Imprescindibles... las proteínas

Las proteínas desempeñan funciones biológicas en el organismo humano,  entre las más importantes se cuentan la regeneración y la formación de tejidos, la síntesis de enzimas, anticuerpos y hormonas, y como constituyente de la sangre, forman parte del tejido conectivo y muscular de los animales y de otros sistemas regidos estructurales. 

El nitrógeno es el elemento principal de las proteínas y a ello se debe su importancia en la alimentación porque a pesar de existir una gran cantidad en nitrógeno en la Tierra, se encuentra en forma elemental en la atmósfera y no es aprovechable para llenar las necesidades biológicas del ser humano, ya que para la síntesis de sus proteínas. de ácidos nucleicos y de otras sustancias nitrogenadas degran interés sólo utiliza el nitrógeno orgánico proveniente de los polipéptidos  de la dieta. Los vegetales pueden producir estos nutrimentos a partir de moléculas sencillas, como nitrógeno inorgánico, agua y dióxido de carbono. 

Los aminoácidos

Las proteínas están formadas por aminoácidos, como su nombre lo indica, estos compuestos se caracterizan por tener en su molécula un grupo amino y un ácido carboxílico, de los cuales se conocen más de 140 que se encuentran en distintos tejidos de origen animal y vegetal, así como en los microorganismos. De todos estos, solo 20 funcionan como monómeros o constituyentes básicos de las proteínas. Los aminoácidos se unen entre si por enlaces peptídicos. La unión de los 20 aminoácidos esenciales da origen a todas las proteínas conocidas.

Clasificación de las proteínas

Existen diversos métodos para clasificar las proteínas, pero los principales se basan en cuatro criterios fundamentales: composición, forma, solubilidad y funciona biológica. 

• Composición: Estas macromoléculas pueden ser simples (homoproteínas) y conjugadas (heteroproteínas); las primeras, están compuestas exclusivamente de aminoácidos y si hidrólisis total solo produce una mezcla de éstos. Las conjugadas tiene además una fracción no proteínica llamada grupo prostético, en esta categoría están las metaloproteínas, las glucoproteínas, las fosfoproteínas, las lipoproteínas y .las nucleoproteínas.

• Forma: Todas las proteínas se pueden clasificar por su forma en globulares y fibrosas. Las globulares presentan una estructura esférica por el desdoblamiento de su cadena, en esta categoría se encuentra la mayoría de las enzimas y de los polipéptidos en reserva del tejido vegetal. Las fibrosas son aquellas que le proporcionan rigidez a los tejidos y se caracterizan por estar constituidas por varias cadenas de polímeros unidas a lo largo de un eje recto común, esta integración causa que se produzcan fibras muy estables e inertes a agentes físicos, químicos y enzimáticos; su papel biológico en el reino animal se puede comparar con el que desempeña la celulosa en los vegetales.

• Solubilidad : La solubilidad depende del tipo de aminoácidos que contenga, de tal forma que el polipéptido que tenga muchos residuos hidrófobos tenderá a ser menos soluble en agua que el que tenga un elevado número de grupos hidrófilos. Las albúminas son solubles en soluciones salinas diluidas y en agua Las globulinas son practicamente insolubles en agua pero solubles en soluciones salinas diluidas. Las histonas se caracterizan por su elevado contenido de aminoácidos básicos y por ser solubles en ácidos y en agua, tienen poca importancia en la tecnología de alimentos ya que son muy escasas. Las glutelinas son insolubles en agua, en etanol y en soluciones salinas y solo se solubilizan en ácidos  o en álcalis (pH 12); junto con las prolaminas, constituyen la mayoría de las proteínas que se encuentran en algunos granos como el trigo y el maíz. 

