Polisacárido
Polímeros de carbohidratos largos como almidón, glucógeno, celulosa y quitina.
Estructura 3D de la celulosa , un polisacárido beta-glucano
La amilosa es un polímero lineal de glucosa unido principalmente mediante enlaces α(1→4). Puede estar formada por varios miles de unidades de glucosa. Es uno de los dos componentes del almidón , el otro es la amilopectina .

Los polisacáridos ( / ˌpɒliˈsækəraɪd / ) , o policarbohidratos , son los carbohidratos más abundantes que se encuentran en los alimentos . Son carbohidratos poliméricos de cadena larga compuestos por unidades de monosacáridos unidas entre sí por enlaces glucosídicos . Este carbohidrato puede reaccionar con agua ( hidrólisis ) utilizando enzimas amilasas como catalizador , lo que produce azúcares constituyentes (monosacáridos u oligosacáridos ). Varían en estructura desde lineales a altamente ramificados. Los ejemplos incluyen polisacáridos de almacenamiento como almidón , glucógeno y galactógeno y polisacáridos estructurales como hemicelulosa y quitina .

Los polisacáridos suelen ser bastante heterogéneos y contienen ligeras modificaciones de la unidad repetitiva. Dependiendo de la estructura, estas macromoléculas pueden tener propiedades distintas a las de sus bloques de construcción monosacáridos. Pueden ser amorfos o incluso insolubles en agua. [1]

Cuando todos los monosacáridos de un polisacárido son del mismo tipo, el polisacárido se denomina homopolisacárido u homoglicano, pero cuando hay más de un tipo de monosacárido, se denomina heteropolisacárido o heteroglicano . [2] [3]

Los sacáridos naturales generalmente están compuestos de carbohidratos simples llamados monosacáridos con fórmula general (CH 2 O) n donde n es tres o más. Ejemplos de monosacáridos son glucosa , fructosa y gliceraldehído . [4] Los polisacáridos, por su parte, tienen una fórmula general de C x (H 2 O) y donde x e y son generalmente números grandes entre 200 y 2500. Cuando las unidades repetidas en la cadena principal del polímero son monosacáridos de seis carbonos , como suele ser el caso, la fórmula general se simplifica a (C 6 H 10 O 5 ) n , donde típicamente 40 ≤ n ≤ 3000 .

Como regla general, los polisacáridos contienen más de diez unidades de monosacáridos, mientras que los oligosacáridos contienen de tres a diez unidades de monosacáridos, pero el límite preciso varía un poco según la convención. Los polisacáridos son una clase importante de polímeros biológicos . Su función en los organismos vivos suele estar relacionada con la estructura o el almacenamiento. El almidón (un polímero de glucosa) se utiliza como polisacárido de almacenamiento en las plantas, y se encuentra en forma de amilosa y de amilopectina ramificada . En los animales, el polímero de glucosa estructuralmente similar es el glucógeno , más densamente ramificado , a veces llamado "almidón animal". Las propiedades del glucógeno permiten que se metabolice más rápidamente, lo que se adapta a la vida activa de los animales en movimiento. En las bacterias , desempeñan un papel importante en la multicelularidad bacteriana. [5]

La celulosa y la quitina son ejemplos de polisacáridos estructurales. La celulosa se utiliza en las paredes celulares de las plantas y otros organismos y se dice que es la molécula orgánica más abundante en la Tierra. [6] Tiene muchos usos, como un papel importante en las industrias papelera y textil, y se utiliza como materia prima para la producción de rayón (a través del proceso de viscosa ), acetato de celulosa, celuloide y nitrocelulosa. La quitina tiene una estructura similar pero tiene ramas laterales que contienen nitrógeno , lo que aumenta su resistencia. Se encuentra en los exoesqueletos de los artrópodos y en las paredes celulares de algunos hongos . También tiene múltiples usos, incluidos los hilos quirúrgicos . Los polisacáridos también incluyen calosa o laminarina , crisolaminarina , xilano , arabinoxilano , manano , fucoidano y galactomanano .

