Carbohidratos

Los carbohidratos o sacáridos son componentes esenciales de los organismos vivos, y son de hecho, la clase más abundante de las células biológicas en general después de las proteínas. Los carbohidratos son polihidroxialdehídos, es decir, moléculas que contienen un grupo carbonilo como un aldehído o cetona, y más de un grupo OH; estos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la tierra a causa de  sus variadas funciones en todos los seres vivos.

El papel de los carbohidratos energéticamente en las células es fundamental, ya que sirven como almacenes de energía, combustibles e intermediarios metabólicos. El almidón en las plantas y el glucógeno en los animales son dos polisacáridos que pueden movilizarse para liberar glucosa el componente primordial de la energía en el organismo, por otro lado algunos azúcares forman parte de la forma estructural del ADN y el ARN almacenando y expresando la información genética. (Universidad de Córdoba., 2006)

En otro lugar encontramos los polisacáridos, estos son elementos estructurales que en muchos casos encontramos unidos a muchas proteínas y lípidos teniendo una función diferente de acuerdo a su isomería y a su ubicación; están ampliamente distribuidos en los animales y en los vegetales desempeñando diferentes papeles como compuestos estructurales. (Juan Manuel González., 2004)

Vegetales: En los vegetales la glucosa es sintetizada a través de la fotosíntesis partiendo de dióxido de carbono y agua, almacenada como almidón y convertida a celulosa que forma parte de la estructura de soporte vegetal. El ciclo de Calvin describe la fijación de dicho CO₂ y la transformación de la glucosa a través de una enzima denominada RuBisCo (Ribulosa 1,5 bifosfato Carboxilasa-Oxigenasa; éste proceso consiste en tres etapas principales:

1.      Fijación, en donde se produce la carboxilación de difosfato de ribulosa para formar PGA (ácido fosfoglicérico)

2.      Reducción del ácido fosfoglicérico al nivel de un azúcar (CH₂O), a través de la formación de gliceraldehído-3-fosfato        con el NADPH y el ATP que se producen en las reacciones dependientes de la luz.

3.      Regeneración del difosfato ribulosa, necesitando ATP.

Animales: Los animales pueden sintetizar algunos carbohidratos a partir de lípidos y proteínas ingeridos en su dieta común, pero el volumen mayor de dichos carbohidratos de animales se deriva en última instancia de los vegetales.

La unidad básica de los carbohidratos es el monosacárido, todos los carbohidratos están compuestos de ellos sin excepción, y polímeros que contienen hasta seis unidades monosacáridas denominadas oligosacáridos, aquellos que poseen más de seis unidades son denominados polisacáridos. Normalmente los carbohidratos tienen las siguientes características químicas:

• ·     Es una molécula orgánica; es decir, su estructura está basada en una cadena carbonada
•        La cadena carbonada está acompañada de grupos hidroxilo (OH).
• ·     Pueden tener grupos aldehídos o cetonas, a veces se encuentran ambos y pueden denominarse aldosas o cetosas.
• ·     Moléculas ricas en enlaces de alta energía.
• ·     Presentan muchos isómeros y mucha actividad óptica.

Nutricionalmente es de utilidad considerar a los azúcares en dos grupos:

• .      Azúcares intrínsecos que se encuentran contenidos en las paredes celulares.
• .      Azúcares que se encuentran dispersos en alimentos, es decir extrínsecos.

Los carbohidratos son muy abundantes en vegetales en los que frecuentemente sobrepasan el 75% de la materia que los conforma, en los animales dicho porcentaje es mucho más bajo, dicha abundancia se debe a la producción explicada anteriormente a través de la fotosíntesis:

Los carbohidratos presentes en los vegetales son la fuente principal para herbívoros y fuente necesaria de fibra dietética importante en los rumiantes para la estimulación de la rumia.

ENLACES DE UNIÓN DE CARBOHIDRATOS:

La unión covalente entre cadenas se establece a través de dos tipos de enlaces glucosídicos: N-glucosidico y O-glucosidico  dependendiendo de la ubicación de la ubicación en el carbohidrato; el enlace N-glucosídico se encuentra presente en la mayoría de proteínas, a través de él se unen un azúcar y un compuesto aminado y el enlace O-glucosídico el cual se forma entre una serina o treonina y el carbohidrato, por medio de éste se unen monosacáridos para formar disacáridos o polisacáridos, en éste tipo de enlace un grupo OH de un monosacárido reacciona con otro grupo OH de otro monosacárido desprendiéndose una molécula de agua, los monosacáridos que quedan unidos se enlazan a través de un átomo de oxígeno, de allí su nombre. (Maira Segura Campos & Luis Chel Guerrero, s. f.)

