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Amilopectina

La amilopectina / ˌ æ m ɪ l oʊ ˈ p ɛ k t ɪ n / es un polisacárido insoluble en agua [1] [2] y un polímero altamente ramificado de unidades de α- glucosa que se encuentra en las ...

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La amilopectina / ˌ æ m ɪ l oʊ ˈ p ɛ k t ɪ n / es un polisacárido insoluble en agua [1] [2] y un polímero altamente ramificado de unidades de α- glucosa que se encuentra en las plantas. Es uno de los dos componentes del almidón , el otro es la amilosa .

Relación de la amilopectina con el gránulo de almidón

Las plantas almacenan almidón en orgánulos especializados llamados amiloplastos . Para generar energía, la planta hidroliza el almidón, liberando las subunidades de glucosa. Los seres humanos y otros animales que comen alimentos vegetales también utilizan la amilasa , una enzima que ayuda a descomponer la amilopectina, para iniciar la hidrólisis del almidón. [3]

El almidón está compuesto de aproximadamente un 70-80% de amilopectina en peso, aunque varía según la fuente. Por ejemplo, varía desde un contenido porcentual más bajo en el arroz de grano largo, el maíz amiláceo y las papas rojizas hasta el 100% en el arroz glutinoso , el almidón de papa ceroso y el maíz ceroso . La amilopectina está muy ramificada y está formada por entre 2000 y 200 000 unidades de glucosa. Sus cadenas internas están formadas por 20-24 subunidades de glucosa.

Estructura de la molécula de amilopectina

El almidón de amilopectina disuelto tiene una menor tendencia a la retrogradación (una recristalización parcial después de la cocción, una parte del proceso de envejecimiento) durante el almacenamiento y el enfriamiento. Por esta razón principal, los almidones cerosos se utilizan en diferentes aplicaciones, principalmente como agente espesante o estabilizador .

Estructura

La amilopectina es un componente clave en la cristalización de la configuración final del almidón, [4] [5] [6] representando el 70-80% de la masa final. [7] Compuesta de α-glucosa, se forma en las plantas como una medida primaria de almacenamiento de energía junto con esta métrica estructural.

La amilopectina tiene una cadena recta/lineal junto con varias cadenas laterales que pueden ramificarse aún más. Las unidades de glucosa están unidas de forma lineal con enlaces glucosídicos α(1→4) . La ramificación suele producirse a intervalos de 25 residuos. En los lugares de origen de una cadena lateral, la ramificación que tiene lugar tiene un enlace glucosídico α(1→6), lo que da como resultado una molécula soluble que puede degradarse rápidamente, ya que tiene muchos puntos finales a los que pueden unirse las enzimas. Wolform y Thompson (1956) también han informado de enlaces α(1→3) en el caso de la amilopectina. La amilopectina contiene una mayor cantidad de unidades de glucosa (2000 a 200 000) en comparación con la amilosa, que contiene de 200 a 1000 unidades de α-glucosa. En cambio, la amilosa contiene muy pocos enlaces α(1→6), o incluso ninguno. Esto hace que la amilosa se hidrolice más lentamente, pero también crea una mayor densidad e insolubilidad. [8]

La amilopectina se divide en cadenas helicoidales A y B de α-glucosa. Las cadenas A son cadenas que no llevan otras cadenas, lo que da lugar a un extremo final, mientras que las cadenas B son cadenas que sí llevan otras cadenas, lo que perpetúa el polímero de amilopectina. La relación entre estas suele estar entre 0,8 y 1,4. [9] [10]

Modelo de agrupamiento de amilopectina

La formación de estructuras en cadena tiene un impacto directo en la resistencia general del conjunto polimérico; cuanto más larga sea una cadena, más diferentes serán los efectos que tendrá la amilopectina en la morfología del almidón. El empaquetamiento de las cadenas, la longitud de la cadena entre bloques (IB-CL), también se ha correlacionado con un impacto positivo directo en la temperatura de gelatinización de los gránulos de almidón. Al mismo tiempo, la IB-CL aumentará a medida que aumenta la longitud de las cadenas B , lo que significa que a medida que aumenta la longitud de las cadenas B individuales , también lo hacen los bloques entre las conexiones con otras cadenas. Finalmente, en general, cuanto más densamente empaquetada esté la molécula de amilopectina resultante, mayor será la resistencia del gel de almidón como unidad completa. [11]

