213 Azúcar, término aplicado a cualquier compuesto químico del grupo de... AZÚCAR

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AZÚCAR
Azúcar, término aplicado a cualquier compuesto químico del grupo de los hidratos de carbono que se
disuelve en agua con facilidad; son incoloros, inodoros y normalmente cristalizables. Todos tienen
un sabor más o menos dulce. En general, a todos los monosacáridos, disacáridos y trisacáridos
(Hidratos de carbono) se les denomina azúcares para distinguirlos de los polisacáridos como el
almidón, la celulosa y el glucógeno.
Los azúcares, que están ampliamente distribuidos en la naturaleza, son producidos por las plantas
durante el proceso de fotosíntesis y se encuentran también en muchos tejidos animales (Metabolismo
de glúcidos). La ribosa, un azúcar monosacárido que contiene cinco átomos de carbono en su
molécula, es un componente del núcleo de todas las células animales. Los azúcares con cinco
carbonos se conocen como pentosas. Las triosas (azúcares con tres carbonos), las tetrosas
(azúcares con cuatro carbonos), las heptosas (azúcares con siete carbonos), las octosas (azúcares
con ocho carbonos) y las nonosas (azúcares con nueve carbonos) también se encuentran en la
naturaleza. Sin embargo, los azúcares más extendidos son las hexosas, que se caracterizan por la
presencia de seis átomos de carbono en su molécula y por la fórmula empírica C6H12O6. Las hexosas
distintas con fórmula empírica y masa molecular iguales, son isómeros estructurales entre ellas.
Cada hexosa se conoce en forma dextrógira y levógira. En disolución, una forma dextrógira girará
el plano de polarización de la luz a la derecha, y una forma levógira lo girará a la izquierda, pero
todas las hexosas asimiladas por los animales y seres humanos se convierten en formas dextrógiras.
Las hexosas más importantes son la glucosa y la galactosa, que son aldehídos, y la fructosa, que es
una cetona, similar a un aldehído pero menos reactiva.
La fórmula empírica de los azúcares disacáridos, maltosa, lactosa y sacarosa, es C12H22O11. Al
tratarlos con ácidos y enzimas, los disacáridos combinan con una molécula de agua y se dividen en
dos monosacáridos, dos moléculas de hexosa. La maltosa, por ejemplo, se divide en dos moléculas
de glucosa; la lactosa se divide en una molécula de glucosa y otra de galactosa, y la sacarosa se
divide en una molécula de glucosa y otra de fructosa.
La mayoría de los azúcares importantes, excepto la sacarosa, reducen el óxido de cobre (II) a óxido
de cobre (I) en disolución alcalina. Esta reacción se utiliza en los tests cualitativos de azúcar en la
orina y en la sangre, así como en los tests cuantitativos de azúcar en la sangre; estos tests son
importantes en la diagnosis y el control de la diabetes (Diabetes mellitus).
Entre los azúcares importantes desde el punto de vista comercial están la glucosa, la lactosa y la
maltosa, que se usan frecuentemente en la alimentación para bebés. Sin embargo, el más importante
es la sacarosa, llamado también azúcar de caña, aunque no proceda de la caña de azúcar. Se utiliza
para dar sabor dulce a las comidas y en la fabricación de confites, pasteles, conservas, bebidas
alcohólicas y no alcohólicas, y muchos otros alimentos. Como material alimenticio básico, la
sacarosa suministra aproximadamente un 13% de la energía que se deriva de los alimentos. Su valor
y su papel en la dieta humana son polémicos (Nutrición humana).