Algunas glucoproteínas[1] poseen ambos tipos de enlaces y varios de ellos tienen un número diverso de oligosacáridos unidos.

MONOSACÁRIDOS:

Los monosacáridos son carbohidratos los cuales no pueden ser hidrolizados o separados en moléculas más sencillas; se conocen también como azúcares simples y se encuentran constituidos por una sola unidad de cetona. El monosacárido más abundante en la naturaleza es la D-glucosa, un azúcar de 6 carbonos. Su forma empírica general es (CH₂O)_n, n equivale a un número entero cualquiera entre 3 y 9, todos los monosacáridos pueden ubicarse en aldosas y cetosas, cada uno de estos contiene un esqueleto de carbonos unidos a través de enlaces sencillos, y cada carbono en la cadena se une a un grupo hidroxilo (OH), o a un grupo carbonilo (C=O); si el grupo carbonilo se localiza en una posición interna, forma un grupo cetona y produce un azúcar perteneciente al grupo de cetosas como fructosas. Si el carbonilo se localiza en un extremo del azúcar, forma un grupo aldehído y la molécula se conoce como aldosa como la glucosa. (J. F Patiño Restrepo & Sonia Echeverri, 2006)

•       La terminación –osa es característica en la nomenclatura de los carbohidratos.
•       La terminación –ulosa se utiliza de modo irregular para referirse a la cetosa simple.

OLIGOSACÁRIDOS:

Son glúcidos formados por la unión de varios monosacáridos, generalmente conformados entre 3 a 20. Los cuales están unidos entre sí por enlaces O-glicosidicos.

Entre estos hay una gran diversidad ya que varía el número de monosacáridos, sus ramificaciones, el tipo de monosacárido y la forma de enlazarse para formar el oligosacárido, siendo los más comunes los disacáridos, los cuales son la unión de dos monosacáridos, estos son:

Lactosa= Glucosa + Galactosa

Sacarosa= Glucosa + Fructosa

Maltosa= Glucosa + Glucosa

Así se forman los trisacáridos, tetrasacáridos, o en general, oligosacáridos. La cadena de oligosacáridos no tiene que ser necesariamente lineal, y de hecho, con mucha frecuencia se encuentran en la Naturaleza oligosacáridos y polisacáridos ramificados. Esta capacidad de variabilidad dota a los oligosacáridos de la capacidad para almacenar información, siendo esta su principal función. Estos se encuentran en la naturaleza en la superficie exterior de la membrana celular, enlazados a las moléculas de proteínas o lípidos, constituyendo las glicoproteínas o glicolipidos en donde glúcido cumple la función de dar a la célula una señal de identidad, de manera que los distintos tipos celulares se reconocen por los oligosacáridos presentes en el exterior de su membrana. Del mismo modo actúan como receptores de sustancias específicas que ha de producir la célula para determinadas reacciones. 

Los oligosacáridos suelen estar unidos covalentemente a proteínas o a lípidos formando glicoproteínas y glicolípidos. Los oligosacáridos pueden unirse a las proteínas de dos formas: 

• mediante un enlace N-glicosídico a un grupo amida de la cadena lateral del aminoácido asparagina
• mediante un enlace O-glicosídico a un grupo OH de la cadena lateral de los aminoácidos serina o treonina.

Los oligosacáridos se unen a los lípidos mediante un enlace O-glicosídico a un grupo OH del lípido. La unión y la estructura del oligosacárido son de tal manera que éste no presenta ningún grupo reductor libre. En la composición del oligosacárido suelen formar parte monosacáridos como: D-glucosa, D-galactosa, D-manosa, N-acetil-D-glucosamina, N-acetil-D-galactosamina, ácido siálico y fucosa.

Los oligosacáridos que forman parte de los glicolípidos y glicoproteínas que se encuentran en la superficie externa de la membrana plasmática (figura derecha de la tabla superior) tienen una gran importancia en las funciones de reconocimiento en superficie.

Los oligosacáridos también cumplen funciones importantes cuando forman parte de las glicoproteínas solubles del citoplasma. Entre las funciones que llevan a cabo los oligosacáridos unidos a proteínas que se encuentran disueltas en el citoplasma celular caben destacar:

1.  Función estructural: La presencia del oligosacárido puede participar en el proceso de plegamiento correcto de la molécula, como en el caso de la inmunoglobulina G. Además, confiere mayor estabilidad a las proteínas de membrana, ya que al ser muy polares, facilitan su interacción con el medio.

