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Tema 3: Proteínas de aplicación alimenticia, farmacológica o industrial en las plantas. 1. 2. 3. 4. 5.

Importante: distintos tipos y apps. Funciones y apps. Igual. Funciones y apps. Apps principalmente.

1. Proteínas de reserva. Se encuentran almacenadas en las semillas (cotiledones y endospermo, dependiendo de la especie) donde constituyen más del 80% de las proteínas totales presentes. Son proteínas diferentes a las existentes en las partes vegetativas de la planta. Los cereales (monocotiledóneas), por ejemplo, almacenan las proteínas de reserva en el endospermo y en una capa de células que recubre el endospermo llamadas aleuronas. En el caso de las dicotiledóneas, estas pueden ser endoespermáticas y las almacenan en cotiledones y endospermo, mientras que las no endoespermáticas lo hacen en los cotiledones. Son proteínas diferentes al resto de proteínas del tejido de la planta. Se forman en la embriogénesis y actúan como fuente sumidero con los órganos que se desarrollan en la germinación y que formarán la nueva plántula. Los principales usos son: - Alimentar a la plántula antes de convertirse en un organismo autótrofo: se sintetizan durante la embriogénesis en el órgano de reserva y posteriormente se usarán para alimentar a la plántula antes de que ésta se convierta en un organismo autótrofo y desarrolle los cotiledones que le permitirán llevar a cabo la fotosíntesis. - Como protectores celulares durante la fase de desecación de la semilla. Las proteínas de reserva constituyen una parte de la dieta de algunos animales, incluido el ser humano, ya que cuando ingerimos las semillas de las plantas ingerimos también estas proteínas.

1.1 Clasificación desde el punto de vista de la solubilidad.

Las proteínas de reserva pueden clasificarse atendiendo a dos factores. Uno de ellos es su solubilidad. Respecto a este factor, encontramos los siguientes tipos de proteínas de reserva (solo dos ejemplos de cada una): - Albúminas: proteínas de bajo peso molecular, solubles en agua siempre que sean medios neutros y sin sales (medios salinos no). Presentes en las semillas de las dicotiledóneas, incluyendo las leguminosas (soja), miembros de la familia Brassicaceae (colza), la Euphorbiaceae (ricino) y la Asteraceae (girasol), así como en las monocotiledóneas (cereales). Ejemplos: la leucosina del trigo y la legumelina del guisante. Se nombran según su coeficiente de sedimentación, y distinguimos dos grupos: las 7S y las 11S. - Globulinas: proteínas solubles en disoluciones salinas y casi insolubles en agua . Principales proteínas de reserva de la mayoría de las dicotiledóneas, en especial las leguminosas (guisante, judía). Ejemplos: la glicinina de los granos de la soja, la tiberina de la patata, la excelsita de las nueces del Brasil, la legumina de las lentejas y la edestina del cáñamo. El cáñamo es la planta que mayor proporción de globulina tiene en sus semillas de todo el reino vegetal, pero no se comen. También se clasifican según el coeficiente de sedimentación, las más conocidas son las 2S. - Prolaminas: proteínas solubles en mezclas etanólicas (entre 50% y 90% de etanol) e insolubles en agua y en etanol 100% puro. Poseen grandes cantidades de prolina y ácido glutámico. Se encuentran únicamente en el endospermo de los cereales y otras especies grasas (todas son Poaceae = gramíneas). Principal fuente de proteínas de reserva en sus semillas, a excepción del arroz y de la avena, cuyas proteínas de reserva predominantes son las glutelinas y las globulinas, respectivamente. Ejemplos: la zeína del maíz, la gliadina del trigo y la hordeína de la cebada. - Glutelinas: proteínas solubles en medios ácidos o alcalinos muy diluidos y muy insolubles en disolventes con carácter neutro como el cloroformo o el CCl 4. Se consideran una clase de prolaminas. Ejemplos: la glutenina del trigo y la orizanina del arroz. El estudio de estas proteínas de reserva se lleva a cabo principalmente en dicotiledóneas. 1.2 Clasificación según características moleculares y genéticas. Posteriormente, se elaboró una clasificación basada en sus características moleculares y genéticas (Fukushima, 1991), que las divide en dos tipos: globulinas y prolaminas: - Globulinas: se caracterizan por acumularse en las vacuolas, con la participación del aparato de Golgi. Son las glutelinas, globulinas y albúminas de la clasificación anterior. En cuanto a los coeficientes de sedimentación, encontramos globulinas 7S y 11S, mientras que las albúminas presentan un coeficiente 2S. - Prolaminas: se acumulan dentro de cuerpos proteicos derivados del retículo endoplasmático. Tanto las globulinas como las prolaminas son sintetizadas en regiones diferentes del retículo endoplasmático rugoso. Las glutelinas presentan una estructura general y unas propiedades físicoquímicas similares a las globulinas 11S de las leguminosas (se acumulan en vacuolas vía aparato de Golgi), por lo que en la clasificación de Fukushima integrarían dicha fracción. Las albúminas también se consideran dentro de este grupo. Además de éstas, en el endospermo de la semilla de muchos cereales (trigo, avena, cebada, centeno) podemos encontrarnos una glicoproteína combinada con almidón: gluten. Representa un 80% de las proteínas del trigo y está compuesta de gliadina (prolaminas) y glutenina (glutelinas). Su

