Las glucanasas son enzimas que descomponen los polisacáridos grandes mediante hidrólisis . El producto de la reacción de hidrólisis se llama glucano , un polisacárido lineal formado por hasta 1200 monómeros de glucosa , unidos mediante enlaces glicosídicos. [1] Los glucanos abundan en las paredes celulares del endospermo de cereales como la cebada , el centeno , el sorgo , el arroz y el trigo . [1] Las glucanasas también se conocen como liquenasas , hidrolasas , glicosidasas , glicosilhidrolasas y/o laminarinasas . [1] Muchos tipos de glucanasas comparten secuencias de aminoácidos similares pero sustratos muy diferentes. [1] De las endoglucanasas conocidas, la 1,3-1,4-β-glucanasa se considera la más activa. [1]
Las β-glucanasas son un grupo diverso de enzimas que catalizan la hidrólisis de los β-glucanos, que son polisacáridos compuestos de monómeros de glucosa conectados por enlaces β-glucosídicos. Estas enzimas desempeñan funciones cruciales en diversos procesos biológicos en diferentes organismos, incluidas plantas, hongos y bacterias. [2]
En las plantas, las β-glucanasas participan en el metabolismo de la pared celular, incluida la síntesis, remodelación y renovación de los componentes de la pared celular durante las diferentes etapas de crecimiento y desarrollo. [2] Se clasifican en tres categorías principales según el tipo de enlace glicosídico que escinden: β-1,4-glucanasas, β-1,3-glucanasas y β-1,3-1,4-glucanasas. [2] Las β-glucanasas vegetales también participan en los mecanismos de defensa contra el ataque de patógenos al degradar las paredes celulares de los microbios invasores y generar glucanos de señalización que desencadenan respuestas de defensa globales. [2] [3]
Las β-glucanasas microbianas participan en la degradación de los β-glucanos presentes en su entorno, lo que les permite utilizar estos polisacáridos como fuente de carbono para el crecimiento y la producción de energía. [2] Estas enzimas tienen aplicaciones potenciales en diversas industrias, como la de alimentos, piensos y productos farmacéuticos. [4]
Las β-glucanasas se clasifican en diferentes familias de glucósido hidrolasa (GH) según sus similitudes en la secuencia de aminoácidos y características estructurales. [2] Las principales familias de GH que contienen β-glucanasas son GH5, GH16, GH17, GH55 y GH81. [2] Cada familia tiene distintas especificidades de sustrato, mecanismos catalíticos y orígenes evolutivos. [2] [5]
El interés histórico por las β-glucanasas se remonta a sus importantes funciones en la biología vegetal y microbiana, particularmente en el contexto de la remodelación de la pared celular, la germinación de semillas y los mecanismos de defensa. Los primeros esfuerzos de investigación se dirigieron a aislar y caracterizar estas enzimas de diversas fuentes, incluidas plantas, hongos y bacterias, lo que llevó al descubrimiento de su presencia generalizada y diversidad funcional.
Por ejemplo, el estudio de las β-glucanasas en la cebada fue un hito fundamental en la comprensión del proceso de germinación de las semillas. En este contexto, las β-glucanasas rompen las paredes celulares del endospermo, facilitando la movilización de los nutrientes necesarios para el crecimiento de la plántula. [2] Esta actividad enzimática es esencial para la transición exitosa de la semilla a la plántula, ya que permite que la planta en desarrollo acceda a los carbohidratos almacenados.
Además de su papel en la germinación, las β-glucanasas también están implicadas en la remodelación de las paredes celulares durante el crecimiento y desarrollo de las plantas. Participan en la modificación de la estructura de la pared celular, lo cual es crucial para procesos como el alargamiento celular, la maduración del fruto y la abscisión de órganos. [6] Las enzimas participan en la degradación de la celulosa y otros polisacáridos que contienen enlaces 1,4-glicosídicos, que son componentes clave de la pared celular vegetal. [2] [6]
Además, las β-glucanasas han sido identificadas como actores importantes en la defensa de las plantas. Contribuyen a la formación de una barrera de defensa antimicrobiana local al hidrolizar los β-glucanos que se encuentran en las paredes de los patógenos microbianos. Esta acción enzimática no sólo ayuda a prevenir la propagación de infecciones sino que también genera moléculas de señalización que activan respuestas de defensa más amplias de las plantas. [2]
El estudio de las β-glucanasas microbianas también ha revelado su papel en la degradación de los β-glucanos en el medio ambiente, lo que permite a los microorganismos utilizar estos polisacáridos como fuente de carbono y energía. [4] Este aspecto de la función de la β-glucanasa tiene implicaciones para la producción de estas enzimas para aplicaciones industriales.