Función

Estructura

Los polisacáridos son fuentes comunes de energía. Muchos organismos pueden descomponer fácilmente los almidones en glucosa; sin embargo, la mayoría de los organismos no pueden metabolizar la celulosa u otros polisacáridos como la celulosa , la quitina y los arabinoxilanos . Algunas bacterias y protistas pueden metabolizar estos tipos de carbohidratos. Los rumiantes y las termitas , por ejemplo, utilizan microorganismos para procesar la celulosa. [7]

Aunque estos polisacáridos complejos no son muy digeribles, proporcionan elementos dietéticos importantes para los humanos. Llamados fibra dietética , estos carbohidratos mejoran la digestión. La acción principal de la fibra dietética es cambiar la naturaleza del contenido del tracto gastrointestinal y cómo se absorben otros nutrientes y sustancias químicas. [8] [9] La fibra soluble se une a los ácidos biliares en el intestino delgado, lo que hace que sea menos probable que entren en el cuerpo; esto, a su vez, reduce los niveles de colesterol en la sangre. [10] La fibra soluble también atenúa la absorción de azúcar, reduce la respuesta del azúcar después de comer, normaliza los niveles de lípidos en la sangre y, una vez fermentada en el colon, produce ácidos grasos de cadena corta como subproductos con actividades fisiológicas de amplio alcance (discusión a continuación). Aunque la fibra insoluble está asociada con un menor riesgo de diabetes, se desconoce el mecanismo por el cual esto ocurre. [11]

Aunque la fibra dietética no se ha propuesto formalmente como un macronutriente esencial (hasta 2005), se considera importante para la dieta y las autoridades reguladoras de muchos países desarrollados recomiendan aumentar la ingesta de fibra. [8] [9] [12] [13]

Polisacáridos de almacenamiento

Almidón

El almidón es un polímero de glucosa en el que las unidades de glucopiranosa están unidas por enlaces alfa . Está formado por una mezcla de amilosa (15-20%) y amilopectina (80-85%). La amilosa consiste en una cadena lineal de varios cientos de moléculas de glucosa, y la amilopectina es una molécula ramificada formada por varios miles de unidades de glucosa (cada cadena de 24-30 unidades de glucosa es una unidad de amilopectina). Los almidones son insolubles en agua . Se pueden digerir rompiendo los enlaces alfa (enlaces glucosídicos). Tanto los humanos como otros animales tienen amilasas para poder digerir los almidones. La patata , el arroz , el trigo y el maíz son las principales fuentes de almidón en la dieta humana. Las formaciones de almidones son las formas en que las plantas almacenan la glucosa . [14]

Glucógeno

El glucógeno sirve como reserva de energía secundaria a largo plazo en las células animales y fúngicas , y las reservas de energía primarias se encuentran en el tejido adiposo . El glucógeno se produce principalmente en el hígado y los músculos , pero también puede producirse mediante glucogénesis en el cerebro y el estómago . [15]

El glucógeno es análogo al almidón , un polímero de glucosa en las plantas , y a veces se lo denomina almidón animal , [16] que tiene una estructura similar a la amilopectina pero más extensamente ramificado y compacto que el almidón. El glucógeno es un polímero de enlaces glucosídicos α(1→4) unidos con ramificaciones α(1→6). El glucógeno se encuentra en forma de gránulos en el citosol /citoplasma en muchos tipos de células y juega un papel importante en el ciclo de la glucosa . El glucógeno forma una reserva de energía que se puede movilizar rápidamente para satisfacer una necesidad repentina de glucosa, pero que es menos compacta y está disponible de manera más inmediata como reserva de energía que los triglicéridos (lípidos). [ cita requerida ]

En los hepatocitos del hígado , el glucógeno puede representar hasta el 8 por ciento (100-120 gramos en un adulto) del peso fresco poco después de una comida. [17] Solo el glucógeno almacenado en el hígado puede hacerse accesible a otros órganos. En los músculos , el glucógeno se encuentra en una concentración baja del uno al dos por ciento de la masa muscular. La cantidad de glucógeno almacenado en el cuerpo, especialmente dentro de los músculos , el hígado y los glóbulos rojos [18] [19] [20], varía con la actividad física, la tasa metabólica basal y los hábitos alimenticios como el ayuno intermitente . Se encuentran pequeñas cantidades de glucógeno en los riñones e incluso cantidades más pequeñas en ciertas células gliales del cerebro y en los glóbulos blancos . El útero también almacena glucógeno durante el embarazo para nutrir al embrión. [17]

