Celulosa y celulasas

CELULOSA Y CELULASAS

En la actualidad, es ampliamente conocido que el papel es uno de los productos de mayor uso en la vida del hombre. Se fabrica a partir de una materia prima renovable: las fibras de celulosa extraídas principalmente de los árboles, pero también de otras especies vegetales, como paja, bagazo de la caña de azúcar, bambú, algodón, lino, entre otros (ver cuaderno Nº 97).

Sin embargo, es menos conocido que la celulosa se encuentra comercialmente disponible en una gran variedad de presentaciones y se utiliza en las industrias de los detergentes, textil y alimenticia, entre otras. Esto se debe a la posibilidad de romper la molécula de fibra celulósica (un polímero) en unidades más pequeñas, gracias a la acción de algunas enzimas llamadas celulasas (Ver Cuadernos Nº 30, 34).

Al estudiar las enzimas celulasas que utilizan naturalmente los hongos y bacterias para degradar la celulosa, se encontró que la hidrólisis (degradación) de este polímero es muy compleja. Por eso, es necesario investigar las estructuras y funciones de estas enzimas para conocer con mayor detalle los mecanismos enzimáticos involucrados en la degradación de la celulosa.

En este sentido, se espera que las herramientas moleculares y biotecnológicas permitan mejorar los procesos ya existentes, o bien encontrar nuevas aplicaciones.

La celulosa: el polisacárido natural más abundante en la naturaleza

La celulosa es el principal componente de la membrana celular de la mayor parte de las plantas. Una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa y la madera un 50 %. El ejemplo más representativo lo constituye el algodón que contiene más de 90% de celulosa.

Teniendo en cuenta su estructura química, se define como un polisacárido lineal formado por residuos de glucosa unidos por enlaces beta 1-4 (β-1,4). La configuración β, le permite a la celulosa formar cadenas largas y lineales, las cuales se presentan unidas entre sí por medio de enlaces de puentes de hidrógeno dando lugar a la formación de microfibrillas. Estas regiones, conocidas como regiones cristalinas, son altamente ordenadas y le dan las características de insolubilidad, rigidez y resistencia al ataque enzimático.

Fuente: http://fai.unne.edu.ar/biologia/images/celulosa.gif

En ciertas regiones del haz de microfibrillas, las cadenas se rompen mediante sus puentes de hidrógeno y se forman regiones denominadas amorfas, las cuales se hidratan permitiendo que ciertas enzimas ataquen y degraden a la celulosa.

A pesar de que está formada por unidades de glucosa, los animales no pueden utilizar a la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con las enzimas necesarias para romper los enlaces β-1,4-glucosídicos. Sin embargo en el intestino de los rumiantes, herbívoros y termitas, existen microorganismos que poseen una enzima llamada celulasa que rompe éste enlace. Al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las moléculas de glucosa que pueden emplearse como fuente de energía.

La celulosa y la industria

Muchas son las utilidades industriales que se le puede dar a la celulosa. Para la industria de alimentos y farmaceútica, por ejemplo, es sometida a modificaciones que generan una serie de compuestos con múltiples propiedades funcionales: la carboximetil celulosa que se utiliza como espesante, la celulosa microcristalina es usada como anticompactante y en la industria farmacéutica para elaborar tabletas.

Otra aplicación de la celulosa es la obtención de biocombustibles (ver Cuaderno Nº 58). Muchos investigadores están poniendo sus esfuerzos en buscar alternativas para la obtención de etanol como combustible. La celulosa sería una fuente de glucosa que actuaría como sustrato para la fermentación alcohólica.

Enzimas con afinidad a la celulosa

Los microorganismos capaces de degradar celulosa secretan un sistema complejo de enzimas extracelulares, celulasas y xilanasas, que actúan en forma conjunta en la degradación de celulosa y hemicelulosa (los dos componentes principales de la madera).

Las fibras de celulosa son degradadas esencialmente por dos tipos de sistemas enzimáticos llamados agregativos y no agregativos, como se muestra en la siguiente figura:

Fuente: ArgenBio

 Sistemas agregativos:

En algunas bacterias anaerobias que degradan celulosa y hemicelulosa, como Cellulomonas thermocellum y C. cellulovorans, las enzimas que participan en la degradación se encuentran localizadas en la superficie de estas bacterias formando complejos multienzimáticos de alto peso molecular, conocido como “celulosoma”. Este complejo comprende al menos 14 polipéptidos distintos, incluyendo varias celulasas y xilanasas y al menos una ß-glucosidasa, unidos a una proteína sin actividad enzimática, pero que participa en el reconocimiento de las fibras de celulosa a la superficie de la célula. Esta proteína, llamada proteína de unión a celulosa ( CbpA: cellulose binding protein A), es necesaria para, junto con las enzimas hidrolíticas, romper las estructuras amorfas de celulosa pero no las formas cristalinas del polímero.

• Sistemas no agregativos:

Estos sistemas están compuestos principalmente por tres tipos de enzimas:

(i) Endoglucanasas

(ii) Exoglucanasas

(iii) Celobiasas

Estos tres tipos de enzimas actúan en forma sinérgica (juntas, en forma cooperativa) en la degradación de la celulosa.

La endoglucanasa descompone los enlaces internos ß -1,4 y así altera la estructura cristalina de la celulosa y expone las cadenas polisacáridas de celulasa individual. La exoglucanasa parte de a 2 o 4 unidades de glucosa desde los extremos de las cadenas expuestas producidas por la endoglucanasa, produciendo tetrasacáridos o disacáridos como la celobiosa. Finalmente, la celobiasa hidroliza estos productos, obteniendo los monosacáridos individuales de glucosa.

Figura: Degradación enzimática de la celulosa

Fuente: http://www.enzymeindia.com/enzymes/cellulase-spanish.asp

Microorganismos que degradan celulosa

Los microorganismos celulolíticos (que degradan celulosa) desempeñan un papel importante en la biosfera reciclando este polímero. Existe una diversidad de estos microorganismos, bacterias y hongos aeróbicos o anaeróbicos, mesófilos o termófilos (ver Cuaderno Nº 57), que producen las enzimas celulasas. Algunos de ellos son:

GRUPO ESPECIES

hongos aeróbicos Trichoderma viride, Trichoderma reesei, Penicillium pinophilum, Sporotrichum pulverulentum, Fusarium solani, Talaromyces emersonii y Trichoderma koningii.

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