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Articulo de referencia

Biopolímero

Los biopolímeros son polímeros naturales producidos por las células de los organismos vivos . Al igual que otros polímeros, los biopolímeros constan de unidades monoméricas unid...

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Los biopolímeros son polímeros naturales producidos por las células de los organismos vivos . Al igual que otros polímeros, los biopolímeros constan de unidades monoméricas unidas covalentemente en cadenas para formar moléculas más grandes. Existen tres clases principales de biopolímeros, clasificadas según los monómeros utilizados y la estructura del biopolímero formado: polinucleótidos , polipéptidos y polisacáridos . Los polinucleótidos, ARN y ADN , son polímeros largos de nucleótidos . Los polipéptidos incluyen proteínas y polímeros más cortos de aminoácidos ; algunos ejemplos importantes son el colágeno , la actina y la fibrina . Los polisacáridos son cadenas lineales o ramificadas de carbohidratos de azúcar ; ejemplos de estos son el almidón, la celulosa y el alginato. Otros ejemplos de biopolímeros incluyen cauchos naturales (polímeros de isopreno ), suberina y lignina ( polímeros polifenólicos complejos ), cutina y cutano (polímeros complejos de ácidos grasos de cadena larga ), melanina y polihidroxialcanoatos (PHA) .

Además de sus múltiples funciones esenciales en los organismos vivos, los biopolímeros tienen aplicaciones en muchos campos, incluyendo la industria alimentaria , la fabricación , el envasado y la ingeniería biomédica . [ 1 ]

En la estructura del ADN hay un par de biopolímeros , polinucleótidos , que forman la estructura de doble hélice.
Definición de la IUPAC

biopolímeros : macromoléculas (incluidas proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos) formadas por organismos vivos. [ 2 ]

Biopolímeros frente a polímeros sintéticos

Una diferencia fundamental entre los biopolímeros y los polímeros sintéticos radica en su estructura. Todos los polímeros están formados por unidades repetitivas llamadas monómeros . Los biopolímeros suelen tener una estructura bien definida, aunque esta no es una característica definitoria (por ejemplo, la lignocelulosa ). La composición química exacta y la secuencia en la que se disponen estas unidades se denomina estructura primaria , en el caso de las proteínas. Muchos biopolímeros se pliegan espontáneamente en formas compactas características (véase también « plegamiento de proteínas », así como estructura secundaria y terciaria ), que determinan sus funciones biológicas y dependen de forma compleja de sus estructuras primarias. La biología estructural estudia las propiedades estructurales de los biopolímeros. En cambio, la mayoría de los polímeros sintéticos tienen estructuras mucho más simples y aleatorias (o estocásticas). Esto da lugar a una distribución de masa molecular que no se encuentra en los biopolímeros. De hecho, dado que su síntesis está controlada por un proceso dirigido por plantilla en la mayoría de los sistemas in vivo , todos los biopolímeros de un tipo (por ejemplo, una proteína específica) son iguales: todos contienen secuencias y números de monómeros similares y, por lo tanto, todos tienen la misma masa. Este fenómeno se denomina monodispersidad, en contraste con la polidispersidad que se observa en los polímeros sintéticos. Como resultado, los biopolímeros tienen una dispersidad de 1. [ 3 ]

Convenciones y nomenclatura

Polipéptidos

La convención para un polipéptido consiste en enumerar sus residuos de aminoácidos constituyentes en el orden en que aparecen desde el extremo amino hasta el extremo carboxilo. Los residuos de aminoácidos siempre están unidos por enlaces peptídicos . El término proteína , aunque se usa coloquialmente para referirse a cualquier polipéptido, alude a formas más grandes o completamente funcionales y puede constar de varias cadenas polipeptídicas, así como de cadenas simples. Las proteínas también pueden modificarse para incluir componentes no peptídicos, como cadenas de sacáridos y lípidos . [ 4 ]

