Biopolímero

Os biopolímeros son polímeros naturais producidos polas células dos organismos vivos. Igual que outros polímeros, os biopolímeros constan de unidades monómeras que están enlazadas covalentemente formando cadeas que orixinan grandes moléculas. Hai tres clases principais de biopolímeros, clasificadas de acordo cos monómeros de que constan e da estrutura do biopolímero formado, que son: polinucleótidos, polipéptidos e polisacáridos. Os polinucleótidos ARN e ADN son longos polímeros de nucleótidos. Os polipéptidos inclúen as proteínas e outros polímeros máis curtos de aminoácidos; algúns exemplos salientables son o coláxeno, actina e fibrina. Os polisacáridos son cadeas lineares ou ramificadas de carbohidratos azucres; exemplos son o amidón, celulosa e alxinato. Outros exemplos de biopolímeros son as gomas naturais (polímeros de isopreno), a suberina e a lignina (polímeros polifenólicos complexos), a cutina e o cután (polímeros complexos de ácidos graxos de cadea longa), a melanina e os polihidroxialcanoatos (PHAs).
Ademais dos seus moitos papeis esenciais nos organismos vivos, os biopolímeros teñen aplicacións en moitos eidos, incluíndo a industria alimentaria, manufacturas, empaquetado e enxeñaría biomédica. Biopolímeros fronte a polímeros sintéticos
Unha diferenza fundamental entre os biopolímeros e polímeros sintéticos pode encontrarse nas súas estruturas. Todos os polímeros están feitos de unidades repetidas chamadas monómeros. Os biopolímeros a miúdo teñen estruturas ben definidas, aínda que esta non é unha característica definida (exemplo: lignocelulosa): a composición química exacta e a secuencia na cal estas unidades están colocadas chámase estrutura primaria. Moitos biopolímeros dóbranse espontaneamente adoptando formas características (ver tamén "pregamento das proteínas" así como estrutura secundaria e terciaria), que determina as súas funcións biolóxicas e depende de maneiras complicadas da súa estrutura primaria. A bioloxía estrutural é o estudo das propiedades estruturais dos biopolímeros. En contraste, a maioría dos polímeros sintéticos teñen estruturas moito máis simples e aleatorias (estocásticas). Isto causa que nos biopolímeros se perda a distribución da masa molecular. De feito, como a súa síntese está controlada por un proceso dirixido por un molde na maioría dos sistemas in vivo, todos os biopolímeros dun tipo (dunha proteína específica) son iguais: todos conteñen secuencias similares e igual cantidade de monómeros e así todos teñen a mesma masa. Este fenómeno chamado monodispersidade diferénciase da polidispersidade atopada en polímeros sintéticos. Como resultado, os biopolímeros teñen unha dispersidade de 1. Convencións e nomenclatura
Polipéptidos
A convención nos polipéptidos é empezar a listar os residuos de aminoácidos que o constitúen desde o extremo amino terminal ao carboxilo terminal. Os residuos de aminoácidos están sempre unidos por medio de enlaces peptídicos. As proteínas, que tamén se poden denominar polipéptidos, son formas máis longas ou completamente funcionais e poden constar de varias cadeas polipeptídicas, así como de cadeas simples. As proteínas poden tamén ser modificadas para incluír compoñentes non peptídicos, como cadeas de sacáridos (glicoproteínas), lípidos (lipoproteínas), grupos hemo (hemoproteínas), etc.
Ácidos nucleicos
A convención para dar a secuencia dun ácido nucleico é listar os nucleótidos comezando polo extremo 5' ata chegar ao extremo 3' da cadea polimérica, onde 5' e 3' refírense á numeración dos carbonos do anel da ribosa dos nucleótidos que participan na formación dos enlaces fosfodiéster da cadea. Dita secuencia é a estrutura primaria do biopolímero.
