Fibril - Fibril

Estrutura hierárquica dos cabelos no córtex e cutícula, destacando a escama que define as fibrilas.

As fibrilas (do latim fibra ) são materiais biológicos estruturais encontrados em quase todos os organismos vivos. Para não ser confundida com fibras ou filamentos , as fibrilas tendem a ter diâmetros variando de 10-100 nanômetros (enquanto as fibras são estruturas de micro a miliescala e os filamentos têm diâmetros de aproximadamente 10-50 nanômetros de tamanho). As fibrilas geralmente não são encontradas sozinhas, mas são partes de estruturas hierárquicas maiores comumente encontradas em sistemas biológicos. Devido à prevalência de fibrilas em sistemas biológicos, seu estudo é de grande importância nas áreas de microbiologia , biomecânica e ciência dos materiais .

Estrutura e mecânica

As fibrilas são compostas de biopolímeros lineares e são caracterizadas por estruturas semelhantes a bastonetes com altas razões comprimento-diâmetro. Freqüentemente, eles se organizam espontaneamente em estruturas helicoidais. Em problemas biomecânicos , as fibrilas podem ser caracterizadas como feixes clássicos com uma seção transversal aproximadamente circular na escala nanométrica. Como tal, equações de flexão de feixe simples podem ser aplicadas para calcular a resistência à flexão de fibrilas sob condições de carregamento ultrabaixo. Como a maioria dos biopolímeros, as relações tensão-deformação das fibrilas tendem a mostrar uma região característica dedo-calcanhar antes de uma região linear elástica . Ao contrário dos biopolímeros, as fibrilas não se comportam como materiais homogêneos, pois a resistência ao escoamento pode variar com o volume, indicando dependências estruturais. Foi demonstrado que a hidratação produz um efeito perceptível nas propriedades mecânicas dos materiais fibrilares. Foi demonstrado que a presença de água diminui a rigidez das fibrilas de colágeno, bem como aumenta sua taxa de relaxamento e resistência ao estresse. Do ponto de vista biológico, o conteúdo de água atua como um mecanismo de endurecimento para estruturas de fibrilas, permitindo maior absorção de energia e maior capacidade de deformação.

As propriedades de fortalecimento mecânico das fibrilas se originam no nível molecular. As forças distribuídas na fibra são a carga de tração carregada pela fibrila e as forças de cisalhamento sentidas devido à interação com outras moléculas de fibrila. A resistência à fratura de moléculas de colágeno individuais é, como resultado, controlada pela química covalente entre as moléculas. A resistência ao cisalhamento entre duas moléculas de colágeno é controlada por fracas interações dispersivas e de ligações de hidrogênio e por algumas ligações cruzadas covalentes moleculares . O escorregamento no sistema ocorre quando essas ligações intermoleculares enfrentam uma tensão aplicada maior do que sua força de interação. A quebra das ligações intermoleculares não leva imediatamente à falha, ao contrário, desempenham um papel essencial na dissipação de energia que reduz a tensão sentida globalmente pelo material e permite que ele resista à fratura. Essas ligações, muitas vezes ligações de hidrogênio e interações dispersivas de Van der Waals , agem como ligações “sacrificais”, existindo com o propósito de diminuir o estresse na rede. As ligações cruzadas covalentes moleculares também desempenham um papel fundamental na formação de redes de fibrilas. Enquanto as moléculas de reticulação podem levar a estruturas fortes, muitas reticulações em redes de biopolímeros são mais propensas a se fraturar, pois a rede não é capaz de dissipar a energia, levando a um material que é forte, mas não resistente. Isso é observado no colágeno desidratado ou envelhecido, explicando por que com a idade os tecidos humanos se tornam mais frágeis

As diferenças na estrutura entre as fibrilas de origens diferentes são normalmente determinadas por difração de raios-x. Um microscópio eletrônico de varredura (SEM) pode ser usado para observar detalhes específicos em espécies de fibrilas maiores, como as bandas características de 67 nm no colágeno, mas muitas vezes não é fino o suficiente para determinar a estrutura completa.

Contribuições para propriedades mecânicas de biomateriais

Os materiais naturais mostram uma combinação de propriedades mecânicas normalmente contraditórias ( suavidade e tenacidade ), devido às suas estruturas hierárquicas de fibrilas em várias escalas de comprimento. Essas fibrilas são freqüentemente orientadas em uma única direção, levando a uma resposta mecânica anisotrópica no material biocompósito resultante. Esta é uma vantagem principal, pois a maioria desses materiais resiste a tensões em uma única direção e, portanto, um maior rendimento e tensão de fratura na direção da tensão aplicada garantem a integridade estrutural do material. Macro, micro e nano fibrilas permitem que o material resista à fratura por meio de uma série de mecanismos de resistência à fratura:

  1. Deslizamento fibrilar, ou o processo de cisalhamento conforme a carga é aplicada, permitindo a plasticidade
  2. Ponte de fibrila em toda a região de uma rachadura
  3. Deflexão de trinca na ponta da trinca, onde a concentração de tensão pode levar a uma maior propagação e eventual falha.

