Glúcidos: metabolísmo, uso en la industria y en los alimentos

Glucólisis. Azúcar. Lactosa. Sacarosa. Ruta metabólica. Enzimas. Alimentación. Celulosa. Pectina. Agar. Glucosa. Látex

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METABOLISMO DE LOS GLÚCIDOS

INTRODUCCIÓN: el metabolismo de glúcidos es el mecanismo mediante el cual el cuerpo utiliza azucar como fuente de energía. Los glúcidos son uno de los tres constituyentes principales del alimento y se encuentran en mayoría en la dieta humana. El metabolismo de los glúcidos forma parte del metabolismo intermediario, que es el destino de los componentes de la dieta después de la digestión y de la absorción. Abarca un extenso campo que, además de describir las vías metabólicas seguidas por las moléculas individuales, intenta comprender sus interrelaciones y los mecanismos que regulan el flujo de los metabolismos a traves de ellas. Las vías metabólicas pueden clasificarse en tres categorías:

Vías anabólicas: son las que se ocupan de sintetizar los compuestos que constituyen la estructura y maquinaria corporal. Ejemplos de ella son la síntesis de proteínas, glúcidos, lípidos, etc. La energía libre requerida por estos procesos proviene de las vías catabólicas.

Vías catabólicas: realizan procesos de oxidación que producen energía libre, por lo general en forma de fosfatos de alta energía o de equivalentes reductores, por ejemplo la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa.

Vías anfibólicas: presentan mas de una función y tienen lugar en las “encrucijadas” del metabolismo, cuando actúan como enlace entre las vías anabólicas y catabólicas, por ejemplo el ciclo del ácido cítrico.

En el metabolismo de los glúcidos, el producto final es un azúcar sencillo, la glucosa, que se puede encontrar tanto en los alimentos como en las diversas estructuras del cuerpo humano. Esta sustancia es el principal combustible que los músculos y otras partes del organismo consumen para obtener energía. Está presente en cada célula casi en cada fluido orgánico.

GLUCÓLISIS: todas las células de los mamíferos metabolizan la glucosa a piruvato y lactato por vía de la glucólisis. La glucosa es un sustrato único ya que la glucólisis puede realizarse en ausencia de oxígeno, y el producto final es el lactato. Por otro lado los tejidos que pueden utilizar el oxígeno tienen la facultad de metabolizar el piruvato a acetil-CoA, que puede entrar al ciclo del ácido cítrico para su oxidación completa a CO2 y H2O, con producción de gran cantidad de energía libre como ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. Así, la glucosa es el combustible principal de numerosos tejidos. Además, interviene en:

  • Conversión a su polímero de almacenaje, glucógeno, particularmente en el músculo esquelético e hígado.

  • La vía de la pentosa fosfato que proviene de intermediarios de la glucólisis. Es una fuente de equivalentes reductores (2H) para la biosíntesis, y es también fuente de ribosa, que se utiliza en la formación de nucleótidos y ácidos nucleicos.

  • La triosafosfato da origen a la fracción glicerol de los acilgliceroles.

  • El piruvato y los intermediarios del ciclo de ácido cítrico proporcionan los esqueletos de carbono para la síntesis de aminoácidos y la acetil-CoA es el bloque estructural para los ácidos grasos de cadena larga y para el colesterol, precursor de todos los esteroides sintetizados en el cuerpo. El proceso que produce la glucosa a partir de precursores que no son carbohidratos, como los lactantes, aminoácidos y glicerol, se denomina glucogénesis.

Lo primero que ocurre en la glucólisis es la es la fosforilación de la molécula de glucosa, es decir, la unión de grupos fosfato proporcionados por el ATP, lo que convierte a la glucosa en una sustancia atrapada que no puede atravesar la membrana celular. De este modo, las enzimas del citoplasma pueden modificar su estructura molecular. La glucólisis se realiza en dos fases principales:

  • En la primera fase, se activa la glucosa, transformándose en dos fragmentos de gliceraldehido-3-fosfato. Esta fase requiere de la energía de activación proporcionada por el ATP.

  • En la segunda fase, estas dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato son convertidas en ácido pirúvico o piruvato. Durante esta fase se produce más energía de la que se invirtió en la primera fase.

Como en la primera fase de la glucólisis se forman dos moléculas de gliceraldehido-3-fosfato por cada molécula de glucosa, todas estas reacciones ocurren por partida doble.

Cada uno de los pasos de la glucólisis se encuentra regulado por una enzima determinada y todos ellos ocurren en el citosol.

