¿Qué es la celulasa?
La celulasa es un grupo de enzimas producidas por las plantas y diversos microorganismos “celulolíticos”, cuya actividad catalítica consiste en la degradación de la celulosa, el polisacárido más abundante en la naturaleza.
Estas proteínas pertenecen a la familia de las enzimas hidrolasas glucosídicas o glicosil hidrolasas, puesto que son capaces de hidrolizar los enlaces entre las unidades de glucosa no solo de la celulosa, sino también de algunos β-D-glucanos presentes en los cereales.
Su presencia en el reino animal ha sido argumentada y la digestión de la celulosa por los animales herbívoros se atribuye a una microflora intestinal simbionte. Sin embargo, estudios relativamente recientes han demostrado que esta enzima también es producida por invertebrados como insectos, moluscos y algunos nemátodos.
La celulosa es parte esencial de la pared celular de todos los organismos vegetales y también es producida por algunas especies de algas, hongos y bacterias. Es un homopolisacárido lineal de gran peso molecular compuesto por D-glucopiranosas unidas por enlaces β-1,4.
Este polisacárido es mecánica y químicamente resistente, puesto que se compone por cadenas paralelas que se alinean en ejes longitudinales estabilizados por puentes de hidrógeno.
Ya que las plantas, principales productoras de celulosa, son la base de la cadena alimenticia, la existencia de estas enzimas es fundamental para el aprovechamiento de dichos tejidos y, por ende, para la subsistencia de gran parte de la fauna terrestre (incluyendo a los microorganismos).
Características de la celulasa
– Clasificación. Es una enzima hidrolasa que catalizan la ruptura de enlaces químicos mediante la adición de agua.
– Sustrato. Actúa sobre la celulosa como su sustrato principal. La celulosa es un polímero lineal de glucosa unida por enlaces β-1,4-glucosídicos.
– Acción enzimática. Su función principal es romper los enlaces glucosídicos de la celulosa, descomponiéndola en unidades más simples de glucosa.
– Producida por microorganismos. Varios microorganismos la producen, incluyendo bacterias, hongos y algunos protozoos. Es particularmente común en microorganismos que habitan en el suelo y en el sistema digestivo de animales herbívoros.
– Sinergia con otras enzimas. Con frecuencia, la celulasa trabaja con otras enzimas, como las celobiasas y las endo-1,4-beta-glucanasas, para descomponer eficientemente la celulosa.
– Condiciones especiales. La actividad de la celulasa puede afectarse por factores como temperatura, pH y concentración de sustrato. Por ello, diversos tipos de celulasas pueden tener requerimientos específicos respecto a estas condiciones.
Tipos de celulasa
Las celulasas o enzimas celulolíticas se encuentran en la naturaleza como sistemas multienzimáticos, es decir, formando complejos que se componen de más de una proteína. Su clasificación usualmente las divide en tres importantes grupos:
- Endoglucanasas o endo-1,4-β-D-glucan glucanohidrolasas: que cortan en sitios “amorfos” aleatorios en regiones internas de las cadenas de celulosa.
- Exoglucanasas, celobiohidrolasas o 1,4-β-D-glucano celobiohidrolasas: que hidrolizan los extremos reductores y no reductores de las cadenas de celulosa, liberando residuos de glucosa o celobiosa (grupos de glucosa unidos entre sí).
- β-glucosidasas o β-D-glucósido glucohidrolasa: capaces de hidrolizar los extremos no reductores de la celulosa y liberar residuos de glucosa.
Los complejos multienzimáticos de las enzimas celulasas que algunos organismos producen se conocen como celulosomas, cuyos componentes individuales son difíciles de identificar y aislar, pero corresponden, probablemente, a enzimas de los tres grupos descritos.
Dentro de cada grupo de celulasas existen familias, las cuales se agrupan entre sí porque comparten algunas características especiales. Estas familias pueden formar “clanes”, cuyos miembros poseen diferencias en sus secuencias, pero comparten algunas características estructurales y funcionales entre sí.
