De cellulaser er en gruppe af enzymer produceret af planter og af forskellige mikroorganismer "cellulolytisk" katalytisk aktivitet, der involverer nedbrydning af cellulose, den hyppigst forekommende polysaccharid i naturen.
Disse proteiner hører til familien af glycosidhydrolaser eller glycosylhydrolase-enzymer, da de er i stand til at hydrolysere bindingerne mellem glucoseenheder ikke kun i cellulose, men også i nogle ß-D-glukaner, der er til stede i korn.
Grafisk repræsentation af molekylstrukturen i en cellulase (Kilde: Jawahar Swaminathan og MSD-personale ved Det Europæiske Bioinformatikinstitut via Wikimedia Commons)
Dens tilstedeværelse i dyreriget er blevet argumenteret, og fordøjelsen af cellulose af urteagtige dyr tilskrives en symbiotisk tarmmikroflora. Relativt nylige studier har imidlertid vist, at dette enzym også produceres af hvirvelløse dyr som insekter, bløddyr og nogle nematoder.
Cellulose er en væsentlig del af cellevæggen i alle planteorganismer og produceres også af nogle arter af alger, svampe og bakterier. Det er et lineært homopolysaccharid med høj molekylvægt sammensat af D-glucopyranose bundet med ß-1,4-bindinger.
Dette polysaccharid er mekanisk og kemisk modstandsdygtigt, da det er sammensat af parallelle kæder, der er rettet op i langsgående akser stabiliseret af brintbindinger.
Da planter, de vigtigste celluloseproducenter, er basen i fødekæden, er eksistensen af disse enzymer afgørende for brugen af disse væv og derfor for tilstedeværelsen af en stor del af den landlige fauna (inklusive mikroorganismer).
egenskaber
Cellulaserne, der udtrykkes af de fleste af mikroorganismerne, udøver deres katalytiske funktioner i den ekstracellulære matrix, og generelt produceres disse i store mængder, som er industrielt anvendt til mange formål.
Bakterier producerer små mængder komplekse associerede cellulaser, mens svampe producerer store mængder af disse enzymer, som ikke altid forbindes med hinanden, men fungerer i synergi.
Afhængig af den organisme, der studeres, især hvis det er prokaryoter og eukaryoter, er de "sekretoriske" veje for disse typer enzymer meget forskellige.
Klassifikation
Cellulaser eller cellulolytiske enzymer findes i naturen som multi-enzymsystemer, dvs. dannelse af komplekser, der består af mere end et protein. Deres klassificering opdeler dem normalt i tre vigtige grupper:
- Endoglucanaser eller endo-1,4-ß-D-glucan glucanohydrolaser: der skærer tilfældigt “amorfe” steder i indre regioner i cellulosekæder
- Exoglucanaser, cellobiohydrolaser eller 1,4-ß-D-glucan cellobiohydrolaser: som hydrolyserer de reducerende og ikke-reducerende ender af cellulosekæder og frigiver glukose- eller cellobioserester (glukosegrupper bundet sammen)
- ß-glucosidaser eller β-D-glucosid glucohydrolase: i stand til at hydrolysere de ikke-reducerende ender af cellulose og frigive glukoserester
Multienzymkomplekserne af cellulaseenzymer, som nogle organismer producerer, er kendt som cellulosomer, hvis individuelle komponenter er vanskelige at identificere og isolere, men svarer sandsynligvis til enzymer fra de tre beskrevne grupper.
I hver gruppe af cellulaser er der familier, der er samlet sammen, fordi de har nogle særlige karakteristika. Disse familier kan danne "klaner", hvis medlemmer har forskelle i deres sekvenser, men deler nogle strukturelle og funktionelle karakteristika med hinanden.
Struktur
Cellulaseenzymer er "modulære" proteiner, der er sammensat af strukturelt og funktionelt adskilte domæner: et katalytisk domæne og et kulhydratbindende domæne.
Som de fleste glycosylhydrolaser har cellulaser i det katalytiske domæne en aminosyrerest, der fungerer som en katalytisk nukleofil, der er negativt ladet ved det optimale pH for enzymet og en anden rest, der fungerer som en proton-donor.
Afhængigt af organismen, der udtrykker enzymet, kan dette par af rester være to aspartater, to glutamater eller en af hver.
