LIGNINA: ESTRUCTURA, FUNCIONS, EXTRACCIÓ, DEGRADACIÓ, USOS - BIOLOGIA - 2025

La lignina (terme provinent de el llatí lignum, que significa llenya o fusta) és un polímer propi de les plantes vasculars d'estructura tridimensional, amorfa i complexa. A les plantes serveix com un «ciment» que atorga força i resistència a les tiges vegetals, als troncs ia altres estructures.

Es localitza principalment a la paret cel·lular i la protegeix davant forces mecàniques i patògens, trobant-se també en petita proporció a l'interior de la cèl·lula. Químicament posseeix una àmplia varietat de centre actius que els permet interactuar amb altres compostos. Dins d'aquests grups funcionals comuns tenim els hidroxils fenòlics, alifàtics, metoxilos, entre d'altres.

Possible model de la lignina. Font: real name: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

A causa de que la lignina és una xarxa tridimensional molt complexa i diversa, l'estructura de la molècula no ha estat dilucidada amb certesa. No obstant això, se sap que és un polímer format d'alcohol coniferílico i d'altres compostos fenilpropanoids derivats dels aminoàcids aromàtics fenilalanina i tirosina.

La polimerització dels monòmers que el constitueixen varia depenent de l'espècie, i no ho fa de manera repetitiva i predictible com altres polímers abundants dels vegetals (midó o la cel·lulosa).

Fins al moment només es compten amb models hipotètics de la molècula de lignina, i per al seu estudi al laboratori solen usar-li variants sintètiques.

La forma d'extracció de la lignina és complexa, ja que es troba enllaçada amb altres components de la paret i és molt heterogènia.

descobriment

La primera persona a reportar la presència la lignina va ser el científic oriünd de suïssa AP de Candolle, qui va descriure les seves propietats químiques i físiques fonamentals i va encunyar el terme «lignina».

Característiques principals i estructura

La lignina és la segona molècula orgànica més abundant en les plantes després de la cel·lulosa, component majoritari de les parets cel·lulars vegetals. Cada any les plantes produeixen 20 × 10 ⁹ tones de lignina. No obstant això, malgrat la seva abundància, el seu estudi ha estat bastant limitat.

Una proporció significativa de tota la lignina (aproximadament el 75%) es troba localitzada a la paret cel·lular, després que culmina l'estructura de la cel·lulosa (espacialment parlant). La col·locació de la lignina es denomina lignificació i aquesta coincideix amb els esdeveniments de mort cel·lular.

És un polímer òpticament inactiu, insoluble en solucions àcides però solubles en bases fortes, com l'hidròxid de sodi i compostos químics similars.

Dificultats en l'extracció i caracterització de la lignina

Diversos autors argumenten que hi ha una sèrie de dificultats tècniques relacionades amb l'extracció de la lignina, fet que complica l'estudi de la seva estructura.

Unit a les dificultats tècniques, la molècula es troba unida de manera covalent a la cel·lulosa i a la resta dels polisacàrids que componen la paret cel·lular. Per exemple, en la fusta i altres estructures lignificades (com les tiges) la lignina està fortament associada a la cel·lulosa ia la hemicel·lulosa.

Finalment, el polímer és extremadament variable entre les plantes. Per aquestes raons esmentades, és comú que s'usi lignina sintètica per a l'estudi de la molècula en els laboratoris.

Mètodes d'extracció més usats

La immensa majoria dels mètodes d'extracció de lignina modifiquen la seva estructura, impedint el seu estudi. De totes les metodologies existents, la més important sembla ser la kraft. Durant el procediment, la lignina és separada dels carbohidrats amb una solució bàsica d'hidròxid de sodi i sulfur de sodi en proporcions 3: 1.

Així, el producte de l'aïllament és una pols marró fosc a causa de la presència de compostos fenòlics, la densitat mitjana és d'1,3 a 1,4 g / cm ³.

Monòmers derivats de fenilpropanoids

Malgrat aquests conflictes metodològics se sap que el polímer lignina està format principalment per tres derivats fenilpropanoids: alcohols coniferílico, cumàric i sinapílico. Aquests compostos són sintetitzats partint dels aminoàcids aromàtics anomenats fenilalanina i tirosina.

El informat total de l'entramat de lignina està dominada gairebé totalment pels compostos esmentats, ja que s'han trobat concentracions incipients de proteïnes.

La proporció d'aquestes tres unitats d'fenilpropanoids és variable i depèn de l'espècie vegetal estudiada. També és possible trobar variacions en les proporcions dels monòmers dins dels òrgans de el mateix individu o en les diferents capes de la paret cel·lular.

Estructura tridimensional de la lignina

La proporció elevada d'enllaços carboni-carboni i carboni-oxigen-carboni genera una estructura tridimensional molt ramificada.

A diferència d'altres polímers que trobem en abundància en els vegetals (com el midó o la cel·lulosa), els monòmers de la lignina no polimeritzen de manera repetitiva i predictible.

