La pared celular es la primera estructura observada por los humanos bajo un microscopio. Cuando Robert Hooke observó rodajas de corcho bajo su microscopio óptico hecho por él mismo en 1665, vio habitaciones ordenadas como un panal. Estas eran en realidad las células del xilema de plantas que ya habían muerto. Las paredes de las habitaciones son las paredes celulares de las plantas.
Son una de las características significativas que distinguen las células vegetales de las células animales. Son una estructura rígida que rodea la membrana plasmática de la planta cuyos componentes principales son polisacáridos: celulosa, hemicelulosa y pectina. Las plantas leñosas también tienen lignina para aumentar la dureza y resistir la compresión.
Pared celular primaria, lámina media, pared celular secundaria
Los componentes sintetizados anteriormente están más alejados de la membrana plasmática. La capa formada más tempranamente es la lámina media rica en pectina que es compartida por las células adyacentes. Cuando la pectina se une al agua, se vuelve tan pegajosa como el pegamento, por lo que las células adyacentes están pegadas entre sí. La pared celular primaria es la segunda región en crearse. Las células vegetales jóvenes y algunas maduras tienen paredes celulares primarias muy delgadas y flexibles. Su forma cambia cuando el crecimiento celular. La característica más notable es que la celulosa está dispuesta en una dirección específica y regula la orientación del crecimiento celular. Si la célula vegetal es un cilindro, la celulosa es como la cuerda que las ata. La célula vegetal joven es difícil de ensanchar, pero es fácil de alargar. La pared celular primaria se expande lentamente para acomodar las células que crecen gradualmente. Los polisacáridos son su componente principal: celulosa (15%~30%), hemicelulosa (20%~30%) y pectina (30%~40%).
Cuando algunas células maduran (como los tejidos que transportan agua y nutrientes o que proporcionan soporte), desarrollan una pared celular secundaria entre la pared celular primaria y la membrana plasmática para agregar fuerza extra y evitar que la célula se agrande. Sus componentes principales son más celulosa y derivados de hidrocarburos aromáticos como la lignina. Están divididos en múltiples capas. La celulosa en cada capa está dispuesta en una dirección diferente para dificultar el crecimiento celular. Las paredes celulares secundarias muy gruesas almacenan una cantidad considerable de energía solar y carbono fijado por la planta. La mayor parte de la masa está concentrada aquí. Las plantas en la Tierra sintetizan 100 mil millones de toneladas de celulosa y 20 mil millones de toneladas de lignina anualmente.
Componentes y estructura de la pared celular
Celulosa
No importa qué tipo de pared celular, la celulosa es el componente y estructura central. Cientos a miles de glucosas están unidas entre sí por enlaces glucosídicos β-1,4 para formar una cadena larga, no ramificada y recta. Cada cadena contiene muchos grupos hidroxilo que son clave para la formación de enlaces de hidrógeno. Alrededor de una docena de cadenas de celulosa están conectadas a través de estos enlaces de hidrógeno y dispuestas en paralelo para formar microfibrillas cuya longitud es de unos pocos micrómetros y cuya resistencia a la tracción es comparable a la del acero. Están dispuestas de manera tan ordenada y compacta que forman regiones cristalinas. Múltiples microfibrillas de celulosa se agrupan para formar macrofibrillas más gruesas.
Hemicelulosa y pectina
La hemicelulosa es un polisacárido polimerizado a partir de varios monosacáridos (xilosa, glucosa, manosa, etc.). Son un tipo de polisacárido lineal, pero la cadena principal es más corta que la celulosa y tiene algunas pequeñas cadenas laterales. Los huecos entre las microfibrillas de celulosa están llenos por ellas, y las microfibrillas adyacentes están unidas por ellas mediante enlaces de hidrógeno. La fuerza mecánica y la rigidez de la pared celular se ven mejoradas por ellas.
La pectina es un polisacárido compuesto por ácido galacturónico y otros monosacáridos. Tienen carga negativa y son ramificadas, lo que es similar al glucosaminoglicano en los animales. Por lo tanto, el agua es absorbida por ellas para formar geles hidratados. La pectina abunda en la lámina media y la pared celular primaria. La función principal es promover la adhesión celular y llenar los huecos entre las microfibrillas. Las microfibrillas están incrustadas en el gel hidratado e interactúan con la pectina a través de enlaces de hidrógeno. Esto no solo hace que la pared celular sea resistente sino que también resista la presión externa.
La lignina es un compuesto aromático
La lignina reemplaza a la pectina para llenar los huecos entre las celulosas en las paredes celulares secundarias donde la pectina está casi ausente. El anillo de benceno está ubicado en el núcleo. Sus cadenas laterales están unidas covalentemente para crear una red tridimensional que mejora enormemente la fuerza y la dureza. Por lo tanto, en el mundo macroscópico, el pasto es blando y la madera es muy dura para resistir la compresión y la flexión. Incluso todo el árbol puede ser sostenido por ellas.
El sistema π aromático estable hace que la lignina sea resistente a la degradación química y biológica, incluyendo patógenos y climas extremos. Es por eso que la madera tarda años o incluso décadas en degradarse por completo en la naturaleza.
En las plantas leñosas, la lignina representa el 18%-35% de la masa de la madera. La proporción en las coníferas (plantas coníferas) alcanza el 25%-35%. Hay un 18% a 30% de lignina en las maderas duras (plantas leñosas con flores). Son más duras porque la estructura celular es más compleja y no depende únicamente de la lignina. La estrategia de supervivencia en las plantas herbáceas es el crecimiento y la reproducción rápidos, en lugar de invertir en sustancias a largo plazo como la lignina. Esta estrategia determina la suavidad del tallo. Es decir, las plantas herbáceas también contienen lignina, pero la cantidad es significativamente menor. El contenido promedio es de aproximadamente 10-15%. El bambú es una excepción. Aunque se clasifica como hierba, vive durante décadas. Por lo tanto, tienen tallos tan duros como la madera (15%-25%).