Biopolímero

Biopolímeros são polímeros naturais produzidos pelas células de organismos vivos. Como outros polímeros, os biopolímeros consistem em unidades monoméricas que são ligadas covalentemente em cadeias para formar moléculas maiores. Existem três classes principais de biopolímeros, classificadas de acordo com os monômeros utilizados e a estrutura do biopolímero formado: polinucleotídeos, polipeptídeos e polissacarídeos. Os Polinucleotídeos, RNA e DNA, são longos polímeros de nucleotídeos. Os polipeptídeos incluem proteínas e polímeros mais curtos de aminoácidos; alguns exemplos importantes incluem colágeno, actina e fibrina. Os polissacarídeos são cadeias lineares ou ramificadas de carboidratos de açúcar; 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.

Além de seus muitos papéis essenciais em organismos vivos, os biopolímeros têm aplicações em muitos campos, incluindo a indústria de alimentos, fabricação, embalagem e engenharia biomédica.

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

Biopolímeros versus polímeros sintéticos

Uma grande 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 geralmente têm uma estrutura bem definida, embora essa não seja uma característica definidora (exemplo: lignocelulose): A composição química exata e a sequência em que essas unidades estão arranjadas 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 maneira 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 aleatórias (ou estocásticas). Este fato leva a uma distribuição de massa molecular que falta nos biopolímeros. De fato, como sua síntese é controlada por um processo dirigido por molde na maioria dos sistemas in vivo, todos os biopolímeros de um tipo (digamos, uma proteína específica) são todos iguais: todos eles contêm sequências e números semelhantes de monômeros e, portanto, todos têm a mesma massa. Este fenômeno é chamado de monodispersidade em contraste com a polidispersidade encontrada em polímeros sintéticos. Como resultado, os biopolímeros têm uma dispersão de 1.

Convenções e nomenclatura

Polipeptídeos

A convenção para um polipeptídeo é listar seus resíduos de aminoácidos constituintes à medida que ocorrem do terminal amino ao terminal do ácido carboxílico. Os resíduos de aminoácidos são sempre unidos por ligações peptídicas. 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 lipídios.

Ácidos nucleicos

A convenção para uma sequência de ácido nucléico é listar os nucleotídeos conforme eles ocorrem a partir do 5' final para o 3' extremidade da cadeia polimérica, onde 5' e 3' referem-se à numeração de carbonos ao redor do anel ribose que participam na formação das ligações fosfato-diéster 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 localização 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 dos carbonos de ligação' localização no ringue. Além disso, muitas unidades de sacarídeos podem sofrer várias modificações químicas, como aminação, e podem até 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 N-terminais são hidrolisados da cadeia um de cada vez, derivatizados e então 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 fim, as propriedades mecânicas desses biopolímeros podem ser frequentemente medidas usando pinças ópticas ou microscopia de força atômica. A interferometria de dupla polarização pode ser usada para medir as mudanças conformacionais ou a 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 nos mamíferos. Por causa disso, o colágeno é um dos biopolímeros mais facilmente obtidos e usado para muitos fins de pesquisa. Devido à sua estrutura mecânica, o colágeno possui alta resistência à tração e é um material não tóxico, facilmente absorvível, biodegradável e biocompatível. Portanto, tem sido usado para muitas aplicações médicas, como no tratamento de infecções de tecidos, sistemas de administração de medicamentos e terapia genética.

Fibroína da Seda: A Fibroína da Seda (SF) é outro biopolímero rico em proteínas que pode ser obtido de diferentes espécies de bicho-da-seda, como o bicho-da-seda Bombyx mori. Em contraste com o colágeno, o SF tem menor resistência à tração, mas possui fortes propriedades adesivas devido à sua composição de proteínas insolúveis e fibrosas. Em estudos recentes, verificou-se que a fibroína da seda possui propriedades anticoagulantes e adesão plaquetária. Além disso, descobriu-se que a fibroína da 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 de 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 possui 18,5% de nitrogênio. O tipo B é derivado por hidrólise alcalina contendo 18% de nitrogênio e nenhum grupo amida. Temperaturas elevadas fazem com que a gelatina derreta e exista como bobinas, enquanto temperaturas mais baixas resultam na transformação de bobina em hélice. A gelatina contém muitos grupos funcionais como NH2, SH e COOH, que permitem que a gelatina seja modificada usando nanopartículas e biomoléculas. A gelatina é uma proteína da matriz extracelular que permite que ela seja aplicada em aplicações como curativos de feridas, administração de medicamentos e transfecção de genes.

Amido: O amido é um biopolímero biodegradável barato e abundante em suprimento. Nanofibras e microfibras podem ser adicionadas à matriz polimérica para aumentar as propriedades mecânicas do amido, melhorando a elasticidade e resistência. Sem as fibras, o amido tem propriedades mecânicas ruins 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 agrupem bem. A celulose é muito comum em aplicações devido ao seu suprimento abundante, sua biocompatibilidade e é ecologicamente correta. A celulose é amplamente utilizada na forma de nanofibrilas chamadas nanocelulose. A nanocelulose apresentada em baixas concentrações produz um material de gel transparente. Este material pode ser utilizado para filmes biodegradáveis, homogêneos e densos, muito úteis na área biomédica.