Polisacáridos
Os polisacáridos (polímeros de azucres) poden ser lineares ou ramificados e están unidos por enlaces glicosídicos. A situación exacta do enlace varía, e a orientación dos grupos funcionais é tamén importante, resultando en enlaces α- e β-glicosídicos e indicando o número dos carbonos do anel enlazados. Ademais, moitas unidades de sacáridos poden sufrir varias modificacións químicas, como a aminación, e mesmo poden formar parte doutras moléculas, como as glicoproteínas. [Cómpre referencia] Caracterización estrutural
Hai varias técnicas biofísicas para determinar a información da secuencia. A secuencia das proteínas pode ser determinada pola degradación de Edman, na cal os residuos N-terminais da cadea son hidrolizados un por un, separados e despois identificados. Tamén se poden usar técnicas de espectrometría de masas. A secuencia dos ácidos nucleicos pode determinarse usando electroforese en xel e electroforese capilar. Ultimamente, as propiedades mecánicas destes biopolímeros poden medirse usando pinzas ópticas ou microscopia de forza atómica. Pode usarse a interferometría de polarización dual para medir os cambios conformacionais ou a autoensamblaxe destes materiais cando son estimulados polo pH, temperatura, forza iónica ou outras moléculas coas que se unen. [Cómpre referencia] Biopolímeros comúns
Coláxeno: é unha importante proteína estrutural dos vertebrados e a proteína máis abundante en mamíferos. Debido a isto, o coláxeno é un dos biopolímeros máis facilmente obtible e usado para moitos propósitos en investigación. Dada a súa estrutura mecánica, o coláxeno ten unha alta forza tensional e non é tóxico, é doadamente absorbible, biodegradable e un material biocompatible. Polo tanto, foi utilizado para moitas aplicacións médicas, como no tratamento de infeccións nos tecidos, sistemas de entrega de fármacos, e terapia xénica.
Fibroína da seda: é outro biopolímero proteico que se pode obter dos vermes da seda. A diferenza do coláxeno, a fibroína da seda ten unha forza tensional baixa pero ten fortes propiedades adhesivas debido ás súas propiedades fibrosas e insolubles. En estudos recentes, atopouse que a fibroína da seda posúe propiedades de anticoagulación e adhesión de plaquetas. A fibroina da seda axuda á proliferación de células nais in vitro.
Xelatina: obtense a partir do coláxeno tipo I e contén moita cisteína, e prodúcese pola hidrólise parcial do coláxeno dos ósos, tecidos e peles de animais. Hai dous tipos de xelatina, tipo A e tipo B, segundo de que tipo de coláxeno derive. O coláxeno de tipo A obtense por hidrólise ácida do coláxeno e ten un 18, 5 % de nitróxeno. O tipo B deriva da hidrólise alcalina e contén o 18 % de nitróxeno e non ten grupos amida. As temperaturas elevadas causan que a xelatina funda e forme enrolamentos irregulares, mentres que a temperaturas máis baixas hai unha transformación dos enrolamentos en hélices. A xelatina contén moitos grupos funcionais como NH2, SH e COOH que permiten que poida ser modificada usando nanopartículas e biomoléculas. A xelatina é unha proteína da matriz extracelular que pode aplicarse a vendaxes de feridas, entrega de fármacos e transfección xénica.
Amidón: é un biopolímero biodegradable barato e abundante. Poden engadirse nanofibras e microfibras á matriz do polímero para incrementar as propiedades mecánicas do amidón mellorando a elasticidade e a forza. Sen as fibras, o amidón ten malas propiedades mecánicas debido a que é moi sensible á humidade. Ao ser biodegradable e renovable utilízase para moitas aplicacións incluíndo plásticos e pastillas farmacéuticas. [Cómpre referencia]
Celulosa: a celulosa é moi estruturada con cadeas empilladas que lle dan estabilidade e forza. Estas dúas propiedades débense á forma recta da celulosa, formada por monómeros de glicosa unidos por enlaces glicosídicos. A forma recta da molécula facilita que se empaquete estreitamente. A celulosa é moi común en aplicacións debido á súa abundancia, biocompatibilidade e por ser ambientalmente amigable. A celulosa úsase amplamente en forma de nanofibrilas chamadas nanocelulosa. A nanocelulosa en baixas concentracións produce un material xelatinoso transparente, que pode usarse para facer películas biodegradables, homoxéneas e densas moi útiles en biomedicina.
Alxinato: o alxinato é o polímero natural mariño máis abondoso derivado de algas pardas. As aplicacións de biopolímeros de alxinato van desde a fabricación de envases e embalaxes, industria téxtil e alimentaria, e enxeñaría química e biomédica. A primeira aplicación que encontrou o alxinato foi en vendaxes de feridas, onde se descubriron as súas propiedades absorbentes e de xel. Cando se aplicaba ás feridas, o alxinato producía unha capa de xel protectora que é óptima para a curación e rexeneración de tecidos, e mantén un ambiente de temperatura estable no lugar. Ademais, utilizouse como medio de entrega de fármacos, xa que a velocidade de liberación do fármaco pode ser manipulada debido á variedade de densidades e composición fibrosa do alxinato. Aplicacións dos biopolímeros
As aplicacións dos biopolímeros poden clasificarse en dous grandes campos: biomédico e industrial.
