BIOQUÍMICA ALIMENTARIA

Química de los procesos biológicos.

PRÓLOGO

Quiero que este trabajo no sólo sea útil en la asignatura, sino que sirva, también, para responder a una pregunta por la que la mayoría se preocupa, sin hacérsela: ¿Por qué importa lo que comemos? La naturaleza proporcionó evolutivamente una dieta a todas las especies. Y es que no debemos olvidar que no dejamos de ser animales aunque seamos los únicos racionales. Nuestro cuerpo tiene unas necesidades según diversos factores que solo afectan a la cantidad de alimentos que debemos ingerir. El conocimiento de los alimentos se hace obligado. Así este documento tendrá un doble fondo: químico, por supuesto, y de aplicación dietética. Contiene una ampliación en la que se introduce el conocimiento de los alimentos con su correcta ingesta. No puedo evitar mi faceta de Educador Nutricional, y tampoco puedo dejar de pensar en que la “mayoría” de esta sociedad no es sino la minoría de personas del mundo, porque el resto se preocupa por llevarse algo a la boca. Lo suyo si es un motivo y su pregunta es ¿Por qué no podemos nosotros? Vida que nos toca, y afortunados, no debemos preocuparnos tanto por la alimentación. Su conocimiento tiene la ventaja de hacernos funcionar óptimamente, una vez habituados. La ignorancia puede degenerar en indeseables problemas de salud. Era de la información, pero cada individuo debe racionalmente canalizarla.

ÍNDICE

PRÓLOGO…………………………………………………. 2

ÍNDICE…………………………………………………….. 3

RESUMEN / ABSTRACT ………………………………... 4

INTRODUCCIÓN…………………………………………. 5

CONTENIDOS……………………………………………. 6

GLÚCIDOS……………...…………………………... 6

- Clasificación y estructura química,

- Dulzor y poder reductor,

- Características de alimentos glucídicos,

- Fibra dietética,

- Trastornos de la glucemia, azúcares simples,

PROTEÍNAS………………………………………… 16

- Clasificación, enlace peptídico y aminoácidos,

- Absorción y metabolismo proteico,

- Degradación de aminoácidos,

- Eliminación de NH4+, 08TEÍNAS……………………………………………… 15

- Características de alimentos proteicos,

LÍPIDOS…...………………………………………… 24

- Ácidos grasos,

- Ceras, fosfolípidos, colesterol y A.G.E.,

- Elaboración de aceites y grasas comestibles,

- Degradación y oxidación,

- Características de los alimentos grasos,

VITAMINAS Y MINERALES……...………………. 30

- Vitaminas liposolubles, recomendaciones,

- Vitaminas hidrosolubles, recomendaciones,

- Minerales,

ALIMENTACIÓN EQUILIBRADA……...………… 36

- Requerimientos energéticos, 37

- IMC, percentiles y peso ideal, 38

- Reparto calórico, 38

- Rueda y pirámide de los alimentos, (condensación de los repartos en un anexo sencillo)

ANEXOS, 40.

CONCLUSIONES, .

PERSPECTIVAS, .

BIBLIOGRAFÍA, .

INTRODUCCIÓN

La energía es una propiedad inherente a la materia. La materia posee energía almacenada que se debe, por una parte, a la posición y altura de un cuerpo y, por otra, a las sustancias de que este se compone, ya que a cada elemento o compuesto le corresponde cierta cantidad de energía química almacenada. Los alimentos contienen energía química, utilizada por los organismos para mantener la vida y realizar trabajo. Recordad que la suma de todas las energías en un sistema cerrado es constante y que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. (Principios de Termodinámica)

Los alimentos se componen de nutrientes orgánicos (glúcidos, proteínas, lípidos y vitaminas) e inorgánicos (minerales y agua). Los organismos extraen de estos energía y nutrimentos, estos últimos descompuestos para ser utilizados en su crecimiento o restauración. A este proceso se le denomina metabolismo. Nuestra alimentación o dieta debe ser equilibrada y variada para que proporcione todos y cada uno de los nutrientes necesarios. Se convierte así en un determinante de la salud del individuo.