Las estructuras secundaria y terciaria de las β-glucanasas implican el apilamiento de múltiples láminas β, cada una de las cuales está formada por varias hebras antiparalelas que se doblan y forman una hendidura que cruza el sitio activo de la enzima. [1] Este tipo de estructura se ha denominado " pliegue en rollo de gelatina ".
La formación funcional del complejo enzima-sustrato está dictada por el mecanismo de ajuste inducido. [1]
Las β-glucanasas pertenecen a las familias de glucósidos hidrolasas (GH), que se clasifican en más de 170 familias en la base de datos CAZy según las similitudes de secuencia. [8] Estas familias se dividen a su vez en subfamilias para tener en cuenta variaciones más específicas en la secuencia, estructura y especificidad del sustrato. Para las β-glucanasas, las familias GH16 y GH17 son particularmente importantes, y cada familia se dirige a enlaces específicos dentro de los β-glucanos. [8]
La familia GH16 es un grupo grande y taxonómicamente diverso de enzimas que adoptan un pliegue común en forma de gelatina β y son activas en una variedad de polisacáridos terrestres y marinos. La familia GH16 se ha dividido sistemáticamente en 23 subfamilias robustas, respaldadas por el modelo oculto de Markov y análisis filogenéticos moleculares de máxima verosimilitud. [8] Estas subfamilias exhiben diferencias estructurales terciarias clave, particularmente en los bucles de sitios activos, que dictan la especificidad del sustrato en todo el paisaje evolutivo de GH16.
La familia GH17, aunque no se detalla en los resultados de búsqueda proporcionados, es probable que tenga una diversidad y especialización similares dentro de sus subfamilias, lo que permite una variedad de especificidades de sustrato y funciones biológicas. La clasificación de las β-glucanasas en estas familias y subfamilias proporciona una hoja de ruta para la glucogenómica funcional y guía la bioinformática y los análisis experimentales de estructura-función. [8]
Las características estructurales de las β-glucanasas, particularmente dentro de la familia GH16, resaltan la importancia de la arquitectura del sitio activo y el posicionamiento de los residuos catalíticos para determinar la especificidad de la enzima hacia diferentes enlaces de β-glucano. La familia GH16 exhibe diversidad estructural en los bucles del sitio activo, que es un factor crítico para determinar la especificidad del sustrato de la enzima. [8]
Las enzimas de la familia GH16 adoptan un pliegue en forma de gelatina β común y son activas en una variedad de polisacáridos. La delimitación de casi 23.000 secuencias de GH16 en 23 subfamilias robustas, respaldadas por el modelo oculto de Markov y análisis filogenéticos moleculares de máxima verosimilitud, ha puesto de relieve diferencias estructurales terciarias clave. Estas diferencias se manifiestan predominantemente en los bucles del sitio activo, lo que dicta la especificidad del sustrato en todo el panorama evolutivo de GH16. [8] Esta diversidad estructural permite que las enzimas GH16 se dirijan a una variedad de enlaces de β-glucano, lo que refleja su adaptabilidad y versatilidad funcional.
El sitio activo de las β-glucanasas está diseñado para acomodar la cadena de β-glucano para la catálisis. La especificidad de estas enzimas hacia diferentes enlaces de β-glucano está determinada por la arquitectura del sitio activo y la posición de los residuos catalíticos dentro de él. Por ejemplo, la profundidad y el ancho del surco de unión al sustrato, junto con la naturaleza de los residuos de aminoácidos que recubren este surco, desempeñan un papel crucial en la definición de la afinidad y especificidad de la enzima por su sustrato. [8]
Además, el mecanismo catalítico de las β-glucanasas implica típicamente un par de residuos de ácido glutámico, uno que actúa como nucleófilo y el otro como ácido/base durante la reacción de hidrólisis. Esta doble función de los residuos de ácido glutámico es una característica común entre las glucósidos hidrolasas y es esencial para la escisión del enlace glucosídico en los β-glucanos. [8]
Las β-glucanasas son un grupo diverso de enzimas que catalizan la hidrólisis de varios β-glucanos, que son polisacáridos compuestos de monómeros de glucosa unidos por enlaces β-glucosídicos. La especificidad de estas enzimas hacia diferentes tipos de enlaces de β-glucano determina sus funciones biológicas y aplicaciones potenciales. Aquí, exploramos los principales sustratos de las β-glucanasas y su importancia.
