Biopolímero - Biopolymer

Biopolímeros são polímeros naturais produzidos pelas células de organismos vivos . Biopolímeros consistem em unidades monoméricas que são ligadas covalentemente para formar moléculas maiores. Existem três classes principais de biopolímeros, classificados de acordo com os monômeros usados ​​e a estrutura do biopolímero formado: polinucleotídeos , polipeptídeos e polissacarídeos . Polinucleotídeos , como RNA e DNA , são longos polímeros compostos de 13 ou mais monômeros de nucleotídeos . Polipeptídeos e proteínas são polímeros de aminoácidos e alguns exemplos importantes incluem colágeno , actina e fibrina . Os polissacarídeos são carboidratos poliméricos lineares ou ramificados e exemplos incluem amido, celulose e alginato. Outros exemplos de biopolímeros incluem borrachas naturais (polímeros de isopreno ), suberina e lignina ( polímeros polifenólicos complexos ), cutina e cutan (polímeros complexos de ácidos graxos de cadeia longa ) e melanina .

Os biopolímeros têm várias aplicações, como na indústria de alimentos, manufatura, embalagens e engenharia biomédica.

Na estrutura do DNA está um par de biopolímeros , polinucleotídeos , formando a estrutura de dupla hélice

Biopolímeros versus polímeros sintéticos

A principal diferença definidora entre biopolímeros e polímeros sintéticos pode ser encontrada em suas estruturas. Todos os polímeros são feitos de unidades repetitivas chamadas monômeros . Os biopolímeros costumam ter uma estrutura bem definida, embora esta não seja uma característica definidora (exemplo: lignocelulose ): a composição química exata e a sequência em que essas unidades estão dispostas é chamada de estrutura primária , no caso das proteínas. Muitos biopolímeros se dobram espontaneamente em formas compactas características (ver também " dobramento de proteínas ", bem como estrutura secundária e estrutura terciária ), que determinam suas funções biológicas e dependem de uma forma complicada de suas estruturas primárias. A biologia estrutural é o estudo das propriedades estruturais dos biopolímeros. Em contraste, a maioria dos polímeros sintéticos tem estruturas muito mais simples e mais aleatórias (ou estocásticas). Esse fato leva a uma distribuição de massa molecular que falta nos biopolímeros. Na verdade, como sua síntese é controlada por um processo direcionado a um modelo na maioria dos sistemas in vivo , todos os biopolímeros de um tipo (digamos, uma proteína específica) são todos semelhantes: todos eles contêm as sequências e números de monômeros semelhantes e, portanto, todos têm o mesma massa. Este fenômeno é chamado de monodispersidade em contraste com a polidispersidade encontrada em polímeros sintéticos. Como resultado, os biopolímeros têm um índice de polidispersidade de 1.

Convenções e nomenclatura

Polipeptídeos

A convenção para um polipeptídeo é listar seus resíduos de aminoácidos constituintes conforme eles ocorrem do terminal amino ao terminal do ácido carboxílico. Os resíduos de aminoácidos são sempre unidos por ligações peptídicas . A proteína , embora usada coloquialmente para se referir a qualquer polipeptídeo, refere-se a formas maiores ou totalmente funcionais e pode consistir em várias cadeias polipeptídicas, bem como em cadeias simples. As proteínas também podem ser modificadas para incluir componentes não peptídicos, como cadeias de sacarídeos e lipídeos .

Ácidos nucleicos

A convenção para uma sequência de ácido nucleico é listar os nucleotídeos conforme eles ocorrem da extremidade 5 'à extremidade 3' da cadeia do polímero , onde 5 'e 3' se referem à numeração de carbonos em torno do anel de ribose que participam na formação as ligações de diéster de fosfato da cadeia. Essa sequência é chamada de estrutura primária do biopolímero.

Açúcar

Os polímeros de açúcar podem ser lineares ou ramificados e são normalmente unidos por ligações glicosídicas . A colocação exata da ligação pode variar, e a orientação dos grupos funcionais de ligação também é importante, resultando em ligações α- e β-glicosídicas com numeração definitiva da localização dos carbonos de ligação no anel. Além disso, muitas unidades de sacarídeo podem sofrer várias modificações químicas, como aminação , e podem até mesmo formar partes de outras moléculas, como glicoproteínas .

