A növények szerves anyagának jelentős részét a cellulóz alkotja, a lágyszárú növények 25-30%-át, az érett fa 40-50%-át és a gyapot 98%-át. A cellulóz egy lineáris polimer, mely ß-1,4-glükozidos kötéssel kapcsolódó ß-D-glükóz egységekből áll. A szomszédos glükóz molekulák 180-os orientáltságúak, az ismétlődő egység a cellobióz. A hidrogénhíd kötés segít minden glükozidos kötésnél a cellulóz molekula rideg, merev szerkezetének fenntartásában és az oldhatatlanság előidézésében. Ha egyedül a glükozidos kötés hasad el, akkor a hidrogénhidak fenntartják a térbeli szerkezetet, mely elég a glükozidos kötés visszaalakulásához. A szomszédos molekulák összekapcsolódnak hidrogénkötések és a van der Waal's féle erők segítségével, s ennek eredményeként párhuzamos soraik alkotják a cellulóz rostok kristályos struktúrátját. Mivel a cellulóznak, mint megújítható energiaforrásnak jelentős része ipari, városi és mezőgazdasági hulladékként jelenik meg, fontos, hogy megértsük azokat a fizikai, kémiai és ökológiai tényezőket, amelyek lebontására hatnak. A cellulóz felépítéséből és a természetben betöltött szerepéből következik, hogy igen ellenálló vegyület. Természetes állapotban (növényi sejtfal) hidrolízisét számos tényező befolyásolja, elsősorban a többi sejtfalalkotóval kialakított szoros kapcsolat.A cellulóz enzimatikus lebontása, a szubsztrát fizikai jellegéből következően igen nehéz feladat. A sejtfalban a kristályos cellulóz szálakat egyrészt hidrogénhidak tartják össze, másrészt a hemicellulóz és a lignin révén kémiailag is összekapcsolódnak. Ennek ellenére a cellulóz és a ß-D-glükán lebontása elterjedt mind a gombák, mind a baktériumok körében. A cellulóz lebontásában szerepl enzimeket két nagy csoportra lehet osztani: endoglükanázokra, amelyek a molekulán belüli kötéseket hidrolizálják és exoglükanázokra, amelyek a molekula vége felôl hasítanak le glükózt vagy cellobiózt, így rövidítve a polimer molekulát.
A cellulózt és a ß-D-glükánt bontó fontosabb enzimek
Enzim neve EC szám Katalizált reakció Cellulase. Endo-1,4-ß-glucanase EC 3.2.1.4 Az 1,4-ß-D-glükozidos kötéseket hidrolizálja a cellulóz molekulában (a ß-D-glükán hasonló kötéseit is hidrolizálja). Endo-1,3-(1,4)-ß-glucanase. Laminarinase. EC 3.2.1.6 Hidrolizálja az 1,3-ß-D- illetve 1,4-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban, ha a redukáló vég felli ß-D-glükóz 3. szénatomja szubsztituálva van. (Az enzim szubsztrátja a laminarin, lichenin és gabona ß-D-glükánja is). Glucan endo-1,3-ß-D-glucosidase. Endo-1,3-ß-glucanase. EC 3.2.1.39 Hidrolizálja az 1,3-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban, de az 1,3- -1,4-ß-D-glükán nem szubsztrátja, így különbözik az EC 3.2.1.6-től. Glucan 1,3-ß-glucosidase. Exo-1,3-ß-glucosidase. EC 3.2.1.58 Glükózt hasít le az 1,3-ß-D-kötéseket hidrolizálva a ß-D-glükán nem redukáló vége felöl. Glucan endo-1,2-ß-glucosidase. Endo-1,2-ß-glucanase. EC 3.2.1.71 Hidrolizálja az 1,2-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban. Licheninase. Endo-1,3-1,4-ß-glucanase. EC 3.2.1.73 Hidrolizálja az 1,3-ß-D- illetve 1,4-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban akkor, ha mindkét tipusú kötés jelen van. (Az enzim szubsztrátja a lichenin, és gabona ß-D-glükán, de nem bontja a csak 1,3- vagy csak 1,4-ß-D kötéseket tartalmazó glükánt). Glucan 1,4-ß-glucosidase. Exo-1,4-ß-glucosidase. EC 3.2.1.74 Glükóz egységeket hasít le az 1,4-ß-D-kötéseket hidrolizálva a cellulóz (ß-D-glükán) nem redukáló végérl. A cellobiózt igen lassan bontja. Glucan endo-1,6-ß-glucosidase. Endo-1,6-ß-glucanase. EC 3.2.1.75 Hidrolizálja az 1,6-ß-D-glükozidos kötéseket a ß-D-glükánban. Cellulose 1,4-ß-cellobiosidase. Exocellobiohydrolase. EC 3.2.1.91 Cellobióz egységeket hidrolizál le a cellulóz (ß-D-glükán) nem redukáló végéről.
