Seguramente has sentido malestar estomacal alguna vez por comer demasiado rápido. Y, aunque masticar bien la comida es importante para facilitar su digestión, esto no es suficiente para que los nutrientes y la energía contenidos en la comida lleguen a las células. Por más que mastiquemos, no lograríamos descomponer la comida en moléculas tan pequeñas que puedan ser directamente absorbidas. Esto se logra por medio de la digestión química, la cual se basa en la reacción de hidrólisis.
Con este artículo aprenderás qué es la hidrólisis y cómo ayuda en la digestión de moléculas biológicas, como las proteínas y los polisacáridos, incluyendo el glucógeno y la celulosa. También conocerás la hidrólisis del ATP, indispensable en la actividad celular.
¿Qué es la hidrólisis?
La hidrólisis es una reacción química en la que la adición de agua provoca la ruptura de los enlaces moleculares. Esto provoca que la molécula se deshaga en sus componentes más pequeños: tras moléculas.
Hidro significa agua y lisis significa desligar o romper.
En este artículo nos enfocaremos a la hidrólisis de polímeros, que son moléculas biológicas grandes formadas por la unión de muchas moléculas pequeñas del mismo tipo. La hidrólisis es crucial para el funcionamiento normal de las células, ya que al descomponer polímeros en monómeros (moléculas pequeñas) permite la obtención de moléculas más pequeñas que pueden ser absorbidas más fácilmente por las células.
La reacción de hidrólisis forma parte del catabolismo, uno de los procesos del metabolismo.
La combinación de todas las reacciones químicas dentro de un organismo se conoce como metabolismo.
Hay dos tipos de reacciones metabólicas:
- Reacciones catabólicas: descomponen sustancias químicas y liberan energía (son reacciones exergónicas) que se almacena en enlaces químicos.
- Reacciones anabólicas: combinan moléculas más pequeñas para formar moléculas más grandes. Estas reacciones requieren energía para llevarse a cabo (son endergónicas).
Al ser un tipo de reacción catabólica, la hidrólisis provee la energía que luego será utilizada en las reacciones anabólicas.
¿Cuál es la ecuación general de una reacción de hidrólisis?
Durante la hidrólisis, los enlaces covalentes entre los monómeros se rompen, lo que permite la separación de los polímeros. Estos enlaces se rompen cuando se agrega agua. La ecuación general de la hidrólisis es similar a la ecuación general de la condensación, pero invertida:
AB + H2O → AH + BOH
- AB representa un compuesto formado por dos moléculas, mientras que A y B representan las moléculas ya separadas.
Pero, según la ecuación, ¿qué paso con la molécula de agua?. Pues, un protón o ion hidrógeno (H+) se unió a una de las moléculas, mientras que el grupo hidroxilo (OH-) se unió a la otra molécula.
La hidrólisis es, básicamente, la reacción contraria a la condensación. Si ya estudiaste la reacción de condensación en las moléculas biológicas, recordarás que los enlaces entre monómeros se forman con la pérdida de agua; En cambio, en la hidrólisis el agua rompe estos enlaces químicos.
Fig. 1: Dos monómeros se unen, por medio de una reacción de condensación (hacia la derecha) y se separan por medio de la hidrólisis (hacia la izquierda). En el ejemplo se observa la integración de dos monosacáridos, para formar un disacárido.
Hidrólisis de polímeros
Uno de los ejemplos más sencillos donde ocurre hidrólisis de polímeros es la digestión de la comida que ingerimos.
Las macromoléculas —como las proteínas de la carne y el queso, y los lípidos de las grasas— deben descomponerse en el tracto digestivo, antes de que la energía llegue a las células. Varias enzimas (proteínas catalizadoras), llamadas hidrolasas, ayudan a que las reacciones de hidrólisis ocurran más rápidamente.
En resumen, la digestión química de la comida consiste en una serie de reacciones de hidrólisis enzimática. Por lo tanto, la digestión de los alimentos también es una reacción catabólica.
Todas las moléculas biológicas (incluyendo la comida que ingerimos) almacenan energía en sus enlaces. Para acceder a esta energía, necesitamos descomponer esas moléculas grandes en moléculas cada vez más pequeñas. La energía que se libera al romper esos enlaces moleculares es guardada en los enlaces de las moléculas de ATP. Luego, pueden movilizarse a los sitios en la célula que necesitan energía inmediata, y transferir esa energía.
Para transferir esa energía a otras reacciones químicas, la molécula de ATP también debe descomponerse por medio de hidrólisis, como lo describimos más adelante.
La adenosina trifosfato, o ATP, es la principal molécula energética utilizada por las células para realizar sus funciones.
Entonces, la hidrólisis de los polímeros y otras moléculas durante la digestión provee al organismo de dos productos indispensables:
- Los monómeros o moléculas pequeñas, que son los bloques básicos para la síntesis de las nuevas moléculas biológicas necesarias para la función celular.
