Il cellulasi Sono un gruppo di enzimi prodotti dalle piante e da vari microrganismi “cellulolitici”, la cui attività catalitica consiste nella degradazione della cellulosa, il polisaccaride più abbondante in natura..
Queste proteine appartengono alla famiglia delle idrolasi glicosidiche o enzimi glicosilidrolasi, poiché sono in grado di idrolizzare i legami tra le unità di glucosio non solo nella cellulosa, ma anche in alcuni β-D-glucani presenti nei cereali..
La sua presenza nel regno animale è stata discussa e la digestione della cellulosa da parte di animali erbivori è attribuita a una microflora intestinale simbiotica. Tuttavia, studi relativamente recenti hanno dimostrato che questo enzima è prodotto anche da invertebrati come insetti, molluschi e alcuni nematodi..
La cellulosa è una parte essenziale della parete cellulare di tutti gli organismi vegetali ed è prodotta anche da alcune specie di alghe, funghi e batteri. È un omopolisaccaride lineare ad alto peso molecolare composto da D-glucopiranosio legato da legami β-1,4.
Questo polisaccaride è meccanicamente e chimicamente resistente, poiché è composto da catene parallele allineate su assi longitudinali stabilizzati da legami idrogeno..
Poiché le piante, i principali produttori di cellulosa, sono la base della catena alimentare, l'esistenza di questi enzimi è essenziale per l'utilizzo di questi tessuti e, quindi, per il sostentamento di gran parte della fauna terrestre (compresi i microrganismi).
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Le cellulasi espresse dalla maggior parte dei microrganismi esercitano le loro funzioni catalitiche nella matrice extracellulare e, in generale, queste vengono prodotte in grandi quantità, che viene utilizzata industrialmente per molteplici scopi.
I batteri producono piccole quantità di cellulasi associate al complesso, mentre i funghi producono grandi quantità di questi enzimi, che non sempre si associano tra loro, ma agiscono in sinergia.
A seconda dell'organismo studiato, soprattutto se si tratta di procarioti ed eucarioti, le vie "secretorie" per questo tipo di enzimi sono molto diverse..
Le cellulasi o gli enzimi cellulolitici si trovano in natura come sistemi multienzimatici, cioè formano complessi costituiti da più di una proteina. La loro classificazione di solito li divide in tre gruppi importanti:
- Endoglucanasi o endo-1,4-β-D-glucano glucanoidrolasi: che tagliano in modo casuale siti "amorfi" nelle regioni interne delle catene di cellulosa
- Esoglucanasi, cellobioidrolasi o Cellobioidrolasi 1,4-β-D-glucano: che idrolizzano le estremità riducenti e non riducenti delle catene di cellulosa, rilasciando residui di glucosio o cellobiosio (gruppi glucosio legati tra loro)
- β-glucosidasi o β-D-glucoside glucoidrolasi: in grado di idrolizzare le estremità non riducenti della cellulosa e liberare i residui di glucosio
I complessi multienzimatici degli enzimi cellulasi prodotti da alcuni organismi sono noti come cellulosomi, i cui singoli componenti sono difficili da identificare e isolare, ma probabilmente corrispondono agli enzimi dei tre gruppi descritti..
All'interno di ogni gruppo di cellulasi ci sono famiglie, che sono raggruppate insieme perché condividono alcune caratteristiche speciali. Queste famiglie possono formare "clan" i cui membri hanno differenze nelle loro sequenze, ma condividono tra loro alcune caratteristiche strutturali e funzionali..
Gli enzimi della cellulasi sono proteine "modulari" composte da domini strutturalmente e funzionalmente discreti: un dominio catalitico e un dominio di legame ai carboidrati..
Come la maggior parte delle glicosilidrolasi, le cellulasi possiedono, nel dominio catalitico, un residuo amminoacidico che funziona come un nucleofilo catalitico caricato negativamente al pH ottimale per l'enzima e un altro residuo che funge da donatore di protoni..
Questa coppia di residui, a seconda dell'organismo che esprime l'enzima, può essere due aspartati, due glutammati o uno di ciascuno..
In molti funghi e batteri, le cellulasi sono proteine altamente glicosilate, tuttavia, studi indipendenti suggeriscono che questi residui di carboidrati non giocano un ruolo trascendentale nell'attività enzimatica di questi enzimi.
Quando le cellulasi si associano per formare complessi, ottenendo una maggiore attività enzimatica sulle diverse forme dello stesso substrato, queste possono avere fino a cinque differenti subunità enzimatiche.
Questi importanti enzimi, prodotti soprattutto da batteri e funghi cellulolitici, svolgono diverse funzioni, sia dal punto di vista biologico che industriale:
Le cellulasi svolgono un ruolo fondamentale nell'intricata rete di biodegradazione di cellulosa e lignocellulosa, i polisaccaridi più abbondanti nella biosfera..
Le cellulasi prodotte da microrganismi associati al tratto gastrointestinale di molti animali erbivori rappresentano una delle famiglie enzimatiche più importanti in natura, poiché onnivori e carnivori stretti si nutrono della biomassa assimilata da questi animali.
L'uomo, ad esempio, consuma cibi di origine vegetale e tutta la cellulosa presente in questi è considerata "fibra grezza". Successivamente viene eliminato con le feci, poiché non ha enzimi per la sua digestione.
I ruminanti, come le mucche, sono in grado di aumentare il loro peso e la dimensione muscolare grazie all'utilizzo del carbonio contenuto sotto forma di glucosio nella cellulosa, poiché la loro microflora intestinale è responsabile della degradazione delle piante attraverso l'attività della cellulasi.
Nelle piante, questi enzimi sono responsabili della degradazione della parete cellulare in risposta a diversi stimoli che si verificano in diversi stadi di sviluppo, come l'abscissione e la maturazione dei frutti, l'abscissione di foglie e baccelli, tra gli altri..
A livello industriale, questi enzimi sono prodotti su larga scala e utilizzati in molti processi agricoli legati ai materiali vegetali e alla loro lavorazione..
Tra questi processi c'è la produzione di biocarburanti, per i quali le cellulasi soddisfano oltre l'8% della domanda di enzimi industriali. Questo perché questi enzimi sono della massima importanza per la produzione di etanolo da rifiuti vegetali provenienti da diverse fonti..
Sono inoltre utilizzati nell'industria tessile per molteplici scopi: produzione di mangimi per animali, miglioramento della qualità e "digeribilità" dei mangimi concentrati o durante la lavorazione di succhi e farine..
Queste proteine sono utilizzate, a loro volta, nella produzione di oli, spezie, polisaccaridi per uso commerciale come l'agar e anche per ottenere proteine da semi e altri tessuti vegetali..
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