствие экзогенного ауксина клетки, содержащие фукозилированный ксилоглюкан, удлиняются [39,179,181]. Интересно, что мутант Arabidopsis с дефицитом ауксина pin -formed1 ( pin1 ) демонстрирует прогрессирующее снижение экспрессии гена XTH9 вдоль стебля соцветия (от верхушки к основанию) [182], что указывает на то, что ауксин может регулировать экспрессию гена XTH9 .Однако ауксин, по-видимому, не влияет на действие XTH во время образования корневых волосков [183].

ЦЕЛЛЮЛАЗЫ гидролизуют глиозидные связи в CMF и участвуют в образовании / регулировании целлюлозы [173]. Ауксин индуцирует активность ЦЕЛЛЮЛАЗЫ, приводя к расщеплению несущих нагрузку цепей гемицеллюлозы, которые связывают соседние CMF, и расщеплению целлюлозных цепей. CELLULASEs модифицируют взаимодействия между CMF и XyG, деполимеризуют цепи XyG, производя короткие олигосахариды [3,173], и способствуют разрыхлению и растяжимости стенок [175].В удлиненных стеблях гороха обработка ауксином индуцирует активность CELLULASE, которые гидролазируют сеть XyG целлюлоза, что приводит к высвобождению связанных со стенкой XyG и их деградации [184].

3,6. Метилестерификация пектина и ее последствия для разрыхления стенки

Ауксин вызывает низкий pH, который активирует пектинметилэстеразу (PME) ((Ac)) и ингибирует PME INHIBITOR (PMEI). PME проводят случайную деметилэстерификацию изначально гомогенных HG. Затем гетерогенные HG деацетилируются с помощью пектинацетилэстеразы (PAE), нейтрализуя остатки галактуронила, блокируя их взаимодействие с ионами кальция.Наконец, ПЕКТАТНЫЕ ЛИАЗЫ (PLs) [185] и ПОЛИГАЛАКТУРОНАЗЫ (PGs) [186,187] деполимеризуют пектиновые цепи, что приводит к ослаблению стенок. В качестве ферментов, деполимеризующих пектин, PL и PG обеспечивают короткие продукты HG, называемые олигогалактуронидами (OGA) [98], которые представляют собой небольшие сигнальные молекулы стенки, которые действуют как потенциальные лиганды, связывающиеся с мембранными рецепторами WALL ASSOCIATED KINASE (WAK) [2 188 189 190]. Обработка OGA ингибирует удлинение стебля гороха, индуцированное ауксином [191], и, кроме того, экзогенно применяемые OGA снижают ауксиновый ответ и образование придаточных корней, вызванное ауксином, в Arabidopsis и табаке, что указывает на то, что OGA могут регулировать ответы на ауксин [190, 192].Соответственно, растения табака, экспрессирующие грибковые PG (деполимеризующие HG и обеспечивающие OGA), проявляют пониженную чувствительность к ауксину [193]. OGA также участвуют в производстве пероксида водорода (H ₂ O ₂ ) [194].

Перекись водорода представляет собой тип активных форм кислорода (АФК), который также включает супероксид-анионы (активные анионы кислорода) (O ^— ₂ ) и гидроксильные радикалы (нейтральная форма гидроксид-иона OH ^—) ( • OH), которые вырабатываются в процессе метаболизма, развития и защиты растений от патогенов.Хотя АФК вызывают повреждение клеток, и их уровни должны строго контролироваться антиоксидантным действием, они также играют ряд важных ролей, таких как передача сигналов в клетке и структура клеточной стенки [195]. Ауксин-индуцированные ПМЭ активируют никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН) оксидазы плазматической мембраны ((Ad)) [2], которые опосредуют транспорт супероксид-анионов к клеточной стенке, где они превращаются в перекись водорода. ПЕРОКСИДАЗЫ — это ферменты, присутствующие в клеточных стенках в изобилии ((Ac)), которые используют перекись водорода и / или супероксид-анионы в качестве субстратов для катализа реакции с образованием гидроксильных радикалов.Эти различные ROS вызывают разрушение полимера, что приводит к разрыхлению стенок во время опосредованного ауксином расширения клеток [196,197,198]. Было высказано предположение, что ауксин стимулирует высвобождение супероксид-анионов и гидроксильных радикалов, что приводит к удлинению клеток [199]. Более того, индуцирование продукции гидроксильных радикалов вызывает увеличение растяжимости стенок, что указывает на их роль в индукции роста клеток. С другой стороны, индукция супероксид-анионов вызывает ингибирование индуцированного ауксином роста [199].

Активность белков разрыхления стенок (EXP) и ферментов, таких как XTH, CELLULASE и PME, приводит к скольжению и раздвижению CMF ((Be)) [2,64,160,200]. Рыхление в стене способствует ее увлажнению и набуханию. Затем увеличивается пористость стенок, создавая физическое пространство для вновь синтезированных полисахаридов и белков, которые поступают через везикулы ((Bh)). Возникающие стеновые композиты выделяются на стенку и интегрируются в существующую сеть полисахаридов благодаря модификации взаимодействий полисахаридов посредством ферментативного гидролиза, лигирования и сшивания.Новые полисахариды необходимо добавлять, чтобы компенсировать растяжение и истончение стенок, чтобы избежать их разрушения. Площадь поверхности клеточной стенки увеличивается, и стенка необратимо удлиняется, что приводит к релаксации стенки и замедлению роста [59,102,103,201,202]. После того, как клеточная стенка расширяется, информация от стенки передается обратно в цитозоль. Удлинение и расслабление стенки растягивают плазматическую мембрану и запускают открытие кальциевых каналов, что приводит к притоку кальция в цитозоль ((Bf)).Накопление цитозольного кальция ингибирует протонные насосы H ⁺ -АТФазы ((Bg)) и стимулирует приток H ⁺ к клетке, вызывая защелачивание апопласта [2,203,204,205].

3,7. Сшивание полисахаридов стенки

В среде со щелочной стенкой PME проводят деметилэстерификацию HG ((Bi)). Затем PAE деацетилируют HG, делая их доступными для сшивания кальция, что приводит к уплотнению пектина [98]. PME также модифицируют метильные группы в HG, что индуцирует сшивание полисахаридов и белков (EXT).Это взаимодействие вызывает обезвоживание и уплотнение стенок, уменьшая растяжимость и рост [206,207,208,209,210,211,212,213,214]. Гидратация клеточной стенки также регулируется такими ферментами, как β-галактозидазы (например, MUCILAGE-MODIFIED2 (MUM2) или SALT-OVERLY SENSITIVE5 (SOS5)), которые необходимы для надлежащей гидратации слизи семян. Слизь мутанта mum2 Arabidopsis содержит повышенный уровень галактоз, что приводит к дефектам гидратации [2,215,216,217]). АФК также предлагаются для сшивания полисахаридов стенки или удаления атомов водорода из полисахаридов, изменяя свойства клеточной стенки ((Bj)).Вместе с PME, ROS способствуют обезвоживанию и укреплению стенок, что замедляет рост ((Ck)) [3,204,218,219,220,221]. Однако Cosgrove (2005) [3] обсуждает доказательства того, что ROS играют только второстепенную роль в расширении клеточной стенки, будучи ответственными только за 1% расширения. Растущие клетки производят очень низкие количества АФК из-за того, что более высокие концентрации АФК могут вызывать повреждение клеток.

Странная наука: пенициллин и клеточная стенка

Современные врачи часто прописывают антибиотики, чтобы помочь людям бороться с инфекциями.Одним из первых открытых антибиотиков был пенициллин. Пенициллин был впервые использован для лечения бактериальных инфекций в 1942 году и получен из гриба Penicillium sp. При использовании в качестве антибиотиков пенициллин действует по очень специфическому механизму. Пенициллин препятствует выработке молекулы, называемой пептидогликаном. Молекулы пептидогликана образуют прочные связи, которые придают прочность бактериальным клеткам, а также предотвращают утечку из цитоплазмы. Почти каждая бактерия имеет клеточную стенку пептидогликана.

