Universidad Nacional Experimental

“Francisco de Miranda”

Complejo Académico “El Sabino”

Programa de Ingeniería Química

Química Orgánica II

Polímeros Naturales

Integrantes:

Punto Fijo, Abril de 2013.

Polímeros Naturales

Los polímeros se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza. El cuerpo

humano contiene muchos polímeros naturales, tales como proteínas y ácidos

nucleicos. Celulosa, otro polímero natural, es el principal componente estructural

de las plantas. Mayoría de los polímeros naturales son polímeros de

condensación, y en su formación a partir de monómeros de agua es un

subproducto. Los polímeros naturales incluyen al ARN y al ADN, vitales en genes

y en los procesos de la vida. Por cierto, el ARN mensajero es el que hace posible

la existencia de las proteínas, los péptidos y las enzimas. Las enzimas colaboran

en la química interior de los organismos vivientes y los péptidos conforman

algunos de los componentes estructurales más interesantes de la piel, el cabello e

inclusive los cuernos de los rinocerontes. Entre otros polímeros naturales se

encuentran incluidos los polisacáridos (azúcares) y los polipéptidos como la seda,

la queratina y el cabello. El caucho natural es también un polímero natural,

constituido sólo por carbono e hidrógeno.

Polisacáridos

ADN y ARN

El ARN y el ADN contienen estructuras poliméricas basadas en unidades de

azúcares. Cada unidad de monómeros en estos polímeros se compone de uno de

los dos azúcares simples, un grupo de ácido fosfórico, y una de un grupo de

compuestos heterocíclicos de nitrógeno que se comportan químicamente como

bases. Los ácidos nucleicos son de dos tipos: el ácido desoxirribonucleico (ADN),

el almacén de información genética, y el ácido ribonucleico (ARN), que transfiere

la información genética del ADN de la célula al citoplasma, donde la síntesis de

proteínas se lleva a cabo. Los monómeros utilizados para producir el ADN y el

ARN son llamados nucleótidos. Los nucleótidos del ADN se compone de un grupo

fosfato, un azúcar desoxirribosa, y una de las cuatro bases diferentes: adenina,

citosina, guanina, timina. Los nucleótidos que se polimerizan para producir ARN

difieren de los nucleótidos del ADN de dos maneras: contienen azúcar ribosa en

lugar del azúcar desoxirribosa y uracilo en lugar de timina.

La investigación sobre el ADN tiene un impacto significativo, especialmente en el

ámbito de la medicina. A través de la tecnología del ADN recombinante los

científicos pueden modificar microorganismos que llegan a convertir en auténticas

fábricas para producir grandes cantidades de sustancias útiles. Por ejemplo, esta

técnica se ha empleado para producir insulina (necesaria para los enfermos de

diabetes) o interferón (muy útil en el tratamiento del cáncer). Los estudios sobre el

ADN humano también revelan la existencia de genes asociados con

enfermedades específicas como la fibrosis quística y determinados tipos de

cáncer. Esta información puede ser valiosa para el diagnóstico preventivo de

varios tipos de enfermedades. La medicina forense utiliza técnicas desarrolladas

en el curso de la investigación sobre el ADN para identificar delincuentes. Las

muestras de ADN tomadas de semen, piel o sangre en el escenario del crimen se

comparan con el ADN del sospechoso; el resultado es una prueba que puede

utilizarse ante los tribunales. El estudio del ADN también ayuda a los taxónomos a

establecer las relaciones evolutivas entre animales, plantas y otras formas de vida,

ya que las especies más cercanas filogenéticamente presentan moléculas de ADN

más semejantes entre sí que cuando se comparan con especies más distantes

evolutivamente. La agricultura y la ganadería se valen ahora de técnicas de

manipulación de ADN conocidas como ingeniería genética y biotecnología. Las

estirpes de plantas cultivadas a las que se han transferido genes pueden rendir

cosechas mayores o ser más resistentes a los insectos. También los animales se

han sometido a intervenciones de este tipo para obtener razas con mayor

producción de leche o de carne o razas de cerdo más ricas en carne y con menos

grasa

El ARN, es el material genético de ciertos virus y, en los organismos celulares, es

la molécula que dirige las etapas intermedias de la síntesis proteica. En los virus

