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Biologia

Celulose

William Yugue
Publicado por William Yugue
Última atualização: 17/1/2019

Introdução

A celulose é a molécula orgânica mais abundante do planeta. Um carboidrato formado por uma cadeia longa composta de um único monossacarídeo: a glicose. Esse polissacarídeo é o principal constituinte da parede celular de células vegetais que compõem as plantas.

Tem função estrutural, garantindo formato, rigidez e sustentação celular. É digerida através da enzima celulase, produzida por alguns microrganismos como fungos e bactérias.

A celulose foi descoberta em 1838 por Anselme Payen, um químico francês que analisava matéria vegetal, porém foi através da análise da parede celular da cortiça que Robert Hooke distinguiu e determinou a célula em 1663.

 Exemplo da microscopia de Robert Hooke mostrando as células da cortiça, cada célula está delimitada pela parede celular composta predominantemente por celulose.  Exemplo da microscopia de Robert Hooke mostrando as células da cortiça, cada célula está delimitada pela parede celular composta predominantemente por celulose.  

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Estrutura Química

A celulose é um homopolissacarídeo - estrutura formada por mais de 10 monossacarídeos iguais - estrutural, formada por mais de 10.000 unidades fundamentais de um mesmo monômero, que no caso da celulose são monossacarídeos de glicose, ligados entre si formando uma estrutura polimérica.

Exemplo da microscopia de Robert Hooke mostrando as células da cortiça, cada célula está delimitada pela parede celular composta predominantemente por celulose.  Celulose formada por vários monômeros de glicose.

A glicose é um monossacarídeo que pode apresentar duas estruturas com a mesma fórmula molecular (C6H12O6), sendo, portanto, um isômero e as duas estruturas formadas são enantiômeros, já que uma se comporta como imagem espelho da outra (uma estrutura é idêntica ao reflexo da molécula visto do espelho, por exemplo, onde o eixo simétrico está invertido).

Para fins didáticos, estabeleceu-se a nomenclatura dos enantiômeros de glicose levando em conta a direção da luz polarizada desviada quando incidida sobre a molécula. Dessa forma a glicose pode ser:

  • D-Glicose: aquela glicose que desvia a luz polarizada para a direita;
  • L-Glicose: a glicose que desvia a luz polarizada para a esquerda.

A celulose é um homopolissacarídeo formado apenas por D-Glicoses ligadas entre si por meio de uma ligação covalente específica chamada de ligação glicosídica. A ligação glicosídica é uma ligação de condensação entre dois sacarídeos. A ligação resumidamente se inicia através da interação do grupo hidroxila (OH) de um carboidrato com um hidrogênio (H) de outro.

O oxigênio, por ser muito eletronegativo, acaba "puxando" o hidrogênio do outro sacarídeo para si resultando em uma molécula de água (H2O), muito mais estável que o sacarídeo completo. A molécula de água se separa e os dois sacarídeos iniciais ficam, portanto, carentes de ligação (ambos precisam formar alguma ligação para se estabilizarem). Dessa forma, o oxigênio do sacarídeo que teve seu hidrogênio perdido se liga ao carbono do sacarídeo que teve seu grupo hidroxila perdido. Esse processo também é chamado de síntese por desidratação, já que a formação do polímero só ocorre através da formação e separação de uma molécula de água.

 Estrutura cíclica da D-glicose formando a estrutura polimérica da celulose. A região entre duas estruturas marcadas pelo oxigênio (O) é onde ocorreu a ligação glicosídica.Estrutura cíclica da D-glicose formando a estrutura polimérica da celulose. A região entre duas estruturas marcadas pelo oxigênio (O) é onde ocorreu a ligação glicosídica.

No caso da celulose, cada molécula de D-glicose presente se liga por uma ligação glicosídica do tipo β1 → 4 (o oxigênio β1 de uma D-glicose se liga no carbono 4 de outra D-glicose). Esse tipo específico de ligação é importante para compreender a impossibilidade que alguns organismos apresentam ao tentar digerir a celulose.

Além das ligações glicosídicas, os monômeros de D-glicose interagem entre si formando ligações de hidrogênio deixando a estrutura ainda mais rígida, fibrosa e insolúvel em água, característica fundamental da molécula.

A celulose, ao contrário da maioria dos polissacarídeos que são formados no Retículo Endoplasmático ou no Complexo Golgiense, é formada em um complexo enzimático fixada na membrana plasmática interna da célula do vegetal e, posteriormente, transportada para o outro lado da membrana plasmática para formar a parede celular do vegetal.

