Los biopolímeros son una clase de polímeros que se encuentran naturalmente en la naturaleza, que forman parte de los organismos vivos: proteínas , ácidos nucleicos , polisacáridos , lignina . Los biopolímeros consisten en unidades idénticas (o similares): monómeros . Los monómeros de las proteínas son aminoácidos , los ácidos nucleicos son nucleótidos , en los polisacáridos son monosacáridos .
Hay dos tipos de biopolímeros: regulares (algunos polisacáridos) e irregulares (proteínas, ácidos nucleicos, algunos polisacáridos).
Las proteínas, heteropolímeros ordenados de aminoácidos, tienen varios niveles de organización: primaria, secundaria, terciaria y, a veces, cuaternaria. La estructura primaria está determinada por la secuencia de monómeros unidos por enlaces peptídicos, la estructura secundaria está determinada por interacciones intramoleculares e intermoleculares entre monómeros, generalmente utilizando enlaces de hidrógeno . La estructura terciaria depende de la interacción de estructuras secundarias, la cuaternaria, por regla general, se forma combinando varias moléculas con una estructura terciaria [1] [2] .
La estructura secundaria de las proteínas está formada por la interacción de aminoácidos a través de enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas. Los principales tipos de estructura secundaria son
Se utilizan programas informáticos para predecir la estructura secundaria.
La estructura terciaria o "pliegue" está formada por la interacción de estructuras secundarias y está estabilizada por enlaces de hidrógeno no covalentes, iónicos e interacciones hidrofóbicas . Las proteínas que realizan funciones similares suelen tener una estructura terciaria similar. Un ejemplo de un pliegue es un barril β (barril), cuando las hojas β están dispuestas en un círculo. La estructura terciaria de las proteínas se determina mediante análisis de difracción de rayos X.
La importancia de las proteínas en la vida silvestre no puede subestimarse. Tienen una función mecánica estructural, desempeñan el papel de biocatalizadores, enzimas que aseguran el flujo de reacciones bioquímicas, realizan funciones de transporte y señalización. Para realizar todas estas funciones, el correcto plegamiento de las proteínas es de fundamental importancia [1] .
Nuestros músculos, cabello, piel están compuestos de proteínas fibrosas. La proteína de la sangre, que forma parte de la hemoglobina , promueve la absorción del oxígeno atmosférico, otra proteína, la insulina , es responsable de la descomposición del azúcar en el cuerpo y, por lo tanto, de proporcionarle energía. El peso molecular de las proteínas varía ampliamente. Así, la insulina , la primera de las proteínas cuya estructura fue establecida por F. Sanger en 1953, contiene alrededor de 60 unidades de aminoácidos, y su peso molecular es de solo 12 000. Hasta la fecha, se han identificado varios miles de moléculas de proteína, el peso molecular de algunos de ellos llegan a 10 6 y más.
Los ácidos nucleicos son heteropolímeros formados por residuos de nucleótidos. De acuerdo con la naturaleza del carbohidrato que forma parte de su composición, los ácidos nucleicos se denominan ribonucleicos y desoxirribonucleicos . Las abreviaturas comunes son ARN y ADN . En una célula, el ADN suele ser de doble cadena, es decir, es un complejo de dos moléculas complementarias unidas por puentes de hidrógeno. El ARN suele estar en un estado monocatenario.Los ácidos nucleicos desempeñan un papel fundamental en los procesos vitales. Con su ayuda, se resuelven los problemas de almacenamiento, transmisión e implementación de la información hereditaria . La base de estos procesos son las síntesis de matrices: transcripción , traducción y replicación [1] .
Hay dos niveles de organización de los ácidos nucleicos.
En 1868, el científico suizo Friedrich Miescher aisló una sustancia que contenía fósforo del núcleo de las células, a la que llamó nucleína. Más tarde, esta y otras sustancias similares se denominaron ácidos nucleicos . Su peso molecular puede llegar a 10 9 , pero más a menudo oscila entre 10 5 −10 6 .
Los polisacáridos sintetizados por los organismos vivos consisten en una gran cantidad de monosacáridos conectados por enlaces glucosídicos . A menudo, los polisacáridos son insolubles en agua. Suelen ser moléculas ramificadas muy grandes. Ejemplos de polisacáridos que son sintetizados por organismos vivos son las sustancias de almacenamiento almidón y glucógeno , así como polisacáridos estructurales, celulosa y quitina . Dado que los polisacáridos biológicos están compuestos por moléculas de diferentes longitudes, los conceptos de estructura secundaria y terciaria no se aplican a los polisacáridos.