Todo lo que hace fluctuar nuestro equilibrio, estado casi de comunión entre todas nuestras células perfectamente coordinadas, afecta a nuestro estado de salud, y esto no significa la ausencia de enfermedad. Nuestro sistema hormonal, el estrés, la actividad diaria (rutinas), las relaciones sociales y la posibilidad económica juegan un papel decisivo en nuestra salud, modulando las necesidades que acarrean al organismo o a la dietética.

Así la célula se caracteriza por el hecho de que en ella concurren numerosos procesos de intercambio de materia y energía con el exterior, es un sistema abierto con un equilibrio oscilante. Las numerosas reacciones endergónicas que se dan en el metabolismo son posibles a razones termodinámicas acoplando procesos exergónicos, estos activan cadenas de reacciones donde interviene decisivamente la molécula de ATP.

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GLÚCIDOS

CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA QUÍMICA

Azúcares, almidones, celulosa, pectinas, gomas, mucílagos son elementos que comparte el reino vegetal en nuestro planeta. Sólo presente en animales en forma de glucógeno, las plantas fotosintetizan estos compuestos otorgándoles un papel muy importante: la moneda energética universal.

Se clasifican en:

Azúcares sencillos: Monosacáridos; sustancias neutras, cristalizables y difusibles en agua, difícilmente en alcohol e insolubles en éter. Sus sabores van desde el dulce al amargo.

Químicamente se dividen en Polihidroxialdehidos o Aldosas y Polihidroxicetonas o Cetosas. De las múltiples hexosas solo unas pocas se encuentran en estado libre en los alimentos:

3 aldosas y 2 cetosas: glucosa, manosa, galactosa, fructosa y sorbosa.

La glucosa contiene 4 carbonos asimétricos por lo que pueden formarse 16 esteroisómeros, esta es uno de los 16 isómeros y 1 de los 2 enanciomorfos D y L. No se refiere a la rotación óptica del azúcar sino a la configuración del grupo hidroxilo del penúltimo átomo de carbono respecto del último. Para la rotación óptica se usan (+) y (-), siendo Fructosa D (+) la fructosa de estructura D que gira a la derecha y Fructosa D (-) la misma pero levorrotatoria.

Se llego al proceso de Mutarrotación: donde se definen Alfa y Beta, como formas, no enanciomorfas (índices de rotación óptica no son idénticos con diferente signo, D y L), cicladas de una cadena abierta intermedia.

El descubrimiento de enzimas específicos para cada forma de la glucosa o sus polímeros demostró la variabilidad tan rica de estos compuestos. Pero, y su tamaño y forma; los anillos que forman los azúcares son como los del pirano (6C) y los del furano (5C)

Anexo 1

Oligosacáridos:

A los carbohidratos formados por dos o tres monosas, se les denomina oligosacáridos. En la naturaleza se encuentran en estado libre tres disacáridos: sacarosa, lactosa y trehalosa, este último es la moneda energética de los insectos. Así la maltosa se deriva del “malteado” o hidrólisis del almidón de la cebada germinada o la celobiosa en la de la celulosa, etc. Maltosa y celobiosa difieren sólo en la constitución  y  de la glucosa que los compone, ya que el enlace 1:4 se mantiene. La trehalosa se constituye de igual forma que la maltosa pero el enlace es 1:1, ésta es un azúcar no reductor. La sacarosa se forma por la unión de  - D glucosa (piranosa) y  - D fructosa (furanosa) en enlace 1:2, por lo tanto, no queda grupo carbonilo libre que le de poder reductor. Cristaliza con facilidad y en presencia de ácidos débiles o de invertasa se produce el fenómeno de inversión donde los azúcares cambian de + a - la rotación óptica. La miel se compone básicamente de azúcares invertidos.

Triscáridos:

De ellos solo dos se encuentran en la naturaleza en estado libre; la rafinosa en la remolacha y salvado y la gencianosa en la raíz de genciana. La rafinosa por hidrólisis da cantidades equimolares de glucosa, de fructosa y de galactosa; la hidrólisis enzimática por emulsina origina sacarosa y galactosa; en medios ácidos débiles y por la acción de la encima rafinasa se desdobla a melodiosa y fructosa.