Состав клеточной стенки различается в зависимости от типа организма, поэтому пенициллин не влияет на другие организмы. Клеточные стенки растений, например, сделаны из целлюлозы. Клеточные стенки водорослей очень разнообразны. Стенки клеток водорослей могут быть сделаны из целлюлозы, ксилана, диоксида кремния, каррагинана или множества других материалов. Клеточные стенки большинства грибов состоят из хитина. Состав клеточной стенки архей более разнообразен.

Внутри бактерий существует два типа клеточных стенок бактерий. Грамположительные бактерии имеют пептидогликановый слой на внешней стороне клеточной стенки. Грамотрицательные бактерии имеют пептидогликан между мембранами. Пенициллин лучше всего действует на грамположительные бактерии, подавляя выработку пептидогликана, делая клетки неплотными и хрупкими. Клетки лопаются, и иммунной системе намного легче разрушиться, что помогает больному быстрее выздоравливать. Клетки человека не содержат пептидогликан, поэтому пенициллин нацелен на бактериальные клетки.

Другие антибиотики нацелены на различные молекулы, которые подавляют рост бактерий, оставляя клетки человека неповрежденными. Сульфамидные антибиотики нацелены на определенный фермент, который подавляет рост бактерий. Тетрациклиновые антибиотики связываются с бактериальными рибосомами, которые отвечают за производство белка и подавляют синтез бактериального белка. Ципрофлоксацин, один из сильнейших антибиотиков, атакует репликацию ДНК бактерий, не затрагивая клеточную ДНК человека.

Антибиотики очень специфичны для определенной бактериальной функции и не помогают при лечении небактериальных заболеваний. На вирусы не действуют антибиотики, потому что у них нет пептидогликановых клеточных стенок или рибосом, и они не реплицируют свою собственную ДНК.

Бактерии могут стать устойчивыми к антибиотикам в процессе отбора и эволюции. Пенициллин убивает большинство бактериальных клеток, но не все. Бактерии, устойчивые к действию антибиотика, остаются, но в небольшом количестве они могут быть устранены из организма иммунной системой.Важно закончить прием всех назначенных антибиотиков, чтобы иммунной системе не приходилось так усердно бороться с инфекцией. Незавершенные курсы антибиотиков и чрезмерное использование антибиотиков также привели к увеличению числа устойчивых к антибиотикам бактерий.

Как антибиотики убивают клетки бактерий, но не клетки человека?

Гарри Мобли, заведующий кафедрой микробиологии и иммунологии Медицинской школы Мичиганского университета, дает такой ответ.

Чтобы быть полезными при лечении инфекций человека, антибиотики должны избирательно воздействовать на бактерии для уничтожения, а не на клетки своего хозяина-человека. Действительно, современные антибиотики действуют либо на процессы, уникальные для бактерий, такие как синтез клеточных стенок или фолиевой кислоты, либо на специфические для бактерий мишени в рамках процессов, общих как для бактериальных, так и для человеческих клеток, включая репликацию белка или ДНК. . Ниже приведены некоторые примеры.

Большинство бактерий производят клеточную стенку, которая частично состоит из макромолекулы, называемой пептидогликаном, которая сама состоит из аминосахаров и коротких пептидов.Человеческие клетки не производят пептидогликан и не нуждаются в нем. Пенициллин, один из первых широко используемых антибиотиков, предотвращает заключительную стадию перекрестного сшивания или транспептидацию при сборке этой макромолекулы. В результате получается очень хрупкая клеточная стенка, которая лопается, убивая бактерии. Человеку-хозяину не причиняется никакого вреда, потому что пенициллин не подавляет биохимические процессы, происходящие внутри нас.

Бактерии также можно выборочно уничтожать, воздействуя на их метаболические пути. Сульфонамиды, такие как сульфаметоксазол, похожи по структуре на парааминобензойную кислоту, соединение, необходимое для синтеза фолиевой кислоты.Все клетки нуждаются в фолиевой кислоте, и она может легко диффундировать в клетки человека. Но витамин не может проникать в бактериальные клетки, и поэтому бактерии должны вырабатывать свои собственные. Сульфамидные препараты, такие как сульфаниламиды, ингибируют важный фермент — дигидроптероатсинтазу — в этом процессе. Как только процесс остановлен, бактерии больше не могут расти.

Другой вид антибиотиков — тетрациклин — также подавляет рост бактерий, останавливая синтез белка. И бактерии, и люди осуществляют синтез белка в структурах, называемых рибосомами.Тетрациклин может проникать через мембраны бактерий и накапливаться в высоких концентрациях в цитоплазме. Затем тетрациклин связывается с одним участком рибосомы — 30S (меньшей) рибосомной субъединицей — и блокирует ключевое взаимодействие РНК, которое отключает удлиняющуюся белковую цепь. Однако в клетках человека тетрациклин не накапливается в достаточных концентрациях, чтобы остановить синтез белка.

Аналогичным образом репликация ДНК должна происходить как в бактериях, так и в клетках человека. В каждом случае процесс достаточно отличается, поэтому антибиотики, такие как ципрофлоксацин — фторхинолон, известный своей активностью против бациллы сибирской язвы, — могут специфически воздействовать на фермент, называемый ДНК-гиразой, в бактериях.Этот фермент расслабляет плотно закрученную хромосомную ДНК, тем самым позволяя репликации ДНК продолжаться. Но этот антибиотик не влияет на спирали ДНК человека, и, таким образом, бактерии снова умирают, а хозяин остается невредимым.

Многие другие соединения могут убивать как бактериальные, так и человеческие клетки. Именно избирательное действие антибиотиков против бактерий делает их полезными при лечении инфекций, в то же время позволяя хозяину прожить еще один день.

Мониторинг динамики полисахаридов в клеточной стенке растений | Физиология растений

Все клетки растений окружены сложными стенками, которые играют роль в росте и дифференцировке тканей.Стены обеспечивают механическую целостность и структуру каждой клетке и представляют собой интерфейс с соседними клетками и окружающей средой (Somerville et al., 2004). Клеточные стенки состоят в основном из нескольких полисахаридов, которые можно разделить на три основных класса: целлюлоза, пектины и гемицеллюлозы. В то время как фибриллы целлюлозы синтезируются клетками растений непосредственно на плазматической мембране (ПМ), полисахариды матрикса продуцируются в аппарате Гольджи мембраносвязанными ферментами из нескольких семейств гликозилтрансфераз (Oikawa et al., 2013). После секреции в стенку посредством экзоцитоза структуры нецеллюлозных полисахаридов модифицируются различными апопластными ферментами. Помимо полисахаридов, стенки большинства растительных клеток содержат небольшие количества структурных белков, таких как экстенсины и арабиногалактановые белки.

Клеточные стенки — это динамические образования, а не жесткие и непокорные оболочки, которые могут реконструироваться во время развития растений и в ответ на абиотические и биотические стрессы. Расширение клеток требует отложения дополнительного материала в окружающих первичных стенках, а также реорганизации и разрыхления существующих полимеров, чтобы обеспечить релаксацию стенок и контролируемое расширение (Cosgrove, 2005).Последняя модель структуры первичной стенки предполагает, что целлюлозно-целлюлозные соединения возникают только в ограниченном количестве биомеханических горячих точек, где белковые катализаторы должны действовать избирательно, чтобы инициировать разрыхление стенки (Cosgrove, 2018). В тканях, подвергающихся росту, рециркуляция полисахаридов с помощью набора ферментов может способствовать созданию удлиненных стенок (Barnes and Anderson, 2018). Когда удлинение прекращается, некоторые клетки откладывают толстые вторичные стенки, которые включают дополнительные полисахариды.Многие вторичные стенки пропитаны полифеноллигнином и, таким образом, становятся относительно прочными структурами, которые не пропускают воду и сопротивляются гидролизу.

