Conceito de Biopolímero
Segundo a definição da IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemists) um biopolímero é um polímero produzido por organismos vivos, incluindo proteínas, polissacarídeos e ácidos nucleicos (ADN e ARN). Os biopolímeros são os tijolos base da vida, sendo os componentes mais importantes da infra-estrutra de uma célula e desempenhando papéis essenciais na regulação e replicação da mesma.
O termo “biopolímero” é muitas vezes usado de forma errónea, mesmo em publicações científicas respeitadas. Apesar de a definição oficial da IUPAC reservar o termo “biopolímero” apenas para aqueles de origem natural, é comum encontrar na literatura vários artigos que chamam “biopolímero” a qualquer polímero biodegradável, ainda que seja de origem sintética. Ora, “biodegradável” indica apenas que um dado material pode ser degradado através de actividade biológica, seja este material de origem natural ou sintética. Um outro uso errado do termo é considerar como “biopolímero” um polímero sintético cujos monómeros foram produzidos a partir de uma fonte natural e renovável, como é o caso do ácido poliláctico (PLA). Neste caso a IUPAC recomenda que se utilize o termo “material de base biológica”. Estes novos materiais derivados da biomassa não são necessariamente biodegradáveis ou sustentáveis, ao passo que os biopolímeros o são, sempre.
Classes de biopolímeros
As três principais classes de biopolímeros são as proteínas, constituídas por aminoácidos, os polissacarídeos, cadeias poliméricas de açúcares e os ácidos nucleicos, formados por nucleótido.
O termo proteínas refere-se a cadeias formadas por 50 ou mais aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas. Uma característica clássica das proteínas é a sua intrincada estrutura tridimensional, mantida através de interacções não-covalentes estabelecidas entre os aminoácidos da sua cadeia.
Num sistema vivo, diferentes proteínas desempenham diferentes papéis. Proteínas estruturais, como o colagénio, elastina e queratina, são os constituintes base de ligamentos, pele e unhas. A sua estrutura tende a ser helicoidal ou em folha-beta. Várias cadeias destas proteínas agrupam-se para formar fibras.
Muitas outras proteínas, incluindo as enzimas, tendem a assumir estruturas globulares, onde a cadeia primária se dobra sobre si mesma num padrão bem definido adquirindo uma forma aproximadamente esférica. No caso das enzimas, proteínas capazes de quebrar seletivamente ligações covalentes, a estrutura é fundamental, sendo que se esta se alterar por acção do meio envolvente (temperatura, modificações químicas, etc) a enzima perde a sua funcionalidade.
Na Tabela 1 encontra-se uma curta lista de proteínas comummente encontradas em sistemas vivos, assim como as suas funções nos mesmos.
Tabela 1 – Proteínas encontradas na natureza e respectivas funções
| Proteína | Função biológica |
| Colagénio | Tecido conectivo fibroso (tendões, cartilagem, osso) |
| Elastina | Tecido conectivo elástico (ligamentos) |
| Queratina | Cabelo, pele, unhas |
| Esclerotina | Exoesqueleto de insectos |
| Fibroína | Teia de aranha |
| Miosina | Filamentos espessos em microfibrilas |
| Actina | Filamentos finos em microfibrilas |
| Hemoglobina | Transporte de oxigénio no sangue |
| Mioglobina | Transporte de oxigénio nas células musculares |
| Albumina do sérum | Transporte de ácidos gordos no sangue |
| Ovalbumina | Clara do ovo |
| Caseína | Proteína do leite |
| Ferritina | Armazena ferro no baço |
| Gliadina | Proteína da semente de trigo |
| ADN polimerase (enzima) | Replicação e reparação do ADN |
| Galactosidase (enzima) | Quebra de ligações glicosídicas da galactose |
Os polissacarídos são cadeias de açúcares ligados entre si por ligações glicosídicas.
Polissacarídeos lineares tendem a assumir papéis estruturais, como é o caso da celulose e xilanas, presentes nas plantas, carragenanos e alginatos, encontrados nas algas, e a quitina, constituinte da carapaça de crustáceos.
Já a amilopectina e o glicogénio são polissacarídeos ramificados que servem de armazém energético nas plantas e animais, respectivamente.
Os ácidos nucleicos são cadeias de nucleótidos e incluem o ácido desoxirribonuicleico, ADN, e o ácido ribonucleico, ARN. Enquanto o ADN funciona como a “biblioteca” de informação celular, contendo todas as intruções necessárias à formação e manutenção de novas células, o ARN é um agente intermediário que estabelece a comunicação entre o ADN e diversas enzimas para sintetizar novas proteínas.
Existem ainda biopolímeros, tal como a lenhina (componente da madeira), a borracha natural e os polihidroxialcanoatos de origem bacteriana que não se enquadram quimicamente nas classes anteriormente apresentadas.
Características dos biopolímeros v.s. polímeros artificiais
Os biopolímeros têm, na maioria dos casos, uma estrutura química bem definida e constante, já que são sintetizados in vivo através de processos precisamente controlados pela informação genética e levados a cabo por enzimas. Alguns biopolímeros, como as proteínas, formam estruturas tridimensionais bastante complexas e essenciais à sua função. Já os polímeros artificiais (ou sintéticos) apresentam estruturas mais aleatórias e menos complexas.
As condições de síntese de biopolímeros são bastante amenas: ocorrem à temperatura ambiente e pressão atmosférica, em meio aquoso. Já a síntese de polímeros artificiais requer, muitas vezes, condições de elevada temperatura e pressão e o uso de solventes orgânicos.
Todos os biopolímeros são biodegradáveis, isto é, susceptíveis de serem degradados por actividade biológica. Já os polímeros artificiais não são, na maioria dos casos, biodegradáveis. Excepções a esta regra incluem os poliésteres alifáticos e as poliestereamidas.
Aplicações comerciais dos biopolímeros
Os biopolímeros encontram diversas aplicações no mercado, incluindo a indústria alimentar, medicina, farmácia, produção de papel, adesivos, tintas e pigmentos, embalagens, construção, etc.
Ultimamente, dada a escassez de recursos petrolíferos e o agravamento das condições ambientais, tem havido um enorme interesse em utilizar biopolímeros como fonte de novos materiais. Salienta-se, a título de exemplo, o uso de fibras celulósicas como reforço em materiais compósitos e o uso de amido termoplástico (material moldável resultante da extrusão do amido a elevada tempertaura) no fabrico de novas embalagens biodegradáveis.
Também na medicina os biopolímeros têm dado cartas recentemente, revelando-se como componentes ideais para implantes, membranas, hidrogéis e substratos para medicamentos.
References:
- MacNaught, A.D., Wilkinson, A.R., ed., Compendium of Chemical Terminology: IUPAC Recommendations (the “Gold Book”). 2nd ed., 1997: Blackwell Science.
- Vert, M., et al., 2012, Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012). Pure Appl. Chemistry, 84(2):p. 377-410.
- Williams, P.A., ed., Renewable Resources for Functional Polymers and Biomaterials. 2011: RSC Publishing.