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

Aplicações de biopolímeros

As aplicações dos biopolímeros podem ser categorizadas em dois campos principais, que diferem devido ao seu uso biomédico e industrial.

Biomédica

Como um dos principais objetivos da engenharia biomédica é imitar partes do corpo para manter as funções normais do corpo, devido às suas propriedades biocompatíveis, os biopolímeros são amplamente usados para engenharia de tecidos, dispositivos médicos e indústria farmacêutica. Muitos biopolímeros podem ser usados para medicina regenerativa, engenharia de tecidos, administração de medicamentos 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 são normalmente melhores com a 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 obtidos. O polímero de gelatina é frequentemente usado em curativos de feridas, onde atua como um adesivo. Scaffolds e filmes com gelatina permitem que os scaffolds retenham drogas e outros nutrientes que podem ser usados para suprir uma ferida para cicatrização.

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 agem como uma membrana de barreira e são usados para tratar infecções de tecidos, como tecido de córnea infectado ou câncer de fígado. Os filmes de colágeno têm sido usados para portadores de genes que podem promover a formação óssea.

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 da pele cultivadas ou portadores de drogas que são usados para queimaduras e substituição da 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 hemostático à base 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, principal componente do exoesqueleto de crustáceos e insetos e o segundo biopolímero mais abundante no 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 ser biodegradada, 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 entrega de drogas: A quitosana é usada principalmente com direcionamento de drogas porque tem potencial para melhorar a absorção e a estabilidade da droga. Além disso, a quitosana conjugada com agentes anticancerígenos também pode produzir melhores efeitos anticancerígenos ao causar a liberação gradual do fármaco 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: O pó misturado de quitosana com alginato é usado 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 possui estruturas porosas que permitem que as células cresçam no curativo.

Industrial

Alimentos: Os biopolímeros estão sendo usados na indústria de alimentos para coisas como embalagens, filmes de encapsulamento comestíveis e revestimento de alimentos. O ácido poliláctico (PLA) é muito comum na indústria alimentar devido à sua cor clara e resistência à água. No entanto, a maioria dos polímeros tem natureza hidrofílica e começa a se deteriorar quando expostos à umidade. Os biopolímeros também estão sendo usados como películas comestíveis que encapsulam alimentos. Esses filmes podem conter coisas como antioxidantes, enzimas, probióticos, minerais e vitaminas. Os alimentos consumidos encapsulados com o filme de biopolímero podem fornecer essas coisas ao corpo.

Embalagem: Os biopolímeros mais comuns usados em embalagens são polihidroxialcanoato (PHA), ácido polilático (PLA) e amido. Amido e PLA estão disponíveis comercialmente e são biodegradáveis, 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 passe pela 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: A quitosana tem sido usada para purificação de água. É usado 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. Este é o processo no qual os locais de ligação ao longo da cadeia polimérica se ligam ao metal na água formando quelatos. A quitosana demonstrou ser uma excelente candidata para uso no tratamento de águas pluviais e residuais.

Como materiais

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

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

Os 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, a batata ou o trigo: quando utilizadas para produzir biopolímeros, são classificadas como culturas não alimentares. Estes podem ser convertidos nas seguintes vias:

Beterraba sacarina > ácido glicólico > ácido poliglicólico

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

Biomassa > (fermentação) > Bioetanol > Eteno > Polietileno

Muitos tipos de embalagens podem ser feitas a partir de biopolímeros: bandejas de alimentos, grânulos de amido expandido para transporte de produtos frágeis, películas finas para embrulhar.

Impactos ambientais

Os biopolímeros podem ser sustentáveis, neutros em carbono e sempre renováveis, porque são feitos de materiais vegetais ou animais que podem ser cultivados indefinidamente. Como esses materiais vêm de culturas agrícolas, seu uso pode criar 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 reduzir as emissões de carbono e reduzir as quantidades de CO₂ na atmosfera: isso ocorre porque o CO₂ liberado quando eles se degradam pode ser reabsorvido pelas culturas cultivadas para substituí-los: isso os torna quase neutros em carbono.

Alguns biopolímeros são biodegradáveis: são decompostos em CO₂ e água por microorganismos. Alguns desses biopolímeros biodegradáveis são compostáveis: eles podem ser colocados em um processo de compostagem industrial e se decompõem em 90% em seis meses. Os biopolímeros que fazem isso podem ser marcados com um marcador 'compostável' símbolo, de acordo com a norma europeia EN 13432 (2000). As embalagens marcadas com este símbolo podem ser colocadas em processos de compostagem industrial e se decompõem em seis meses ou menos. Um exemplo de polímero compostável é o filme PLA com menos de 20 μm 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 um logotipo associado que permite aos consumidores identificar e descartar as embalagens em sua pilha de compostagem.