- Scoperta
- Principali caratteristiche e struttura
- Difficoltà nell'estrazione e caratterizzazione della lignina
- Metodi di estrazione più utilizzati
- Monomeri derivati da fenilpropanoidi
- Struttura tridimensionale della lignina
- Caratteristiche
- Sintesi
- Degradazione
- Degradazione chimica
- Degradazione enzimatica mediata da funghi
- Lignina nella digestione
- applicazioni
- Riferimenti
La lignina (dal termine latino lignum, che significa legno o legname) è un polimero vascolare stesso delle piante dimensionali, amorfe e dalla struttura complessa. Nelle piante funge da "cemento" che conferisce forza e resistenza a fusti, tronchi e altre strutture delle piante.
Si trova principalmente nella parete cellulare e la protegge dalle forze meccaniche e dai patogeni, trovandosi anche in piccola proporzione all'interno della cellula. Chimicamente ha un'ampia varietà di centri attivi che consentono loro di interagire con altri composti. All'interno di questi gruppi funzionali comuni abbiamo fenolici, alifatici, metossidrossili, tra gli altri.
Possibile modello di lignina. Fonte: vero nome: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007 e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl
Poiché la lignina è una rete tridimensionale altamente complessa e diversificata, la struttura della molecola non è stata chiarita con certezza. Tuttavia, è noto che è un polimero formato da coniferyl alcol e altri composti fenilpropanoidi derivati dagli amminoacidi aromatici fenilalanina e tirosina.
La polimerizzazione dei monomeri che lo costituiscono varia a seconda della specie, e non la fa in modo ripetitivo e prevedibile come altri abbondanti polimeri di vegetali (amido o cellulosa).
Finora sono disponibili solo modelli ipotetici della molecola di lignina e per il suo studio in laboratorio si utilizzano solitamente varianti sintetiche.
La via di estrazione della lignina è complessa, poiché è legata ad altri componenti del muro ed è molto eterogenea.
Scoperta
La prima persona a segnalare la presenza di lignina è stata la scienziata svizzera AP de Candolle, che ha descritto le sue proprietà chimiche e fisiche fondamentali e ha coniato il termine "lignina".
Principali caratteristiche e struttura
La lignina è la seconda molecola organica più abbondante nelle piante dopo la cellulosa, il componente principale delle pareti delle cellule vegetali. Ogni anno le piante producono 20 × 10 9 tonnellate di lignina. Tuttavia, nonostante la sua abbondanza, il suo studio è stato piuttosto limitato.
Una percentuale significativa di tutta la lignina (circa il 75%) si trova nella parete cellulare, dopo che la struttura della cellulosa culmina (spazialmente parlando). Il posizionamento della lignina è chiamato lignificazione e questo coincide con gli eventi di morte cellulare.
È un polimero otticamente inattivo, insolubile in soluzioni acide ma solubile in basi forti, come idrossido di sodio e composti chimici simili.
Difficoltà nell'estrazione e caratterizzazione della lignina
Vari autori sostengono che esistono una serie di difficoltà tecniche legate all'estrazione della lignina, fatto che complica lo studio della sua struttura.
Oltre alle difficoltà tecniche, la molecola è legata covalentemente alla cellulosa e al resto dei polisaccaridi che compongono la parete cellulare. Ad esempio, nel legno e in altre strutture lignificate (come i gambi), la lignina è fortemente associata alla cellulosa e all'emicellulosa.
Infine, il polimero è estremamente variabile tra le piante. Per questi motivi citati, è comune che la lignina sintetica venga utilizzata per lo studio della molecola nei laboratori.
Metodi di estrazione più utilizzati
La stragrande maggioranza dei metodi di estrazione della lignina modifica la sua struttura, impedendone lo studio. Di tutte le metodologie esistenti, la più importante sembra essere il kraft. Durante la procedura, la lignina viene separata dai carboidrati con una soluzione basica di idrossido di sodio e solfuro di sodio in proporzioni 3: 1.
Pertanto, il prodotto isolante è una polvere marrone scuro a causa della presenza di composti fenolici, la cui densità media è compresa tra 1,3 e 1,4 g / cm 3 .
Monomeri derivati da fenilpropanoidi
Nonostante questi conflitti metodologici, è noto che il polimero della lignina è costituito principalmente da tre derivati fenilpropanoidi: alcoli coniferili, cumarici e sinapillici. Questi composti vengono sintetizzati a partire dagli amminoacidi aromatici chiamati fenilalanina e tirosina.
La composizione totale della struttura della lignina è quasi totalmente dominata dai composti citati, poiché sono state trovate concentrazioni incipienti di proteine.
La proporzione di queste tre unità fenilpropanoidi è variabile e dipende dalle specie vegetali studiate. È anche possibile trovare variazioni nelle proporzioni dei monomeri all'interno degli organi dello stesso individuo o in diversi strati della parete cellulare.
Struttura tridimensionale della lignina
L'alto rapporto di legami carbonio-carbonio e carbonio-ossigeno-carbonio genera una struttura tridimensionale altamente ramificata.
A differenza di altri polimeri che troviamo in abbondanza nelle verdure (come l'amido o la cellulosa), i monomeri di lignina non polimerizzano in modo ripetitivo e prevedibile.
Sebbene il legame di questi elementi costitutivi sembri essere guidato da forze stocastiche, recenti ricerche hanno scoperto che una proteina sembra mediare la polimerizzazione e forma una grande unità ripetitiva.
