La maquinaria nutricional que requiere el cuerpo humano implica una serie de sustancias esenciales en grandes cantidades, que son llamados macronutrientes. Cada uno de ellos desempeña funciones que son imprescindibles para el mantenimiento de la salud y la vida.
Los nutrientes provienen de alimentos de origen animal y vegetal, que posteriormente son absorbidos por el sistema gastrointestinal. Luego, pasan a circulación sanguínea para cumplir sus funciones en los procesos metabólicos de las células.
Los parámetros nutricionales incluyen nutrimentos primordiales que corresponden a los carbohidratos, las proteínas y las grasas, además del agua y concentraciones de sal. La medición de estos elementos indica las condiciones de salud nutricional de una persona, pues se reflejan en la integridad de sus tejidos y mecanismos metabólicos importantes.
En seguida, ampliaremos los conocimientos de los macronutrientes en la dieta, las principales fuentes que los proveen y algunas de sus significativas funciones.
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Los macronutrientes son parte de la composición de los alimentos
Antes de describir los macronutrientes, aclaremos los conceptos de alimentación y nutrición.
Alimentación
La alimentación consiste en el acto de proveer al organismo alimentos que serán ingeridos de forma voluntaria, pudiendo ser modificado por nuestro libre albedrío. La alimentación estará influenciada por factores económicos y culturales que afectarán la calidad de la misma.
Nutrición
La nutrición engloba una serie de procesos fisiológicos que deben suceder desde que se ingiere un alimento, que luego es transformado para ser aprovechado por las células. Estos procesos son involuntarios, y se efectúan de forma automática por el cuerpo. Una persona será saludable si nutre eficazmente sus tejidos y células, y esto lo logra optimizando sus hábitos alimenticios.
Todo el conglomerado que implica el proceso de nutrición necesita una provisión continua de nutrientes, sin embargo, las personas solo pueden aprovechar una cantidad limitada de ellos. A pesar de que existe un gran número de alimentos, solo una reducida cantidad funcionan como combustible en la estructura celular del cuerpo humano.
La naturaleza nos brinda diversas combinaciones de alimentos que podemos consumir. Y es posible distinguirlos en dos grandes grupos, en función a la cantidad de los nutrientes que presenten, y ellos son:
Aunque el agua y la fibra se consumen en grandes cantidades, al no aportar calorías no se designan como nutrientes. Aclarando esto procederemos a ampliar los conocimientos sobre los macronutrientes y las calorías que aportan cada uno a nuestra dieta.
¿Qué son los macronutrientes?
Los macronutrientes consisten, por lo tanto, en aquellos nutrientes que se proporcionan en grandes concentraciones y portan la mayor cantidad de energía al organismo humano. Con ellos, se pueden efectuar procesos celulares para el crecimiento de tejidos y regulación del metabolismo y otras funciones del cuerpo humano.
Los seres humanos somos organismos heterótrofos, lo cual quiere decir que debemos obtener nuestros nutrientes del medio ambiente. Estos son empleados por el organismo para efectuar todos los procesos metabólicos que nos mantienen saludables y con vida.
Como mencionamos anteriormente, los macronutrientes se clasifican en tres clases que son los Carbohidratos, las Proteínas y los Lípidos. Conoceremos cada uno de ellos a continuación, definiendo su estructura, función y fuente principal de alimento que los provee.
Los carbohidratos
Los carbohidratos (CHO) son macronutrientes también conocidos como hidratos de carbono. Estas sustancias están constituidas por carbono, hidrógeno y oxígeno, con una estructura química de polihidroxialdehído o polihidroxiacetona. Además, presentan en su estructura grupos funcionales C=O o OH.
Estos macronutrientes constituyen las sustancias orgánicas más consumidas por las personas, entre el 50 y 80% de la dieta en general. La fuente principal de los carbohidratos es de origen vegetal y un menor porcentaje son derivados de origen animal.
Las plantas sintetizan carbohidratos mediante el proceso de fotosíntesis solar, y la glucosa es la forma fundamental de donde derivan los CHO presentes en las plantas. Esto lo logran mediante la siguiente reacción:
La glucosa en el metabolismo celular
Desde la glucosa se producen otros azúcares, entre ellos la sacarosa y la fructosa, además de polímeros como el almidón y la celulosa. Pero es la glucosa la forma de carbohidrato usada en el metabolismo de la célula. Con ella se realizan los procesos de oxidación a agua y dióxido de carbono, y la glucólisis para la generación de energía.
La glucolisis se realiza mediante un proceso bioquímico conocido como ciclo de Krebs, que genera ATP (moléculas de energía). Aquella glucosa que no es utilizada se almacena en forma de glucógeno en los animales y como almidón en las plantas. Ambas son formas poliméricas de este macronutriente, y su procesamiento genera 4 kcal/g.
Veremos más adelante que en la naturaleza no encontraremos formas simples de los azúcares, sino en modo de cadenas de polímeros, dando origen a los polisacáridos. En las plantas en forma de almidón, fibra y celulosa.
La función de los carbohidratos dependerá de su estructura química. Asimismo sus características permite diferenciarlos en sabor, color, viscosidad y color. En otras palabras, las propiedades de un alimento, bien sea procesado o natural, dependerá de la clase de CHO que lo compone. Conjuntamente, de los procesos metabólicos en los que intervenga.
¿Cómo se nombran y clasifican los carbohidratos?
Los CHO como la glucosa poseen únicamente carbono, hidrógeno y oxígeno. No obstante, con diversos estudios bioquímicos se determinaron que otros elementos forman parte de la estructura de diversos tipos de carbohidratos. Entre ellos se encuentran el nitrógeno (N), el fósforo (P), azufre (S), etcétera, dando origen a una fórmula muy diferente a la original.
