miniatura|Model d'una cel·lulasa Les cel·lulases són un conjunt d'enzims que catalitzen la hidròlisi de la cel·lulosa, és a dir, la descomposició de la cel·lulosa i d'altres polisacàrids relacionats presents principalment a les parets cel·lulars dels vegetals. Aquests enzims tenen una importància biològica i industrial considerable, ja que permeten la conversió de biomassa vegetal en sucres assimilables i altres compostos d'interès biotecnològic.
Funció i mecanisme d'acció La cel·lulosa és un polisacàrid estructural format per cadenes lineals de glucosa unides mitjançant enllaços β(1→4). Les cel·lulases hidrolitzen aquests enllaços, transformant el polímer insoluble en oligosacàrids i, finalment, en glucosa. Aquest procés rep el nom d'hidròlisi de la cel·lulosa. De fet, la descomposició de la cel·lulosa té una importància econòmica considerable, ja que fa que un dels principals components de les plantes estigui disponible per al consum i l'ús en reaccions químiques.
Les cel·lulases es produeixen principalment per fongs, bacteris i protozous, i sovint actuen de manera sinèrgica, fet que permet una degradació més eficient del material cel·lulòsic que la que s'obtindria amb l'acció d'un sol enzim.
Tipus de cel·lulases Les cel·lulases constitueixen un sistema enzimàtic complex format per diversos tipus d'enzims que actuen de manera coordinada per hidrolitzar la cel·lulosa, un polisacàrid lineal format per unitats de glucosa unides per enllaços β-1,4. Segons el seu mecanisme d'acció sobre la cadena de cel·lulosa, les cel·lulases es classifiquen principalment en tres grups.
Endoglucanases (EC 3.2.1.4): Les endoglucanases actuen de manera aleatòria sobre enllaços β-1,4 interns de la cadena de cel·lulosa. Aquest mecanisme provoca la ruptura interna de la cadena, generant nous extrems lliures i fragments de diferent longitud. L'acció de les endoglucanases redueix la cristallinitat del polímer i incrementa l'accessibilitat de la cel·lulosa per a la resta de cel·lulases. Exoglucanases o cel·lobiohidrolases (EC 3.2.1.91): Les exoglucanases actuen sobre els extrems terminals de la cadena de cel·lulosa, alliberant principalment unitats de cel·lobiosa (disacàrid format per dues molècules de glucosa). Aquestes enzims són especialment eficients en regions cristal·lines de la cel·lulosa i actuen de manera processiva, avançant al llarg de la cadena sense dissociar-se després de cada reacció. β-glucosidases (EC 3.2.1.21): Les β-glucosidases catalitzen la hidròlisi de la cel·lobiosa i d'altres oligòsacàrids solubles produïts per l'acció de les endo- i exoglucanases, convertint-los en glucosa lliure. Aquest pas és essencial per completar la degradació de la cel·lulosa i evitar l'acumulació de cel·lobiosa.
miniatura|500px|Mecanisme d'hidròlisi de la cel·lulosa per les cel·lulasesLa degradació eficient de la cel·lulosa requereix la acció sinèrgica d'aquests tres tipus d'enzims. Les endoglucanases creen punts d'atac interns, les exoglucanases alliberen cel·lobiosa a partir dels extrems de la cadena, i les β-glucosidases transformen aquests productes intermedis en glucosa assimilable. Aquesta cooperació permet la conversió progressiva de la cel·lulosa insoluble en sucres simples.
A part dels remugants, la majoria dels animals (inclosos els humans) no produeixen cel·lulosa en els seus cossos i només poden trencar parcialment la cel·lulosa a través de la fermentació, limitant la seva capacitat d'utilitzar energia en material vegetal fibrosa. L'acció conjunta d'aquests enzims permet una conversió eficient de la cel·lulosa en sucres simples.
Digestió de la cel·lulosa en animals La majoria dels mamífers no produeixen cel·lulases endògenes i, per tant, no poden digerir directament la cel·lulosa. En animals herbívors com els remugants, la degradació de la cel·lulosa és possible gràcies a la presència de microorganismes simbionts al tracte digestiu que sintetitzen aquests enzims.
