La xilanasa és una classe d'enzims que degraden el polisacàrid beta-1,4-xilà a xilosa mitjançant la degradació de l'hemicel·lulosa, que és un dels principals components de la paret cel·lular de les plantes.
Per tant, es tracta d'una proteïna que té un paper principal en els microorganismes que es nodreixen de les plantes i són molt presents en els fongs que degraden la matèria vegetal en nutrients utilitzables.
Entre les aplicacions comercials en què s'utilitza la xilanasa, destaca el blanquejament de la polpa de la fusta en papereria sense fer servir clor i incrementar la digestibilitat en els ensitjats de les plantes farratgeres com també en el compostatge fermentat anaeròbic.Gulzar, Production and partial purification of Xylanase fromTrichoderma longibrachiatum. Published in international conference on biotechnology and neurosciences. CUSAT, 2004.P33
A banda d'això, és important també la utilització de les xilanases en additius alimentaris per la producció avícola, en la farina per millorar la qualitat de la massa fornejada, l'extracció del cafè, els olis de les plantes, en el midó i el clarificat de sucs, entre altres aplicacions.
En el futur, la xilanasa es podria utilitzar per la síntesi de biocombustibles a partir de materials no utilitzables de les plantes.
Funcionament de l'enzim Les xilanases són glicosidases (o-glicosil hidrolases, EC 3.2.1.X) que s'encarreguen de catalitzar la endohidròlisi d'enllaços 1,4- β-d-xilosídics al xilà, produint nous xilo-oligosacàrids. Aquest polisacàrid es troba majoritàriament a la paret secundària dels vegetals i forma part de l'hemicel·lulosa. miniatura|L'activitat de la xilanasa és induïda per la presència de xilà i disminueix amb la presència de glucosa|esquerraLes xilanases constitutives, a baixos nivells d'energia, son responsables de l'inici de la hidròlisi del xilà i de la posterior producció de polisacàrids petits com ara xilobiosa o xilotrosa. És amb l'ajuda de les β-xilosil premeases que els oligosacàrids es transporten a la cèl·lula (aquestes permeases poden reduir la seva activitat en contacte amb la glucosa). Dins la cèl·lula activen la transcripció dels gens xilanolítics produint així endoxilanasses i β-xilosidasse, el què és molt important doncs són les endoxilanasses les que tenen un paper crucial en la despolimerització d'aquest glícid. En primer lloc, trenquen l'enllaç glicosídic 1,4 i posteriorment es forma un enllaç hemiacetàlic que condueix a l'obtenció d'un sucre.
Llocs de reconeixement del substrat i zones actives Existeixen diferents tipus de xilanases i la seva funció i estructura encara romanen en investigació. A continuació, però, s'explica les característiques d'una de les xilanases més utilitzades al sector industrial, les quals, lògicament, s‘han estudiat de manera més detallada donat l'interès que tenen en la societat.
1,4-β-Xilanasa sintetitzada per Trichoderma reesei Trichoderma Reesei és un tipus de fong caracteritzat dins els éssers vius per la capacitat de sintetitzar una gran quantitat d'enzims hidrolítics de polisacàrids. Un d'aquests enzims, doncs, és la 1,4-β-Xilanasa. La 1,4-β-Xilanasa és un tipus d'entre els molts que hi ha d'aquest enzim degradant del xilà. Tot i això, d'aquest tipus existeixen diferents subtipus, de tal manera que aquest organisme pot sintetitzar-ne dos, la endo-1,4-β-xylanase 1(Xyn-I) i la endo-1,4-β-xylanase 2 (Xyn-II).
