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Câmpus de Gurupi
Prof. Me. André Felipe
Biotecnologia de Biomassa
•Mais abundante biomolécula da Terra:
•Fotossíntese converte + 100 bilhões toneladas de CO2 e H2O em
carboidratos (celulose e outros açúcares).
Carboidratos
Carboidratos
Outras denominações:
- Hidratos de carbono
- Glicídios
- Açúcares.
Ocorrência e funções gerais:
São amplamente distribuídos 
nas plantas e nos animais, onde 
desempenham funções estruturais 
e metabólicas.
Composição
São formados por C, H, O.
Fórmula Geral
CnH2nOn n≥ 3
Propriedades:
solúveis em água e insolúveis em 
solventes orgânicos
brancos e cristalino
maioria com saber doce
Oxidação da Glicose
A glicose, oxidada em CO2 e H2O, é nossa fonte primária de
energia.
Funções dos carboidratos
• Reconhecimento celular;
• Adesão celular;
• Estrutura celular : Peptideosglicanos, 
Proteoglicanos, quitina e celulose;
• Reserva energética: glicose, amido, glicogênio 
celulose; 
Funções dos carboidratos: estrutural 
Reconhecimento e adesão celular
Pe
ptid
e
oglica
no
Proteoglicanos
GlicogênioCelulose
Funções dos carboidratos: reserva energética e
estrutural
Amido
Funções dos carboidratos
Matéria prima para biossíntese
de outras biomoléculas
Principais características dos carboidratos
•Cadeia carbônica não-ramificada
•Ligações C-C simples
•1 carbono ligado ao oxigênio
através de dupla ligação (grupo
carbonila)
•Na extremidade: aldeído
•Outra posição: cetona
Estrutura dos carboidratos
• Monossacarídeos: unidade funcional dos carboidratos; 
• Dissacarídeos: duas unidades;
• Polissacarídeos: mais de duas unidades de monossacarídeos. 
Os monossacarídeos são aldeídos ou cetonas derivados de
poliidroxialcoóis de cadeia linear contendo pelo menos três
átomos de carbono. VOET, 2008
O nome genérico do monossacarídeo é dado baseado no número de
carbonos mais a terminação “ose”.
03 carbonos – trioses ; 04 carbonos – tetroses ; 05 carbonos –
pentoses; 06 carbonos – hexoses; 07 carbonos – heptoses 
Estrutura dos carboidratos: Monossacarídeos
São opticamente ativas Moléculas com N centros quirais
Estereoisômeros são divididos em dois grupos que diferem na 
configuração do centro quiral mais distante do grupo carbonila
(maior número); D isômeros e L isômeros. 
» Ligações horizontais são aquelas projetadas para a frente do plano do
papel, e as verticais representam projetadas para trás do plano.
O carbono mais oxidado é
designado C-1. Os demais
átomos de C estão
numerados a partir desse
carbono.
Cunhas pontilhadas e triângulos sólidos.
Estrutura: Projeção de Fischer
Estrutura dos carboidratos: Epímeros
Os diasteroisômeros que se diferem uns dos outros na
configuração em somente um C quiral são chamados de
epímeros.
Estrutura dos carboidratos: Monossacarídeos
Séries das Aldoses
Estrutura dos carboidratos: Monossacarídeos
Séries das Cetoses
Formação de Hemiacetais/Hemicetal
• A ciclização acontece como resultado
de interação entre carbonos distantes,
tais como C-1 e C-5, para formar um
hemiacetal. Uma outra possibilidade é a
interação entre C-2 e C-5 para formar um
hemicetal.
• O carbono carbonílico torna-se um
novo centro quiral chamado carbono
anomérico.
• O açúcar cíclico pode assumir duas formas diferentes:
α e ß, denominados anômeros.
Monossacarídeos: Estrutura ciclícas
Monossacarídeos: Estrutura ciclícas
Monossacarídeos: Estrutura ciclícas
Monossacarídeos: Estrutura ciclícas
Piranoses e Furanoses: Projeção de Harworth
• Representa mais fielmente a configuração total das moléculas. Mostra
desenhos em perspectiva como anéis planares de 5 ou 6 elementos.
» 5 elementos: furanose
» 6 elementos: piranose (cadeira) • Para um açúcar D,
qualquer grupo à
direita de um C na
projeção de Fischer
fica dirigido para
baixo, e aqueles à
esquerda ficam para
cima.
• Grupo terminal
–CH2OH apontando
para cima
Piranoses e Furanoses
Formas piranosídicas possuem 2 conformações
Os substituinte de cada átomo estão organizados tetraedricamente. Das duas
conformações de cadeira possível, a que predomina é aquela que os
substituintes mais volumosos do anel ocupam posições equatoriais em vez
de posições axiais mais cheias.
Dois monossacarídeos ligados por uma ligação O-glicosídica:
grupo hidroxil de 1 açúcar reage com o carbono anomérico de
outro acúcar (formação de acetal).