Estructura de la celulasa
Las enzimas celulasas son proteínas “modulares” compuestas por dominios estructural y funcionalmente discretos: un dominio catalítico y otro de unión a carbohidratos.
Al igual que la mayor parte de las glicosil hidrolasas, las celulasas poseen, en el dominio catalítico, un residuo aminoacídico que funciona como nucleófilo catalítico que está cargado negativamente al pH óptimo para la enzima y otro residuo que actúa como donador de protones.
Este par de residuos, dependiendo del organismo que exprese la enzima, pueden ser dos aspartatos, dos glutamatos o uno de cada uno.
En muchos hongos y bacterias, las celulasas son proteínas altamente glicosiladas, no obstante, estudios independientes sugieren que estos residuos carbohidratados no juegan un papel trascendental en la actividad enzimática de estas enzimas.
Cuando las celulasas se asocian para formar complejos, consiguiendo una mayor actividad enzimática sobre las distintas formas del mismo sustrato, pueden poseer hasta cinco subunidades enzimáticas distintas.
Funciones de la celulasa
Estas importantes enzimas, producidas especialmente por bacterias y hongos celulolíticos, tienen diversas funciones, tanto desde el punto de vista biológico como industrial:
- Descomposición de la celulosa. Cataliza la descomposición de la celulosa en unidades más simples de glucosa. La celulosa está compuesta por cadenas lineales de glucosa unidas por enlaces β-1,4-glucosídicos, y la celulasa rompe estos enlaces para liberar glucosa.
- Facilitación de la digestión. En el mundo natural, microorganismos como bacterias, hongos y protozoos producen celulasa. Algunos animales, como rumiantes y termitas, también tienen microorganismos simbióticos en sus sistemas digestivos que la producen. Estos organismos ayudan a digerir materiales vegetales ricos en celulosa, convirtiéndolos en fuentes de energía utilizable.
- Reciclaje de biomasa. Desempeña un papel crucial en el ciclo de vida de los organismos y en los ecosistemas, contribuyendo al reciclaje de materiales ricos en celulosa. La descomposición de la celulosa libera glucosa y otros productos de degradación que otros organismos pueden utilizar en el ecosistema.
- Sinergia con otras enzimas. Frecuentemente, la celulasa trabaja en conjunto con otras enzimas, como celobiasas y endo-1,4-beta-glucanasas, para descomponer la celulosa eficientemente. Esta sinergia resulta fundamental para descomponer la estructura compleja de la celulosa.
- Aplicaciones industriales. A nivel industrial, estas enzimas se producen a gran escala y aprovechadas en muchos procesos de agricultura, que se relacionan con materiales vegetales y su procesamiento.
- Producción de biocombustibles. Entre estos procesos está la producción de biocombustibles, para la cual las celulasas satisfacen más del 8% de la demanda enzimática industrial. Esto se debe a que estas enzimas son de suma importancia para la producción de etanol a partir de desechos vegetales de distintas fuentes.
- Industria alimentaria. También se utilizan en la industria textil con múltiples propósitos: producción de alimentos animales, mejoramiento de la calidad y la “digestibilidad” de los alimentos concentrados o durante el procesamiento de jugos y harinas. Estas proteínas son empleadas, a su vez, en la producción de aceites, especias, polisacáridos de uso comercial, como el agar, y también para la obtención de proteínas a partir de semillas y otros tejidos vegetales.
Referencias
- Bayer, E. A., Chanzyt, H., Lamed, R., & Shoham, Y. Cellulose, cellulases and cellulosomes. Current Opinion in Structural Biology.
- Dey, P., & Harborne, J. Plant Biochemistry. Academic Press.
- Knowles, J., & Teeri, T. Cellulase families and their genes. TIBTECH.
- Nelson, D. L., & Cox, M. M. Lehninger Principios de Bioquímica. Ediciones Omega (5th ed.).
- Watanabe, H., & Tokuda, G. Animal Cellulases. Cellular and Molecular Life Sciences.