Se han generado diversas clasificaciones de los hidratos de carbono, que se fundamentan en diferentes criterios como:
Generalmente el tamaño de la molécula se refiere al número de azúcares que lo componen. Por ejemplo, una unidad de azúcar es igual a un monosacárido. Pero moléculas más complejas corresponden a los oligosacáridos y polisacáridos. El siguiente cuadro muestra un resumen de esta clasificación:
| Tipo de CHO | Número de azúcares | Ejemplos |
| Monosacáridos | 1 unidad de azúcar | – Pentosas: arabinosa, ribosa, xilosa. – Hexosas: glucosa, manosa, fructosa, galactosa etc. |
| Oligosacáridos | De 2 a 10 unidades de azúcar | – Disacáridos: lactosa, maltosa, sacarosa, etc. – Trisacáridos: rafinosa. – Tetra y pentasacáridos: verbascosa, estaquiosa, etc. |
| Polisacáridos | Más de 10 unidades de azúcar | – Homopolisacáridos: almidón, celulosa, glucógeno. – Heteropolisacáridos: pectinas, hemicelulosa, etc. |
La nomenclatura de los carbohidratos
La nomenclatura original de los carbohidratos es confusa, pues se emplearon nombres poco significativos. Se emplearon sufijos al final del nombre que indicaban la procedencia del macronutriente o el grupo funcional que poseen. Mostramos algunos ejemplos de la nomenclatura general de los carbohidratos.
Monosacáridos
Son las unidades básicas o monómeros de los CHO de mayor complejidad, pues la unión de ellos da origen a los oligosacáridos y los polisacáridos. Entre sus características químicas se encuentran:
Distribución en la naturaleza de los monosacáridos
Cuando hablamos de distribución en la naturaleza de los monosacáridos, la glucosa es el macronutriente que se encuentra en mayores proporciones. Frutas como manzanas, fresas, pera, durazno, ciruela, uvas y hortalizas como la cebolla, presentan glucosa en concentraciones variables que dependen del grado de madurez del alimento.
También, la miel es un producto natural rico en glucosa mostrando una concentración del 40%. La glucosa presenta en su estructura moléculas de carbono asimétricas, lo cual le proporciona la cualidad de girar a la derecha en el plano de luz polarizada. Esto la define como un compuesto dextrógiro o dextrorrotatorio, confiriéndole la denominación de dextrosa.
En segundo lugar, en la naturaleza encontramos a la fructosa. Este CHO se halla fundamentalmente en los zumos de gran variedad de frutas y en las mieles. La fructosa presenta en su estructura carbonos asimétricos, pero a diferencia de la glucosa gira a la izquierda en el plano de luz polarizada. En otras palabras, es levorrotatorio y se le designa el nombre de levulosa.
La fructosa se encuentra en la estructura química de algunos polisacáridos, y un ejemplo de ellos es la inulina. Este polisacárido es lineal con un monómero de glucosa terminal, con uniones moleculares de enlaces glicosídicos β (2-1) no digeribles. Podemos encontrar inulina en el ajo, el maguey y la alcachofa.
¿Cómo varía la concentración de azúcar en las frutas con el proceso de maduración?
Anteriormente mencionamos que la concentración de los macronutrientes azucarados en las frutas varía en la medida que el alimento va madurando. Mencionaremos algunos ejemplos de ello:
Estructura química de los monosacáridos
Los monosacáridos más frecuentemente encontrados en nuestro entorno son, de acuerdo a su estructura química, tetrosas, pentosas y hexosas. Estos provienen del metabolismo del D-gliceraldehído, donde se adicionan grupos CHOH a la cadena principal de carbonos.
En la siguiente imagen, se distinguen las configuraciones químicas de algunos de ellos, de acuerdo a las proyecciones de Fisher, que explicaremos más adelante.
Las principales características estructurales de los monosacáridos son:
Representaciones químicas de los monosacáridos
Es posible hacer las representaciones químicas de los estos macronutrientes azucarados, a través de las proyecciones de Fisher, las proyecciones de Haworth o mediante la fórmula conformacional. La siguiente imagen muestra cada una de ellas, tomando como ejemplo la D-fructosa.
1. Proyecciones de Fisher
Este tipo de representación exhibe los carbonos en una cadena abierta en forma lineal, enumeradas desde el aldehído o desde el carbono más colindante a la cetona. Los carbonos se conectan verticalmente y los enlaces carbono-oxígeno y carbono-hidrógeno se muestran horizontalmente.
El carbonilo reacciona con los grupos alcohol de la misma cadena molecular, generando enlaces hemiacetales que crean azúcares cíclicos. Monómeros hexosas dan origen a conformaciones de pirano con anillos de seis carbonos, o furano con anillos de cinco carbonos.
2. Proyecciones de Haworth
Este tipo de representación es considerada la más acorde, pues corresponde estequiométricamente a la capacidad reductora de los azúcares. Los CHO muestran un fenómeno de mutarrotación cuando se someten a modificaciones en su actividad óptica. Realizan este fenómeno para alcanzar un equilibrio entre su forma anomérica y la cíclica.
3. Fórmula conformacional
Se entiende que la representación más estable de los monosacáridos es la que presenta una configuración planar de zigzag, con los grupos hidroxilos dispuestos de forma antiparalela. En función a esto, las piranosas adoptan una forma de silla. Así, los OH pueden ser axiales (al estar perpendicular al plano de carbonos) o ecuatoriales (si están paralelos al plano de átomos).
Oligosacáridos
Son macronutrientes carbonatados originados por la unión de tres a diez monosacáridos, a través de enlaces glucosídicos. Si es mayor de diez monómeros la molécula se transforma en un polisacárido.