Esses mecanismos trabalham juntos para resistir à fratura, permitindo que esses materiais resistam a milhões de ciclos de carga sem falhas, essenciais para seres vivos móveis. Outra vantagem mecânica dos biopolímeros é sua capacidade de deformação, resultante da existência de fortes estruturas fibrilares em um material de matriz mais flexível. A boa deformabilidade das matrizes interfaciais desempenha um papel fundamental ao permitir a reorientação dos constituintes durante a deformação.


A fibrilogênese é a expansão de fibrilas finas, comum nas fibras de colágeno do tecido conjuntivo . Os mecanismos definitivos da fibrilogênese ainda são desconhecidos, embora muitas hipóteses resultantes da pesquisa básica ajudem a descobrir muitos mecanismos possíveis. Nos primeiros experimentos, o colágeno I poderia ser destilado dos tecidos e recombinado em fibrilas com o controle das soluções. Estudos posteriores ajudam a compreender a composição e estrutura dos locais de ligação nos monômeros de colágeno. O colágeno é sintetizado como um precursor solúvel, o procolágeno, que apóia a automontagem do colágeno. Uma vez que as fibrilas de colágeno têm quase 50 componentes de ligação in vivo, o requisito definitivo para gerar fibrilogênese in vivo ainda é crítico.

Com solução ácida ou salina, o colágeno pode ser extraído dos tecidos e reorganizado em fibrila, alterando a temperatura ou o valor do pH. Experimentos descobriram uma força atrativa entre os monômeros de colágeno que ajuda no rearranjo. O colágeno atua como um precursor, o pró-colágeno, na reação de síntese, que identifica a autopolimerização do colágeno.

Processos naturais

Existem mais de 30 colágenos na natureza que são semelhantes em composição química, mas diferem em termos de estrutura cristalina. De longe, o colágeno I e II são os mais abundantes. Eles formam fibrilas in vitro, enquanto a fibronectina, as integrinas de ligação à fibronectina, as integrinas de ligação ao colágeno e o colágeno V são essenciais para a formação do colágeno I e o colágeno XI para a formação do colágeno II. Portanto, os mecanismos celulares desempenham papel fundamental no processo de automontagem de proteínas.

Em animais

Colágeno

Estrutura das fibrilas de colágeno I

O colágeno é a principal proteína estrutural fora das células em muitos tecidos conjuntivos de animais. Como principal componente do tecido conjuntivo, possui a maior quantidade de proteínas entre os mamíferos, ocupando de 25% a 35% de todo o conteúdo proteico do corpo.

As fibrilas do colágeno são embaladas em uma estrutura franzida. A curva de tensão / deformação do colágeno, como o tendão, pode ser subdividida em várias regiões. A região das pequenas cepas, região do "dedo do pé", corresponde à retirada de uma crimpagem macroscópica, não crimpada, nas fibrilas de colágeno, visíveis ao microscópio de luz. Em cepas maiores, região "calcanhar" e "linear", não há nenhuma mudança estrutural visível.

O tropocolágeno é a fibra do componente molecular, consistindo de três cadeias polipeptídicas canhotas (vermelho, verde, azul) enroladas uma em torno da outra, formando uma tripla hélice destra.

Actina e miosina

Os músculos se contraem e se alongam por meio do deslizamento / apreensão direcionável da miosina, interagindo com as fibras de actina . A actina consiste em dois polipeptídeos em uma hélice e a miosina tem uma pequena estrutura em forma de coração, ponte cruzada. Os processos de ligação e desconexão da ligação da ponte cruzada ao filamento de actina ajudam o movimento relativo desses colágenos e, portanto, de todo o músculo.

Elastina e queratina

A elastina é uma proteína fibrosa comum em vários tecidos moles, como pele, vasos sanguíneos e tecido pulmonar. Cada monômero se conecta entre si, formando uma rede 3D, com capacidade de suportar mais de 200% de deformação antes da deformação.

A queratina é uma proteína estrutural encontrada principalmente em cabelos, unhas, cascos, chifres, penas. Basicamente, a queratina é formada por cadeias polipeptídicas, que se enrolam em hélices α com ligações cruzadas de enxofre ou se unem em folhas β ligadas por ligações de hidrogênio. A β-queratina, que é mais resistente que a α-conformação, é mais comum em pássaros e répteis.

Resilina e seda de aranha

A resilina é uma proteína elastomérica de inseto, consistindo em hélices α e estrutura de folhas β. É uma das proteínas mais resistentes da natureza. Tem uma baixa rigidez ~ 0,6 MPa, mas uma alta porcentagem de restauração de energia ~ 98%, e ajuda eficientemente os insetos voadores a baterem as asas ou as pulgas a pularem.