ARN, esta molécula dirige dos procesos: la síntesis de proteínas (producción de

las proteínas que forman la cápsula del virus) y replicación (proceso mediante el

cual el ARN forma una copia de sí mismo). En los organismos celulares es otro

tipo de material genético, llamado ácido desoxirribonucleico (ADN), el que lleva la

información que determina la estructura de las proteínas. Pero el ADN no puede

actuar solo, y se vale del ARN para transferir esta información vital durante la

síntesis de proteínas (producción de las proteínas que necesita la célula para sus

actividades y su desarrollo). Como el ADN, el ARN está formado por una cadena

de compuestos químicos llamados nucleótidos. Cada uno está formado por una

molécula de un azúcar llamado ribosa, un grupo fosfato y uno de cuatro posibles

compuestos nitrogenados llamados bases: adenina, guanina, uracilo y citosina.

Estos compuestos se unen igual que en el ácido desoxirribonucleico (ADN). El

ARN se diferencia químicamente del ADN por dos cosas: la molécula de azúcar

del ARN contiene un átomo de oxígeno que falta en el ADN; y el ARN contiene la

base uracilo en lugar de la timina del ADN

El almidón

El almidón es un polisacárido de alto peso molecular. Alimentos como el pan, el

maíz y las papas se encuentran llenos de almidón. El almidón puede tener hasta

10.000 unidades de azúcar unidas entre sí. El modo en que se encuentran

enlazadas estas unidades, ya sea en forma lineal o con algunas de ellas formando

ramificaciones, determina el tipo de almidón o polisacárido. El almidón es un

polímero de condensación formada por cientos de monómeros de glucosa, que se

dividió a las moléculas de agua, ya que se combinan químicamente. El almidón es

un miembro del grupo de los hidratos de carbono de los alimentos básicos y se

encuentra en los cereales y las papas. También se le conoce como un

polisacárido, ya que es un polímero de la glucosa de monosacáridos. Las

moléculas de almidón incluyen dos tipos de polímeros de glucosa, amilosa y

amilopectina, siendo este último el componente de almidón en la mayoría de las

principales plantas, lo que representa unas tres cuartas partes del almidón total en

harina de trigo. La amilosa es un polímero de cadena lineal con un promedio de

alrededor de 200 unidades de glucosa por molécula. Una molécula de

amilopectina típica tiene cerca de 1.000 moléculas de glucosa organizadas en

cadena ramificada con una rama que ocurren cada 24 a 30 unidades de

glucosa. Hidrólisis completa de la glucosa en los rendimientos de la amilopectina,

una hidrólisis parcial produce mezclas llamadas dextrinas, que se utilizan como

aditivos alimentarios y en mucílago, pegar, y acabados de papel y telas. El

glucógeno es una reserva de energía en los animales, al igual que el almidón se

encuentra en las plantas. Poco se habla de las propiedades del almidón que

constituye una reserva nutricional del reino vegetal, contenido en alimentos

vegetales como la papa, la remolacha, la mandioca, la batata, el arroz, el trigo, el

centeno, la cebada, y las harinas. Sólo es producido por el reino vegetal, como

consecuencia de la fotosíntesis, y se contienen en sus raíces, bulbos, tubérculos,

frutos, tallos o semillas. Es poco soluble en agua.

Además de servir como aglutinante, este polisacárido se emplea como

solidificador y conservador de panificados, y nos proporciona energía, ya que es

un hidrato de carbono, que contiene especialmente glucosa.

La maicena o fécula de maíz la usamos frecuentemente en la cocina, para

absorber los líquidos de los alimentos, y que tengan más consistencia, o para

preparar salsa blanca, y es un almidón.

La celulosa.