- Energía para las actividades celulares, la cual se libera al romper los enlaces entre las moléculas pequeñas que forman las moléculas grandes.
Hidrólisis enzimática
La reacción de hidrólisis es similar para todos los polímeros biológicos, incluyendo las macromoléculas (carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos) y los lípidos.
Recuerda que los lípidos —aunque son moléculas biológicas muy importantes— NO son polímeros y que los ácidos grasos y el glicerol que los componen NO son monómeros.
Sin embargo, las enzimas que catalizan las reacciones de hidrólisis suelen ser específicas para un grupo de moléculas o, a veces, para una sola molécula en particular:
Polímero o molécula biológica | Monómeros o componentes básicos | Enlace covalente hidrolizado | Ejemplos de enzimas o grupo de hidrolasas |
Carbohidratos (disacáridos y polisacáridos) | monosacáridos | glicosídico | Amilasas, sucrasa, lactasa, maltasa, glucosidasa, glucógeno fosforilasa... |
Proteínas (polipéptidos) | aminoácidos | peptídico | Proteasas: pepsina, peptidasas, tripsina, etc. |
Ácidos nucleicos (polinucleótidos) | nucleótidos | fosfodiéster | Nucleasas |
Lípidos (específicamente triacilgliceroles) | ácidos grasos y glicerol | éster | Lipasas |
Tabla 1: algunas enzimas hidrolíticas que catalizan la hidrólisis de polímeros o moléculas biológicas.
Las enzimas mencionadas son hidrolasas que rompen los enlaces covalentes indicados. Sin embargo, una molécula grande puede necesitar varias reacciones de hidrólisis para descomponerse completamente. Generalmente, varias enzimas participan en la descomposición total de una molécula biológica en sus componentes más pequeños.
Por ejemplo, luego de que una nucleasa descompone un ácido nucleico en nucleótidos, las nucleotidasas separan estos en nucleósidos, y las nucleosidasas y fosfatasas los descomponen aún más en bases nitrogenadas, ribosas (o desoxirribosas) y fosfatos. Muchas de estas reacciones son también de hidrólisis y rompen otros tipos de enlaces.
Hidrólisis en proteínas
Al romper los enlaces peptídicos que unen los aminoácidos, la hidrólisis de las proteínas resulta en polipéptidos más cortos y/o aminoácidos individuales.
Las proteínas comienzan a digerirse en el estómago, donde la pepsina las descompone en polipéptidos más cortos. Luego, proteasas pancreáticas descomponen estos polipéptidos en cadenas cada vez más pequeñas en el intestino delgado, hasta que las peptidasas separan los aminoácidos individuales.
Estos aminoácidos simples pueden contribuir a funciones corporales como la reparación de tejidos, la síntesis de más proteínas y la absorción de nutrientes.
Revisa nuestro artículo de Proteínas para conocer todas sus características y funciones.
Hidrólisis de polisacáridos
La hidrólisis en los polisacáridos rompe sus enlaces glucosídicos y los descompone en monosacáridos, disacáridos u oligopolisacáridos. Esto ocurre cuando hay un requerimiento de energía en la célula. Algunos polisacáridos sirven como almacenamiento de energía —como el glucógeno en animales y el almidón en plantas— y otros de refuerzo estructural —como la celulosa en las plantas—.
Repasa todo lo relacionado con estos carbohidratos en nuestro artículo de Polisacáridos. Los oligosacáridos y disacáridos también pueden descomponerse en monosacáridos mediante hidrólisis.
Por otro lado, los monosacáridos son la unidad más pequeña de los hidratos de carbono, por lo que no pueden descomponerse más.
Hidrólisis del glucógeno
La hidrólisis del glucógeno se descompone en sus monómeros de glucosa.
El glucógeno es un polisacárido (carbohidrato formado por largas cadenas de glucosa) que sirve de reserva de energía en los animales. Se almacena principalmente en las células musculares y en el hígado.
Por su función de reserva de energía, el glucógeno tiene una estructura altamente ramificada, para disponer de más moléculas de glucosa que se encuentren en extremos libres. Estas glucosas terminales pueden ser hidrolizadas más fácilmente.
En plantas, el almidón es el polisacárido de reserva de energía, por lo que tiene una estructura similar al glucógeno, con muchas ramificaciones.
Si disminuye el nivel de glucosa en la sangre, las células empiezan a descomponer el glucógeno por hidrólisis, para obtener glucosa. Las enzimas que hidrolizan el glucógeno son la glucógeno-fosforilasa y la α(1-6) glucosidasa, que dan como producto moléculas de glucosa sueltas.
Hidrólisis de la celulosa
La hidrólisis de la celulosa, al igual que con el glucógeno, resulta en su descomposición en monómeros de glucosa.
La celulosa es un polisacárido que tiene una función estructural en las plantas. Forma parte de sus paredes celulares, lo que les da fuerza y resistencia.