En una ruta metabólica como la glucólisis, el producto de una reacción sirve de sustrato para la reacción siguiente, por lo que el balance neto, sólo comprende las moléculas iniciales y finales:

Glucosa + 2ADP + 2PI + 2NAD! 2piruvato + 2ATP + 2NADH2 + 2H2O

Esta ecuación nos muestra el resultado de la glucólisis, es decir, la formación de dos moléculas de ATP, o energía útil para la célula, y dos moléculas de una coenzima reducida llamada NADH2. Ésta puede seguir dos caminos diferentes:

  • Si la respiración es anaeróbica, transfiere los hidrógenos a otras moléculas para cumplir el proceso de fermentación.

  • Si la respiración es aeróbica, pasa a participar en una compleja cadena de reacciones de la respiración.

En la glucólisis, por cada molécula de glucosa se producen cuatro moléculas de ATP, pero como en la etapa inicial de fosforilación se gastan dos ATP, el balance neto de la glucólisis es de dos ATP.

Un mol de glucosa quemado completamente en una calorímetro produce 686 kilocalorías. Por otra parte, cada mol de ATP contiene aproximadamente 7,6 kilocalorías disponibles para su empleo en la célula, cuando se rompan los enlaces de dicha molécula. Si en la glucólisis, la producción neta es de 2 ATP, quiere decir que este proceso tiene un rendimiento del 11%, con relación al total que podría obtenerse con la oxidación completa de la glucosa; es decir que los productos de la glucólisis sus sustancias que todavía guardan mucha energía química atrapada en sus enlaces.

ATP Y ADP:

El metabolismo de los glúcidos, así como el de todos los nutrientes, produce energía al romperse las moléculas que las componen. Ésta energía es atrapada y almacenada en la forma de un compuesto fosfatado de alta energía, llamado trifosfato de adenosina, también conocido como ATP. La energía atrapada en este compuesto puede luego ser liberada para efectuar algún tipo de trabajo en regiones específicas de la célula, encontrándose siempre disponible para ello. Luego de liberar la energía, el ATP pasa a un estado “descargado”, que correrponde a un compuesto llamado difosfato de adenosina o ADP

DIGESTIÓN, ASIMILACIÓN Y ALMACENAMIENTO:

Los glúcidos cómo el almidón, la dextrina, el glucógeno, la sacarosa, la maltosa y la lactosa, se descomponen el tracto digestivo en azúcares simples de seis carbonos, que pasan con facilidad a través de la pared intestinal. La fructosa y la glucosa no se alteran durante la digestión y se absorben cómo tales.

Los azúcares de seis carbonos, producto final de la digestión de los glúcidos, atraviesan la pared del intestino delgado a través de los capilares y alcanzan la vena porta que los lleva hasta el hígado, dónde son transformados en forma de glucógeno. El glucógeno está siempre disponible y cuando el organismo lo requiere se convierte en glucosa y se libera al torrente sanguíneo. Uno de los productos finales del metabolismo de la glucosa en los músculos es el ácido láctico, que llevado por la sangre de nuevo al hígado se reconvierte en parte a glucógeno.

ENZIMAS Y HORMONAS.

Esta conversión de glucosa a glucógeno y viceversa está catalizada por diferentes enzimas. La fosforilasa es responsable de la liberación de la glucosa- 1-fosfato a partir del glucógeno. Esta reacción está estimulada por las hormonas adrenalina y glucagón. La glucosa-1-fosfato es transformada por la hexoquinasa en glucosa-6-fosfato que puede ser metabolizada en glucosa libre incorporandose en el torrente sanguíneo. La capacitación de la glucosa por parte de las células se activa por la insulina. La glucosa antes de ser utilizada, se transforma de nuevo en glucosa-6-fosfato, la que puede metabolizarse o bien convertirse en el hígado y los músculos en glucosa-uridina-difosfato. Esta última forma de glucosa se transfiere al glucógeno en una reacción catalizada por la glucosintetaza y estimulada por la insulina. Las hormonas corticales, hipofisiarias están también implicadas el control del metabolismo de los glúcidos, pero no se conoce su mecanismo de acción.

ALIMENTOS Y SU ACCIÓN

Los glúcidos son los compuestos orgánicos más abundantes en la naturaleza. Así mismo son la principal fuente energética inmediata del organismo. Pueden ser empleados también como sustancias energéticas de reserva.

Existen dos tipos de glúcidos:

  • Las féculas: que se encuentran principalmente en los cereales, legumbres y tubérculos.

