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Fructosiltrasferasas, fructaas y fructosa Clarita Olvera, Edmundo Castillo y Agustín López-Munguía

La fructosa es probablemete el azúcar de ma yor impacto e la sociedad del siglo XXI, X XI, como ates la sacarosa (azúcar de caña). La fructosa, a la que muchos llama erroeamete “fructuosa”, está presete e varias frutas (de ahí su ombre), es 40% más dulce que la sacarosa. La sacarosa está costituid costituidaa por ua molécula de fructosa y otra o tra de glucosa, es decir, decir, es u disacárido (figura 1). A partir de la seguda mitad del siglo XX se itrodujero e la idustria de alimetos los llamados jarabes fructosados o jarabes de fructosa, obteidos del maíz por u proceso de extracció ex tracció y trasformació trasformació del almidó e glucosa, su uidad básica. Posteriormete, la glucosa es covertida e fructosa, e u proceso que da lugar a ua mezcla de proporcioes similares de ambos azúcares, coocida como  jarabes fructosado  jarabes  fructosadoss. Hasta la fecha, estos jarabes ha sustituido a la sacarosa e muchas de sus aplicacioes, particularmete como edulzate e los refrescos. Por otro lado, este proceso se ubica detro de ua ueva disciplia disciplia de la biotecología, que cosiste e el uso de ezimas microbiaas a gra escala para hidrolizar primero al almidó e glucosa y posteriormete trasformarlo e su isómero fructosa. Las ezimas so proteías que tiee la fució de

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catalizar las reaccioes biológicas, y so actualmete ua de las más poderosas herramietas de la biología modera y la base de u sector importate de la idustria biotecológica. Al ser proteías, puede ser producidas mediate las herramietas clásicas de la biología molecular (igeiería geética), modicadas para hacerlas más ecietes (igeiería de proteías)  y, ua vez producidas, producidas, ser acodicioadas acodicioadas para formularse e u “biocatalizador” que pueda emplearse para llevar a cabo biotrasformacioes a ivel idustrial (igeiería ezimática). E los últimos años, el avace de la ciecia ha puesto e evidecia uevos escearios e los que la fructosa juega u papel cetral. E este setido destaca las  fructanas, ombre geérico que se da a compuestos costituidos de largas cadeas de moléculas de fructosa uidas químicamete, y que forma parte del reservorio eergético de ua amplia diversidad de platas. E efecto, si bie el   almidón es la forma más comú e la que los cereales como el maíz, el trigo y el arroz, o tubérculos como la papa, la yuca o el camote, almacea glucosa como fuete de carboo y eergía (el almidó es u gluca  glucano no costituido de largas cadeas de glucosa), otro amplio úmero de platas (u 12% de las superiores), como la cebolla, el ajo,

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328 | Fructosiltrasfe Fructosiltrasferasas, rasas, fructaas y fructosa

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Figura 1. Sacarosa o azúcar de caña.

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Figura 2. Polímeros de fructosa sitetizados por iulosacarasas y levasacarasas.