En les dues endo-1,4-β-xylanases hi ha diferents llocs de reconeixement i unió del substrat en els quals tenen una important implicació diferents aminoàcids. A més a més, hi ha dues zones actives. En la taula següent podem observar tots aquests llocs de reconeixement, l'aminoàcid implicat i la seva posició, i també la funció que desenvolupen (reconeixement del substrat, donador de protons, nucleòfil). miniatura|En aquesta imatge hi veiem els aminoàcids implicats als llocs de reconeixement/unió i les zones actives de la endo-1,4-β-xilanasa. En groc hi veiem marcats els llocs de reconeixement/unió i encerclades en verd les zones actives.|219x219pxEls llocs de reconeixement o unió i les zones actives de l'endo-1,4-β-xilanasa 1 són els següents: Zona actiu / Lloc de reconeixement o unió Posició de l'aminoàcidAminoàcidFunció que desenvolupaLloc de reconeixement/unió117TirosinaReconeixement del substratZona activa126GlutamatNucleòfilaLloc de reconeixement/unió128TirosinaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió160ArgininaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió164ProlinaReconeixement del substrat (mitjançant oxigen carbonílic)Lloc de reconeixement/unió174GlutaminaReconeixement del substrat Lloc de reconeixement/unió209TirosinaReconeixement del substratZona activa215GlutamatDonador de protons En l'endo-1,4-β-xilanasa 2 els llocs de reconeixement o unió i les zones actives són les següents:miniatura|En aquesta imatge hi podem veure els llocs de reconeixement i les zones actives de la endo-1,4-β-xilanasa 2. En groc estan marcats els llocs de reconeixement i encerclades en verd les zones actives. Lloc de reconeixement o unió i zones activesPosició del aminoàcidAminoàcidFunció que desenvolupaLloc de reconeixement/unió106TirosinaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió110TirosinaReconeixement del substratZona activa119GlutamatNucleòfilaLloc de reconeixement/unió121TirosinaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió155ArgininaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió159ProlinaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió169TirosinaReconeixement del substratLloc de reconeixement/unió204TirosinaReconeixement del substratZona activa210GlutamatDonador de protons
Complex xilanolític miniatura|Enzims implicats en la hidròlisi del xilà entre els quals s'hi troba la endoxilanassa|243x243pxLa xilanasa, però, no és l'únic enzim que intervé en la degradació del xilà. El xilà es degrada per l'acció de diferents enzims que formen el complex xilanolític (els més estudiats del qual són les endoxilanases i les β-xilosidases). Els enzims més importants de aquest complex són: l'endoxilanasa (endo-1,4-β-xilanasa, E.C.3.2.1.8), la β-xilosidasa (xilà-1,4-β-xilosidasa, E.C.3.2.1.37), l'α-glucuronidasa (α-glucosiduronasa, E.C.3.2.1.139), l'α-arabinofuranosidasa (α-Larabinofuranosidasa, E.C.3.2.1.55), l'acetilxilà esterasa (E.C.3.1.1.72) i l'esterasa d'àcid ferúlic i àcid p-coumàric. És necessària l'actuació de diferents enzims a causa de la heterogeneïtat i complexitat del xilè, que té una estructura amb un esquelet de xilosa no ramificat, el qual pot tenir substitucions de grups acetil, L-arabinofuranosil, glucuronil i 4-o-metilglucuronil. Les característiques d'aquests enzims són: Endo-1,4-β-xilanases: S'encarrega del trencament dels enllaços glicosídics de l'esquelet del xilà reduint-ne el grau de polimerització. β-D-xilosidases: No hidrolitzen xilà. Ell substrat amb el qual millor actuen és la xilobiosa i la seva afinitat pels xilooligosacàrids és inversament proporcional al seu grau de polimerització. Acetilxilà esterasa: Elimina els grups O-acetil de les posicions 2 i/o 3 en els residus β-D-xilopiranosil d'acetil-xilà. Arabinasa: Elimina els residus de L-arabinosa substituïts a les posicions 2 i 3 del β-D-xilopiranosil. α-Glucuronidasa: Hidrolitza els enllaços α-1,2 entre els residus d'àcid glucurònic i les unitats de l'esquelet de β-D-xilopiranosil que es troben en glucuronoxilà. L'esterasa d'àcid ferúlic i l'esterasa d'àcid p-coumàric: Trenquen els enllaços éster del xilà.
Activitat enzimàtica Existeixen molts tipus de xilanases i la seva estructura, el funcionament o les característiques òptimes per a la major activitat enzimàtica es diferencien bastant. Generalment, podríem dir que és un enzim termoestable amb temperatures òptimes elevades (sovint superiors a 40 °C). En diferents articles es troben taules de pH òptims per a diferents xilanases de diferènts espècies. En conjunt, podríem dir que el valor en què l'ezim és funcional oscil·la entre un interval ampli, des de 4 per a algunes espècies i tipus de xilanases fins a 8 per a altres, amb alguns valors més extrems i poc freqüents.