Las propiedades de los oligosacáridos dependerán de la case de monómero que lo conforma, además de su configuración lineal o ramificada. Desde el punto de vista nutricional, los de mayor relevancia son los disacáridos, seguidos de los trisacáridos y los tetrasacáridos.
Disacáridos
Como su nombre lo indica, esta molécula se genera por la unión de dos monosacáridos, o por la hidrólisis de moléculas de polisacáridos
Es necesaria la eliminación de un grupo hidroxilo anomérico de uno de los monosacáridos para dar cabida al enlace glucosídico y así generar un disacárido. Al monómero que cede el OH se le añade a su nombre la terminación “sil”, un ejemplo es la lactosa cuya nomenclatura sería O-β-D-galactopiranosil-(1,4)-α-D-glucopiranosa.
Clasificación de los disacáridos
Si la unión de los monosacáridos es a través de sus carbonos anoméricos, se generan azúcares no reductores como el caso de la sacarosa. Su poder reductor se ha empleado para la clasificación de los disacáridos en:
El cuerpo humano solo emplea los oligosacáridos después de ser hidrolizados por enzimas intestinales, para ser transformados a su forma más simple. De esta manera, pueden ser absorbidos por la pared intestinal, pasar a circulación sanguínea y llegar a las células donde serán aprovechados.
Es importante mencionar que la hidrólisis química de las uniones glucosídicas de todos los oligosacáridos es dependiente del pH, temperatura, conformación anomérica y tamaño del anillo glucosídico. Mencionaremos los disacáridos más comunes.
1. Sacarosa
Es denominada químicamente β-D-fructofuranosil-α-D-glucopiranosa, y la encontramos habitualmente como “azúcar”. La misma se conforma por una glucosa unida mediante el grupo aldehídico al grupo cetónico de la fructosa, estableciendo un enlace glucosídico β (1,2). Algunas de sus características son:
2. Maltosa
Otro disacárido muy común es la maltosa, cuya nomenclatura química es 4-O-β-D-glucopiranosil-α-D-glucopiranosa. Está conformada por un par de monómeros de glucosa, que son hidrolizados por acción de ácidos y la maltasa (enzima). Algunas de sus principales características son:
3. Lactosa
Es un disacárido exclusivo de la leche de mamíferos, definido químicamente como 4-O-β-D-galactopiranosil-D-glucopiranosa. Está conformado por un monómero de galactosa y uno de glucosa, igualmente unidos por un enlace glucosídico β (1,4). Entre sus características podemos mencionar:
Otros oligosacáridos de importancia son la lactulosa, celobiosa, rafinosa, estaquiosa y verbascosa. Estos se encuentran principalmente en leguminosas y en algunos cereales.
Principales reacciones químicas de los monosacáridos
Como hemos mencionado, los monosacáridos presentan grupos aldehídos o cetónicos. Además de varios grupos OH que, de acuerdo a las variaciones químicas a los que estén expuestos, generarán cambios estructurales. Las funciones del monosacárido irán de la mano con dichas transformaciones, que pueden ser causadas por:
Cada uno de estos factores causará reacciones como isomerización, deshidratación, enolización, oxidación, reducción, ciclización, entre otras reacciones como la caramelización y la reacción de Maillard.
Polisacáridos
Cuando más de 10 monosacáridos se unen mediante enlaces glucosídicos, se sintetizan los polisacáridos. Dentro de este grupo se encuentra múltiples polímeros heterogéneos distribuidos ampliamente en la naturaleza. Algunas características de este tipo de macronutrientes son:
Clasificación de los polisacáridos
La clasificación de esta clase de macronutrientes puede realizarse en función a cómo se estructuran:
Sean homo o heteropolisacáridos, todos se unen en secuencias y configuraciones repetitivas y constituyen polímeros con un alto nivel de organización.
Otra clasificación depende de la acción biológica que efectúen para dar origen a dos grandes grupos:
En la siguiente tabla se resumen los principales polisacáridos junto a sus principales funciones y características.
| Polisacárido | Características |
| Celulosa | – Principal polisacárido estructural del reino vegetal. – Son fuente inagotable de glucosa por su renovación continúa mediante fotosíntesis. – Es uno de los macronutrientes con múltiples usos, entre ellos control de la cristalización de la lactosa para la elaboración de productos congelados. – Dentro de este grupo se encuentra la hemicelulosa, que es un heteropolisacárido situado en la pared celular, con marcadas diferencias al compararlas con la celulosa y el almidón. Este elemento actúa como compuesto cementante dentro del tejido vegetal. |
| Almidón | – Este macronutriente es parte fundamental de la alimentación de los humanos desde tiempos antiguos. – Es el segundo CHO más abundante a nivel comercial. Se encuentra en cereales, tubérculos y ciertas frutas. – De acuerdo a la madurez del alimento, su concentración varía. En el plátano verde, el almidón corresponde a la mayor parte de CHO con pocas unidades de azúcar. Cuando la fruta va madurando, este polisacárido es hidrolizado por amilasas. Y por acción de otros procesos se genera sacarosa y fructosa. – Constituye el depósito de energía de plantas y vegetales. Se halla en corpúsculos pequeños denominados gránulos. |
| Pectinas | – Son sustancias pertenecientes a un amplio conjunto de heteropolisacáridos de origen vegetal, que están estructurados por moléculas de ácido-D-galacturónico. Estas últimas están ensambladas por enlaces glucosídicos α-D-(1,4), y pudiera existir esterificación de los carboxilos con grupos metilos. – Estos macronutrientes están asociados a las hemicelulosas de las paredes de las células vegetales para favorecer la firmeza de sus frutos. |
| Glucógeno | – Constituye la reserva de energía de mayor trascendencia en el reino animal, y se sitúa en los tejidos muscular y hepático. – Consiste en una cadena polimérica de D-glucosa muy ramificada, constituida por 8 a 12 monómeros de glucosa ensambladas por enlaces 1-4. Y con cadenas de menor tamaño entrelazadas con uniones 1-6, se generan grandes estructuras que alcanzan hasta 120.000 moléculas. |
| Gomas | – Inicialmente correspondían a compuestos derivados de la exudación de ciertas plantas. Pertenecen a un amplio grupo de polisacáridos. – Actualmente, su alto peso molecular ha favorecido en su uso principalmente como espesante y gelificante de alimentos. |
| Fructosanas | Son un grupo de polímeros, habitualmente lineales, conformados por monómeros de D-fructosa, enlazadas por uniones glucosídicas. También es llamada levana. |
| Fibras | Las fibras consisten en un conjunto extendido de polisacáridos estructurales. Es decir, no poseen funciones metabólicas, pero son ampliamente ingeridos por sus beneficios en la salud. |
Las proteínas
Son macronutrientes de gran importancia. Se encuentran a la par de los ácidos nucleicos, pues su participación es imprescindible en los diversos procesos biológicos de los seres vivos.
