A celulase refere-se a um grupo de enzimas que atua sobre celulose, decompondo-a. A celulase converte a celulose que é um polissacárido complexo em açúcares simples como a glucose. As celulases são produzidas por diversos organismos desde bactérias, fungos até às próprias plantas. O substrato desta enzima é a celulose que é um componente estrutural importante da parede celular das células vegetais.
Materiais celulósicos
Os materiais celulósicos naturais são heterogéneos. A celulose e a hemicelulose são polissacáridos encontrados na parede celular vegetal, onde representam aproximadamente 20 a 50% e 15 a 35% do seu peso seco. A celulose é constituída por um homopolímero linear composto por unidades de glucose unidas por ligações β-1,4 glicosídicas. Já a hemicelulose é um polissacárido ramificado que para além de resíduos de glucose também inclui resíduos de outros açúcares simples como a xilose, a manose, a galactose, a ramnose e a arabinose.
A celulose é o material biológico mais abundante na terra e também um dos glúcidos poliméricos mais recalcitrantes (isto é, resistentes) à degradação catalítica quando comparado com outros polissacáridos da parede celular vegetal.
O aumento da solubilidade da celulose confere uma maior acessibilidade das enzimas à celulose, originando, consequentemente, taxas de hidrólise mais rápidas.
A baixa solubilidade dos materiais celulósicos é atribuída sobretudo às fortes ligações por pontes de hidrogénio estabelecidas entre os resíduos de glucose das cadeias de celulose. A presença de oligossacáridos como as celodextrinas também diminui a solubilidade da celulose.
Diversos organismos desenvolveram uma maquinaria enzimática necessária para a conversão da celulose numa forma solúvel e mais simples para servir como fonte de alimento e de energia. Dada a complexidade das paredes celulares vegetais, a maioria dos organismos que degradam a biomassa de celulose empregam uma conjunto de enzimas que atuam de forma sinergética de modo a hidrolisar o polissacárido.
Tipos de celulase e a sua forma de atuação
As celulases são enzimas que hidrolisam as ligações β -1,4 glicosídicas nas cadeias de celulose.
A hidrólise enzimática completa da celulose é mediada por uma combinação de três tipos principais de celulases:
a) endoglucanases (EC 3.2.1.4);
b) exoglucanases (EC 3.2.1.91), em que se inclui as celobiohidrolases (CBHs);
c) β-glucosidases (BG) (EC 3.2.1.21).
As endoglucanases clivam as ligações β-1,4 glicosídicas aleatoriamente nas cadeias de celulose, formando cadeias com novas extremidades.
As exoglucanases atuam de forma processiva nas extremidades redutoras ou não redutoras das cadeias de celulose, libertando celobiose ou glucose como produtos principais. As celobiohidrolases são as exoglucanases mais estudadas e são sintetizadas por muitas bactérias e fungos.
As β-Glucosidases hidrolisam os oligossacáridos de celobiose e de celodextrinas solúveis em glicose. A celobiose é um conhecido inibidor da actividade das celobiohidrolases e das endoglucanases e consiste num dissacárido que resulta da hidrólise parcial da celulose que é fruto da própria atividade destes dois tipos de enzima. A atividade das β-Glucosidases sobre a celulose insolúvel é negligenciável.
A sinergia entre a atividade das endoglucanases e exoglucanases é fundamental para a hidrólise completa dos materiais celulósicos.
Os microrganismos podem degradar a celulose por dois modos diferentes: através da secreção de celulases livres ou através da produção de celulosomas que forma um complexo de várias enzimas.
Aplicações
Cada vez mais, as celulases têm sido aplicadas numa grande variedade de fins industriais como na indústria têxtil, na indústria do papel, na indústria alimentar, como um aditivo em detergentes e para o aumento da digestibilidade da ração de animais.
Pretende-se usar celulases na degradação de materiais lignocelulósicos com o objetivo de produzir bioetanol para ser usado como um biocombustível alternativo. No entanto, os custos do uso das celulases para a hidrólise de materiais lignocelulósicos pré-tratados ainda precisam de ser reduzidos a fim de tornar o processo economicamente viável.
Têm-se recorrido à engenharia molecular para aumentar a eficiência catalítica e conferir maior estabilidade térmica às enzimas celulolíticas. No entanto, as melhorias obtidas no desempenho de celulases modificadas, até à data, ainda deixam muito a desejar.
References:
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