A hemicellulózok közül a xylánok ß-D-xylózból elsôsorban 1,4-ß-D-xylozidos kötések létrejöttével épülnek fel, ritkábban 1,3-ß-D-xylozidos kötésekkel kapcsolódó ß-D-xylóz elágazásokat is tartalmaznak. Tisztán ß-1,3 kötést csak tengeri algákban találtak. A keményfa 10-35%-át, a puhafa 10-15%-át xylán alkotja. A xylán az alfa-1,2 kötéssel kapcsolódó glükuronsavval ill. metilglükuronsavval, mint xyloglükán, az alfa-1,3 és alfa-1,5 kötéssel kapcsolódó alfa-L-arabinofuranózzal, mint arabinoxylán (elsôsorban a puhafában és a fûfélékben) vesz részt az elsôdleges sejtfal felépítésében. A xylánokban a xylóz második hidroxilcsoportja ~70%-ban acetilcsoporttal van észteresítve.
A xylánt és származékait bontó fontosabb enzimek
Enzim neve EC szám Katalizált reakció Endo-1,4-ß-xylanase. 1,4-ß-D-xylan xylanohydrolase. EC 3.2.1.8 Az 1,4-ß-D-xylán 1,4-ß-D-xylozidos kötéseit hidrolizálja. Xylan endo-1,3-ß-xylosidase. Endo-1,3-ß-xylanase. EC 3.2.1.32 Az 1,3-ß-D-xylán 1,3-ß-D-xylozidos kötéseit hidrolizálja. Xylan 1,4-ß-xylosidase. Exo-1,4-ß-xylosidase. EC 3.2.1.37 Az 1,4-ß-D-xylán nem redukáló végérl D-xylózt hidrolizál le. alfa-N-arabinofuranosidase. alfa-L-arabinofuranosidase. EC 3.2.1.55 Az (1,3) és/vagy (1,5)-kötésekket kapcsolódó -L-arabinofuranozid végeket hidrolizálja az arabinoxylánban és az arabinogalaktánban. Xylan 1,3-ß-xylosidase. Exo-1,3-ß-xylosidase. EC 3.2.1.72 Az 1,3-ß-D-xylán nem redukáló végérl D-xylózt hidrolizál le. Acetylesterase. C-esterase EC 3.1.1.6 Acetilészter + H2O = alkohol + ecetsav.
A másik fontos hemicellulóz a mannán felépítésében elsősorban ß-D-mannóz egységekből 1,4-ß-D-mannozidos kötésekkel felépülő 1,4-ß-D-mannán a legjelentősebb. A mannóz ritkán 1,6-ß-D-mannozidos kötéssel is kapcsolódhat a mannánhoz. A mannánhoz kb. 25%-ban ß-1,4 kötéssel glükóz is kapcsolódhat, amit glükomannánnak neveznek és elsősorban a keményfában található meg. Galaktózzal ß-1,4 kötéssel galaktomannánt képez. Xylóz és arabinóz ß-1,6 ill. alfa-1,3 kötésekkel is kapcsolódhat mannánhoz.