El glucógeno está compuesto por una cadena ramificada de residuos de glucosa. Se almacena principalmente en el hígado y los músculos. [21]

  • Es una reserva de energía para los animales.
  • Es la principal forma de carbohidrato almacenada en los organismos animales.
  • Es insoluble en agua. Se torna marrón rojizo cuando se mezcla con yodo.
  • También produce glucosa por hidrólisis .
  • Vista esquemática en sección transversal en 2D del glucógeno. Una proteína central de glucogenina está rodeada por ramificaciones de unidades de glucosa. El gránulo globular entero puede contener aproximadamente 30.000 unidades de glucosa.[22]
    Vista esquemática en sección transversal en 2D del glucógeno. Una proteína central de glucogenina está rodeada por ramificaciones de unidades de glucosa . El gránulo globular completo puede contener aproximadamente 30.000 unidades de glucosa. [22]
  • Una vista de la estructura atómica de una sola cadena ramificada de unidades de glucosa en una molécula de glucógeno.
    Una vista de la estructura atómica de una sola cadena ramificada de unidades de glucosa en una molécula de glucógeno .

Galactógeno

El galactógeno es un polisacárido de galactosa que funciona como reserva de energía en caracoles pulmonados y algunos Caenogastropoda . [23] Este polisacárido es exclusivo de la reproducción y solo se encuentra en la glándula albúmina del sistema reproductor del caracol hembra y en el líquido perivitelino de los huevos. [24] Además, el galactógeno sirve como reserva de energía para el desarrollo de embriones y crías, que luego es reemplazado por glucógeno en juveniles y adultos. [25]

Los galactógenos, que se forman mediante la reticulación de nanopartículas basadas en polisacáridos y polímeros funcionales, tienen aplicaciones en estructuras de hidrogel. Estas estructuras de hidrogel pueden diseñarse para liberar fármacos nanoparticulados específicos y/o terapias encapsuladas con el tiempo o en respuesta a estímulos ambientales. [26]

Los galactógenos son polisacáridos con afinidad de unión por los bioanalitos. De esta manera, al unirse en su punto final a otros polisacáridos que constituyen la superficie de los dispositivos médicos, los galactógenos se utilizan como método de captura de bioanalitos (por ejemplo, CTC), como método de liberación de los bioanalitos capturados y como método de análisis. [27]

Inulina

La inulina es un carbohidrato complejo polisacárido de origen natural compuesto de fructosa , un alimento derivado de plantas que las enzimas digestivas humanas no pueden descomponer por completo. Las inulinas pertenecen a una clase de fibras dietéticas conocidas como fructanos . Algunas plantas utilizan la inulina como medio para almacenar energía y normalmente se encuentra en raíces o rizomas . La mayoría de las plantas que sintetizan y almacenan inulina no almacenan otras formas de carbohidratos como el almidón . En los Estados Unidos en 2018, la Administración de Alimentos y Medicamentos aprobó la inulina como un ingrediente de fibra dietética utilizado para mejorar el valor nutricional de los productos alimenticios manufacturados. [28]

Polisacáridos estructurales

Algunos polisacáridos estructurales naturales importantes

Arabinoxilanos

Los arabinoxilanos se encuentran tanto en las paredes celulares primarias como secundarias de las plantas y son copolímeros de dos azúcares: arabinosa y xilosa . También pueden tener efectos beneficiosos para la salud humana. [29]

Celulosa

Los componentes estructurales de las plantas están formados principalmente por celulosa. La madera está formada principalmente por celulosa y lignina , mientras que el papel y el algodón están compuestos casi exclusivamente por celulosa. La celulosa es un polímero formado por unidades repetidas de glucosa unidas entre sí por enlaces beta . Los seres humanos y muchos animales carecen de una enzima que rompa los enlaces beta , por lo que no digieren la celulosa. Algunos animales, como las termitas, pueden digerir la celulosa porque en su intestino hay bacterias que poseen la enzima. La celulosa es insoluble en agua. No cambia de color cuando se mezcla con yodo. Por hidrólisis, produce glucosa. Es el carbohidrato más abundante en la naturaleza. [30]

