1 Composición Química de los alimentos

Introducción a la Composición de los Alimentos

Presentación del Seminario

• Lorena Balance, docente de química biológica, introduce el seminario sobre la composición de los alimentos. Se recomienda el libro de Antonio Blanco y el de Feduchi como bibliografía esencial para el estudio.

Material Complementario

• El material presentado no sustituye la bibliografía recomendada, sino que actúa como una herramienta adicional para el aprendizaje en química biológica.

Composición Química de los Alimentos

Nutrientes Esenciales

• Los alimentos están compuestos por proteínas, hidratos de carbono, lípidos, vitaminas y minerales. Se abordará su digestión y absorción desde un enfoque químico.

Estructura Intestinal

• Se mencionan las vellosidades intestinales y las células absortivas (enterocitos) que son clave en la absorción de nutrientes a nivel mucoso intestinal. Estas células tienen microvellosidades que aumentan su superficie absorbente.

Hidratos de Carbono: Clasificación y Funciones

Definición Química

• Los hidratos de carbono se componen principalmente de carbono, hidrógeno y oxígeno; se clasifican como monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos según su complejidad molecular. Son fundamentales en la dieta humana al proporcionar entre 50% y 60% del total calórico ingerido.

Tipos de Hidratos

• Monosacáridos: Unidades simples con un solo grupo funcional.

• Oligosacáridos: Formados por 2 a 10 monosacáridos; solubles en agua.

• Polisacáridos: Cadenas largas formadas por múltiples monosacáridos; pueden ser solubles o insolubles en agua.

Estructura Molecular de los Monosacáridos

Nomenclatura

• Los monosacáridos se identifican con el sufijo "osa", dependiendo del número de carbonos (triosas, tetrosas, pentosas). La función química también influye en su denominación (aldohexosas vs cetopentosas).

Isomería Óptica

• Existen isómeros ópticos debido a la presencia de carbonos asimétricos; uno rota la luz polarizada hacia la derecha (D) y otro hacia la izquierda (L). Ambos son imágenes especulares entre sí.

Interacciones Químicas en Hidratos de Carbono

Formación Cíclica

Estructura y Función de los Monosacáridos

Representación de la Glucosa

• La glucosa puede representarse en dos formas: alfa y beta, dependiendo de la posición del hidroxilo en el carbono uno. En la forma alfa, el hidroxilo está hacia abajo; en la beta, hacia arriba.

• El carbono uno de las estructuras cíclicas tiene una función aldehído potencial, lo que le confiere capacidad reductora a ciertos azúcares.

Estructuras Cíclicas

• La glucosa se compone de seis átomos de carbono con un grupo aldehído en el carbono 1. Al formar su estructura cíclica, se une el hidroxilo del carbono 5 al carbono 1.

• Esta unión da lugar a un ciclo pirano, donde el hidroxilo del carbono 3 se representa hacia arriba.

Variantes de la Glucosa

• La manosa es un isómero de la glucosa que difiere en el carbono 2; sus carbonos 2 y 3 tienen el hidroxilo hacia arriba.

• La galactosa también es un isómero que varía en la configuración del carbono 4, mostrando similitudes estructurales con manosa y glucosa.

Fructosa y Su Estructura

• La fructosa es un cetósido (cetohexosa), con un grupo cetona ubicado en el carbono 2. Su estructura cíclica forma un anillo pentagonal conocido como ciclo furano.

• Las configuraciones alfa y beta también son posibles para la fructosa en su forma cíclica.

Disacáridos Importantes

• La maltosa se forma por la unión de dos moléculas de glucosa mediante una unión alfa (1→4), perdiendo una molécula de agua durante este proceso.

• La lactosa está compuesta por galactosa y glucosa, conectadas por una unión beta (1→4), lo que permite que sea un compuesto reductor.

Polisacáridos

• Los polisacáridos están formados por diez o más monosacáridos. Pueden ser homopolisacáridos (un solo tipo de monosacárido) o heteropolisacáridos (más de una clase).

Estructura y Función de los Polisacáridos

Amilopectina y Amilosa

• La amilopectina está formada por moléculas de glucosa unidas por enlaces alfa 1,4, creando una estructura helicoidal. Constituye el 80% del almidón.