  • Azúcares: que están presentes en los vegetales y frutas

Los glúcidos se queman durante el metabolismo para producir energía, liberando dióxido de carbono y agua y son utilizados por las células en forma de glucosa, que es el principal combustible del cuerpo. Luego de ser absorbida en el intestino delgado, se almacena una parte de ella en el hígado, pero en forma de glucógeno (que es un polisacárido de reserva y equivalente almidón en las células vegetales) y el resto pasa el torrente sanguíneo. La glucosa, junto con los ácidos grasos, forma los triglicéridos, compuestos grasos que se descomponen con facilidad en cetonas combustibles. La glucosa y los triglicéridos son transportados por la corriente sanguínea hasta los músculos y órganos para su oxidación, y las cantidades sobrantes se almacenan como grasa en el tejido adiposo y otros tejidos para ser recuperadas y quemadas en situaciones de bajo consumo de glúcidos.

Los glúcidos en los que se encuentra la mayor parte de los nutrientes son los llamados hidratos de carbono complejos, en los que se encuentran: cereales sin refinar, tubérculos, frutas y verduras. Una fuente de glúcidos que entrega una menor cantidad de aportes son los alimentos elaborados con azúcar refinado o elaborado, como son los productos de confitería y las bebidas gaseosas no alcohólicas, que tiene una gran cantidad de calorías, pero una muy baja de nutrientes y aportan una gran cantidad de lo que los especialistas en nutrición llaman calorías vacías.

Como dijimos anteriormente, los glúcidos son compuestos que se encuentran abundantemente en la naturaleza, como producto de la fotosíntesis de las células vegetales y otros organismos vivos, como por ejemplo la ribosa, que se encuentra en el núcleo de todas las células animales. Las pentosas, triosas, tetrosas, heptosas, octosas y nonosas también se encuentran en gran cantidad en la naturaleza, sin embargo, son las hexosas las más extendidas y abundantes de ellas.

Entre los glúcidos más importantes desde el punto de vista comercial están la glucosa, la lactosa y la maltosa que se usan frecuentemente en la alimentación para bebés. Sin embargo, el más importante es la sacarosa, llamado también azúcar de caña, aunque no proceda de la caña de azúcar. Se utiliza para dar sabor dulce en las comidas y en la fabricación de confites, pasteles, conservas, bebidas alcohólicas y no alcohólicas y muchos otros alimentos. La sacarosa suministra aproximadamente un 13 % de la energía básica que se deriva de los alimentos, pero no son un gran aporte nutritivo. Este glúcido está presente en cantidades limitadas en muchas plantas como palmas y en el arce de azúcar, pero la remolacha azucarera y la caña de azúcar son las únicas fuentes importantes para el comercio. Más de la mitad del suministro mundial de azúcar se obtiene de la caña de azúcar que crece en climas tropicales y subtropicales. El resto procede de la remolacha azucarera, que crece en climas más templados y es la fuente principal de suministro de azúcar en la mayor parte de los países europeos, cultivándose principalmente en Rusia, Ucrania, Alemania, Francia y Polonia. Los principales productores de azúcar a nivel mundial son Brasil, Cuba, Kasajstán, México, India y Australia.

Algunos alimentos que contienen glúcidos son:

  • MIEL: La miel de abeja se compone de glucosa, fructosa y agua, a demás de algunas enzimas y aceites. Este producto tiene un valor energético de 3.307 cal/kg. Absorbe con mucha facilidad la humedad del aire, por lo que se utiliza como agente humidificante para el tabaco y la industria panadera. La glucosa cristaliza la miel a temperatura ambiente, dejando una capa de fructosa disuelta sin cristalizar. Para su comercialización, es calentada por medio de procesos especiales hasta unos 66°C con el fin de disolver los cristales, siendo envasada herméticamente a fin de impedir el proceso de cristalización. La fructosa de la miel fermenta cerca de los 16°C y se usa para fabricar una bebida alcohólica conocida con el nombre de aguamiel o hidromiel.

