Estructura química y función de los carbohidratos

Los carbohidratos son biomolécula compuestas principalmente por Carbono, Hidrogeno y Oxígeno. Estos se encuentran distribuidos ampliamente en las plantas y animales ya que tienen funciones de gran importancia para la vida. Sirven como almacenes de energía, combustibles que almacenan una gran cantidad de energía que es liberada cuando la molécula se oxida.

Las plantas sintetizan la glucosa por medio de la fotosíntesis a partir de compuestos inorgánicos como el agua y el dióxido de carbono. Los animales son incapaces de sintetizarla por lo cual obtienen la glucosa al comer plantas o alimentos que la contengan. La luz es una forma de energía que se expresa en unidades llamadas fotones. Los cloroplastos contienen tilacoides en ellos se encuentran los pigmentos, enzimas y los aceptores de electrones que se encargan de atrapar y transportar la energía luminosa. Uno de los pigmentos capaces de absorber la luz se llama clorofila, al captar esta energía las clorofilas llegan a un nivel de excitación que cede esa energía a otras moléculas que actúan como aceptores. Esta energía se puede utilizar para producir ATP a partir de ADP pero el resto es utilizado para producir carbohidratos en dos fases distintas. La primera fase requiere de luz solar debido a que se captura la energía proveniente del sol y se la pasa al NADH2 conocida como fase luminosa, la segunda fase se realiza en la ausencia de luz y aquí se realiza el almacenamiento de energía solar capturada durante la fase luminosa, este proceso se conoce como fase oscura.

Los carbohidratos juegan un papel vital como fuente de energía en todos los seres vivos esta energía contenida en los carbohidratos se transforma por procesos catabólicos útiles para el trabajo celular como la respiración celular esta puede ocurrir en presencia de oxígeno (aerobia) o sin oxígeno (anaerobia).

Importancia de los carbohidratos

Los carbohidratos desempeñan diferentes funciones vitales en todos los seres vivos, estos juegan un papel central en el ciclo energético de la biosfera.

1. Elementos estructurales: La celulosa en las paredes de las plantas, los polisacáridos de las paredes bacterianas y también conforman el exoesqueleto de los antrópodos.
2. Almacenamiento de energía: Los carbohidratos se almacenaran en forma de polisacáridos, en las plantas en forma de almidón, en los animales en forma de glucosa y en las bacterias en forma de dextrosas.
3. Los azúcares ribosa y desoxirribosa forman parte de la trama estructural del RNA y DNA. La flexibilidad conformacional de los anillos de estos azúcares es vital para la expresión y almacenamiento de la información genética.
4. El ATP es la unidad biológica de energía libre, es un derivado del azúcar fosforilado.
5. Son intermediarios metabólicos ya que juegan un papel importante en la glucolisis de donde se obtiene la energía de manera inmediata.

Clasificación

Monosacáridos

Es la unidad básica de los carbohidratos. Son aquellos que no pueden ser hidrolizados (separación de una molécula en dos o más moléculas menores por reaccionar con el agua). Su fórmula empírica es (CH₂O)n en donde n ≥ 3. Tienen la terminación OSA. Estos azucares simples están constituidos por una unidad de polihidroxialdehído o cetona. Los monosacáridos se agrupan en dos clases generales aldosas y cetosas. Se clasifican según el número de sus carbonos y la naturaleza química de su grupo carbonilo. Su cadena no está ramificada y todos los átomos contienen por lo menos un grupo alcohol (-OH), el átomo de carbono restante tiene unido un grupo carbonilo (C=O). Si este grupo carbonilo este el extremo de la cadena se trata de un grupo aldehído (CHO), si el carbono está en cualquier otra posición se trata de una cetona (-CO-).

Estos pueden subdividirse según el número de átomos de carbono que posean como:

1. Triosas (CH₂O) ₃
2. Tetrosas (CH₂O) ₄
3. Pentosas (CH₂O) ₅
4. Hexosas (CH₂O) ₆
5. Heptosas (CH₂O) ₇
6. Octosas (CH₂O) ₈

Aldosas y Cetosas

Las Aldosas son monosacáridos cuya molécula contiene un grupo aldehído, –CHO al extremo de la cadena, si se encuentra en un carbono secundario es una cetona.

Oligosacarido

Son compuestos que estan conformados por un número pequeño de monosacáridos que va de dos a 10, estos se encuentran unidos entre sí por medio de enlaces glucosídicos (enlaces acéticos que es un enlace de tipo covalente entro los grupos alcohol de dos monosacáridos desprendiendo una molecula de agua). Son solubles en agua y poseen un grupo hemiacetálico libre. Son importantes componentes de las glicoproteínas (Contienen una o varias unidades de oligosacáridos unidos a cadenas laterales de asparraguina mediante enlaces N-glicosídicos), constituyentes de los líquidos corporales y de los tejidos.

