Cellulasen: Begriffserklärung, Vorkommen, Bestandteile und Verwendung

Cellulasen sind an der enzymatischen Aufspaltung von Zellulose beteiligt. Sie bestehen aus den drei Enzymgruppen der Cellobiasen, Endoglucanasen und Exoglucanasen. Pflanzliche Zellen sind oft hauptsächlich aus Zellulose aufgebaut. Der Pflanzenfresser muss in der Lage sein, die Zellulose in Glukose aufzuspalten, um schließlich aus den Kohlehydraten lebenswichtige Energie gewinnen zu können. Genau dazu braucht er Cellulasen. Ohne sie würde er die ganze wertvolle Zellulose nur unverdaut wieder ausscheiden.

Nun werden Cellulasen aber nur von einigen bestimmten Organismen, vor allem von Einzellern wie Bakterien und Flagellaten sowie von Pilzen, gebildet. Der „normale“ Pflanzenfresser ist nicht in der Lage, diese Enzyme selbst zu synthetisieren, er ist auf die Hilfe exogener Cellulasen von Endosymbionten angewiesen. Die Fähigkeit des eigenständigen Zellulose-Abbaus, wurde bisher nur bei einigen wenigen Tieren nachgewiesen. Zum Beispiel steril gehaltenen Silberfischchen, einigen Termitenarten oder auch Fadenwürmer besitzen diese Fähigkeit.

Was sind Cellulasen?

Die Cellulase ist ein Enzym, das zum Beispiel in Pflanzen, Pilzen, Fadenwürmern, Schnecken und Einzellern wie Bakterien vorkommt. Mit seiner Hilfe kann Zellulose durch Hydrolyse zu Glukose und Cellobiose abgebaut werden. Es handelt sich in den überwiegenden Fällen um ein Exoenzym. Das bedeutet, die Zellen, die es herstellen können, leiten das Enzym ins Außenmedium ab, meistens lagert es sich an der äußeren Zellmembran an.

Das Verdauungssystem von Pflanzenfressern kann selbst keine Cellulasen ausbilden. Allerdings leben zum Beispiel im Rinder-Pansen oder im Blinddarm von Kaninchen, Elefanten oder Pferden bestimmte Einzeller, die Cellulase produzieren. Nur durch diese Art der Symbiose ist es den Tieren überhaupt möglich, Zellulose im Rahmen des Kohlenhydratstoffwechsels als Energiequelle zu nutzen. Die meisten Termitenarten können Holz ebenfalls nur mithilfe solcher Mikro-Organismen in ihrem Darm verwerten. Und der Mensch verfügt mindestens in seinem Dickdarm über derartige Cellulose abbauende Bakterien.

Damit im Sommer die Früchte und im Herbst die Blätter vom Baum fallen, bilden die Bäume eine Trennschicht auf der Grundlage der lokalen Wirkung von Cellulasen aus.

Wo kommen Cellulasen vor?

In der Natur findet man die Cellulase nur in relativ wenigen Lebewesen wie Muscheln. Weiter oben wurden noch weitere Beispiele genannt. Insekten, Pflanzenfresser, Wirbeltiere und auch der Mensch müssen sich bestimmten Bakterien beispielsweise aus ihrem Blinddarm bedienen, um pflanzlicher Nahrung überhaupt Energie entziehen zu können. Da ist es nicht verwunderlich, dass sich die Industrie des Themas angenommen hat und Cellulase inzwischen in Form von Nahrungsergänzungsmitteln anbietet.

Ein ganz beachtlicher Teil der pflanzlichen Zellwände besteht aus dem Enzym Cellulase. Und das lässt sich nutzen. Sogenannte Prokaryoten, das können Bakterien oder Pilze sein, erzeugen ebenfalls dieses wichtige Enzym. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit folgt hier eine kurze Liste derjenigen Organismen, die Cellulase mithilfe spezieller Cellulasegene selbst produzieren können:

  • Einige Muscheln (in Lyrodus pedicellatus und Corbicula japonica wurden Cellulase-Gene nachgewiesen)
  • Einige Schnecken, zum Beispiel die Weinbergschnecke, gehören dem Stamm der Weichtiere (mollusca) an.
  • Fadenwürmer enthalten Bursaphelenchus xylophilus.
  • Silberfische
  • Einige Käfer beherbergen Pristionchus pacificus.
  • Manteltiere gehören zu den Chordatieren und verfügen über einen Zellulose-Mantel, was übrigens in der Tierwelt einzigartig ist.
  • Krebse (zum Beispiel Cherax destructor)
  • Termiten (Coptotermes formosanus und Reticulitermes speratus)
  • Schaben

Wie synthetisieren Tiere Cellulase, die selbst keine herstellen können?

Prokaryoten sind einzellige Lebewesen, die aber keinen Zellkern aufweisen. Dabei kann es sich um Bakterien, Pilze oder Flagellaten handeln. Sie verfügen über Cellulase-Gene und können daher Zellulose direkt „verdauen“. Tiere, die selbst keine Cellulase synthetisieren können, aber dennoch aus Zellulose Energie beziehen wollen, bauen solche Prokaryoten als „Endosymbionten“ in ihren Verdauungstrakt ein.

Letzteres gilt eigentlich für die meisten Pflanzenfresser, auch für die Wiederkäuer. Sie sind zum Teil mit speziellen Blinddärmen oder Mägen ausgestattet, die mit endosymbiotischen Prokaryoten geradezu angefüllt sind. Im Pansen von Wiederkäuern befinden sich größere Mengen anaerober Prokaryoten, die Polysaccharide, wie eben die Zellulose, in gut verdauliche Fettsäuren umbauen. Bei Pferden und Wasservögeln erfolgen diese chemischen Reaktionen im Dickdarm.

