- Descoperire
- Principalele caracteristici și structură
- Dificultăți în extragerea și caracterizarea ligninei
- Cele mai utilizate metode de extracție
- Monomeri derivați de la fenilpropanoizi
- Structura tridimensională a ligninei
- Caracteristici
- Sinteză
- Degradare
- Degradarea chimică
- Degradarea enzimatică mediată de fungii
- Lignina în digestie
- Aplicații
- Referințe
Lignina (din lignum termen latin, însemnând lemn sau lemn) este un polimer în sine plante vasculare structura dimensională, amorfă și complex. În plante servește ca un „ciment” care dă forță și rezistență tulpinilor, trunchiurilor și altor structuri ale plantelor.
Este localizat în principal în peretele celular și îl protejează împotriva forțelor mecanice și a agenților patogeni, fiind de asemenea găsit într-o proporție mică în interiorul celulei. Chimic are o mare varietate de centri activi care le permit să interacționeze cu alți compuși. În cadrul acestor grupări funcționale comune avem, printre altele, hidroxiluri fenolice, alifatice, metoxi.
Model posibil de lignină. Sursa: nume real: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl
Deoarece lignina este o rețea tridimensională extrem de complexă și diversă, structura moleculei nu a fost elucidată cu certitudine. Cu toate acestea, este cunoscut un polimer format din alcool coniferyl și alți compuși fenilpropanoizi, derivați din aminoacizii aromatici fenilalanină și tirozină.
Polimerizarea monomerilor care o constituie variază în funcție de specie și nu o face într-un mod repetitiv și previzibil ca alți polimeri abundenți de legume (amidon sau celuloză).
Până în prezent, sunt disponibile doar modele ipotetice ale moleculei de lignină, iar pentru studiul acesteia în laborator folosesc de obicei variante sintetice.
Modul de extracție al ligninei este complex, deoarece este legat de alte componente ale peretelui și este foarte eterogen.
Descoperire
Prima persoană care a raportat prezența ligninei a fost savantul elvețian AP de Candolle, care a descris proprietățile chimice și fizice fundamentale și a inventat termenul „lignină”.
Principalele caracteristici și structură
Lignina este a doua cea mai abundentă moleculă organică din plante după celuloză, componenta majoritară a pereților celulelor vegetale. În fiecare an plantele produc 20 × 10 9 tone de lignină. Cu toate acestea, în ciuda abundenței sale, studiul său a fost destul de limitat.
O proporție semnificativă din toată lignina (aproximativ 75%) este localizată în peretele celular, după ce structura celulozei culminează (spațial vorbind). Amplasarea ligninei se numește lignificare și acest lucru coincide cu evenimentele morții celulare.
Este un polimer optic inactiv, insolubil în soluții acide, dar solubil în baze tari, cum ar fi hidroxidul de sodiu și compuși chimici similari.
Dificultăți în extragerea și caracterizarea ligninei
Diversi autori susțin că există o serie de dificultăți tehnice legate de extragerea ligninei, fapt care complică studiul structurii sale.
Pe lângă dificultățile tehnice, molecula este legată covalent de celuloză și de restul polizaharidelor care alcătuiesc peretele celular. De exemplu, în lemn și în alte structuri lignificate (cum ar fi tulpinile), lignina este puternic asociată cu celuloză și hemiceluloză.
În cele din urmă, polimerul este extrem de variabil între plante. Din aceste motive menționate, este obișnuit ca lignina sintetică să fie utilizată pentru studiul moleculei în laboratoare.
Cele mai utilizate metode de extracție
Marea majoritate a metodelor de extracție a ligninei își modifică structura, împiedicând studiul acesteia. Dintre toate metodologiile existente, cea mai importantă pare a fi kraftul. În timpul procedurii, lignina este separată de carbohidrați cu o soluție de bază de hidroxid de sodiu și sulfură de sodiu în proporții de 3: 1.
Astfel, produsul de izolare este o pulbere de culoare maro închis , datorită prezenței compușilor fenolici, a căror densitate medie este de 1,3 până la 1,4 g / cm 3 .
Monomeri derivați de la fenilpropanoizi
În ciuda acestor conflicte metodologice, se știe că polimerul ligninei este format în principal din trei derivați fenilpropanoizi: alcooli coniferilici, coumarici și sinapilici. Acești compuși sunt sintetizați pornind de la aminoacizii aromatici numiți fenilalanină și tirozină.
Compoziția totală a cadrului ligninei este aproape total dominată de compușii menționați, deoarece s-au găsit concentrații incipiente de proteine.
Proporția acestor trei unități fenilpropanoide este variabilă și depinde de speciile de plante studiate. De asemenea, este posibil să se găsească variații în proporțiile monomerilor din organele aceluiași individ sau în diferite straturi ale peretelui celular.
Structura tridimensională a ligninei
Raportul ridicat dintre legăturile carbon-carbon și carbon-oxigen-carbon generează o structură tridimensională extrem de ramificată.
Spre deosebire de alți polimeri pe care îi găsim în abundență în legume (cum ar fi amidonul sau celuloza), monomerii de lignină nu polimerizează într-un mod repetitiv și previzibil.