Estas biomoléculas participan en la estructura celular, el transporte de elementos, y almacenamiento de energía. Además, tienen acción catalítica en el caso de las enzimas.
Conjuntamente, sus propiedades nutricionales favorecen en la regeneración y crecimiento de tejidos de quien las ingieren. Describiremos en seguida los puntos más resaltantes de los macronutrientes proteínicos.
Los aminoácidos
Constituyen los componentes más simples de la estructura química de las proteínas. Existen veinte tipos de aminoácidos, que pueden ordenarse y repetirse de muchas formas para abarcar una cantidad impresionante de posibles combinaciones de los mismos.
Por su parte, de acuerdo a la conformación espacial tridimensional que tome una secuencia de aminoácidos específica, sus propiedades serán completamente diferentes. Esta condición los hace unos macronutrientes sumamente complejos en relación a los carbohidratos y los lípidos.
La unión de aminoácidos da lugar a los péptidos, los cuales al ensamblarse con otros péptidos generan cadenas polipeptídicas complejas con elevado peso molecular llamadas proteínas. La siguiente figura muestra la estructura general de la veintena de aminoácidos que existen.
A continuación, enlistamos los veinte aminoácidos que existen, junto a su código de tres letras:
- Alanina (Ala)
- Arginina (Arg)
- Asparagina (Asn)
- Ácido aspártico (Asp)
- Cisteína (Cys)
- Glutamina (Gln)
- Ácido glutámico (Glu)
- Glicina (Gly)
- Histidina (His)
- Isoleucina (Ile)
- Leucina (Leu)
- Lisina (Lys)
- Metionina (Met)
- Fenilalanina (Phe)
- Prolina (Pro)
- Serina (Ser)
- Treonina (Thr)
- Triptófano (Try)
- Tirosina (Tyr)
- Valina (Val)
Estereoquímica de los aminoácidos
La compleja estructura de los aminoácidos muestra uniones tetrahédricas alrededor del carbono y exhiben una configuración tridimensional más real. En la siguiente figura se muestra un α-aminoácido y su representación compacta.
Como observamos, los triángulos sólidos son la representación de enlaces que sobresalen del plano. Y los enlaces representados como rayas son uniones que se hunden en el plano. La molécula con un átomo de carbono que acepta cuatro elementos diferentes se considera asimétrica, y este es llamado carbono quiral o centro de quiralidad, generando un estereocentro.
Al presentar un carbono quiral, es posible que se produzca un par de estereoisómeros destacados, los cuales son figuras especulares incapaces de superponerse llamados enantiómeros. Estos últimos, pueden recibir el nombre de isómeros ópticos, que se distinguen por su rotación en el plano de luz polarizada en L y D.
Clasificación de los aminoácidos
La diversidad en la disposición de las cadenas laterales de los aminoácidos los hace diferenciarse en estructura y características. Pero en líneas generales encontramos los siguientes tipos de aminoácidos:
1. Apolares
Constituyen un conjunto de aminoácidos sin carga en su cadena lateral. Dentro de estos conseguimos dos subgrupos que son:
- Alifáticos. Estos corresponden a los que, en la cadena lateral, no poseen dobles enlaces conjugados.
- Aromáticos. Estos aminoácidos poseen en su cadena lateral dobles enlaces conjugados. Son los encargados de la absorción de luz en una longitud de onda de 280 nm. Los enlaces pi de los anillos aromáticos pueden comportarse como receptores de puentes de H+ o formar uniones con otros grupos cargados positivamente.
En el siguiente cuadro se desglosan los aminoácidos pertenecientes a cada uno de estos subgrupos.
| Aminoácidos alifáticos | Aminoácidos aromáticos |
| Glicina (R=H) – Este aminoácido no muestra isomería óptica, pues presenta dos enlaces del Cα con H+. – Proporciona una considerable flexibilidad a las proteínas, pues su cadena lateral corta no interfiere en la movilidad de los aminoácidos que la acompañan. | Fenilalanina (R=CH2-Benceno) |
| Alanina (R=CH3) Es un aminoácido con funciones únicamente estructurales. | Tirosina (R=CH2-Benceno-OH) |
| Valina (R=CH2-(CH3)2) Aminoácido con función únicamente estructural. | Triptófano (R=C(CH-NH)-Benceno |
| Leucina (R=CH2-CH-(CH3)2) | |
| Isoleucina (R=CH3H-CH2-CH3) Es un isómero de la leucina. Pero se diferencia en la distribución de los átomos en la cadena lateral. Además, contiene un carbono asimétrico en configuración S. | |
| Metionina (R=CH2-CH2-S-CH3) Este tioéter presenta una partícula de azufre en su cadena lateral, el cual le confiere algunas funciones bioquímicas de enzimas. |
2. Polares
Este grupo de unidades muestra carga en su cadena lateral, y se divide en dos subgrupos:
- Sin carga. Representan a los aminoácidos que no tienen carga originalmente, aunque pueden adquirir asimetría en la disposición de las cargas. Esta condición puede estar otorgada por la presentación de un átomo de oxígeno o nitrógeno.
