Biopolímero

Los biopolímeros son polímeros naturales producidos por las células de los organismos vivos . Al igual que otros polímeros, los biopolímeros consisten en unidades monoméricas que están unidas covalentemente en cadenas para formar moléculas más grandes. Hay tres clases principales de biopolímeros, clasificados 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 principales incluyen colágeno , actina y fibrina . Los polisacáridos son cadenas lineales o ramificadas de carbohidratos de azúcar ; los ejemplos incluyen almidón, celulosa y alginato. Otros ejemplos de biopolímeros incluyen cauchos naturales (polímeros de isopreno ), suberina y lignina ( polímeros polifenólicos complejos ), cutina y cutan (polímeros complejos de ácidos grasos de cadena larga ), melanina y polihidroxialcanoatos (PHA) .

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

Una diferencia definitoria importante entre los biopolímeros y los polímeros sintéticos se puede encontrar en sus estructuras. Todos los polímeros están hechos de unidades repetitivas llamadas monómeros . Los biopolímeros a menudo tienen una estructura bien definida, aunque esta no es una característica definitoria (ejemplo: 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 (ver también " plegado de proteínas ", así como estructura secundaria y estructura terciaria ), que determinan sus funciones biológicas y dependen de manera complicada de sus estructuras primarias. La biología estructural es el estudio de las propiedades estructurales de los biopolímeros. En contraste, la mayoría de los polímeros sintéticos tienen estructuras mucho más simples y aleatorias (o estocásticas). Este hecho conduce a una distribución de masa molecular que falta en los biopolímeros. De hecho, como su síntesis está controlada por un proceso dirigido por una plantilla en la mayoría de los sistemas in vivo , todos los biopolímeros de un tipo (por ejemplo, una proteína específica) son todos iguales: todos contienen secuencias y cantidades de monómeros similares y, por lo tanto, todos tienen la misma masa. Este fenómeno se denomina monodispersidad , en contraste con la polidispersidad que se encuentra en los polímeros sintéticos. Como resultado, los biopolímeros tienen una dispersidad de 1. ^[3]

La convención para un polipéptido es enumerar sus residuos de aminoácidos constituyentes a medida que aparecen desde el extremo amino hasta el extremo carboxílico. Los residuos de aminoácidos siempre están unidos por enlaces peptídicos . Proteína , aunque se utiliza coloquialmente para referirse a cualquier polipéptido, se refiere a formas más grandes o completamente funcionales y puede constar de varias cadenas polipeptídicas, así como de cadenas individuales. Las proteínas también pueden modificarse para incluir componentes no peptídicos, como cadenas de sacáridos y lípidos . ^{[ cita requerida ]}

La convención para una secuencia de ácido nucleico es enumerar los nucleótidos tal como aparecen 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 de diéster de fosfato de la cadena. Dicha secuencia se denomina estructura primaria del biopolímero.

Los polisacáridos (polímeros de azúcar) pueden ser lineales o ramificados y suelen estar unidos mediante enlaces glucosídicos . La ubicación exacta del enlace puede variar, y la orientación de los grupos funcionales de enlace también es importante, lo que da lugar a enlaces glucosídicos α y β con numeración que define la ubicación 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 glucoproteínas .

Existen varias técnicas biofísicas para determinar la información de la secuencia. La secuencia de proteínas se puede determinar mediante degradación de Edman , en la que los residuos N-terminales se hidrolizan de la cadena uno a la vez, se derivatizan y luego se identifican. También se pueden utilizar técnicas de espectrómetro 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 polarización dual 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. ^{[ cita requerida ]}

Colágeno : ^[4] El colágeno es la estructura primaria de los vertebrados y es la proteína más abundante en los mamíferos. Debido a esto, el colágeno es uno de los biopolímeros más fáciles de obtener y se utiliza para muchos fines de investigación. Debido a su estructura mecánica, el colágeno tiene una alta resistencia a la tracción y es un material no tóxico, fácilmente absorbible, biodegradable y biocompatible. Por lo tanto, se ha utilizado para muchas aplicaciones médicas, como en el tratamiento de infecciones tisulares, sistemas de administración de fármacos y terapia génica.