Deși legarea acestor blocuri pare să fie condusă de forțele stocastice, cercetările recente au descoperit că o proteină pare să medieze polimerizarea și formează o mare unitate de repetare.
Caracteristici
Deși lignina nu este o componentă omniprezentă a tuturor plantelor, îndeplinește funcții foarte importante legate de protecție și creștere.
În primul rând, este responsabil de protejarea componentelor hidrofile (celuloză și hemiceluloză) care nu au stabilitatea și rigiditatea tipică a ligninei.
Întrucât se găsește exclusiv la exterior, servește ca teacă de protecție împotriva denaturării și compresiei, lăsând celuloza să fie responsabilă pentru rezistența la tracțiune.
Când componentele peretelui se udă, pierd rezistența mecanică. Din acest motiv, este necesară prezența ligninei cu componenta impermeabilă. S-a demonstrat că reducerea experimentală a procentului de lignină în lemn este legată de reducerea proprietăților mecanice ale acestora.
Protecția ligninei se extinde și la agenți biologici și microorganisme posibile. Acest polimer previne pătrunderea enzimelor care ar putea degrada componentele celulare vitale.
De asemenea, joacă un rol fundamental în modularea transportului lichidului către toate structurile plantei.
Sinteză
Formarea ligninei începe cu o reacție de deaminare a aminoacizilor fenilalanină sau tirozină. Identitatea chimică a aminoacidului nu este foarte relevantă, deoarece prelucrarea ambelor duce la același compus: 4-hidroxicaminat.
Acest compus este supus unei serii de reacții chimice de hidroxilare, transfer de grupări metil și reducerea grupării carboxil până la obținerea unui alcool.
Când s-au format cei trei precursori ai ligninei menționate în secțiunea precedentă, se presupune că sunt oxidați la radicalii liberi, pentru a crea centre active care să promoveze procesul de polimerizare.
Indiferent de forța care promovează unirea, monomerii între ei prin legături covalente și creează o rețea complexă.
Degradare
Degradarea chimică
Datorită caracteristicilor chimice ale moleculei, lignina este solubilă în soluții de baze apoase și bisulfit fierbinte.
Degradarea enzimatică mediată de fungii
Degradarea ligninei mediate de prezența ciupercilor a fost studiată pe larg de biotehnologie pentru albirea și tratarea resturilor produse după fabricarea hârtiei, printre alte utilizări.
Ciupercile care sunt capabile să degradeze lignina se numesc ciuperci de putrefacție albă, care sunt în contrast cu ciupercile putregaiului maro care atacă moleculele de celuloză și altele asemenea. Acești ciuperci sunt un grup eterogen, iar reprezentantul lor cel mai proeminent este specia Phanarochaete chrysosporium.
Prin reacțiile de oxidare - indirecte și aleatorii - legăturile care țin monomerii împreună sunt rupte treptat.
Acțiunea ciupercilor care atacă lignina lasă în urmă o mare varietate de compuși fenolici, acizi și alcooli aromatici. Unele reziduuri se pot mineraliza, în timp ce altele produc substanțe humice.
Enzimele care efectuează acest proces de degradare trebuie să fie extracelulare, deoarece lignina nu este legată de legături hidrolizabile.
Lignina în digestie
Pentru ierbivore, lignina este o componentă fibroasă a plantelor care nu este digerabilă. Adică nu este atacat de enzimele tipice ale digestiei sau de microorganismele care trăiesc în colon.
În ceea ce privește nutriția, nu contribuie la organismul care o consumă. De fapt, poate scădea procentul de digestibilitate al altor nutrienți.
Aplicații
După unii autori, deși reziduurile agricole pot fi obținute în cantități aproape inepuizabile, până în prezent nu există o aplicație importantă pentru polimerul în cauză.
Deși lignina a fost studiată încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea, complicațiile legate de prelucrarea sa au făcut dificilă gestionarea. Cu toate acestea, alte surse sugerează că lignina poate fi exploatată și propun mai multe utilizări potențiale, pe baza proprietăților de rigiditate și rezistență despre care am discutat.
În prezent, o serie de conservanți ai lemnului pe bază de lignină combinată cu o serie de compuși sunt dezvoltați pentru a-l proteja de daunele cauzate de agenții biotici și abiotici.
Ar putea fi, de asemenea, o substanță ideală pentru izolații de construcții, atât termice cât și acustice.
Avantajul încorporării ligninei în industrie este costul scăzut și utilizarea sa posibilă ca înlocuitor pentru materia primă dezvoltată din combustibili fosili sau alte resurse petrochimice. Astfel, lignina este un polimer cu mare potențial care încearcă să fie exploatat.
Referințe
- Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introducere în biologia celulară. Editura Medicală Panamericană.
- Bravo, LHE (2001). Manual de laborator de morfologie vegetală. Bib. Orton IICA / CATIE.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitatie la biologie. Editura Medicală Panamericană.
- Gutiérrez, MA (2000). Biomecanica: fizică și fiziologie (nr. 30). Editorial CSIC-CSIC Press.
- Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, SE (1992). Biologia plantelor (vol. 2). Am inversat.
- Rodríguez, EV (2001). Fiziologia producției de culturi tropicale. Universitatea editorială din Costa Rica.
- Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fiziologia plantelor. Universitatea Jaume I.