A fibrila de seda de aranha é composta de estrutura rígida de folhas β cristalizadas, responsável pela resistência, e matriz amorfa circundante, melhorando a resistência e a capacidade de alongamento. Possui resistência à tração e ductilidade excepcionalmente altas, com densidade respectivamente baixa, em comparação com outras fibrilas naturais. Seu recurso varia de diferentes tipos de aranha para diferentes utilidades.

Nas plantas

Celulose

Modelo de preenchimento de espaço de celulose, antes de enrolar em fibrilas

A parede celular primária deriva sua notável resistência à tração das moléculas de celulose, ou longas cadeias de resíduos de glicose estabilizadas por ligações de hidrogênio . Observa-se que as cadeias de celulose se alinham em arranjos paralelos sobrepostos, com a polaridade semelhante formando uma microfibrila de celulose. Nas plantas, essas microfibrilas de celulose se organizam em camadas, formalmente conhecidas como lamelas , e são estabilizadas na parede celular por moléculas de glicano de reticulação longa e superficial . As moléculas de glicano aumentam a complexidade das redes potenciais nas quais a celulose vegetal pode se configurar. Coextensiva na parede celular primária para ambas as microfibrilas de celulose e redes de glicano complementares, é a pectina, que é um polissacarídeo que contém muitas unidades de ácido galacturônico carregadas negativamente. Além disso, as microfibrilas de celulose também contribuem para a forma da planta por meio da expansão de células controladas. O arranjo estereoscópico das microfibrilas na parede celular cria sistemas de pressão de turgor que, em última análise, levam ao crescimento e expansão celular. As microfibrilas de celulose são macromoléculas de matriz únicas, pois são montadas por enzimas sintase de celulose localizadas na superfície extracelular da membrana plasmática. Acredita-se que a planta pode “antecipar sua morfologia futura controlando a orientação das microfibrilas” por um mecanismo em que as microfibrilas de celulose estão dispostas no topo de uma matriz cortical de microtúbulos.

Amilose

Diz-se que a agitação de uma dada amostra de amilose forma cristais fibrilares que precipitam das águas-mães. Essas fibrilas longas podem ser visualizadas usando microscopia eletrônica, revelando estrias transversais que se assemelham a um shish-kebab . As fibrilas de amilose são classificadas como tendo uma de duas morfologias: umas com pequenas fibrilas em forma de bastonete e outras com cristais em forma de ripa.

Madeira

Diz-se que a estrutura fibrilar da madeira desempenha um papel significativo na estabilidade mecânica e na capacidade da madeira de possuir canais para transportar minerais e água. Sprucewood (Picea abies), entre outros, são relatados como possuindo fibrilas de celulose com um diâmetro normalizado de 2,5 nm. Há também uma relação relatada entre a idade da madeira e o ângulo espiral das fibrilas em relação à direção longitudinal. Diz-se que o Earlywood tem um ângulo de repouso consistente de 4,6 ± 0,6 °, enquanto o latewood tem uma região de transição de 4,6 ° a 19,8 ± 0,7 °. Na madeira tardia, as duas regiões do ângulo espiral das fibrilas de celulose não são contínuas, o que significa que existem duas estruturas traqueídicas independentes nas árvores “mais velhas” que atendem a diferentes requisitos mecânicos. Além disso, as fibrilas orientadas longitudinalmente melhoram a resistência à tração, ao passo que a adição de fibrilas com inclinação de 20 °, exclusiva para traqueídeos de madeira tardia, fornece estabilidade contra compressão.

Biomimética e fibrilas

Propriedades autolimpantes

A fim de imitar a forte adesão, fácil desprendimento e propriedades de autolimpeza de uma almofada de dedo do pé da lagartixa , um adesivo à base de fibrilar pode ser criado. Essas características de desempenho derivam da estrutura hierárquica subjacente, que consiste em um milhão de microfibrilas chamadas cerdas, as quais consistem ainda em bilhões de ramos nanométricos chamados espátulas .

Imitar esse fenômeno envolve quatro etapas distintas de design:

  1. Fazendo arranjos micro / nano-fibrilares alinhados verticalmente
  2. Criação de vários formatos de pontas
  3. Incluindo geometria anisotrópica
  4. Hierarquia de construção.

Uma matriz óssea madura

A fim de imitar uma matriz óssea madura, fibrilas auto-montadas podem ser usadas para alinhar uma determinada matriz mineral. Isso é realizado usando uma molécula de automontagem com uma cauda de alquila hidrofóbica e uma cabeça de oligopeptídeo hidrofílica. Essas moléculas formam estruturas micelares in situ e pontes dissulfeto em pH baixo, levando à formação e cristalização de nanofibrilas poliméricas de 200 kDa. A matriz mineral em última análise interage com a fibrila sintética por meio de um resíduo de fosfoserina que resulta na nucleação e crescimento mineral.

Veja também

Referências