El almidón utiliza la correlación densidad-resistencia de la amilopectina como medida de la formación de ladrillos densos y resistentes como base para la configuración final del almidón. La amilopectina en el almidón se forma en hélices para componer estructuras hexagonales que posteriormente se diferenciarán en almidón de tipo A (cereal) y B (alto contenido de amilosa; tubular). Estructuralmente, A es más compacto, mientras que B es más suelto, de ahí la mayor concentración de amilosa. [12]

Historia

Antonie van Leeuenhoek
Antonie van Leeuwenhoek

La categorización de la amilopectina comenzó con la primera observación en el almidón en 1716 por Antonie van Leeuwenhoek , donde diferenció el almidón en dos componentes estructurales fundamentales. [13] [14]

Los términos amilosa y amilopectina no fueron acuñados hasta 1906, por los investigadores franceses Maquenee y Roux en el curso de un estudio del almidón, donde explicaron las variaciones en las propiedades de los almidones según la mezcla de estas sustancias relacionadas y la sacarificación variable por el extracto de malta. [15] [14] Desde entonces y hasta la década de 1940, la investigación se centró en varios métodos de separación, como la precipitación fraccionada o enzimática. [14] [16] Esto dio lugar a la definición de Meyer de amilosa y a "reservar el nombre amilopectina para los carbohidratos que son moléculas ramificadas, degradadas por la b-amilasa solo hasta la etapa de dextrina residual ". [14] [17] Meyer también propuso el modelo de estructura en forma de árbol para la amilopectina. [16]

El modelo estructural actualmente aceptado fue propuesto en 1972, basado en la organización en clústeres de estructuras helicoidales dobles. [16] Se han propuesto otros modelos desde entonces, como el modelo BB de Bertoft, o el modelo de bloques de construcción y columna vertebral en 2012. Este modelo afirma que las cadenas cortas son los bloques de construcción estructurales y las cadenas largas la columna vertebral para transportar los bloques de construcción, y que las diferentes longitudes de cadena están separadas por su posición y dirección de elongación [16] [18]

Metabolismo

Tanto la formación como la degradación de la amilopectina son importantes para los procesos metabólicos de los organismos. La amilopectina es uno de los dos componentes dominantes del almidón, y el almidón es una molécula de almacenamiento de energía exitosa. Debido a esto, se sintetiza y descompone en la mayoría de las plantas y cianobacterias . De hecho, la amilopectina parece rivalizar con el glucógeno , la molécula de almacenamiento de energía en los animales, porque es capaz de almacenar más unidades de glucosa y, por lo tanto, más energía. [19] [20]

La síntesis de amilopectina depende de los esfuerzos combinados de cuatro enzimas diferentes . Estas cuatro enzimas diferentes son: [16] [19] [21]

  1. ADP glucosa pirofosforilasa (AGPasa)
  2. sintasa de almidón soluble (SS)
  3. enzima ramificadora del almidón (EB)
  4. enzima desramificante del almidón (DBE)

La amilopectina se sintetiza mediante la unión de enlaces glucosídicos α(1→4) . La ramificación extensa de la amilopectina (enlace glucosídico α(1→6)) se inicia mediante BE y esto es lo que diferencia a la amilosa de la amilopectina. La DBE también es necesaria durante este proceso de síntesis para regular la distribución de estas ramificaciones. [19] [22]

La degradación de la amilopectina se ha estudiado en el contexto de la degradación del almidón en animales y seres humanos. El almidón se compone principalmente de amilopectina y amilosa, pero se ha demostrado que la amilopectina se degrada más fácilmente. La razón más probable es que la amilopectina esté muy ramificada y estas ramificaciones estén más disponibles para las enzimas digestivas. Por el contrario, la amilosa tiende a formar hélices y contener enlaces de hidrógeno . [23]

La descomposición del almidón depende de tres enzimas, entre otras: [16] [19] [21]

  1. alfa, beta amilasas
  2. fosforilasas
  3. enzima desramificante del almidón (DBE)

Existen enzimas que intervienen en la síntesis y degradación de la amilopectina que tienen isoformas que muestran diferentes relaciones con las proteínas y otras enzimas. Por ejemplo, existen muchas versiones de la SS (almidón sintetasa). Incluso la tercera isoforma (SS-III) tiene dos versiones diferentes. Se cree que tanto la SS-I como la SS-II tienen un papel en la elongación de las cadenas de las ramificaciones de la amilopectina. [21] También se cree que la SS-IV es responsable de la estructura similar a una hoja de los grupos de gránulos de almidón. [24]

