Lignina: estrutura, funções, extração, degradação, usos

A lenhina (do latim lignum , significando madeira ou madeira) é um polímero em si plantas vasculares estrutura tridimensional, e amorfo complexo. Nas plantas, serve como um “cimento” que confere resistência e resistência às hastes, troncos e outras estruturas da planta.

Está localizada principalmente na parede celular e a protege contra forças mecânicas e patogênicas, sendo também encontrada em pequena proporção no interior da célula. Quimicamente, possui uma grande variedade de centros ativos que lhes permitem interagir com outros compostos. Dentro desses grupos funcionais comuns, temos fenólicos, alifáticos, metoxi-hidroxilos, entre outros.

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Possível modelo de lignina. Fonte: nome real: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Como a lignina é uma rede tridimensional muito complexa e diversificada, a estrutura da molécula não foi elucidada com certeza. No entanto, sabe-se que é um polímero formado por álcool coniferílico e outros compostos fenilpropanóides derivados dos aminoácidos aromáticos fenilalanina e tirosina.

A polimerização dos monômeros que a constituem varia de acordo com a espécie e não o faz de forma repetitiva e previsível como outros polímeros abundantes de vegetais (amido ou celulose).

Até agora, apenas modelos hipotéticos da molécula de lignina estão disponíveis, e variantes sintéticas são frequentemente usadas para estudos de laboratório.

A forma de extração da lignina é complexa, pois está ligada a outros componentes da parede e é muito heterogênea.

Descoberta

A primeira pessoa a relatar a presença de lignina foi o cientista nativo suíço AP de Candolle, que descreveu suas propriedades químicas e físicas fundamentais e cunhou o termo “lignina”.

Principais características e estrutura

A lignina é a segunda molécula orgânica mais abundante nas plantas após a celulose, um componente importante das paredes celulares das plantas. A cada ano, as plantas produzem 20 × 10 9 toneladas de lignina. No entanto, apesar de sua abundância, seu estudo tem sido bastante limitado.

Uma proporção significativa de toda a lignina (aproximadamente 75%) está localizada na parede celular, depois que a estrutura da celulose culmina (espacialmente falando). A colocação de lignina é chamada lignificação e isso coincide com os eventos de morte celular.

É um polímero opticamente inativo, insolúvel em soluções ácidas, mas solúvel em bases fortes, como hidróxido de sódio e compostos químicos similares.

Dificuldades na extração e caracterização da lignina

Vários autores argumentam que existem várias dificuldades técnicas relacionadas à extração da lignina, fato que complica o estudo de sua estrutura.

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Além das dificuldades técnicas, a molécula está ligada covalentemente à celulose e ao restante dos polissacarídeos que compõem a parede celular. Por exemplo, na madeira e outras estruturas lignificadas (como caules), a lignina está fortemente associada à celulose e hemicelulose.

Finalmente, o polímero é extremamente variável entre as plantas. Por esses motivos mencionados, é comum a lignina sintética ser usada para estudar a molécula em laboratórios.

Métodos de extração mais usados

A grande maioria dos métodos de extração de lignina modifica sua estrutura, impedindo seu estudo. De todas as metodologias existentes, a mais importante parece ser a kraft. Durante o procedimento, a lignina é separada dos carboidratos com uma solução básica de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio na proporção de 3: 1.

Assim, o produto do isolamento é um pó marrom escuro devido à presença de compostos fenólicos, cuja densidade média é de 1,3 a 1,4 g / cm 3 .

Monômeros derivados de fenilpropanóide

Apesar desses conflitos metodológicos, sabe-se que o polímero da lignina é formado principalmente por três derivados fenilpropanóides: álcoois coniferil, cumarico e sinapil. Estes compostos são sintetizados a partir dos aminoácidos aromáticos chamados fenilalanina e tirosina.

A composição total da rede de lignina é quase inteiramente dominada pelos compostos acima mencionados, uma vez que foram encontradas concentrações incipientes de proteínas.

A proporção dessas três unidades fenilpropanóides é variável e depende das espécies de plantas estudadas. Também é possível encontrar variações nas proporções dos monômeros dentro dos órgãos do mesmo indivíduo ou nas diferentes camadas da parede celular.

Estrutura tridimensional da lignina

A alta proporção de ligações carbono-carbono e carbono-oxigênio-carbono gera uma estrutura tridimensional muito ramificada.

Ao contrário de outros polímeros que encontramos em abundância em vegetais (como amido ou celulose), os monômeros de lignina não se polimerizam de forma repetitiva e previsível.

