Die Cellulasen sind eine Gruppe von Enzymen, die von Pflanzen und von verschiedenen "cellulolytischen" katalytischen Aktivitäten von Mikroorganismen produziert werden und den Abbau von Cellulose beinhalten, dem in der Natur am häufigsten vorkommenden Polysaccharid.
Diese Proteine gehören zur Familie der Glycosidhydrolasen oder Glycosylhydrolaseenzyme, da sie die Bindungen zwischen Glucoseeinheiten nicht nur in Cellulose, sondern auch in einigen in Getreide vorhandenen β-D-Glucanen hydrolysieren können.
Grafische Darstellung der Molekülstruktur einer Cellulase (Quelle: Jawahar Swaminathan und MSD-Mitarbeiter am European Bioinformatics Institute via Wikimedia Commons)
Seine Anwesenheit im Tierreich wurde argumentiert und die Verdauung von Cellulose durch pflanzenfressende Tiere wird einer symbiotischen Darmmikroflora zugeschrieben. Relativ aktuelle Studien haben jedoch gezeigt, dass dieses Enzym auch von Wirbellosen wie Insekten, Weichtieren und einigen Nematoden produziert wird.
Cellulose ist ein wesentlicher Bestandteil der Zellwand aller Pflanzenorganismen und wird auch von einigen Arten von Algen, Pilzen und Bakterien produziert. Es ist ein lineares Homopolysaccharid mit hohem Molekulargewicht, das aus D-Glucopyranose besteht, die durch β-1,4-Bindungen verbunden ist.
Dieses Polysaccharid ist mechanisch und chemisch beständig, da es aus parallelen Ketten besteht, die in Längsachsen ausgerichtet sind, die durch Wasserstoffbrücken stabilisiert sind.
Da Pflanzen, die Hauptproduzenten von Cellulose, die Basis der Nahrungskette bilden, ist die Existenz dieser Enzyme für die Verwendung dieser Gewebe und damit für den Lebensunterhalt eines großen Teils der terrestrischen Fauna (einschließlich der Mikroorganismen).
Eigenschaften
Die von den meisten Mikroorganismen exprimierten Cellulasen üben ihre katalytischen Funktionen in der extrazellulären Matrix aus und werden im Allgemeinen in großen Mengen hergestellt, die industriell für viele Zwecke verwendet werden.
Bakterien produzieren kleine Mengen komplexassoziierter Cellulasen, während Pilze große Mengen dieser Enzyme produzieren, die nicht immer miteinander assoziieren, sondern synergistisch wirken.
Abhängig von dem untersuchten Organismus, insbesondere wenn es sich um Prokaryoten und Eukaryoten handelt, sind die "Sekretionswege" für diese Arten von Enzymen sehr unterschiedlich.
Einstufung
Cellulasen oder cellulolytische Enzyme kommen in der Natur als Multienzymsysteme vor, dh sie bilden Komplexe, die aus mehr als einem Protein bestehen. Ihre Klassifizierung unterteilt sie normalerweise in drei wichtige Gruppen:
- Endoglucanasen oder Endo-1,4-β-D-Glucanglucanohydrolasen : Diese schneiden an zufälligen „amorphen“ Stellen in inneren Regionen von Celluloseketten
- Exoglucanasen, Cellobiohydrolasen oder 1,4-β-D-Glucan-Cellobiohydrolasen : die die reduzierenden und nichtreduzierenden Enden von Celluloseketten hydrolysieren und dabei Glucose- oder Cellobiosereste freisetzen (Glucosegruppen miteinander verbunden)
- β-Glucosidasen oder β-D-Glucosid-Glucohydrolase : Kann die nichtreduzierenden Enden von Cellulose hydrolysieren und Glucosereste freisetzen
Die Multienzymkomplexe von Cellulaseenzymen, die einige Organismen produzieren, sind als Cellulosomen bekannt, deren einzelne Komponenten schwer zu identifizieren und zu isolieren sind, aber wahrscheinlich Enzymen der drei beschriebenen Gruppen entsprechen.
