Interação molecular entre celulose e hemiceluloses e suas implicações biologicas e tecnologicas

Orientador : Marcos Silveira Buckeridge Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: As hemiceluloses são polissacarídeos que representam um dos componentes da parede celular vegetal e estão intimamente associados à celulose, definindo as propriedades estruturais na parede além de desempenhar funções na regulação do crescimento e desenvolvimento das plantas. Os xiloglucanos (Xg) e os galactomananos são hemiceluloses presentes tanto em parede primária (função estrutural) como em parede de reserva em sementes de algumas espécies (função de reserva). A interação entre celulose e as hemiceluloses pode ser analisada in vitro, possibilitando o estudo e a caracterização dos fatores que atuam sobre esta interação, consequentemente, tornando-se uma ferramenta importante para a compreensão de como o metabolismo e a arquitetura da parede são controlados. Em vista disto, este trabalho teve como objetivos: 1) analisar o efeito de variações na estrutura fina do xiloglucano (diferentes graus de ramificação com galactose e fucose) sobre sua capacidade de interação com celulose; 2) analisar o efeito do tamanho da molécula sobre a capacidade e sobre a energia envolvida nos processos de adsorção e 3) com base na capacidade de interação com celulose, avaliar o potencial das hemiceluloses (xiloglucano e galactomanano) como aditivos para o incremento das propriedades físicas do papel. Os resultados mostraram que, tanto o grau de ramificação como o tamanho da molécula afetam a interação entre Xg e celulose. Enquanto o grau de galactosilação e fucosilação estão relacionados com a força de ligação entre os polissacarídeos, o tamanho da molécula do Xg afeta a sua capacidade (quantidade) de interação à celulose, consequentemente a auto-interação. Estes dados sugerem que, a ausência da fucose nos Xgs de reserva, associada a sua provável síntese a partir de fragmentos de baixo peso molecular, possibilitariam a ligação (de baixa energia) entre as moléculas, permitindo tanto um eficiente empacotamento, como o fácil acesso às enzimas e expansinas durante o processo de desmonte e mobilização das reservas. As regiões fucosiladas do Xg estariam associadas àquelas regiões da parede primária sob maior pressão (alongamento, turgor), ou ainda, na manutenção da arquitetura da parede de reserva em tecidos de sementes que acumulam tais polissacarídeos. Do ponto de vista tecnológico, o uso das hemiceluloses (xiloglucano e galactomanano) são potenciais produtos alternativos para o incremento das propriedades mecânicas do papel Abstract: Hemicelluloses are polysaccharides present in plant cell wall that are specifically associated to cellulose. They are related to the structural properties of the wall and act on the regulation of plant growth and development. Xyloglucans (Xg) and galactomannans are hemicelluloses present in primary cell walls, where they have a structural function and in secondary cell walls (as storage polysaccharides) of seeds of some dicotyledonous species. Results of in vitro experiments can be used as important tools to understand how cell wall metabolism and architecture are controlled. In this work, we had the following objectives: 1) to evaluate the effect of variations of the fine structure of Xg (degree of galactosylation and fucosylation) on its binding capacity to cellulose; 2) to analyse the effect of molecular weight of Xg on binding and energy involved in adsorption processes and 3) to assess the potential of hemicelluloses (Xg and galactomannan) as wet-end additives in order to improve the mechanical properties of paper sheets. Our results showed that both the branching degree and the molecular weight of Xg molecules affected the interaction with cellulose. The strength of binding to cellulose was related with the degree of galactosylation and fucosylation. H oweve r, the Xg molecular weight strongly affected its binding capacity (amount) and possibly its capacity of self-association. These data suggest that the absence of fucose in storage Xgs, associated to its biosynthesis as low molecular weight fragments, would allow the low energy binding among the molecules thus affording a rather efficient packing of the polymers in the case of the storage wall. It would also facilitate the access of the hydrolases (and maybe expansins) during the period of storage mobilisation. On the other hand, the fucosylated regions, characteristic of primary cell walls of growing tissues, would be associated with regions of the wall under higher pressure. From the biotechnological point of view, the hemicelluloses (Xg and galactomannan) are potential alternative products to be used to improve the mechanical properties of paper Doutorado Doutor em Biologia Vegetal