I mange svampe og bakterier er cellulaser stærkt glycosylerede proteiner, men uafhængige undersøgelser antyder, at disse kulhydratrester ikke spiller en vigtig rolle i den enzymatiske aktivitet af disse enzymer.
Når cellulaser associeres til at danne komplekser og opnå større enzymatisk aktivitet på de forskellige former af det samme substrat, kan disse have op til fem forskellige enzymunderenheder.
Funktioner
Disse vigtige enzymer, der er produceret især af cellulolytiske bakterier og svampe, har forskellige funktioner, både fra et biologisk og industrielt synspunkt:
Biologisk
Cellulaser spiller en grundlæggende rolle i det intrikate biologiske nedbrydningsnetværk af cellulose og lignocellulose, som er de mest rigelige polysaccharider i biosfæren.
Cellulaser produceret af mikroorganismerne forbundet med mave-tarmkanalen hos mange urteagtige dyr repræsenterer en af de vigtigste enzymfamilier i naturen, da omnivorer og strenge kødædende dyr lever af biomassen, der er assimileret af disse dyr.
Mennesket forbruger for eksempel fødevarer af planterisk oprindelse, og al den cellulose, der er til stede i disse, betragtes som "rå fiber". Senere fjernes det med afføring, da det ikke har enzymer til fordøjelsen.
Drøvtyggere, såsom køer, er i stand til at øge deres vægt og muskelstørrelse takket være brugen af kulstof indeholdt i form af glukose i cellulose, da deres tarmmikroflora er ansvarlig for nedbrydning af planter gennem cellulase-aktivitet.
I planter er disse enzymer ansvarlige for nedbrydningen af cellevæggen som respons på forskellige stimuli, der forekommer i forskellige udviklingsstadier, såsom abscission og modning af frugter, abscission af blade og bælg, blandt andre.
Industriel
På industrielt niveau produceres disse enzymer i stor skala og bruges i mange landbrugsprocesser, der er relateret til plantematerialer og deres forarbejdning.
Blandt disse processer er produktion af biobrændstoffer, for hvilke cellulaser tilfredsstiller mere end 8% af det industrielle enzymefterspørgsel. Dette skyldes, at disse enzymer er ekstremt vigtige for produktionen af ethanol fra planteaffald fra forskellige kilder.
De bruges også i tekstilindustrien til flere formål: produktion af dyrefoder, forbedring af kvaliteten og "fordøjeligheden" af koncentreret foder eller under forarbejdning af juice og mel.
Disse proteiner anvendes igen til fremstilling af olier, krydderier, polysaccharider til kommerciel anvendelse, såsom agar, og også til opnåelse af proteiner fra frø og andet plantevæv.
Referencer
- Bayer, EA, Chanzyt, H., Lamed, R., & Shoham, Y. (1998). Cellulose, cellulaser og cellulosomer. Aktuel udtalelse i strukturbiologi, 8, 548–557.
- Dey, P., & Harborne, J. (1977). Plantebiokemi. San Diego, Californien: Academic Press.
- Huber, T., Müssig, J., Curnow, O., Pang, S., Bickerton, S., & Staiger, MP (2012). En kritisk gennemgang af alle-cellulosekompositter. Journal of Materials Science, 47 (3), 1171-1186.
- Knowles, J., & Teeri, T. (1987). Cellulase-familier og deres gener. TIBTECH, 5, 255–261.
- Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger-principper for biokemi. Omega-udgaver (5. udgave).
- Nutt, A., Sild, V., Pettersson, G., & Johansson, G. (1998). Fremskridtskurver. Et middel til funktionel klassificering af cellulaser. Eur. J. Biochem., 258, 200–206.
- Reilly, PJ (2007). Amylase og cellulase struktur og funktion. I S.-T. Yang (red.), Bioforarbejdning af værditilvækstprodukter fra vedvarende ressourcer (s. 119-130). Elsevier BV
- Sadhu, S., & Maiti, TK (2013). Cellulaseproduktion efter bakterier: En gennemgang. British Microbiology Research Journal, 3 (3), 235–258.
- Watanabe, H., & Tokuda, G. (2001). Dyrecellulaser. Cellular and Molecular Life Sciences, 58, 1167-1178.