Los polisacáridos se forman a partir de compuestos de bajo peso molecular llamados azúcares o carbohidratos . Las moléculas cíclicas de monosacáridos pueden unirse entre sí con la formación de los llamados enlaces glucosídicos por condensación de grupos hidroxilo.
Los polisacáridos más comunes , cuyas unidades repetitivas son los residuos de α-D-glucopiranosa o sus derivados. La celulosa más conocida y ampliamente utilizada . En este polisacárido, un puente de oxígeno une los átomos de carbono primero y cuarto en unidades vecinas, dicho enlace se denomina α-1,4-glucosídico.
De composición química similar a la celulosa tienen almidón , constituido por amilosa y amilopectina, glucógeno y dextrano . La diferencia entre la primera y la celulosa radica en la ramificación de las macromoléculas, y la amilopectina y el glucógeno pueden clasificarse como polímeros naturales hiperramificados, es decir, dendrímeros de estructura irregular. El punto de ramificación suele ser el sexto átomo de carbono del anillo de α-D-glucopiranosa, que está unido por un enlace glucosídico a la cadena lateral. La diferencia entre el dextrano y la celulosa radica en la naturaleza de los enlaces glucosídicos: junto con α-1,4-, el dextrano también contiene enlaces glucosídicos α-1,3 y α-1,6, siendo este último el dominante.
La quitina y el quitosano tienen una composición química diferente a la de la celulosa , pero tienen una estructura similar. La diferencia radica en que en el segundo átomo de carbono de las unidades de α-D-glucopiranosa unidas por enlaces α-1,4-glucosídicos, el grupo OH es reemplazado por los grupos -NHCH 3 COO de la quitina y el -NH 2 grupo en quitosano .
La celulosa se encuentra en la corteza y la madera de los árboles, tallos de plantas: el algodón contiene más del 90 % de celulosa, las coníferas, más del 60 %, las de hoja caduca, alrededor del 40 %. La fuerza de las fibras de celulosa se debe a que están formadas por monocristales , en los que las macromoléculas se empaquetan paralelas entre sí. La celulosa es la base estructural de representantes no solo del mundo vegetal, sino también de algunas bacterias .
En el reino animal, los polisacáridos son "utilizados" solo por insectos y artrópodos como polímeros formadores de estructuras de apoyo . La mayoría de las veces, la quitina se usa para estos fines , que sirve para construir el llamado esqueleto externo en cangrejos, cangrejos de río y camarones. A partir de la quitina por desacetilación se obtiene el quitosano que, a diferencia de la quitina insoluble , es soluble en soluciones acuosas de ácidos fórmico , acético y clorhídrico . En este sentido, y también debido a un complejo de valiosas propiedades combinadas con la biocompatibilidad , el quitosano tiene grandes perspectivas de amplia aplicación práctica en un futuro próximo.
El almidón es uno de los polisacáridos que actúan como nutriente de reserva en las plantas. Tubérculos, frutas, semillas contienen hasta un 70% de almidón . El polisacárido almacenado de los animales es el glucógeno , que se encuentra principalmente en el hígado y los músculos.
La fuerza de los troncos y tallos de las plantas, además del esqueleto de fibras de celulosa, está determinada por el tejido conectivo vegetal. Una parte importante en los árboles es lignina , hasta un 30%. Su estructura no ha sido establecida con precisión. Se sabe que se trata de un polímero hiperramificado de peso molecular relativamente bajo (M ≈ 104) formado principalmente por residuos fenólicos sustituidos en posición orto por grupos -OCH 3 , en posición para por grupos -CH=CH-CH 2 OH . Actualmente se ha acumulado una gran cantidad de ligninas como residuos de la industria de hidrólisis de celulosa, pero el problema de su eliminación no ha sido resuelto. Los elementos de soporte del tejido vegetal incluyen sustancias pectínicas y, en particular , pectina , que se encuentra principalmente en las paredes celulares. Su contenido en la piel de las manzanas y la parte blanca de la piel de los cítricos alcanza el 30%. La pectina se refiere a heteropolisacáridos, es decir, copolímeros . Sus macromoléculas se construyen principalmente a partir de residuos de ácido D-galacturónico y su éster metílico unidos por enlaces glucosídicos α-1,4.
De las pentosas, son importantes los polímeros de arabinosa y xilosa, que forman polisacáridos llamados arabinos y xilanos. Ellos, junto con la celulosa, determinan las propiedades típicas de la madera.