- Con carga. Este conjunto de aminoácidos cuenta con un grupo ácido o básico en la cadena lateral.
El cuadro que se muestra a continuación desglosa los aminoácidos pertenecientes a cada subgrupo polar.
| Aminoácidos sin carga | Aminoácidos con carga |
| Serina (R=CH2OH) Es un aminoalcohol de gran importancia, pues forma parte del centro catalítico de un gran número de enzimas. | Aspartato (R=CH2-COO–) – Este aminoácido presenta un grupo ácido en su conformación estructural. – Tiene alto poder de ionización en un pH neutro. – Participa junto al glutamato en procesos de reacciones ácido/base. |
| Treonina (R=CH(OH)-CH3) Al igual que la serina es un aminoalcohol con un centro quiral secundario en el carbono β. | Glutamato (R=CH2-CH2-COO–) – Está conformado por un grupo ácido, y se encuentra poderosamente ionizado a pH neutro. – Participa junto al aspartato en procesos de catálisis ácido/base. |
| Cisteína (R=CH2-SH) – Representa un aminoácido azufrado con un grupo tiol. – Presenta función estructural de gran importancia pues tiene la capacidad de formar puentes disulfuros (-S-S) con otros lugares de la proteína. – En su mayoría estas proteínas se encuentran en espacios extracelulares. | Lisina (R=CH2-CH2-CH2-CH2-NH3+) a arginina y la histidina. – Presenta un grupo amino en su estructura. – Es capaz de captar hidrógenos, cargándose positivamente a pH neutro, al igual que la arginina y la histidina. |
| Prolina (R*=CH2-CH2-CH2-NH2-) – En este aminoácido la cadena lateral se une desde su extremo al carbono α. Esta condición le confiere mayor rigidez. – Por su configuración es incapaz de donar hidrógenos al encontrarse enlazado a otro aminoácido. | Arginina (R=CH2-CH2-CH2-C(NH2)=NH2) Es una aminoácido con un grupo guanidina, y tiene las mismas propiedades que la lisina. |
| Asparagina (R=CH2-C(NH2)=O) Es el ácido aspártico con un grupo amida. | Histidina (R=CH2-C(NH-CH=N)-CH) – Este compuesto tiene un grupo imidazol en su estructura. – Es el catalizador ácido/base de excelencia en las enzimas, su valor de pKa cercano a 7. |
| Glutamina (R=CH2-CH2-C(NH2)=O) Es el ácido glutámico con un grupo amida. |
Los péptidos
La unión de los aminoácidos es mediante enlaces covalentes tipo amida, del grupo α-amino y un α-carboxilo. Este tipo de unión se denomina enlace peptídico, a través del cual se generan los péptidos. La siguiente ilustración representa, en forma sencilla, cómo se forman los péptidos.
Como se verá, estos se forman mediante enlaces peptídicos, uniendo la carga negativa del carboxilo con la positiva del grupo amida.
Distinciones de los péptidos
Los péptidos pueden nombrarse de acuerdo a la cantidad de unidades peptídicas que posean. Por el ensamblaje de dos aminoácidos como Gly y Ala, se forma la glicil-alanina, y se convierte en un dipéptido. Al adicionar otro aminoácido como Glu, por cualquiera de sus extremos amida o carboxilo, el macronutriente se transforma en un tripéptido.
Conforme se adicionan aminoácidos a la cadena, se libera una molécula de agua, y la fracción que se mantiene en la cadena se denomina residuo de aminoácido. Este último, permite clasificar los péptidos en oligopéptidos, cuando poseen pocos residuos de aminoácidos, y en polipéptidos si poseen más residuos que originan cadenas más largas.
Hallamos péptidos en tejidos animales como la anserina (abundante en el pescado) y la carnosina (gran porcentaje en el tejido muscular de mamíferos). Y en papas, uvas, frutos cítricos y la sangre encontramos el glutatión.
Organización estructural
La ordenación estructural adoptada por las proteínas naturales comprende diversas clases en su misma molécula. Esta condición va a definir las diversas cualidades que tenga, entre ellas inmunológicas, hormonales y enzimáticas.
Cuando estos macronutrientes pierden su organización, directamente sus propiedades cambian. Por ejemplo, la acción biológica de las enzimas, al experimentar una modificación en su entorno, se inactivan sus funciones.
Es posible estabilizar las proteínas mediante un equilibrio fisicoquímico de la estructura proteínica. Dicho equilibrio presenta cuatro niveles de organización. La estabilización es ejercida por los diversos enlaces que presentan los macronutrientes. Entre ellos se encuentran los enlaces peptídicos, interacciones electrostáticas, puentes de hidrógeno y las fuerzas de Van der Walls.
Los niveles de organización son los siguientes:
1. Estructura primaria
Corresponde al primer eslabón de organización proteínica. Es determinada por la secuencia de ADN codificado por un gen. Está representada por la unión de los aminoácidos a la cadena polipeptídica, y es únicamente controlada por los genes.
2. Estructura secundaria
Este nivel corresponde a la configuración normal y constante de las proteínas en el espacio, extendida en su propio eje. Esta es estabilizada por fuerzas electrostáticas, puentes de H+, interacciones hidrofóbicas y las dipolo-dipolo.
