Estructura del gránulo

En las Figuras 2.8 y 2.9 se representan la estructura del gránulo de almidón. En los gránulos, la amilosa y la amilopectina se disponen en forma de anillos semi-cristalinos y amorfos alternantes de crecimiento radial que nacen en el hilum considerado generalmente como una zona amorfa. Cada anillo tiene un espesor de 120 a 400 nm (Donald et al., 2001). Esta disposición se debe a las variaciones de la disponibilidad de hidratos de carbono durante el crecimiento del gránulo en los tejidos vegetales (Cameron & Donald, 1992). Los gránulos de los almidones nativos presentan una cristalinidad de 15-45 %. La estructura organizada del gránulo, patrón concéntrico de anillos semi-cristalinos, da lugar a la birrefringencia (cruz de malta) que se observa

Anillos del gránulo Anillos del gránulo

Amorfa Semicristalina Semicristalina Amorfa

Gránulo Semicristalina Amorfa SIC SIC SIC SIC SIB SIB SIB Doble hélice Bloques de construcción

Modelo de “clúster” Modelo de bloques

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en un microscopio de luz polarizada (Copeland et al., 2009). Los anillos amorfos se conformarían cuando existe menor cantidad de hidratos de carbono disponibles en el tejido vegetal (Cameron & Donald, 1992). Los anillos semi-cristalinos formados por una estructura lamelar comprenden zonas cristalinas y amorfas alternantes dispuestas a una distancia de 9-10 nm. Las zonas amorfas consisten en moléculas de amilosa y puntos de ramificación de la amilopectina, distribuidas en forma desordenadas mientras que las zonas cristalinas se hallan formadas por asociaciones de dobles hélices de cadenas cortas de amilopectina. Estas se conforman a partir de las cadenas individuales más externas de la amilopectina las que se unen a través de sus grupos hidroxilos por puentes de hidrógenos, aunque las cadenas de amilosa también pueden asociarse para formar dominios cristalinos (Pérez & Bertoft, 2010; Tester et al., 2000). La amilopectina es la principal responsable de la cristalinidad del gránulo (Robin et al., 1974; Veregin et al., 1986) mientras que la amilosa en su gran mayoría se encuentra en forma amorfa (Kassenbeck, 1978). Las zonas cristalinas representan una fracción de toda la estructura del gránulo por lo que la gran parte de la amilopectina se halla en estado amorfo, probablemente en forma de doble hélice amorfa (Gidley & Bociek, 1985). Las cadenas más largas de la amilopectina y ciertas moléculas de amilosa, que se hallan en los “clústers” de amilopectina, pueden extenderse desde las zonas cristalinas hasta las zonas amorfas (Blazek et al., 2009). En las zonas cristalinas las moléculas de amilosa presentarían una conformación más ordenada que en la zona amorfa (Kozlov et

al., 2007). Además, las zonas cristalinas de la amilosa afectarían la estructura ordenada

de la amilopectina (Blazek et al., 2009).

Figura 2.8. Estructura del gránulo de almidón. (a) Gránulo, (b) lamela y (c) cadenas de

polímeros. Fuente: Adaptado de Blazek & Gilbert (2011).

Anillo de crecimiento semi-cristalino Lamela cristalina Lamela amorfa Cadenas A Cadenas B 120-400 nm 9-10 nm Anillo de crecimiento amorfo (b) (a) (c) Hilum

17 Figura 2.9. Representación en varias escalas de la estructura del gránulo de almidón.

(a) Gránulos de almidón de maíz (30 µm), (b) anillos semicristalinos y amorfos de los anillos de crecimiento del almidón, (c) lamelas cristalinas y amorfas, (d) anillos de crecimiento y estructura interna de los bloques (20–50 nm), (e) doble hélices de la amilopectina (f) nanocristales: otra representación de la lamela cristalina obtenida por hidrólisis ácida, (g) estructura molecular de la amilopectina y (h) estructura molecular de la amilosa. Fuente: Adaptado de Le Corre & Angellier-Coussy (2014).

Mediante difracción de rayos X se ha determinado que existen tres patrones de cristalinidad del gránulo de almidón dependiendo de la longitud de las cadenas: tipo A, tipo B y tipo C. El último es una combinación del tipo A y B (Hizukuri, 1985; Sarko & Wu, 1978). Las cadenas que presentan más de 10 unidades glucosídicas participan en la formación de las dobles hélices conduciendo a los diferentes patrones. Cadenas con GP de 10 a 12 forman patrones de cristalinidad tipo A mientras que las cadenas con GP mayor a 12 forman patrones tipo B (Pérez et al., 2009). En los patrones tipos A y B las dobles hélices son esencialmente iguales pero difieren en el empaquetamiento y en el contenido de agua (Imberty et al., 1991). Existen dos modelos propuestos por Imberty

et al. (1988) e Imberty & Pérez (1988). En el tipo B las moléculas se disponen en un

empaquetamiento hexagonal de doble hélices formando un canal central que contiene 36 moléculas de agua presentando una estructura más abierta y núcleo hidratado. En el tipo A la región central se encuentra ocupada por una doble hélice y 8 moléculas de agua exhibiendo una estructura más compacta (Figura 2.10). Aquí, las cadenas de

Anillos amorfos Lamela amorfa Lamela cristalina Bloques Amilopectina Amilosa Lípidos Extremo reductor Nanocristales

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amilopectina son más cortas. Las cadenas exteriores largas de la amilopectina favorecen la formación del patrón de cristalinidad tipo B (Jane, 2006). En los almidones tipo A, los puntos de ramificación se encuentran en las regiones amorfa y cristalina del gránulo. En los almidones tipo B, los puntos de ramificación se hallan solo en la región amorfa (Jane et al., 1997) (Figura 2.11).

Figura 2.10. (a) Modelo molecular de doble hélice de la estructura cristalina del

gránulo de almidón tipo A y B. Proyección en el plano de la estructura cristalina del gránulo de almidón: (b) tipo A y (c) tipo B. Las líneas de puntos representan puentes de hidrógenos y los círculos negros indican moléculas de agua. Fuente: Pérez et al. (2009).

Generalmente, los almidones de cereales presentan patrones de cristalinidad tipo A y los almidones de tubérculos, y con elevado contenido de amilosa, patrones de cristalinidad tipo B. Aunque se pueden presentar ambos tipos. El almidón de mandioca exhibe un patrón de cristalinidad tipo A o Ca. En el patrón Ca se observa un predominio del tipo A con respecto al tipo B (Zhu, 2015). El tipo B puede pasar al tipo A en presencia de alta temperatura y baja humedad (Pérez et al., 2009) (Figura 2.12).

(b) (a)

19 Figure 2.11. Modelos de la estructura tipo A y B de la amilopectina. Fuente: Yoo &

Jane (2002).

Referencias: A = zona amorfa y C = zona cristalina.

Figure 2.12. Modelo de transición del patrón de cristalinidad del almidón tipo B al tipo

A. Los puntos indican moléculas de agua. Fuente: Imberty et al. (1991).