17.1: Carbohidratos en la Dieta
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- Describir el metabolismo de los carbohidratos.
- Conocer la fuente y función de los carbohidratos comunes en la dieta.
Los carbohidratos son azúcares y derivados del azúcar cuyas fórmulas se pueden escribir en la forma general: C x (H 2 O) y. (Los subíndices x e y son números enteros.) Algunos carbohidratos típicos son sacarosa (azúcar de caña ordinaria), C 12 H 22 O 11; glucosa (dextrosa), C 6 H 12 O 6; fructosa (azúcar de fruta), C 6 H 12 O 6; y ribosa, C 5 H 10 O 5. Dado que la relación atómica H/O es 2/1 en cada fórmula, estos compuestos originalmente se pensó que eran hidratos de carbono, de ahí su nombre general.
En la literatura científica, el término “carbohidrato” tiene muchos sinónimos, como “azúcar” (en sentido amplio), “sacárido”, “ose”, “glucida”, “hidrato de carbono” o “compuestos polihidroxílicos con aldehído o cetona”. Algunos de estos términos, especialmente “carbohidrato” y “azúcar”, también se utilizan con otros significados.
En la ciencia de los alimentos y en muchos contextos informales, el término “carbohidrato” a menudo significa cualquier alimento que sea particularmente rico en el complejo almidón carbohidrato (como cereales, pan y pasta) o carbohidratos simples, como el azúcar (que se encuentra en los dulces, mermeladas y postres).
Los carbohidratos pueden clasificarse según su grado de polimerización, y pueden dividirse inicialmente en tres grupos principales, a saber, azúcares, oligosacáridos y polisacáridos que se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).
| Clase (DP*) | Subgrupo | Componentes |
|---|---|---|
| Azúcares (1—2) | Monosacáridos | Glucosa, galactosa, fructosa, xilosa |
| Disacáridos | Sacarosa, lactosa, maltosa, trehalosa | |
| Polioles | Sorbitol, manitol | |
| Oligosacáridos (3—9) | Malto-oligosacáridos | Maltodextrinas |
| Otros oligosacáridos | Rafinosa, estaquiosa, fructo-oligosacáridos | |
| Polisacáridos (>9) | Almidón | Amilosa, amilopectina, almidones modificados |
| Polisacáridos sin almidón | Glucógeno, Celulosa, Hemicelulosa, Pectinas, Hidrocoloides |
DP * = Grado de polimerización
Digestión de Carbohidratos
El cuerpo humano descompone los carbohidratos complejos en glucosa. La glucosa en la sangre (a menudo conocida como “azúcar en la sangre”) es la principal fuente de energía para el cuerpo. Los azúcares proporcionan calorías, o “energía”, para el cuerpo. Cada gramo de azúcar aporta 4 calorías. La glucosa se puede usar inmediatamente o almacenar en el hígado y los músculos para su uso posterior.
La digestión de carbohidratos comienza en la boca (Figura\(\PageIndex{1}\)) where salivary α-amylase attacks the α-glycosidic linkages in starch, the main carbohydrate ingested by humans. Cleavage of the glycosidic linkages produces a mixture of dextrins, maltose, and glucose. The α-amylase mixed into the food remains active as the food passes through the esophagus, but it is rapidly inactivated in the acidic environment of the stomach.
El sitio principal de digestión de carbohidratos es el intestino delgado. La secreción de α-amilasa en el intestino delgado convierte cualquier molécula de almidón restante, así como las dextrinas, en maltosa. La maltosa se escinde en dos moléculas de glucosa por la maltasa. Los disacáridos como la sacarosa y la lactosa no son digeridos hasta que llegan al intestino delgado, donde actúan sobre ellos la sacarasa y la lactasa, respectivamente. Los principales productos de la hidrólisis completa de disacáridos y polisacáridos son tres unidades de monosacáridos: glucosa, fructosa y galactosa. Estos son absorbidos a través de la pared del intestino delgado hacia el torrente sanguíneo.
Combustible para el Cerebro
El cerebro es un órgano maravilloso. Y también tiene hambre. El principal combustible para el cerebro es la glucosa carbohidrato. El cerebro adulto promedio representa aproximadamente\(2\%\) of our body's weight, but uses \(25\%\) of the glucose in the body. Moreover, specific areas of the brain use glucose at different rates. If you are concentrating hard (taking a test, for example), certain parts of the brain need a lot of extra glucose while other parts of the brain only use their normal amount. Something to think about.