• La amilopectina tiene un mayor tamaño molecular que la amilosa, con polímeros de aproximadamente 600 mil glucosas. Presenta ramificaciones formadas por enlaces alfa 1,6.

Comparación con Glucógeno

• El glucógeno es el principal polisacárido de reserva en células animales, similar a la amilopectina pero con más ramificaciones y una estructura más compacta debido a su proximidad entre ellas.

• Las ramificaciones en el glucógeno están separadas por menos de 10 unidades de glucosa, lo que contribuye a su alta masa molecular.

Celulosa y sus Características

• La celulosa tiene funciones estructurales en las plantas y está compuesta por glucosas unidas por enlaces beta 1,4. Esto forma estructuras lineales que no pueden ser digeridas por humanos.

• Debido a la naturaleza de sus enlaces beta, la celulosa no puede ser utilizada como nutriente; se considera fibra alimentaria.

Digestión de Hidratos de Carbono

• En la boca, el almidón es atacado por la enzima amilasa salival que corta los enlaces alfa 1,4. En el intestino delgado, actúa la amilasa pancreática para continuar esta digestión.

Absorción Intestinal

• Solo los monosacáridos son absorbidos en las células intestinales. La glucosa y galactosa utilizan un sistema de transporte activo dependiente de sodio para ingresar a las células.

Lípidos: Componentes Esenciales para la Vida

Importancia de los Lípidos

• Los lípidos son fundamentales y esenciales para los seres vivos, constituyendo uno de los componentes más importantes en las membranas celulares.

• Actúan como una importante reserva energética debido a su alto contenido calórico y son cruciales desde el punto de vista nutritivo.

Clasificación de Lípidos

• Se clasifican en lípidos simples y complejos.

• Lípidos Simples: Incluyen triglicéridos y ceras.

• Lípidos Complejos: Comprenden fosfolípidos, glicolípidos y lipoproteínas.

Estructura de Ácidos Grasos

• Los ácidos grasos son estructuras mono carboxílicas que forman parte de todos los lípidos, con un número par de carbonos (de 4 a 26).

• Pueden ser saturados (con enlaces simples entre carbonos) o insaturados (con uno o más dobles enlaces).

Tipos de Ácidos Grasos

• Los ácidos grasos se clasifican según su grado de saturación:

• Monoinsaturados: Un único doble enlace.

• Poliinsaturados: Más de un doble enlace.

Numeración y Nomenclatura

• La numeración comienza desde el carbono que tiene la función carboxilo (carbono 1), utilizando letras griegas para designar otros carbonos adyacentes.

• Se pueden denominar con el sufijo "-oico" al agregarlo al hidrocarburo del cual derivan.

Propiedades Físicas

• La solubilidad depende del grupo polar hidrofílico y del largo de la cadena carbonada; cadenas largas son menos solubles en agua.

• El punto de fusión aumenta con la longitud de la cadena; ácidos grasos saturados tienden a ser sólidos a temperatura ambiente.

Configuración Geométrica

• Los ácidos grasos saturados tienen una conformación lineal, mientras que los insaturados presentan isomería geométrica cis o trans debido a sus dobles enlaces.

Propiedades de los Ácidos Grasos y su Digestión

Interacciones Hidrofóbicas y Estabilidad

• Se observan múltiples interacciones hidrofóbicas en el panel step, donde la presencia de dobles enlaces o ácidos grasos insaturados afecta la estabilidad del empaquetamiento comparado con los ácidos grasos saturados.

Propiedades del Grupo Carboxilo

• Las propiedades que dependen del grupo carboxilo incluyen el carácter ácido, que se ve afectado por el número de carbonos en la molécula; a medida que aumenta este número, disminuye el carácter ácido.

Solubilidad y Formación de Ésteres

• La solubilidad también disminuye con un mayor número de carbonos. Además, se menciona cómo se forman jabones al reemplazar el hidrógeno del grupo carboxilo por un metal y cómo los ácidos grasos reaccionan con alcoholes para formar ésteres.

Oxidación e Hidrogenación

• Los ácidos grasos no saturados son más susceptibles a la oxidación. En contraste, los ácidos grasos saturados son más útiles en la industria debido a su capacidad para ser hidrogenados.