Динамику стенок растительных клеток традиционно сложно охарактеризовать in muro из-за технических ограничений и структурной сложности их компонентов. В качестве примера структурной сложности пектины могут включать 12 различных сахаров по меньшей мере в 25 гликозидных связях и могут быть дополнительно декорированы метильными, ацетильными или фенольными группами (Atmodjo et al., 2013). Хотя анализ экстрагированных углеводов сыграл важную роль в характеристике стенок (Foster et al., 2010; Pettolino et al., 2012; Carpita and McCann, 2015), они не раскрывают, как полисахариды распределяются по разным слоям клеток или внутри конкретной стенки. . Исторически сложилось так, что для обнаружения полисахаридов в живых растительных клетках было доступно лишь несколько методов, и многие из направленных на стенки зондов обладали широкой специфичностью и / или плохо охарактеризованными мишенями (Wallace and Anderson, 2012).Например, краситель Calcofluor White часто используется для окрашивания клеточных стенок, но он флуоресцирует в присутствии структур β-глюкана из всех трех основных классов полисахаридов (Anderson et al., 2010). Последние технические разработки, такие как идентификация более конкретных зондов, помогли выяснить компоненты клеточной стенки растений.

В этом обновлении мы сосредоточимся на текущих и новых методах мониторинга динамики полисахаридов в клеточной стенке (таблица I).Мы выделяем недавние биологические открытия, полученные с помощью этих методов, обсуждаем ограничения каждого подхода и приводим сводку конкретных зондов, которые могут использоваться для идентификации различных полисахаридных структур in situ (рис. 1; таблица II).

Сравнение передовых методов мониторинга динамики полисахаридов

Сравнение передовых методов мониторинга динамики полисахаридов

Краткое изложение технических преимуществ и ограничений, наряду с ключевыми биологическими наблюдениями, которые обсуждаются в тексте.Для колонки электронной микроскопии ПЭМ или СЭМ указывают точки, характерные для просвечивающей или сканирующей электронной микроскопии, соответственно. R обозначает относительное разрешение метода и находится в диапазоне от дифракционного предела света (+) до атомного разрешения (+++). S обозначает относительную скорость метода (включая типичное время подготовки образца) и колеблется от нескольких дней (+) до простых секунд (+++).

Сравнение передовых методов мониторинга динамики полисахаридов

Краткое изложение технических преимуществ и ограничений, а также ключевых биологических наблюдений, обсуждаемых в тексте. Для колонки электронной микроскопии ПЭМ или СЭМ указывают точки, характерные для просвечивающей или сканирующей электронной микроскопии, соответственно. R обозначает относительное разрешение метода и находится в диапазоне от дифракционного предела света (+) до атомного разрешения (+++). S обозначает относительную скорость метода (включая типичное время подготовки образца) и колеблется от нескольких дней (+) до простых секунд (+++).

Рисунок 1.

Основные классы зондов и ключевые шаги для визуализации полисахаридов клеточной стенки. A, Иллюстрация шагов, необходимых перед микроскопией (представленных увеличительными стеклами) для различных типов зондов. Вторичные антитела (2 ° mAb) коммерчески доступны и должны выбираться на основе конечного применения (электронная или световая микроскопия) и доступного оборудования (например, флуоресцентных фильтров). Зонды в цветных прямоугольниках представлены в виде примеров от B до G. B и C, Участки синтеза полисахаридов стенок семядолей Arabidopsis, экспрессирующие желтые маркеры FP wave_22Y и wave_138Y, соответственно (Geldner et al., 2009). Сигнал FP и собственная флуоресценция хлоропластов показаны с использованием справочных таблиц Orange Hot и Cyan Hot на Фиджи (Schindelin et al., 2012). D — G, структура слизистой оболочки семян арабидопсиса, окрашенных S4B и меченных mAb (CCRC-M36 и Alexa Fluor 488 2 ° mAb). D показывает сегмент целого семени (черный), который контактировал с водой. Единственные четко видимые структуры — это колумеллы (C). Окрашивание S4B выявляет целлюлозные лучи в E, а антитело CCRC-M36 показывает отложение рамногалактуронана в F.Сравнение покрытия G с D демонстрирует полезность красителей и этикеток. Штанги = 25 мкм (B – G).

Рисунок 1.

Основные классы зондов и ключевые шаги для визуализации полисахаридов клеточной стенки. A, Иллюстрация шагов, необходимых перед микроскопией (представленных увеличительными стеклами) для различных типов зондов. Вторичные антитела (2 ° mAb) коммерчески доступны, и их следует выбирать в зависимости от конечного применения (электронная или световая микроскопия) и доступного оборудования (например.грамм. флуоресцентные фильтры). Зонды в цветных прямоугольниках представлены в виде примеров от B до G. B и C, Участки синтеза полисахаридов на стенках семядолей Arabidopsis, экспрессирующие желтые маркеры FP wave_22Y и wave_138Y, соответственно (Geldner et al., 2009). Сигнал FP и собственная флуоресценция хлоропластов показаны с использованием справочных таблиц Orange Hot и Cyan Hot на Фиджи (Schindelin et al., 2012). D — G, структура слизистой оболочки семян арабидопсиса, окрашенных S4B и меченных mAb (CCRC-M36 и Alexa Fluor 488 2 ° mAb).D показывает сегмент целого семени (черный), который контактировал с водой. Единственные четко видимые структуры — это колумеллы (C). Окрашивание S4B выявляет целлюлозные лучи в E, а антитело CCRC-M36 показывает отложение рамногалактуронана в F. Сравнение перекрытия G с D демонстрирует полезность красителей и меток. Штанги = 25 мкм (B – G).

Отобранные зонды для исследования динамики различных полисахаридов стенок растений

Отобранные зонды для исследования динамики различных полисахаридов стенок растений

Дополнительные антитела с известными мишенями, не перечисленными здесь, доступны от PlantProbes (http://plantprobes.net) и CarboSource (https: //www.ccrc.uga. edu / ∼carbosource / CSS_home.html). CBMs, модули связывания углеводов; Kdo, 3-дезокси-d-манно-окт-2-улозоновая кислота; mAb, моноклональное антитело.

Отобранные зонды для исследования динамики различных полисахаридов стенок растений

Дополнительные антитела с известными мишенями, не перечисленными здесь, доступны от PlantProbes (http: // plantprobes.net) и CarboSource (https://www.ccrc.uga.edu/∼carbosource/CSS_home.html). CBMs, модули связывания углеводов; Kdo, 3-дезокси-d-манно-окт-2-улозоновая кислота; mAb, моноклональное антитело.

ЦЕЛЛЮЛОЗА

Визуализация микрофибрилл кристаллической целлюлозы

Микрофибриллы целлюлозы представляют собой агрегаты линейных β-1,4-связанных цепей глюкана, которые стабилизированы внутримолекулярными и межмолекулярными водородными связями в стенках (Notley et al., 2004; McNamara et al., 2015). Для визуализации микрофибрилл в стенке использовались несколько типов методов (Таблица I). Фибриллы целлюлозы первичной стенки были оценены с помощью спектроскопических и дифракционных методов диаметром 3 нм в диаметре (Thomas et al., 2013), тогда как более крупные агрегаты микрофибрилл в диапазоне диаметров от 5 до 10 нм были обнаружены в древесине хвойных пород ( Fernandes et al., 2011). Даже фибриллы диаметром до 40 нм наблюдались с помощью электронной микроскопии с использованием методов замораживания-разрушения (McCann et al., 1990). В настоящее время неясно, какой вклад в эти совокупные оценки вносит материал с вкраплениями матричного полимера. Благодаря такому диапазону размеров микрофибриллы можно наблюдать как с помощью атомно-силовой микроскопии, так и сканирующей электронной микроскопии (Zhang et al., 2016), а также определять их углы и расстояния (Marga et al., 2005). Кристаллическая целлюлоза изначально ориентирована в меристематических клетках случайным образом (McCann et al., 1990), но позже выстраивается в виде параллельных фибрилл, поперечных оси удлинения (Sugimoto et al., 2000). Предполагается, что ориентация микрофибрилл механически ограничивает направление роста клеток, что приводит к анизотропному росту. Параллельные микрофибриллы целлюлозы разделяются во время размножения клеток (Marga et al., 2005), предположительно уступая внутреннему тургорному давлению и разрыхляясь за счет ферментативной модификации полисахаридов соседнего матрикса (Wolf and Greiner, 2012; Cosgrove, 2016). Поскольку диаметр микрофибрилл не уменьшается в процессе удлинения, вероятно, фибриллы не изменяются напрямую.

