Αλληλεπιδράσεις μεταξύ βορίου και φαινολικών συστατικών στα κυτταρικά τοιχώματα

Abstract

Το βόριο υπό τη μορφή του βορικού οξέος εντοπίζεται σε όλα τα κυτταρικά υποδιαμερίσματα, ωστόσο οι μεγαλύτερες ποσότητες του στοιχείου συμμετέχουν σε διεστερικά σύμπλοκα στο πηκτινικό κλάσμα του κυτταρικού τοιχώματος σχηματίζοντας διμερή αλυσίδων ραμνογαλακτουρονάνης ΙΙ μέσω των καταλοίπων απιόζης των πλάγιων αλυσίδων του παραπάνω πηκτινικού πολυμερούς. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η υπόθεση σύμφωνα με την οποία το βορικό οξύ μπορεί να συμμετάσχει σε σύμπλοκα στα οποία ο ένας υποκαταστάτης παραμένει η απιόζη της ραμνογαλακτουρονάνης ΙΙ ενώ ο άλλος είναι μόριο χαμηλού μοριακού βάρους με κατάλληλη μοριακή δομή. Με τον τρόπο αυτό, μόρια όπως φαινολικά συστατικά με δομή ορθο-δι-φαινόλης μπορούν να προσδεθούν στο κυτταρικό τοίχωμα. Πειράματα με ένα φαινολικό συστατικό της παραπάνω δομής, το καφεϊκό οξύ, έδειξαν ότι σχηματίζει αυθόρμητα σταθερά σύμπλοκα με το βορικό οξύ και ότι το ποσοστό των συμπλοκοποιημένων μορίων μπορεί να εκτιμηθεί μέσω της βαθυχρωμικής μετατόπισης του φάσματος απορρόφησης του μορίου στην υπεριώδη περιοχή. Μέσω της ίδιας τεχνικής δείχθηκε πως ένα μόριο οργανοβορανίου με ανάλογη του βορικού οξέος δομή αλλά μικρότερη τιμή pKa, συγκεκριμένα το 3-νιτροφαινυλο-βορονικό οξύ (3-ΝΒΑ) μπορεί, σε πολύ μικρότερες γραμμομοριακές αναλογίες με το φαινολικό συστατικό (έως 1:1), να υποκαταστήσει εκλεκτικά το βορικό οξύ στα υφιστάμενα σύμπλοκα. Σημειώνεται πως επειδή το 3-ΝΒΑ διαθέτει δύο ζεύγη υδροξυλομάδων (αντί τεσσάρων του βορικού οξέος), προκαλεί διάσπαση των γεφυρών βορικού οξέος των υφιστάμενων συμπλόκων και συνεπώς διαχωρισμό των ομο- ή ετεροδιμερών συμπλόκων. Βάσει των παραπάνω ιδιοτήτων του 3-ΝΒΑ, η επώαση απομονωμένων κυτταρικών τοιχωμάτων με το παραπάνω μόριο θα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση τυχόν υποκαταστατών όπως φαινολικά συστατικά ή άλλων χαμηλού μοριακού βάρους και ανάλογης δομής μορίων από το πηκτινικό κλάσμα τα οποία προσδένονται εξειδικευμένα μέσω βορικών εστέρων. Πράγματι, η επίδραση του 3- ΝΒΑ σε κυτταρικά τοιχώματα απομονωμένα από διαφορετικούς ιστούς (φύλλα διαφορετικών αναπτυξιακών σταδίων και ρίζες) ελιάς έδειξε την απελευθέρωση δύο διακριτών μορίων καθώς και βορικού οξέος στο διάλυμα επώασης σε ποσότητες οι οποίες σχετίζονται με το είδος του ιστού. Αξιοσημείωτα, οι ποσότητες των υπό μελέτη μορίων συσχετίστηκαν με αυτές του βορικού οξέος υποδηλώνοντας χημική στοιχειομετρία. Φασματοσκοπική ανάλυση των υπό μελέτη μορίων έδειξε πως πρόκειται για μόρια που φέρουν αρωματικό σύστημα και χρωμοφόρες ομάδες, τυπικά χαρακτηριστικά φαινολικών συστατικών. Περαιτέρω πειράματα απαιτούνται για την πλήρη διευκρίνηση της μοριακής δομής και της επιβεβαίωσης της ύπαρξης συστήματος ορθο-υδροξυλίων σε κατάλληλη στερεοδιαμόρφωση ώστε να σχηματίζουν σταθερά σύμπλοκα με το βορικό οξύ.

Boron in the form of boric acid, is present in all subcellular compartments, while the principal fractions participate in diester complexes in the pectic fraction of the cell wall forming rhamnogalacturonan-II dimers via the apiose residues of the side chains of the above polymer. In the present work the hypothesis that boric acid may be involved in complexes in which one ligand remains as the apiose of rhamnogalacturonan-II while the other could be a low-molecular weight ligand posessing an appropriate molecular structure, is examined. In this way, molecules such as phenolic compounds with ortho-di-phenol configuration could be attached to the cell wall. Experiments with caffeic acid, a phenolic compound posessing the above mentioned structure, showed that stable complexes with boric acid are readily formed and that the percentage of complexed molecules can be estimated through the bathochromic shift of the absorption spectrum of the phenolic compound in the ultraviolet region. Via the same technique, it was shown that organoboranes posessing a similar structure with boric acid but exhibiting lower pKa, such as 3-nitrophenyl-boronic acid (3-NBA), may selectively substitute boric acid in such complexes at much lower molar ratios (down to 1:1) compared to boric acid. Notably, since the 3-NBA molecule offers two pairs of hydroxyl groups (instead of four of the boric acid molecule), results in the disruption of borate diester bridges in existing complexes thus causing the separation of homo- or hetero-dimer complexes. Based on the above attributes of 3-NBA, incubation of isolated cell walls with this molecule would result in the release of such ligands, either phenolic compounds or other low molecular weight and structurally related molecules, if they exist as borate esters, in the pectic fraction of the cell wall. Indeed, the effect of 3-NBA in isolated cell walls from various olive tissues (leaves of different developmental stages and roots), resulted in the release of two distinguishable molecules as well as boric acid in the incubation solution in quantities that were tissue-related. Interestingly, the quantities of the molecules under study were correlated with those of boric acid, implying chemical stoichiometry. Spectroscopic analysis of these molecules showed that they posess an aromatic system and one or more chromophores resembling the phenol structure. Further experiments are required for complete elucidation of the molecular structure and confirmation of the existence of an ortho-hydroxyl system posessing a stereochemical configuration which could allow the formation of stable complexes with boric acid.