Der Mensch behilft sich mit bestimmten anaeroben Bakterien, die vor allem im Blinddarm, im ersten Teil des Dickdarms und im aufsteigenden Colon angesiedelt sind. Zumindest ein Teil der Zellulose kann auf diese Weise in kurzkettige Fettsäuren aufgespalten und verdaut werden. Die Colonschleimhaut dient dabei als eine Art Reaktor. Damit wird Zellulose neben Hemicellulose, Lignin und Pektin zu einem wichtigen pflanzlichen Ballaststoff im Rahmen der menschlichen Ernährung.

In den 200 untersuchten Termitenspezies konnten über 450 verschiedene Endosymbionten identifiziert werden. Auch fossile Termiten verfügten bereits über solche Endosymbionten, dies wurde in burmesischem Bernstein aus der Kreidezeit nachgewiesen.

Die Blattschneiderameisen unterziehen ihre gesamte Fracht einer speziellen Fermentierung mithilfe von Pilzkulturen der Egerlingsschirmlingen (Leucoagaricus gongylophorus) und realisieren auf diese Weise eine Ektosymbiose.

Aus welchen Enzymen bestehen die Cellulasen?

Es gibt grundsätzlich drei Varianten der Cellulase

  1. Endocellulase – Endoglucanasen
    Ihre Aufgabe ist es, starke chemische Bindungen innerhalb der Zellulose, im Sinne einer ersten groben Maßnahme, aufzubrechen. Da sie lediglich an bestimmten Stellen des Zellulose-Körpers ansetzen können, ergeben sich zunächst relativ grobe Bruchstücke. In der Summe liegen dadurch aber wesentlich mehr Kettenenden vor, an denen im nächsten Schritt die Exoglucanasen mit der weiteren Aufspaltung fortfahren.
  2. Exocellulase – Exoglucanasen
    Sie trennt pro Kettenmolekül, das bereits durch die Endocellulase abgespalten wurde, zwei Glukose-Einheiten ab. Dieser Vorgang wird als Doppelzucker- (Disaccharid) -Cellobiose bezeichnet.
  3. Cellobiase
    Sie trennt die starken Verbindungen zwischen den Doppelmolekülen der Glukosekomplexe auf, sodass der dadurch gewonnene (einfache) Zucker vom Blut aufgenommen werden kann.
Enzyme Cellulasen
Das Zusammenspiel der drei Enzyme beim Abbau von Zellulose.

Erst durch diese besondere Zusammenarbeit der drei Enzymtypen wird eine Verdauung der riesigen Zellulose-Moleküle, die aus bis zu 15.000 verketteten Glukosemolekülen bestehen, möglich.

Gewinnung und industrielle Anwendungen von Cellulasen

Cellulasen finden heute vielseitige Verwendungen in der Waschmittel-, Textil- und Nahrungsmittel-Industrie. Zu diesem Zweck müssen sie „Submersfermentation“ aus Schimmelpilz-Kulturen der Gattung Trichoderma (hier besonders T. reesei) isoliert werden. Diese Schlauchpilze (Ascomycota) leben vornehmlich in Böden.

Die Verzuckerung (Aufschluss) von Holz- oder Altpapier-Zellulose wird industriell in großem Stil unter Verwendung von Cellulasen betrieben. Darüber hinaus werden Cellulasen beispielsweise zur Herstellung von Babynahrung und Instantprodukten verwendet. In bestimmten diätischen Nahrungsprodukten werden auf diese Weise Zellulose-Anteile deutlich reduziert und Glukose kann so aus Zellulose haltigen Abfällen produziert werden.

Übersicht über die industrielle Anwendung von Cellulasen:

  • in Babynahrung und Instantprodukten
  • zur Entfernung von Zellulose in Diätprodukten
  • Klärung von Fruchtsäften
  • Auflösung der Zellulose während der Trocknung von Kaffeebohnen
  • Bei der Weinherstellung extrahieren Cellulasen und weitere Enzyme erwünschte Substanzen wie Aromen und Tannine aus den Traubenschalen.
  • Durch Aufschluss von Zellulose tragen Cellulasen dazu bei, dass pflanzliche Tiernahrung optimaler verwertet wird.
  • Der sogenannte „used look“ bei Jeans-Kleidung wäre ohne Cellulase nicht denkbar.
  • usw.

Fazit

Durch Cellulasen ist es möglich Zellulose aufzuspalten, wodurch Glukose freigesetzt wird. Dies ist besonders wichtig für Pflanzenfresser, da sie sonst die in der pflanzlichen Nahrung enthaltene Zellulose ungenutzt ausscheiden würden. Die meisten Tiere besitzen selbst keine Cellulasengene und sind bei der Synthetisierung auf die Hilfe exogener Cellulasen von Endosymbionten angewiesen. Diese haben die Tiere meist in ihr Verdauungssystem eingebaut.

Cellulasen bestehen aus 3 Enzymgruppen. Die Aufgabe der Endoglucanasen ist es, starke chemische Bindungen innerhalb der Zellulose aufzubrechen. Die Exoglucanasen trennen von diesen sogenannten Kettenmolekülen, zwei Glukose-Einheiten ab, bevor die Cellobiasen die starken Verbindungen zwischen den Doppelmolekülen der Glukosekomplexe auftrennt und der daraus resultierende (einfache) Zucker vom Blut aufgenommen werden kann.