• Función biológica: Algunas proteínas tienen diferentes funciones, confieren rigidez a los tejidos, otros son enzimas, hormonas toxinas, anticuerpos, transportadores de oxígeno o bien sirven como reserva de nitrógeno. En general estas propiedades sólo se producen cuando las proteínas tienen su estructuras secundaria y terciaria bien definidas; cualquier modificación de éstas causa alteración o pérdida de aquellas.

Organización estructural

Estructura primaria

Esta estructura se refiere a la ordenación en que se encuentran unidos los aminoácidos en la cadena; es una propiedad controlada genéticamente, altamente reproducible y única para cada fracción. Por esta razón, se han estudiado las secuencias de estos monómeros y se ha llegado a pensar que pueden existir relaciones genéticas entre diferentes especies.

Estructura secundaria

Se refiere a la ordenación regular v periódica de las proteínas en el espacio, a lo largo de su eje o dirección, y que se estabiliza por diversas fuerzas, de las cuales las electrostáticas, los puentes de hidrógeno, las interacciones hidrófobas y las dipolo-dipolo son las más importantes. La gran mayoría de estos polímeros produce alfa hélices. Otro tipo de estructura secundaria es la conformación beta que se presenta en las queratinas y en otras proteínas clasificadas como fibrosas; en ésta, cada polímero adopta una conformación en zigzag extendida, de tal manera que pueden existir varias moléculas alineadas paralela o antiparalelamente, que producen láminas plegadas unidas transversalmente por puentes de hidrógeno intermoleculares. Un tercer tipo de estructuras secundarias se encuentra en las hélices de la colágena, proteína fibrosa del tejido conectivo que le confiere una alta rigidez y resistencia a la piel, los cartílagos, etc. de los vertebrados superiores, debido a su elevado contenido de prolina y de hidroxiprolina, no desarrolla una hélice a, sino una conformación que consiste en una triple hélice de cadenas polipeptídicas que se mantienen unidas por puentes de hidrógeno intermoleculares.

Estructura terciaria

La cadena polipeptídica se curva o se dobla tridimensionalmente para producir una estructura estrechamente plegada y compacta, característica de las proteínas globulares. A diferencia de las fibrosas que son moléculas lineales, las globulares tienen sus cadenas compactas con un alto grado de organización y presentan uniones covalentes, hidrófilas, hidrófobas y también iónicas.

Estructura cuaternaria

Esta estructura no necesariamente existe en todos los polipéptidos y se refiere a la asociación de dos o más cadenas (iguales o diferentes) a través de uniones no covalentes; pone de manifiesto la disposición en el espacio de la proteínas compuestas por más de una fracción. El caso más común y representativo de estructura cuaternaria es el de la hemoglobina, tetrámero integrado por cuatro fracciones similares a la miogiobina: dos a y dos b.

Desnaturalización de proteínas

La desnaturalización es el cambio de un estado ordenado de las moléculas a otro desordenado, se pierden las estructuras secundaria, terciaria y cuaternaria. sin que haya una hidrólisis del enlace peptídico. Cuando se lleva a cabo la desnaturalización, la proteína se desdobla, adquiere una conformación "al azar”, que depende de la intensidad del tratamiento que se le aplique, así como de las fuerzas que estabilizan su estructura; en ciertos casos este proceso es reversible. La mayoría de las proteínas globulares, incluyendo las enzimas, pierden su conformación cuando se calientan a más de 60-70ºC, y cuando se encuentran altamente desnaturalizadas tienden a la agregación, como es el caso de algunas albúminas que forman geles, pero que al aumentar la temperatura a IOOºC, precipitan. Otras condiciones que afectan a los polipéptidos en esta proceso son los esfuerzos mecánicos (homogenización, amasado y bombeo), el pH (ácido o alcalino), las sales, las bajas temperaturas y la irradiaciones.