Мониторинг структуры целлюлозы с помощью молекулярных зондов

В дополнение к целлюлозе, находящейся в форме кристаллических микрофибрилл, некоторые стенки, по оценкам, на ~ 40% состоят из аморфной целлюлозы (Marga et al., 2005). Эту значительную долю целлюлозы невозможно определить с помощью вышеупомянутых инструментов микроскопии и можно только приблизительно оценить спектроскопическими методами. CBM являются мощными зондами для обнаружения присутствия и динамики аморфной целлюлозы (McLean et al., 2002). CBM являются некаталитическими доменами углеводно-активных ферментов и, как полагают, облегчают связывание со специфическими субстратами (Hall et al., 1995). Были идентифицированы множественные целлюлозно-направленные CBM, которые связывают кристаллические или аморфные структуры (Таблица II; McLean et al., 2002). Непрямое иммуномечение срезов растений с помощью His-меченых версий этих CBM (подробный механизм см. На рис. 1A) выявило разнообразие форм целлюлозы в различных клеточных стенках с помощью флуоресцентной микроскопии (Blake et al., 2006) или электронной микроскопии (Ruel et al., 2012). Например, клетки колленхимы содержат первичные стенки с большим содержанием аморфной целлюлозы по сравнению с богатыми микрофибриллами вторичными стенками. CBM также дает подсказки о взаимодействиях полимеров, поскольку частичное ферментативное удаление пектиновых полисахаридов в секциях растений приводит к более интенсивному мечению кристаллической целлюлозы. Это указывает на тесную пространственную близость этих двух классов полимеров (Blake et al., 2006) и было независимо продемонстрировано методом твердотельного ЯМР (Dick-Perez et al., 2012). Однако некоторые зонды могут иметь более широкую специфичность, чем ожидалось. Например, CBM3a — это обычная метка для кристаллической целлюлозы, которая также может связывать ксилоглюкан (XyG), ксил-замещенный глюкан (Hernandez-Gomez et al., 2015). Эту проблему можно смягчить путем визуализации стен до и после обработки ксилоглюканазой или с помощью альтернативных зондов (Таблица II).

Флуоресцентные белки (FP) могут быть помечены доменами CBM для прямого анализа структуры полисахарида без вторичных или третичных реагентов, показанных на рисунке 1A.Например, два флуоресцентно меченых CBM сделали возможным двойное мечение кристаллической и аморфной целлюлозы на поверхности растительных волокон после деконструкции биомассы (Gourlay et al., 2015). Такие химерные белковые конструкции потенциально могут быть трансформированы в растения для мониторинга полисахаридов без каких-либо стадий инкубации. Хотя флуоресцентные зонды CBM in vivo могут дать более полное представление о динамике полисахаридов в растущих клетках, необходима осторожность. Например, прямая экспрессия флуоресцентных белков CBM в растениях должна быть тщательно протестирована и оптимизирована, чтобы гарантировать визуализацию целевого полимера без изменения его нативной архитектуры или развития растений.Другой потенциальный недостаток состоит в том, что домен FP может мешать сайту связывания лиганда CBM (Knox, 2012). Независимо от наличия FP-меток связывание CBM или любых других полисахаридных mAb дает ограниченную количественную информацию; эпитоп может быть обнаружен во множестве полимеров, или он может быть замаскирован своими соседями или скрыт измененной конформацией целевого полисахарида (Pattathil et al., 2015). Несмотря на эти проблемы, белковые зонды, такие как CBMs, обеспечивают беспрецедентное представление о наличии полисахаридов стенки.Альтернативно, кристаллическая целлюлоза в живых клетках может быть флуоресцентно окрашена S4B (Fig. 1E; Table II; доступна как Direct Red 23) для мониторинга переориентации микрофибрилл в реальном времени (Anderson et al., 2010). В отличие от Calcofluor White, S4B очень специфичен к целлюлозе.

Микрофибриллы целлюлозы генерируются в PM (рис. 1C) розеточными структурами, содержащими комплексы ферментов множественной целлюлозосинтазы (CESA) и других белковых компонентов (Hill et al., 2014; McFarlane et al., 2014). Считается, что синтез глюкановых цепей с помощью CESA продвигает комплекс через PM, откладывая микрофибриллы целлюлозы на своем пути (McFarlane et al., 2014). Расчетный размер микрофибрилл целлюлозы предполагает, что они производятся розетками CESA, содержащими в общей сложности 18 белков CESA, что было подтверждено на мхе Physcomitrella patens с использованием улучшенного метода электронной микроскопии (Nixon et al., 2016). Ферменты CESA, меченные FP, также были визуализированы в PM живых клеток модельного растения Arabidopsis ( Arabidopsis thaliana ; Paredez et al., 2006). Их движение было использовано в качестве мощного индикатора для оценки скорости и ориентации образования микрофибрилл в подошве. По этой методике синтез целлюлозы во вторичных стенках был значительно быстрее, чем в первичных стенках (Paredez et al., 2006; Wightman et al., 2009; Watanabe et al., 2015). Поскольку определенные элементы цитоскелета также можно визуализировать с помощью mAb или зондов FP, многочисленные элегантные исследования показали, что направление отложения целлюлозы связано с ориентацией микротрубочек (McFarlane et al., 2014).

Флуоресцентно меченые CESA локализуются не только в PM, но также и во внутриклеточных компартментах, таких как аппарат Гольджи и др. Небольшие тела (Crowell et al., 2009). Это могут быть белки, которые проходят через секреторную систему: от эндоплазматического ретикулума, где они синтезируются, до внешней мембраны клетки. В качестве альтернативы, внутриклеточные CESA-содержащие компартменты могут быть результатом эндоцитоза, предположительно для целей рециклинга белков, или предназначены для повторного внедрения в PM в определенных условиях, таких как солевой стресс (Gutierrez et al., 2009). Следовательно, эндомембранный транспорт, вероятно, является ключевым регулятором того, когда и где целлюлоза может генерироваться на поверхности клетки. Это также подчеркивает главное ограничение FP-зондов как прокси для оценки ориентации, направления и синтеза целлюлозных микрофибрилл. Несмотря на то, что CESA можно наблюдать в режиме реального времени, неизвестно, когда белки действительно производят целлюлозу. Этого можно избежать, отслеживая осаждение целлюлозы с помощью нескольких датчиков, в идеале одновременно. Комбинированный анализ локализации FP-CESA, иммуномечения CBM3a и окрашивания S4B в корнях Arabidopsis показал, что целлюлоза откладывается на клеточной пластине раньше, чем считалось ранее (Miart et al., 2014). Удивительно, но меченные FP CESA не локализуются на кончиках удлиненных корневых волосков, где обнаруживаются сигналы S4B и CBM3a (Park et al., 2011). Следовательно, другие белки, вероятно, ответственны за образование этих β-глюканов (Park et al., 2011), и необходимы новые зонды для дальнейшей характеристики их структур и определения того, как они продуцируются.