contenido en proteína es uno de los determinantes de la calidad del gluten. Se caracteriza por ser insoluble en agua y por presentar unas propiedades únicas de absorción de agua, viscoelasticidad y termocoagulación (coagula a altas temperaturas), que lo diferencian de cualquier otra proteína vegetal. Las características del gluten influyen en sus aplicaciones. El proceso de extracción del gluten es el siguiente:

El gluten se obtiene a partir de la harina de trigo, de centeno, de avena y de cebada, eliminando el almidón. Para ello la harina se mezcla con agua y se amasa. Se deja reposar, se lava con agua (hasta que deje de salir blanca) perdiéndose el almidón y otros elementos solubles en ella y el producto resultante tiene una textura pegajosa, fibrosa y muy elástica, de color crema muy claro, insípido y sin olor (estas dos últimas características son muy importantes para sus aplicaciones). Se han descrito además efectos adversos del gluten en personas: alergia e intolerancia (celíacos, no toleran la gliadina, las prolaminas en general). Esto hace que también se produzcan reacciones a otros tipos de gluten de otros productos que no procedan del trigo. Posible efecto negativo del gluten en los niños autistas (cuando se someten a dietas sin gluten, muestran mejoría). Sin embargo, no es generalizable a todos los casos. 1.3 Síntesis y deposición de las proteínas de reserva. Las proteínas de reserva presentan estructuras de gran complejidad. Las alteraciones y modificaciones que se producen desde que se sintetiza la molécula proteica precursora hasta que la proteína llega al tejido de reserva es compleja e involucra distintos compartimentos celulares. La mayoría son sintetizadas y procesadas en el retículo endoplasmático rugoso, ya que las moléculas precursoras presentan péptidos señal. Estas secuencias las llevan hasta el lumen del RER, donde el péptido señal se elimina por proteólisis y la proteína adopta su estructura terciaria característica, a través de una serie de cambios. Tanto su estructura como las modificaciones que sufren desde que se sintetizan sus precursores hasta que se obtienen las proteínas maduras son muy complejas. Una vez adoptada su estructura final, algunas se almacenan en una zona del propio retículo en forma de cuerpos proteicos (prolaminas del arroz y del maíz) y otras se transportan a las vacuolas a través del aparato de Golgi (glutelina del endospermo del arroz o las globulinas y las albúminas de la capa de aleurona de los cereales). En la vacuola, las proteínas pueden fragmentarse, dando lugar a cuerpos