Embora a união desses blocos estruturais pareça ser liderada por forças estocásticas, pesquisas recentes descobriram que uma proteína parece mediar a polimerização e formar uma grande unidade repetitiva.

Funções

Embora a lignina não seja um componente onipresente de todas as plantas, ela cumpre funções muito importantes relacionadas à proteção e crescimento.

Primeiro, é responsável por proteger os componentes hidrofílicos (celulose e hemicelulose) que não possuem a estabilidade e rigidez típica da lignina.

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Como é encontrado exclusivamente do lado de fora, serve como revestimento para proteção contra distorção e compressão, deixando a celulose responsável pela resistência à tração.

Quando os componentes da parede se molham, eles perdem resistência mecânica. Por esse motivo, é necessária a presença de lignina com o componente à prova d’água. Foi demonstrado que a redução experimental da porcentagem de lignina na madeira está relacionada à redução de suas propriedades mecânicas.

A proteção da lignina também se estende a potenciais agentes biológicos e microorganismos. Este polímero evita a penetração de enzimas que podem degradar componentes celulares vitais.

Também desempenha um papel fundamental na modulação do transporte de líquidos para todas as estruturas da planta.

Síntese

A formação de lignina começa com uma reação de desaminação dos aminoácidos fenilalanina ou tirosina. A identidade química do aminoácido não é muito relevante, pois o processamento de ambos leva ao mesmo composto: 4-hidroxicinamato.

Este composto é submetido a uma série de reações químicas de hidroxilação, transferência de grupos metil e redução do grupo carboxil até a obtenção de um álcool.

Quando os três precursores de lignina mencionados na seção anterior foram formados, presume-se que eles sejam oxidados em radicais livres, a fim de criar centros ativos para promover o processo de polimerização.

Independentemente da força que promove a união, os monômeros mediam ligações covalentes e criam uma rede complexa.

Degradação

Degradação química

Devido às características químicas da molécula, a lignina é solúvel em soluções de bases aquosas e bissulfito quente.

Degradação enzimática mediada por fungos

A degradação da lignina mediada pela presença de fungos tem sido extensivamente estudada pela biotecnologia para branqueamento e tratamento dos restos produzidos após a fabricação de papel, entre outros usos.

Os fungos capazes de degradar a lignina são chamados fungos de podridão branca, que contrastam com fungos de podridão marrom que atacam moléculas de celulose e similares. Esses fungos são um grupo heterogêneo e seu representante mais proeminente é a espécie Phanarochaete chrysosporium.

As reações de oxidação – indiretas e aleatórias – quebram gradualmente as ligações que mantêm os monômeros unidos.

A ação dos fungos que atacam a lignina deixa como resíduo uma grande variedade de compostos fenólicos, ácidos e álcoois aromáticos. Alguns resíduos podem mineralizar, enquanto outros produzem substâncias húmicas.

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As enzimas que realizam esse processo de degradação devem ser extracelulares, uma vez que a lignina não é ligada por meio de ligações hidrolisáveis.

Lignina na digestão

Para os herbívoros, a lignina é um componente fibroso das plantas que não é digerível. Ou seja, não é atacado pelas enzimas típicas da digestão ou pelos microorganismos que vivem no cólon.

Em termos de nutrição, não contribui em nada para o corpo que a consome. De fato, pode diminuir a porcentagem de digestibilidade de outros nutrientes.

Usos

Segundo alguns autores, embora os resíduos agrícolas possam ser obtidos em quantidades quase inesgotáveis, até o momento não há aplicação importante para o polímero em questão.

Embora a lignina tenha sido estudada desde o final do século XIX, complicações relacionadas ao seu processamento dificultaram seu gerenciamento. No entanto, outras fontes sugerem que a lignina pode ser explorada e propõem vários usos potenciais , com base nas propriedades de rigidez e resistência que discutimos.

Atualmente, uma série de perseguidores de madeira à base de lignina está sendo desenvolvida em combinação com uma série de compostos, para protegê-lo dos danos causados ​​por agentes bióticos e abióticos.

Também poderia ser uma substância ideal para a construção de isoladores, térmicos e acústicos.

A vantagem de incorporar lignina na indústria é seu baixo custo e seu possível uso como substituto da primeira matéria desenvolvida a partir de combustíveis fósseis ou outros recursos petroquímicos. Assim, a lignina é um polímero com muito potencial que busca ser explorado.

Referências

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