Només alguns animals, com certes termites, cargols i cucs de terra, produeixen cel·lulases pròpies.
Estructura i complexos enzimàtics Moltes cel·lulases fúngiques presenten una estructura modular formada per dos dominis, un domini catalític i un domini d'unió a la cel·lulosa, que estan units per un enllaçador flexible. Aquesta organització facilita la interacció amb un substrat insoluble, com és la cel·lulosa, i permet que l'enzim difongui bidimensionalment sobre una superfície d'una manera semblant a una eruga. No obstant això, també hi ha cel·luloses (majoritàriament endoglucanases) que no tenen dominis d'unió a la cel·lulosa.
Tant la unió de substrats com la catàlisi depenen de l'estructura tridimensional de l'enzim que sorgeix com a conseqüència del nivell de plegament de proteïnes. La seqüència d'aminoàcids i la disposició dels seus residus que es produeixen dins del lloc actiu, la posició on s'uneix el substrat, pot influir en factors com l'afinitat d'unió dels lligands, l'estabilització dels substrats dins del lloc actiu i la catàlisi. L'estructura del substrat és complementària a l'estructura precisa del lloc actiu de l'enzim. Els canvis en la posició dels residus poden provocar la distorsió d'una o més d'aquestes interaccions. Factors addicionals com la temperatura, el pH i els ions metàl·lics influeixen en les interaccions no covalents entre l'estructura de l'enzim. Les espècies Thermotoga maritima fan cel·luloses que consisteixen en 2 fulles catal (estructures proteiques) que envolten una regió catalítica central que és la zona activa. L'enzim es categoritza com una endoglucanasa, que internament talla enllaços -1-1,4-glicosídics en cadenes de cel·lulosa facilitant una major degradació del polímer. Diferents espècies de la mateixa família que T. maritima fan cel·luloses amb diferents estructures. Les cel·luloses produïdes per l'espècie Coprinopsis cinerea consisteixen en set cadenes proteiques en forma de túnel tancat. Aquests enzims hidrolitzen el substrat carboximetil cel·lulosa. La unió del substrat en el lloc actiu indueix un canvi en la conformació que permet la degradació de la molècula.
En molts bacteris, les cel·lulases s'organitzen en complexos multienzimàtics anomenats cel·losomes, que permeten una degradació altament eficient dels materials lignocel·lulòsics. Poden contenir cinc subunitats enzimàtiques diferents que representen les endocel·luloses, exocel·lulares, cel·lobiases, cel·luloses oxidatives i fosforilasa de cel·lulosa on només les exocel·lulares i cel·lobiases participen en la hidròlisi real de la unió 1(14)4). El nombre de subunitats que componen els cel·lulosomes també pot determinar la taxa d'activitat enzimàtica.
Les cel·luloses multidomini estan molt esteses entre molts grups taxonòmics, però les cel·luloses de bacteris anaeròbics, que es troben en els cel·lulosomes, tenen l'arquitectura més complexa que consisteix en diferents tipus de mòduls. Per exemple, Clostridium cellulolyticum produeix cel·luloses modulars de 13 GH9 que contenen un nombre i una disposició diferents de domini catalític (CD), mòdul d'unió a hidrats de carboni (CBM), dockerina, enllaçador i domini semblant a Ig.
El complex de la cel·lulasa de Trichoderma reesei, per exemple, comprèn un component anomenat C1 que separa les cadenes de cel·lulosa cristal·lina, una endoglucanasa, una exoglucanasa i una g-glucosidasa.
S'han identificat nombroses seqüències de "signatures" conegudes com a dockerines i cohesines en els genomes de bacteris que produeixen cel·lulosomes. Depenent de la seva seqüència d'aminoàcids i les estructures terciàries, les cel·lulases es divideixen en clans i famílies.
