Структурный полиморфизм целлюлозы в первичных клеточных стенках растений: исследование методом высокопольной двумерной твердотельной ЯМР-спектроскопии и расчётов в рамках теории функционала плотности

Структура нативной целлюлозы бактериального, водорослевого и животного происхождения подробно изучена методами рентгеновской и нейтронной дифракции, а также твердотельной ЯМР-спектроскопии. Известно, что она состоит в различных пропорциях из двух алломорфов — Iα и Iβ, различающихся характером водородных связей, упаковкой цепей и локальной конформацией. В отличие от этого структура целлюлозы в первичных клеточных стенках растений изучена значительно хуже из-за более низкой кристалличности растительной целлюлозы и её многочисленных взаимодействий с матричными полисахаридами. В настоящей работе для получения подробной информации о структурном полиморфизме и пространственном распределении целлюлозы в первичных клеточных стенках растений сочетали двумерную твердотельную ЯМР-спектроскопию с вращением под магическим углом в условиях высокого магнитного поля с расчётами в рамках теории функционала плотности. В двумерных корреляционных спектрах 13C–13C клеточных стенок нескольких модельных растений с равномерной меткой 13C были разрешены семь наборов химических сдвигов целлюлозы. Пять из них (обозначенные a–e) соответствовали целлюлозе во внутренней части микрофибриллы, а два (f и g) — поверхностной целлюлозе. Важно, что химические сдвиги 13C у большей части внутренней целлюлозы существенно отличались от химических сдвигов 13C алломорфов Iα и Iβ, что указывает на различия конформации, упаковки и водородных связей целлюлозы в первичных клеточных стенках растений и целлюлозы других организмов. Двумерные эксперименты по корреляции 13C–13C с длительным временем смешивания и переносом поляризации от воды позволили установить пространственное распределение этих структур целлюлозы и их взаимодействие с матричными полисахаридами. Целлюлозы f и g представлены тесно перемешанными цепями на поверхности микрофибриллы; целлюлозы a и b — внутренними цепями, находящимися в молекулярном контакте с поверхностными цепями; целлюлоза c располагается в ядре микрофибриллы, вне зоны контакта с поверхностью, обеспечиваемого спиновой диффузией. Примечательно, что целлюлоза d, химические сдвиги которой сильнее всего отличаются от таковых у целлюлозы бактериального, водорослевого и животного происхождения, взаимодействует с гемицеллюлозой, плохо гидратирована и служит мишенью белка экспансина при разрыхлении клеточной стенки. Для получения информации о конформации гидроксиметильной группы C6 этих форм растительной целлюлозы были рассчитаны химические сдвиги 13C в рамках теории функционала плотности с использованием кристаллических структур Iα и Iβ в качестве шаблонов и варьированием торсионного угла C5–C6. Сопоставление с экспериментальными химическими сдвигами показало, что все формы внутренней целлюлозы преимущественно принимают конформацию tg, однако целлюлоза d также обладает сходной склонностью к конформации gt. Полученные результаты свидетельствуют, что целлюлоза в первичных клеточных стенках растений вследствие взаимодействия с матричными полисахаридами образует полиморфные структуры, которые не сводятся к простой комбинации алломорфов Iα и Iβ, и тем самым отличается от целлюлозы бактериального и животного происхождения.