Introduzione
La cellulosa è un composto organico appartenente alla categoria dei polisaccaridi. È un polimero costituito da subunità di glucosio. Si trova nelle cellule batteriche e vegetali ed è abbondantemente presente nelle loro pareti cellulari. La cellulosa svolge un ruolo importante nella struttura e nella forza delle piante. Trova anche grande importanza nel settore.
In questo articolo studieremo la struttura, le proprietà e la sintesi della cellulosa. Discuteremo anche la sua presenza e importanza nelle piante., Alla fine, parleremo degli usi industriali della cellulosa. Quindi, continua a leggere.
Struttura
La cellulosa è costituita da migliaia di subunità D-glucosio. Le subunità del glucosio nella cellulosa sono collegate tramite legami glicosidici beta 1-4.
Contrariamente agli altri polisaccaridi, l’orientamento delle molecole di glucosio nella cellulosa è invertito. Hanno orientamento beta in cui il gruppo idrossilico del carbonio anomerico o del carbonio numero uno è diretto sopra il piano dell’anello del glucosio., I gruppi idrossilici del resto degli atomi di carbonio sono diretti sotto il piano dell’anello.
Al fine di rendere beta 1-4 legami glicosidici, ogni molecola di glucosio alternativo in cellulosa è invertita. Il gruppo idrossilico del carbonio 1 è diretto verso l’alto e quello del carbonio 4 è diretto verso il basso. Ora, per creare un legame glicosidico beta 1-4, una di queste molecole dovrebbe essere invertita in modo che entrambi i gruppi idrossilici si trovino sullo stesso piano. Questa è la ragione per l’inversione di ogni molecola di glucosio alternativo in cellulosa.
La cellulosa è una molecola non ramificata., Le catene polimeriche di glucosio sono disposte in uno schema lineare. A differenza dell’amido o del glicogeno, queste catene non subiscono alcuna avvolgimento, formazione di eliche o ramificazione. Piuttosto, queste catene sono disposte parallele l’una all’altra. I legami idrogeno si formano tra queste catene a causa di atomi di idrogeno e gruppi idrossilici che tengono saldamente le catene insieme. Ciò si traduce nella formazione di microfibrille di cellulosa che sono solide e forti.
La cellulosa è presente nelle cellule vegetali sotto forma di microfibrille cellulosiche. Queste microfibrille formano insieme polisaccaride o matrice di cellulosa., Ulteriori dettagli della matrice polisaccaridica saranno discussi da qualche altra parte in questo articolo.
Proprietà
La cellulosa differisce dal resto dei polisaccaridi nelle sue proprietà. Le proprietà uniche della cellulosa sono dovute alla sua struttura unica. Dipendono anche dal numero di subunità di glucosio presenti nella cellulosa., Ha le seguenti proprietà;
- La cellulosa è il carboidrato più abbondante presente in natura
- È insolubile in acqua
- La cellulosa è un solido cristallino con un aspetto bianco polveroso
- Ha un’elevata resistenza alla trazione dovuta ai solidi legami idrogeno tra le singole catene in microfibrille cellulosiche., La resistenza alla trazione di cellulosa stalline è paragonabile a quella dell’acciaio
- alternativo disposizione delle molecole di glucosio in cellulosa contribuisce, inoltre, ad alta resistenza alla trazione di cellulosa
- è solubile in solventi organici
Sintesi
la Cellulosa costituisce la sintesi non si verifica in animali. È limitato a solo piante o batteri. La biosintesi della cellulosa in due organismi segue diversi passaggi
Piante
Nelle piante, la sintesi della cellulosa avviene su speciali complessi presenti sulla membrana cellulare chiamati complessi terminali a rosetta., Questi complessi sono le proteine transmembrana esameriche che sono in grado di galleggiare liberamente nella membrana plasmatica. Contengono almeno tre enzimi di cellulosa sintasi.
Queste rosette transmembrana svolgono due funzioni; polimerizzazione dei residui di glucosio per formare catena di cellulosa e assemblaggio di microfibrille di cellulosa.
Sintesi della catena di cellulosa
Il processo di sintesi della catena di cellulosa inizia sull’estremità citoplasmatica dei complessi terminali della rosetta. Gli enzimi della cellulosa sintasi utilizzano residui di glucosio forniti da UDP-glucosio.,
Nella prima fase, il glucosio-6-fosfato viene convertito in glucosio-1-fosfato nel citoplasma delle cellule vegetali dall’enzima fosfoglucomutasi. Questo passaggio è comune nella sintesi di amido, glicogeno e cellulosa.
Nella fase successiva, UTP e glucosio-1-fosfato reagiscono per formare UDP-glucosio e viene rilasciata una molecola di pirofosfato. L’idrolisi del pirofosfato rende questo passaggio irreversibile. È inoltre il punto tasso-limitante nella sintesi della cellulosa.
La cellulasi sintasi richiede un primer per la sintesi delle catene di cellulosa., La molecola steroidea sitosterolo-beta-glucoside serve la funzione di primer nella sintesi della cellulosa.