МАТРИЦА ПОЛИСАХАРИДОВ

В отличие от простых линейных полимеров целлюлозы, матричные полисахариды (такие как пектины и гемицеллюлозы) могут быть разветвленными и замещенными и, как считается, синтезируются в аппарате Гольджи (рис.1Б). После секретирования в стенку полисахариды матрикса структурно модифицируются различными апопластными ферментами, включая гликозилгидролазы и углеводные эстеразы.

Пектины представляют собой структурно сложные полисахариды, которые богаты α-1,4-связанными субъединицами GalA (Atmodjo et al., 2013), такими как гомогалактуронан (HG), рамногалактуронан I (RG I) и RG II, а также ксилогалактуронан. Гемицеллюлоза включает матричные полисахариды, которые можно экстрагировать, используя только щелочь в качестве хаотропного агента (Scheller and Ulvskov, 2010), и, таким образом, включает XyG, ксиланы, маннаны и глюканы со смешанными связями.В отличие от современной догмы о биосинтезе гемицеллюлозы в Golgi, mAb и FP-зонды показывают, что глюканы со смешанными связями собираются в PM (Wilson et al., 2015). Следовательно, образование матричных полисахаридов и их последующее ремоделирование в стенке только начинают изучаться. Молекулярная архитектура матричных полисахаридов была выявлена ​​путем разработки усовершенствованных методов (таблица I) и идентификации зондов со специфическими целевыми эпитопами (таблица II).

Мониторинг пектических сооружений

HG является пектином, наиболее часто встречающимся в первичных стенках, и может быть модифицирован in planta посредством метилэстерификации и ацетилирования. Два других основных пектиновых домена, RG I и RG II, содержат Rha и ковалентно связаны с помощью HG (Atmodjo et al., 2013). Геном Arabidopsis содержит более 170 ферментов, связанных с HG (Sénéchal et al., 2014), хотя точные роли лишь некоторых из них на сегодняшний день охарактеризованы. Статус метилэстерификации HG играет важную роль в различных процессах развития и строго контролируется пектинметилэстеразами (PMEs), ингибиторами PME (PMEI), протеазами Ser субтилизинового типа (SBT) и по крайней мере одной убиквитинлигазой E3 (Levesque-Tremblay et al., 2015). Мутанты с измененной экспрессией этих игроков были охарактеризованы с использованием mAb, направленных против доменов HG с разной степенью метилэстерификации. Некоторые mAb (например, LM19 и 2F4; таблица II) предпочтительно связывают неэтерифицированный или редко метилированный HG, тогда как другие mAb (например, LM20 и JIM7; таблица II) распознают метилэтерифицированный пектин. Использование этих зондов сыграло важную роль в наблюдении за состоянием метилэстерификации HG в клеточных стенках. Иммуномечение в сочетании с просвечивающей электронной микроскопией показало, что HG синтезируется в аппарате Гольджи растений в сильно метилэтерифицированном состоянии, помеченном JIM7, тогда как неэтерифицированные эпитопы GalA практически не обнаруживаются без химической деэтерификации (Zhang and Staehelin, 1992).После отложения в стенке пектин может деэтерифицироваться PMEs особым пространственно-временным образом, что приводит к одной из двух противоположных ролей (Levesque-Tremblay et al., 2015). Области неэтерифицированных остатков GalA могут быть сшиты через ионы Ca ²⁺ (образуя яичные коробки) для увеличения жесткости стенок или расщеплены ферментами, разрушающими пектин (например, полигалактуроназами), чтобы способствовать разрыхлению стенок.

Влияние метилэстерификации ГГ на архитектуру клеточной стенки удобно исследовать в слизистых капсулах, покрывающих семена арабидопсиса (рис.1, Г – Ж). Эта специализированная клеточная стенка содержит более 90% пектина и лишь незначительное количество целлюлозы и гемицеллюлозы (Voiniciuc et al., 2015b). Толстые гидрофильные капсулы слизи могут быть непрямо помечены иммуномечением mAb CCRC-M36 (рис. 1F; таблица II) или быстро визуализированы с помощью RR (таблица II), красителя, который селективно связывается с отрицательно заряженными молекулами, такими как неэтерифицированные области GalA, и совместим как с световой, так и с электронной микроскопией (Hanke and Northcote, 1975). Краситель RR был удобным зондом для идентификации химически мутагенизированных мутантов , модифицированных слизью Arabidopsis (Western et al., 2001) и большое количество природных вариантов Arabidopsis с измененной архитектурой слизистой оболочки (Voiniciuc et al., 2016). Присутствие ионов Ca ²⁺ , которыми можно управлять с помощью различных химических обработок, отрицательно регулирует размер капсул слизистой, окрашенной RR. Например, мутантные семена летающей тарелки1 ( fly1 ) выделяют более мелкие капсулы слизистой, окрашенной RR, при гидратации в воде из-за более низкой степени метилэстерификации пектина и повышенного количества яичных коробок HG, обнаруженных с помощью mAb 2F4 (Voiniciuc et al. al., 2013). Экзогенное добавление ионов Ca ²⁺ дополнительно блокирует способность слизи fly1 к расширению, что согласуется с моделью, согласно которой неэтерифицированные области HG могут образовывать жесткие гели. Напротив, нарушенная архитектура стенки мутанта fly1 была в значительной степени спасена обработкой семян хелаторами катионов (Voiniciuc et al., 2013), которые разрушают поперечные связи Ca ²⁺ между неэстерифицированными цепями HG для облегчения разрыхления. матричных полисахаридов.Подобные кальций-зависимые фенотипы, согласующиеся с моделью яичного бокса HG, наблюдались для двух дополнительных мутантов слизи, участвующих в статусе метилирования HG: sbt1.7 (Rautengarten et al., 2008) и pmei6 (Saez-Aguayo). и др., 2013). В то время как FLY1 регулирует статус метилэстерификации HG посредством убиквитинирования белка в эндомембранной системе, SBT1.7 и PMEI6 ингибируют активность PME непосредственно во внеклеточном матриксе, где присутствует HG.

Тем не менее, новая модель роли HG в размножении клеток постулирует, что пектины с мостиками Ca ²⁺ не так распространены в planta, как считалось ранее (Hocq et al., 2017). Частота появления яиц HG в клеточных стенках могла быть переоценена некоторыми процедурами иммуномечения, что подчеркивает необходимость проявлять осторожность при использовании этих мощных средств. Например, иммуномечение 2F4 поперечных связей яичного бокса требует добавления ионов Ca ²⁺ (Liners and Van Cutsem, 1992) в концентрациях, которые в несколько раз превышают физиологические уровни (Hocq et al., 2017). Следовательно, влияние деметилэстерификации HG на клеточные стенки также следует контролировать с помощью других методов.Атомно-силовая микроскопия (таблица I) использовалась для количественной оценки эластичности стенок в живых меристемах растений дикого типа Arabidopsis, а также в трансгенных линиях, сверхэкспрессирующих ген PME или антагонистический ген PMEI (Peaucelle et al., 2011). В то время как модель яичного ящика предсказывает, что активность PME увеличивает жесткость пектинового матрикса, эксперименты с атомно-силовой микроскопией показали, что деметилэстерификация HG способствует расшатыванию стенок и является предпосылкой для инициации органа (Peaucelle et al., 2011). Следовательно, неэтерифицированный HG в растущих клетках, вероятно, является мишенью для пектин-расщепляющих ферментов, таких как недавно идентифицированные полигалактуронаны, участвующие в размножении клеток (PGX1, PGX2 и PGX3), которые необходимы для развития множества органов Arabidopsis (Xiao et al., 2014, 2017; Rui et al., 2017).