2.   En muchos casos, el oligosacárido que se une a la estructura de la proteína determina el destino de la proteína sintetizada: glicoproteína de la membrana, proteína de secreción o proteína específica de un orgánulo determinado.

3.   Los residuos de ácido siálico, además de aportar numerosas cargas negativas a las proteínas, también las protegen de la acción de proteasas (enzima que degrada proteínas).

4.   En los peces que habitan en latitudes polares, existe una proteína anticongelante, presente en elevada concentración en los líquidos corporales de estos animales, y que se une a una gran cantidad de residuos de carbohidrato.

Disacáridos: Son oligosacáridos sencillos. Estos están formados por la unión de dos monosacáridos, generalmente hexosas, mediante el enlace glucosidico. Este enlace puede ser alfa o beta glucosidico, dependiendo de la posición que ocupa el grupo OH del primer monosacárido (hacia abajo es alfa y hacia arriba es beta).

https://www.youtube.com/watch?v=6nzx2Et5fRw

CARACTERISTICAS:
   

•    SON AZUCARES, SABOR DULCE
•    SOLUBLES EN AGUA
•    SON CRISTALIZADOS

Los más importantes están constituidos por la unión de dos hexosas en donde se establece el enlace glucosídico, es decir:

=C6H12O6 + C6H12O6     C12H22011 + H2O EN DONDE EL C12H22O11 SE CONSIDERA COMO LA FORMULA GENERAL DE UN DISACARIDO CUANDO SE UNEN DOS HEXOSAS.

ENLACE GLUCOSIDICO: Se establece de dos formas.

·    SI EL ENLACE SE ESTABLE ENTRE LOS GRUPOS OH DE LOS CARBONOS ANOMERICOS (ATOMO DE C QUE EN LA ESTRUCTURA LINEAL NO ES ASIMETRICO, PERO CUANDO SE CILA SE CONVIERTE EN UN CENTRO QUIRAL, ES DECIR SE VUELVE ASIMETRICO) SI ESTAMOS HABLANDO DE UN ENLACE DICARBONILICO, EL DISACARIDO RESULTANTE CARECE DE CAPACIDAD REDUCTORA, YA QUE DEPENDE DE LA PRESENCIA DE UN OH LIBRE EN EL CARBONO ANOMERICO, POR EJEMPLO LA SACAROSA.

EL O-GLUCOSIDICO QUE SE PUEDE FORMAR ENTRE EL OH DEL  CARBONO ANOMERICO EN EL PRIMER MONOSACARIDO Y EL OH DE OTRO CARBONO NO ANOMERICO DEL SEGUNDO MONOSACARIDO, ES DECIR UN ENLACE MONOCARBONILICO, ESTOS DISACARIDOS TIENEN CAPACIDAD REDUCTORA, COMO POR EJEMPLO LA MALTOSA O LA LACTOSA.

·   SI EL PRIMER MONOSCARIDO SE ENCUENTRA EN LA FORMA ALFA EL ENLACE ES ALFA-GLUCOSIDICO Y SI ESTA EN LA FORMA BETA SE HABLA DE UN ENLACE BETA-GLUCOSIDICO.

SACAROSA: Es el azúcar extraído de la caña de azúcar o de la remolacha, dentro de su estructura presenta moléculas con grupos funcionales hidroxilo OH y carbonilos (Aldehídos y cetonas).

                         

Dentro de sus propiedades se encuentra:

• ·         SON ALTAMENTE SOLUBLES EN AGUA ( A 20° C SE SOLUBILIZAN 203.9gr DE AZUCAR EN 100gr DE AGUA, AUMENTANDO DE 478.2 gr CADA 100gr DE AGUA A 100° C)
• ·         LA SINTESIS DE LA SACAROSA SE OBTIENE A PARTIR DE LA CONDENSACION DE DOS MONOSACARIDOS, LA GLUCOSA Y LA FRUCTOSA, LIBERANDO UNA MOLECULA DE AGUA. EN DONDE EL ENLACE O-GLUCOSIDICO SE ESTABLECE ENTRE LOS CARBONOS ANOMERICOS C1 DE LA GLUCOSA Y C2 DE LA FRUCTOSA.
• ·         LA REACCION INVERSA, ES DECIR LA HIDROLISIS, MEDIANE LA CUAL LA MOLECULA DE SACAROSA SE DIVIDE EN DOS PARTES IGUALES, EN UNA MOLECULA DE GLUCOSA Y OTRA DE FRUCTOSA. ESTA HIDROLISIS ES LLEVADA A CABO POR MEDIO DE UNA ENZIMA (SACARASA) O UN ACIDO.