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la chicorea, la alcachofa o los agaves, lo hace zimas para producir fructaas ecietemete mediate la sítesis de inulina, o de levana, las o para obteer derivados co fructosa? ¿Qué dos fructaas más abudates e la aturale- aplicacioes podemos darles? E uestro gruza. La iulia está ligada a ua de uestras más po de trabajo se lleva a cabo proyectos que tradicioales idustrias, la tequilera, ya que es gira al rededor de estas pregutas básicas, y abudate e las piñas maduras de agave; me- a lo largo de este texto presetaremos alguas diate la cocció de las piñas la iulia se hidro- de uestros modelos de trabajo, sus caracterísliza e fructosa para que pueda ser fermeta- ticas y sus aplicacioes. da por las levaduras. Los polímeros de fructosa ocupa tambié u papel prepoderate e la utrició modera, al haberse recoocido La fructosa y sus polímeros su fució tato de  bra soluble como de pre- Como señalamos, fructaas es el térmio biótico, térmio co el que se deomia al “ali- geérico empleado para referiros a los pometo especial” que beecia a la microora límeros que cotiee elaces glicosídicos itestial. Milloes de hectáreas se siembra fructosa-fructosa e su estructura. Los ivestiaualmete por todo el mudo co chicorea gadores usa co mucha frecuecia el térmio (ua raíz parecida al camote) para extraer las  glicósido como sióimo de azúcar. El úmero más de u milló de toeladas de iulia que el  y aturaleza de los elaces presetes e cada mudo cosume, ya sea e su forma origial o fructaa establece importates diferecias e hidrolizada e fructosa y oligosacáridos. Desde sus propiedades. Cuado se tiee etre 2 y 10 el lado egativo, se ha ideticado igualmete moléculas de fructosa e la fructaa hablamos la participació de fructaas e la estructura de oligo-sacáridos o  fructo-oligo-sacáridos (sade la placa que se forma e la caries detal. cárido  es otro sióimo de azúcar), mietras Pero destaca de maera prepoderate ua que ua fructaa, propiamete dicha, es u amplia gama de aplicacioes poteciales médi- polisacárido co más de 10 moléculas de fruccas y alimetarias directamete asociadas co tosa e la cadea. E lo que al tipo de uió se las fructaas o co moléculas modicadas co reere, hablamos de levanas cuado las fructofructosa , los fructósidos, lo que ha dado u im- sas se ue mediate elaces ß-2,6 (el segudo pulso a esta ueva actividad básica y aplicada carboo de ua fructosa co el sexto de la sique tiee como eje cetral a este azúcar. guiete y así sucesivamete); ocasioalmete  La sítesis de fructaas o es exclusiva de se preseta ua ramicació cuado al carbolas platas ya que u bue úmero de micro- o 1 de ua fructosa se le agrega otra fructosa, orgaismos puede llevarla a cabo. ¿Para qué elazádose co su carboo 2 y creado así u les sirve la fructaa a los microorgaismos? elace β-2,1 (figura 2). Por otra parte, las inuliLa respuesta o está clara. Si embargo, tato nas so polímeros co elaces β-2,1 etre las platas como microorgaismos hace iter- fructosas, teiedo u úmero importate veir ezimas del tipo de las  fructosiltransfera- de ramicacioes β-2,6. Si bie las cadeas de sas (FTF) para su sítesis, empleado sacarosa fructaas de orige microbiao puede llegar como materia prima para el proceso. Sobre las a teer hasta 100 000 uidades de fructosa, e fructosiltrasferasas se cetra este capítulo platas difícilmete supera las 150 uidades,  y buea parte del trabajo de ivestigació de es decir, so de bajo grado de polimerizació. uestro grupo. E las platas existe fructaas que se ¿Cómo so y cómo fucioa estos mara- costruye a partir de la sacarosa, pero hacievillosos catalizadores que permite a platas do crecer la cadea tato a partir de la fruc y microorgaismos producir fructaas? ¿Para tosa como de la glucosa, ambas presetes e qué le sirve dichos polímeros a los microor- la molécula de sacarosa que la plata obtiee gaismos? ¿Cómo podemos utilizar estas e- mediate la fotosítesis. A éstas se les cooce

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Tabla 1. Especies más represetativas de vegetales productores de iulia. Orden taxonómico Asterales

Especies representativas

Tipo de fructana

Observaciones

• Chicorea (Cichorium spp.) • Tupiambos (Helianthus tuberosus) • Alcachofa comú (Cynara scolymus)

Iulia lieal co ≈ 95% elaces β-2,1

La alcachofa comú produce la iulia más larga de orige vegetal, fructaas co más de 100 uidades de fructosa uidas liealmete

Asparagales o Liliales

• Cebolla ( Allium cepa) • Espárrago ( Asparagus ofcinalis) • Agaves ( Agave spp)

neo-serie de iulias, iicia cadea co fructosas uidas sobre C1 y C6 de la glucosa co elaces β-2,1

Fructaas de orige vegetal de alta variabiliodad estructural

Poales

• “Pasto ovillo” (Dactylis glomerata) • Trigo (Triticum spp) • Cebada (Hordeum vulgare) • Avea ( Avena spp)

Levaa lieal co ≈ 95% elaces β-2,6; levaas mezcladas e proporcioes equivaletes de elaces β-2,1 y β-2,6. neo-serie de levaas, iicio de cadea co fructosas uidas sobre C1 y C6 de la glucosa co elaces β-2,6

Orde taxoómico muy disperso formado por ua gra variedad de especies. Fructaas de orige vegetal de alta variabilidad estructural

como neo-series y puede ser de iulia o de levaa, depediedo del tipo de elace de esta seguda cadea (figura 3). Mediate el aislamieto y la caracterizació bioquímica de las ezimas ivolucradas e los procesos de sítesis de fructaas de orige vegetal, se ha demostrado que, e las platas, estos procesos se lleva a cabo mediate la acció cocertada de al meos dos ezimas, como se verá más adelate. E ua primera etapa, la ezima sacarosa-sacarosa fructosiltrasferasas (SST) (EC 2.4.1.99) se ecarga de iiciar el proceso al icorporar u residuo de fructosa a ua molécula de sacarosa formado u trisacárido deomiado 1-kestosa. E ua seguda etapa, mediate la acció de u segudo grupo de ezimas del tipo fructosiltrasferasas, se añade más residuos de fructosa a los trisacáridos, dado lugar a fructaas de mayor peso molecular (figura 3). Cotrario a lo que sucede e las platas, e la sítesis de fructaas por microorgaismos iterviee úicamete ua ezima, fructosiltrasferasa, que trasere secuecialmete residuos fructosilo (proveietes de la sacarosa) a ua molécula de sacarosa que fucioa como iiciador. Dicha trasferecia da lugar a las cadeas de iulia o levaa que, como señalamos, alcaza u elevado peso molecular (etre 105 y 106 Da). Las pricipales ezimas resposables de este pro-