Хотя структура HG обычно визуализируется с помощью моноклональных антител, эти относительно большие зонды могут иметь ограниченную проницаемость и требовать нескольких этапов инкубации, что делает их непригодными для визуализации динамики пектина в реальном времени (рис.1А). Недавно появились зонды со значительно меньшими значениями M _r для мониторинга свойств HG. PI представляет собой непроницаемый для мембран краситель, который конкурирует с ионами Ca ²⁺ за связывание с деметилэтерифицированными пектинами. При использовании в низких концентрациях ИП позволяет визуализировать корневые волоски и пыльцевые трубки арабидопсиса без изменения роста клеток (Rounds et al., 2011). Мутантные пыльцевые трубки с нарушенным экзоцитозом показывают повторяющиеся взрывы кончиков роста в областях клеточной стенки, которые накапливают PI-окрашенный деметилэстерифицированный HG (Synek et al., 2017). Альтернативно, редко метилированный HG может быть помечен в реальном времени флуоресцентно меченным COS (Таблица II), и специфичность этого мечения была протестирована с использованием углеводных микрочипов (Mravec et al., 2014). Последовательное использование зондов COS, связанных с двумя разными флуорофорами, показало, как клетки корневых крышек Arabidopsis накапливают деэтерифицированный HG с течением времени. Недавно другой олигосахаридный зонд, состоящий только из единиц GalA, был использован для постоянного мониторинга распределения сшитого кальцием HG в удлиненных пыльцевых трубках (Mravec et al., 2017). На протяжении роста пыльцевых трубок прочно связанные HG выявлялись только за пределами области роста кончиков, что согласуется с полярной локализацией белков PMEI (Röckel et al., 2008). И PI, и олигосахаридные зонды могут метить HG менее чем за 20 минут, чтобы обеспечить беспрецедентное разрешение динамики HG в живых клетках. Недавно динамику HG визуализировали с помощью COS, конъюгированного с Alexa Fluor 488 (COS ⁴⁸⁸ ), и зондов PI в замыкающих клетках, лишенных или сверхэкспрессирующих полигалактуроназу PGX3 (Rui et al., 2017). Хотя COS ⁴⁸⁸ и PI помечены только частично перекрывающимися областями стенки, они оба подтверждают обратную зависимость между присутствием PGX3 и неэтерифицированным HG. Кроме того, COS ⁴⁸⁸ и PI были более чувствительны для количественной оценки эпитопов GalA в трех измерениях по сравнению с непрямым мечения фиксированных клеток mAb (LM19, LM20 и 2F4; Rui et al., 2017). Следовательно, эти новые зонды являются убедительными альтернативами mAb и должны использоваться в дальнейшем.

После использования химии щелчков для изображения полимеров у животных, грибов и бактерий, модифицированные сахара могут метаболически включаться в стенки клеток растений для визуализации динамики пектина (Anderson and Wallace, 2012). Хотя Fuc является частью нескольких компонентов стенки, было показано, что корни Arabidopsis в первую очередь включают алкинилированный аналог Fuc в высокомолекулярный пектиновый полимер, который, скорее всего, является RG I (Anderson et al., 2012). Поскольку алкинилированный сахар аналога Fuc может быть флуоресцентно помечен непроницаемым для мембран соединением (рис.1А), его можно использовать для идентификации белков, необходимых для поддержания доставки пектина к клеточной стенке. Этот зонд показал, что удлиняющиеся эпидермальные клетки корня, лишенные кинезина FRAGILE FIBER1, включают меньше RG I и неравномерно по сравнению с диким типом (Zhu et al., 2015). Кроме того, синтез и перераспределение другого пектинового полимера теперь можно визуализировать с помощью интерактивного аналога Kdo, моносахарида, уникального для RG II (Dumont et al., 2016). Зонд, производный от Kdo, совместим с другими зондами (например,грамм. алкинилированный аналог Fuc) для одновременного изображения нескольких матричных полисахаридов во время роста корня. Зонды RG I и RG II были обнаружены с помощью катализируемых медью реакций щелчка, которые токсичны для проростков арабидопсиса и могут повредить стенки. Однако недавно были разработаны два альтернативных метода обнаружения клик-совместимых аналогов, не требующих меди, и их можно использовать для изучения долгосрочной динамики внеклеточных гликанов (Hoogenboom et al., 2016).

Динамика гемицеллюлозы в первичной клеточной стенке

XyG представляет собой полисахарид матрикса, широко распространенный в наземных растениях, и представляет собой наиболее распространенную гемицеллюлозу в первичной стенке (Pauly and Keegstra, 2016).Поскольку XyG сшивает микрофибриллы целлюлозы, считалось, что эта сеть формирует основную несущую структуру в растущих клетках и что ее метаболизм играет важную роль в размножении клеток. Однако мутант Arabidopsis xxt1 xxt2 , лишенный детектируемого XyG, обнаруживает лишь незначительные морфологические изменения и дефекты вегетативного роста (Cavalier et al., 2008). Эти наблюдения ставят под сомнение роль XyG в росте расширения. Тем не менее, мутантные растения xxt1 xxt2 обнаруживают лопнувшие корневые волоски (Cavalier et al., 2008), указывая на то, что XyG играет важную роль в росте кончиков.

Паттерн замещения боковой цепи XyG может варьироваться в зависимости от вида растений (Schultink et al., 2014). Однако недавний анализ показал, что структуры XyG могут быть тканеспецифичными (Lampugnani et al., 2013; Dardelle et al., 2015; Liu et al., 2015). Основываясь на химическом анализе образцов ткани наземных растений, фукогалактоXyG обычно обнаруживается во многих эвдикотах, но не в растительных тканях растений филогенетически более молодых видов пасленовых и злаковых (Poaceae).Альтернативным подходом к идентификации фукогалактоXyG на клеточном уровне является использование mAb CCRC-M1 (таблица II), которое было первым mAb, направленным на стенку, с тщательно охарактеризованной эпитопной специфичностью (Puhlmann et al., 1994). FucogalactoXyG, меченный CCRC-M1, был визуализирован в специализированных тканях трав (Brennan and Harris, 2011), в пыльцевых трубках томатов ( Solanum lycopersicum ; Dardelle et al., 2015) и Nicotiana alata (Lampugnani et al. al., 2013) и корневых волосках риса ( Oryza sativa ; Liu et al., 2015). Присутствие этой конкретной формы XyG в тканях, растущих на кончиках, предполагает, что его структура и / или метаболизм важны для роста кончиков или на границе раздела между растением и окружающей средой.

Недавно роль XyG в функции замыкающих клеток устьиц была изучена с помощью конфокальной микроскопии вращающихся дисков живых клеток мутантных клеточных стенок xxt1 xxt2 (Rui and Anderson, 2016). Стенки замыкающих клеток с дефицитом XyG менее способны к продольному расширению во время движения устьиц и обнаруживают нарушенную организацию окрашенной S4B целлюлозы.Мутанты, содержащие точечные мутации в генах CESA , обнаруживают сходные дефекты, а также аберрантное распределение GFP-меченных белков CESA во время движений устьиц (Rui and Anderson, 2016). Хотя структура целлюлозы была визуализирована двумя различными инструментами (краситель S4B и FP-CESA), динамика полимеров XyG при открытии и закрытии устьиц еще предстоит исследовать.