Otro importante miembro de la familia de los polisacáridos es la celulosa. Es el

principal polímero constituyente de las plantas y los árboles. La madera es

principalmente celulosa. La celulosa es el compuesto orgánico más abundante en

la Tierra, y su forma más pura de algodón natural. De las partes leñosas de

árboles, el trabajo se hace de ellos, y el material de apoyo en las plantas y las

hojas son también principalmente de celulosa. Al igual que la amilosa, que es un

polímero a partir de monómeros de glucosa. La diferencia entre la celulosa y la

amilosa se encuentra en la unión entre las unidades de glucosa. Los ángulos de

unión en torno a los átomos de oxígeno de conexión de los anillos de glucosa en

cada uno de 180 ° en la celulosa, y 120 ° en amilosa. Esta diferencia estructural

sutil es la razón por la que no pueden digerir la celulosa. Los seres humanos no

tienen las enzimas necesarias para descomponer la celulosa en glucosa. Por otro

lado, las termitas, unas pocas especies de cucarachas, y los mamíferos rumiantes

como vacas, ovejas, cabras y camellos, son capaces de digerir la celulosa. La

celulosa es la sustancia que más frecuentemente se encuentra en la pared de las

células vegetales, constituye la materia prima del papel y de los tejidos de fibras

naturales. También se utiliza en la fabricación de explosivos (el más conocido es

la nitrocelulosa o "pólvora para armas"), celuloide, seda artificial, barnices y se

utiliza como aislamiento térmico y acústico, como producto derivado del papel

reciclado triturado

El almidón es soluble en agua caliente y con él pueden hacerse útiles objetos. La

celulosa, por otra parte, es altamente cristalina y prácticamente no se disuelve en

nada. El algodón es una forma de celulosa que se emplea en casi toda la ropa. El

hecho de que sea insoluble en agua caliente es importante. De lo contrario, la ropa

se disolvería al lavarla. La celulosa posee también otra fantástica propiedad que

hace posible que se vuelva lisa y achatada cuando se humedece y se le pasa una

plancha caliente por encima. Esto hace que la ropa de algodón se vea elegante

pero no obstante permite una fácil limpieza cada vez que se lava.

Quitina: es un polisacárido similar a la celulosa, es el segundo de la Tierra

polisacárido más abundante (después de la celulosa). Está presente en las

paredes celulares de los hongos y es la sustancia fundamental en el exoesqueleto

de los langostinos, camarones, cangrejos, langostas de mar y otros crustáceos. La

estructura de la quitina es idéntica a la de la celulosa, con excepción de la

sustitución del grupo OH en el carbono C-2 de cada una de las unidades de

glucosa con un-NHCOCH3 grupo. Es rígida, insoluble y en cierto modo flexible. La

principal fuente de quitina es un residuo de mariscos. Los usos comerciales de los

residuos de quitina incluye la realización de envoltura de plástico para alimentos

comestibles y limpieza de aguas residuales industriales. Las propiedades de la

quitina dependen principalmente de la fuente de obtención y el método de

preparación y estos polímeros difieren entre sí por su distribución, masa molecular

y grado de acetilación. Entre estas se destaca la formación de espumas,

emulsiones, geles con polianiones, y retienen humedad por la presencia de los

grupos amino libres que al disolverse en solución acuosa acidificada adquieren

carga positiva.

Químicamente la quitina es poli(N-acetilglucosamina). Aquí está su estructura:

Proteínas

Todas las proteínas son polímeros de condensación de los aminoácidos. Una

inmensa cantidad de proteínas que existe en la naturaleza. Por ejemplo, el cuerpo

humano se estima que 100.000 proteínas diferentes. Lo que es sorprendente es

que todas estas proteínas se derivan de sólo veinte aminoácidos. En la reacción

de condensación que dos aminoácidos se vinculan, una molécula de agua

formando el ácido carboxílico de un aminoácido y el grupo amino del otro se

elimina. El resultado es un enlace peptídico, por lo que las proteínas son

polipéptidos que contienen de aproximadamente cincuenta a miles de

aminoácidos. La estructura primaria de una proteína es la secuencia de las

unidades de aminoácidos en la proteína. La estructura secundaria es la forma que

la columna vertebral de la molécula (la cadena que contiene los enlaces

peptídicos) asume. Las dos estructuras secundarias más comunes son la α-hélice

y la hoja β-plegada. Una α-hélice se mantiene unida por los lazos de hidrógeno

intramolecular que se forman entre el grupo NH de un aminoácido y el átomo de

oxígeno en el tercer aminoácido de la cadena de la misma. La α-hélice es la

unidad básica estructural del pelo y la lana, que son paquetes de polipéptidos

llamado α-queratinas. La estructura helicoidal da algunos como la Quitina, que es

uno de los polisacáridos más abundantes de la tierra, es la sustancia fundamental

en el exoesqueleto de los crustáceos.