Se pueden presentar tres formas diferentes de estructuras secundarias. La primera son las α-hélices, que corresponden a la conformación más estable de esta estructura. La segunda es la conformación β, que es encontrada en las queratinas y la tercera es la exhibida en las hélices triple del colágeno en el tejido conectivo.
3. Estructura terciaria
Este ordenamiento describe la facultad de la cadena de polipéptidos de doblarse sobre sí misma, generando una estructura plegada y compacta. Este tipo de estructura se presenta en los péptidos globulares.
4. Estructura cuaternaria
Corresponde a los péptidos obtenidos por conjugación de dos o más cadenas polipeptídicas. Las correlaciones se consolidan mediante puentes salinos, interacciones hidrófobas, puentes de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals, y eventualmente uniones disulfuro.
Los enlaces generan la energía requerida para la estabilización de la estructura en una gran cantidad de subunidades. La hemoglobina es una representación de este tipo de estructura.
Clasificación de las proteínas en función a la solubilidad
La capacidad de solubilidad de las proteínas ha permitido categorizarlas en cuatro tipos:
- Albúminas: Son proteínas que se solubilizan en H2O a un pH de 6.6. Entre ellas se encuentran la albúmina humana, la α-lactoalbúmina y la ovoalbúmina.
- Globulinas: stas proteínas muestran solubilidad en soluciones salinas hidratadas a pH 7.0. Aquí se encuentran la β-lactoglobulina, la faseolina y la glicina.
- Glutelinas: Estas proteínas presentan solubilidad en soluciones ácidas con pH de 2.0, y alcalinas con pH de 12.0. En este grupo encontramos las glutelinas del trigo.
- Prolaminas: Son las proteínas que se solubilizan en etanol al 70%. Dentro de este grupo encontramos el gluten del maíz, la zeína, y las gliadinas del trigo.
Las enzimas
Las enzimas corresponden a aquellas proteínas con funciones biológicas catalíticas, como las de activar procesos bioquímicos a elevadas velocidades, sin consumirse durante la reacción, y con una alta especificidad.
Presentan una organización tridimensional globular, y únicamente muestran actividad cuando alcanzan una configuración espacial con disposición óptima de los aminoácidos del sitio catalítico. Son más de 3.000 tipos de reacciones bioquímicas catalizadas por enzimas, tanto en organismos unicelulares como en los pluricelulares.
Muchas enzimas están compuestas por una parte de origen proteínico llamado apoenzima y una fracción no proteica, llamada cofactor. Los cofactores pueden ser vitaminas, cationes, aniones y otros elementos orgánicos.
En la industria alimenticia se emplean en procesos de tecnología enzimática para favorecer la conservación de alimentos o sus compuestos. También, para el mejor uso de materias primas, en la optimización de la textura y sabor, además, para producir alimentos con menos calorías.
Desnaturalización de las proteínas
El proceso de desnaturalización en los macronutrientes proteínicos produce un cambio de su estructura tridimensional, que conduce a la pérdida de sus estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria. La estructura primaria no se ve afectada, pues no hay hidrólisis de los enlaces peptídicos.
Los procesos de alteración conformacional irán condicionados por el entorno que envuelve a la proteína. No obstante, se pueden inducir mediante cambios de temperatura, acción de químicos o efectos mecánicos provocados por calor o frío. También, mediante procedimientos con sustancias como la urea, cambios de pH, adición de detergentes, adición de sales, incorporación de solventes o la agitación.
En casi todos los casos la desnaturalización provoca alteración de las propiedades y función de las enzimas. Pero cuando es intencionada se busca aumentar la digestibilidad del macronutriente. En otros casos se quiere optimizar una cualidad de la proteína como en la emulsificación.
Características funcionales de las proteínas
Las cualidades de las proteínas incluyen funciones nutricionales y no nutricionales. Estas dependerán de las propiedades físicas y químicas, que sean alteradas en las diferentes etapas de elaboración del alimento. En función a sus propiedades funcionales, son ampliamente usadas como componentes en diversos alimentos, complementando el valor nutricional del mismo.
Las propiedades funcionales gelación, viscosidad y texturización, dependerán de la forma, tamaño y elasticidad molecular. La dispersabilidad, humectabilidad, espumado, solubilidad, emulsificación y combinación de sabores, dependerán de las características de superficie de esta biomolécula.
Propiedades nutricionales de las proteínas
Estos macronutrientes son esenciales en la alimentación, pues suministran aminoácidos y nitrógeno que se requieren para la síntesis proteica y otros compuestos nitrogenados. Estas moléculas se emplean para obtener energía, cuando los aportes de CHO y lípidos son pobres, y no cubren los requerimientos energéticos. También, se usan en casos de ingesta en exceso de aminoácidos.
Hay aminoácidos esenciales que son imprescindible para los adultos, y deben ser proporcionados por la dieta, ya que su síntesis en el cuerpo es muy baja. Ellos son la isoleucina, leucina, lisina, fenilalanina, metionina, valina, triptófano, treonina, además de la histidina en los niños. Los doce aminoácidos restantes son no esenciales, puesto que el cuerpo puede producirlos con eficacia.
Los principales alimentos que aportan proteínas son el huevo, la carne, la gelatina, el pescado, los lácteos, vegetales, cereales, leguminosas y la soya.
Los lípidos
Son el tercer grupo de macronutrientes con importancia nutricional, cuya terminología deriva del griego “lipos” que significa “grasa”. Los lípidos se definían inicialmente como unos compuestos insolubles en agua y solubles en sustancias orgánicas como el hexano, el éter de petróleo y el cloroformo.
La definición basada en la solubilidad involucra a compuestos como las vitaminas, terpenos, y carotenoides. Por ello, muchos autores reconocen como lípidos únicamente a las moléculas de origen real o potencial de los ácidos grasos y sustancias afines. Desde este criterio los aceites y las grasas son considerados los lípidos por excelencia.