proteicos de menos tamaño. Esto es un proceso ordenado, lento y que requiere la participación de distintos compartimentos celulares como el RER, Golgi, vacuola y los propios cuerpos proteicos. Además, las albúminas 2S y las globulinas 7S y 11S de las leguminosas y otras semillas de dicotiledóneas son transportadas a la vacuola a través del aparato de Golgi. El endospermo del arroz es muy particular, pues contiene dos poblaciones de proteínas de reserva diferentes: las que se almacenan en la vacuola (glutelinas; 80% de las proteínas de reserva) y las que se almacenan en el retículo (prolaminas; 5% de las proteínas de reserva). También presenta un 5% de albúminas y un 10% de globulinas. El arroz es la única semilla que presenta ambas poblaciones de proteínas de reserva; el resto de semillas hay proteínas de uno u otro grupo. La síntesis de proteínas de reserva ocurre sólo durante un breve período de tiempo durante el desarrollo de la semilla, durante la embriogénesis. Esta teoría está apoyada en los siguientes hechos: - Los genes que codifican para proteínas de reserva sólo se expresan en los tejidos de almacenamiento de las semillas y durante un período de la embriogénesis. - Expresión está regulada tanto espacial como temporalmente. El ácido abscísico afecta mucho a la expresión de las proteínas de reserva (esta expresión se ve regulada positivamente).

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En esta foto podeos liarnos con los términos, pues usan globulina de acuerdo a la clasificación de Fukushima, por lo que se generaliza con este nombre a toda proteína de reserva que se almacena en la vacuola.

1.4 Aplicaciones de las proteínas de reserva.

Las proteínas de reserva vegetales sometidas a hidrólisis ácida o a la acción de algunas enzimas (pepsina del jugo gástrico o tripsina del jugo pancreático) se descomponen en aminoácidos, siendo una fuente importante de los aminoácidos no presentes en los animales (el ser humano entre ellos) y que deben ser aportados en su dieta. Las albúminas vegetales se pueden extraer de la harina de trigo, de las infusiones de los guisantes, habas, judías, coles, etc. Mediante la acción de enzimas gástricas o pancreáticas, la albúmina se transforma en peptona (compuesto nitrogenado) además de en los distintos aa esenciales y no esenciales. Las peptonas pasan a la sangre y reponen las pérdidas de nitrógeno del organismo. Hoy en día se emplea temporalmente la albúmina junto con otros medicamentos específicos para mejorar la función renal en pacientes con problemas renales. En personas sin problemas renales es también beneficioso. El gluten tiene una serie de aplicaciones: - En la panificación: se utiliza para incrementar la fuerza de la harina. Cuando se amasa la harina de trigo, la glutenina del gluten forma una red microscópica a la que se asocia la gliodina. Esto favorece la elasticidad de la harina. Además, en el horneado es el responsable de que los gases de la fermentación se queden retenidos en el interior de la masa, haciendo que ésta suba. Después de la cocción, la coagulación del gluten es responsable de que el bollo no se desinfle una vez cocido. Por lo tanto, se usa antes, durante y después del horneado. Junto con la fermentación, provoca que el pan aumente su volumen y presente consistencia elástica y esponjosa. - En la industria alimentaria: se utiliza fundamentalmente para darle consistencia a los alimentos. Por ejemplo, en la elaboración de embutidos crudos y cocidos se emplea como aglutinante y homogeneizante. También se emplea como agente estabilizante en productos como los helados o el kétchup, como aditivo de alimentos bajos en proteínas para aumentar el contenido proteico y en la elaboración de pastas para aumentar la cocción y la dureza de ésta. Por tanto, hace que aumente la consistencia y el contenido proteico del alimento. Hay productos que, además de harina de trigo, tienen añadido más gluten, generando una harina aglutinada. Hoy día, debido al crecimiento de la población celiaca, se trata de disminuir la cantidad de gluten en los alimentos. Hoy día, el gluten es muy usado en la industria alimentaria (productos de alto contenido en gluten), pudiendo ocasionar alergias. Para hacer estos productos se coge la harina blanca (que ya tiene gluten) y se le añade aún más gluten (harina aglutinada). Con esta harina con alto contenido en gluten se hacen una gran variedad de alimentos. - En la elaboración de productos dietéticos: muchos alimentos dietéticos presentan altas cantidades de gluten debido a su escaso contenido en carbohidratos, bajo en calorías, (se retiran del alimento, sobre todo el almidón, para poder conseguir el gluten en alta cantidad). Al eliminarle al gluten el almidón, se elimina también la fibra asociada a ella. Algunos nutricionistas recomiendan tomar alimentos de fibra integral, no con gluten, pues así se consume gluten y almidón. Es indicado en personas diabéticas (muy indicado que ingieran pan con alto contenido en gluten o hay quienes dicen que es el pan integral, que además tiene fibras) y con exceso de peso porque tienen pocas calorías. En estos productos, el contenido en gluten debe estar indicado de forma clara. - Sustituto de la carne en recetas vegetarianas: Cuando se cuece, el gluten se endurece. El gluten, especialmente de trigo, es la base de las carnes de imitación (“carnes vegetales”). Como el gluten