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ceso so la sacarosa-1F-fructosiltrasferasa (iulosacarasa), e el caso de la iulia, y la sacarosa6F-fructosiltrasferasa (levasacarasa) e el caso de la levaa (figura 4). Depediedo del coteido de moo y disacáridos, los fructooligosacáridos coserva u sabor más o meos dulce, cotrario a las iulias y las levaas que posee u sabor eutro. La solubilidad de estos carbohidratos e medio acuoso está determiada por sus características estructurales; las fructaas más homogéeas resulta las meos solubles y las más ramicadas, las de mayor grado de solubilidad. De hecho, iulias muy homogéeas tiede a formar arreglos cristalios que se disuelve sólo a temperaturas superiores a los 50-80ºC, auque sea estables ua vez disueltas.

Fructanas en el mundo vegetal Al meos 40 000 especies de platas almacea fructaas e sus hojas, raíces, tubérculos o bulbos. Pero, ¿cuál es la vetaja de almacear fructaas e lugar de almidoes? Parece que ua de las pricipales razoes es que la sítesis de fructaas puede realizarse a temperaturas por deba jo de los 12ºC, mietras que a estas temperaturas el metabolismo del almidó es severamete ihibido. Además, las platas puede almacear ua mayor catidad de fructaas, pues se site-

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Figura 3. Biosítesis de fructaas e platas. sac: sacarosa, 6-SFT: sacarosa-fructa-6-fructosiltrasferasa, 1-SST: sacarosasacarosa-1-fructosiltrasferasa, 1-FFT: fructa-fructa-1 -fructosiltrasferasa, 6G-FFT: fructa-fructa-6-glucosafructosiltrasferasa.

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Figura 4. Reaccioes ezimáticas catalizadas por fructosiltraferasas: A) Sítesis de iulia. B) Sítesis de levaa. C) Hidrólisis por trasferecia a ua molécula de agua. D) Sítesis de fructósidos por trasferecia a u aceptor. G = glucosa, F = fructosa, R = aglicoa.

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tiza e las vacuolas que ocupa alrededor del 70% del volume de las células. no obstate, tato e climas fríos como e codicioes e dode la fotosítesis es óptima, predomia las platas que almacea almidó. Así etoces, la cuestió es si se trata de u estado trasitorio e la evolució, o so u tipo de platas altamete especializadas. Su presecia se correlacioa co efectos muy variados, tales como la protecció cotra codicioes extremas de sequía o de bajas temperaturas. Se les ha señalado tambié como moléculas de señalizació e el proceso de oració. Au cuado e la actualidad los mecaismos de protecció ejercidos por las fructaas o ha sido bie descritos, se ha demostrado que tiee acció estabilizadora e membraas articiales que ha sido expuestas a secado por liolizació; de maera particular, este efecto se ha estudiado e la estabilizació de arreglos membraales formados co moléculas de fosfatidilcolia. Como se mecioó ateriormete, la aturaleza de las fructaas presetes e las platas es particular a cada especie. De maera geeral, se sabe que las iulias so características de especies dicotiledóeas, mietras que las levaas so más comues e platas moocotiledóeas. E la tabla 1 se icluye alguas de las especies más represetativas de vegetales productores de iulia.

Fructanas en el mundo microbiano Ua gra variedad de microorgaismos es capaz de sitetizar fructaas, icluyedo patógeos de platas y bacterias típicas de la ora bucal e itestial de mamíferos. La fució de las fructaas de orige bacteriao se asocia a la protecció de las células cotra la deshidratació, como auxiliar e los procesos de adhesió celular y, e el caso de alguos microorgaismos patógeos, como barrera que previee a la bacteria ivasora del recoocimieto del huésped. Etre los microorgaismos productores de fructaas destaca varias especies de bacterias Gram positivas, como alguas del géero Bacillus icluidas B. subtilis, B. circulans, B. polymyxa,