Caracterização estrutural

Existem várias técnicas biofísicas para determinar as informações da sequência. A sequência da proteína pode ser determinada pela degradação de Edman , na qual os resíduos do terminal N são hidrolisados ​​da cadeia um de cada vez, derivatizados e, em seguida, identificados. Técnicas de espectrômetro de massa também podem ser usadas. A sequência de ácido nucleico pode ser determinada usando eletroforese em gel e eletroforese capilar. Por último, as propriedades mecânicas desses biopolímeros podem frequentemente ser medidas usando uma pinça óptica ou microscopia de força atômica . A interferometria de polarização dupla pode ser usada para medir as mudanças conformacionais ou automontagem desses materiais quando estimulados por pH, temperatura, força iônica ou outros parceiros de ligação.

Biopolímeros comuns

Colágeno : o colágeno é a estrutura primária dos vertebrados e é a proteína mais abundante em mamíferos. Por causa disso, o colágeno é um dos biopolímeros mais facilmente alcançáveis ​​e usado para muitos propósitos de pesquisa. Por sua estrutura mecânica, o colágeno possui alta resistência à tração e é um material atóxico, de fácil absorção, biodegradável e biocompatível. Portanto, tem sido usado para muitas aplicações médicas, como no tratamento de infecções de tecidos, sistemas de distribuição de drogas e terapia genética.

Fibroína de seda : seda fibroína (SF) é um outro biopolímero rico em proteínas que podem ser obtidas a partir de diferentes espécies de vermes de seda, tal como o verme amoreira Bombyx mori. Em contraste com o colágeno, o SF tem menor resistência à tração, mas possui fortes propriedades adesivas devido à sua composição proteica insolúvel e fibrosa. Em estudos recentes, descobriu-se que a fibroína de seda possui propriedades antiagulação e adesão de plaquetas. Além disso, descobriu-se que a fibroína de seda suporta a proliferação de células-tronco in vitro.

Gelatina : a gelatina é obtida a partir do colágeno tipo I, constituído por cisteína, e produzida pela hidrólise parcial do colágeno dos ossos, tecidos e pele de animais. Existem dois tipos de gelatina, Tipo A e Tipo B. O colágeno Tipo A é derivado da hidrólise ácida do colágeno e tem 18,5% de nitrogênio. O tipo B é derivado por hidrólise alcalina contendo 18% de nitrogênio e nenhum grupo amida. As temperaturas elevadas fazem com que a gelatina derreta e exista como bobinas, enquanto as temperaturas mais baixas resultam na transformação da bobina em hélice. A gelatina contém muitos grupos funcionais como NH2, SH e COOH que permitem que a gelatina seja modificada usando nonopartículas e biomoléculas. A gelatina é uma proteína da matriz extracelular que permite sua aplicação em aplicações como curativos, administração de medicamentos e transfecção de genes.

Amido: o amido é um biopolímero biodegradável barato e abundante em fornecimento. Nanofibras e microfibras podem ser adicionadas à matriz polimérica para aumentar as propriedades mecânicas do amido, melhorando a elasticidade e a resistência. Sem as fibras, o amido tem propriedades mecânicas fracas devido à sua sensibilidade à umidade. O amido, sendo biodegradável e renovável, é usado para muitas aplicações, incluindo plásticos e comprimidos farmacêuticos.

Celulose: A celulose é muito estruturada com cadeias empilhadas que resultam em estabilidade e resistência. A força e a estabilidade vêm da forma mais reta da celulose causada por monômeros de glicose unidos por ligações de glicogênio. A forma reta permite que as moléculas se compactem bem. A celulose é muito comum na aplicação devido ao seu abundante suprimento, à sua biocompatibilidade e é ecologicamente correta. A celulose é amplamente utilizada na forma de nanofibrilas denominadas nanocelulose. A nanocelulose apresentada em baixas concentrações produz um material de gel transparente. Este material pode ser utilizado para filmes biodegradáveis, homogêneos e densos, de grande utilidade na área biomédica.

Alginato: o alginato é o polímero natural marinho mais abundante derivado da alga marrom. As aplicações do biopolímero de alginato vão desde embalagens, indústria têxtil e de alimentos até engenharia biomédica e química. A primeira aplicação de alginato foi na forma de curativo para feridas, onde suas propriedades semelhantes a gel e absorventes foram descobertas. Quando aplicado em feridas, o alginato produz uma camada de gel protetora que é ideal para a cicatrização e regeneração do tecido, e mantém um ambiente de temperatura estável. Além disso, houve desenvolvimentos com alginato como um meio de distribuição de drogas, uma vez que a taxa de liberação de drogas pode ser facilmente manipulada devido a uma variedade de densidades de alginato e composição fibrosa.

Aplicações de biopolímero

As aplicações dos biopolímeros podem ser categorizadas em dois campos principais, que se diferenciam pelo uso biomédico e industrial.