Разработка специальных зондов, совместимых с микроскопией живых клеток, имеет важное значение для мониторинга структуры XyG в динамических контекстах, таких как движения устьиц.Меченные сульфородамином олигосахариды XyG были использованы для визуализации ферментов трансглюкозилазы / гидролазы XyG, которые специфически действуют на удлиняющиеся стенки эпидермальных клеток корня в эпидермальных клетках корня арабидопсиса и табака ( Nicotiana tabacum ) (Vissenberg et al., 2005). Поскольку флуоресцентно меченый XyG был включен в клеточную стенку, этот подход может быть применен в других биологических контекстах. Кроме того, в качестве потенциальных репортеров XyG были синтезированы множественные азидо- или алкинильные аналоги сахара Glc и Xyl (Zhu et al., 2016), но ни один из них не был метаболически включен в корни Arabidopsis. Хотя в другом исследовании было обнаружено производное Glc (6dAG), которое содержится в кончиках корневых волос, этот зонд колокализуется с каллозой, подавляет рост корней и приводит к задержке роста корневых волосков (McClosky et al., 2016). Таким образом, в настоящее время не существует подходящих аналогов для метки гемицеллюлоз. Несмотря на то, что большая часть стеночного Fuc присутствует в фукогалактоXyG (Zablackis et al., 1996), алкинилированный аналог Fuc только помечен как RG I (Anderson et al., 2012). По-видимому, соответствующая XyG: фукозилтрансфераза не способна принимать аналог Fuc в качестве донорного субстрата (Perrin et al., 1999; Rocha et al., 2016), в то время как RG I: фукозилтрансфераза делает. Эти эксперименты подчеркивают одно из текущих ограничений использования химии щелчков или других аналогов сахара для мониторинга динамики стенок. Надеемся, что будущие исследования с различными аналогами сахара преодолеют исключение из метаболических ферментов полимерных стенок.

Динамика ксилана во вторичных клеточных стенках

Ксиланы и маннаны представляют собой два основных класса гемицеллюлоз, которые накапливаются во вторичных стенках растений (Scheller and Ulvskov, 2010) и имеют основу, состоящую в основном из Xyl и Man, соответственно.Динамика маннана еще предстоит детально изучить, хотя в последние годы было получено новое понимание их структурных ролей (Yu et al., 2014; Voiniciuc et al., 2015a). Доступны некоторые mAb-зонды (например, LM21 и LM22; Таблица II), но они не могут связывать ацетилированные формы маннана и не чувствительны к присутствию Glc в основной цепи полимера (Marcus et al., 2010), которая различается по природе. Основным ограничением этих белковых зондов является то, что их доступ к целевым эпитопам может быть сильно замаскирован пектиновым HG (Marcus et al., 2010). Хотя маскирующий HG может быть удален ферментативно перед иммуномечением, было бы полезно разработать зонды, которые преодолевают эти проблемы.

За последние 2 года были разработаны важные инструменты для изучения динамики ксилана. Синтез различных олигосахаридов de novo позволил охарактеризовать ксилан-направленные mAb (Schmidt et al., 2015). В то время как микроматрицы с полисахаридами растений (Moller et al., 2008) или олигосахаридами (Pedersen et al., 2012) были ранее исследованы с помощью mAb (Pattathil et al., 2010), массивы синтетических гликанов обладают исключительной чистотой и облегчают точное картирование эпитопов, распознаваемых молекулярными зондами. Всесторонний скрининг 209 направленных на стену mAb против 88 синтетических гликанов, включая 22 олигосахарида ксилана, выявил специфические эпитопы для 78 зондов, которые ранее не были охарактеризованы (Ruprecht et al., 2017). Это исследование также подтвердило эпитопы нескольких mAb, которые уже были подробно охарактеризованы (Таблица II), такие как специфичность LM28 в отношении ксилана, замещенного GlcA (Cornuault et al., 2015). Поскольку в настоящее время для ацетилированного ксилана нет ни синтетических гликанов, ни специфических mAb (Ruprecht et al., 2017), текущий набор инструментов должен быть расширен, чтобы выявить все разнообразие структур гемицеллюлозы, встречающихся в природе. Например, ксиланы также можно визуализировать напрямую с помощью CBM. CBM15, меченный FP (названный OC15; Таблица II), был разработан в качестве чувствительного зонда для мониторинга полимеров ксилана во время конверсии лигноцеллюлозной биомассы (Khatri et al., 2016), но также может использоваться в planta.

Чтобы преодолеть ограничения зондов и получить более полное представление о взаимодействиях полимеров, твердотельный ЯМР стал мощным методом мониторинга молекулярной архитектуры клеточной стенки растений. Было обнаружено, что ксиланы имеют уплощенную конформацию и тесно связаны с микрофибриллами целлюлозы в стеблях Arabidopsis дикого типа, но не в мутантах с дефицитом целлюлозы (Simmons et al., 2016). Более того, твердотельный ЯМР показал, что для связывания ксилана с целлюлозой в конформации 2-кратного винта важна равномерная картина замещения (Grantham et al., 2017). Роль этих регулярных мотивов также подтверждается масс-спектрометрическим секвенированием и моделированием молекулярной динамики олигомеров ксилана (Martínez-Abad et al., 2017). Замещение ксиланов также можно наблюдать с помощью масс-спектрометрии с использованием матричной лазерной десорбционной ионизации (MALDI), новой методики, в которой используются специфические гликозилгидролазы для картирования вариаций в локализации и структуре полисахаридов. До сих пор этот многообещающий метод использовался только для отслеживания состава и распределения арабиноксилана и глюканов со смешанными связями во время созревания эндосперма у пшеницы ( Triticum aestivum ; Veličković et al., 2014). Однако масс-спектрометрия MALDI может обнаруживать все основные классы полисахаридов клеточной стенки (Westphal et al., 2010) и успешно использовалась для скрининга мутантов Arabidopsis axy с измененными структурами XyG (Gille et al., 2011; Günl et al. , 2011a, 2011b; Günl, Pauly, 2011; Schultink et al., 2015). Следовательно, MALDI в сочетании с микроскопией дает возможность (1) повысить структурное разрешение химической стенки до клеточного уровня и (2) отобразить динамику множественных полисахаридов in situ.Это будет особенно полезно для обнаружения полимеров стенки (например, ацетилированных гемицеллюлоз), которые в настоящее время невозможно обнаружить с помощью существующих зондов (таблица II).

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Передовые методы мониторинга полисахаридов (Таблица I), наряду с эпохой геномики последнего десятилетия, принесли лавину новых данных, касающихся механизмов синтеза и метаболизма клеточной стенки растений. К настоящему времени охарактеризованы многие гены, участвующие в этих процессах.Однако пространственно-временная организация и регуляция синтеза и деградации полимерных стенок, сборка полимерных сетей и динамика сборок стенок во время роста и дифференцировки клеток остаются проблемой (см. Вставку нерешенных вопросов). Идентификация и характеристика новых полисахарид-специфических зондов в сочетании с чувствительными методами прольют свет на эти нерешенные вопросы. Даже классические зонды (например, белки, меченные S4B и FP; таблица II) могут быть визуализированы с повышенной точностью путем очистки тканей растений с использованием новых методов, которые позволяют отказаться от дорогостоящих и трудоемких этапов внедрения и секционирования (Ursache et al., 2018). Хотя разрешение конфокальных микроскопов исторически ограничивалось дифракцией до более 200 нм (Hell, 2007), этот барьер был преодолен в последнее десятилетие, что позволило визуализировать живые клетки растений на наномасштабном уровне (Komis et al., 2018 ). С появлением флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения полисахаридсвязывающие зонды, такие как S4B, потенциально могут быть визуализированы в стенках живых растительных клеток с разрешением, приближающимся к более инвазивным методам, таким как атомно-силовая микроскопия и электронная микроскопия (Таблица I; Liesche et al., 2013). Действительно, новые мембранные зонды теперь могут обнаруживать динамику органелл с пространственным разрешением 50 нм и в течение десятков минут вместо десятков секунд для зондов, меченных FP (Takakura et al., 2017). Безмаркировочная визуализация полисахаридов клеточной стенки растений in situ была бы идеальной, и этому могло бы способствовать дальнейшее развитие таких методов, как масс-спектрометрическая визуализация MALDI. Другие компоненты стены, не упомянутые в этом обновлении, такие как лигнин и структурные белки, могли или уже подвергались мониторингу с использованием аналогичных методов.Таким образом, сейчас самое время изучить динамику разнообразных полимеров клеточной стенки растений.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

Андерсон

CT

Роль растительного белка ALTEREDAN XYL 900 в клеточной стенке Arabucopsis. O -ацетилирование

Plant Physiol

167

1271

1283

Sénéchal

F

Wattier

C

Rustérucci

C

Pelloux

J

2014

Гомогалактуронан, структура, структура ферментов, экспрессия 3 и мод.