Biomédicas
Como un dos principais obxectivos da enxeñaría biomédica é imitar partes do corpo para que manteñan as funcións corporais normais, debido ás súas propiedades biocompatibles, os biopolímeros utilízanse moito en enxeñaría de tecidos, aparellos médicos e industria farmacéutica. Moitos biopolímeros poden utilizarse en medicina rexenerativa, enxeñaría de tecidos, entrega de fármacos, e outras aplicacións médicas debido ás súas propiedades mecánicas. Ofrecen características como facilitaren a curación de feridas, catálise de bioactividade e non toxicidade. Comparados cos polímeros sintéticos, que poden presentar varias desvantaxes como o rexeitamento inmunoxénico e a toxicidade despois da degradación, moitos biopolímeros adoitan ser mellores na integración no corpo, xa que posúen estruturas máis complexas, similares ás do corpo humano. [Cómpre referencia]
Máis en concreto, os polipéptidos como o coláxeno e a seda, son materiais biocompatibles que están utilizándose en investigacións pioneiras, xa que son materiais baratos e doadamente obtibles. O polímero de xelatina úsase a miúdo en vendaxes de feridas, onde actúa como adhesivo. Os armazóns e películas con xelatina permiten que os armazóns alberguen os fármacos e nutrientes que se poden utilizar para a curación de feridas.
Como o coláxeno é un dos biopolímeros máis usados en ciencias biomédicas, explicaremos algúns exemplos dos seus usos:
Sistemas de entrega de fármacos baseados no coláxeno: as películas de coláxeno actúan como unha membrana de barreira e son usadas para tratar infeccións en tecidos como as infeccións de tecido corneal ou o cancro hepático. As películas de coláxeno foron usadas como portadores para a entrega de xenes que poden promover a formación de óso.
Esponxas de coláxeno: as esponxas de coláxeno utilízanse como vendaxe para tratar vítimas de queimaduras e outras feridas graves. Os implantes baseados no coláxeno úsanse para células da pel cultivadas ou portadores de fármacos que son usados para queimaduras de pel e substitución de porcións da pel.
O coláxeno como hemostato: cando o coláxeno interacciona coas plaquetas causa unha coagulación do sangue rápida. Esta coagulación rápida produce unha rede temporal para que o estroma fibroso poida ser rexenerado polas células hóspede. O hemostato baseado no coláxeno reduce a perda de sangue nos tecidos e axuda ao tratamento de órganos con hemorraxias como o fígado e o bazo.
O quitosano é outro biopolímero utilizado en investigación biomédica derivado da quitina, que é o principal compoñente do exoesqueleto de artrópodos e o segundo biopolímero máis abundante no mundo. O quitosano ten moitas características excelentes para a ciencia biomédica: é biocompatible, altamente bioactivo, o que significa que estimula unha resposta beneficiosa do corpo, pode biodegradarse, co cal pode eliminar a necesidade de facer unha segunda operación cirúrxica en aplicacións de implantes, pode formar xeles e películas e é selectivamente permeable.
O quitosano na entrega de fármacos: o quitosano utilízase principalmente para a entrega de fármacos porque ten o potencial de mellorar a absorción de fármacos e a súa estabilidade. Ademais, o quitosano conxugado con axentes anticancro pode tamén producir mellores efectos anticancro causando a liberación gradual de fármacos en tecidos cancerosos.
O quitosano como axente antimicrobiano: o quitosano é utilizado para parar o crecemento de microorganismos. Realiza funcións antimicrobianas en microorganismos como algas, fungos e bacterias.
Mestura de quitosano para enxeñaría de tecidos: o po de quitosano mesturado con alxinato utilízase para formar vendaxes funcionais. Estas vendaxes crean humidade, un ambiente biocompatible para axudar no proceso de curación. Estas vendaxes de feridas son tamén biodegradables e teñen estruturas porosas que permiten que as células crezan na vendaxe. Ademais, os quitosanos tiolados (ver tiómeros) son usados na enxeñaría de tecidos e curación de feridas, xa que estes biopolímeros poden establecer enlaces cruzados por medio de pontes disulfuro formando redes tridimensionais estables.