Innerhalb jeder Gruppe von Cellulasen gibt es Familien, die zusammengefasst sind, weil sie einige besondere Merkmale aufweisen. Diese Familien können "Clans" bilden, deren Mitglieder unterschiedliche Sequenzen aufweisen, jedoch einige strukturelle und funktionelle Merkmale miteinander teilen.
Struktur
Cellulaseenzyme sind "modulare" Proteine, die aus strukturell und funktionell diskreten Domänen bestehen: einer katalytischen Domäne und einer kohlenhydratbindenden Domäne.
Wie die meisten Glycosylhydrolasen besitzen Cellulasen in der katalytischen Domäne einen Aminosäurerest, der als katalytisches Nucleophil fungiert, das beim optimalen pH-Wert für das Enzym negativ geladen ist, und einen weiteren Rest, der als Protonendonor fungiert.
Dieses Restpaar kann je nach Organismus, der das Enzym exprimiert, zwei Aspartate, zwei Glutamate oder jeweils eines sein.
In vielen Pilzen und Bakterien sind Cellulasen stark glykosylierte Proteine. Unabhängige Studien legen jedoch nahe, dass diese Kohlenhydratreste keine wesentliche Rolle für die enzymatische Aktivität dieser Enzyme spielen.
Wenn sich Cellulasen zu Komplexen verbinden und eine größere enzymatische Aktivität auf den verschiedenen Formen desselben Substrats erzielen, können diese bis zu fünf verschiedene enzymatische Untereinheiten aufweisen.
Eigenschaften
Diese wichtigen Enzyme, die insbesondere von cellulolytischen Bakterien und Pilzen produziert werden, haben sowohl aus biologischer als auch aus industrieller Sicht verschiedene Funktionen:
Biologisch
Cellulasen spielen eine grundlegende Rolle im komplizierten Netzwerk des biologischen Abbaus von Cellulose und Lignocellulose, die die am häufigsten vorkommenden Polysaccharide in der Biosphäre sind.
Die Cellulasen, die von den mit dem Magen-Darm-Trakt vieler pflanzenfressender Tiere assoziierten Mikroorganismen produziert werden, stellen eine der wichtigsten Enzymfamilien in der Natur dar, da sich Allesfresser und strenge Fleischfresser von der von diesen Tieren assimilierten Biomasse ernähren.
Der Mensch konsumiert zum Beispiel Lebensmittel pflanzlichen Ursprungs und die gesamte darin enthaltene Cellulose wird als "Rohfaser" betrachtet. Später wird es mit dem Kot ausgeschieden, da es keine Enzyme für seine Verdauung hat.
Wiederkäuer wie Kühe können dank der Verwendung des in Form von Glucose in Cellulose enthaltenen Kohlenstoffs ihr Gewicht und ihre Muskelgröße erhöhen, da ihre Darmflora für den Abbau von Pflanzen durch Cellulaseaktivität verantwortlich ist .
In Pflanzen sind diese Enzyme für den Abbau der Zellwand als Reaktion auf verschiedene Reize verantwortlich, die in verschiedenen Entwicklungsstadien auftreten, wie z. B. Abszision und Reifung von Früchten, Abszision von Blättern und Schoten.
Industriell
Auf industrieller Ebene werden diese Enzyme in großem Maßstab hergestellt und in vielen landwirtschaftlichen Prozessen verwendet, die mit Pflanzenmaterialien und deren Verarbeitung zusammenhängen.
Zu diesen Verfahren gehört die Herstellung von Biokraftstoffen, für die Cellulasen mehr als 8% des industriellen Enzymbedarfs decken. Dies liegt daran, dass diese Enzyme für die Herstellung von Ethanol aus Pflanzenabfällen aus verschiedenen Quellen äußerst wichtig sind.
Sie werden auch in der Textilindustrie für verschiedene Zwecke eingesetzt: Herstellung von Tierfutter, Verbesserung der Qualität und "Verdaulichkeit" von Kraftfutter oder bei der Verarbeitung von Säften und Mehlen.
Diese Proteine werden wiederum zur Herstellung von Ölen, Gewürzen, Polysacchariden zur kommerziellen Verwendung wie Agar und auch zur Gewinnung von Proteinen aus Samen und anderen Pflanzengeweben verwendet.
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