Al nombrar los trisacáridos debe señalarse la naturaleza de cada enlace glucosídico. Anexo 2.

Azúcares complejos:

Polisacáridos; uniones o-glucosídicas de monosacáridos que pierden el dulzor, insolubles y ramificados o no en 3 dimensiones, como en almidones y pectinas. Cuando sólo originan un monómero se les denomina homopolisacárido: celulosa, almidón, galactano, maná, arabano… y heteropolisacáridos como pectinas, hemicelulosas, mucílagos y resinas. La espectroscopia de RX demuestran la estructura cristalina de todos excepto del de origen animal, el glucógeno.

Celulosa: Se cree que la mitad de dióxido de carbono esta fijado en la celulosa del reino vegetal. Esta es insoluble excepto en el reactivo de Schweitzer (solución amoniacal de hidróxido de cobre). Es el polisacárido mejor estudiado y uno de los que más aplicaciones tiene; nos sirve en el papel, textiles, explosivos, pinturas…

Los rumiantes pueden digerirlos por que poseen en su flora microorganismos que pueden hacerlo. En vegetales superiores se acompaña de lignina, suponiendo el 30% de la celulosa natural.

Almidón: Macroestructura compuesta de amilosa (cadena lineal de glucosas) y amilopectina (cadena ramificada de glucosas). El porcentaje varía según la procedencia del almidón; mientras que el del maíz contiene un 25% en amilosa, el del arroz o los guisantes superan el 70% en este polisacárido. La diferencia de ramificación o no la establecen los enlaces entre 1:4 en la amilosa y 1:6 en la amilopectina, por lo que el enlace 1:6 es el que determina las ramificaciones.

La amilopectina y el glucógeno comparten los mismos monómeros y difieren sólo en la relación de enlaces 1:4 y 1:6.

Hemicelulosas: Gran número de polímeros complejos entre los que se encuentran ácidos poliurónicos (sustancias algales), gomas y mucílagos.

DULZOR Y PODER REDUCTOR

El poder reductor de estas sustancias se debe a su funcionamiento como aldehídos y cetonas; aunque carezcan de olor, no en aldehídos verdaderos. Así se comenzó la investigación de la forma real de estos compuestos.

Todos los monosacáridos poseen un grupo carbonilo que reduce en el licor de Fehling al ión cúprico, de la disolución de SO4Cu en tampón tartrato sódico - potásico, en cuproso. Von Euler llamó reductonas o enedioles al producto de reaccionar el grupo carbonilo con una solución alcalina. Estas tienen mucha relación con la vitamina C o ácido ascórbico, poseen la misma estructura: un anillo de lactona entre el grupo carboxilo y el átomo de carbono 4 (configuración dienólica).

De todos los azúcares existentes en los alimentos, el más dulce es la D-fructosa. El azúcar o sacarosa, compuesto de glucosa + fructosa, se le concede el valor 100 en grados de dulzura y establece así la comparativa entre monosacáridos. Si sintetizamos sacarosa invertida al sumar D-glucosa aumentamos 23,8 el grado de dulzura. En definitiva, el azúcar invertido es más dulce que su forma original. Y la industria lo sabe, ya que sintetizan jarabes de sacarosa parcialmente invertida según escalas de dulzor, solubilidad, cristalización, densidad, aroma…

En zumos de frutas, que son más o menos ácidos, la sacarosa se invierte, lo que depende del pH del jugo, del tiempo y temperatura de almacenamiento. En productos cárnicos (embutidos) se utilizan almidones y sacarosa, evitando pérdidas de humedad y desalando la carne y conservando su color, respectivamente.

Cuando se combinan azúcares que tienen carbonilo libre con aminoácidos o Reacción de Maillard o de caramelización, se forman complicados compuestos castaños o melanoidinas. Se busca esta reacción en la corteza del pan y bollería, patatas fritas, cereales tratados por calor, los asados, caramelo, chocolate, cerveza y extractos de carne.

La fructosa pura no origina reacción de pardeamiento, por el contrario, la glucosa es muy activa.