Estructura de Glicerol y Ácidos Grasos

• La unión entre glicerol y ácidos grasos forma estructuras como monoacilgliceroles y diacilgliceroles. Dependiendo de si los ácidos grasos son iguales o diferentes, se clasifican como simétricos o asimétricos.

Digestión y Absorción de Lípidos

Importancia del Colesterol

• El colesterol es un esterol clave en tejidos animales, esencial para la fisiología. Su estructura incluye grupos metilos específicos y un doble enlace característico entre ciertos carbonos.

Proceso Digestivo en Intestinos

• La digestión lipídica no requiere hidrólisis total para absorber grasas neutras; estas se degradan principalmente a monoacilgliceroles antes de ingresar al intestino.

Acción Enzimática en Hidrólisis

• La lipasa pancreática juega un papel crucial en la hidrólisis lipídica, actuando sobre las uniones relacionadas con carbonos primarios del glicerol para producir productos finales como colesterol y ácidos grasos libres.

Absorción Final de Lípidos

• Los productos finales como monosacáridos, ácidos grasos largos y vitaminas liposolubles son absorbidos eficientemente a través de las membranas intestinales gracias a sistemas específicos de transporte proteico.

Procesamiento Postabsorción

Síntesis y Absorción de Lípidos y Proteínas

Mecanismos de absorción de lípidos

• Los lípidos se difunden pasivamente a través de las membranas, ingresando a los capilares del sistema porta en fragmentos, no solo como una ruta de absorción.

• La activación de ácidos grasos requiere coenzima A mediante la acción de quinasa en presencia de ATP, que es degradado por fosfato inorgánico.

• Se sintetizan triacilgliceroles y otros compuestos como esteroles y fosfolípidos; estos se combinan con colesterol, proteínas y forman partículas llamadas quilomicrones.

• Más del 70% de los lípidos absorbidos por la mucosa intestinal siguen la vía linfática hacia el sistema circulatorio.

Estructura y Clasificación de Proteínas

• Las proteínas están formadas por aminoácidos que contienen un carbono alfa, un grupo carboxilo, un grupo amina y una cadena lateral específica para cada aminoácido.

• Los aminoácidos se clasifican en esenciales (no sintetizados por el organismo) y no esenciales; algunos son esenciales solo durante períodos de crecimiento rápido.

Aminoácidos Esenciales

• Ejemplos incluyen leucina, isoleucina, valina, triptófano, fenilalanina y metionina. Su clasificación depende del contexto fisiológico del organismo.

Clasificación Química de Aminoácidos

• Los aminoácidos pueden ser alifáticos o aromáticos; la glicina es única porque su carbono alfa no está saturado por cuatro grupos diferentes.

• Aminoácidos alifáticos neutros tienen cadenas carbonadas sin carga; ejemplos incluyen alanina e isoleucina.

Características Especiales en Aminoácidos

• Algunos aminoácidos presentan grupos funcionales que les confieren polaridad; serina tiene un grupo hidroxilo que lo hace polar mientras que otros son no polares como triptófano.

• La metionina es no polar debido a su estructura simple mientras que cisteína es polar gracias a su grupo sulfhídrico.

Aminoácidos Básicos y Ácidos

• Los aminoácidos básicos como arginina tienen carga positiva a pH celular normal. Por otro lado, los ácidos glutámico y aspártico pueden liberar protones adquiriendo carga negativa.

¿Cómo se forman las proteínas y cuál es su función?

Formación de aminoácidos y uniones

• La unión entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el nitrógeno del grupo amina de otro forma enlaces covalentes, conocidos como uniones peptídicas, mediante la eliminación de una molécula de agua.

• La combinación de dos aminoácidos genera un dipéptido, mientras que varios aminoácidos unidos forman polipéptidos, definidos como cadenas con más de 10 aminoácidos. Cuando superan los 6000 daltons, se consideran proteínas.

Estructura y funciones de las proteínas

• Las proteínas son macromoléculas con alto peso molecular que desempeñan roles cruciales en el organismo, incluyendo enzimas, hormonas y anticuerpos. Ejemplos incluyen hemoglobina y colágeno.

• Están compuestas por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y a menudo azufre; tienen funciones fisiológicas esenciales como la transmisión nerviosa y la regulación hormonal.

Estructuras proteicas

• Las proteínas presentan cuatro niveles estructurales:

• Primaria: secuencia de aminoácidos.

