Estrutura e Biossíntese da Celulose

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Celulose
André Ferraz
Departamento de Biotecnologia
Escola de Engenharia de Lorena
Universidade de São Paulo
Lorena, SP
Outline
- Revisando sobre a estrutura da celulose
- Nanofibrila de celulose
- Celulose sintases
Ref. básicas:
1. Gunnar Henriksson and Helena Lennholm. Cellulose and
Carbohydrate Chemistry, itens 4.3-4.8 In: Pulp and Paper Chemistry 
and Technology Vol 1: Wood Chemistry and Wood Biotechnology. Edited 
by Monica Ek, Göran Gellerstedt, Gunnar Henriksson , 2009
Celulose
- principal polímero nos materiais lignocelulósicos
- pode ser encontrado na forma quase pura nas flores do algodão e também
como um produto de secreção extracelular em algumas espécies de bactéria.
O teor de celulose varia grandemente nas diferentes espécies onde é
encontrada
Tabela 1. Ocorrência de celulose em diferentes tipos de materiais 
Material de origem Teor de celulose 
(%, g/100g base seca) 
Algodão 95-99 
Rami (Boehmeria nivea) 90-90 
Bambu (Phyllostachys spp.) 40-50 
Bagaço de cana (Saccharum officinarum) 35-45 
Madeiras 40-53 
Cascas de madeira 20-30 
Bactéria (Acetobacter xylinum) 20-30 
 
- polímero formado por unidades repetitivas de anidroglicose
- monômeros de anidro-glicose são unidos por ligações nas quais o oxigênio
glicosídico ocupa sempre uma posição equatorial em relação ao plano do anel
- a ligação entre duas moléculas adjacentes de glicose ocorre a partir da
eliminação de uma molécula de água entre as hidroxilas ligadas aos carbonos 1
de uma das moléculas e o carbono 4 da outra. Ou seja, a ligação formada é
denominada de β-1-4. A denominação β se refere a posição equatorial do
oxigênio glicosídico e os número 1 e 4 identificam os carbonos envolvidos na
ligação. Outra característica importante da celulose é que não há ramificações na
cadeia principal.
Material Grau de polimerização
Algodão, antes de abrir 15.300
Algodão, após aberto 8.100
Rami (Boehmeria nivea) 10.800
Pinuns ssp. 7.900
Betula spp 9.400
Bactéria (Acetobacter xylinum) 4.000-6.000
Polpa kraft de Pinus spp. 975
Fibras de Rayon 305
Grau de polimerização de amostras de celulose 
preparadas a partir de diferentes materiais
Pense na razão 
comprimento largura de 
uma molécula de celulose
Uma consequência direta das ligações β-1-4 entre as unidades de anidroglicose é a 
formação de uma cadeia estruturada ao longo de uma linha, ou seja, a celulose é 
um polímero linear. Um contraponto simples de se fazer nesse momento é 
comparar as moléculas de amilose (formada por ligações α-1-4) com a de celulose
Comparativo entre um 
fragmento de amilose, 
formada por ligações α-1-4
e um fragmento de celulose, 
formada por ligações β-1-4
Como a celulose apresenta 3 hidroxilas livres a cada unidade monomérica, é 
muito previsível que possa haver pontes de hidrogênio (tanto intramoleculares 
como intermoleculares) entre esses grupos
Ocorrência de estruturas cristalinas
Acoplamento : duas formas possíveis Iα e Iβ .
1. Agrupamento inicial de 2 cadeias é idêntico.
2. A terceira cadeia de celulose: 
- mesmo sentido já ocorrido no acoplamento interior >> Iα. 
- sentido oposto ao acoplamento anterior >> Iβ
3. Os dois tipos de celulose co-existem na celulose de um 
material lignocelulósico. Em paredes secundárias de plantas 
lenhosas predomina celulose Iβ.
Revisando 
sobre a 
estrutura da 
celulose
Um arranjo amplamente descrito, assume um diâmetro 
aproximado para a fibrila elementar (nanofibrila) de 3,5 nm, 
o que corresponderia a 36 cadeias ordenadas
As nanofibrilas normalmente 
formam agregados na parede 
celular, especialmente nas 
paredes secundárias
Biossíntese de celulose
Como as células 
vegetais se 
desenvolvem num 
formato alongado ??
Turgor versus parede celular
A parede celular primária é 
formada por nanofibrilas de 
celulose e hemicelulose 
como amálgama. A 
orientação das nanofibrilas
permite o alongamento 
durante o crescimento da 
célula
A biossíntese de celulose emprega um intermediário 
que carrega a glicose: glicose-UDP
Glicose-UDP é formado pela ação da sucrose sintase, 
a partir de uma molécula de sacarose e UTP. 
Glucose-UDP serve como fonte de glicose para o polímero 
que está sendo formado
- A primeira etapa (slide anterior) 
libera energia
- A segunda etapa consome energia
- O processo global é 
termodinamicamente favorável
- A celulose é um polímero insolúvel em água, isso implica 
que a síntese ocorre pela ação de enzimas presas à 
membrana citoplasmática e não no interior da célula
- Há evidências experimentais indicando haver um conjunto 
de enzimas presas à membrana celular dispostas em um 
formato hexagonal (roseta)
Rosetas detectas por TEM
e modelos de arranjo na 
membrana celular
As enzimas 
que formam o 
complexo de 
síntese de 
celulose (CSC) 
são as celulose 
sintases
(CesA)
Há evidências de 
que a enzima 
sucrose sintase se 
acumula nas regiões 
próximas ao sítio 
ativo das CesA
Em plantas superiores, a sucrose sintase é fundamental 
para a geração de glucose-UDP
Recordando da aula anterior: 
Parede secundária é aquela que 
representa o maior acúmulo de 
massa em tecidos lenhosos