Cuando se combinan enzimas oxidativos con sustratos como el ácido gálico de manzanas y peras, dopa y dopamina, en patatas y plátanos, y los flavoniodes, flavonas, taninos y ligninas de las verduras; o el llamado pardeamientos enzimático, se producen ortoquinonas que resultarán polímeros pardos por una reacción no enzimática. Lo mejor para evitar estas reacciones es inactivar las enzimas por calor.

CARACTERÍTICAS DE ALIMENTOS GLUCÍDICOS

Los alimentos donde predominan los carbohidratos son principalmente cereales, legumbres, tubérculos y frutas. No son alimentos ricos en calorías, por mala fama que tengan, pero si son los que nos van a proporcionar energía (glucosa), mediante absorción lenta o rápida. De este grupo dependen los cambios calóricos de nuestra dieta ya que de nuestra actividad dependerá la cantidad justa que debemos ingerir de este grupo de alimentos.

Cereales: Frutos de ciertas gramíneas; Arroz (Oryza sativa, L) integral (con las glumas), descascarillado (integral sin glumas), pulido o blanco (limpio y blanqueado), sancochado (descascarillado con tratamiento hidrotérmico y secado, con coloraciones especiales) y tratado (arroces glaseados, matizados y enriquecidos). Avena (Avena sativa, L). Cebada (Hordeum vulgare, L). Centeno (Secale cereale, L). Maíz (Zea mays, L). Mijo (Panicum miliaceum, L) Trigo (Triticum, L). Alforfón (Fagopyrum esculentum, Moench) alforfón es de la familia poligonáceas. Sorgo (Sorgum vulgare, Pers)… Destacan también por su alto contenido en fibras, vitaminas hidrosolubles y minerales (si es integral), y vitaminas liposolubles y grasas poliinsaturadas (familia omega-6 o del ácido linoleico) concentradas en el germen. Tienen un perfil proteico alto (deficitario en lisina y excede la metionina). Su uso se extiende desde la ingesta del grano íntegro (muesli y cruesli, si es con miel) hasta harinas panificables o no (depende de la presencia de la glutenina o gluten), panes, pastas, repostería y bebidas.

Tubérculos: Tallos o raíces que crecen bajo tierra acumulando sustancias, el almidón es el más importante. Patata, mandioca o yuca (Manihot esculenta), chufa (Cyperus esculentus), ñame (Discorea alata) y batata o boniato (Iponea batatas), aunque el tubérculo con más peso es la patata (Solanum tuberosum, L) De alto valor nutricional, buen precio y muchas variedades: Dessirée (piel roja, carne amarilla), Baraka (piel blanca, carne amarilla), Kennebec (piel blanca, carne blanca), Arran Banner, Red Pontiac, Jaerla. Todas comparten casi idéntica composición: una toxina, la solanina (que se elimina con tratamiento térmico), 70-75 % de agua, el almidón de la patata tiene residuos fosfatados en la amilopectina que le confiere una viscosidad especial, casi sin grasas ni vitaminas liposolubles, con proteínas de valor biológico medio pero con cantidades elevadas de vitaminas hidrosolubles (vitamina C) y sales minerales (potasio y magnesio)

Frutas: Carnosas o secas, se diferencian por su contenido acuoso. Su contenido en glúcidos recorre desde el 10%, en limones o melones, hasta el 70%, en dátiles o membrillo. Recoge entre el 2 y 9% de fibras en frutas carnosas y el 15% en frutos secos. Lipídicamente no suelen sobrepasar el 1%, excepto frutos o semillas oleaginosas (aceituna, aguacate, coco, colza (legumbre)…) y frutos secos con un 40 - 60%. Las proteínas destacan sólo en frutos secos (25%) Son algo ricas en vitaminas hidrosolubles y especialmente en minerales (calcio, magnesio, fósforo, cloro)

Legumbres: Son muy parecidas a los cereales, 20 - 30 % proteínas (excede de lisina y deficitaria en metionina), 60 % de almidón y 1 - 3 % de lípidos poliinsaturados omega - 6. Contienen 6 % de fibras, ricas en hierro y calcio y el resto de vitaminas y minerales simulan las presentes en hortalizas. Comprenden desde las muchas especies de judía, seca o verde, lentejas, garbanzos, guisante, habas, soja, cacahuete o algarroba. Se consumen frescas, secas, germinadas, en harina. Incluso, existe carne de soja deshidratada. Contienen antinutrientes que producen degeneración nerviosa irreversible (fabismo), pero se elimina con tratamientos térmicos leves.