Los β-(1,3)-glucanos se encuentran en las paredes celulares de los hongos y de algunas plantas. Las β-(1,3)-glucanasas son enzimas que se dirigen específicamente a estos polisacáridos y los degradan, desempeñando un papel crucial en el biocontrol contra hongos patógenos. [9] Estas enzimas pueden debilitar las paredes celulares de los hongos invasores, limitando su propagación y reduciendo la gravedad de las infecciones. Como tal, las β-(1,3)-glucanasas tienen aplicaciones potenciales en el desarrollo de agentes antifúngicos respetuosos con el medio ambiente para fines agrícolas y médicos.
La celulosa, un componente importante de las paredes celulares de las plantas, está formada por unidades de glucosa unidas a β-(1,4). Las enzimas capaces de hidrolizar la celulosa, conocidas como celulasas, están muy extendidas entre las bacterias, los hongos y otros organismos. [9] Esta distribución generalizada refleja la necesidad universal de acceder a la glucosa de la biomasa vegetal como fuente de energía y carbono. Las celulasas, incluidas las β-(1,4)-glucanasas, desempeñan un papel crucial en la degradación de materiales celulósicos, lo que los hace valiosos en diversos procesos industriales, como la producción de biocombustibles, la fabricación de textiles y el reciclaje de papel. [4]
Los β-(1,6)-glucanos son polisacáridos menos comunes que se encuentran como componentes menores en las paredes celulares de algunos hongos y bacterias. Las β-(1,6)-glucanasas son enzimas que hidrolizan eficientemente estos glucanos, liberando glucosa como producto primario sin formar oligosacáridos. [9] Si bien sus aplicaciones están menos exploradas en comparación con otras β-glucanasas, estas enzimas pueden tener potencial en las industrias alimentaria y farmacéutica, donde es deseable la producción de oligosacáridos específicos.
Los β-glucanos de enlace mixto son polisacáridos que se encuentran en las paredes celulares de pastos y cereales como la cebada y la avena. Estos glucanos constan de cadenas con residuos de β-(1,3) y β-(1,4)-glucosilo. [9] Las propiedades fisicoquímicas de estos glucanos y, por tanto, su susceptibilidad a la hidrólisis enzimática, están influenciadas por la proporción y distribución de estos enlaces. [9] Las β-glucanasas que pueden degradar eficientemente los glucanos de enlaces mixtos son de particular interés en las industrias cervecera y panificadora, donde pueden mejorar la calidad y el procesamiento de productos a base de cereales. [10]
La diversidad de sustratos de β-glucano resalta la versatilidad y la importancia de las β-glucanasas en diversos procesos biológicos y aplicaciones industriales. Comprender la especificidad de estas enzimas hacia diferentes enlaces de β-glucano es crucial para aprovechar su potencial en biotecnología, agricultura y medicina.