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es insípido, cuando se cocina con una salsa, adquiere ese sabor. Seitán (gluten de trigo) para hacer filetes vegetales, albóndigas, hamburguesas… a veces mezclado con soja o tofu. Estas carnes vegetales ‘suplen’ el uso de carne habitual en aquellas personas que no han sido veganos desde pequeños y a los cuales puede resultarles más difícil dejar de añadir estos alimentos a ciertas comidas. Otros usos: elaboración de alimentos para animales domésticos, dietas para peces, etc.

En la actualidad se investiga sobre la mejora de la calidad de las proteínas de reserva en las semillas de leguminosas mediante la transformación de estas plantas (cultivos transgénicos). Las proteínas de reserva de las leguminosas (lentejas, garbanzos…) son deficientes en metionina. Mediante biotecnología vegetal de estas semillas se están consiguiendo que las proteínas sean ricas en metionina, aumentando el contenido y la riqueza proteica de estas semillas. El endurecimiento del pan de un día para otro se relaciona con la cantidad de gluten, según la cual el agua del ambiente reacciona con el pan y endurece. Generalmente, un mayor contenido en gluten puede ser la causa de mayor endurecimiento. 2. Inhibidores de proteasas. Son pequeñas proteínas que se encuentran en numerosos tejidos de plantas, en especial las semillas de leguminosas y en otros órganos de reserva (tubérculos). Tienen la capacidad de inhibir la actividad de enzimas proteolíticas, como la tripsina y la quimiotripsina (enzimas digestivas). Funciones en las plantas: 1. Intervienen en los mecanismos de defensa de las plantas: se detectan en las hojas en respuesta al ataque de insectos fitófagos y microorganismos patógenos, aumentando su concentración. Inhiben las proteasas del intestino de los insectos o segregadas por los microorganismos y que pretenden atacar a las proteínas de la planta (prot de defensa). Si son inhibidas, no hay un aumento de aminoácidos libres en esa parte de la planta y el patógeno no puede alimentarse; de forma que empiezan a malnutrirse y se inhibe su crecimiento. Si esto se prolonga, el microorganismo puede llegar a morir. Esta función se ha confirmado en experimentos con plantas transgénicas de tabaco que sobreexpresan inhibidores de proteasas, mostrando que estas plantas tienen mayor resistencia a patógenos que una planta silvestre (no son atacadas con tanta frecuencia como las plantas control). 2. Se piensa que podrían actuar como proteínas de reserva (se acumulan durante la maduración de la semilla o del tubérculo) o que regularían la actividad de proteasas endógenas facilitando el almacenamiento de proteínas en la maduración. Existe una gran variedad de inhibidores de proteasas: los inhibidores de aspártico-proteasas, de cisteíno-proteasas (fitocistatinas), de metalocarboxipeptidasas y de serino-proteasas como la tipo Bowman-Birk, la bifuncional de cereales, la tipo Kunitz, la tipo I y tipo II de patata, etc. Ejemplo de inhibidores de proteasas con actividad antifúngica: fitocistatinas (inhibidores de cisteínoproteasas), aisladas de semillas de girasol, mijo, tabaco y son activos contra patógenos de plantas como Fusarium y Trichoderma, evitando la infección de estos hongos.