Por su función, la celulosa tiene una estructura diferente al la del glucógeno y el almidón. La celulosa forma cadenas muy largas de glucosa sin ramificaciones, lo que les permite organizarse paralelamente y formar fibras compactas muy fuertes. Por otro lado, esta estructura la hace más difícil de ser hidrolizada, en comparación con los carbohidratos de reserva.
Los animales herbívoros, al tener una dieta basada en plantas, deben hidrolizar la celulosa para digerirla. Sorprendentemente, estos organismos no poseen enzimas propias para la hidrólisis de la celulosa, sino que poseen microorganismos en sus tractos digestivos que son los que producen estas enzimas, llamadas celulasas.
- Los rumiantes, como las vacas, poseen bacterias y protistas intestinales que pueden hidrolizar la celulosa.
- Las termitas, que se alimentan de madera, poseen protozoos intestinales, que también digieren celulosa.
Fig. 2: Varias enzimas hidrolizan las cadenas de celulosa, descomponiéndola primero en moléculas de celobiosa y luego en moléculas de glucosa.
Los humanos, y otros animales omnívoros y carnívoros, no podemos digerir la celulosa, ya que no poseemos estos microorganismos. Es por esta razón que la celulosa pasa sin digerir por nuestro tracto digestivo y no nos provee de energía. Sin embargo, la celulosa promueve el buen funcionamiento intestinal para una buena digestión: ¡es lo que llamamos fibra!
Hidrólisis de lípidos
La hidrólisis en lípidos es la reacción química que los descompone en sus moléculas más pequeñas, al romper los enlaces éster por medio de una molécula de agua.
Cuando las grasas (los lípidos triglicéridos) que ingerimos se descomponen, se convierten en ácidos grasos y glicerol. Las enzimas que hidrolizan los lípidos son las lipasas.
Revisa nuestro artículo de Lípidos para conocer todas sus características y funciones.
Algunas de las enzimas que hidrolizan lípidos son la lipasa lingual, que empieza a descomponerlos en la boca; la lipasa gástrica, que los descompone un poco más en el estómago; y la lipasa pancreática, que termina de transformar los triglicéridos en ácidos grasos y monoglicéridos en el intestino delgado.
Alrededor del 30% de los triglicéridos consumidos se descomponen en diglicéridos y ácidos grasos, tras unas horas en el estómago.
Fig. 3: La hidrólisis de un triglicérido resulta en una molécula de glicerol y tres ácidos grasos.
Hidrólisis del ATP
La hidrólisis del ATP es la reacción catabólica que rompe los enlaces de una molécula de adenosina trifosfato para obtener su energía.
La hidrólisis del ATP es vital para todas las células, ya que provee de forma inmediata la energía necesaria en donde sea que se requiera en la célula.
Recordemos la estructura del ATP: Las moléculas de ATP están formadas por una molécula de adenosina (una adenina y una azúcar ribosa) con una cola de tres grupos fosfato. Cada grupo fosfato del ATP está cargado negativamente, lo que hace que se repelen entre sí y, por lo tanto, que la molécula sea bastante inestable.
Al romper por hidrólisis el enlace del grupo fosfato que está en el extremo libre, se libera energía en una reacción exergónica. Esto proporciona energía para procesos celulares como las contracciones musculares. La energía liberada es captada por una molécula implicada en otra reacción metabólica, en este caso endergónica (que requiere energía para llevarse a cabo).
El ATP y el agua se combinan para convertirse en ADP, fósforo inorgánico y energía.
Fig. 4: La hidrólisis del ATP resulta en ADP, fósforo inorgánico y energía.
Esta energía puede utilizarse en todo el organismo, en procesos como la contracción muscular, el transporte activo de moléculas y la señalización entre células.
Hidrólisis - Puntos clave
- La hidrólisis de moléculas biológicas es la descomposición de polímeros, y otras moléculas grandes, en los monómeros o los componentes básicos que los forman. Por medio de una molécula de agua, se rompe el enlace covalente que los une.
- La reacción de hidrólisis forma parte del metabolismo, específicamente, es una reacción catabólica. Por esto, al romper los enlaces moleculares libera la energía requerida para las funciones celulares.
- Las enzimas hidrolasas ayudan a que las reacciones de hidrólisis ocurran más rápidamente.
- La digestión química de la comida consiste en una serie de reacciones de hidrólisis enzimática, en las que se descomponen las macromoléculas biológicas (carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos) y los lípidos.
- La hidrólisis de polímeros y otras moléculas durante la digestión provee al organismo de dos productos indispensables:
- Los monómeros y moléculas pequeñas, que son los bloques básicos para la síntesis de nuevas moléculas
- Energía para las actividades celulares
- La hidrólisis del ATP es vital para todas las células, ya que provee de forma inmediata la energía necesaria a donde se requiera en la célula.
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