  • EDULCORANTES ARTIFICIALES: Es el nombre que se le da a cualquier sustancia sintética que se use para endulzar sin aportar gran cantidad de calorías a los alimentos en los que se le utilice (bebidas, confites, etc.). Normalmente los alimentos se endulzaban con azúcar o miel, pero en la elaboración moderna, se usa una serie de edulcorantes diferentes, que pueden ser de bulto, es decir, en cantidades grandes, similares a las cantidades de azúcar con el fin de sustituirla; o los más artificiales que son mucho más dulces y más concentrados que el azúcar y se usan en cantidades pequeñas. Los edulcorantes más frecuentes son los jarabes de glucosa, elaborados a partir del almidón, que se usan en mayor cantidad que el azúcar ya que sólo tiene un 74% de la dulzura de la sacarosa, pero también estos jarabes se elaboran modificando cierta proporción de su contenido, transformándolo en fructosa, la cual es un 124% más dulce que la sacarosa, por lo cual se utiliza en menor cantidad. También suelen utilizarse derivados de azúcares, presentes naturalmente en algunas frutas, produciéndose por reducción química de estos azúcares. Algunas de ellas son: el sorbitol, procedente de la glucosa; el dulcitol o galacitol, procedente de la galactosa; el manitol, procedente de la manosa o manitosa; el xilitol, de la xilosa. La dulzura de estos compuestos va de la mitad al 100% de la dulzura de la sacarosa. Entre los edulcorantes que se utilizan en menor cantidad y mayor concentración está: el acesufulmato-k, que se utiliza en productos dietéticos, ya que es 200 veces más dulce que la sacarosa y no se metaboliza, es decir, se excreta sin ninguna alteración. También podemos encontrar la sacarina, que es una de las más antiguas, es 550 veces más dulce que la sacarosa, pero tiene un gusto amargo que se enmascara normalmente con otros edulcorantes, no es estable al calor, por lo que no se puede utilizar para cocinar. Según algunos experimentos realizados con animales, habría indicios de que este compuesto puede ser cancerígeno, pero no se ha detectado ningún caso en un ser humano, aunque fue prohibida en varios países.

  • LECHE: Es un líquido opaco, nutritivo, secretado por las glándulas mamarias de los animales mamíferos. En su composición presenta un glúcido llamado lactosa, a demás de proteínas (caseína) y de sales de calcio, fósforo, sodio, potasio y azufre, pero es deficiente en hierro y en vitamina C. La lactosa es menos dulce que la sacarosa y es menos soluble en agua que la glucosa y la sacarosa. La lecha es un elemento fundamental en la dieta infantil, en especial en especial de los recién nacidos y a menudo se añade a los alimentos infantiles y productos de repostería. La latosa también se ocupa en la elaboración de productos farmacéuticos.

  • FIBRA DIETÉTICA: Son restos de paredes de células vegetales, es decir, una compleja mezcla de diversos tipos de glúcidos que no se pueden digerir en el tracto intestinal y por lo tanto, carecen de valor nutricional. Por muchos años fue desechada por los especialistas en nutrición humana, sin embargo, en las dos últimas décadas se ha podido lograr una importante apreciación de la importancia de la fibra dietética para la salud. Gracias a los estudios realizados se han logrado determinar y medir con mayor exactitud los componentes de la fibra dietética, por lo que los especialistas prefieren utilizar el término polisacárido no almidonoso (PNA), de los que podemos distinguir dos tipos: los que son insolubles en agua y los que son solubles en agua, formado por geles viscosos. Los países desarrollados establecen en su dieta media entre 11 y 12 gramos de PNA diarios, de los cuales, la mitad procede de fuentes vegetales y un 40% de cereales. La cantidad ideal de PNA es de 18 gramos diarios, ya que el consumo de este compuesto es muy beneficioso para la salud humana. El volumen incrementado de los alimentos ricos en fibra, les da mayor capacidad para saciar, es decir, la persona se "llena" rápidamente, lo que es beneficioso para prevenir la obesidad. También se ha comprobado que una dieta baja en fibras provoca estreñimiento y compresión en el tracto intestinal, lo que se relaciona también con el desarrollo de enfermedades tales como el colon irritable, hernia de hiato, hemorroides y venas varicosas. Así mismo, las dietas ricas en PNA reducen el riesgo de enfermedades cardiacas y disminuyen las cantidades de colesterol. Las sales biliares se forman en el hígado a partir del colesterol, de las cuales se segregan aproximadamente unos treinta gramos al día en la bilis. La mayor parte de estas sales son reabsorbidas y recicladas. La fibra arrastra una proporción de estas sales, junto con el colesterol, para ser excretadas. Gracias a este mismo efecto se reduce también el riesgo de los cálculos biliares, ya que una dieta rica en fibra da como resultado más sales biliares y menos colesterol presente en la bilis, ya que es el colesterol insoluble presente en la bilis el que provoca los cálculos biliares. El cáncer del intestino grueso también se relaciona con las sales biliares, ya que éstas, al mezclarse con la fibra en lugar de permanecer en solución libre, no pueden afectar a la pared intestinal para fomentar el desarrollo de tumores cancerosos. De la misma manera, todos los alimentos tienen componentes carcinogénicos, pero éstos, al ser mezclados con la fibra, no pueden ser absorbidos por las paredes intestinales, reduciendo así el riesgo de formaciones cancerígenas. Además, las bacterias del intestino, al fermentar con el PNA reducen la proliferación de las células cancerígenas, por lo que proporcionan mayor protección frente al desarrollo del cáncer intestinal.