FIBRA DIETÉTICA

En años recientes se ha incrementado en interés por el conocimiento de la asociación entre la ingestión de fibra dietética y la salud. Actualmente se conocen varias enfermedades del aparato digestivo y algunos padecimientos crónicos degenerativos que se presentan con mayor frecuencia cuando el consumo de fibra en la dieta es reducido.

La fibra dietética esta clasificada en:

Celulosa: Homoglicano lineal de glucosas 1:4, insoluble en alcali concentrado pero soluble en sulfúrico concentrado. Principal constituyente de la pared celular del reino vegetal.

Hemicelulosas: Grupo diverso de heteroglicanos que se componen de cadenas principales de xilosa, manosa, galactosa o glucosa, y laterales de arabinosa, galactosa y ácido glucorónico.

Sustancias pépticas: Presentes en la pared celular primaria y laminillas medias. Esta compuesto de cadenas de ácido galactourónico y lateralmente cadenas de ramnosa, arabinosa, xilosa o glucosa.

Gomas: Secreción vegetal como respuesta a una lesión compuesta de cadenas de galactosa, ácido glucorónico-manosa o ácido galacturónico-ramnosa. Los monómeros xilosa, glucosa y galactosa forman las cadenas laterales.

Mucílagos: secreción en contra de la deshidratación en plantas y semillas. Compuestos de galactosa-manosa, glucosa-manosa, arabinosa-xilosa, ácido galacturónico-ramnosa, con cadenas laterales de galactosa.

Sustancias algales: derivados de las algas que contienen manosa, xilosa y ácido glucorónico con ramificaciones de galactosa, o no, en su pared celular.

Ligninas: Polímero de fenil propano con enlaces cruzados muy complejos. Se pueden dividir en tres grupos según el predominio de los alcoholes sinapil, comiferil o cumaril; resiste la degradación bacteriana, insoluble en sulfúrico concentrado. Constituye la parte más leñosa de las plantas.

Todos ellos derivan de las plantas y comparten la característica de que no los digieren las enzimas del aparato digestivo, si por la flora intestinal, en los humanos.

Entre los efectos fisiológicos de la fibra dietética, que pueden tener una aplicación desde el punto de vista clínico, debemos destacar:

Metabolismo lipídico

Las fibras viscosas (guar, pectina, etc.) se han empleado con resultados favorables para reducir el colesterol unido lipoproteínas de baja densidad (LDL), aunque esta disminución no sea tan marcada. Si esta medida va unida a la utilización de fórmulas de alimentos con almidón, la disminución del colesterol LDL, se acompaña también de un descenso de los triglicéridos, unidos a las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDLP).

Los mecanismos que pueden explicar la acción hipercolesterolémica de las fibras son: reducción de la secreción de ácidos biliares e incremento de su excreción por heces e inhibición de la síntesis hepática con respecto a su acción sobre ácidos biliares, este parece ser el mecanismo primero y más constante de la fibra para disminuir los niveles de colesterol plasmático.

Metabolismo de la glucosa

Las fibras solubles, gomas y pectinas, reducen la glucemia postprandial, al retardar la absorción intestinal de la glucosa. Esta propiedad se la confiere su alta viscosidad. De aquí se deducen las recomendaciones a los diabéticos de ingerir alimentos con bajo índice glucémico y ricos en fibra soluble como legumbres, verduras y frutas.

Obesidad

En los últimos años ha cobrado gran interés el empleo de fibra en el tratamiento de la obesidad, tanto con alimentos ricos en fibras naturales, como con preparados comerciales derivados de las pectinas, de los glucomananos y de las gomas.

