Celulasa

La celulasa ( EC 3.2.1.4 ; nombre sistemático 4-β- D -glucano 4-glucanohidrolasa ) es cualquiera de varias enzimas producidas principalmente por hongos , bacterias y protozoos que catalizan la celulólisis , la descomposición de la celulosa y de algunos polisacáridos relacionados :

Endohidrólisis de los enlaces (1→4)-β- D -glucosídicos en la celulosa, la liquenina y el β- D -glucano de los cereales.

Este nombre también se utiliza para cualquier mezcla o complejo natural de diversas enzimas de este tipo, que actúan de forma secuencial o sinérgica para descomponer la materia celulósica.

Las celulasas descomponen la molécula de celulosa en monosacáridos ("azúcares simples") como la β- glucosa , o en polisacáridos y oligosacáridos más cortos . La descomposición de la celulosa tiene una importancia económica considerable, ya que permite que un componente principal de las plantas esté disponible para el consumo y el uso en reacciones químicas. La reacción específica involucrada es la hidrólisis de los enlaces 1,4-β- D - glucosídicos en la celulosa, la hemicelulosa , la liquenina y los β- D -glucanos de los cereales . Debido a que las moléculas de celulosa se unen fuertemente entre sí, la celulólisis es relativamente difícil en comparación con la descomposición de otros polisacáridos como el almidón. ^{[ 2 ]}

La mayoría de los mamíferos tienen una capacidad muy limitada para digerir fibras dietéticas como la celulosa por sí mismos. En muchos animales herbívoros como rumiantes como el ganado vacuno y las ovejas y fermentadores del intestino grueso como los caballos, las celulasas son producidas por bacterias simbióticas . Las celulasas endógenas son producidas por algunos tipos de animales , como algunas termitas , caracoles, ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} y lombrices de tierra .

También se han encontrado celulasas en microalgas verdes ( Chlamydomonas reinhardtii , Gonium pectorale y Volvox carteri ) y sus dominios catalíticos (CD), pertenecientes a la familia GH9, muestran la mayor homología de secuencia con las celulasas endógenas de metazoos. Las celulasas de algas son modulares y constan de supuestos módulos de unión a carbohidratos (CBM) ricos en cisteína, enlaces ricos en prolina/serina (PS), además de supuestos dominios tipo Ig y dominios desconocidos en algunos miembros. La celulasa de Gonium pectorale consta de dos CD separados por enlaces y con un CBM C-terminal. ^{[ 6 ]}

Se conocen varios tipos diferentes de celulasas, que difieren estructural y mecánicamente. Los sinónimos, derivados y enzimas específicas asociadas con el nombre "celulasa" incluyen endo-1,4-β- D -glucanasa (β-1,4-glucanasa, β-1,4-endoglucano hidrolasa, endoglucanasa D, 1,4-(1,3;1,4)-β- D -glucano 4-glucanohidrolasa), carboximetil celulasa (CMCase), avicelasa, celudextrinasa , celulasa A , celulosina AP , celulasa alcalina , celulasa A 3 , celulasa 9.5 , celoxilanasa y pancelasa SS . Las enzimas que escinden la lignina se han llamado ocasionalmente celulasas, pero este uso antiguo está descontinuado; son enzimas modificadoras de la lignina .

Cinco tipos generales de celulasas según el tipo de reacción que catalizan:

• Las endocelulasas (EC 3.2.1.4) rompen aleatoriamente los enlaces internos en sitios amorfos que crean nuevos extremos de cadena.
• Las exocelulasas o celobiohidrolasas (EC 3.2.1.91) escinden de dos a cuatro unidades de los extremos de las cadenas expuestas producidas por la endocelulasa, dando como resultado tetrasacáridos ^{[ 7 ]} o disacáridos , como la celobiosa . Las exocelulasas se clasifican además en tipo I, que actúan procesivamente desde el extremo reductor de la cadena de celulosa, y tipo II, que actúan procesivamente desde el extremo no reductor.
• Las celobiasas (EC 3.2.1.21) o las β-glucosidasas hidrolizan el producto de la exocelulasa en monosacáridos individuales.
• Las celulasas oxidativas despolimerizan la celulosa mediante reacciones de radicales, como por ejemplo la celobiosa deshidrogenasa (aceptor) .
• Las celulosa fosforilasas despolimerizan la celulosa utilizando fosfatos en lugar de agua.

Dentro de los tipos mencionados, también existen tipos progresivos (o procesivos) y no progresivos. La celulasa progresiva interactúa continuamente con una sola cadena de polisacárido, mientras que la celulasa no progresiva interactúa una sola vez, luego se separa y se une a otra cadena de polisacárido.

Se considera que la acción de la celulasa es sinérgica, ya que las tres clases de celulasa juntas pueden producir mucho más azúcar que la suma de las tres por separado. A excepción de los rumiantes, la mayoría de los animales (incluidos los humanos) no producen celulasa en sus cuerpos y solo pueden descomponer parcialmente la celulosa mediante la fermentación, lo que limita su capacidad para utilizar la energía de la materia vegetal fibrosa.