Reserva Energética: Lípidos

Bajo la denominación de lípidos se agrupa un conjunto de sustancias químicas de diferentes estructuras. Como los hidratos de carbono, los lípidos están compuestos por C, H y O, contienen menos O que los carbohidratos y más energía almacenada. A diferencia de los demás grupos de biomoléculas, los lípidos se clasifican teniendo en cuenta su solubilidad, no tienen una única estructura elemental como los hidratos de carbono que esté presente en todos los miembros de este grupo. La característica común a todos es que son insolubles en agua como consecuencia de su carácter no polar. Además de formar parte de la reserva energética, acumulándose en el tejido adiposo, los lípidos forman parte de las membranas biológicas. En los alimentos su presencia contribuye a dar textura y palatabilidad, consistencia y estructura. El consumo de ácido linoleico y linolénico resulta indispensable para conservar la salud cardiovascular.

Clasificación de los lípidos

Una molécula típica de aceite o grasa, es una combinación de un alcohol de tres carbonos, llamado glicerol, con tres moléculas de acidos grasos. De acuerdo a su estructura y sus propiedades químicas, se clasifican en saponificables y no saponificables. Dentro del grupo de los saponificables, que pueden reaccionar con hidróxido de sodio o de potasio para formar sales, se encuentran los acilglicéridos, las ceras, los fosfoglicéridos, los glucolípidos, entre otros. Y dentro del grupo de los no saponificables, se ubican los esteroides, los terpenoides y los icosanoides.

También se pueden clasificar en lípidos simples, lípidos compuestos y lípidos asociados. Los simples son las grasas y los aceites, formados por esteres de glicerol y ácidos carboxílicos y las ceras, formadas por esteres de alcoholes y ácidos grasos.   Los compuestos, son lípidos simples conjugados con moléculas no lipídicas como los fosfolípidos, glucolípidos, lipoproteínas. Por último los asociados son los pigmentos, esteroles y vitaminas A, D, E y K. 

Los ácidos grasos

Los ácidos grasos que forman los lípidos son ácidos de cadenas largas con un número de carbonos que pueden ir desde 4, como el ácido butanoico que se encuentra en la manteca, hasta 20, como el ácido araquidónico que forma parte de la manteca de maní.  Los ácidos grasos pueden ser saturados (forman las grasas saturadas) todos los enlaces C-C son simples o no saturados, donde uno o más enlaces pueden dobles (C=C). Existe un grupo de ácidos grasos, denominados esenciales, poliinsaturados, que son imprescindibles para las funciones biológicas de los seres humanos, y que el organismo no puede sintetizar. Estos ácidos, son importantes para el desarrollo del sistema inmunológico y nervioso. Las grasas saturadas se asocian a la formación de placas, ateromas. en las arterias, cuya consecuencia es la aterosclerosis, se encuentran en casi todos los alimentos de origen animal. Son sólidas a temperatura ambiente.

Los ácidos grasos monoinsaturados poseen un solo doble enlace C=C, como el ácido oleico; lo poliinsaturados poseen dos o más dobles enlaces. El ácido linoleico presenta uno entre los carbonos 9 y 10 y otros entre los carbonos 12 y 13, por ejemplo. Son de origen vegetal, líquidos a temperatura ambiente. Mediante un proceso conocido como hidrogenación, se eliminan los dobles enlaces, lo que hace que solidifiquen formando las margarinas, con moléculas de ácidos grasos, parcialmente hidrogenados.

Contenido energético

Los lípidos son moléculas muy energéticas, cada gramo de lípido libera 9 Kcal (9000 calorías) de energía, más del doble de la energía que libera la misma cantidad de hidratos de carbono (4 Kcal).