Características de los lípidos
Entre las principales características de los macronutrientes lipídicos podemos mencionar:
La tabla siguiente resume los aportes de los lípidos desde tres puntos de importancia alimentaria.
| Aporte de los lípidos en las propiedades de los alimentos | |
| Calidad | – Aportan textura, consistencia y estructura. – Favorecen a la lubricación y saciedad al consumirlos. – Por los carotenoides aportan color. – Aportan sabor por la acción de cetonas, aldehídos y derivados carbonilos. |
| Nutrición | – Importante fuente de energía por proceso de β-oxidación. – Transporte de vitaminas liposolubles. – Son macronutrientes indispensables los ácidos grasos linoleico y linolénico. – Inducen la génesis de micelas y líquido biliar. Favorecen la absorción de vitaminas liposolubles. |
| Biológico | – Son fuente importante de vitaminas A, D, E y K. pues el colesterol es precursor de Vit D3, de corticosteroides y ácidos biliares. – Entre los componentes de las acilglucoceramidas de la piel encontramos el ácido linoleico. – El inositol favorece la síntesis de neurotransmisores. – El ácido araquidónico y los ácidos poliinsaturados son clave en la síntesis de eicosanoides. – El ácido docosahexaenoico es componente de las membranas celulares. Los fosfolípidos acetílicos favorecen a la agregación de las plaquetas |
Clasificación de los lípidos
La categorización de este macronutriente es compleja, por la gran cantidad de elementos que se incluyen. Existen diversas formas de clasificarlos, y todos se fundamentan en las particularidades físicas o químicas que tienen.
Conforme a su ordenación química
Se divide en tres grupos:
1. Lípidos simples
Representa el conjunto de grasas con amplia distribución en el medio ambiente. En este grupo encontramos a:
- Grasas y aceites: Constituidos por ésteres de glicerol conjugados a ácidos monocarboxílicos.
- Ceras: Conformados por ácidos grasos y ésteres de alcoholes monohidroxilados.
2. Lípidos compuestos
Constituyen una serie de macronutrientes conformados por una fracción lipídica y otra no lipídica, unidas por ligaduras covalentes. Además, están incluidas las lipoproteínas, quienes se encuentran enlazadas por interacciones hidrofóbicas y electrostáticas. Aquí encontramos:
3. Lípidos asociados
Este grupo alberga los lípidos que pueden o no presentar esterificación, y que no se distribuyen en ninguno de los conjuntos anteriores. Dentro de ellos encontramos:
En función a la capacidad de generar jabones
Esta clasificación incluye:
1. Saponificables
Este grupo integra lípidos que por un proceso de saponificación dan lugar a jabones o ácidos grasos. Este proceso de esterificación se realiza haciendo reaccionar los lípidos con NaOH o con KOH. En este grupo encontramos:
2. No saponificables
Aquí encontramos aquellos macronutrientes lipídicos que no generan ésteres de ácidos grasos luego de la saponificación. En ente grupo encontramos:
En función a su polaridad
Esta clasificación discrimina la presencia o ausencia de carga eléctrica y clase de polaridad en un lípido, categorizándolos en:
1. Lípidos no polares
Casi todos los lípidos son apolares, es decir, carecen de cargas eléctricas y son hidrofóbicos insolubles en agua. Dentro de este grupo encontramos el colesterol, los hidrocarburos, etc.
2. Lípidos polares
Este grupo presenta en su organización una fracción hidrófila que se orienta hacia el agua, pudiendo incluso presentar carga eléctrica. Aquí encontramos a los fosfolípidos, ácidos grasos, esfingolípidos entre otros.
De acuerdo a su origen
Esta clasificación corresponde a una subcategoría de los aceites y las grasas, que son de mucha importancia en la industria de alimentos. En función a esto encontramos:
Propiedades de los lípidos de mayor relevancia
Describiremos algunas cualidades de los lípidos, como macronutrientes de gran interés en la nutrición y en la industria de alimentos. Pues muchos actúan en mecanismos de importancia biológica y otros favorecen al mantenimiento de la calidad de los alimentos.
Ácidos grasos
Están conformados por una cadena hidrocarbonada lineal cuya longitud será proporcional al número de carbonos que posea. Estas muestran en un extremo un grupo carboxilo. Estos macronutrientes en su forma más pura se constituyen únicamente por triacilglicéridos, de los que hablaremos más adelante.
Los triacilglicéridos son prácticamente exclusivos de los mamíferos. Encontrar ácidos grasos simples es difícil y, por lo general, están esterificados. De acuerdo a esto se clasifican en:
Ácidos grasos saturados. En esta clase están los ácidos grasos que varían de 4 a 26 carbonos en su cadena. Su punto de fusión que se incrementa con el peso molecular del compuesto. El siguiente cuadro muestra los ácidos grasos saturados más frecuentemente encontrados en los alimentos:
La nomenclatura se realiza añadiendo el sufijo “oico” a la raíz griega que indica la longitud de la cadena hidrocarbonada, comenzando a enumerar desde el grupo carboxilo. Algunos ejemplos son:
CH3–CH2–CH2–COOH Ácido butírico
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH Ácido caproico
CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH Ácido caprílico
Suelen ser más estables que los insaturados ante procesos de oxidación. No obstante, al aumentar la temperatura cerca de 180 °C pueden experimentar reacciones oxidativas.
Ácidos grasos insaturados. Constituyen los ácidos grasos que presentan en su cadena hidrocarbonada dos o más dobles enlaces entre carbonos. Debido a los procesos de desaturación ocurridos en las células, se forman los ácidos grasos insaturados. Son macronutrientes con intensa reactividad química, proclives a transformaciones oxidativas, de isomerización y a la saturación.