Biomédica

Como um dos principais objetivos da engenharia biomédica é imitar as partes do corpo para sustentar as funções normais do corpo, devido às suas propriedades biocompatíveis, os biopolímeros são amplamente usados ​​na engenharia de tecidos , dispositivos médicos e na indústria farmacêutica. Muitos biopolímeros podem ser usados ​​para medicina regenerativa , engenharia de tecidos, administração de drogas e aplicações médicas em geral devido às suas propriedades mecânicas. Eles fornecem características como cicatrização de feridas e catálise de bioatividade e não toxicidade. Comparados aos polímeros sintéticos, que podem apresentar várias desvantagens como rejeição imunogênica e toxicidade após degradação, muitos biopolímeros normalmente são melhores com integração corporal, pois também possuem estruturas mais complexas, semelhantes ao corpo humano.

Mais especificamente, polipeptídeos como colágeno e seda são materiais biocompatíveis que estão sendo usados ​​em pesquisas inovadoras, pois são materiais baratos e facilmente acessíveis. O polímero de gelatina é frequentemente usado em curativos onde atua como adesivo. Os andaimes e filmes com gelatina permitem que os andaimes retenham medicamentos e outros nutrientes que podem ser usados ​​para fornecer a uma ferida para a cura.

Como o colágeno é um dos biopolímeros mais populares usados ​​na ciência biomédica, aqui estão alguns exemplos de seu uso:

Sistemas de administração de medicamentos à base de colágeno : os filmes de colágeno atuam como uma membrana barreira e são usados ​​para tratar infecções de tecido como tecido córneo infectado ou câncer de fígado. Todos os filmes de colágeno têm sido usados ​​para transportadores de genes que podem promover a formação óssea.

Matrizes de colágeno ou esponjas podem ser usadas para tratar feridas para regeneração e reforço de tecidos.

Esponjas de colágeno: as esponjas de colágeno são usadas como curativo para tratar vítimas de queimaduras e outras feridas graves. Os implantes à base de colágeno são usados ​​para células de pele em cultura ou transportadores de drogas que são usados ​​para queimar feridas e substituir a pele.

Colágeno como hemostático : quando o colágeno interage com as plaquetas , causa uma rápida coagulação do sangue. Essa coagulação rápida produz uma estrutura temporária para que o estroma fibroso possa ser regenerado pelas células hospedeiras. O hemostato de bases de colágeno reduz a perda de sangue nos tecidos e ajuda a controlar o sangramento em órgãos celulares como o fígado e o baço.

A quitosana é outro biopolímero popular na pesquisa biomédica. A quitosana é derivada da quitina , o principal componente do exoesqueleto de crustáceos e insetos e o segundo biopolímero mais abundante do mundo. A quitosana tem muitas características excelentes para a ciência biomédica. A quitosana é biocompatível, é altamente bioativa , o que significa que estimula uma resposta benéfica do corpo, pode biodegradar o que pode eliminar uma segunda cirurgia em aplicações de implantes, pode formar géis e filmes e é seletivamente permeável . Essas propriedades permitem várias aplicações biomédicas da Quitosana.

Quitosana como liberação de drogas: a quitosana é usada principalmente para direcionar drogas porque tem potencial para melhorar a absorção e estabilidade da droga. além disso, a quitosana conjugada com agentes anticâncer também pode produzir melhores efeitos anticâncer, causando a liberação gradual da droga livre no tecido canceroso.

Quitosana como agente antimicrobiano: a quitosana é usada para interromper o crescimento de microorganismos . Desempenha funções antimicrobianas em microrganismos como algas, fungos, bactérias e bactérias gram positivas de diferentes espécies de leveduras.

Composto de quitosana para engenharia de tecidos: a potência combinada de quitosana com alginato é usada em conjunto para formar curativos funcionais para feridas. Esses curativos criam um ambiente úmido que auxilia no processo de cicatrização. Este curativo também é muito biocompatível, biodegradável e tem estruturas porosas que permitem que as células cresçam dentro do curativo.

Industrial

Alimentos : os biopolímeros estão sendo usados ​​na indústria de alimentos para coisas como embalagens, filmes de encapsulamento comestíveis e revestimentos de alimentos. O ácido polilático (PLA) é muito comum na indústria alimentícia devido à sua cor límpida e resistência à água. No entanto, a maioria dos polímeros tem uma natureza hidrofílica e começam a se deteriorar quando expostos à umidade. Biopolímeros também estão sendo usados ​​como filmes comestíveis que encapsulam alimentos. Esses filmes podem conter antioxidantes , enzimas , probióticos , minerais e vitaminas. O alimento consumido encapsulado com o filme de biopolímero pode fornecer essas coisas ao corpo.