Las grasas trans

Las grasas trans son ácidos grasos insaturados que se forman cuando los aceites vegetales se procesan y trnasforman en sólidos por hidrogenación. Proporcionan entre el 2% y el 4% de la energía de la dieta, provienen de alimentos procesados, como las margarinas y los alimentos que la contienen. Estas grasas están presentes en este tipo de alimentos porque ayudan a la fabricación, los mantienen frescos más tiempo y les dan una textura más agradable al paladar, 

El agua en los alimentos

El agua es el compuesto químico más importante del planeta, constituye del 50 al 90% de la masa de la mayoría de los organismos vivos. En muchas ocasiones debido a que no sufre cambios químicos durante su utilización biológica, no se considera como un nutriente, sin embargo sin ella no podrían llevarse a cabo las reacciones bioquímicas en nuestro organismo. Las principales funciones biológicas del agua se fundamentan en su capacidad para transportar diferentes sustancias y para disolver distintos tipos de sustancias y mantenerlas tanto en solución como en suspensión coloidal.

Distribución del agua en los alimentos

En los tejidos animal y vegetal el agua no está uniformemente distribuida debido a los complejos hidratados que se establecen con proteínas, hidratos de carbono, lípidos y otros constituyentes. En general, el contenido de humedad de un alimento se refiere a toda el agua en forma global  sin embargo en la mayoría de los productos existen zonas que no permiten su presencia. Por eso, no toda el agua de un producto tiene las mismas propiedades, y esto se puede comprobar fácilmente por las diversas temperaturas de congelamiento. 

Se emplean los términos  “agua ligada” y “agua libre”, para referirse a la forma y el estado energético que tiene en los alimentos. Se considera que el agua ligada es aquella porción que no se congela en las condiciones normales de congelamiento a –20ºC., y que el agua libre es la que se volatiliza fácilmente, se pierde en el calentamiento, se congela primero y es la principal responsable de la actividad acuosa.

Actividad del agua

El agua libre en los alimentos es la que está disponible para el crecimiento de los microorganismos o para intervenir en las transformaciones hidrolíticas, químicas, enzimáticas, etc.. El agua ligada como esta unida a la superficie sólida , no puede intervenir en estos procesos. La “actividad acuosa” (aw)   representa el grado de interacción del agua con los demás constituyentes, o la porción que está disponible en un producto para sustentar las reacciones ya mencionadas. Y teniendo en cuenta este valor se puede predecir la estabilidad de un alimento. Es una  propiedad intrínseca de cada alimento y únicamente se relaciona con el contenido de humedad global de dicho alimento por medio de las llamadas curvas o isotermas de adsorción y desorción. No hay que confundir la actividad acuosa con el contenido de agua ya que la relación no es lineal y por ende

no significan lo mismo.

En general, las tablas informan que las frutas tienen un valor promedio de  0.983, las hortalizas de 0.985 y la carne de 0.990, los productos deshidratados van de aproximadamente 0.4 a 0.6, mientras que los llamados alimentos de humedad intermedia se ubican entre estos dos grupos extremos. Los enlatados también presentan valores elevados, normalmente en el intervalo de 0.950 a 0.984. La actividad acuosa, junto con la temperatura, el pH y el oxígeno son los factores que más influyen en la estabilidad de los productos alimenticios. 

Alimentos de humedad intermedia

Son aquellos que pueden consumirse sin necesidad de rehidratarlos para su consumo o refrigerarlos para su conservación; tienen un grado de humedad alto, no causan una sensación de sequedad, pero lo suficientemente bajo como para no requerir refrigeración. Su actividad acuosa se ubica entre 0,65 y 0, 90 y su contenido de agua de 25 a 50% (base húmeda). De todos modos, esta actividad impide el crecimiento de bacterias, pero no de hongos y levaduras, por eso se añaden aditivos conservantes para estos microorganismos..

Se pueden realizar diferentes mecanismos para la reducción del agua,  entre ellos se encuentra la desorción, que se usa por ejemplo en la concentración por evaporación en la elaboración de dulces, jaleas, sopas , etc.  La adsorción se produce cuando se agregan solutos de bajo peso molecular que tienen la propiedad de reducir la aw; por ejemplo azucar, sal , alcoholes y ácidos.