Esta clase es abundante en líquidos oleaginosos marinos y aceites vegetales, cuya temperatura de fusión se ve reducida al aumentar las dobles ligaduras. Su nomenclatura dependerá de la cantidad de insaturaciones que posea. Entre estos existen monoinsaturados o monoenoicos con una insaturación, y con más de una se denominan polienoicos o poliinsaturados.
Para nombrarlos se indica el tamaño de la cadena, la localización y número de las dobles uniones, adicionando el sufijo “enoico”. En su forma nativa los poliinsaturados tienen los dobles enlaces no conjugados, pues se encuentran separados por un grupo metileno, como los ácidos linolénico, linoleico y araquidónico. En otros casos, hay conjugación sin grupos metilenos.
–CH=CH–CH=CH– Dobles uniones conjugadas
–CH=CH–CH2–CH=CH– Dobles uniones no conjugadas
Algunos ejemplos de insaturados se muestran en la siguiente tabla:
Isomerismos de los ácidos grasos insaturados
Las insaturaciones ocasionan dos clases de isomerismos, de acuerdo a la ubicación de los dobles enlaces. Estos son el geométrico (cis-trans) y el posicional. En su condición nativa los insaturados presentan isomerismo cis, y trans. Se hallan en lípidos comerciales y en productos provenientes de animales rumiantes como el cebo y la mantequilla.
Los isómeros trans muestran más estabilidad termodinámica que los cis, pues su configuración favorece al empaquetamiento molecular en forma de cristal similar al de los saturados. Esto influye en los puntos de fundición, haciéndolos mayores que los cis.
Acilglicéridos
Representan un grupo de macronutrientes lipídicos carentes de carga. Los mismos derivan de procesos de esterificación entre la glicerina, y entre una y tres moléculas de ácidos grasos. Las uniones de ocurren en las posiciones 1, 2 y 3 del glicerol, como se indica en la siguiente ilustración.
La numeración estereoespecífica contribuye con la nomenclatura del acilglicérido, y permite clasificarlos en monoacilglicéridos, diacilglicéridos y triacilglicéridos.
Mono y diacilglicéridos
Representan una reducida proporción de todas las grasas y los aceites. Cuando se hallan en gran proporción, provienen de la hidrólisis de los triacilglicéridos. Se consiguen naturalmente asociados a las membranas de los glóbulos de grasa. Asimismo, sus derivados son ampliamente usados como emulsionantes, ya que presentan características polares y muestran gran capacidad emulsificante.
Triacilglicéridos o triglicéridos
Como mencionamos anteriormente, son la clase de ácidos grasos más abundantes en la biósfera. Esto se debe a que representan los componentes primordiales de los aceites y las grasas. Este compuesto representa el 95% del tejido adiposo de los mamíferos.
Pueden estar en modo de triglicéridos simples, cuya nomenclatura dependerá de los ácidos grasos que lo conformen. Conjuntamente, se añade la terminación “ina” a la raíz que indica el ácido correspondiente. Un ejemplo la triestearina, que es un triglicérido compuesto únicamente por ácido esteárico.
Del mismo modo, pueden hallarse como triglicéridos mixtos, cuando poseen dos o tres ácidos grasos en su arreglo. Su nomenclatura debe indicar los ácidos grasos con terminación en “il” o “ato”. Además, hay que indicar la numeración estereoespecífica. Por ejemplo si presenta linoleico, esteárico y palmítico en situaciones 1,2, y 3 respectivamente, se nombrará así:
sn-gliceril-1-linoleato-2-estearato-3-palmitato o 1-linolil-2-estereatil-3-palmitina
Si se compone por dos ácidos iguales y uno diferente se añade el prefijo “di” y se numeran las posiciones donde se halle el ácido en cuestión. Por ejemplo, 2-palmitil-1,3-diestearina o abreviado cómo diestearopalmitina o palmitidildiestearina.
Propiedades nutricionales de los lípidos
Existe un concepto errado sobre la ingesta de grasas y aceite, que ha influenciado en reducir su inclusión en la dieta diaria. Esta idea es inadecuada. Por resto, anteriormente mencionamos la importancia de estos macronutrientes dentro de los procesos biológicos vitales de los seres vivos.
Sin embargo, estos aportan un alto grado calórico, y su ingesta excesiva conduce a problemas de obesidad, si no se realiza actividad física. Mencionaremos algunas circunstancias relacionadas al consumo de grasas en la dieta.
Conclusiones
Durante el desarrollo de este tema abordamos los aspectos más importantes de los macronutrientes. El medio ambiente es generoso y nos provee de un sinnúmero de alimentos ricos en carbohidratos, proteínas y lípidos. Estas biomoléculas son fundamentales en el aporte de energía a diversas formas de vida, desde microorganismos hasta el ser humano.
La trascendencia de los macronutrientes radica en sus significativas funciones en la integridad de las células animales y vegetales, y el transporte de sustancias. También, intervienen en procesos de síntesis proteica, regulación de sistemas metabólicos endocrinos, generación de neurotransmisores y otras funciones biológicas.
En la industria alimenticia, se han logrado grandes aportes con la aplicación de tecnología de alimentos. Ellos han permitido sacar provecho a atributos de los macronutrientes mejorando la calidad y conservación de los mismos.
Referencias:
www.academia.edu/15266741/Qu%C3%ADmica_de_los_alimentos_4ta_Edicion_badui
www.academia.edu/34496205/MACRONUTRIENTES_NUTRICION_BASICA
www.ehu.eus/biomoleculas/hc/sugar31b.htm
http://biomodel.uah.es/model6/Haworth.htm
www.hidden-nature.com/clasificacion-de-los-aminoacidos/
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