3.1: Carbohidratos

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Los carbohidratos son macromoléculas con las que la mayoría de los consumidores están algo familiarizados. Para bajar de peso, algunos individuos se adhieren a dietas “bajas en carbohidratos”. Los atletas, en contraste, a menudo “carb-cargan” antes de importantes competiciones para asegurarse de que tienen la energía suficiente para competir a un alto nivel. Los carbohidratos son, de hecho, una parte esencial de nuestra dieta; los granos, frutas y verduras son todas fuentes naturales de carbohidratos. Los carbohidratos aportan energía al cuerpo, particularmente a través de la glucosa, un azúcar simple. Los carbohidratos también tienen otras funciones importantes en humanos, animales y plantas.

Foto de pan y pasta — **Figura\(\PageIndex{1}\):** El pan, la pasta y el azúcar contienen altos niveles de carbohidratos. (Los “productos de trigo” del Departamento de Agricultura de Estados Unidos son de dominio público)

Los carbohidratos pueden ser representados por la fórmula estequiométrica (CH ₂ O) _n, donde n es el número de carbonos en la molécula. En otras palabras, la relación de carbono a hidrógeno a oxígeno es de 1:2:1 en las moléculas de carbohidratos. Esta fórmula también explica el origen del término “carbohidrato”: los componentes son carbono (“carbo”) y los componentes del agua (de ahí, “hidrato”). Los carbohidratos se clasifican en tres subtipos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Monosacáridos

Los monosacáridos (mono- = “uno”; sacchar- = “dulce”) son azúcares simples, el más común de los cuales es la glucosa. En los monosacáridos, el número de carbonos suele oscilar entre tres y siete. La mayoría de los nombres de monosacáridos terminan con el sufijo -ose.

La fórmula química para la glucosa es C ₆ H ₁₂ O ₆. En los humanos, la glucosa es una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, se libera energía de la glucosa, y esa energía se usa para ayudar a producir trifosfato de adenosina (ATP). Las plantas sintetizan glucosa usando dióxido de carbono y agua, y la glucosa a su vez se usa para los requerimientos energéticos de la planta. El exceso de glucosa a menudo se almacena como almidón que es catabolizado (la descomposición de moléculas más grandes por las células) por humanos y otros animales que se alimentan de plantas.

La galactosa (parte de la lactosa, o azúcar de la leche) y la fructosa (que se encuentra en la sacarosa, en la fruta) son otros monosacáridos comunes. Aunque la glucosa, galactosa y fructosa tienen la misma fórmula química (C ₆ H ₁₂ O ₆), difieren estructural y químicamente (y se conocen como isómeros) debido a la diferente disposición de los grupos funcionales alrededor del carbono asimétrico; todos estos monosacáridos tienen más de un carbono asimétrico. Dentro de un monosacárido, todos los átomos están conectados entre sí con fuertes enlaces covalentes.

Estructuras químicas de glucosa, galactosa y fructosa. — **Figura\(\PageIndex{2}\):** Glucosa, galactosa y fructosa son todas hexosas. Son isómeros estructurales, es decir, tienen la misma fórmula química (C ₆ H ₁₂ O ₆) pero una disposición diferente de átomos. Las líneas entre átomos representan enlaces covalentes.

Disacáridos

Los disacáridos (di- = “dos”) se forman cuando dos monosacáridos experimentan una reacción de deshidratación (también conocida como reacción de condensación o síntesis de deshidratación). Durante este proceso, el grupo hidroxilo (OH) de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua y formando un enlace covalente que une los dos monosacáridos entre sí.

Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa (Figura\(\PageIndex{3}\)). La lactosa es un disacárido que consiste en los monómeros glucosa y galactosa. Se forma por una reacción de deshidratación entre las moléculas de glucosa y galactosa, que elimina una molécula de agua y forma un enlace covalente. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido compuesto por dos moléculas de glucosa conectadas por un enlace covalente. El disacárido más común es la sacarosa, o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa, también conectados por un enlace covalente.

estructuras de disacáridos — **Figura\(\PageIndex{3}\):** Los disacáridos comunes incluyen maltosa (azúcar de grano), lactosa (azúcar de leche) y sacarosa (azúcar de mesa).