Ligação Glicosídica: Dissacarídeos
Ligação Glicosídica
• As ligações glicosídicas entre as unidades monossacarídicas são
a base para a formação de oligo e polissacarídeos.
• As ligações glicosídicas podem ter várias formas, pois o C
anomérico de um açúcar pode estar ligado a qualquer um dos
grupo OH de um segundo açúcar para formar uma ligação α ou ß
glicosídica.
• Os grupos OH são numerados e o esquema de numeração
segue o dos átomos de C nos quais estão ligados.
Tipos de ligações o-Glicosídica
As aldoses são
chamadas açúcares
redutores, pois,
quando um aldeído é
oxidado, os agentes
oxidantes devem ser
reduzidos.
Lactose: 
•açúcar redutor
•presente no leite
•D-galactosidase ou lactase
intestinal: comum a ausência em
africanos e orientais: Intolerância à
lactose
Sacarose: 
•açúcar não redutor
•Formado somente por plantas
Trealose: 
•açúcar não redutor
•Fonte de armazenamento de energia
presente na hemolinfa de insetos
Estrutura dos carboidratos: Dissacarídeos
Estrutura dos carboidratos: Dissacarídeos
Ligação glicosídica: α , ß(1 → 2)
Não é um açúcar redutor (2 grupos anoméricos
envolvidos na ligação), apesar de a glicose e a
frutose serem redutores.
α-D-glicose ß-D-frutose+
Celobiose (β-1,4)
Estrutura dos carboidratos: Polissacarídeos
ou glicanos
-OH do C2 é substituído por –NH2
-NH2 condensado
com ác. acético
Ác. Láctico
no C3 Subst. –OH por -H
Oxidação do C6:
ác. urônico corres.
Oxidação do C1:
ác. aldônico corres.
Ésteres intramol: lactona
Derivado dos carboidratos: hexoses
Câmpus de Gurupi
Prof. André Felipe
21/08/2017
Biotecnologia de Biomassa
Estrutura dos carboidratos: Polissacarídeos
ou glicanos
Identidade das suas
unidades
monoméricas repetitivas
Tipos de ligações
Comprimento das cadeias
Grau de ramificações das
cadeias
Não possuem massa
molecular definida
Polissacarídeos ou glicanos : função
POLISSACARÍDEO FUNÇÃO E FONTE
Glicogênio
Açúcar de reserva energética de animais 
e fungos
Amido
Açúcar de reserva energética de 
vegetais e algas
Celulose
Função estrutural. Compõe a parede 
celular das células vegetais e algas
Quitina
Função estrutural. Compõe a parede 
celular de fungos e o exoesqueleto de 
artrópodes
Ácido hialurônico
(GlcA-GlcNAc)
Função estrutural. Cimento celular em 
células animais
Amido: função energética
SINTESE DO AMIDO 
NO CLOROPLASTO
Intracelular: agregados ou grânulos
Açúcar redutor
Altamente hidroxilada  ligações de H
Amido: função energética e estrutura
AMILOPECTINAAMILOSE
Amido: dois tipos de polímeros de -D-glicose
(amilose e amilopectina)
Amilose: linear, ligações
glicosídicas (14)
Solúvel em água
Amilopectina: ramificado; 
ligações glicosídicas (14) 
e (16) a cada 24 a 30 
resíduos
Pouco solúvel
106 resíduos de glicose
Amido: dois tipos de polímeros de -D-glicose
(amilose e amilopectina)
Amido: estrutural conformacional
Microfotografia
eletrônica dos grânulos
de amido
Conformação estável do 
amido
Forma de 
hélice voltada
para a 
esquerda
Glicogênio: reserva energética animal
Permite rápida produção da glicose em períodos de necessidade 
metabólica
Fígado e músculos esqueléticos.
Similar à amilopectina, porém mais densamente ramificado: cada
ramo 8-12 resíduos
Fígado: 7% do peso úmido 0,01 M (glicose livre = 0,4M)
Porque não estocar a glicose na forma 
monomérica?
A glicogênio-fosforilase remove
unidades de glicose do
glicogênio (uma por vez) a partir
do final não-redutor.
Glicogênio: reserva energética animal
Polissacarídeos estruturais: celulose
Hidrólise da celulose
≠ pressão 20 atm
Processo lento
Celulose: análise estrutural
Homopolissacarídeos:celulose e quitina
Estrutura da celulose: polímero de -D-glicose
10.000 a 15.000 D-glicose cadeias lineares alinhadas
lado a lado e estabilizadas por ligacões de H
intra- e intercadeias
(flip 180 de cada unidade) 
– conformação mais estável
Cadeira reta e estendida Emparelhadas lateralmente
Polissacarídeos estruturais: quitina
•Estrutura: polímero de N-acetil-D-glicosamina/ Ligações (14)
•Principal componente do
exoesqueleto de artrópodes,
insetos, caranguejos, lagostas.