MALTOSA: Está formado por dos glucosas por medio de un enlace glucosídico producido entre el oxígeno del primer carbono anomérico de la primer glucosa y el oxígeno del cuarto carbono de la otra glucosa. También se conoce como alfa glucopiranosil (1-4) alfa glucopiranosa.

                              

PROPIEDADES:

1. MALTOSA O TAMBIEN LLAMADA AZUCAR DE MALTA, ES EL DISACARIDO MENOS COMUN EN LA NATURALEZA, ESTE SE ENCUENTRA EN LAS SEMILLA EN GERMINACION
2. ESTA SE PUEDE PRODUCIR A TRAVES DE LA DEGRADACION DEL ALMIDON POR ACCION DE LA ENZIMA AMILOSA
3. ES ALTAMENTE SOLUBLE EN AGUA, LIGERAMENTE EN ALCOHOL Y SE CRISTALIZA EN FINAS AGUJAS.
4. LA REACCION INVERSA, ES DECIR LA HIDROLISIS,POR MEDIO DE LA MALTASA LO QUE PRODUCE UN UNICO COMPUESTO, LA GLUCOSA AL SER UN AZUCAR DE FACIL DIGESTION, SE UTILIZA EN ALIMENTOS INFANTILES Y EN BEBIDAS COMO LA LECHE MALTEADA. SE FERMENTA POR MEDIO DE LEVADURAS Y ES FUNDAMENTAL PARA LA PRODUCCION DE CERVEZA.

LACTOSA: ES UN AZUCAR NATURAL QUE SE PRODUCE EN LAS GLANDULAS MAMARIAS, TANTO EN MAMIFEROS COMO EN SERES HUMANOS. LA LACTOSA NECESITA UNA ENZIMA INTESTINAL (LACTASA) PARA SER DIGERIDA APROPIADAMENTE, A MENOR PRODUCCION DE ESTA ENZIMA MAYOR ES LA POSIBILIDAD DE SUFRIR INTOLERANCIA A LA LACTOSA.

ESTA FORMADA POR DOS AZUCARES SIMPLES, LA GLUCOSA Y LA GALACTOSA, EN DONDE EL ENLACE O-GLICOSIDICO SE ESTABLECE ENTRE EL CARBONO ANOMERICO DE LA GALACTOSA C1 Y EL C4 DE LA GLUCOSA EL CUAL SE DENOMINA UN ENLACE GLUCOSIDICO 1-4.

PROPIEDADES:

1.  LA LACTOSA SE ENCUENTRA EN LA LECHE EN DOS FORMAS QUIMICAS ISOMERAS: ALFA Y BETA, SE DIFERENCIAN ENTRE SI POR LA POSICION DEL GRUPO OH, POR EL DESIGUAL GIRO DEL RAYO POLARIZADO Y POR SU DIFERENTE SOLUBILIDAD EN AGUA.

Digestión de carbohidratos.

Como ya son unidades pequeñas y simple pueden ser transportados por el intestino delgado a la sangre, esto será la absorción. Los monosacáridos, son transportados por diferentes mecanismos de transporte de membrana en las células de intestino delgado, los enterocitos. (sí son disacáridos, es más difícil que atraviesen la membrana celular para su transporte a la sangre, por ello la importancia de la acción enzimática en cada uno).

 Existen diferentes tipos de transporte activo dependiente de sodio (glucosa y fructosa) gracias a un co-transportador de sodio-glucosa, este transporte representa el 60 % de la absorción de carbohidratos. 

  por difusión facilitada de sacarosa.
     ligando de disacaridasas que recibe la enzima en el borde de cepillo y allegar el disacárido lo hidroliza para su absorción al interior del enterocito.

Existen anomalías como en la lactosa y sacarosa llamadas intolerancia.

Cuando el nivel de glucosa aumenta en la sangre, se produce un aumento en la secreción pancreática de insulina, ésta hormona endocrina permitirá el transporte de la glucosa a el hígado, musculo y tejido adiposo. Esto se llama almacenamiento.
La glucosa se almacena el hígado y músculo en forma de glucógeno (polisacárido de reserva energética) debido a su larga estructura necesita mucha agua para ser almacenado, y por ello se almacena no más de 300 gr en el hígado y músculos.
Toda la glucosa ingerida en las células, se acumula en forma de glucógeno que servirá después como fuente inmediata de energía en momento de ayuno proporcionando glucosa para su metabolismo. (Cuando hay exceso de glucosa se puede transformar en triglicéridos en el hígado que serán transportados al tejido adiposo. Almacenando sé cómo grasa de reserva en caso del agotamiento del glucógeno).

Cuando llegan al interior de las células se produce el metabolismo de carbohidratos, iniciando se así los procesos de glucogénesis, gluconeogénesis, glucógenolisis, glucolisis y la debida regulación de cada uno de estos procesos.

En condiciones normales, los carbohidratos provenientes de la dieta se absorben en forma de polímeros de hexosas: glucosa, galactosa y fructosa.
La vías metabólicas para cada una se encuentra presente, pero la mayor fuente de energía se deriva del metabolismo de la glucosa.
Todas las células metabólicamente activas, contienen la enzima hexoquinasa para el metabolismo de la glucosa. Sin embargo las células hepáticas (hepatocitos)  desarrollan un papel importantísimo, ya que ellas regulan los niveles sanguíneos de glucosa de acuerdo con la situación metabólica del individuo. (Juan Manuel González., 2004)

La síntesis de carbohidratos es la formación, ruptura o conversión de éstos mismos. (Nelson & Cox, 2004) Se encuentra dado por una serie de procesos.

-La glucólisis o glicólisis (del griego glycos, azúcar y lysis, ruptura), es la vía metabólica encargada de oxidar la glucosa con la finalidad de obtener energía para la célula.

-La glucógenolisis es un proceso catabólico que hace referencia a la degradación de glucógeno a glucosa o glucosa 6-fosfato. Se da cuando el organismo requiere un aumento de glucosa y, a través de este proceso, puede liberarse a la sangre y mantener su nivel (glucemia). Tiene lugar en casi todos los tejidos, aunque de manera especial en el músculo y en el hígado debido a la mayor importancia del glucógeno como combustible de reserva en estos tejidos. Es llevado a cabo en el citosol y consiste en la remoción de un monómero de glucosa de una molécula de glucógeno mediante desfosforilación para producir glucosa 1 fosfato, que después se convertirá en glucosa 6-fosfato, intermediario de la glucólisis.

-La glucogénesis es el proceso a través del cual se obtiene glucosa a partir de la degradación de otros azúcares como lactosa y sacarosa. Este proceso está estimulado por la insulina, ésta es una ruta anabólica por la que tiene lugar la síntesis de glucógeno (también llamado glicógeno) a partir de un precursor más simple, la glucosa-6-fosfato. Se lleva a cabo principalmente en el hígado, y en menor medida en el músculo. El glucógeno se forma por la incorporación repetida de unidades de glucosa, ofrecida al sistema de forma de UDP-Glucosa a una semilla de glucógeno preexistente (glucogenina), que no es menor de 4 moleculas de glucosa unidas entre si. El único alimento de la vía glucogénica (glucogénesis) es la glucosa-6-fosfato.

-Gluconeogenesis, génesis proviene del griego γένεσις (/guénesis/), ‘nacimiento, creación, origen’. Es una ruta metabólica anabólica que permite la biosíntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos. Incluye la utilización de varios aminoácidos, lactato, piruvato, glicerol y cualquiera de los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (o ciclo de Krebs) como fuentes de carbono para la vía metabólica. Todos los aminoácidos, excepto la leucina y la lisina, pueden suministrar carbono para la síntesis de glucosa. (J. F Patiño Restrepo & Sonia Echeverri, 2006)

Glucogenogénesis: Se produce en hígado y es la formación de glucógeno como reserva de energía, que podrá ser utilizada por los músculos y órganos en caso de ser necesario (Donald Voet & Judith G. Voet., 2006)

https://www.youtube.com/watch?v=ImT5PF22UIM

Bibliografía:

Donald Voet, & Judith G. Voet. (2006). Bioquímica. (3ra ed.). Panamericana.

J. F Patiño Restrepo, & Sonia Echeverri. (2006). Metabolismo y nutrición: Carbohidratos. (4ta ed.). Panamericana.

Juan Manuel González. (2004). Curso de biomoléculas.

Maira Segura Campos, & Luis Chel Guerrero. (s. f.). Efecto de la digestión en la biodisponibilidad de péptidos con actividad biológica., 386-391.

Universidad de Córdoba. (2006). Digestión, absorción y metabolismo de los carbohidratos.

Universidad del país vasco. Biomoléculas, azúcar.

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[1] Glucoproteínas: Molécula de dimensiones específicas integrada por una o varias unidades oligosacáridas de modo covalente a cadenas laterales específicas de aminoácidos, las glucoproteínas suelen tener un mayor porcentaje de proteínas que de carbohidratos (Melo, 2008) sin embargo, a este grupo pertenecen los azúcares más comunes, tales como son la D-galactosa, D-glucosa, D-fucosa.