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Funções 

Sendo a principal molécula presente na Parede Celular de vegetais, a celulose confere:

  • Rigidez (devido a sua estrutura linear);
  • Formato celular;
  • Robustez;
  • Sustentação Mecânica
  • Proteção frente a desidratação ou lise celular;
  • Pressão de turgescência, sendo a principal força que dirige expansão celular durante o crescimento do organismo.

Portanto, a parede celular formada por celulose está diretamente ligada aos processos de crescimento e desenvolvimento do vegetal.

Digestão e degradação

Devido a sua insolubilidade em água, a celulose é uma substância complexa para ser digerida. Apenas com enzimas muito específicas ela consegue ser degradada e nem todos os organismos são capazes de produzir essas enzimas.

enzima responsável pela digestão de celulose é a celulase, e é sintetizada principalmente por microorganismos como bactériasfungos e protozoários, mas também por alguns invertebrados como nematóides. A digestão da celulose envolve, além da enzima celulase, moléculas de água para formar como produtos finais, moléculas de glicose livres.

Um caso interessante ocorre com alguns organismos que estabelecem relação de simbiose com microrganismos capazes de digerir a celulose. Alguns artrópodes como os cupins e mamíferos como os ruminantes possuem em seus estômagos (ou em outras regiões semelhantes do sistema digestivo) microrganismos capazes de secretar celulase e, portanto, digerir a celulose que é convertida em várias moléculas de glicose que são utilizadas pelo hospedeiro para a formação de ATP através da respiração celular ou armazenadas na forma de reserva de carboidratos.

Extração da Celulose

Devido a sua característica fibrosa, a celulose é utilizada industrialmente para a formação de diversos materiais como papel, papelão e até celofane.

Para a produção desses materiais, a celulose precisa ser extraída da madeira. Geralmente se utiliza madeiras como eucaliptos e o processo para extrair fibras de celulose desses vegetais é chamado de polpação, já que o produto final obtido é a polpa da celulose.

Resumidamente, o processo inicia-se com a madeira sem casca sendo picada e os tocos ou cavacos de madeira resultantes são submetidos a reações de cozimento com hidróxidos de sódio em digestores de elevada temperatura.

Após o processo de cozimento, a celulose é depurada através de uma lavagem para separá-la dos outros componentes da parede celular como a lignina, por exemplo.

No caso do papel, a polpa de celulose obtida após o processo de lavagem, pode ser clareada utilizando, geralmente, hidróxido de cálcio.

Por fim, o processo de secagem retira o excesso de água da polpa de celulose podendo formar folhas que podem se transportadas ou ainda trabalhadas para a obtenção dos possíveis materiais.

Biocombustíveis de Segunda Geração

Outra importância industrial da celulose é para obtenção de etanol de segunda geração. Os biocombustíveis são produzidos a partir de compostos orgânicos e mostram uma alternativa menos impactante ambientalmente que a produção a partir de derivados do petróleo.

A partir do caldo da cana-de-açúcar, rico em sacarose, é produzido etanol através da fermentação com leveduras e microrganismos capazes de converter a glicose da sacarose em etanol. Porém toda a celulose presente na cana-de-açúcar é descartada como resíduo do processo, devido a dificuldade em extrair glicose a partir da celulose. Com a adição de uma nova etapa no tratamento do resíduo da cana, é possível aumentar a quantidade de etanol gerado e ainda diminuir a quantidade de resíduo para ser descartado.

A etapa consiste em colocar o resíduo chamado de bagaço da cana em contato com a celulase, para que grande parte da celulose presente no resíduo seja convertida em glicose. Após a conversão, esse resíduo agora com elevada concentração de glicose é fermentado com as leveduras que convertem glicose em etanol.

Portanto, esse processo otimiza a obtenção de etanol a partir da cana-de-açúcar que é importante não só para a extração do caldo com sacarose, mas também para a extração de glicose a partir da celulose presente na parede celular contida no bagaço da cana. 


Exercícios

Exercício 1
(FAAP-SP)

A celulose é um carboidrato, um polissacarídeo de origem vegetal e com função estrutural. É um componente presente em todos os alimentos de origem vegetal. Os seres humanos não são capazes de digerir as fibras de celulose, porém elas são importantíssimas, pois:

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