Ácidos nucleicos

La convención para una secuencia de ácido nucleico consiste en enumerar los nucleótidos desde el extremo 5' hasta el extremo 3' de la cadena polimérica , donde 5' y 3' se refieren a la numeración de los carbonos alrededor del anillo de ribosa que participan en la formación de los enlaces fosfato diéster de la cadena. Dicha secuencia se denomina estructura primaria del biopolímero. [ 5 ]

Polisacáridos

Los polisacáridos (polímeros de azúcar) pueden ser lineales o ramificados y generalmente se unen mediante enlaces glucosídicos . La ubicación exacta del enlace puede variar, y la orientación de los grupos funcionales de enlace también es importante, dando lugar a enlaces α- y β-glucosídicos, cuya numeración define la posición de los carbonos de enlace en el anillo. Además, muchas unidades de sacáridos pueden sufrir diversas modificaciones químicas, como la aminación , e incluso pueden formar parte de otras moléculas, como las glicoproteínas .

Caracterización estructural

Existen diversas técnicas biofísicas para determinar la información de secuencia. La secuencia de proteínas se puede determinar mediante la degradación de Edman , en la que los residuos N-terminales se hidrolizan de la cadena uno a uno, se derivatizan y luego se identifican. También se pueden utilizar técnicas de espectrometría de masas . La secuencia de ácidos nucleicos se puede determinar mediante electroforesis en gel y electroforesis capilar. Por último, las propiedades mecánicas de estos biopolímeros a menudo se pueden medir utilizando pinzas ópticas o microscopía de fuerza atómica . La interferometría de doble polarización se puede utilizar para medir los cambios conformacionales o el autoensamblaje de estos materiales cuando se estimulan por el pH, la temperatura, la fuerza iónica u otros socios de unión. [ 6 ]

biopolímeros comunes

Colágeno : [ 7 ] El colágeno es la estructura primaria de los vertebrados y la proteína más abundante en los mamíferos. Por ello, es uno de los biopolímeros más fáciles de obtener y se utiliza en numerosas investigaciones. Gracias a su estructura mecánica, el colágeno posee una alta resistencia a la tracción y es un material no tóxico, fácilmente absorbible, biodegradable y biocompatible. Por consiguiente, se ha utilizado en diversas aplicaciones médicas, como el tratamiento de infecciones tisulares, sistemas de administración de fármacos y terapia génica.

Fibroína de seda : [ 8 ] La fibroína de seda (FS) es otro biopolímero rico en proteínas que se puede obtener de diferentes especies de gusanos de seda, como el gusano de la morera Bombyx mori. A diferencia del colágeno, la FS tiene una menor resistencia a la tracción, pero posee fuertes propiedades adhesivas debido a su composición proteica fibrosa e insoluble. En estudios recientes, se ha descubierto que la fibroína de seda posee propiedades anticoagulantes y de adhesión plaquetaria. Además, se ha observado que la fibroína de seda favorece la proliferación de células madre in vitro.

Gelatina : La gelatina se obtiene del colágeno tipo I, compuesto de cisteína, y se produce mediante la hidrólisis parcial del colágeno de huesos, tejidos y piel de animales. [ 9 ] Existen dos tipos de gelatina: tipo A y tipo B. El colágeno tipo A se obtiene por hidrólisis ácida del colágeno y contiene un 18,5 % de nitrógeno. El tipo B se obtiene por hidrólisis alcalina, contiene un 18 % de nitrógeno y no presenta grupos amida. Las temperaturas elevadas provocan que la gelatina se derrita y se presente como espirales, mientras que las temperaturas bajas dan lugar a la transformación de espiral a hélice. La gelatina contiene numerosos grupos funcionales como NH2, SH y COOH, que permiten su modificación mediante nanopartículas y biomoléculas. La gelatina es una proteína de la matriz extracelular, lo que permite su aplicación en diversos campos, como apósitos para heridas, administración de fármacos y transfección genética. [ 9 ]