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B. amyloliquefaciens o Lactobacillus reuteri. Los

polímeros de fructosa so tambié producidos por bacterias Gram egativas, como  Zymomonas mobilis, Erwinia herbicola, Pseudomonas syringae pv glycinea, P. syringae pv phaseolicola  y Acetobacter diazotrophicus. Icluso géeros de mohos, tales como  Aspergillus, Aureobasidium, Calviceps,  Fusarium,  Penicillium,  Phytophthora, Scopulariopsis o Saccharomyces se ha reportado como especies productoras de polímeros de fructosa. Cabe señalar que microorgaismos propios de la ora bucal humaa, como las bacterias del géero Streptococcus, so productores de fructaas y está asociados al desarrollo de caries detal. E geeral, los microorgaismos produce fructaas del tipo levaa (elaces ß-2,6), las cuales, auque so poco ramicadas, llega a presetar grados de polimerizació por arriba de las 100 000 uidades de fructosa. Recietemete se ha aislado bacterias lácticas como L. reuteri, Streptococcus mutans o Leuconostoc citreum (esta última e uestro grupo de trabajo), co la capacidad de producir fructaas de tipo iulia. A diferecia de las fructaas de orige vegetal, las fructaas bacteriaas so sitetizadas extracelularmete a partir de sacarosa mediate la acció de ua sola ezima deomiada fructasacarasa (FT), que puede ser del tipo levasacarasa o iulosacarasa. Es importate señalar que, además de su actividad fructosiltrasferasa, muchas de estas FT so capaces de trasferir uidades de fructosa a moléculas de agua (actividad hidrolasa) o a otro tipo de azúcares como la glucosa, fructosa o raosa.

Los polímeros de fructosa en la industria Si bie desde los años treita se cooce el potecial idustrial de las fructaas al ser utilizadas e pruebas de fucioamieto de riñoes humaos, e los últimos años su relevacia comercial se ha icremetado debido a los beecios e la salud asociados co su cosumo, y el papel que juega e diversas idustrias productoras de bebidas alcohólicas.

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Figura 5. Iulia lieal obteida a partir de raíces de chicorea y sus productos de hidrólisis.

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Fructanas mexicanas: el tequila, el pulque y el pozol

De la misma forma, e la microbiota láctica que participa e la fermetació del pozol (u producto tradicioal fermetado de maíz del sur de México), hemos puesto e evidecia la presecia de fructosiltrasferasas que, vía la sítesis de fructaas, podría participar e los atributos utricioales que caracteriza a estos productos.

La producció de bebidas alcohólicas es uo de los sectores idustriales más exitosos e el mudo. E el caso de México, si bie la bebida alcohólica emblemática es el tequila, la elaboració de otras bebidas tradicioales, como el pulque, el sotol y otros espirituosos como los mezcales, cubre ua parte importate del mercado acioal. El comú deomiador de estas bebidas es que todas ellas se produce a partir de di- La inulina feretes clases de agave, siedo las fructaas la Los reportes recietes sobre los beecios a fuete pricipal de azúcares fermetables pre- la salud asociados al cosumo de fructaas setes e estos vegetales. E las agaváceas exis- ha icremetado de maera sustacial su te diferecias iteresates e la estructura de popularidad como igredietes alimetarios. sus fructaas que puede ser, e buea parte, De hecho, se estima que el cosumo diario per resposables de las diferecias que caracteriza capita de estos productos es de alrededor de 1 a las bebidas que de ellas se deriva. E  Agave a 4 gramos e Estados Uidos y de 3 a 11 gratequilana y Agave americana se había reportado mos e Europa, siedo las pricipales fuetes la presecia mayoritaria de fructaas tipo iuli- aturales el trigo, la miel, la cebolla, el ajo y los a lieal, mietras que e Agave veracruz la pre- plátaos. A pesar de la presecia de fructaas secia de fructaas tipo levaas. E u estudio e ua gra variedad de especies vegetales, la reciete, e el que se utilizaro técicas de reso- pricipal fuete de iulia utilizada a ivel iacia magética uclear, cromatografía de ga- dustrial es la raíz de chicorea. A partir de esta ses acoplado a u espectrofotómetro de masas materia prima se obtiee mezclas de iulias  y espectrometría de masas de tiempo de vuelo co grados de polimerizació o mayores a 60acoplado a desorció/ioizació por láser asis- 90 que tiee aplicació e alimetos fuciotida por ua matriz (MALDI-TOF) realizado e ales. Posteriormete, estas iulias puede  Agave tequilana se demostró que las fructaas someterse a hidrólisis parcial para así obteer de esta variedad o era exclusivamete iuli- oligofructósidos o fructooligosacáridos, los as lieales, sio más bie ua mezcla compleja cuales por deició tiee u grado de polide iulias y levaas ramicadas. E lo que co- merizació meor a 10 (figura 5). ciere al pulque, o se ha realizado estudios Dado que la iulia obteida de esta forpara caracterizar a profudidad las fructaas ma o es completamete hidrolizada a ivel presetes e los aguamieles del Agave america- de itestio delgado, tiee fucioes de bra na que so utilizados como materia prima para dietética y se promueve como alimeto de su elaboració. Si embargo, existe evidecias bajo coteido caloríco (