J Exp Bot

65

5125

5160

Simmons

TJ

Mortimer

JC

Bernardinelli

OD

Pöppler

AC

Brown

SP

9 deAzevedo Dupree

P

2016

Сворачивание ксилана на фибриллы целлюлозы в стенках растительных клеток, выявленное методом твердотельного ЯМР

Нац Коммуна

7

13902

Somerville

CR

Bauer

S

Brininstool

G

Facette

M

Hamann

T

Osborne

А

Перссон

S

Рааб

Т

2004

К системному подходу к пониманию клеточных стенок растений

Наука

306

2206

2211

Sugimoto

K

Williamson

RE

Wasteneys

GO

2000

Новые методы позволяют проводить сравнительный анализ ориентации микротрубочек, текстуры стенок и скорости роста интактных корней Arabidopsis

Plant Physiol

124

1493

1506

Synek

L

Vuka ¡inović

N

Kulich

I

Hála

M

Aldorfová

K

2017

EXO70C2 является ключевым регуляторным фактором для оптимального роста кончиков пыльцы

Plant Physiol

174

223

240

Takakura

H

Zhang

Y

Erdmann

RS

Thompson

AD

Lin

Y

000 F0002000 R

,

Uno

SN

Kamiya

M

Urano

Y

2017

Длительная покадровая наноскопия со спонтанно мигающими мембранными зондами

Nat Biotechnol

35

773

780

Thomas

LH

Forsyth

VT

Sturcová

A

Kennedy

CJ

May

RP

DC

CM

TJ

Jarvis

MC

2013

Структура микрофибрилл целлюлозы в первичных клеточных стенках из колленхимы

Plant Physiol

161

465

476

Ursache

R

Andersen

TG

Marhavý

P

Geldner

N

2018

Протокол окрашивания

Завод J

93

399

412

Величкович

D

Ropartz

D

Guillon

F

Saulnier

L

Rogniaux

H

) полисахариды клеточной стенки во время развития зерна пшеницы, как было выявлено с помощью масс-спектрометрии MALDI

J Exp Bot

65

2079

2091

Verhertbruggen

Y

Marcus

SE

Haeger

A

Ordaz-Ortiz

JJ

Knox

Анональные антитела

JP

2009

Углеводородный остаток

344

1858

1862

Vissenberg

K

Fry

SC

Pauly

M

Höfte

H

Verbelen

JP

2005 9000 TH на интерфейсе mic) удлинение ячейки

J Exp Bot

56

673

683

Voiniciuc

C

Dean

GH

Griffiths

JS

Kirchsteiger

K

Hwang

GH

GH

GH

Western

TL

Estelle

M

Haughn

GW

2013

Flying saucer1 представляет собой трансмембранную убиквитинлигазу RING E3 в семенах RING E3, которая регулирует степень9 пектиновой муцитопсии.

Растительная ячейка

25

944

959

Войничук

C

Schmidt

MHW

Berger

A

Yang

B

Ebert

B

0003 Usadel

B

Günl

M

2015

СВЯЗАННЫЙ С СМЕСИ 10 продуцирует галактоглюкоманнан, который поддерживает структуру пектина и целлюлозы в слизи семян арабидопсиса

Plant Physiol

169

403

420

Войничук

C

Ян

B

Schmidt

MH

Günl

M

Usadel

B

2015 )

Начало гелеобразования: как клетки эпидермиса оболочки семян арабидопсиса продуцируют специализированные вторичные клеточные стенки

Int J Mol Sci

16

3452

3473

Войничук

C

Zimmermann

E

Schmidt

MHW

Günl

M

Fu

L

North

2016

Обширная естественная изменчивость структуры слизистой оболочки семян Arabidopsis

Фронтальный завод Sci

7

803

Wallace

IS

Anderson

CT

2012

Низкомолекулярные зонды для визуализации полисахаридов клеточной стенки растений

Фронтальный завод Sci

3

89

Watanabe

Y

Meents

MJ

McDonnell

LM

Barkwill

S

Sampathkumar

A

000

DW

Samuels

AL

Mansfield

SD

2015

Визуализация целлюлозосинтаз во вторичных клеточных стенках Arabidopsis

Наука

350

198

203

Western

TL

Burn

J

Tan

WL

Skinner

DJ

Martin-McCaffrey

L

Moffatt

BA2000 Moffatt

BA2000 Moffatt

BA2000 (

2001

Выделение и характеристика мутантов, дефектных по развитию секреторных клеток слизистой оболочки семян Arabidopsis

Plant Physiol

127

998

1011

Westphal

Y

Schols

HA

Voragen

AGJ

Gruppen

H

2010

MALDIcha-TOF дигитайзер клеточных стенок MS и CE-LIF. инструмент для скрининга мутантов клеточной стенки Arabidopsis

J Agric Food Chem

58

4644

4652

Wightman

R

Marshall

R

Turner

SR

2009

Компартмент, содержащий синтазу целлюлозы, быстро перемещается под участками вторичного синтеза стенки

Физиология растительных клеток

50

584

594

Wilson

SM

Ho

YY

Lampugnani

ER

Van de Meene

AML

Bain

MP

Bacic

2015

Определение субклеточного местоположения синтеза и сборки полисахарида (1,3; 1,4) -β-d-глюкана клеточной стенки в травах

Растительная ячейка

27

754

771

Wolf

S

Greiner

S

2012

Контроль роста с помощью пектинов клеточной стенки

Protoplasma

Suppl 2

249

S169

S175

Xiao

C

Barnes

WJ

Zamil

MS

Yi

H

Puri

VM

Anderson Activation

CT3 ПОЛИГАЛАКТУРОНАЗА Arabidopsis, УЧАСТВУЮЩАЯ В РАСШИРЕНИИ2, способствует удлинению гипокотиля, расширению листьев, одревесанию стебля, механическому усилению жесткости и полеганию

Завод J

89

1159

1173

Сяо

C

Somerville

C

Андерсон

CT

2014

ПОЛИГАЛАКТУРНАЗА, УЧАСТВОВАННАЯ В РАСШИРЕНИИ1 функций в удлинении клеток и развитии цветков Arabidopsis 19

Растительная ячейка

26

1018

1035

Yu

L

Shi

D

Li

J

Kong

Y

Yu

Y

Chai

G

Hu

Hu

Wang

J

Hahn

MG

Zhou

G

2014

СИНТАЗА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ A2, глюкоманнановая синтаза семян, участвует в поддержании структуры адгезивной слизи Arabid

Plant Physiol

164

1842

1856

Zablackis

E

York

WS

Pauly

M

Hantus

S

Reiter

WD

000 CC, Альбхейм

000 CC

000 CC

A

1996

Замена L-фукозы на L-галактозу в клеточных стенках Arabidopsis mur1

Наука

272

1808

1810

Zhang

GF

Staehelin

LAS

1992

Функциональная компартментация аппарата Гольджи растительных клеток: иммуноцитохимический анализ замороженных и замороженных под высоким давлением клеток суспензионной культуры клена явора

Plant Physiol

99

1070

1083

Zhang

T

Zheng

Y

Cosgrove

DJ

2016

Пространственная организация целлюлозных микрофибрилл и матричных полисахаридов в первичных клеточных стенках растений, полученная с помощью многоканальной микроскопии

Завод J

85

179

192

Zhu

C

Ganguly

A

Baskin

TI

McClosky

DD

Anderson

CT

000 Koster

000

000

A Foster