Caratteristiche
Sebbene la lignina non sia un componente onnipresente di tutte le piante, svolge funzioni molto importanti legate alla protezione e alla crescita.
Innanzitutto è responsabile della protezione delle componenti idrofile (cellulosa ed emicellulosa) che non hanno la stabilità e la rigidità tipiche della lignina.
Poiché si trova esclusivamente all'esterno, funge da guaina protettiva contro la deformazione e la compressione, lasciando che la cellulosa sia responsabile della resistenza alla trazione.
Quando i componenti della parete si bagnano, perdono la resistenza meccanica. Per questo motivo è necessaria la presenza di lignina con il componente impermeabile. È stato dimostrato che la riduzione sperimentale della percentuale di lignina nel legno è correlata alla riduzione delle proprietà meccaniche dello stesso.
La protezione della lignina si estende anche a possibili agenti biologici e microrganismi. Questo polimero impedisce la penetrazione di enzimi che potrebbero degradare i componenti cellulari vitali.
Inoltre svolge un ruolo fondamentale nel modulare il trasporto del liquido a tutte le strutture dell'impianto.
Sintesi
La formazione della lignina inizia con una reazione di deaminazione degli amminoacidi fenilalanina o tirosina. L'identità chimica dell'amminoacido non è molto rilevante, poiché la lavorazione di entrambi porta allo stesso composto: 4-idrossicinnamato.
Questo composto è sottoposto ad una serie di reazioni chimiche di idrossilazione, trasferimento di gruppi metilici e riduzione del gruppo carbossilico fino ad ottenere un alcool.
Quando si sono formati i tre precursori della lignina menzionati nella sezione precedente, si presume che siano ossidati a radicali liberi, al fine di creare centri attivi per favorire il processo di polimerizzazione.
Indipendentemente dalla forza che promuove l'unione, i monomeri tra loro attraverso legami covalenti creano una rete complessa.
Degradazione
Degradazione chimica
A causa delle caratteristiche chimiche della molecola, la lignina è solubile in soluzioni di basi acquose e bisolfito caldo.
Degradazione enzimatica mediata da funghi
La degradazione della lignina mediata dalla presenza di funghi è stata ampiamente studiata dalla biotecnologia per lo sbiancamento e il trattamento dei resti prodotti dopo la fabbricazione della carta, tra gli altri usi.
I funghi che sono in grado di degradare la lignina sono chiamati funghi marciume bianco, che sono in contrasto con i funghi marciumi bruni che attaccano le molecole di cellulosa e simili. Questi funghi sono un gruppo eterogeneo e il loro rappresentante più importante è la specie Phanarochaete chrysosporium.
Attraverso reazioni di ossidazione - indirette e casuali - i legami che tengono insieme i monomeri vengono gradualmente rotti.
L'azione dei funghi che attaccano la lignina lascia dietro di sé una grande varietà di composti fenolici, acidi e alcoli aromatici. Alcuni residui possono mineralizzarsi, mentre altri producono sostanze umiche.
Gli enzimi che svolgono questo processo di degradazione devono essere extracellulari, poiché la lignina non è legata da legami idrolizzabili.
Lignina nella digestione
Per gli erbivori, la lignina è un componente fibroso delle piante che non è digeribile. Cioè, non viene attaccato dagli enzimi tipici della digestione o dai microrganismi che vivono nel colon.
In termini di nutrizione, non apporta nulla al corpo che lo consuma. Può infatti diminuire la percentuale di digeribilità di altri nutrienti.
applicazioni
Secondo alcuni autori, sebbene i residui agricoli possano essere ottenuti in quantità pressoché inesauribili, finora non esiste un'applicazione importante per il polimero in questione.
Sebbene la lignina sia stata studiata dalla fine del XIX secolo, le complicazioni legate alla sua lavorazione l'hanno resa difficile da gestire. Tuttavia, altre fonti suggeriscono che la lignina può essere sfruttata e propongono diversi potenziali usi, in base alle proprietà di rigidità e resistenza che abbiamo discusso.
Attualmente è in fase di sviluppo una serie di preservanti del legno a base di lignina combinati con una serie di composti per proteggerlo dai danni causati da agenti biotici e abiotici.
Potrebbe anche essere una sostanza ideale per gli isolanti edili, sia termici che acustici.
Il vantaggio di incorporare la lignina nell'industria è il suo basso costo e il suo possibile utilizzo come sostituto di materie prime sviluppate da combustibili fossili o altre risorse petrolchimiche. Pertanto, la lignina è un polimero con un grande potenziale che cerca di essere sfruttato.
Riferimenti
- Alberts, B. e Bray, D. (2006). Introduzione alla biologia cellulare. Ed. Medica panamericana
- Bravo, LHE (2001). Manuale di laboratorio di morfologia vegetale. Bib. Orton IICA / CATIE.
- Curtis, H. e Schnek, A. (2006). Invito alla biologia. Ed. Medica panamericana
- Gutiérrez, MA (2000). Biomeccanica: fisica e fisiologia (n. 30). Editoriale CSIC-CSIC Press.
- Raven, PH, Evert, RF e Eichhorn, SE (1992). Biologia vegetale (Vol.2). Ho invertito.
- Rodríguez, EV (2001). Fisiologia della produzione di colture tropicali. Editoriale Università del Costa Rica.
- Taiz, L. e Zeiger, E. (2007). Fisiologia vegetale. Jaume I. University