Zellulose ist das häufigste Biopolymer auf der Erde, ein lineares Polysaccharid, das die primäre strukturelle Komponente pflanzlicher Zellwände bildet, mit der wiederholten Formel (C₆H₁₀O₅)_n. Es besteht aus β-D-Glucose-Einheiten, die durch β(1→4)-glykosidische Bindungen verknüpft sind und starre, gerade Ketten bilden, die sich grundlegend von der helicalen α-verknüpften Struktur der Stärke unterscheiden.

Molekulare Struktur

Jede Zellulosekette weist Glucose-Monomere auf, die um 180° relativ zu ihren Nachbarn gedreht sind, wodurch Cellobiose-Wiederholungseinheiten entstehen, die umfangreiche intra- und interketten Wasserstoffbrückenbindungen aufweisen. Diese Bindungen erzeugen flache Schichten, die zu Mikrofibrillen gepackt werden und durch kristalline Bereiche eine hohe Zugfestigkeit verleihen. Ketten können bis zu 15.000 Glucose-Einheiten lang sein, mit hydrophilen Hydroxylgruppen auf einer Seite und hydrophoben Oberflächen auf der anderen.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Zellulose ist aufgrund ihrer dichten Packung und Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser unlöslich, weist hohe mechanische Festigkeit und Resistenz gegenüber enzymatischem Abbau auf – außer durch spezialisierte Mikroorganismen. Die β-Bindungen verhindern die Verdauung beim Menschen, weshalb sie als Ballaststoff und nicht als Energiequelle gilt. Ihre Eigenschaften ermöglichen die Bildung starker Fasern in Pflanzen, wobei Mikrofibrillen lateral etwa 1–4 nm messen.

Biosynthese und Anwendungen

Zellulose wird durch Zellulosesynthase-Komplexe in den Plasmamembranen von Pflanzen synthetisiert und als Mikrofibrillen in die Zellwandmatrix ausgeschieden. Industriell wird sie in Papier, Textilien und Biokraftstoffen verwendet; Modifikationen erhöhen die Löslichkeit für Anwendungen wie Viskose. In der Mikrobiologie produzieren bestimmte Bakterien Zellulose extrazellulär für Biofilme.