LOS GLÚCIDOS EN LA INDUSTRIA

Como hemos dicho anteriormente, los glúcidos se encuentran en grandes cantidades en la naturaleza y, gracias a sus diversas propiedades han sido utilizados en los procesos de elaboración, ya sea como ingrediente principal o complementario en diversas industrias.

Los alimentos ricos en hidratos de carbono suelen ser los más baratos, en comparación a los ricos en proteínas o grasas, lo que los hace más asequibles para las personas de medianos y bajos recursos.

A continuación mostraremos los múltiples usos industriales de los distintos tipos de glúcidos.

  • CELULOSA: Este compuesto es insoluble a todos los elementos comunes, por lo que es fácil separarla de los demás componentes de las plantas. Dependiendo de su concentración, cuando actúa sobre ella el ácido sulfúrico puede transformarse en glucosa o en almidón soluble, también llamado amiloide, que se utiliza para fabricar papeles de alta calidad, los cuales son muy lujosos. Cuando la celulosa se trata con un álcali y luego se expone a los vapores del disulfuro de carbono, se obtiene una solución que puede estirarse en películas e hilarse, a partir de éstas soluciones se fabrican el rayón y el celofán. Los acetatos de celulosa se hilan en filamentos delgados con los que se confeccionan tejidos, también el acetato de celulosa se utiliza para la fabricación de películas fotográficas, vidrios de seguridad inastillables, antibalas. Los éteres de la celulosa se utilizan en la elaboración de adhesivos, jabones y resinas sintéticas. Con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, la celulosa forma una serie de compuestos inflamables y explosivos conocidos con el nombre de nitratos de celulosa o nitrocelulosa, como por ejemplo el algodón de colodión, que forma parte de diversos plásticos y lacas; el colodión, que es un compuesto parecido utilizado en la medicina, fotografía, fabricación de cueros sintéticos y lacas; y el algodón de pólvora que se emplea como explosivo propulsor en la fabricación de cartuchos.

  • PECTINA: glúcido producido por diversas plantas, son sustancias blancas, viscosas, que forman en el agua una solución viscosa, que, al combinarse de manera adecuada con azúcares y ácidos forman una sustancia gelatinosa que se utiliza como espesante de jaleas y mermeladas. La pectina utilizada en la industria es la que se obtiene de la manzana y el limón y se utiliza para elaborar mermeladas de frutas pobres en ella.

  • AGAR: Es un gel coloidal extraído de las paredes celulares de algunas algas rojas orientales. Se utiliza como agente solidificante en la preparación de dulces, cremas y lociones, así como en las conservas de carne y pescado. En los helados y postres congelados se usa como agente emulsionante, así como para darles textura, en la fabricación del vino y de la cerveza se usa para clarificar. En la industria textil se utiliza mucho, especialmente para almidonar las telas. En la investigación científica es muy utilizado como medio de cultivo de bacterias, ya que no se disuelve por el efecto de las sales ni se consume por la acción de los microorganismos. También se encuentra como ingrediente en varios tipos de laxantes y es muy utilizado en la preparación de materiales adhesivos.

  • GLUCOSA: (en forma de azúcar) Es uno de los principales agentes conservadores de las mermeladas y de las jaleas, pero para que cumpla esta función de manera eficiente, el peso del producto final debe ser aproximadamente un 65% de azúcar. Este producto inhibe el crecimiento bacteriano después de calentares el producto.

  • LÁTEX: Es un compuesto fluido lechoso que se encuentra en células especializadas, llamadas lactíferas, de muchas plantas superiores. Está compuesto de gomas, resinas, azúcares, proteínas, taninos, almidones, alcaloides y aceites. Al refinarse o por procesos de síntesis es posible obtener una gran cantidad de gomas comerciales, como el caucho, la balata, el guayule, el opio y el chicle.