Fibroína de seda : ^[5] La fibroína de seda (SF) es otro biopolímero rico en proteínas que se puede obtener de diferentes especies de gusanos de seda, como el gusano morera Bombyx mori. A diferencia del colágeno, la SF tiene una resistencia a la tracción menor, pero tiene fuertes propiedades adhesivas debido a su composición proteica insoluble y fibrosa. En estudios recientes, se ha descubierto que la fibroína de seda posee propiedades anticoagulantes y de adhesión plaquetaria. Además, se ha descubierto que la fibroína de seda favorece la proliferación de células madre in vitro.

Gelatina : La gelatina se obtiene a partir del colágeno tipo I que consiste en cisteína y se produce por hidrólisis parcial del colágeno de los huesos, tejidos y piel de animales. ^[6] Hay dos tipos de gelatina, tipo A y tipo B. El colágeno tipo A se deriva de la hidrólisis ácida del colágeno y tiene un 18,5% de nitrógeno. El tipo B se deriva de la hidrólisis alcalina que contiene un 18% de nitrógeno y ningún grupo amida. Las temperaturas elevadas hacen que la gelatina se derrita y exista en forma de espirales, mientras que las temperaturas más bajas dan como resultado la transformación de espiral a hélice. La gelatina contiene muchos grupos funcionales como NH2, SH y COOH que permiten modificar la gelatina utilizando nanopartículas y biomoléculas. La gelatina es una proteína de la matriz extracelular que permite su aplicación en aplicaciones como apósitos para heridas, administración de fármacos y transfección genética. ^[6]

Almidón: El almidón es un biopolímero biodegradable de bajo costo y abundante en existencias. Se pueden agregar nanofibras y microfibras a la matriz polimérica para aumentar las propiedades mecánicas del almidón, mejorando la elasticidad y la resistencia. Sin las fibras, el almidón tiene malas propiedades mecánicas debido a su sensibilidad a la humedad. El almidón, al ser biodegradable y renovable, se utiliza para muchas aplicaciones, incluidos plásticos y tabletas farmacéuticas.

Celulosa: La celulosa es una sustancia muy estructurada con cadenas apiladas que le confieren estabilidad y resistencia. La resistencia y la estabilidad provienen de la forma más recta de la celulosa causada por los monómeros de glucosa unidos por enlaces de glucógeno. La forma recta permite que las moléculas se agrupen estrechamente. La celulosa es muy común en aplicaciones debido a su abundante suministro, su biocompatibilidad y su respeto por el medio ambiente. La celulosa se utiliza ampliamente en forma de nanofibrillas llamadas nanocelulosa. La nanocelulosa presentada en bajas concentraciones produce un material de gel transparente. Este material se puede utilizar para películas biodegradables, homogéneas y densas que son muy útiles en el campo biomédico.

Alginato: El alginato es el polímero natural marino más abundante derivado de las algas pardas. Las aplicaciones del biopolímero de alginato van desde la industria del envasado, 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. Cuando se aplica a las heridas, el alginato produce una capa de gel protectora que es óptima para la cicatrización y la regeneración de los tejidos, y mantiene un entorno de temperatura estable. Además, se han producido avances con el alginato como medio de administración de fármacos, ya que la velocidad de liberación de los mismos se puede manipular fácilmente debido a la variedad de densidades del alginato y la composición fibrosa.