Aplicaciones

Alimento

La amilopectina es el carbohidrato más común en la dieta humana y se encuentra en muchos alimentos básicos. Las principales fuentes de amilopectina de la ingesta de almidón en todo el mundo son los cereales como el arroz, el trigo y el maíz, y las hortalizas de raíz como las patatas y la mandioca. [25] Al cocinar, la amilopectina del almidón se transforma en cadenas de glucosa fácilmente accesibles con propiedades nutricionales y funcionales muy diferentes. [26] Durante la cocción a fuego alto, los azúcares liberados de la amilopectina pueden reaccionar con los aminoácidos a través de la reacción de Maillard , formando productos finales de glicación avanzada (AGE), que aportan aromas, sabores y textura a los alimentos. [27]

La relación amilosa/amilopectina, el peso molecular y la estructura molecular fina influyen en las propiedades fisicoquímicas, así como en la liberación de energía de los diferentes tipos de almidones, [28] lo que afecta la cantidad de calorías que las personas consumen a partir de los alimentos. La amilopectina también se utiliza a veces como suplemento para el entrenamiento debido a su densidad calórica y a su correlación con la síntesis de proteínas musculares. [29] [30]

En la industria, la amilopectina se utiliza como estabilizador y espesante, como el almidón de maíz. La amilopectina también se ha utilizado ampliamente para el desarrollo de películas de recubrimiento comestibles debido a su abundancia, rentabilidad y excelentes capacidades de formación de películas. Las películas a base de amilopectina tienen buenas propiedades ópticas, organolépticas y de barrera de gases, sin embargo, tienen malas propiedades mecánicas. Se han realizado muchos intentos para superar estas limitaciones, como la adición de co-biopolímeros u otros aditivos secundarios para mejorar las propiedades mecánicas y de tracción de las películas. Las propiedades de las películas a base de amilopectina pueden verse influenciadas por muchos factores, incluidos los tipos de almidón, la temperatura y el tiempo durante la formación de la película, los plastificantes, los co-biopolímeros y las condiciones de almacenamiento. [31]

Textiles

Desde hace mucho tiempo, el almidón se utiliza en aplicaciones de encolado para textiles. Como componente del almidón, la amilopectina es responsable de la retrogradación o reordenación cristalina del almidón, lo que le aporta rigidez. [32]

Este efecto de refuerzo se utiliza en varios procesos de la industria textil, como la impresión y el prensado, para mantener la forma de un tejido a lo largo del tiempo. La amilopectina también se utiliza como agente de encolado para hilos, para reforzar y proteger las fibras de la abrasión y la rotura durante el tejido. [33]

Ingeniería

El almidón y la amilopectina se utilizan a menudo en fórmulas adhesivas [34] y cada vez se estudian más para su uso en la construcción [35].

Aplicaciones clínicas

La amilopectina ha experimentado un aumento en su uso en aplicaciones biomédicas debido a sus factores fisiológicos, su facilidad de disponibilidad y su bajo coste. En concreto, la amilopectina tiene propiedades bioquímicas muy ventajosas debido a su prevalencia como polisacárido natural . Esto provoca un alto sentido de biocompatibilidad con las células y moléculas del organismo. La amilopectina también es capaz de biodegradarse en un alto grado debido a su alto sentido de reticulación con enlaces glicosídicos 1,6. Los enlaces que el organismo descompone fácilmente pueden reducir el peso molecular, exponer determinadas regiones e interactuar con determinados enlaces con factores clínicos. También se han investigado diversos métodos físicos, químicos y enzimáticos de modificación de la amilopectina. Estos, en general, permiten obtener propiedades mejoradas y controlables que pueden seleccionarse para el campo de investigación que se realice. El papel principal de la amilopectina, clínicamente, está en su integración en el almidón. La función y la estructura de la amilopectina se basan en su integración con la amilosa y otras moléculas ligadas. Separar estas moléculas y aislar la amilopectina es bastante difícil de realizar para los investigadores. [36]

