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Polihidroxialcanoatos

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by

Nadia Rangel

on 25 October 2016

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El microbiólogo Maurice Lemoigne descubrió el primer PHA, llamado PHB.
1983
De Smet, descubre una cepa de Pseudomonas oleovorans productora de PHB y se dio la primera producción del primer biopoliéster de uso comercial.
1958
Macrae y Wildinson observaron que Bacillus megaterium acumulaba el polímero cuando la relación glucosa/nitrógeno en el medio de cultivo no se encontraba en equilibrio y observaron su degradación en deficiencia de fuentes de carbono o energía.
1925
Definición
Son polímeros de ácidos hidroxialcanoicos que algunas bacterias, arqueas y microalgas acumulan intracelularmente como material de reserva, para usarlo posteriormente como fuente de carbono y energía.
La polimerización de los ácidos hidroxialcanoicos, por acción de enzimas intracelulares, tiene lugar mediante condensación del grupo carboxilo de un monómero (ácido hidroxialcanoico), con el grupo hidroxilo del siguiente, formándose un enlace éster de allí que también se les conozca como biopoliésteres.
Ventaja
Pueden ser sintetizados a partir de fuentes de carbono renovables, son biodegradables (pueden ser asimilados por muchos microorganismos ya sea de suelos, mares, lagos o aguas residuales) y son biocompatibles (no causan efectos tóxicos).
Los PHA se pueden clasificar en varios tipos según la longitud de la cadena de los ácidos hidroxialcanoicos de los que están constituidos.
También se clasifican de acuerdo con la naturaleza de sus unidades monómeras:
Si el polímero está formado por solo un tipo de unidades se denomina homopolímero.
Si está integrado por monómeros con distinta longitud de átomos de carbono en el mismo granulo se refiere entonces a un copolímero.

Generalidades
Clasificación
Polihidroxialcanoatos
(PHA)

Historia
1962
Primer patente de PHB por J. N. Baptist.
Equipo 1:
Cardeña Rosel Juan Pablo
Ku Maldonado Carlos Alejandro
Pat Andrade Victor Abraham
Perez Saldivar Omar
Rangel Martinez Nadia Yuriria
Sosa Medina Alexis

Estructura general de los PHA, y ejemplos de su nomenclatura y símbolo según la longitud y posición de la cadena lateral.
Se acumulan como polímeros líquidos, móviles y amorfos en forma de gránulos que se alojan en el citoplasma microbiano rodeados de una monocapa de fosfolípidos que contiene enzimas polimerasas y despolimerasas
El número de gránulos por célula se define en las primeras etapas de acumulación y la producción del polímero cesa cuando su contenido alcanza cerca del 80 % del peso celular en base seca.

Este fenómeno ha llevado a la conclusión de que existen restricciones físicas que impiden a la célula acumular más polímero, a pesar de la disponibilidad de sustrato y actividad de la enzima PHA polimerasa.
Se han descubierto más de 100 diferentes unidades monoméricas como constituyentes de los PHA.
Se han reportado más de 300 especies, principalmente bacterias, que utilizan sustratos que van desde carbohidratos, lípidos y proteínas, hasta compuesto aromáticos, residuos agroindustriales y gases.
Características
Su tamaño oscila entre 0.2 - 0.5m con un número aproximado de 8-10 gránulos por célula
El método de recuperación del polímero puede influenciar el peso molecular.

La extracción con solventes orgánicos da lugar a polímeros con peso molecular más alto, comparado con la extracción a base de hipoclorito de sodio u otros químicos.