Industrial
Alimentación: os biopolímeros úsanse na industria alimentaria para o empaquetamento, películas de encapsulación comestibles e recubrimento de alimentos. O ácido poliláctico (PLA) é de uso moi común na industria alimentaria debido á súa cor clara e resistencia á auga. Porén, a maioría dos polímeros teñen natureza hidrófila e empezan a deteriorarse cando se expoñen á humidade. Os biopolímeros tamén se usan como películas comestibles que encapsulan alimentos e estas películas poden conter antioxidantes, encimas, probióticos, minerais, e vitaminas.
Envases: os biopolímeros máis comúns usados para empaquetar son os polihidroxialcanoatos (PHAs), o ácido poliláctico (PLA), e o amidón. O amidón e o PLA están dispoñibles comercialmente e son biodegradables, o que os fai unha elección común para usalos en envases. Porén, as súas propiedades de barreira (barreira contra a humidade ou barreira contra gases) e propiedades térmicas non son as ideais. Os polímeros hidrófilos non son resistentes á auga, a cal pode penetrar no envase e isto pode afectar ao contido do envase. O ácido poliglicólico (PGA) é un biopolímero que ten boas características de barreira e agora está a usarse no canto de PLA ou amidón.
Purificación da auga: o quitosano foi utilizado para a purificación da auga. Utilízase como floculante que só tarda uns poucos meses (en lugar de anos) en degradarse no ambiente. O quitosano purifica a auga por quelación. Este é o proceso polo cal os sitios de unión que hai ao longo da cadea do polímero se unen a ións metálicos que hai na auga formando quelatos. O quitosano é un excelente candidato para usalo no tratamento de augas residuais e pluviais. Como materiais
Algúns biopolímeros, como o PLA, a zeína natural, e o poli-3-hidroxibutirato poden utilizarse como plásticos, substituíndo o uso de plásticos baseados en polistireno ou polietileno.
Algúns plásticos denomínanse agora "degradables", "oxidegradables" ou "UV-degradables". Isto significa que se degradan cando se expoñen á luz ou ao aire, pero estes plásticos seguen estando baseados principalmente (ata o 98 %) no petróleo e actualmente non se certifican como "biodegradables" na directiva da Unión Europea sobre empaquetado e residuos de empaquetado (94/62/EC). Os biopolímeros degrádanse e algúns son axeitados para a compostaxe doméstica.
Os biopolímeros (tamén chamados polímeros renovables) prodúcense a partir de biomasa para o seu uso na industria dos envases. A biomasa procede de cultivos como a remolacha, patacas ou trigo: cando se usan para producir biopolímeros, son clasificados como cultivos non alimentarios. Estes poden ser convertidos das seguintes maneiras:
Remolacha > ácido glicónico > ácido poliglicónico
Amidón > (fermentación) > ácido láctico > ácido poliláctico (PLA)
Biomasa > (fermentación) > bioetanol > eteno > polietileno
Moitos tipos de elementos para o envasado e embalaxe poden facerse con biopolímeros: bandexas de alimentos, pellets de amidón inchado para o embarque de artigos fráxiles, películas finas para envolver.
Impactos ambientais
Os biopolímeros poden ser sustentables, neutros en carbono e son sempre renovables, porque están feitos de materiais vexetais ou animais que poden cultivarse ou producirse indefinidadmente. Como estes materiais proceden dos cultivos agrícolas, o seu uso crea unha industria sustentable. A diferenza disto, as materias primas para os polímeros derivadas de compostos petroquímicos finalmente acabarán esgotándose. Ademais, os biopolímeros teñen o potencial de cortar as emisións de carbono e reducir as cantidades de CO2 na atmosfera: isto débese a que o CO2 liberado cando se degradan pode ser reabsorbido polos cultivos en crecemento e volto a utilizar: isto fainos neutros en carbono.
Case todos os biopolímeros son biodegradables no ambiente natural: son degradados dando lugar a CO2 e auga polos microorganismos. Estes polímeros biodegradables son tamén compostables: poden utilizarse no proceso de compostaxe industrial e degrádanse nun 90 % en seis meses. Os biopolímeros que fan isto poden comercializarse co símbolo "compostable", segundo o Estándar Europeo EN 13432 (2000). Un exemplo de polímero compostable é a película de PLA de 20 μm de grosor: as películas que son máis grosas non se cualifican como compostable, aínda que sexan "biodegradables". En Europa existe un estándar de compostaxe doméstica e un logo sociado que permite aos consumidores identificar e eliminar os envases na súa morea de compost.