Tot i que la unió d'aquests blocs estructurares semblés ser liderat per forces estocàstiques, investigacions recents han trobat que una proteïna semblés intervenir la polimerització i forma una gran unitat repetitiva.

funcions

Malgrat que la lignina no és un component ubic de totes les plantes, compleix funcions molt importants relacionades amb la protecció i el creixement.

En primer lloc, s'encarrega de protegir els component hidrofílics (cel·lulosa i hemicel·lulosa) que no compten amb l'estabilitat i rigidesa típica de la lignina.

Com es troba exclusivament en la part exterior, serveix com una beina de protecció contra la distorsió i la compressió, deixant que la cel·lulosa sigui responsable de la resistència a la tensió.

Quan els components de la paret s'humitegen, perden resistència mecànica. Per aquesta raó, és necessària la presència de la lignina amb el component impermeable. S'ha demostrat que la reducció experimental de l'percentatge de lignina en la fusta està relacionada amb la reducció de les propietats mecàniques de la mateixa.

La protecció de la lignina també s'estén als possibles agents biològics i microorganismes. Aquest polímer impedeix la penetració d'enzims que poguessin degradar components cel·lulars vitals.

També juga un paper fonamental en la modulació de l'transport de líquid a totes les estructures de la planta.

síntesi

La formació de la lignina s'inicia amb una reacció de desaminació dels aminoàcids fenilalanina o tirosina. La identitat química de l'aminoàcid no és molt rellevant, ja que el processament de tots dos porta a el mateix compost: 4-hidroxicinamato.

Aquest compost és sotmès a una sèrie de reaccions químiques de hidroxilació, transferència de grups metil i reducció de el grup carboxil fins a l'obtenció d'un alcohol.

Quan s'han format els tres precursors de la lignina esmentats en l'apartat anterior es presumeix que són oxidats a radicals lliures, amb la finalitat de crear centres actius per promoure el procés polimerització.

Sense importar la força que promogui la unió, els monòmers entre si mediantes enllaços de l'tipus covalents i creen una xarxa complexa.

degradació

degradació química

A causa de les característiques químiques de la molècula, la lignina és soluble en solucions de bases aquoses i de bisulfit calent.

Degradació enzimàtica mediada per fongs

La degradació de la lignina intervinguda per la presència de fongs ha estat extensament estudiada per la biotecnologia per al blanquejat i tractament de les restes produïts després de la fabricació de paper, entre altres usos.

Els fongs que són capaços de degradar la lignina es denominen fongs de la podridura blanca, que fan contrast amb els fongs de la podridura marró que ataquen les molècules de cel·lulosa i similars. Aquests fongs són un grup heterogeni i el seu representant més destacat és l'espècie Phanarochaete chrysosporium.

Mitjançant reaccions d'oxidació - indirectes i atzaroses - es trenquen de manera gradual els enllaços que mantenen units els monòmers.

L'acció dels fongs que ataquen la lignina deixa com a residu una gran varietat de compostos fenòlics, àcids i alcohols aromàtics. Alguns residus poden mineralitzar, mentre que altres produeixen substàncies húmiques.

Els enzims que realitzen aquest procés de degradació han de ser extracel·lulars, ja que la lignina no es troba unida per mitjà d'enllaços hidrolitzables.

La lignina en la digestió

Per als herbívors, la lignina és un component fibrós de les plantes que no és digerible. És a dir, no és atacat pels enzims típiques de la digestió ni pels microorganismes que viuen al còlon.

En termes de nutrició, no aporta res a l'organisme que la consumeix. De fet, pot disminuir el percentatge de digestibilitat d'altres nutrients.

usos

Segons alguns autors, encara que es pot obtenir residus agrícoles en quantitats gairebé inesgotables, fins al moment no hi ha cap aplicació important per al polímer en qüestió.

Tot i que la lignina ha estat estudiada des de finals de segle XIX, les complicacions relacionades al seu processament han dificultat el seu maneig. No obstant això, altres fonts suggereixen que la lignina pot ser explotada i proposen diversos usos potencials, basant-se en les propietats de rigidesa i força que hem discutits.

Actualment s'estan desenvolupant una sèrie de persevantes de la fusta sobre la base de lignina combinat amb una sèrie de compostos, per protegir-la de danys produïts per agents biòtics i abiòtics.

També podria ser una substància ideal per a la construir d'aïllants, tant tèrmics com acústics.

L'avantatge d'incorporar la lignina a la indústria és el seu baix cost i el seu ús possible com a reemplaçament de matèria primera desenvolupada a partir de combustibles fòssils o un altre recurs petroquímic. Així, la lignina és un polímer amb molt potencial que busca ser explotat.

referències

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introducció a la biologia cel·lular. Ed. Mèdica Panamericana.
2. Bravo, LHE (2001). Manual de Laboratori de Morfologia Vegetal. Reservat. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Invitació a la Biologia. Ed. Mèdica Panamericana.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomecànica: la física i la fisiologia (No. 30). Editorial CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, & Eichhorn, ES (1992). Biologia de les plantes (Vol. 2). Reverté.
6. Rodríguez, EV (2001). Fisiologia de la producció dels cultius tropicals. Editorial Universitat de Costa Rica.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fisiologia vegetal. Universitat Jaume I.