A mannánokat bontó fontosabb enzimek
Enzim neve EC szám Katalizált reakció Mannan endo-1,4-ß-mannosidase. Endo-1,4-mannanase. EC 3.2.1.78 Hidrolizálja az 1,4-ß-D-mannozidos kötéseket a mannánban, galaktomannánban és a glükomannánban. Mannan 1,4-ß-mannobiosidase. Exo-1,4-ß-mannobiohydrolase. EC 3.2.1.100 Hidrolizálja a 1,4-ß-D-mannozidos kötéseket az 1,4-ß-D-mannánban úgy hogy mannobióz egységeket hasít le a nem redukáló vég felől. Mannan endo-1,6-ß-mannosidase. Endo-1,6-ß-mannanase. EC 3.2.1.101 Hidrolizálja a 1,6-ß-D-mannozidos kötéseket az 1,6-ß-D-mannánban.
A hemicellulózok közül még a pektint kell megemlíteni. A pektin két fô alkotója a poligalakturonsav és a ramnogalakturonán. A poligalakturonsav helikális szekezetû homopolimer, mely alfa-D-galakturonsavból alfa-1,4 kötésekkel épül fel. Az antiparallel lácrészeket Ca2+ ionok stabilizálják. A poligalakturonsav kb. 200 galakturonsav egységet tartalmazó helikális részt képez. A ramnogalakturonán pálcika alakú heteropolimer, mely 1,2-ß-L-ramnozyl-1,4-ß-D-galakturonsav diszacharid egységekbôl áll. A ramnogalakturonán idônként megszakítja a hosszú poligalakturonsav láncot. A ramnozil részek 4-OH csoportjához arabinán, galaktán ill. arabinogalaktán kapcsolódik.
A pektint és származékait bontó fontosabb enzimek
Enzim neve EC szám Katalizált reakció Pectinesterase. Pectin methylesterase. EC 3.1.1.11 A következő reakciót katalizálja: pektin + n * H2O = n * metanol + pektinsav. Polygalacturonase. Pectinase. EC 3.2.1.15 Hidrolizálja az 1,4-alfa-D-galakturonsav kötéseket a poligalakturonsavban és más galakturonánban. Galacturan 1,4-alfa-galacturonidase. Exopolygalacturonase. EC 3.2.1.67 A következô reakciót katalizálja: n (1,4-alfa-D-galakturonsav) + H2O = (n-1) (1,4-alfa-D-galacturonide) + D-galakturonsav. Exo-poly-alfa-galacturonosidase. EC 3.2.1.82 Hidrolizálja a poligalakturonsavat úgy, hogy digalakturonsav egységeket hasít le a nem redukáló vég felől. Pectate lyase. Pectate transeliminase. EC 4.2.2.2 Transz-eliminációs reakcióval hasítja a pektinsavat, a nem redukáló vég felől. A pektin nem szubsztrátja az enzimnek. Pectin lyase. EC 4.2.2.10 Transz-eliminációs reakcióval hasítja a pektint. A deészterezett pektin nem szubsztrátja az enzimnek.
A lignin (latinul lignum=fa) a növények elfásodott szöveteinek alkotórésze. A lignin felépítésében három fahéj-alkohol származék vesz részt a p-kumáralkohol, a koniferilalkohol és a szinapilalkohol és ezekbôl dehidrogenáz enzim hatására képzôdik a makromolekuláris lignin. A különbözô fás struktúrájú növények ligninje nem azonos, sôt egy és ugyanazon növény ligninje sem egyeséges szerkezetû polimerhomológ molekulákból áll, hanem az egyes molekulákban a szerkezeti részletek sorrendisége különbözô lehet.