La sacarosa está presente en cantidades limitadas en muchas plantas, incluso en varias palmas y en el
arce de azúcar, pero la remolacha azucarera y la caña de azúcar son las únicas fuentes importantes
para el comercio. Más de la mitad del suministro mundial de azúcar se obtiene de la caña de azúcar,
que crece en climas tropicales y subtropicales. El resto procede de la remolacha azucarera, que crece
en países templados. La remolacha azucarera es la fuente principal de azúcar para la mayor parte de
Europa y se cultiva extensamente en Rusia, Ucrania, Alemania, Francia y Polonia. Los países que
producen mayor cantidad de azúcar son Brasil, Cuba, Kazajstán, México, India y Australia.
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Después de la cosecha, los tallos más gruesos de la caña de azúcar se separan de las hojas. En la
fábrica de azúcar se machacan y trituran entre rodillos dentados. El jugo de los tallos triturados se
extrae en unas moledoras que consisten principalmente en un sistema de rodillos (generalmente unos
9 o 12), a través de los cuales pasa el material machacado. A este proceso se le llama triturado.
Durante el triturado, se rocía agua caliente sobre el material para disolver cualquier azúcar restante.
El material sólido y pulposo que queda después de la extracción del jugo se llama bagazo; éste se
seca y se usa como combustible. Al jugo extraído en la moledora se le añade cal y la mezcla se lleva
a ebullición; durante este calentamiento los ácidos orgánicos indeseados forman con la cal
compuestos insolubles que se pueden filtrar junto con las demás impurezas sólidas. El jugo suele
tratarse con dióxido de azufre gaseoso para blanquearlo y luego se pasa por prensas filtrantes. A
continuación, el jugo resultante se evapora en un vacío parcial y se calienta hasta formar un jarabe
espeso que contiene los cristales de azúcar. La masa densa de cristales y jarabe, llamada massecuite,
se coloca en una centrifugadora que gira a una velocidad de 1.000 a 1.500 revoluciones por minuto;
las paredes de la centrifugadora están perforadas con pequeños agujeros a través de los cuales el
jarabe, llamado melaza, sale a presión durante el centrifugado. El azúcar amarillento o de color
castaño extraído durante el proceso de centrifugación se llama primer azúcar o azúcar en bruto. Este
primer azúcar se rocía con agua para extraer la melaza que pueda quedar adherida a los cristales y
después se lleva a la refinería. La melaza se puede volver a hervir y evaporar en un intento de
cristalizar el contenido de este líquido rico en sacarosa. En las fábricas modernas de azúcar de caña,
generalmente sólo se cristaliza el jarabe una vez. La melaza es un subproducto valioso para la
industria azucarera, pues se usa en la fabricación de etanol y ron, como jarabe de mesa y condimento
para los alimentos, y como comida para los animales de granja. En la refinería, el azúcar en bruto se
disuelve de nuevo, se decolora y se vuelve a cristalizar con el tamaño deseado. En las refinerías se
produce azúcar en polvo, granulado y en terrones, así como azúcar moreno, que contiene parte de
melaza.
SACAROSA DE LA REMOLACHA AZUCARERA
El azúcar se obtiene de las raíces de la remolacha azucarera, después de quitar las hojas y los tallos,
que se utilizan para la alimentación. En la fábrica de azúcar, las raíces se cortan en briznas y se
trituran para extraer el jugo. La pulpa que queda después de extraer el jugo es un buen alimento para
los animales domésticos. Después de la extracción, se le añade cal al jugo, y el resto del proceso es
similar al de la caña de azúcar. La melaza se utiliza para alimentar al ganado; no se hace melaza para
el consumo humano a partir de la remolacha, debido a la dificultad para purificarla. El azúcar
procedente de la remolacha azucarera es idéntica a la derivada de la caña de azúcar.
El azúcar no sólo se usa como componente de alimentos caseros o industriales, sino que es también
el material en bruto cuya fermentación produce etanol, butanol, glicerina, ácido cítrico y ácido
levulínico. El azúcar es un ingrediente de algunos jabones transparentes y puede ser transformado en
ésteres y éteres, algunos de los cuales producen resinas duras, infusibles e insolubles.
