Целлюлоза, вероятно, – самый известный полимер клеточной стенки. Подсчитано, что ежегодно на Земле синтезируется 180 миллиардов тонн целлюлозы (Delmer, 1999). Кроме высших растений, целлюлозу способны синтезировать большинство водорослей, некоторые слизевики (Dictyostelium), ряд видов бактерий (включая цианобактерии, а также Acetobacter xylinum, Agrobacteriem tumifaciens), некоторые грибы, а среди животных организмов – оболочники (Tunicata) (Saxena, Brown, 2005).

Строение молекул целлюлозы с первого взгляда производит впечатление очень простого, поскольку они представляют собой линейные молекулы гомополимера, состоящего из глюкозы. Все остатки глюкозы находятся в пиранозной форме и соединены между собой первым атомом углерода одной молекулы глюкозы и четвертым атомои углерода следующей молекулы. Тип связи одинаков для всех мономеров – b. Все вместе это записывается как b – (1®4) – D-глюкан. Степень полимеризации молекул целлюлозы составляет порядка 10 000, колеблясь в пределах 300 – 15 000.

Цепочки целлюлозы образуют кристаллическую надмолекулярную структуру: несколько дюжин молекул целлюлозы связаны между собой водородными связями (рис. 11) и силами Ван-дер-Вальса в микрофибриллу, толщина которой составляет 5–10 нм. Отдельная молекула целлюлозы обычно имеет степень полимеризации в несколько тысяч молекул глюкозы и достигает длины 2–3 мкм. Внутри микрофибриллы молекулы целлюлозы начинаются и кончаются в разных местах, поэтому микрофибрилла может достигать сотен микрометров в длину и содержать тысячи индивидуальных цепочек. В качестве аналогии можно привести льняную нитку, которую можно сделать неограниченной длины, хотя состоит она из волокон, каждое их которых – не более нескольких сантиметров в длину. Прочность на разрыв (tensile strength) микрофибрилл целлюлозы выше, чем у стали.

В молекуле целлюлозы глюкозные остатки расположены в одной плоскости, так что формируется плоская, лентообразная цепочка. Внутри микрофибриллы отдельные молекулы расположены параллельно друг другу, то есть все восстанавливающие концы направлены в одну сторону (целлюлоза I). Подобную конфигурацию непросто объяснить с термодинамической точки зрения, поскольку при антипараллельной ориентации появляется возможность для дополнительной водородной связи, что делает такое расположение более вероятным. При самосборке целлюлозные цепи соединяются именно в антипараллельной ориентации (целлюлоза II).

В микрофибрилле высокоупорядоченные, кристаллические участки чередуются с относительно неупорядоченными, аморфными, которые отличаются по своим свойствам. Степень кристалличности (доля упорядоченных участков) в растительных объектах довольно высока и составляет от 60 до 80%. Аморфные участки – «слабое место» микрофибрилл. Различают также Ia (triclinic unit) и Ib (monoclinic unit) структуры целлюлозы I, которые отличаются молекулярной конформацией и упаковкой кристалла (Delmer, 1999). Доля Ia-типа колеблется от 64% у Valonia до 20% в волосках семян хлопчатника (Gossipium hirsutum) (Brett, 2000).

Термин «целлюлоза» (цит. по Franz, Blashek, 1990) был введен в 1838 году А. Payen и сначала использовался для обозначения целого ряда полисахаридов, поскольку не существовало способов их разделения. Аналогом этого термина в русском языке является «клетчатка». Schulze в 1891 году предложил использовать название «целлюлоза» для полисахаридов, устойчивых к разбавленной кислоте и щелочи и дающих в результате гидролиза глюкозу. Несколько позднее Nageli (с использованием поляризованного света) установил кристалличность целлюлозы, которая окончательно была доказана после появления рентгеновского анализа. Химическая природа целлюлозы как b-D – (1®4) – глюкана была установлена в 1932 году В. Хеуорсом (W.N. Haworth). Микрофибриллы целлюлозы, будучи кристаллическим образованием, расположенным снаружи от плазмалеммы, были одной из первых структур, надежно идентифицированных с помощью электронного микроскопа (Frey-Wissling et al., 1948; Preston et al., 1948).