Los mecanismos de acción de la fibra para disminuir el peso se deberían a que produce saciedad, al disminuir el vaciamiento gástrico, mejora el estreñimiento e igualmente disminuye el contenido calórico total de la dieta, al sustituir la ingesta de otros alimentos, como grasas, por alimentos ricos en fibras.

Tracto gastrointestinal

Los efectos de la fibra dietética sobre el tracto digestivo son diferentes según el sitio considerado. Así la fibra estimula la salivación y retrasa el vaciamiento gástrico. Este efecto es producido fundamentalmente por las fibras solubles y viscosas.

Las fibras insolubles no poseen este efecto gástrico e incluso pueden tener efectos opuestos. Independientemente de sus efectos sobre el vaciamiento gástrico, la fibra enlentece la velocidad de absorción de nutrientes en el intestino delgado, especialmente la fibra soluble disminuye la interacción de los mismos con las enzimas digestivas y la fusión a través de la capa acuosa, al aumentar la viscosidad.

En el colon es dónde la fibra ejerce sus máximos efectos: además de diluir el contenido intestinal, sirve de sustrato para la flora bacteriana, capta agua y fija cationes.

Debido a la capacidad para retener agua la fibra produce un aumento del bolo fecal, con heces más blandas que disminuyen la presión intraluminar del colon, por lo que estaría indicada en la diverticulosis. Al mismo tiempo el hinchamiento del bolo fecal, aumenta el peristaltismo, reduciendo el tiempo de tránsito gastrointestinal, siendo, por lo tanto, fundamental en el tratamiento de patologías liberadas a través de las heces.

Por estos motivos en la mayoría de las personas con estreñimiento crónico y diverticulosis el incremento de la ingesta de fibra, especialmente salvado de trigo, puede favorecer un hábito intestinal más regular y el alivio, en cierta medida, de la sintomatología.

TRASTORNOS DE LA GLUCEMIA

Hiperglucemias o Diabetes mellitas. Provocadas por la falta de secreción de insulina.

Hipoglucemias espontáneas, puede tener diversas causas: abuso de fármacos, aumento de la secreción de ACTH (adenocortitropa), etc. El 80 % de las hipoglucemias espontáneas obedece a:

Hipoglucemia reactiva, donde a un estímulo postpandrial normal sobre los islotes de Langerhans reaccionan exageradamente, liberando altas cantidades de insulina. Al ser una enfermedad asintomática la dieta se hace vehículo de una muy posible muerte por el consumo de altas dosis de glucosa (en forma de azúcares simples).

Hipoglucemias alimentarias, como la diabetes sacarina, donde a una diabetes no tratada se producen respuestas tardías de secreción de insulina. Insuficiencia hepática y Alcoholismo; el alcohol disminuye la neoglucogénesis y el apetito por alimentos predominantemente hidrocarbonados.

Hiperinsulinismo orgánico, donde se secretan golpes de insulina en ayunas, durante y después de las comidas.

PROTEÍNAS

CLASIFICACIÓN, ENLACE PEPTÍDICO Y AMINOÁCIDOS

Es de naturaleza covalente, por lo tanto muy estable. Se forma por condensación. Es un enlace tipo amida en el que se pierde una molécula de agua. Con excepción de 2 de los 20 aminoácidos responden a una sencilla fórmula en la que los grupos carboxilo y amino están unidos al átomo de carbono , es decir, el grupo carboxilo de un aminoácido se halla ligado al grupo amino del otro. Al unir un tercer aminoácido se une igual, por lo que todos los ð-COOH y ð-NH3 están implicados en el enlace y dejan de ser operativos todos menos los dos de los extremos. Al ð-NH3 del final de le denomina N-terminal y al ð-COOH C-terminal. Los péptidos se ordenan representando primero al aminoácido que tenga el N-terminal libre. Si hay hasta 10 aminoácidos se llama oligopéptido. Los polímeros son lineales, como no tienen más grupos para formar enlaces no se ramifican. A cada aminoácido se le llama residuo.

Un aminoácido con dos grupos disociables presenta una curva de valoración con dos saltos. Hay una zona en la que el pH está amortiguado en torno al valor de pK, donde las concentraciones de ambas especies son comparables. Ecuación de Henderson-Hasselback: