3.2: Carbohidratos
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- Discutir el papel de los carbohidratos en las células y en los materiales extracelulares de animales y plantas
- Explicar las clasificaciones de carbohidratos
- Enumerar monosacáridos, disacáridos y polisacáridos comunes
La mayoría de las personas están familiarizadas con los carbohidratos, un tipo de macromolécula, sobre todo cuando se trata de lo que comemos. 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 suficiente energía 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 proporcionan energía al cuerpo, particularmente a través de la glucosa, un azúcar simple que es un componente del almidón y un ingrediente en muchos alimentos básicos. Los carbohidratos también tienen otras funciones importantes en humanos, animales y plantas.
Estructuras Moleculares
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. Si el azúcar tiene un grupo aldehído (el grupo funcional con la estructura R-CHO), se le conoce como aldosa, y si tiene un grupo cetona (el grupo funcional con la estructura RC (=O) R'), se le conoce como cetosa. Dependiendo del número de carbonos en el azúcar, también pueden conocerse como triosas (tres carbonos), pentosas (cinco carbonos) y/o hexosas (seis carbonos). Ver Figura\(\PageIndex{1}\) para una ilustración de los monosacáridos.
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 (Figura\(\PageIndex{2}\)).
Conexión de arte
¿Qué tipo de azúcares son estos, aldosa o cetosa?
La glucosa, la galactosa y la fructosa son monosacáridos isoméricos (hexosas), lo que significa que tienen la misma fórmula química pero tienen estructuras ligeramente diferentes. La glucosa y la galactosa son aldosis, y la fructosa es una cetosa.
Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas en forma de anillo; en soluciones acuosas generalmente se encuentran en formas de anillo (Figura\(\PageIndex{3}\)). La glucosa en forma de anillo puede tener dos disposiciones diferentes del grupo hidroxilo (OH) alrededor del carbono anomérico (carbono 1 que se vuelve asimétrico en el proceso de formación del anillo). Si el grupo hidroxilo está por debajo del número de carbono 1 en el azúcar, se dice que está en la posición alfa (α), y si está por encima del plano, se dice que está en la posición beta (β).
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 de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua y formando un enlace covalente. Un enlace covalente formado entre una molécula de carbohidrato y otra molécula (en este caso, entre dos monosacáridos) se conoce como enlace glicosídico (Figura\(\PageIndex{4}\)). Los enlaces glicosídicos (también llamados enlaces glicosídicos) pueden ser del tipo alfa o beta.
Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa (Figura\(\PageIndex{5}\)). La lactosa es un disacárido que consiste en los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido formado por una reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa, o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa.
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. 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). 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 almidón se compone de monómeros de glucosa que están unidos por enlaces glucosídicos α 1-4 o α 1-6. Los números 1-4 y 1-6 se refieren al número de carbonos de los dos residuos que se han unido para formar el enlace. Como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{6}\), la amilosa es almidón formado por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa (solo enlaces α 1-4), mientras que la amilopectina es un polisacárido ramificado (enlaces α 1-6 en los puntos de ramificación).
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.
La celulosa es el biopolímero natural más abundante. La pared celular de las plantas está compuesta principalmente de celulosa, lo que proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente de naturaleza celulósica. La celulosa está compuesta por monómeros de glucosa que están unidos por enlaces glicosídicos β 1-4 (Figura\(\PageIndex{7}\)).
Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\), todos los demás monómeros de glucosa en la celulosa se voltean, y los monómeros se empaquetan firmemente como cadenas largas extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, lo que es muy importante para las células vegetales. Si bien el enlace β 1-4 no puede ser descompuesto por enzimas digestivas humanas, los herbívoros como vacas, koalas, búfalos y caballos son capaces, con la ayuda de la flora especializada en su estómago, de digerir material vegetal que es rico en celulosa y usarlo como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias y protistas residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice de los animales de pastoreo también contiene bacterias que digieren la celulosa, dándole un papel importante en los sistemas digestivos de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que pueden ser utilizados como fuente de energía por el animal. Las termitas también son capaces de descomponer la celulosa debido a la presencia de otros organismos en sus cuerpos que secretan celulasas.
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\(\PageIndex{8}\)). 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.
Conexiones de Carrera: Dietista Registrado
La obesidad es un problema de salud mundial, y muchas enfermedades como la diabetes y las enfermedades cardíacas son cada vez más frecuentes debido a la obesidad. Esta es una de las razones por las que cada vez más se busca asesoramiento a los dietistas registrados. Los dietistas registrados ayudan a planificar programas de nutrición para individuos en diversos entornos. A menudo trabajan con pacientes en centros de salud, diseñando planes de nutrición para tratar y prevenir enfermedades. Por ejemplo, los dietistas pueden enseñar a un paciente con diabetes cómo controlar los niveles de azúcar en la sangre comiendo los tipos y cantidades correctos de carbohidratos. Los dietistas también pueden trabajar en hogares de ancianos, escuelas y prácticas privadas.