Segons UniProt, una de les bases de dades més importants de proteïnes, el pH òptim de la endo-1,4-beta-xilanasa 1 és 3.5-4 i és estable en un pH des de 2.5 fins a 8.5 a temperatura ambient i a un pH de 2.5 fins a 4.5 a 40 °C.
La cinètica, valorada amb la constant de Michaelis-Menten (KM), varia segons el tipus de substrat. KM=0.22 mg/ml per a fusta de faig (xilà 1) KM=14.8 mg/ml per glucuronoxilà acetilat 1 KM=22.3 mg/ml per glucuronozilà desacetilat 1 Per la endo-1,4-beta-xilanasa 2, el pH òptim és 4.5-5.5 segons UniProt i és estable en un pH des de 3.0 fins a 8.5 a temperatura ambient i a un pH de 4.0 fins a 7.5 a 40 °C. La cinètica també varia depenent del substrat al qual s'uneix: KM=0.14 mg/ml per a fusta de faig (xilà 1) KM=3.0 mg/ml per glucuronoxilà acetilat 1 KM=3.8 mg/ml per glucuronozilà desacetilat 1
L'activitat de la xilanasa pot ser inhibida per la unió de l'inhibidor al centre actiu de l'enzim de manera competitiva. Inhibir l'activitat de la xilanasa és de gran avantatge per als hostes de fongs patògens, ja que la inhibició de l'enzim afecta el creixement del fong.
Estructura A continuació s'explicarà l'estructura dels dos tipus d'endo-1,4-β-xylanases sintetitzades per Trichoderma reesei. Per tal de fer-ho, cal que fem referència als diferents nivells que podem distingir:
Estructura primària Sabent que l'estructura primària, bàsicament, fa referència a la seqüència d'aminoàcids que conforma una cadena polipeptídica, cal destacar que la Xyn-I i la Xyn-II estan constituïdes per 178 i 190 aminoàcids,TÖRRÖNEN A, ROUVINEN J (24 of August, 1994), "Structural Comparison of Two Major endo-1,4-Xylanases from Trichoderma reesei". Biochemistry 1995, 34, pages 847—856. . Consultat el 17-10-2017 (en anglès) respectivament (tot i que tenint en compte la seqüència senyal i la part propeptídica, estan constituïts per 229 i 223 aa). Així doncs, deduïm que es tracta de dues proteïnes relativament petites amb un pes molecular que oscil·la entre 19 i 21 kDa. 365x365px|Alineament entre la 1,4-β-Xylanase I i la 1,4-β-Xylanase II. En gris i marcats emprant un asterisc s'han senyalat els aa homòlegs que presenten les dues proteines. En lila s'han assenyalat els aa polars (amb i sense càrrega) d'ambdós enzims. Dins el requadre rosa s'ha senyalat la seqüència senyal i dins el blau la part propetptídica d'ambdues cadenes polipeptídiques.esquerra.|miniatura|esquerraTots dos enzims són molt semblants (presenten aproximadament un 45% d'homologia) i destaca la presència en ells d'una gran quantitat d'aminoàcids polars sense càrrega, i també de polars amb càrrega positiva i amb càrrega negativa. Aquests tipus d'aa, entre altres funcions, intervenen en la conformació de l'estructura tridimensional gràcies a les interaccions per pont d'hidrogen que estableixen entre ells.
Un altre aminoàcid que intervé en la conformació de l'estructura tridimensional de les proteïnes és la cisteïna. En el cas d'aquests dos enzims, però, tan sols trobem una cisteïna situada en la posició nou de la Xyn-I, i per això no es poden formar enllaços per pont disulfur intramoleculars.
Conformació tridimensional. Estructura secundària miniatura|Estructura secundària de la 1,4-β-Xylanase 1L'estructura secundària és la conformació en l'espai que adopta la seqüència d'aminoàcids segons tres models: α-hèlix, làmina-β (i hèlix de col·lagen). En el cas d'ambdues xilanases, observem la presència d'una gran quantitat de cadenes-β disposades de forma mixta que donen lloc, en cadascuna, a dues làmines-β diferents. miniatura|Estructura secundària de la 1,4-β-Xylanase II