La función principal de la glucanasa es catalizar la hidrólisis de enlaces glicosídicos en polisacáridos. Esta función no es muy específica y las enzimas distinguen entre sustratos principalmente por los tipos de enlaces presentes y la configuración α o β. [11]
En 1953, el Dr. DE Koshland propuso un mecanismo de doble desplazamiento para la acción de esta enzima. [12] El primer paso de su mecanismo propuesto es un paso limitante de la velocidad independiente de la concentración del sustrato e involucra un aminoácido nucleófilo y un catalizador ácido/base. [12] En este paso, el nucleófilo, con la ayuda del residuo ácido, desplaza la aglicona y forma un intermediario glicosil-enzima covalente. [12] [1] El segundo paso involucra una molécula de agua, asistida por la base conjugada del catalizador ácido, produciendo el azúcar libre mientras se retiene una configuración anomérica de la molécula. [1]
Las glucanasas también pueden catalizar la transglicosilación, lo que da como resultado nuevos enlaces β-glucosídicos entre los sacáridos donantes y aceptores. [1] Esta reacción, que tiene la misma región y estereoespecificidad que la reacción de hidrólisis, implica la inversión directa de la hidrólisis (conocida como condensación ) o el control cinético de un sustrato donador de glicosilo. [1]
El mecanismo hidrolítico de las β-glucanasas, particularmente las de especies de Bacillus como Bacillus licheniformis, sigue una reacción de doble desplazamiento. Esto implica dos pasos principales: glicosilación y desglicosilación. [13] Durante la glicosilación, un nucleófilo catalítico ataca el carbono anomérico del sustrato, formando un intermediario covalente enzima-sustrato. A esto le sigue la desglicosilación, donde una molécula de agua, activada por un ácido-base general, ataca al intermedio, completando la hidrólisis y liberando el producto. [13]
En el caso de las 1,3-1,4-β-glucanasas de Bacillus, que son endoglicosidasas retenedoras de la familia 16 GH, el mecanismo catalítico implica una tríada catalítica. Esta tríada consta de dos residuos de ácido glutámico, Glu134 y Glu138, y un residuo de ácido aspártico, Asp136. [13] Glu134 actúa como enzima nucleófila, Glu138 actúa como ácido-base general y Asp136 ayuda en la catálisis al participar en los pasos de glicosilación y desglicosilación, contribuyendo a la modulación de pKa de Glu138 durante el ciclo enzimático. [13]
La hendidura del sitio de unión de las 1,3-1,4-β-glucanasas de Bacillus se compone de varios subsitios, que generalmente van de -4 a +2, siendo el subsitio -3 el que realiza la mayor contribución a la estabilización del estado de transición. [14] La especificidad de este subsitio es crucial para las actividades de la glicosidasa y la glicosintasa. Por ejemplo, la enzima puede aceptar un residuo de D-galactosil en el extremo no reductor de un sustrato trisacárido y se une al subsitio -3 en el complejo enzima-sustrato productivo. [14] Esta especificidad permite a la enzima catalizar la hidrólisis de sustratos con diferentes enlaces glicosídicos, así como participar en reacciones de transglicosilación cuando el nucleófilo catalítico está mutado. [14]
Tras la mutación del nucleófilo catalítico Glu134 a alanina, la 1,3-1,4-β-glucanasa del Bacillus licheniformis se convierte en una endoglucosintasa altamente eficiente, con estricta especificidad para la formación de enlaces glicosídicos β-1,4. [13] Esta enzima modificada se puede utilizar para catalizar la transferencia de residuos de glicosilo a moléculas aceptoras, un proceso conocido como transglicosilación, que es valioso para la síntesis de oligosacáridos. [13]
Las β-glucanasas son enzimas con una amplia gama de usos y aplicaciones en diversos campos, desde la agricultura hasta la biotecnología y la medicina.
En las plantas, las β-glucanasas participan en la síntesis, remodelación y renovación de los componentes de la pared celular durante múltiples procesos fisiológicos. Desempeñan un papel en el crecimiento celular, el tráfico simplásico a través de plasmodesmos y la movilización de energía durante el rápido crecimiento de las plántulas. [2] Además, las β-glucanasas vegetales son cruciales para regular las interacciones simbióticas y hostiles entre plantas y microbios al degradar las estructuras de glucanos no propios, contribuyendo así a la defensa antimicrobiana y desencadenando respuestas de defensa global. [2]
Los β-glucanos tienen marcadas propiedades inmunomoduladoras y metabólicas, lo que ha llevado a su uso en la lucha contra el cáncer, la reducción del riesgo de enfermedades cardiovasculares y el control de la diabetes. [15] Las β-glucanasas son herramientas invaluables para estudiar los β-glucanos y tienen aplicaciones en numerosos procesos biotecnológicos e industriales, tanto solas como junto con sus sustratos naturales. [15]
Las β-glucanasas se utilizan en la industria cervecera para descomponer los glucanos que pueden causar problemas de viscosidad en la producción de cerveza. [16] También se añaden a los vinos para mejorar las características organolépticas y se utilizan en la industria alimentaria para obtener oligosacáridos bioactivos y para la caracterización estructural de las paredes celulares microbianas. [17]
En agricultura, las β-glucanasas se pueden utilizar como agentes de biocontrol contra patógenos vegetales. Degradan las paredes celulares de los hongos, lo que puede ayudar a proteger los cultivos de enfermedades. [18] Además, la aplicación de β-glucanasas puede mejorar la degradación de las paredes celulares de las plantas, facilitando la colonización de los tejidos vegetales por microbios beneficiosos. [18]
Las β-glucanasas se añaden a los piensos para animales para mejorar el valor nutritivo de ingredientes ricos en fibra como la alfalfa y el centeno para animales monogástricos como las aves de corral. [19] Si bien la eficacia de estas enzimas para mejorar el valor nutritivo de las dietas que contienen alfalfa para gallinas ponedoras aún está bajo investigación, tienen el potencial de afectar la calidad de los productos avícolas. [19]
Se ha explorado el diseño racional de la termoestabilidad en 1,3-1,4-β-glucanasas bacterianas para mejorar su rendimiento en condiciones industriales. [20] Al comprender las características estructurales que contribuyen a la estabilidad de la enzima, las β-glucanasas pueden diseñarse para mejorar su funcionalidad en diversas aplicaciones.