Polipéptidos

Las enzimas son unos de los principales tipos de polipéptidos y son cruciales para la vida en la tierra. Todos los organismos vivientes emplean enzimas para hacer, modificar y cortar los polímeros que hemos discutidos aquí. Las enzimas son catalizadores destinados a trabajos específicos. Con gran frecuencia, cada enzima realiza sólo un tipo de tarea o una sola clase de molécula. Esto significa que debe haber montones de enzimas diferentes, todas constituidas por distintas combinaciones de aminoácidos unidos de modos únicos en los polipéptidos, para realizar todas las tareas que cualquier organismo viviente necesita. Sabemos que cada criatura sobre la tierra posee cientos o aún miles de enzimas diferentes para realizar lo que la misma requiere. Lo realmente extraño es que cada una de las enzimas tiene que estar constituida por otras enzimas. Esto conduce a mecanismos de control sumamente complicados: no tenemos ni la más mínima idea (en la mayoría de los casos) de cómo y cuándo la naturaleza decide qué enzimas son necesarias, ni cómo éstas son activadas o desactivadas. Estamos comenzando a descubrirlo y el estudio de estos sistemas constituye una importante parte de la bioquímica y la biología. Las enzimas son utilizadas en la industria química, y en otros tipos de industria, en donde se requiere el uso de catalizadores muy especializados. Sin embargo, las enzimas están limitadas tanto por el número de reacciones que pueden llevar a cabo como por su ausencia de estabilidad en solventes orgánicos y altas temperaturas.Diversas aplicaciones industriales de las enzimas:

1. LA AMILASA DE HONGOS Y PLANTAS cataliza la degradación del

almidón en azucares sencillos USO producción de azucares desde el almidón,

como por ejemplo en la producción de jarabe de maíz. En la cocción al horno,

cataliza la rotura del almidón de la harina en azúcar.

La fermentación del azúcar llevada a cabo por levaduras produce el dióxido de

carbono que hace subir la masa

2. PROTEASAS: Los fabricantes de galletas las utilizan para reducir la

cantidad de proteínas en la harina

3. TRIPSINA: Para pre-digerir el alimento digerido a bebés 

4. CELULASAS, PECTINASAS: Aclarador de zumos de frutos

5. RENINA, derivado del estomago de animales rumiantes jóvenes

(terneros y ovejas): Producción de queso, usada para hidrolizar proteínas.

6. ENZIMAS PRODUCIDAS POR BACTERIAS: Actualmente, cada vez más

usadas en la industria láctea.

7. LIPASAS: Se introduce durante el proceso de producción del queso

roquefort para favorecer la maduración 

8. LACTASAS: Rotura de la lactosa en glucosa y galactosa

9. PAPAINA: Ablandamiento de la carne utilizada para cocinar 

10. AMILASAS, AMILOGLUCOSIDASAS Y GLUCOAMILASAS: Conversión

del almidón en glucosa y diversos azucares invertidos  

11. GLUCOSAS ISOMERASA: Conversión de glucosa en fructosa durante la

producción de jarabe de maíz partiendo de sustancias ricas en almidón. Estos

jarabes potencian las propiedades edulcorantes y reducen las calorías mejor que

la sacarosa y manteniendo el mismo nivel de dulzor.

12. CELULASAS: Utilizadas para degradar la celulosas en azucares que

pueden ser fermentados

13. LIGNINASAS: Utilizada para eliminar residuos de lignina

Seda.

Uno de los polipéptidos exclusivos que empleamos desde los comienzos dado a

sus excelentes propiedades fue la seda. La seda fue descubierta por los chinos,

mucho antes del nacimiento de Cristo. Está constituida por diminutas orugas

tratando de hilar capullos para su transformación en mariposas. Nosotros les

robamos la seda a las orugas, lo cual las deja sin hacer nada. La seda es hilada

para formar fibras. Las agrupaciones de delgados polímeros individuales

conducen a un material más resistente. Esta es la forma en la que hacemos

sogas, por medio de débiles hebras individuales unidas entre sí, de modo tal de

que el conjunto sea flexible y resistente. Por tratarse de un polipéptido, la

estructura de las moléculas de seda es inusual. Posee montones de glicina, un

aminoácido no sustituido. Los segmentos de glicina son capaces de formar

cadenas planas extendidas que pueden empaquetarse perfecta y apretadamente.