Congelamiento de los alimentos

La reducción de temperatura de un alimento provoca la inhibición de un gran número de reacciones químicas y enzimáticas, así como la reducción del desarrollo microbiano; Pero debido a que los alimentos tienen disueltas muchas sustancias de bajo peso molecular, como sales y azúcares, presentan zonas , que debido al descenso crioscópico, tienen una temperatura de congelación mucho más baja, por eso no todo el agua se convierte en hielo. La velocidad de congelamiento es un factor determinante en la formación y localización de los cristales de hielo; El congelamiento lento es más dañino que el rápido ya que afecta más la membrana celular  y además establece cristales intercelulares que tienen la capacidad de unir las células e integrar grandes agregados.

Pueden ver los gráficos y las tablas en el siguiente enlace: Actividad del Agua

Cuestionario Guía de Estudio: El agua en los alimentos

Propiedades Físicoquímicas del Agua

Entre las principales propiedades fisicoquímicas del agua encontramos las siguientes:

1. Alta capacidad de formar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua, así como con otras moléculas que contengan átomos altamente electronegativos.
2. Alto valor de su calor específico (4.184 kj/kgºK o 1.0 cal/g ºC, a 20ºC), que es uno de los más elevados, cuando se suministra energía térmica a los líquidos en los que no existen puentes de hidrógeno, la cinética de las moléculas aumenta, y por tanto, la temperatura; en el caso del agua, parte de esta energía se usa principalmente para romper dichas uniones, de allí que se requiera una mayor cantidad de calor para incrementar la temperatura. 
3. Calor de vaporización,  es una medida directa de la cantidad de energía requerida para romper las fuerzas de atracción en un líquido, de tal manera que las moléculas, en forma individual, puedan escapar de la fase liquida y pasar a la gaseosa. Para el agua el calor de vaporización a 100ºC es de 538.7 cal/g (40.63 kj/mol o 9.70 Kcal/mol), muy superior al de muchos compuestos, lo que indica el alto grado de interacción de sus moléculas. 
4. Elevado momento eléctrico dipolar, razón por la cual, es el disolvente universal. El agua también disuelve diversas sustancias no iónicas pero con carácter polar, como azúcares y  alcoholes  en la soluciones, la concentración del agua es muy superior a la del soluto; sin embargo, cuando hay poca agua, las sustancias no se disuelven, solamente se hidratan, y forman fluidos muy viscosos o geles.

Propiedades de las soluciones:

Pocos materiales son sustancias puras, la mayor parte como ya sabemos, son mezclas y gran parte de ellas son homogéneas. Son las denominadas soluciones, en donde uno de los componentes se encuentra en mayor proporción, el solvente y otro en menor proporción, el soluto. Pueden ser sólidas (aleaciones), gaseosas (como el aire) o líquidas. El estado de la solución, lo determina el estado de su componente principal, el disolvente.

Propiedades Coligativas

Muchas de las propiedades de las soluciones dependen del número de partículas de soluto en la solución y no de la naturaleza de las partículas del soluto. Estas propiedades se denominan propiedades coligativas porque tienen un mismo origen; todas dependen del número de partículas sean átomos, moléculas o iones.

1. Disminución de la presión de vapor

Si un soluto es no volátil la presión de vapor de su disolución es menor que la del disolvente puro. Esto significa que la relación entre la presión de vapor y presión de vapor del disolvente depende de la concentración del soluto en la disolución. 

2. Ascenso ebulloscópico: elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala a la presión atmosférica externa. La adición de un soluto no volátil disminuye la presión de vapor de la solución, por lo tanto a cualquier temperatura dada, la presión de vapor de la solución es más baja que la del agua pura líquida. Si tenemos en cuenta que el punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a 1 atm., al punto de ebullición normal del agua líquida (100 °C), la presión de vapor de la solución será menor de 1 atm, entonces se necesita una temperatura más elevada para lograr alcanzar una presión de vapor de 1 atm. Por lo tanto, el punto de ebullición es mayor que el del agua líquida. Este incremento del punto de ebullición es directamente proporcional al número de partículas de soluto. 

