Celulase: características, estrutura, funções - Ciência - 2023

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As celulases São um grupo de enzimas produzidas por plantas e por diversos microrganismos “celulolíticos”, cuja atividade catalítica consiste na degradação da celulose, o polissacarídeo mais abundante da natureza.

Essas proteínas pertencem à família das enzimas glicosídicas hidrolases ou glicosil hidrolases, pois são capazes de hidrolisar as ligações entre unidades de glicose não só na celulose, mas também em alguns β-D-glucanos presentes nos cereais.

Sua presença no reino animal tem sido discutida e a digestão da 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 alto peso molecular composto por D-glucopiranose ligada por ligações β-1,4.

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

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

Caracteristicas

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

As bactérias produzem pequenas quantidades de celulases associadas ao complexo, enquanto os fungos produzem grandes quantidades dessas enzimas, que nem sempre se associam, mas atuam em sinergia.

Dependendo do organismo em estudo, especialmente se for procariotos e eucariotos, as vias de "secreção" para esses tipos de enzimas são muito diferentes.

Classificação

As celulases ou enzimas celulolíticas são encontradas na natureza como sistemas multienzimáticos, ou seja, formam complexos compostos por mais de uma proteína. Sua classificação geralmente os divide em três grupos importantes:

– Endoglucanases ou glucanohidrolases de endo-1,4-β-D-glucano: que corta aleatoriamente locais "amorfos" nas regiões internas das cadeias de celulose

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

– β-glucosidases ou β-D-glucosídeo glucohidrolase: capaz 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 a 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 sequências, mas compartilham algumas características estruturais e funcionais entre si.

Estrutura

As enzimas celulase são proteínas "modulares" compostas por domínios estrutural e funcionalmente discretos: 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 ótimo para a enzima e outro resíduo que atua como doador de prótons.

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

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 importante na atividade enzimática dessas enzimas.

Quando as celulases se associam para formar complexos, alcançando maior atividade enzimática nas diferentes formas do mesmo substrato, estas podem ter até cinco subunidades enzimáticas diferentes.

Características

Essas importantes enzimas, produzidas principalmente por bactérias e fungos celulolíticos, têm várias funções, tanto do ponto de vista biológico quanto industrial:

Biológico

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

As celulases produzidas pelos microrganismos associados ao trato gastrointestinal de muitos animais herbívoros representam uma das famílias de enzimas 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 nesses alimentos é considerada "fibra bruta". Posteriormente é eliminado com as fezes, já que não possui enzimas para sua digestão.

Ruminantes, como as vacas, são capazes de aumentar seu peso e tamanho muscular graças ao aproveitamento do carbono contido na forma de glicose na celulose, uma vez que sua microflora intestinal é responsável pela degradação das plantas 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 maturação de frutos, abscisão de folhas e frutos, entre outros.

Industrial

Em nível industrial, essas enzimas são produzidas em grande escala e utilizadas em muitos processos agrícolas relacionados a materiais vegetais e seu processamento.

Entre esses processos está a produção de biocombustíveis, para os quais as celulases atendem a mais de 8% da demanda industrial de enzimas. Isso ocorre porque essas enzimas são extremamente importantes para a produção de etanol a partir de resíduos vegetais de várias fontes.

Também são utilizados na indústria têxtil com múltiplas finalidades: produção de ração animal, melhoria da qualidade e "digestibilidade" de alimentos concentrados ou no processamento de sucos e farinhas.

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

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