• Secundaria: disposición espacial (hélices alfa o láminas beta).

• Terciaria: forma final determinada por interacciones débiles.

• Cuaternaria: asociación de múltiples subunidades.

• Las interacciones que estabilizan la estructura terciaria incluyen puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y electrostáticas. Estas determinan la conformación final de la proteína.

Tipos de proteínas

• Se diferencian entre:

• Proteínas globulares, como la lisozima (conformación compacta).

• Proteínas fibrilares, como el colágeno (estructura alargada). Estas diferencias dependen principalmente de su estructura terciaria.

Digestión y absorción de proteínas

• La digestión comienza en la saliva con enzimas proteolíticas; en el estómago se activa el pepsinógeno para iniciar la hidrólisis proteica. En el duodeno intervienen otras enzimas pancreáticas para continuar este proceso hasta descomponer las proteínas en aminoácidos libres o péptidos pequeños.

Absorción de Nutrientes y Vitaminas

Proteasas Pancreáticas y Transporte de Aminoácidos

• Las proteasas pancreáticas específicas generan péptidos pequeños, péptidos más grandes y aminoácidos libres, que son transportados por transportadores específicos en la membrana plasmática de los enterocitos.

• Otros transportadores en las microvellosidades facilitan la absorción de estos péptidos pequeños, permitiendo su incorporación al interior celular.

Importancia de las Vitaminas

• Las vitaminas son compuestos orgánicos esenciales presentes en pequeñas concentraciones en los alimentos naturales; su déficit puede causar avitaminosis.

• Se clasifican en liposolubles (A, D, E, K) e hidrosolubles (complejo B y C), cada una con funciones biológicas específicas.

Vitamina A: Fuentes y Absorción

• La vitamina A es un alcohol superior soluble en grasas; se encuentra en espinacas, zanahorias y otros vegetales. Necesita ser emulsionada por sales biliares para su absorción.

• El retinol se degrada a ácidos grasos antes de ser absorbido por los enterocitos; luego se transporta a través del sistema linfático.

Metabolismo de la Vitamina D

• La síntesis de la vitamina D implica pasos hepáticos y renales para su activación; es crucial para la absorción intestinal del calcio.

• Niveles bajos de vitamina D están asociados con diversas patologías fisiopatológicas.

Funciones y Fuentes de Otras Vitaminas Liposolubles

• La vitamina E tiene propiedades inmunomoduladoras importantes para el sistema inmunológico; se encuentra en aceites vegetales y hojas verdes.

• La vitamina K es esencial para la coagulación sanguínea; sus fuentes incluyen vegetales verdes y es sintetizada por bacterias intestinales.

Coagulación Sanguínea y Deficiencia de Vitamina K

• La vitamina K participa en la producción de factores clave para la coagulación como protrombina. Su deficiencia afecta negativamente este proceso vital.

Vitaminas y Minerales: Importancia y Funciones

Vitaminas del Complejo B

• La tiamina (vitamina B1) es una vitamina hidrosoluble, ampliamente distribuida en fuentes naturales, que se absorbe fácilmente a nivel intestinal.

• En presencia de magnesio, la tiamina forma pirofosfato de tiamina, esencial para el metabolismo oxidativo de ácidos y carbohidratos.

• La vitamina B6 está presente en carnes, huevos y vegetales; su función principal es participar en la constitución de coenzimas necesarias para diversas reacciones metabólicas.

• La vitamina B12 es crucial para convertir homocisteína en metionina; su deficiencia puede llevar a anemia megaloblástica y acumulación de homocisteína.

• La absorción de vitamina B12 depende del factor intrínseco producido por células parietales gástricas; se almacena principalmente en el hígado.

Funciones Esenciales de Minerales

• Los minerales son regulados por hormonas y vitaminas específicas; su déficit puede afectar gravemente la salud.

• El metabolismo del calcio y fósforo está regulado por hormonas como la paratohormona y la vitamina D, esenciales para la formación ósea.

• El sodio regula el equilibrio hídrico corporal y el funcionamiento del sistema nervioso central; sus niveles son controlados principalmente por los riñones.

• El péptido natriurético atrial también influye en los niveles de sodio, mientras que el potasio está relacionado con los niveles de aldosterona.