GLICÓLISIS
Glicolisis o Glucolisis, ruta bioquímica principal para la descomposición de la glucosa en sus
componentes más simples dentro de las células del organismo. Una ruta se refiere a una secuencia
específica de reacciones catalizadas por enzimas que transforman un compuesto en otro
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biológicamente importante. La glicolisis se caracteriza porque puede utilizar oxígeno, si este
elemento está disponible (ruta aerobia) o, si es necesario, puede continuar en ausencia de éste (ruta
anaerobia), aunque a costa de producir menos energía.
GLUCOSA
La glucosa es un hidrato de carbono. Desde el punto de vista químico, estos compuestos se definen
como derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihidroxílicos. El azúcar glucosa es el más
importante. La mayor parte de los hidratos de carbono de la dieta se descomponen en glucosa y otros
azúcares simples que son absorbidos por la mucosa intestinal. El hígado convierte estos otros
azúcares sencillos, como la fructosa, en glucosa. En el organismo, todos los hidratos de carbono
pueden sintetizarse a partir de glucosa.
La glucosa es un azúcar sencillo que se denomina monosacárido porque no puede descomponerse en
otro más simple. Se llama hexosa porque contiene seis átomos de carbono y es un azúcar aldosa
porque tiene un grupo aldehído. Por tanto, es un monosacárido aldohexosa. La fórmula estructural
de su cadena en línea recta puede explicar algunas de sus propiedades; pero la estructura cíclica es
termodinámicamente más estable y explica todas sus propiedades químicas.
Los niveles de glucosa en la sangre y en los tejidos están estrictamente regulados. El exceso se
almacena en el hígado y los músculos en forma del hidrato de carbono polisacárido llamado
glucógeno.
LA RUTA DE LA GLICOLISIS
Al estudiar los cambios bioquímicos que se producían durante la contracción muscular se observó
que cuando un músculo se contrae en ausencia de oxígeno (de forma anaerobia), se utiliza el
glucógeno y aparecen como productos finales el ácido pirúvico y el ácido láctico. Sin embargo, si
la contracción ocurre en presencia de oxígeno (de forma aerobia), no se acumula ácido láctico y el
ácido pirúvico es oxidado completamente hasta dióxido de carbono y agua. En base a estas
observaciones, se adoptó la costumbre de distinguir las fases aerobia y anaerobia en el metabolismo
de los hidratos de carbono. Pero esta distinción es arbitraria, puesto que las reacciones con o sin
oxígeno son las mismas, diferenciándose únicamente en el proceso final, que no tiene lugar en
condiciones anaerobias.
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Reacción del ácido pirúvico
Glucólisis
La glucólisis es la ruta principal, casi universal, del metabolismo de la glucosa. Esta molécula se
degrada, en una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente, para dar dos moléculas de piruvato,
que es el producto final de la glicolisis en condiciones aeróbicas. En condiciones anaeróbicas el
piruvato se reduce a lactato para regenerar el NAD+.
SECUENCIA DE REACCIONES EN LA GLICOLISIS
La glicolisis es el proceso mediante el cual la molécula de glucosa, que posee seis átomos de
carbono, se degrada enzimáticamente a través de una secuencia de diez reacciones catalizadas por
enzimas para dar dos moléculas de ácido pirúvico, que poseen tres átomos de carbono cada una. En
condiciones anaerobias el ácido pirúvico se transforma en ácido láctico.
En conjunto, la ecuación de la glicolisis es la siguiente:
Glucosa + 2 ADP (difosfato de adenosina) + 2 Fosfato → 2 ácido pirúvico + 2 ATP (trifosfato de
adenosina) + 4 H
Aunque las etapas intermedias implicadas son muchas y complejas, una visión simplificada podría
describir el proceso como:
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1. La incorporación inicial de dos grupos fosfato dentro de la molécula de glucosa de seis átomos de
carbono, en un proceso denominado fosforilación de la glucosa. Los grupos fosfato los proporcionan
dos moléculas de ATP, mediante la utilización de energía.