Las aplicaciones de los biopolímeros se pueden clasificar en dos campos principales, que se diferencian por su uso biomédico e industrial. ^[1]

Debido a que uno de los principales propósitos 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 , los dispositivos médicos y la industria farmacéutica. ^[4] Muchos biopolímeros se pueden utilizar para la medicina regenerativa , la ingeniería de tejidos, la administración de fármacos y aplicaciones médicas generales debido a sus propiedades mecánicas. Proporcionan características como la cicatrización de heridas, la catálisis de la bioactividad y la no toxicidad. ^[7] En comparación con los polímeros sintéticos, que pueden presentar varias desventajas como el rechazo inmunogénico y la toxicidad después de la degradación, muchos biopolímeros normalmente son mejores con la integración corporal, ya que también poseen estructuras más complejas, similares al cuerpo humano. ^{[ cita requerida ]}

Más específicamente, los polipéptidos como el colágeno y la seda son materiales biocompatibles que se están utilizando en investigaciones pioneras, ya que son materiales económicos y fáciles de conseguir. El polímero de gelatina se utiliza a menudo en los apósitos para heridas, donde actúa como adhesivo. Los andamios y las películas con gelatina permiten que los andamios contengan medicamentos y otros nutrientes que se pueden utilizar para suministrar a una herida para su curación.

Como el colágeno es uno de los biopolímeros más populares utilizados en la ciencia biomédica, aquí hay 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 tisulares como tejido corneal infectado o cáncer de hígado. ^[8] Las películas de colágeno se han utilizado como portadores de administración de genes que pueden promover la formación ósea.

Esponjas de colágeno: Las esponjas de colágeno se utilizan como apósito para tratar a las víctimas de quemaduras y otras heridas graves. Los implantes a base de colágeno se utilizan para células cutáneas cultivadas o como portadores de fármacos que se utilizan para las heridas por quemaduras y para reemplazar la piel. ^[8]

Colágeno como hemostático : cuando el colágeno interactúa con las plaquetas , provoca una rápida coagulación de la sangre. Esta rápida coagulación produce una estructura temporal para que las células huésped puedan regenerar el estroma fibroso. El hemostático a base de colágeno reduce la pérdida de sangre en los tejidos y ayuda a controlar el sangrado en órganos como el hígado y el bazo.

El quitosano es otro biopolímero popular en la investigación biomédica. ^{[ ¿según quién? ]} El quitosano se deriva de la quitina , el componente principal del exoesqueleto de crustáceos e insectos y el segundo biopolímero más abundante en el mundo. ^[4] El quitosano tiene muchas características excelentes para la ciencia biomédica. El quitosano es biocompatible, es altamente bioactivo , lo que significa que estimula una respuesta beneficiosa del cuerpo, puede biodegradarse, lo que puede eliminar una segunda cirugía en aplicaciones de implantes, puede formar geles y películas, y es selectivamente permeable . Estas propiedades permiten varias aplicaciones biomédicas del quitosano.

Quitosano como agente de administración de fármacos: el quitosano se utiliza principalmente en la administración de fármacos dirigidos, ya que tiene 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. ^[9]

El quitosano como agente antimicrobiano: el quitosano se utiliza para detener el crecimiento de microorganismos . Desempeña 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 ayuda al proceso de curación. Este apósito para heridas también es biodegradable y tiene estructuras porosas que permiten que las células crezcan en el apósito. ^[4] Además, los quitosanos tiolados (ver tiómeros ) se utilizan para la ingeniería de tejidos y la curación de heridas, ya que estos biopolímeros pueden reticularse a través de enlaces disulfuro formando redes tridimensionales estables. ^{[10] [11]}

Alimentos : Los biopolímeros se utilizan en la industria alimentaria para cosas como envases, películas de encapsulación comestibles y recubrimientos de alimentos. El ácido poliláctico (PLA) es muy común en la industria alimentaria debido a su color transparente y su resistencia al agua. Sin embargo, la mayoría de los polímeros tienen una naturaleza hidrófila y comienzan a deteriorarse cuando se exponen a la humedad. Los biopolímeros también se utilizan como películas comestibles que encapsulan alimentos. Estas películas pueden transportar cosas como antioxidantes , enzimas , probióticos , minerales y vitaminas. Los alimentos consumidos encapsulados con la película de biopolímero pueden suministrar estas cosas al cuerpo.