La mayoría de las celulasas fúngicas poseen una estructura de dos dominios: un dominio catalítico y un dominio de unión a la celulosa, conectados por un enlace flexible. Esta estructura está adaptada para actuar sobre un sustrato insoluble y permite que la enzima se difunda bidimensionalmente sobre una superficie, de forma similar a una oruga. Sin embargo, también existen celulasas (principalmente endoglucanasas) que carecen de dominios de unión a la celulosa.

Tanto la unión de los sustratos como la catálisis dependen de la estructura tridimensional de la enzima, que surge como consecuencia del grado de plegamiento de la proteína . La secuencia de aminoácidos y la disposición de sus residuos dentro del sitio activo, la posición donde se une el sustrato, pueden influir en factores como la afinidad de unión de los ligandos, la estabilización de los sustratos dentro del sitio activo y la catálisis. La estructura del sustrato es complementaria a la estructura precisa del sitio activo de la enzima. Los cambios en la posición de los residuos pueden provocar la distorsión de una o más de estas interacciones. ^{[ 8 ]} Otros factores como la temperatura, el pH y los iones metálicos influyen en las interacciones no covalentes entre la estructura de la enzima. ^{[ 9 ]} La especie Thermotoga maritima produce celulasas que consisten en 2 láminas β (estructuras proteicas) que rodean una región catalítica central, que es el sitio activo. ^{[ 10 ]} La enzima se clasifica como una endoglucanasa, que escinde internamente los enlaces β-1,4-glucosídicos en las cadenas de celulosa, facilitando la degradación posterior del polímero. Diferentes especies de la misma familia que T. maritima producen celulasas con estructuras distintas. ^{[ 10 ]} Las celulasas producidas por la especie Coprinopsis cinerea constan de siete cadenas proteicas en forma de túnel cerrado denominado barril β/α. ^{[ 11 ]} Estas enzimas hidrolizan el sustrato carboximetilcelulosa. La unión del sustrato al sitio activo induce un cambio conformacional que permite la degradación de la molécula.

La celulasa se utiliza en el procesamiento comercial de alimentos, como el café . Realiza la hidrólisis de la celulosa durante el secado de los granos . Además, las celulasas se emplean ampliamente en la industria textil y en detergentes para ropa. También se han utilizado en la industria de la pulpa y el papel para diversos fines, e incluso en aplicaciones farmacéuticas. La celulasa se utiliza en la fermentación de biomasa para la producción de biocombustibles , aunque este proceso aún se encuentra en fase experimental.

Dado que la celulosa , su sustrato natural , es un polímero insoluble en agua, los ensayos tradicionales de azúcares reductores que utilizan este sustrato no pueden emplearse para medir la actividad de la celulasa. Por ello, los científicos analíticos han desarrollado diversos métodos alternativos.

• Método DNSA: La actividad de la celulasa se determinó incubando 0,5 ml de sobrenadante con 0,5 ml de carboximetilcelulosa (CMC) al 1% en tampón de citrato 0,05 M (pH 4,8) a 50  °C durante 30 minutos. La reacción se detuvo mediante la adición de 3 ml de reactivo de ácido dinitrosalicílico. La absorbancia se midió a 540  nm. ^{[ 21 ]}

Se puede utilizar un viscosímetro para medir la disminución de la viscosidad de una solución que contiene un derivado de celulosa soluble en agua, como la carboximetilcelulosa, tras la incubación con una muestra de celulasa. ^{[ 22 ]} La disminución de la viscosidad es directamente proporcional a la actividad de la celulasa. Si bien estos ensayos son muy sensibles y específicos para la endo -celulasa ( las enzimas celulasas de acción exo producen poco o ningún cambio en la viscosidad), están limitados por la dificultad de definir la actividad en unidades enzimáticas convencionales (micromoles de sustrato hidrolizado o producto producido por minuto).

Reactivos acoplados a enzimas

Se han desarrollado nuevos reactivos que permiten la medición específica de la endo -celulasa. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Estos métodos implican el uso de sustratos de oligosacáridos funcionalizados en presencia de una enzima auxiliar. En el ejemplo mostrado, una enzima celulasa es capaz de reconocer el fragmento de trisacárido de la celulosa y escindir esta unidad. La enzima auxiliar presente en la mezcla de reactivos (β-glucosidasa) actúa entonces para hidrolizar el fragmento que contiene el cromóforo o fluoróforo. El ensayo se termina con la adición de una solución básica que detiene la reacción enzimática y desprotona el compuesto fenólico liberado para producir la especie fenolato. La actividad celulasa de una muestra dada es directamente proporcional a la cantidad de fenolato liberado, que puede medirse utilizando un espectrofotómetro. La funcionalización con acetal en el extremo no reductor del sustrato de trisacárido impide la acción de la β-glucosidasa auxiliar sobre el sustrato original.

• Celulosa 1,4-beta-celobiosidasa , una celulasa eficiente
• Unidad de celulasa , una unidad para cuantificar la actividad de la celulasa.