2. El compuesto intermedio de seis átomos de carbono que se forma, fructosa 1,6 fosfato, se rompe
en dos compuestos más simples, con tres átomos de carbono cada uno.
3. Estos compuestos de tres átomos de carbono, fosfato de dihidroxiacetona y gliceraldeído 3fosfato, son cada uno metabolizados para dar ácido pirúvico, en una vía con numerosos pasos
intermedios. Durante este proceso, cada uno de los compuestos de tres átomos de carbono produce
dos moléculas de ATP (cuatro en total), con lo que se genera una ganancia neta de dos moléculas de
ATP, ya que dos moléculas de ATP se utilizaron en la etapa 1. Además, se producen dos moléculas
del cofactor intermediario NADH (dinucleotido de nicotinamida y adenina), las cuales pueden ser
oxidadas bajo condiciones aerobias, en una ruta separada que rinde seis moléculas de ATP.
4. Con aporte de oxígeno (glicolisis aerobia), las dos moléculas de ácido pirúvico resultantes pueden
ser utilizadas por el ciclo mitocondrial del ácido cítrico (también llamado ciclo del ácido
tricarboxílico o ciclo de Krebs) después de convertirse en acetil-CoA (acetil-coenzima A),
produciendo 2 moléculas más de ATP. Durante el conjunto de glucolisis y ciclo de Krebs se liberan
24 átomos de hidrógeno, que se oxidan, en un proceso denominado fosforilación oxidativa, en el
que se forman 34 moléculas de ATP. En el conjunto de todas estas reacciones de descomposición de
la glucosa se generan CO2 y H2O como productos finales. En resumen, se pueden producir un total
de 38 moléculas de ATP mediante el metabolismo completo de una molécula de glucosa bajo
condiciones aerobias, pero sólo dos moléculas de ATP bajo condiciones anaerobias, porque en este
caso el ácido pirúvico se transforma en ácido láctico sin producción adicional de ATP.
5. Por último, una de las moléculas intermediarias de tres átomos de carbono, el gliceraldeído-3
fosfato puede, en una reacción lateral, convertirse en 2,3 bifosfoglicerato, un compuesto que ayuda
a la hemoglobina de los glóbulos rojos sanguíneos a descargar el oxígeno en los tejidos.
La glicólisis es la principal ruta para el metabolismo de la glucosa, y conduce a la producción del
compuesto intermediario acetil-CoA. Éste se oxida en el ciclo del ácido cítrico, produciendo energía
en forma de ATP. También es la vía principal para el metabolismo de los otros azúcares simples de
la dieta, fructosa y galactosa. La capacidad de la ruta de la glicolisis para funcionar con ausencia de
oxígeno es de crucial importancia fisiológica, ya que proporciona ATP y permite a los músculos
esqueléticos contraerse con extrema rapidez aun cuando el aporte de oxígeno resulte insuficiente.
Ciertos tejidos, como el músculo esquelético, con una notable capacidad glucolítica, pueden resistir
la anoxia (falta de oxígeno). Por el contrario, el músculo cardiaco, con sus numerosas mitocondrias y
su abundante aporte de sangre, está adaptado a una función aerobia. Tiene una capacidad glicolítica
relativamente pobre, por lo que resiste poco la anoxia.
Existen algunas enfermedades que hacen que las enzimas de la ruta glicolítica presenten una
actividad deficiente. Se manifiestan principalmente como anemias hemolíticas (causadas por la
destrucción de los glóbulos rojos de la sangre), ya que los glóbulos rojos dependen principalmente
de la energía que se produce en la glicolisis, para hacer frente a las demandas de energía necesaria
para el mantenimiento de la integridad estructural. En los cánceres en los que las células malignas se
multiplican y crecen rápidamente, la tasa de la glucolisis es, a menudo, mayor que la que se requiere
para la producción de energía mediante el ciclo del ácido cítrico en la mitocondria. Como
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consecuencia, estas células producen un exceso de ácido pirúvico, que se convierte en ácido láctico.