3. Descenso crioscópico: reducción del punto de congelación

La presión de vapor en una solución es más baja que en el agua pura,  esto también afecta el punto de congelamiento de la solución, porque cuando se congela, los cristales del solvente puro generalmente se separan y las moléculas de soluto no son solubles en la fase sólida. Como el punto triple de la temperatura de la solución es más bajo que el del líquido puro, el punto de congelamiento de la solución también será más bajo que el del agua líquida pura.

Simulación interactiva propiedades coligativas

4. Presión osmótica y Ósmosis

Las membranas biológicas y algunos materiales sintéticos como el celofán tienen la característica de ser semipermeables, esto es, cuando se ponen en contacto con una solución,  permiten el paso de algunas moléculas pero no de otras. Casi siempre, pasan las moléculas pequeñas de solvente como el agua pero no los solutos más grandes o iones. El carácter semipermeable, se debe a la red de poros diminutos de la membrana. Si solo el solvente puede pasar a través de la membrana, cuando está colocada entre dos soluciones de diferente concentración, las moléculas de solvente se moverán en ambas direcciones a través de la membrana.  Si una de las soluciones es más  concentrada y la otra menos, el solvente se moverá desde la menor a la mayor concentración. Este proceso se llama ósmosis. La presión que evita la ósmosis se conoce como presión osmótica de la solución. 

El agua y el puente hidrógeno: La unión más allá de las moléculas

Hay dos tipos de enlace covalente, el no polar y el polar surgido como consecuencia de la electronegatividad de los átomos que conforman la unión. Recuerden que electronegatividad es la capacidad de atraer electrones compartidos en el enlace. El estudio de las moléculas se realiza en general teniendo en cuenta la teoría de la  repulsión de electrones de valencia (TREPEV), en donde se analizan las estructuras planares ( todos los átomos en un mismo plano) y las no planares (átomos no ubicados en un mismo plano), esta teoría explica los comportamientos que surgen de las estructuras tridimensionales.

¿Qué sucede con el agua? 

Es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Cada átomo de hidrógeno posee un electrón y el átomo de oxígeno presenta en su último nivel de energía seis. Como tiene seis electrones, según la teoría del octeto, deberá recibir dos, para completarlo. La unión  que resulta del oxígeno y el  hidrógeno es covalente pero no pura sino polar. Su estructura espacial puede semejarse a un  tetraedro.  

La propiedad  de presentar una clara diferenciación de cargas positivas cerca de los átomos de hidrógeno y negativa sobre el átomo de oxígeno, le permite a la molécula de agua interactuar con moléculas que presenten las mismas características(diferenciación de cargas eléctricas o presencia de dipolos). La más importante de estas uniones intermoleculares que condicionan el comportamiento de los alimentos es la llamada “unión puente de hidrógeno”

Puente de Hidrógeno

No es un enlace químico propiamente, sino una atracción electrostática que se produce cuando dos átomos negativos de compuestos polares (por ej. nitrógeno, oxígeno, cloro), se vinculan mediante uno de hidrógeno,

que ya está unido, químicamente, a alguno de ellos. Es una atracción  muy débil si se la compara con el enlace covalente. El número de estas uniones como la longitud del puente de hidrógeno entre moléculas vecinas se ven afectados por la temperatura del sistema. Las temperaturas bajas favorecen la formación de puentes de hidrógeno, mientras que las altas los destruyen.

Debido a esta diferencia de cargas, el agua tiene dos sitios receptores y dos donadores de electrones, por lo que la formación de puente de hidrógeno crea grandes estructuras tridimensionales estables en el hielo y en el agua líquida, responsables de sus propiedades físicas tan particulares como la menor densidad del hielo  que la del agua líquida.