Para convertirse en dietista registrado, uno necesita obtener al menos una licenciatura en dietética, nutrición, tecnología alimentaria o un campo relacionado. Además, los dietistas registrados deben completar un programa de pasantías supervisadas y aprobar un examen nacional. Quienes cursan carreras en dietética toman cursos de nutrición, química, bioquímica, biología, microbiología y fisiología humana. Los dietistas deben convertirse en expertos en la química y fisiología (funciones biológicas) de los alimentos (proteínas, carbohidratos y grasas).
Beneficios de los Carbohidratos
¿Los carbohidratos son buenos para ti? A las personas que desean perder peso a menudo se les dice que los carbohidratos son malos para ellos y deben evitarse. Algunas dietas prohíben completamente el consumo de carbohidratos, alegando que una dieta baja en carbohidratos ayuda a las personas a perder peso más rápido. Sin embargo, los carbohidratos han sido una parte importante de la dieta humana durante miles de años; artefactos de civilizaciones antiguas muestran la presencia de trigo, arroz y maíz en las áreas de almacenamiento de nuestros antepasados.
Los carbohidratos deben complementarse con proteínas, vitaminas y grasas para formar parte de una dieta bien balanceada. En cuanto a calorías, un gramo de carbohidrato aporta 4.3 Kcal. A modo de comparación, las grasas aportan 9 Kcal/g, una proporción menos deseable. Los carbohidratos contienen elementos solubles e insolubles; la parte insoluble se conoce como fibra, la cual es principalmente celulosa. La fibra tiene muchos usos; promueve el movimiento intestinal regular al agregar volumen, y regula la tasa de consumo de glucosa en sangre. La fibra también ayuda a eliminar el exceso de colesterol del cuerpo: la fibra se une al colesterol en el intestino delgado, luego se adhiere al colesterol y evita que las partículas de colesterol ingresen al torrente sanguíneo, y luego el colesterol sale del cuerpo a través de las heces. Las dietas ricas en fibra también tienen un papel protector en la reducción de la aparición de cáncer de colon. Además, una comida que contiene granos integrales y verduras da una sensación de saciedad. Como fuente inmediata de energía, la glucosa se descompone durante el proceso de respiración celular, lo que produce ATP, la moneda de energía de la célula. Sin el consumo de carbohidratos, se reduciría la disponibilidad de “energía instantánea”. Eliminar los carbohidratos de la dieta no es la mejor manera de perder peso. Una dieta baja en calorías rica en granos integrales, frutas, verduras y carne magra, junto con mucho ejercicio y mucha agua, es la forma más sensata de perder peso.
Enlace al aprendizaje
Para una perspectiva adicional sobre los carbohidratos, explore “Biomoléculas: los carbohidratos” a través de esta animación interactiva.
Resumen
Los carbohidratos son un grupo de macromoléculas que son una fuente de energía vital para la célula y proporcionan soporte estructural a las células vegetales, hongos y todos los artrópodos que incluyen langostas, cangrejos, camarones, insectos y arañas. Los carbohidratos se clasifican como monosacáridos, disacáridos y polisacáridos dependiendo del número de monómeros en la molécula. Los monosacáridos están unidos por enlaces glicosídicos que se forman como resultado de reacciones de deshidratación, formando disacáridos y polisacáridos con la eliminación de una molécula de agua por cada enlace formado. La glucosa, galactosa y fructosa son monosacáridos comunes, mientras que los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa. El almidón y el glucógeno, ejemplos de polisacáridos, son las formas de almacenamiento de glucosa en plantas y animales, respectivamente. Las cadenas largas de polisacáridos pueden ser ramificadas o no ramificadas. La celulosa es un ejemplo de un polisacárido no ramificado, mientras que la amilopectina, un constituyente del almidón, es una molécula altamente ramificada. El almacenamiento de glucosa, en forma de polímeros como almidón de glucógeno, la hace un poco menos accesible para el metabolismo; sin embargo, esto evita que se filtre fuera de la célula o cree una presión osmótica alta que podría provocar una absorción excesiva de agua por parte de la célula.
Conexiones de arte
Figura\(\PageIndex{2}\): ¿Qué tipo de azúcares son estos, aldosa o cetosa?
- Contestar
-
La glucosa y la galactosa son aldosis. La fructosa es una cetosa.
Glosario
- carbohidrato
- macromolécula biológica en la que la relación de carbono a hidrógeno y a oxígeno es 1:2:1; los carbohidratos sirven como fuentes de energía y soporte estructural en las células y forman el exoesqueleto celular de artrópodos
- celulosa
- polisacárido que conforma la pared celular de las plantas; proporciona soporte estructural a la célula
- quitina
- tipo de carbohidrato que forma el esqueleto externo de todos los artrópodos que incluyen crustáceos e insectos; también forma las paredes celulares de los hongos
- disacárido
- dos monómeros de azúcar que están unidos entre sí por un enlace glicosídico
- glucógeno
- almacenamiento de carbohidratos en animales
- enlace glicosídico
- enlace formado por una reacción de deshidratación entre dos monosacáridos con la eliminación de una molécula de agua
- monosacárido
- una sola unidad o monómero de carbohidratos
- polisacárido
- cadena larga de monosacáridos; puede ser ramificada o no ramificada
- almidón
- almacenamiento de carbohidratos en plantas