7.3: Carbohidratos

Los carbohidratos son biomoléculas consistentes en carbono, hidrógeno y oxígeno que tienen la fórmula simple aproximada CH ₂ O. Uno de los carbohidratos más comunes es el azúcar glucosa simple que se muestra en la Figura 7.2. Unidades de glucosa y otros azúcares simples llamados monosacáridos se unen en cadenas con la pérdida de una molécula de agua por cada enlace para producir polisacáridos macromoleculares. Estos incluyen almidón y celulosa en plantas y glucógeno similar al almidón en animales.

Figura 7.2. Glucosa, un monosacárido, o azúcar simple, y un segmento de la molécula de almidón, que se forma cuando las moléculas de glucosa polimerizan con la eliminación de una molécula de H ₂ O por monómero de glucosa.

La glucosa carbohidrato es el material biológico generado a partir del agua y el dióxido de carbono cuando la energía solar en la luz solar se utiliza en la fotosíntesis La reacción general es

\[\ce{6CO2 + 6H2O \rightarrow C6H12O6 + 6O2}\]

Esta es obviamente una reacción extremadamente importante porque es aquella por la que se utilizan moléculas inorgánicas para sintetizar moléculas de carbohidratos de alta energía que a su vez se convierten en la gran cantidad de biomoléculas que comprenden los sistemas vivos. Hay otros azúcares simples, incluyendo fructosa, manosa y galactosa, que tienen la misma fórmula simple que la glucosa, C _{6 12} ο ₆, pero que deben convertirse en glucosa antes de ser utilizados por los organismos para obtener energía. Azúcar común de mesa, sacarosa, C _{12 22} ο ₁₁, consiste en una molécula de glucosa y una de fructosa unidas entre sí (con la pérdida de una molécula de agua); debido a que está compuesta por dos azúcares simples a la sacarosa se le llama disacárido.

Las moléculas de almidón, que pueden consistir en varios cientos de unidades de glucosa unidas entre sí, son fácilmente descompuestas por los organismos para producir azúcares simples utilizados para la energía y para producir biomasa. Por ejemplo, los humanos digieren fácilmente el almidón en las papas o el pan para producir glucosa utilizada como energía (o para hacer tejido graso).

La fórmula química del almidón es (C ₆ H ₁₀ O ₅) _n, donde n puede representar un número tan alto como varios cientos. Lo que esto significa es que la molécula de almidón muy grande consiste en hasta varios cientos de unidades de C ₆ H ₁₀ O ₅ a partir de glucosa unidas entre sí. Por ejemplo, si n es 100, hay 6 por 100 átomos de carbono, 10 por 100 átomos de hidrógeno y 5 veces 100 átomos de oxígeno en la molécula. Su fórmula química es C ₆₀₀ H ₁₀₀₀ O ₅₀₀. Los átomos en una molécula de almidón están realmente presentes como anillos enlazados representados por la estructura mostrada en la Figura 7.2. El almidón se encuentra en muchos alimentos, como el pan, las papas y los cereales. Es fácilmente digerido por animales, incluidos los humanos.

La celulosa es un polisacárido que también está compuesto por C ₆ H ₁₀ O ₅ unidades. Las moléculas de celulosa son enormes, con masas moleculares de alrededor de 400,000. La estructura de celulosa (Figura 7.3) es similar a la del almidón. La celulosa es producida por las plantas y forma el material estructural de las paredes celulares vegetales. La madera es aproximadamente 60% de celulosa, y el algodón contiene más del 90% de este material. Las fibras de celulosa se extraen de la madera y se prensan juntas para hacer papel.

Figura 7.3. Un segmento de una molécula de celulosa. Estas moléculas se biosintetizan a partir de glucosa con la pérdida de un H ₂ O por cada enlace formado

Los humanos y la mayoría de los demás animales no pueden digerir la celulosa porque carecen de la enzima necesaria para hidrolizar los enlaces de oxígeno entre las moléculas de glucosa. Los rumiantes (bovinos, ovejas, cabras, alces) tienen bacterias en el estómago que descomponen la celulosa en productos que pueden ser utilizados por el animal. Hongos y termitas existentes sinérgicamente con bacterias degradantes de celulosa biodegradan grandes cantidades de celulosa. Los procesos químicos están disponibles para convertir la celulosa en azúcares simples mediante la reacción

\[\underbrace{\ce{(C6H10O5)_{n}}}_{\textbf{cellulose}} \ce{ + nH2O} \rightarrow \underbrace{\ce{nC6H12O6}}_{\textbf{glucose}}\]

donde n puede ser 2000-3000. Esto implica romper los enlaces entre unidades de C ₆ H ₁₀ O ₅ añadiendo una molécula de H ₂ O en cada enlace, una reacción de hidrólisis. Grandes cantidades de celulosa de madera, caña de azúcar y productos agrícolas se desperdician cada año. La hidrólisis de la celulosa permite que estos productos se conviertan en azúcares, los cuales pueden ser alimentados a los animales. El potencial para producir cantidades muy grandes de glucosa a partir de celulosa han llevado a intensos esfuerzos para hidrolizar la celulosa a glucosa con enzimas (catalizadores biológicos) y es un esfuerzo importante en la química verde.

Los carbohidratos son potencialmente muy importantes en la química verde. Por un lado, son una forma concentrada de energía orgánica sintetizada y almacenada por las plantas como parte del proceso por el cual las plantas capturan la energía solar a través de la fotosíntesis. Los carbohidratos se pueden utilizar directamente para obtener energía o fermentar para producir etanol, C _{2 6} O, un alcohol combustible que se agrega a la gasolina o incluso puede usarse en lugar de gasolina. En segundo lugar, los carbohidratos son una fuente de materia prima orgánica que se puede convertir en otras moléculas orgánicas para hacer plásticos y otros materiales útiles.