Entrega de medicamentos

La administración de fármacos se refiere a la tecnología utilizada para presentar un fármaco en una región predeterminada del cuerpo para su emisión y absorción. Los principios relacionados con la vía de administración, el metabolismo, el sitio de destino específico y la toxicidad son los más importantes en este campo. Los fármacos administrados por vía oral (a través de la boca) suelen estar encapsulados en alguna estructura para protegerlos de las respuestas inmunitarias y biológicas. Estas estructuras tienen como objetivo mantener el fármaco intacto hasta su sitio de acción y liberarlo en una dosis correcta cuando se expone a un marcador específico. El almidón de maíz y de patata se utilizan a menudo para esto, ya que contienen entre un 60 y un 80 % de amilopectina. Se utilizan principalmente en preparaciones sólidas: polvos, gránulos, cápsulas y comprimidos. Como polisacárido natural, tiene una naturaleza compatible con las estructuras y moléculas anatómicas. Esto evita cualquier tipo de respuesta inmunitaria negativa, que es un tema muy controvertido en la administración de fármacos. [37] La ​​biodegradabilidad del almidón le permite mantener el fármaco intacto hasta llegar a su sitio de acción. Esto permite que el fármaco evite situaciones de pH bajo, como el sistema digestivo . [38] El almidón nativo también puede modificarse de forma física, química y enzimática para mejorar las propiedades mecánicas o bioquímicas. En el ámbito de la administración de fármacos, la modificación física incluye el tratamiento con fuerzas mecánicas, calor o presión. Las modificaciones químicas intentan alterar la estructura molecular, lo que puede incluir la ruptura o adición de enlaces. El tratamiento del almidón con enzimas puede permitir una mayor solubilidad en agua.

Ingeniería de tejidos

La ingeniería tisular tiene como objetivo generar estructuras funcionales que puedan reemplazar o mejorar tejidos dañados o infectados u órganos completos. Muchas de estas estructuras dan lugar a tejido infectado alrededor del área del implante. Recubrir estos materiales con amilopectina permite reducir esta reacción infecciosa. Dado que la amilopectina se utiliza principalmente como recubrimiento alrededor de estas estructuras, ya que previene las reacciones inmunitarias posteriores. Como la amilopectina se deriva directamente de un polisacárido natural, se integra bien con los tejidos y las células. Sin embargo, las propiedades mecánicas de la amilopectina no son óptimas debido a su alto nivel de reticulación. Esto se puede evitar mediante la formación de fibras de amilopectina o mediante la formación de un nanocompuesto con otro polímero más rígido.

Fibras

Las fibras basadas en amilopectina se han fabricado principalmente mediante la mezcla de almidones nativos o modificados con polímeros, plastificantes, reticulantes u otros aditivos. La mayoría de las fibras basadas en amilopectina se fabrican mediante electrohilado húmedo, sin embargo, se ha demostrado que el método es adecuado para almidones con un contenido de amilopectina inferior al 65% y sensible al contenido de amilopectina de los almidones. El electrohilado permite que la amilopectina se coagule y forme un filamento. Los almidones fibrosos inducen un material más denso, que puede optimizar las propiedades mecánicas del almidón. [39] Las fibras en biomateriales se pueden utilizar para la ingeniería de tejidos óseos como entorno adecuado para la reparación y regeneración del tejido óseo. El hueso natural es un material compuesto complejo formado por una matriz extracelular de fibras mineralizadas que contienen células vivas y moléculas bioactivas. En consecuencia, el uso de fibras en andamios basados ​​en biomateriales ofrece una amplia variedad de oportunidades para replicar el rendimiento funcional del hueso. [40] En la última década, las técnicas basadas en fibras, como el tejido, el tejido de punto, el trenzado, así como el electrohilado y la escritura directa, han surgido como plataformas prometedoras para la creación de construcciones de tejidos en 3D. [41]

Bionanocompuestos

La nanociencia y la nanotecnología han surgido como una tecnología para el desarrollo de diversos materiales híbridos y compuestos para aplicaciones biomédicas. Cuando se utilizan nanomateriales para el desarrollo de compuestos en biología, se denominan bionanocompuestos. Los bionanocompuestos se han utilizado en ingeniería de tejidos para reemplazar, apoyar o regenerar células, órganos o partes del ser humano de modo que pueda funcionar con normalidad.

Los bionanocompositos basados ​​en amilopectina son otra clase importante de bionanomateriales, que son biodegradables, con mayores propiedades mecánicas, transparencia óptica, estabilidad térmica y propiedades de barrera que el almidón termoplástico. [42] Junto con otros nanomateriales como nanocristales de celulosa, nano-ZnO, nanoarcilla, polímeros sintéticos biodegradables, el almidón es uno de los materiales más populares para la preparación de bionanocompositos para diversas aplicaciones biomédicas, como liberación controlada de fármacos, andamiaje para ingeniería de tejidos y cemento para regeneración ósea. [43] La amilopectina suele combinarse con un polímero sintético con mayor módulo elástico y límite elástico. Esto permite que el almidón resista el mayor flujo de fluidos y las fuerzas mecánicas que prevalecen en el tejido óseo, cardíaco y endotelial. [44]

Véase también

Referencias

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  • Instituto Internacional del Almidón Archivado el 12 de octubre de 2008 en Wayback Machine
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