2.1 Aplicaciones de los inhibidores de proteasas.

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Su principal aplicación se basa en la creación de plantas transgénicas para la defensa de los cultivos (conlleva la disminución del empleo de pesticidas). Se aumentan la expresión de los genes de las proteínas inhibidores de proteasas, haciendo que las plantas tengan más resistencia a ciertos patógenos. Potencial aplicación en el campo farmacéutico en relación con enfermedades como el Alzheimer, el cáncer, las inflamatorias e infecciones víricas o por protozoos. En el caso del cáncer, se ha demostrado que un aumento de estos inhibidores (de algunos de ellos) hace que disminuya la formación de metástasis al disminuir la cantidad de proteasas (liberación) que producen metástasis en los organismos. El efecto en humanos es menos notable debido al gran tamaño en comparación con otros herbívoros.

3. Lectinas. Etimológicamente, el nombre lectina procede de la palabra latina legere, que significa seleccionar. Presentes en casi todos los organismos, (Invertebrados: caracoles, cangrejos, calamares, camarones, moluscos, algunos tipos de peces; Vertebrados: cerdos y humanos -en el hígado-) son capaces de reconocer específicamente un determinado carbohidrato y unirse reversiblemente, sin alterar la estructura de los ligandos glicosídicos reconocidos. Tienen dos o más sitios de reconocimiento, para unirse a los carbohidratos (sitio de unión) y a otras moléculas azucaradas o con restos de los mismos (sitios secundarios). Las lectinas también son capaces de aglutinar células. En las plantas se encuentran principalmente en los cotiledones y el endospermo de las semillas de especies como el trigo, la habichuela o la soja (6-11 % del total de proteínas). En el caso de las leguminosas, nos la encontramos principalmente en los cotiledones. Son proteínas o glicoproteínas (nos las encontramos asociadas o no) compuestas por una cadena polipeptídica en la cual pueden estar unidos uno o más residuos de carbohidratos, normalmente de 2 a 15 monosacáridos residuales. Las más conocidas son la concanavalina A, obtenida de la planta Canavalia ensiformis (actúa uniéndose a restos de D-glucosa y D-manosa) y la aglutinina (o fitohemaglutinina) de germen de trigo (actúa por unión al ácido N-acetilneuramínico). Las lectinas que genera nuestro organismo nos favorecen "aglutinando" los agentes extraños a nuestro cuerpo (virus, bacterias, parásitos, etc.), facilitando así la actuación de nuestras propias defensas naturales. Cuando nos alimentamos, las lectinas que contienen los alimentos que ingerimos pasan a nuestro torrente sanguíneo como una parte más de los nutrientes. Pasan al torrente sin alterarse pues no son degradas por el ácido del estómago. Se piensa que un 5% de las lectinas ingeridas pasa directamente al torrente sanguíneo de forma genérica, continuamente. Las lectinas que ingerimos pueden colaborar con las lectinas de nuestro sistema inmunitario (compatibles) ayudando a actuar contra patógenos o hacer todo lo contrario (incompatibles): se unen a células del intestino, estómago, corazón…de forma que se reconocen esas células a las que se han unido como extrañas y nuestro sistema inmunitario ataca a nuestras propias células. Por ello, algunas alergias

alimentarias son reacciones del sistema inmune a las lectinas. Este hecho de incompatibilidad hace que a veces la ingesta de legumbres, como fabadas, hagan que tengamos una digestión ‘pesada’. Las lectinas no son degradadas por el ácido del estómago o las enzimas proteolíticas, por lo que prácticamente son resistentes a la digestión y automáticamente entran en nuestro torrente sanguíneo. Una forma de evitar ingerir muchas lectinas es la cocción de alimentos (pq muchas son sensibles al calor), poner en remojo las semillas (habichuelas, por ejemplo) hace que...