Almidón: El almidón es un biopolímero biodegradable económico y abundante. Se pueden añadir nanofibras y microfibras a la matriz polimérica para aumentar las propiedades mecánicas del almidón, mejorando su elasticidad y resistencia. Sin las fibras, el almidón presenta propiedades mecánicas deficientes debido a su sensibilidad a la humedad. Al ser biodegradable y renovable, el almidón se utiliza en numerosas aplicaciones, incluyendo plásticos y comprimidos farmacéuticos. [ 10 ]

Celulosa: La celulosa tiene una estructura muy definida con cadenas apiladas que le confieren estabilidad y resistencia. Esta resistencia y estabilidad provienen de la forma lineal de la celulosa, formada por monómeros de glucosa unidos mediante enlaces de glucógeno [ 11 ] . Esta forma lineal permite que las moléculas se empaqueten de forma compacta. La celulosa es muy común en diversas aplicaciones debido a su abundancia, su biocompatibilidad y su carácter ecológico. Se utiliza ampliamente en forma de nanofibrillas, denominadas nanocelulosa. La nanocelulosa, a bajas concentraciones, produce un gel transparente. Este material puede utilizarse para la fabricación de películas biodegradables, homogéneas y densas, muy útiles en el campo biomédico [ 12 ] .

Alginato: El alginato es el polímero natural marino más abundante, derivado de las algas pardas. Sus aplicaciones abarcan desde el envasado, la industria textil y alimentaria hasta la ingeniería biomédica y química. La primera aplicación del alginato fue en forma de apósito para heridas, donde se descubrieron sus propiedades absorbentes y similares a un gel. Al aplicarse sobre las heridas, el alginato forma una capa protectora de gel óptima para la cicatrización y la regeneración tisular, manteniendo una temperatura estable. Además, se han desarrollado aplicaciones del alginato como medio de administración de fármacos, ya que la velocidad de liberación se puede controlar fácilmente gracias a la variedad de densidades y la composición fibrosa del alginato.

Aplicaciones de biopolímeros

Las aplicaciones de los biopolímeros se pueden clasificar en dos campos principales, que difieren debido a su uso biomédico e industrial. [ 1 ]

Biomédica

Debido a que uno de los propósitos principales de la ingeniería biomédica es imitar partes del cuerpo para mantener las funciones corporales normales, debido a sus propiedades biocompatibles, los biopolímeros se utilizan ampliamente para la ingeniería de tejidos , dispositivos médicos y la industria farmacéutica. [ 7 ] Muchos biopolímeros pueden utilizarse para medicina regenerativa , ingeniería de tejidos, administración de fármacos y aplicaciones médicas generales debido a sus propiedades mecánicas. Proporcionan características como cicatrización de heridas, catálisis de bioactividad y no toxicidad. [ 13 ] En comparación con los polímeros sintéticos, que pueden presentar varias desventajas como rechazo inmunogénico y toxicidad después de la degradación, muchos biopolímeros suelen tener una mejor integración corporal ya que también poseen estructuras más complejas, similares al cuerpo humano.

Más concretamente, los polipéptidos como el colágeno y la seda son materiales biocompatibles que se utilizan en investigaciones innovadoras, ya que son económicos y fáciles de obtener. El polímero de gelatina se usa frecuentemente en apósitos para heridas, donde actúa como adhesivo. Los andamios y películas con gelatina permiten que estos soporten fármacos y otros nutrientes que pueden utilizarse para irrigar una herida y favorecer su cicatrización.

Dado que el colágeno es uno de los biopolímeros más utilizados en la ciencia biomédica, aquí presentamos algunos ejemplos de su uso:

Sistemas de administración de fármacos basados ​​en colágeno: las películas de colágeno actúan como una membrana de barrera y se utilizan para tratar infecciones de tejidos como el tejido corneal infectado o el cáncer de hígado. [ 14 ] Las películas de colágeno también se han utilizado como portadores de genes que pueden promover la formación ósea.