Quitina

La quitina es uno de los muchos polímeros naturales . Forma un componente estructural de muchos animales, como los exoesqueletos . Con el tiempo es biodegradable en el entorno natural. Su descomposición puede ser catalizada por enzimas llamadas quitinasas , secretadas por microorganismos como bacterias y hongos y producidas por algunas plantas. Algunos de estos microorganismos tienen receptores para los azúcares simples de la descomposición de la quitina. Si se detecta quitina, entonces producen enzimas para digerirla escindiendo los enlaces glucosídicos para convertirla en azúcares simples y amoníaco . [31]

Químicamente, la quitina está estrechamente relacionada con el quitosano (un derivado de la quitina más soluble en agua). También está estrechamente relacionada con la celulosa, ya que es una cadena larga no ramificada de derivados de la glucosa . Ambos materiales aportan estructura y resistencia, protegiendo al organismo. [32]

Pectinas

Las pectinas son una familia de polisacáridos complejos que contienen residuos de ácido α- D -galactosilurónico unidos por enlaces 1,4. Están presentes en la mayoría de las paredes celulares primarias y en las partes no leñosas de las plantas terrestres. [33]

Polisacáridos ácidos

Los polisacáridos ácidos son polisacáridos que contienen grupos carboxilo , grupos fosfato y/o grupos éster sulfúrico . [34]

Los polisacáridos que contienen grupos sulfato pueden aislarse de las algas [35] u obtenerse mediante modificación química. [36]

Los polisacáridos son una clase importante de biomoléculas. Son largas cadenas de moléculas de carbohidratos, compuestas por varios monosacáridos más pequeños. Estas biomacromoléculas complejas funcionan como una fuente importante de energía en la célula animal y forman un componente estructural de la célula vegetal. Pueden ser homopolisacáridos o heteropolisacáridos, según el tipo de monosacáridos.

Los polisacáridos pueden ser una cadena recta de monosacáridos, conocidos como polisacáridos lineales, o pueden ser ramificados, conocidos como polisacáridos ramificados.

Polisacáridos bacterianos

Las bacterias patógenas producen comúnmente una cápsula bacteriana , una capa gruesa y mucosa de polisacárido. La cápsula recubre las proteínas antigénicas en la superficie bacteriana que de otro modo provocarían una respuesta inmunitaria y, por lo tanto, conducirían a la destrucción de las bacterias. Los polisacáridos capsulares son solubles en agua, comúnmente ácidos y tienen pesos moleculares del orden de 100.000 a 2.000.000 de daltons . Son lineales y consisten en subunidades que se repiten regularmente de uno a seis monosacáridos . Existe una enorme diversidad estructural; casi doscientos polisacáridos diferentes son producidos solo por E. coli . Las mezclas de polisacáridos capsulares, ya sea conjugados o nativos, se utilizan como vacunas . [37]

Las bacterias y muchos otros microbios, incluidos los hongos y las algas , a menudo secretan polisacáridos para ayudarlos a adherirse a las superficies y evitar que se sequen. [38] Los humanos han desarrollado algunos de estos polisacáridos en productos útiles, incluidos la goma xantana , el dextrano , la goma welan , la goma gellan , la goma diutan y el pululano .