Las β-glucanasas generalmente se consideran seguras para su uso en alimentos y otras aplicaciones. Una evaluación de seguridad de las β-glucanasas producidas por Disporotrichum dimorphosporum no generó ninguna preocupación con respecto a la genotoxicidad o la toxicidad sistémica, con un alto margen de exposición que indica seguridad para el consumo dietético. Sin embargo, una búsqueda de similitudes de secuencias de aminoácidos identificó coincidencias con alérgenos de proteínas de ácaros para una de las enzimas, lo que sugiere una posible alergenicidad en individuos sensibles. [21] A pesar de esto, el riesgo general de reacciones alérgicas se considera bajo, aunque no completamente descartable. Es digno de mención que, si bien las β-glucanasas se han asociado con la sensibilización respiratoria en entornos laborales, es poco probable que la exposición dietética a estas enzimas provoque reacciones alérgicas. [21]
La estabilidad y actividad de las β-glucanasas están influenciadas por las condiciones de almacenamiento. La estabilidad a corto plazo normalmente se logra a temperaturas de refrigeración (2-8°C), lo que se recomienda para mantener la actividad enzimática durante períodos más cortos. Las condiciones de almacenamiento a largo plazo pueden variar y es esencial consultar las etiquetas de los componentes individuales para obtener recomendaciones específicas. [22] Se ha estudiado la estabilidad de las β-glucanasas en diferentes condiciones de almacenamiento, incluidas variaciones de temperatura, lo que indica que la actividad enzimática puede disminuir con el tiempo, especialmente a temperaturas más altas o si se almacena incorrectamente. [22] Por ejemplo, se encontró que la actividad β-glucanasa se degrada hasta un 22,5 % a -20 °C y un 9,3 % a -70 °C durante 63 días, lo que destaca la importancia del almacenamiento a baja temperatura para preservar la funcionalidad de la enzima [22 ] .
Bacterias como Escherichia coli y Bacillus spp. producen 1,3-1,4-β-glucanasas para degradar y utilizar polisacáridos de su entorno como fuente de energía. [1] Estas glucanasas bacterianas son un ejemplo de evolución convergente, ya que comparten similitud o relación con la estructura primaria , secundaria o terciaria de la glucanasa vegetal . [1] También se ha descubierto que las glucanasas son secretadas por hongos como Trichoderma harzianum , Saccharomyces cerevisiae y los hongos anaeróbicos Orpinomyces y Neocallimastigomycota , que se encuentran en el tracto digestivo de los herbívoros . [1] [23] [24] T. harzianum también se utiliza como fungicida , lo que está relacionado con la capacidad de sus β-gluanasas para hidrolizar hongos fitopatógenos mediante un ataque de micoparásitos . [24]
Las 1,3-1,4-β-glucanasas de cebada se inactivan con el calor durante el malteado, lo que puede causar la acumulación de glucanos de alto peso molecular que a su vez dan como resultado un rendimiento de extracto reducido, tasas de filtración más bajas e incluso precipitados gelatinosos en el malteado. producto terminado. Como remedio, se añaden 1,3-1,4-β-glucanasas bacterianas resistentes al calor. [1]
Utilizado en prácticas enológicas durante el proceso de crianza del vino, particularmente cuando se envejece sobre lías con microxigenación. La enzima ayuda en la autólisis de las células de levadura para liberar polisacáridos y manoproteínas, lo que se cree que contribuye al color y la textura del vino.
En la producción de piensos para pollos de engorde y lechones, se ha descubierto que las β-glucanasas mejoran la digestibilidad de las dietas a base de cebada. [1]