El peso molecular promedio de P3HB producido por bacterias silvestres está en el rango de 1x10^4 a 3x10^6 con una polidispersidad en el rango de 1.8 a 2.7.
Rutas de biosíntesis de PHA en microorganismos
La razón por la cual un PHAs se forma como un polímero de cadena corta o media está relacionada directamente con la enzima encargada de la síntesis (sintasa) ya que esta tiene una especificidad de sustrato que puede actuar sobre monómeros con diferente número de átomos de carbono.
Las PHA sintasas son las enzimas que catalizan la conversión de sustratos (R)-3-hidroxiacil-CoA a PHAs con la liberación de CoA, es decir une los monómeros formando el polímero.
Forman parte de una familia de enzimas que poseen cualidades no muy comunes considerando la función en la formación de estructuras intracelulares insolubles en agua (los gránulos de PHA) y la asociación de estas inclusiones con una monocapa lipídica.
Estas enzimas están unidas a la superficie de los gránulos y como todas ellas tienen una especificidad de sustrato, en este caso pueden aceptar monómeros con diferente número de carbonos, característica principal por la cual se clasifican.
1. Las PHA sintasas clase I tienen como microorganismo modelo Ralstonia eutropha, están compuestas de una sola clase de subunidad (PhaC), y actúan sobre tioésteres CoA de varios 3 hidroxialcanoatos de cadena corta.
2. Las PHA sintasas Clase II también se componen de una sola subunidad (PhaC) y son activas sobre tioésteres CoA de varios 3-hidroxialcanoatos pero en este caso de cadena media (preferencialmente ácidos grasos 3-hidroxi).
3. Las PHA sintasas Clase III son representadas por Allochromatium vinosum, a diferencia de las dos anteriores están conformadas por dos subunidades (PhaC y PhaE), pero al igual que las de clase I prefierentioésteres CoAde3-hidroxialcanoatosdecadena corta.
4. Las sintasas clase IV poseen dos subunidades (PhaC y PhaR) actúan sobre tioésteres CoA de 3-hidroxialcanoatos de cadena corta y su microorganismo representante es Bacillus megaterium.
Aplicaciones
Biomédicas
Estas se basan en la propiedad de los PHA de ser biocompatibles con el tejido humano y reabsorbidos a una baja velocidad. Cuando este material se implanta en el cuerpo se hidroliza en metabolitos biocompatibles
Se ha usado como:

Hilo para sutura
Sustitutos pericárdicos
Sistemas de liberación
de medicamentos
Ha sido propuesto para:
Fabricar jeringas desechables
Lubricantes para guantes de cirugía
También está su uso como material osteosintético o de fijación para estimular la formación de hueso.
Músculos bioartificiales liberadores de fármacos.
Biopolímeros para mejorar el sobrepaso de fármacos a través de barreras tisulares o celulares.
Sistemas de liberación controlada por el ambiente Fisiológico.
Sistemas de liberación de fármacos sobre lentes de contacto.
Stents liberadores de fármacos.
Regeneración de tejidos guiado mediante scaffolds.
Acelerador del proceso de cicatrización luego de extracciones dentales
Algunos monómeros de PHA tienen efectos terapéuticos en enfermedades neurodegenerativas como el alzhéimer y párkinson, incluso se le confieren propiedades para la mejora de la memoria
Detección, extracción y cuantificación
La detección de gránulos de PHA en células microbianas se ha llevado a cabo por medio de la tinción con el colorante lipofílico negro Sudán B, debido a la naturaleza lipídica de los PHA. Actualmente existen otros colorantes que tienen mayor afinidad y especificidad por com¬puestos de naturaleza lipídica como el azul Nilo A y el rojo Nilo
La detección de PHA intracelular también puede llevarse a cabo mediante espectroscopia de infrarrojo
Extracción
La extracción de PHA de la biomasa microbiana ha sido el uso de hidrocarburos clorados, especialmente la técnica utilizando reflujo con cloroformo. La solución de PHA resultante se filtra para remover restos de células, luego se concentra y el PHA se precipita en metanol o etanol.

Cuantificación
El método utilizado inicialmente fue el gravimétrico, que consiste en usar cloroformo como solvente para extraer el polímero de la biomasa liofilizada, posteriormente precipitarlo con dietil éter o acetona, y finalmente secarlo y pesarlo.

Otra técnica y la más utilizada se fundamenta en la metodología desarrollada por Braunegg, que consiste en someter a las células liofilizadas a una metanólisis ácida o alcalina y se generan metal ésteres de los monómeros que com¬ponen el PHA y posteriormente se analizan por CG con detector de ionización de flama. Mediante el uso de un CG acoplado a un detector de masas, esta técnica no sólo funciona para cuantificar PHA sino también para determinar su composición monomérica.
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