La mayoría de estos polisacáridos presentan propiedades viscoelásticas útiles cuando se disuelven en agua en niveles muy bajos. [39] Esto hace que varios líquidos utilizados en la vida cotidiana, como algunos alimentos, lociones, limpiadores y pinturas, sean viscosos cuando están estacionarios, pero mucho más fluidos cuando se aplica incluso un ligero esfuerzo cortante al agitarlos, verterlos, limpiarlos o cepillarlos. Esta propiedad se denomina pseudoplasticidad o pseudoplasticidad ; el estudio de tales cuestiones se denomina reología . [ cita requerida ]

Viscosidad de la goma Welan
Velocidad de corte (rpm)Viscosidad ( cP o mPa⋅s)
0.323330
0,516000
111000
25500
43250
52900
101700
20900
50520
100310

Las soluciones acuosas de polisacáridos solos tienen un comportamiento curioso cuando se agitan: después de que cesa la agitación, la solución inicialmente continúa girando debido al impulso, luego se ralentiza hasta detenerse debido a la viscosidad e invierte la dirección brevemente antes de detenerse. Este retroceso se debe al efecto elástico de las cadenas de polisacáridos, previamente estiradas en solución, que vuelven a su estado relajado.

Los polisacáridos de la superficie celular desempeñan diversas funciones en la ecología y la fisiología bacteriana . Actúan como barrera entre la pared celular y el medio ambiente y median en las interacciones entre el huésped y el patógeno. Los polisacáridos también desempeñan un papel importante en la formación de biopelículas y la estructuración de formas de vida complejas en bacterias como Myxococcus xanthus [5] .

Estos polisacáridos se sintetizan a partir de precursores activados por nucleótidos (llamados azúcares nucleótidos ) y, en la mayoría de los casos, todas las enzimas necesarias para la biosíntesis, el ensamblaje y el transporte del polímero completo están codificadas por genes organizados en grupos dedicados dentro del genoma del organismo . El lipopolisacárido es uno de los polisacáridos de superficie celular más importantes, ya que desempeña un papel estructural clave en la integridad de la membrana externa, además de ser un mediador importante de las interacciones huésped-patógeno.

Se han identificado las enzimas que forman los antígenos O de banda A (homopoliméricos) y banda B (heteropoliméricos) y se han definido las vías metabólicas . [40] El exopolisacárido alginato es un copolímero lineal de residuos de ácido D -manurónico y ácido L -gulurónico unidos a β-1,4, y es responsable del fenotipo mucoide de la enfermedad de fibrosis quística en etapa avanzada. Los loci pel y psl son dos grupos de genes descubiertos recientemente que también codifican exopolisacáridos que se han considerado importantes para la formación de biopelículas. El ramnolípido es un biosurfactante cuya producción está estrechamente regulada a nivel transcripcional , pero el papel preciso que desempeña en la enfermedad no se entiende bien en la actualidad. La glicosilación de proteínas , en particular de pilina y flagelina , se convirtió en un foco de investigación de varios grupos desde aproximadamente 2007, y se ha demostrado que es importante para la adhesión e invasión durante la infección bacteriana. [41]

Pruebas de identificación química de polisacáridos

Tinción de ácido peryódico de Schiff (PAS)

Los polisacáridos con dioles vecinales o aminoazúcares desprotegidos (donde algunos grupos hidroxilo se reemplazan con aminas ) dan una tinción positiva con ácido peryódico de Schiff (PAS). La lista de polisacáridos que se tiñen con PAS es larga. Aunque las mucinas de origen epitelial se tiñen con PAS, las mucinas de origen del tejido conectivo tienen tantas sustituciones ácidas que no les quedan suficientes grupos glicol o aminoalcohol para reaccionar con PAS. [ cita requerida ]

Derivados

Mediante modificaciones químicas se pueden mejorar ciertas propiedades de los polisacáridos. Se pueden unir covalentemente diversos ligandos a sus grupos hidroxilo. Debido a la unión covalente de grupos metilo, hidroxietilo o carboximetilo en la celulosa , por ejemplo, se pueden introducir altas propiedades de hinchamiento en medios acuosos. [42]

Otro ejemplo son los polisacáridos tiolados. [43] (Ver tiómeros ). Los grupos tiol se unen covalentemente a polisacáridos como el ácido hialurónico o el quitosano . [44] [45] Como los polisacáridos tiolados pueden reticularse mediante la formación de enlaces disulfuro, forman redes tridimensionales estables. Además, pueden unirse a subunidades de cisteína de proteínas a través de enlaces disulfuro. Debido a estos enlaces, los polisacáridos pueden unirse covalentemente a proteínas endógenas como mucinas o queratinas. [43]

Véase también

Referencias

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