Embalaje: Los biopolímeros más comunes que se utilizan en los embalajes 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 los embalajes. Sin embargo, sus propiedades de barrera (ya sean de barrera a la humedad o a los gases) y sus propiedades térmicas no son ideales. Los polímeros hidrófilos no son resistentes al agua y permiten que el agua atraviese el embalaje, lo que puede afectar al contenido del mismo. El ácido poliglicólico (PGA) es un biopolímero que tiene excelentes características de barrera y ahora se está utilizando para corregir los obstáculos de barrera del PLA y el almidón.

Purificación del agua: El quitosano se ha utilizado para la purificación del agua. Se utiliza como floculante y sólo tarda unas semanas o meses en degradarse en el medio ambiente, en lugar de años. El quitosano purifica el agua mediante quelación. Este es el proceso en el que los sitios de unión a lo largo de la cadena de polímeros se unen a los iones metálicos del agua formando quelatos . Se ha demostrado que el quitosano es un candidato excelente para su uso en el tratamiento de aguas pluviales y residuales. ^[12]

Algunos biopolímeros, como el PLA , la zeína natural y el poli-3-hidroxibutirato , se pueden utilizar como plásticos, reemplazando 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 cuando se exponen a la luz o al aire, pero estos plásticos siguen estando compuestos principalmente (hasta en un 98 por ciento) 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 adecuados para el compostaje doméstico . ^[13]

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, estos se clasifican como cultivos no alimentarios . Estos pueden convertirse en las siguientes vías:

Remolacha azucarera > Ácido glicónico > Ácido poliglicónico

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

Biomasa > (fermentación) > Bioetanol > Eteno > Polietileno

Se pueden fabricar muchos tipos de embalajes a partir de biopolímeros: bandejas para alimentos, pellets de almidón soplado para enviar mercancías frágiles o películas finas para envolver.

Los biopolímeros pueden ser sostenibles, neutros en carbono y siempre renovables , porque están hechos de materiales vegetales o animales que pueden cultivarse indefinidamente. Dado que estos materiales provienen de cultivos agrícolas , su uso podría crear una industria sostenible . Por el contrario, las materias primas para polímeros derivadas de productos petroquímicos eventualmente se agotarán. Además, los biopolímeros tienen el potencial de reducir las emisiones de carbono y reducir las cantidades de CO ₂ en la atmósfera: esto se debe a que el CO ₂ liberado cuando se degradan puede ser reabsorbido por los cultivos que se cultivan para reemplazarlos: esto los hace casi neutros en carbono .

Casi todos los biopolímeros son biodegradables en el entorno natural: los microorganismos los descomponen en CO2 _y agua . Estos biopolímeros biodegradables también son compostables : pueden introducirse en un proceso de compostaje industrial y se descompondrán en un 90% en seis meses. Los biopolímeros que cumplen esta función pueden marcarse con un símbolo de "compostable", según la norma europea EN 13432 (2000). Los envases marcados con este símbolo pueden introducirse en procesos de compostaje industrial y se descompondrán en un plazo de seis meses o menos. Un ejemplo de polímero compostable es la película de PLA de menos de 20 μm de espesor: las películas con un espesor superior no se consideran compostables, aunque sean "biodegradables". ^[14] En Europa existe una norma de compostaje doméstico y un logotipo asociado que permite a los consumidores identificar y desechar los envases en su montón de compost. ^[13]

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Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Biopolímeros .

• NNFCC: Centro Nacional de Energía Biorrenovable, Combustibles y Materiales del Reino Unido
• Revista Bioplasticos
• Grupo de biopolímeros
• ¿Qué detiene el bioplástico?