La cellulosa sintasi inizia a costruire una catena di cellulosa su primer utilizzando residui di glucosio forniti da molecole UDP-glucosio. Si unisce ai residui di glucosio tramite beta 1-4 legami glicosidici per formare una lunga catena di cellulosa rilasciando molecole UDP.
Le molecole UDP possono quindi essere convertite in UTP da alcune chinasi.,
Assemblaggio di microfibrille di cellulosa
Una volta che una catena di cellulosa è stata allungata ad una certa lunghezza, l’enzima cellulasi presente nel citoplasma scinde questa catena dal primer.
I complessi di rosette spostano questa catena attraverso la membrana plasmatica nella parete cellulare.
Nella parete cellulare, diverse catene di cellulosa sono disposte parallele l’una all’altra e tra di esse si formano legami idrogeno. Ciò si traduce nella formazione di microfibrille di cellulosa ad alta resistenza alla trazione.,
Batteri
I batteri utilizzano la stessa famiglia di enzimi per la sintesi della cellulosa utilizzata dalle piante. Tuttavia, gli enzimi batterici sono codificati da diversi geni. Un’altra ipotesi è che le piante abbiano acquisito gli enzimi di sintesi della cellulosa dai batteri dopo l’endosimbiosi.
Animali
La cellulosa è anche sintetizzata da alcuni animali chiamati tunicati. I tunicati sono animali invertebrati che si trovano nel mare. Hanno un guscio duro che racchiude il corpo delicato dell’animale. La cellulosa si trova nel guscio di questi animali.,
Il processo di sintesi della cellulosa è anche in qualche modo lo stesso delle piante e dei batteri. La struttura della cellulosa è essenzialmente la stessa.
Rete di cellulosa nella parete cellulare delle piante
È anche importante comprendere la disposizione delle microfibrille cellulosiche e della matrice polisaccaridica nella parete cellulare delle piante.
Abbiamo studiato in precedenza che quando le catene di cellulosa vengono sintetizzate, vengono esportate dalla cellula nella parete cellulare., Qui le catene di cellulosa sono disposte in modo parallelo formando legami idrogeno tra di loro. Ciò si traduce nella formazione di microfibrille di cellulosa.
La matrice polisaccaridica si forma quando altre molecole di zucchero interagiscono con queste microfibrille di cellulosa. Nella parete cellulare primaria delle piante, glucani e arabinoxilani sono i due componenti principali della matrice polisaccaridica. Questi polisaccaridi interagiscono tra loro e formano una rete tra le microfibrille di cellulosa. Questa rete è rafforzata dalla formazione di collegamenti incrociati., Questi legami incrociati si formano quando i residui di arabinoxilano reagiscono con acidi come l’acido ferulico (FA) e l’acido diferulico (DFA). Per questo motivo, si dice anche che la matrice polisaccaridica è costituita da polisaccaridi acidi.
Oltre alle microfibrille cellulosiche e alla matrice polisaccaridica, la parete cellulare primaria contiene anche polisaccaridi reticolanti. Questi polisaccaridi incrociano le microfibrille di cellulosa per formare una rete complessa. Più importante di questi polisaccaridi reticolazione è emicellulosa., È un derivato della cellulosa e sarà discusso brevemente verso la fine di questo articolo.
Il calcio svolge anche un ruolo importante nella formazione della rete. Incrocia i polisaccaridi acidi presenti nella matrice polisaccaridica.
Occorrenza
La cellulosa è il biopolimero più abbondantemente prodotto sulla terra. È presente nella parete cellulare di tutte le cellule vegetali. La cellulosa è presente anche nella parete cellulare di altri organismi come batteri e alghe.
La forma più pura di cellulosa è il cotone, che contiene circa il 98% di cellulosa., Inoltre, la cellulosa è presente anche nel legno ottenuto dagli alberi.
Sebbene le cellule animali non abbiano parete cellulare, la cellulosa si trova anche in alcune specie animali. È presente nei gusci dei tunicati, gli animali invertebrati che si trovano nel mare.
Cellulolisi
Il processo di degradazione della cellulosa è chiamato cellulolisi. Può essere discusso sotto tre voci; in piante, animali, e su esposizione al calore.
Piante
La cellulosa non è normalmente degradata nelle piante se non in condizioni di malattia., Nella maggior parte delle malattie, gli agenti patogeni penetrano nella cellula vegetale dopo aver degradato la parete cellulare vegetale. Questa degradazione della parete cellulare viene effettuata da enzimi cellulolitici che interrompono o fendono la cellulosa presente nelle microfibrille.
I vari enzimi cellulolitici sono noti collettivamente come enzimi cellulasi. Questi enzimi sono prodotti da vari batteri, funghi e altri parassiti delle piante.
Animali
La degradazione della cellulosa avviene nel tratto digestivo di alcuni mammiferi., Di solito è difficile digerire la cellulosa a causa di un’estesa reticolazione che esce tra le sue fibre nella parete cellulare della pianta. Tuttavia, la digestione può essere facilitata se viene sciolta in alcuni solventi polari come soluzioni ioniche ecc.