•Segundo + abundante
polissacarídeo depois da celulose.
Polissacarídeos estruturais: Peptideoglicano
Heteropolissacarídeo:
N-acetilglicosamina alternado com ác. N-acetilmurâmico (ligações
(14).
Componente do peptideoglicano da 
parede celular de Staphylococcus aureus
(bactéria gram +)
Forma um envelope que protege a 
bactéria de lise osmótica. 
Lisozima: rompe a Ligação 14. 
O peptideo de interligação une as
cadeias polissacarídicas formando
um revestimento forte que envolve
inteiramente a célula e a protégé do
inchamento e lise devido à entrada
de água por osmose.
Câmpus de Gurupi
Prof. Me.André Felipe
11/09/2017
Biotecnologia de Biomassa
Produção de etanol
Complexos lignocelulósicos: 2º geração
Viabilidade técnica, balanço energético e economicidade do processo
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Porcentagem dos componentes
Hidrólise enzimática do amido
Enzimas dextrinizantes e sacarificantes
Baixa massa molecular  transporte celular
Endoenzima
Redução viscosidade
Exoenzima ext NRed
plantas α-1,4 e α-1,6 
bactérias
Micro-organismos produtores das enzimas
Micro-organismos produtores das enzimas
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Produção de etanol
Esquema de geração de energia do bagaço da 
cana-de-açúcar
elu
Celulose
micro fibrilas  regiões cristalinas e amorfas
Hidrólise enzimática da celulose
Hidrólise enzimática da celulose
CDB- cellulose binding domain
Nível de celobiases I e II
Micro-organismos produtores
Hemicelulose
Complexidade de estrutura
e conformações
Hemicelulose
D-glucose, D-galactose, D-manose, D-xilose, L-
arabinose, acetila, ácido D-glucurônico e ácido 4-O-
metil-glucurônico
Maior susceptibilidade
não apresenta alta cristalinidade
produção de xilitol
Hemicelulose
Hemicelulose
Enzimas 
auxiliares
glucoronidase, 
feruil-esterase, 
acetilesterase, 
xilanase, 
β-xilosidase, e 
galactomananase
glucomananase
Diferença entre Celulose e Hemicelulose
Lignina: maior estoque de carbono e energia
interesse científico e econômico 
variabilidade
amorfa alta massa 
molecular
26,3 MJ / kg 
É possível remover metais 
pesados de efluentes usando 
ligninas oxidadas (LABAT; 
GONÇALVES,
2008), bem como usá-la na 
fabricação de filmes, 
poliuretanos, macro 
monômeros de poliésteres, 
fibras de carbono, 
fertilizantes entre outros.
Ligações do tipo éter
Efeitos 
prejudiciais
Produção de etanol
Produção de etanol
Fracionamento da biomassa
30% do custo 
total de processamento 
Drástico
Brando
Fracionamento da biomassa
Açúcares fermentescíveis, degradação de carboidratos, 
formação de subprodutos inibidores, rentabilidade
Reduzir a cristalinidade de celulose e aumentar a
porosidade dos materiais
Tipos de pré-tratamento
Tipos de pré-tratamento
Microscopia Eletrônica de Varredura
Fonte: LADEBIO – EQ/UFRJ
Comparação da HE e TQ
Exemplo: tratamento ácido
Fonte: McMillan (2003)
Compostos inibitórios
Por que hidrolisar a celulose 
enzimaticamente?
Por que a produção de celulases dedicada (in 
plant) para a produção industrial de etanol de 
biomassa lignocelulósica?
Fatores limitantes na hidrólise enzimática
(1) inibição do produto final
Fatores limitantes na hidrólise enzimática
(2) ligação irreversível da celobiohidrolase
Fatores limitantes na hidrólise enzimática
(3) e (4) a hemicelulose e a lignina impedindo o
acesso das enzimas ao substrato
Fatores limitantes na hidrólise enzimática
(5) adsorção das enzimas na lignina
Fatores limitantes na hidrólise enzimática
(6) perda da atividade enzimática devido ao cisalhamento 
mecânico, atividade proteolítica ou baixa termoestabilidade
Otimização da hidrólise enzimática
(1) suplementação de β-glicosidases
durante a hidrólise
(2) a remoção de açúcares durante a hidrólise 
(3) a adição de agentes surfactantes tensioativos
Estratégias para produção de etanol de biomassa
Catabolismo de xilose em leveduras e fungos filamentosos.
Fonte: MALBURG et al. (1992)
Xilose Xilitol Xilulose
NADPH NADP NAD+ NADH 
Xilose-redutase Xilitol-desidrogenase
Estratégias para produção de etanol de biomassa
Estratégias para produção de etanol de biomassa
Estratégias para produção de etanol de biomassa
Estratégias para produção de etanol de biomassa