De esta forma, la zona donde se localiza el tumor es relativamente ácida (el ácido láctico), un hecho
que puede tener importancia para el tratamiento del cáncer. Un exceso similar de ácido láctico puede
ser debido a otras circunstancias, tales como una deficiencia de la enzima piruvato
deshidrogenasa, que metaboliza el ácido pirúvico. Esta enzima también puede ser inhibida por
iones arsénicos y mercurio, y por una deficiencia de tiamina (vitamina B1). Esto tiene importancia
clínica, como en el caso de los alcohólicos con carencias nutricionales que a menudo presentan
deficiencia de tiamina. Si reciben grandes cantidades de glucosa (por ejemplo, mediante goteo
intravenoso), pueden desarrollar una rápida acumulación de ácido pirúvico que provocará una
acidosis láctica, que con frecuencia resulta mortal.
MELVIN CALVIN
Melvin Calvin (1911-1997), químico y premio Nobel estadounidense, célebre por sus estudios sobre
la fotosíntesis y por su trabajo con determinadas plantas que producen combustible. Calvin nació en
Saint Paul (Minnesota) y estudió en la Escuela de Minería y Tecnología de Michigan (actualmente
Universidad Tecnológica de Michigan), en la Universidad de Minnesota y en la Universidad de
Manchester, en Inglaterra. Se incorporó al departamento de química de la Universidad de California,
en Berkeley, en 1937. Durante la década de 1940, comenzó sus experimentos sobre la fotosíntesis.
Al utilizar carbono 14 radiactivo, Calvin pudo detectar la secuencia de reacciones químicas
producida por las plantas al convertir dióxido de carbono gaseoso y agua en oxígeno e hidratos de
carbono, proceso conocido como ciclo de Calvin. Por este descubrimiento le fue concedido en 1961
el Premio Nobel de Química.
Melvin Calvin
El químico estadounidense Melvin Calvin fue galardonado con el
Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1961. Calvin detectó
la secuencia de reacciones químicas producida por las plantas al
convertir dióxido de carbono gaseoso y agua en oxígeno e
hidratos de carbono, proceso conocido como ciclo de Calvin.
Ciclo de Calvin, conjunto de reacciones enzimáticas que tienen lugar en las plantas y que, en líneas
generales, transforman el dióxido de carbono (CO2) en sacarosa (un azúcar) y almidón (una
sustancia de reserva). Todo este proceso, conocido con el nombre de ciclo de fijación del carbono o
ciclo de Calvin en reconocimiento a su descubridor, el bioquímico estadounidense Melvin Calvin,
tiene lugar en el estroma de los cloroplastos, ubicados en las hojas verdes de las plantas. El
mecanismo de síntesis de los azúcares es catalizado por la enzima ribulosa 1,5-difosfato
carboxilasa, la proteína más abundante en el cloroplasto. En una primera etapa esta enzima utiliza el
CO2 para desencadenar la reacción de producción de 3-fosfoglicerato a partir de ribulosa 1,5difosfato. Después de una serie de reacciones, este compuesto se transforma en gliceraldehído 3fosfato. Una parte de este azúcar es utilizada para regenerar mas ribulosa 1,5-difosfato; otra parte se
convertirá en aminoácidos, grasas y almidón. Pero la parte más importante de gliceraldehído 3fosfato es transportada desde el cloroplasto hasta el citoplasma de la célula donde se integra, como
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un producto intermediario, en el ciclo de la glucosa, proceso durante el cual se transformará en
fructosa 6-fosfato y glucosa 6-fosfato. Estos azúcares se unirán más tarde para dar lugar al producto
final, un disacárido llamado sacarosa 6-fosfato. De esta manera la planta va almacenando sacarosa
en las células de las hojas hasta que, en función de los requerimientos de hidratos de carbono, es
exportada al resto de la planta a través de los haces vasculares. Algunas plantas tropicales que crecen
en ambientes secos y muy calurosos han desarrollado una ruta alternativa para compensar la carencia
de CO2 en el mesofilo (parte media de la hoja compuesta de tejido parenquimático). Este proceso
tiene lugar en los cloroplastos de las células de la vaina o anillo que rodean los haces conductores.