La digestione della cellulosa è limitata agli erbivori come mucche, capre, pecore, ecc. Questi mammiferi hanno batteri che vivono in una relazione simbiotica all’interno del tratto digestivo di questi mammiferi. Questi includono Cellulomonas e specie batteriche di ruminococco.
Questi batteri producono enzima cellulasi che degrada la cellulosa presente nella dieta di questi mammiferi., I prodotti di degradazione della cellulosa sono utilizzati dai batteri per la loro crescita e proliferazione.
I batteri vengono successivamente digeriti dagli enzimi del tratto digestivo del mammifero. In questo modo, la cellulosa presente nei batteri diventa una parte del corpo dei mammiferi.,
Due tipi di enzimi sono coinvolti in questo processo;
- Cellulasi, si agisce sul glucosio residui presenti all’interno della catena e rompere la beta 1-4 linages
- Glucosidases, agiscono sulle estremità della catena e rimuovere il terminale di glucosio residui rompendo i legami glicosidici
la Cellulosa non è digerito nel sistema digestivo umano, a causa della mancanza di enzimi che rompono le beta 1-4 legami glicosidici.
Termolisi
Termolisi significa la rottura della cellulosa quando è esposta ad alta temperatura o calore.,
La termolisi della cellulosa avviene a 350 gradi, quando si decompone in vapori di anidride carbonica e altri aerosol. Questa temperatura è chiamata temperatura termolitica o temperatura pirolitica.
La fusione della cellulosa a temperatura pirolitica contiene catene corte composte da due a sette subunità.
Gli aerosol che si presentano a questa temperatura pirolitica contengono oligomeri di cellulosa in forma anidra. Queste molecole anidre sono derivate dalla fusione.
Importanza
La cellulosa trova profonda importanza nelle piante, negli animali, nei microrganismi e nell’industria.,
Piante
La cellulosa fornisce rigidità alle cellule vegetali. L’elevata resistenza alla trazione delle fibre di cellulosa presenti nella parete cellulare vegetale è responsabile del mantenimento della forma e della rigidità delle cellule vegetali. È dovuto a fibre di cellulosa così forti nella parete cellulare che le cellule vegetali non scoppiano come le cellule animali quando vengono collocate in una soluzione ipotonica.
Microrganismi
La cellulosa è un componente delle pareti cellulari di batteri e alghe. Fornisce rigidità a queste cellule così come mantiene la loro forma e struttura.,
Animali
È un’importante fonte dietetica di carboidrati negli erbivori come capre e pecore.
In altri mammiferi e umani, non può essere digerito. Tuttavia, agisce come una fibra ingombrante necessaria per la salute del tratto gastrointestinale.
Industria
La cellulosa viene utilizzata in diverse industrie per il benessere dell’umanità. Di seguito sono riportati alcuni dei suoi usi:
- La cellulosa viene utilizzata per produrre carta, cartoni, cartoni, cartoncini e altri prodotti cartacei.
- È utilizzato nell’industria tessile per fare vestiti., Diversi vestiti sono realizzati con cotone e altre fibre vegetali.
- È usato per fare la carta elettrica dell’isolamento nell’industria elettrica.
- È usato per fare bio-combustibile.
- La cellulosa è utilizzata nella polvere da sparo.
- È usato come stabilizzatore in diversi farmaci.
- Viene utilizzato nei laboratori biologici come fase stazionaria per la cromatografia.
Sommario
- La cellulosa è il più importante polisaccaride strutturale presente nelle piante.
- È costituito da catene non ramificate di molecole di glucosio legate tramite legami glicosidici beta 1-4.,
- Ogni molecola di glucosio alternativa nelle catene di cellulosa è invertita. Queste catene sono disposte parallele l’una all’altra per formare microfibrille.
- È sintetizzato da speciali complessi transmembrana di rosette presenti nella membrana plasmatica delle cellule vegetali.
- Le microfibrille di cellulosa sono reticolate tramite molecole di emicellulosa.
- La matrice polisaccaridica con polisaccaride acido è presente anche insieme alle microfibrille cellulosiche nella parete cellulare delle piante.,
- La cellulosa è presente nella parete cellulare di piante, alghe e batteri e anche nel guscio dei tunicati.
- La cellulosa viene digerita solo negli erbivori.
- Nelle piante, la cellulosa viene degradata dagli enzimi patogeni. Subisce anche degradazione a 350 gradi Celsius temperatura.
- Fornisce resistenza e rigidità alle cellule vegetali e batteriche e alle alghe.
- È una fonte di carboidrati per gli erbivori.
- La cellulosa rende le fibre alla rinfusa nella dieta umana.,
- Viene utilizzato nell’industria per i seguenti scopi;
- Per produrre carta e prodotti di carta
- Per produrre carta isolante
- Come biocarburante
- Come fase stazionaria nella cromatografia
- Per produrre polvere da sparo