Esto le confiere a la seda su particular resistencia y su lustrosa flexibilidad. Estas

propiedades exclusivas, especialmente en los climas cálidos y húmedos, hizo que

la seda dominara el comercio en el oriente durante siglos. La fibra de seda es la

de mayor resistencia de todas las naturales. Supera a las de un filamento de acero

de su mismo diámetro. Por esta propiedad fue empleada como sus sustitución por

el nylon, en la preparación de sedales para la pesca. Su elasticidad, es también

notable. El color de la seda cruda, antes de las operaciones de transformación,

puedes ser blanco, amarillo o verdoso. Una vez “cosida”, o transformada, es

blanco, brillante y transparente. Una propiedad característica, y única, de la seda

natural y es su crujido o “crocante”, sonido que emite cuando se la manosea. Este

sonido no puede ser imitado por ninguna otra figura. La seda es mala conductora

del calor y electricidad. En cuanto a la Composición y propiedades químicas de la

seda, en la hebra en crudo, antes de ser sometida a las operaciones industriales,

la composición es de un 75 % de fibroina y un 25 % de sericina. La sericina está

formada por sustancias albuminoides, grasas, resina y colorantes. Es parcialmente

soluble en agua y totalmente soluciones jabonosas, que son la que se emplea

para su eliminación. La fibrina tiene su composición química parecida a la de la

lana: un proteína altamente complicada, integrada por diversos aminoácidos, pero

con la particularidad de que carece de azufre. En su composición, sea del tipo que

sea figura un 18,33 % de nitrógeno. Resiste bien la acción de los ácidos diluidos.

Los concentrados la destruyen. Los álcalis como la sosa y potasa cáustica, la

destruye rápidamente, aunque puede ser tratada con carbonatos alcalinos. No

resiste la acción del cloro, por lo que no puede ser tratada con lejía. Es interesante

consignar que la presencia en los tejidos de sedas de pequeñas cantidades de

metales, sobretodo hierro y cobre produce su destrucción en breve plazo de

tiempo.

El caucho natural

Es un polímero de adición formado por miles de unidades de monómero isopreno

repetir. Se obtiene del árbol Hevea brasiliensis en forma de látex. La diferencia

entre el caucho natural y otro polímero natural, gutapercha (el material utilizado

para cubrir las pelotas de golf), es la forma geométrica de las moléculas de

isopreno. El CH 2 grupos unidos por enlaces dobles de caucho natural son todos

en el mismo lado de los dobles enlaces (configuración cis), mientras que los de

gutapercha están en lados opuestos del doble enlace (la configuración trans). Esta

diferencia estructural solo cambia la elasticidad del caucho natural a la dureza

frágil de la gutapercha. Las propiedades físicas del caucho natural varían con la

temperatura. A bajas temperaturas, se vuelve rígido, y cuando se congela en

estado de extensión adquiere estructura fibrosa. Calentando a más de 100 ºC., se

ablanda y sufre alteraciones permanentes. El caucho bruto adquiere gran

deformación permanente debido a su naturaleza plástica. La plasticidad del

caucho varía de un árbol a otro y también depende de la cantidad de trabajo dedo

al caucho desde el estado látex, de las bacterias que lo acompañan e influyen en

su oxidación y de otros factores. Cuando el caucho bruto ha sido estirado y

deformado durante algún tiempo, no vuelve completamente a su estado original. Si

entonces se calienta, la recuperación es mayor que a la temperatura ordinaria.

Este fenómeno se denomina deformación residual o estiramiento permanente y es

propio del caucho. El caucho bruto absorbe agua. Los coagulantes usados en el

látex al preparar el caucho afectan al grado de absorción de agua; usando ácido

clorhídrico, sulfúrico o alumbre se obtienen cauchos con poder de absorción

relativamente elevado. El poder de absorción de agua del caucho purificado es

muy bajo. Gran variedad de sustancias son solubles o pueden dispersarse en

caucho bruto, tales como el azufre, colorantes, ácido estiárico, N-fenil-2-

naftilamina, mercaptobenzitiazol, pigmentos, aceites, resinas, ceras, negro de

carbono y otras.

http://www.pslc.ws/spanish/natupoly.htm