CICLO DEL NITRÓGENO
Ciclo del nitrógeno, proceso cíclico natural en el curso del cual el nitrógeno se incorpora al suelo y
pasa a formar parte de los organismos vivos antes de regresar a la atmósfera. El nitrógeno, una parte
esencial de los aminoácidos, es un elemento básico de la vida. Se encuentra en una proporción del
79% en la atmósfera, pero el nitrógeno gaseoso debe ser transformado en una forma químicamente
utilizable antes de poder ser usado por los organismos vivos. Esto se logra a través del ciclo del
nitrógeno, en el que el nitrógeno gaseoso es transformado en amoníaco o nitratos. La energía
aportada por los rayos solares y la radiación cósmica sirven para combinar el nitrógeno y el oxígeno
gaseosos en nitratos, que son arrastrados a la superficie terrestre por las precipitaciones. La fijación
biológica (Fijación de nitrógeno), responsable de la mayor parte del proceso de conversión del
nitrógeno, se produce por la acción de bacterias libres fijadoras del nitrógeno, bacterias simbióticas
que viven en las raíces de las plantas (sobre todo leguminosas y alisos), algas verdeazuladas, ciertos
líquenes y epifitas de los bosques tropicales.
El nitrógeno fijado en forma de amoníaco y nitratos es absorbido directamente por las plantas e
incorporado a sus tejidos en forma de proteínas vegetales. Después, el nitrógeno recorre la cadena
alimentaria desde las plantas a los herbívoros, y de estos a los carnívoros (Red trófica). Cuando las
plantas y los animales mueren, los compuestos nitrogenados se descomponen produciendo
amoníaco, un proceso llamado amonificación. Parte de este amoníaco es recuperado por las plantas;
el resto se disuelve en el agua o permanece en el suelo, donde los microorganismos lo convierten en
nitratos o nitritos en un proceso llamado nitrificación. Los nitratos pueden almacenarse en el humus
en descomposición o desaparecer del suelo por lixiviación, siendo arrastrado a los arroyos y los
lagos. Otra posibilidad es convertirse en nitrógeno mediante la desnitrificación y volver a la
atmósfera.
En los sistemas naturales, el nitrógeno que se pierde por desnitrificación, lixiviación, erosión y
procesos similares es reemplazado por el proceso de fijación y otras fuentes de nitrógeno. La
interferencia antrópica (humana) en el ciclo del nitrógeno puede, no obstante, hacer que haya menos
nitrógeno en el ciclo, o que se produzca una sobrecarga en el sistema. Por ejemplo, los cultivos
intensivos, su recogida y la tala de bosques han causado un descenso del contenido de nitrógeno en
el suelo (algunas de las pérdidas en los territorios agrícolas sólo pueden restituirse por medio de
fertilizantes nitrogenados artificiales, que suponen un gran gasto energético). Por otra parte, la
lixiviación del nitrógeno de las tierras de cultivo demasiado fertilizadas, la tala indiscriminada de
bosques, los residuos animales y las aguas residuales han añadido demasiado nitrógeno a los
ecosistemas acuáticos, produciendo un descenso en la calidad del agua y estimulando un crecimiento
excesivo de las algas. Además, el dióxido de nitrógeno vertido en la atmósfera por los escapes de los
automóviles y las centrales térmicas se descompone y reacciona con otros contaminantes
atmosféricos dando origen al smog fotoquímico.