Esponjas de colágeno: Las esponjas de colágeno se utilizan como apósito para tratar quemaduras y otras heridas graves. Los implantes a base de colágeno se utilizan para células cutáneas cultivadas o como portadores de fármacos para tratar quemaduras y reemplazar la piel. [ 14 ]

El colágeno como hemostático : Cuando el colágeno interactúa con las plaquetas, provoca una coagulación rápida de la sangre. Esta coagulación rápida crea una estructura temporal que permite la regeneración del estroma fibroso por las células del huésped. El hemostático a base de colágeno reduce la pérdida de sangre en los tejidos y ayuda a controlar las hemorragias en órganos como el hígado y el bazo.

El quitosano es otro biopolímero popular en la investigación biomédica. Se deriva de la quitina , el componente principal del exoesqueleto de crustáceos e insectos y el segundo biopolímero más abundante del mundo. [ 7 ] El quitosano posee muchas características excelentes para la ciencia biomédica. Es biocompatible, altamente bioactivo (lo que significa que estimula una respuesta beneficiosa del organismo), biodegradable (lo que puede evitar una segunda cirugía en aplicaciones de implantes), puede formar geles y películas, y es selectivamente permeable . Estas propiedades permiten diversas aplicaciones biomédicas del quitosano.

Quitosano como sistema de administración de fármacos: El quitosano se utiliza principalmente para la administración dirigida de fármacos debido a su potencial para mejorar la absorción y la estabilidad de los mismos. Además, el quitosano conjugado con agentes anticancerígenos también puede producir mejores efectos anticancerígenos al provocar la liberación gradual del fármaco libre en el tejido canceroso. [ 15 ]

El quitosano como agente antimicrobiano: El quitosano se utiliza para detener el crecimiento de microorganismos . Ejerce funciones antimicrobianas en microorganismos como algas, hongos, bacterias y bacterias grampositivas de diferentes especies de levaduras.

Compuesto de quitosano para ingeniería de tejidos: El polvo de quitosano mezclado con alginato se utiliza para formar apósitos funcionales para heridas. Estos apósitos crean un entorno húmedo y biocompatible que favorece el proceso de cicatrización. Este apósito también es biodegradable y posee estructuras porosas que permiten el crecimiento celular dentro del mismo. [ 7 ] Además, los quitosanos tiolados (véase tiómeros ) se utilizan para la ingeniería de tejidos y la cicatrización de heridas, ya que estos biopolímeros pueden entrecruzarse mediante enlaces disulfuro formando redes tridimensionales estables. [ 16 ] [ 17 ]

Industrial

Alimentación : Los biopolímeros se utilizan en la industria alimentaria para envases, películas de encapsulación comestibles y recubrimientos de alimentos. El ácido poliláctico (PLA) es muy común en la industria alimentaria debido a su transparencia y resistencia al agua. Sin embargo, la mayoría de los polímeros son hidrófilos y se deterioran al exponerse a la humedad. Los biopolímeros también se utilizan como películas comestibles para encapsular alimentos. Estas películas pueden contener antioxidantes , enzimas , probióticos , minerales y vitaminas. Los alimentos encapsulados con la película de biopolímero aportan estos nutrientes al organismo.

Envases: Los biopolímeros más comunes utilizados en envases son los polihidroxialcanoatos (PHA), el ácido poliláctico (PLA) y el almidón . El almidón y el PLA están disponibles comercialmente y son biodegradables, lo que los convierte en una opción común para envases. Sin embargo, sus propiedades de barrera (ya sean contra la humedad o contra los gases) y sus propiedades térmicas no son ideales. Los polímeros hidrófilos no son resistentes al agua y permiten que esta atraviese el envase, lo que puede afectar su contenido. El ácido poliglicólico (PGA) es un biopolímero con excelentes características de barrera y actualmente se utiliza para corregir las deficiencias de barrera del PLA y el almidón.