Polisacáridos

Formadas por una gran cantidad de monosacáridos, cumplen diversas funciones principalmente energía de reserva y funciones estructurales. Estos se unen mediante enlaces glucosídicos. Las hidrolasas son enzimas encargadas de la digestión de los polisacáridos y estas son específicas para cada uno sobre todo para determinado grupo de enlace glucosídico, estas enzimas rompen en general uno de cada dos enlaces liberando disacáridos y permitiendo que las enzimas completen el trabajo posteriormente. Existen tres grupos de polisacáridos Polisacáridos de estructura: Estos dan soporte mecánico a las células, órganos y a los organismos. Los que estan conformados por un solo tipo de monosacáridos reciben el nombre de homoglucanos mientras que los que se conforman de diferentes monosacáridos se llaman hereglucanos. Polisacáridos Hidrófilos: Estos hidratados y su función es impedir la pérdida de agua de las células o tejidos. Polisacáridos de Reserva: Forma de almacenar la glucosa como polímero para no ocasionar un problema osmótico. En las plantas se almacena en forma de almidón y en los animales en forma de glucógeno. Solo se almacena una pequeña cantidad para asegurar el suministro de glucosa, en los animales la manera de almacenar energía de reserva es mediante los lípidos o grasas y esta glucosa se guarda para no más de seis horas.

Isomería

Los isómeros son compuestos que tienen la misma composición atómica pero diferente forma estructural. Los monosacáridos con excepción de la dihidroxiacetona son ópticamente activos, estos hacen girar el plano de la polarizada debido a que tienen uno o más átomos de carbono asimétricos (quirales). Una molécula con n centros quirales puede tener 2n estereoisómeros. En la nomenclatura de los monosacáridos se pone la letra L o D según la configuración de su último carbono quiral. La D significa que el OH en ese carbono está a la derecha y la L a la izquierda. Si la luz gira en sentido de las manecillas de reloj, el compuesto es dextrorrotatorio (dextro: griego, derecha) y se designa con el signo +. Si por el contrario, la luz gira en sentido opuesto a las manecillas del reloj, es levorrotatorio (levo: griego, al contrario) y se designa con - .Cuando los monosacáridos difieren en la configuración alrededor de un átomo de carbono quiral, se dice que son epímero entre sí como la glucosa y galactosa difieren únicamente en la configuración en su carbono número cuatro.

Cadena hidrocarbonada

Unión de carbono-carbono, formando cadenas de distintos tipos, ya que pueden darse enlaces simples, dobles o triples. Cuando el resto de enlaces de estas cadenas son con hidrógeno, se habla de hidrocarburos, que pueden ser: Saturados (enlaces covalentes simples), Insaturados (Con enlaces covalentes dobles), Hidrocarburos saturados con cadena cerrada, Aromáticos. La cadena hidrocarbonada es de carácter apolar, mientras sea más larga y contenga menos dobles enlaces la solubilidad en agua será menor. El grupo carboxilo que contiene es polar y esto hace que los ácidos grasos sean antipáticos. La longitud y el grado de insaturación de la cadena hidrocarbonada de los ácidos grasos también condicionan su punto de fusión. El aumento del número de carbonos de la cadena hidrocarbonada hace aumentar el punto de fusión. Los ácidos grasos son biomoléculas que formadas por cadenas hidrocarbonadas lineales con una diferencia en su longitud de átomos de carbono, en su extremo hay un grupo carboxilo, en el extremo de la molécula se encuentra un grupo carboxilo (-COOH). El grupo carboxilo tiene un carácter ácido mientras que el hidroxilo tiene un carácter básico. Los ácidos grasos forman parte de los fosfolípidos y glucolípidos, estas moléculas constituyen la bicapa lipídica de todas las membranas celulares.

Metabolismo

Los ácidos grasos son moléculas energéticas y necesarias para los procesos celulares en presencia de oxígeno debido a los hidrógenos pueden oxidarse. Los organismos y sus células utilizan diferentes rutas metabólicas para obtener energía y otras moléculas a partir de glúcidos. Una de las principales rutas de este tipo de biomoléculas es la ruta de la glucólisis.

La glucólisis es la ruta degradativa de la glucosa, la principal molécula energética del organismo. Constituye uno de los primeros pasos para la obtención de la energía de la célula. Esta tiene lugar en el citosol o citoplasma de las células eucariotas y procariotas, y en las células vegetales algunas de las reacciones glucolíticas se encuentran en el ciclo de Calvin (fase de fijación del CO2 de la fotosíntesis) Fase preparativa: Transformación y escisión de la glucosa en dos triosas de fosfato, el gliceraldehído-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato. Gasto energético: dos moléculas de ATP por una de molécula de glucosa. Finalidad de activar y preparar la glucosa para su posterior procesamiento. Fase de rendimiento energético: Transformación de la molécula de gliceraldehído-3-fosfato en piruvato. Se obtienen cuatro moléculas de ATP y dos de NADH + H+ por molécula de glucosa.

Referencias

1. A. Peña & A. Arroyo. 2004. Bioquímica. México. Editorial Limusa.
2. E.Feducho. 2015. Bioquímica conceptos esenciales. Madrid. 2da. Edición. Ed Panamericana.