Embalagem: Os biopolímeros mais comuns usados ​​em embalagens são polihidroxialcanoato (PHA), ácido polilático (PLA) e amido . Amido e PLA são biodegradáveis ​​comercialmente disponíveis, tornando-os uma escolha comum para embalagem. No entanto, suas propriedades de barreira e propriedades térmicas não são ideais. Os polímeros hidrofílicos não são resistentes à água e permitem que a água atravesse a embalagem, o que pode afetar o conteúdo da embalagem. O ácido poliglicólico (PGA) é um biopolímero que possui ótimas características de barreira e agora está sendo usado para corrigir os obstáculos de barreira do PLA e do amido.

Purificação de água: Quitosana tem sido usada para purificação de água. A quitosana é usada como um floculante que leva apenas algumas semanas ou meses, em vez de anos, para se degradar no meio ambiente. A quitosana purifica a água por quelação ao remover metais da água. Quelação ocorre quando os sítios de ligação ao longo da cadeia do polímero se ligam ao metal na água, formando quelatos . A quitosana tem sido usada em muitas situações para limpar tempestades ou águas residuais que possam ter sido contaminadas.

Como materiais

Alguns biopolímeros - como PLA , zeína de ocorrência natural e poli-3-hidroxibutirato podem ser usados ​​como plásticos, substituindo a necessidade de poliestireno ou plásticos à base de polietileno .

Alguns plásticos são agora chamados de 'degradáveis', 'oxi-degradáveis' ou 'degradáveis ​​por UV'. Isso significa que eles se quebram quando expostos à luz ou ao ar, mas esses plásticos ainda são principalmente (até 98 por cento) à base de óleo e não são atualmente certificados como 'biodegradáveis' sob a diretiva da União Europeia sobre Embalagens e Resíduos de Embalagens ( 94/62 / EC). Os biopolímeros se decompõem e alguns são adequados para compostagem doméstica .

Biopolímeros (também chamados de polímeros renováveis) são produzidos a partir de biomassa para uso na indústria de embalagens. A biomassa provém de culturas como a beterraba sacarina, batata ou trigo: quando utilizadas para produzir biopolímeros, são classificadas como culturas não alimentares . Eles podem ser convertidos nas seguintes vias:

Beterraba sacarina > Ácido glicônico> Ácido poliglicônico

Amido > (fermentação)> Ácido láctico > Ácido polilático (PLA)

Biomassa > (fermentação)> Bioetanol > Eteno > Polietileno

Muitos tipos de embalagens podem ser feitos de biopolímeros: bandejas de alimentos, pellets de amido soprado para remessa de mercadorias frágeis, filmes finos para embalagem.

Impactos ambientais

Os biopolímeros podem ser sustentáveis, neutros em carbono e sempre renováveis , pois são feitos de materiais vegetais que podem ser cultivados indefinidamente. Esses materiais vegetais vêm de culturas agrícolas não alimentares . Portanto, o uso de biopolímeros criaria uma indústria sustentável . Em contraste, as matérias-primas para polímeros derivados de produtos petroquímicos acabarão se esgotando. Além disso, os biopolímeros têm o potencial de cortar as emissões de carbono e reduzir as quantidades de CO 2 na atmosfera: isso porque o CO 2 liberado quando se degradam pode ser reabsorvido por safras cultivadas para substituí-los: isso os torna quase neutros em carbono .

Os biopolímeros são biodegradáveis ​​e alguns também são compostáveis. Alguns biopolímeros são biodegradáveis : eles são decompostos em CO 2 e água por microorganismos . Alguns desses biopolímeros biodegradáveis ​​são compostáveis : eles podem ser colocados em um processo de compostagem industrial e se decomporão em 90% em seis meses. Biopolímeros que fazem isso podem ser marcados com um símbolo 'compostável', de acordo com a norma europeia EN 13432 (2000). As embalagens marcadas com este símbolo podem ser colocadas em processos de compostagem industrial e irão quebrar dentro de seis meses ou menos. Um exemplo de polímero compostável é o filme de PLA com menos de 20μm de espessura: filmes mais espessos do que isso não se qualificam como compostáveis, embora sejam "biodegradáveis". Na Europa, existe um padrão de compostagem doméstica e logotipo associado que permite aos consumidores identificar e descartar embalagens em seus montes de composto.

Veja também

Referências

links externos