Polisacáridos

Una larga cadena de monosacáridos unidos por enlaces glicosídicos se conoce como polisacárido (poli- = “muchos”). La cadena puede ser ramificada o no ramificada, y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. Todos los monosacáridos están conectados entre sí por enlaces covalentes. El peso molecular puede ser de 100.000 daltons o más dependiendo del número de monómeros unidos. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos primarios de polisacáridos.

El almidón es la forma almacenada de azúcares en las plantas y se compone de una mezcla de amilosa y amilopectina (ambos polímeros de glucosa). Básicamente, el almidón es una cadena larga de monómeros de glucosa. Las plantas son capaces de sintetizar glucosa, y el exceso de glucosa, más allá de las necesidades energéticas inmediatas de la planta, se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluyendo raíces y semillas. El almidón en las semillas proporciona alimento para el embrión ya que germina y también puede actuar como fuente de alimento para humanos y animales. El almidón que consumen los humanos es descompuesto por enzimas, como las amilasas salivales, en moléculas más pequeñas, como la maltosa y la glucosa. Las células pueden entonces absorber la glucosa.

El glucógeno es la forma de almacenamiento de la glucosa en humanos y otros vertebrados y se compone de monómeros de glucosa. El glucógeno es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que generalmente se almacena en células hepáticas y musculares. Siempre que los niveles de glucosa en sangre disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa en un proceso conocido como glucogenólisis.

estructuras de almidón — **Figura\(\PageIndex{4}\): La** amilosa y la amilopectina son dos formas diferentes de almidón. La amilosa está compuesta por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa. La amilopectina está compuesta por cadenas ramificadas de monómeros de glucosa. Debido a la forma en que se unen las subunidades, las cadenas de glucosa tienen una estructura helicoidal. El glucógeno (no mostrado) es similar en estructura a la amilopectina pero más altamente ramificado.

La celulosa es el biopolímero natural más abundante. La pared celular de las plantas está compuesta principalmente de celulosa; esto proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente de naturaleza celulósica. La celulosa está compuesta por monómeros de glucosa (Figura\(\PageIndex{5}\)).

fibrillas de celulosa — **Figura\(\PageIndex{5}\):** En la celulosa, los monómeros de glucosa están unidos en cadenas no ramificadas. Debido a la forma en que se unen las subunidades de glucosa, cada monómero de glucosa se voltea en relación con el siguiente dando como resultado una estructura fibrosa lineal.

Los carbohidratos cumplen diversas funciones en diferentes animales. Los artrópodos (insectos, crustáceos y otros) tienen un esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege sus partes internas del cuerpo (como se ve en la abeja en la Figura\(\PageIndex{6}\)). Este exoesqueleto está hecho de la macromolécula biológica quitina, que es un nitrógeno que contiene polisacárido. Está hecho de unidades repetitivas de N-acetil- β -d-glucosamina, un azúcar modificado. La quitina es también un componente importante de las paredes celulares fúngicas; los hongos no son animales ni plantas y forman un reino propio en el dominio Eukarya.

abeja volando hacia una flor púrpura — **Figura\(\PageIndex{6}\):** Los insectos tienen un exoesqueleto externo duro hecho de quitina, un tipo de polisacárido. (crédito: Louise Docker)

¿Cómo se relaciona la estructura de carbohidratos con la función?

La energía se puede almacenar dentro de los enlaces de una molécula. Los enlaces que conectan dos átomos de carbono o que conectan un átomo de carbono a un átomo de hidrógeno son enlaces de alta energía. Romper estos vínculos libera energía. Es por ello que nuestras células pueden obtener energía de una molécula de glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₆).

Los polisacáridos forman largas cadenas fibrosas que son capaces de construir estructuras fuertes como paredes celulares.

Referencias

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OpenStax, Biología. OpenStax CNX. mayo 27, 2016 http://cnx.org/contents/s8Hh0oOc@9.10:QhGQhr4x@6/Biological-Molecules