Les cel·luloses multimodulars són més eficients que l'enzim lliure (amb només CD) a causa del sinergisme a causa de la proximitat entre l'enzim i el substrat cel·lulòsic. Els CBM estan involucrats en la unió de la cel·lulosa, mentre que els lligams glicosilats proporcionen flexibilitat al CD per a una major activitat i protecció de la proteasa, així com una major unió a la superfície de cel·lulosa.
Aplicacions de les cel·lulases Indústria alimentària Les cel·lulases s'utilitzen àmpliament a la indústria alimentària per modificar l'estructura de les parets cel·lulars vegetals, principalment mitjançant la hidròlisi de la cel·lulosa i altres polisacàrids estructurals associats. Aquesta acció permet millorar la textura, el rendiment dels processos d'extracció, la clarificació de líquids i l'estabilitat dels productes finals.
Panificació i brioixeria: En la indústria de la panificació i la brioixeria, les cel·lulases s'afegeixen a les farines o a la massa per actuar sobre els polisacàrids no amilacis presents a la paret cel·lular del gra, especialment la cel·lulosa i les hemicel·luloses insolubles. L'acció de les cel·lulases redueix la rigidesa de la xarxa fibrosa de la farina, fet que comporta una millor extensibilitat i manipulació de la massa, un augment del volum del pa, una molla més tova i uniforme i un allarga la vida del producte retardant l'enduriment. Aquest efecte s'explica perquè la degradació parcial de la cel·lulosa facilita la retenció d'aigua i millora la interacció entre el gluten i altres components de la massa. Indústria de sucs de fruites i vegetals: En la producció de sucs, les cel·lulases s'utilitzen conjuntament amb altres enzims com les pectinases i les hemicel·lulases per degradar les parets cel·lulars dels teixits vegetals. La seva aplicació permet augmentar el rendiment d'extracció del suc, ja que facilita l'alliberament del contingut cel·lular, reduir la viscositat del producte i millorar la clarificació del suc disminuint la presència de partícules en suspensió. Les cel·lulases hidrolitzen la cel·lulosa que confereix rigidesa a la paret cel·lular, afavorint la ruptura dels teixits i la separació del líquid durant el premsatge o la centrifugació. Aquesta aplicació permet millorar l'eficiència del procés sense necessitat d'inversions addicionals en equipament.En els sucs elaborats a partir de fruites amb un alt contingut en fibra, com el mango, el plàtan o el préssec, sovint es fa servir una combinació de cel·lulases, hemicel·lulases i pectinases. Aquests enzims trenquen l'estructura fibrosa de la paret cel·lular, reduint la mida de les partícules sòlides i millorant la fluïdesa del suc. Aquesta acció permet obtenir sucs i nèctars amb una textura més homogènia i agradable, sense necessitat d'afegir aigua ni altres additius, fet que millora la qualitat sensorial del producte. Indústria vinícola: En l'elaboració del vi, les cel·lulases s'utilitzen principalment durant la maceració del raïm, especialment en la producció de vins negres i aromàtics. La seva funció és degradar parcialment la cel·lulosa de les parets cel·lulars de la pell del raïm facilitant l'extracció de compostos fenòlics, com ho són els tanins, l'alliberament dels pigments, que es troben a la pell del raïm, i la millor difusió de compostos aromàtics cap al most. Tanmateix, contribueixen a augmentar el rendiment de l'extracció, reduir la viscositat del most i facilitar el procés de clarificació. La seva acció contribueix a una major intensitat de color, una millor estabilitat del vi i un perfil sensorial més complex. Indústria cervesera: En la producció de cervesa, les cel·lulases poden utilitzar-se com a enzims auxiliars durant el processament de cereals, especialment quan s'empren matèries primeres amb un alt contingut en fibres estructurals. La hidròlisi de la cel·lulosa i altres polisacàrids insolubles millora la filtrabilitat del most evitant problemes de viscositat excessiva i facilitant la clarificació del producte final. En cerveseria, actuen durant el maltatge i la fermentació per facilitar la degradació de β-glucans i millorar el rendiment del procés.