Celulase: características, estrutura, funções

As celulases são um grupo de enzimas produzidas por plantas e por vários microorganismos “celulolíticas” cuja actividade catalítica é a degradação da celulose, o polissacárido mais abundante na natureza.

Essas proteínas pertencem à família das enzimas hidrolase glicosídica ou glicosil hidrolases, pois são capazes de hidrolisar as ligações entre as unidades de glicose não apenas da celulose, mas também de algumas β-D-glucanas presentes nos cereais.

Celulase: características, estrutura, funções 1

Representação gráfica da estrutura molecular de uma celulase (Fonte: Jawahar Swaminathan e equipe de MSD do Instituto Europeu de Bioinformática [Domínio público] via Wikimedia Commons)

Sua presença no reino animal tem sido discutida e a digestão de celulose por animais herbívoros é atribuída a uma microflora intestinal simbiótica. No entanto, estudos relativamente recentes mostraram que essa enzima também é produzida por invertebrados, como insetos, moluscos e alguns nematóides.

A celulose é uma parte essencial da parede celular de todos os organismos vegetais e também é produzida por algumas espécies de algas, fungos e bactérias. É um homopolissacarídeo linear de grande peso molecular composto por D-glucopiranoses ligadas por ligações β-1,4.

Esse polissacarídeo é mecânica e quimicamente resistente, pois é composto de cadeias paralelas que se alinham em eixos longitudinais estabilizados por ligações de hidrogênio.

Como as plantas, principais produtoras de celulose, são a base da cadeia alimentar, a existência dessas enzimas é essencial para o uso desses tecidos e, portanto, para a subsistência de grande parte da fauna terrestre (incluindo microrganismos)

Caracteristicas

As celulases expressas pela maioria dos microrganismos exercem suas funções catalíticas na matriz extracelular e, em geral, são produzidas em grandes quantidades, utilizadas industrialmente para diversos fins.

As bactérias produzem pequenas quantidades de celulases associadas em complexos, enquanto os fungos produzem grandes quantidades dessas enzimas, que nem sempre estão associadas entre si, mas agem em sinergia.

Dependendo do organismo estudado, principalmente se for procariótico e eucariótico, as vias “secretoras” desse tipo de enzima são muito diferentes.

Classificação

Celulases ou enzimas celulolíticas são encontradas na natureza como sistemas multienzimáticos, ou seja, formando complexos que consistem em mais de uma proteína. Sua classificação geralmente os divide em três grupos importantes:

Endoglucanases ou endo-1,4-β-D-glucan glucanidrolases : que cortam em locais “amorfos” aleatórios nas regiões internas das cadeias de celulose

Exoglucanases, celobiohidrolases ou 1,4-β-D-glucano- celobiohidrolases : que hidrolisam as extremidades redutoras e não redutoras das cadeias de celulose, liberando resíduos de glicose ou celobiose (grupos de glicose ligados)

β-glucosidases ou β-D-glicosídeo glucohidrolase : capazes de hidrolisar as extremidades não redutoras da celulose e liberar resíduos de glicose

Os complexos multienzimáticos de enzimas celulase que alguns organismos produzem são conhecidos como celulossomas, cujos componentes individuais são difíceis de identificar e isolar, mas provavelmente correspondem às enzimas dos três grupos descritos.

Dentro de cada grupo de celulases existem famílias, que são agrupadas porque compartilham algumas características especiais. Essas famílias podem formar “clãs” cujos membros têm diferenças em suas seqüências, mas compartilham algumas características estruturais e funcionais entre si.

Estrutura

As enzimas celulase são proteínas “modulares” compostas por domínios discretos estrutural e funcionalmente: um domínio catalítico e um domínio de ligação a carboidratos.

Como a maioria das glicosil hidrolases, as celulases possuem, no domínio catalítico, um resíduo de aminoácido que funciona como um nucleófilo catalítico que é carregado negativamente no pH ideal para a enzima e outro resíduo que atua como um doador de prótons.

Esse par de resíduos, dependendo do organismo que expressa a enzima, pode ser dois aspartatos, dois glutamatos ou um de cada um.

Em muitos fungos e bactérias, as celulases são proteínas altamente glicosiladas, no entanto, estudos independentes sugerem que esses resíduos de carboidratos não desempenham um papel transcendental na atividade enzimática dessas enzimas.

Quando as celulases são associadas a complexos de formas, alcançando maior atividade enzimática em diferentes formas do mesmo substrato, elas podem ter até cinco subunidades enzimáticas diferentes.

Funções

Essas importantes enzimas, produzidas especialmente por bactérias e fungos celulolíticos, têm várias funções, tanto biológica quanto industrialmente:

Biológico

As celulases desempenham um papel fundamental na intrincada rede de biodegradação de celulose e lignocelulose, que são os polissacarídeos mais abundantes na biosfera.

As celulases produzidas pelos microorganismos associados ao trato gastrointestinal de muitos animais herbívoros representam uma das famílias enzimáticas mais importantes da natureza, uma vez que onívoros e carnívoros estritos se alimentam da biomassa assimilada por esses animais.

O homem, por exemplo, consome alimentos de origem vegetal e toda a celulose presente neles é considerada “fibra bruta”. Mais tarde, é eliminado pelas fezes, porque não possui enzimas para sua digestão.

Ruminantes, como vacas, são capazes de aumentar seu peso e tamanho muscular graças ao uso de conteúdo de carbono na forma de glicose na celulose, uma vez que a microflora intestinal é responsável pela degradação dos vegetais pela atividade da celulase .

Nas plantas, essas enzimas são responsáveis ​​pela degradação da parede celular em resposta a diferentes estímulos que ocorrem em diferentes estágios de desenvolvimento, como abscisão e amadurecimento de frutos, abscisão de folhas e vagens, entre outros.

Industrial

No nível industrial, essas enzimas são produzidas em larga escala e usadas em muitos processos agrícolas relacionados aos materiais vegetais e seu processamento.

Entre esses processos está a produção de biocombustíveis, cujas celulases atendem a mais de 8% da demanda enzimática industrial. Isso ocorre porque essas enzimas são da maior importância para a produção de etanol a partir de resíduos vegetais de diferentes fontes.

Eles também são utilizados na indústria têxtil com múltiplas finalidades: produção de alimentos para animais, melhoria da qualidade e “digestibilidade” de alimentos concentrados ou durante o processamento de sucos e farinhas.

Essas proteínas são utilizadas, por sua vez, na produção de óleos, especiarias e polissacarídeos para uso comercial, como o ágar, e também para obter proteínas a partir de sementes e outros tecidos vegetais.

Referências

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