Purificación del agua: El quitosano se ha utilizado para la purificación del agua. Se emplea como floculante , degradándose en el medio ambiente en cuestión de semanas o meses, en lugar de años. El quitosano purifica el agua mediante quelación. Este proceso consiste en que los sitios de unión a lo largo de la cadena polimérica se unen a los iones metálicos presentes en el agua, formando quelatos . Se ha demostrado que el quitosano es un excelente candidato para el tratamiento de aguas pluviales y residuales. [ 18 ]

Como materiales

Algunos biopolímeros, como el PLA , la zeína de origen natural y el poli-3-hidroxibutirato, pueden utilizarse como plásticos, sustituyendo la necesidad de plásticos a base de poliestireno o polietileno .

Algunos plásticos se denominan ahora «degradables», «oxidegradables» o «degradables por rayos UV». Esto significa que se descomponen al exponerse a la luz o al aire, pero estos plásticos siguen estando compuestos principalmente (hasta en un 98 %) de petróleo y actualmente no están certificados como «biodegradables» según la directiva de la Unión Europea sobre envases y residuos de envases (94/62/CE). Los biopolímeros se descomponen y algunos son aptos para el compostaje doméstico . [ 19 ]

Los biopolímeros (también llamados polímeros renovables) se producen a partir de biomasa para su uso en la industria del embalaje. La biomasa proviene de cultivos como la remolacha azucarera, las patatas o el trigo; cuando se utilizan para producir biopolímeros, se clasifican como cultivos no alimentarios . Estos pueden transformarse mediante las siguientes vías:

Remolacha azucarera > Ácido glicónico > Ácido poliglicónico

Almidón > (fermentación) > Ácido láctico > Ácido poliláctico (PLA)

Biomasa > (fermentación) > Bioetanol > Eteno > Polietileno

Con los biopolímeros se pueden fabricar muchos tipos de envases: bandejas para alimentos, gránulos de almidón expandido para el envío de productos frágiles, películas delgadas para envolver.

Impactos ambientales

Los biopolímeros pueden ser sostenibles, neutros en carbono y siempre renovables , ya que se elaboran a partir de materiales vegetales o animales que pueden cultivarse indefinidamente. Dado que estos materiales provienen de cultivos agrícolas , su uso podría generar una industria sostenible . En cambio, las materias primas para los polímeros derivados de productos petroquímicos se agotarán con el tiempo. Además, los biopolímeros tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y las cantidades de CO₂ en la atmósfera: esto se debe a que el CO₂ liberado durante su degradación puede ser reabsorbido por los cultivos que se siembran para reemplazarlos, lo que los acerca a la neutralidad de carbono .

Casi todos los biopolímeros son biodegradables en el medio ambiente natural: los microorganismos los descomponen en CO₂ y agua . Estos biopolímeros biodegradables también son compostables : pueden someterse a un proceso de compostaje industrial y se descomponen en un 90 % en seis meses. Los biopolímeros que cumplen esta función pueden marcarse con el símbolo de «compostable», según la norma europea EN 13432 (2000). Los envases marcados con este símbolo pueden someterse a procesos de compostaje industrial y se descomponen en seis meses o menos. Un ejemplo de polímero compostable es la película de PLA de menos de 20 μm de espesor: las películas más gruesas no se consideran compostables, aunque sean «biodegradables». [ 20 ] En Europa existe una norma de compostaje doméstico y un logotipo asociado que permite a los consumidores identificar y desechar los envases en su pila de compost. [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 Aksakal, R.; Mertens, C.; Soete, M.; Badi, N.; Du Prez, F. (2021). " Aplicaciones de macromoléculas sintéticas discretas en ciencias de la vida y de los materiales: tendencias recientes y futuras" . Advanced Science . 2021 (2004038): 1– 22. Bibcode : 2021AdvSc...804038A . doi : 10.1002/advs.202004038 . PMC 7967060. PMID 33747749 .  
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  3. ↑ Stupp, SI y Braun, PV, "El papel de las proteínas en el control microestructural: biomateriales, cerámicas y semiconductores", Science , vol. 277, pág. 1242 (1997)
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  • NNFCC: Centro Nacional del Reino Unido para la Energía Biorrenovable, los Combustibles y los Materiales
  • Revista de bioplásticos
  • Grupo de biopolímeros
  • ¿Qué está frenando el uso de bioplásticos?