Algunos alimentos ricos en carbohidratos incluyen pan, pasta y papas (Figura\(\PageIndex{2}\)) . Because carbohydrates are easily digested, athletes often rely on carbohydrate rich foods to enable a high level of performance.
Monosacáridos y disacáridos comunes
Los monosacáridos y disacáridos que se encuentran comúnmente en nuestras dietas se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{3}\). Although a variety of monosaccharides are found in living organisms, three hexoses are particularly abundant: D-glucose, D-galactose, and D-fructose (Figure \(\PageIndex{3}\)). Glucose and galactose are both aldohexoses, while fructose is a ketohexose.
| Los azúcares simples (monosacáridos) son lo suficientemente pequeños como para ser absorbidos directamente en el torrente sanguíneo. Incluyen: | Los azúcares que contienen dos moléculas de azúcar unidas entre sí (disacáridos) se descomponen en su cuerpo en azúcares individuales. Incluyen: |
|---|---|
| Fructosa | Sacarosa (azúcar de mesa) = glucosa + fructosa |
| Galactosa | Lactosa (azúcar de la leche) = glucosa + galactosa |
| Glucosa | Maltosa (azúcar de malta) = glucosa + glucosa |
Figura\(\PageIndex{3}\) Estructuras de tres hexosas importantes. Cada hexosa se representa con una fuente de alimento en la que se encuentra comúnmente. Fuente: Fotos © Thinkstock.
Glucosa
La D-glucosa, generalmente conocida como simplemente glucosa, es el azúcar más abundante que se encuentra en la naturaleza; la mayoría de los carbohidratos que comemos finalmente se convierten en ella en una serie de reacciones bioquímicas que producen energía para nuestras células. También se conoce con otros tres nombres: dextrosa, por el hecho de que gira la luz polarizada en el plano en sentido horario (dextrógiro); azúcar de maíz porque en Estados Unidos la maicena se utiliza en el proceso comercial que produce glucosa a partir de la hidrólisis del almidón; y azúcar en la sangre porque es el carbohidrato que se encuentra en el sistema circulatorio de los animales. Los valores normales de azúcar en la sangre oscilan entre 70 y 105 mg de glucosa/dl de plasma, y la orina normal puede contener desde trazas hasta 20 mg de glucosa/dl de orina.
Galactosa
La D-galactosa no se presenta en la naturaleza en el estado no combinado. Se libera cuando se hidroliza la lactosa, un disacárido que se encuentra en la leche. La galactosa que necesita el cuerpo humano para la síntesis de lactosa se obtiene mediante la conversión metabólica de D-glucosa en D-galactosa. La galactosa también es un constituyente importante de los glicolípidos que se presentan en el cerebro y la vaina de mielina de las células nerviosas. Por esta razón también se le conoce como azúcar cerebral. La estructura de la D-galactosa se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Observe que la configuración difiere de la de la glucosa solo en el cuarto átomo de carbono.
Fructosa
La D-fructosa, también mostrada en la Figura\(\PageIndex{3}\), es la cetohexosa más abundante. Obsérvese que del tercero al sexto átomos de carbono, su estructura es la misma que la de la glucosa. Ocurre, junto con la glucosa y la sacarosa, en la miel (que es 40% de fructosa) y frutas dulces. La fructosa (del latín fructus, que significa “fruto”) también se conoce como levulosa porque tiene una rotación específica que es fuertemente levorrotatoria (−92.4°). Es el azúcar más dulce, siendo 1.7 veces más dulce que la sacarosa, aunque muchos no azúcares son varios cientos o varios miles de veces más dulces (Tabla\(\PageIndex{1}\)).
Sacarosa
La sacarosa, probablemente el compuesto orgánico puro más vendido en el mundo, se conoce como azúcar de remolacha, azúcar de caña, azúcar de mesa o simplemente azúcar. La mayor parte de la sacarosa que se vende comercialmente se obtiene de caña de azúcar y remolacha azucarera (cuyos jugos son 14% — 20% de sacarosa) por evaporación del agua y recristalización. El líquido marrón oscuro que queda después de la recristalización del azúcar se vende como melaza.
Maltosa
La maltosa se presenta de manera limitada en el grano que brota. Se forma con mayor frecuencia por la hidrólisis parcial de almidón y glucógeno. En la fabricación de cerveza, la maltosa es liberada por la acción de la malta (cebada germinadora) sobre el almidón; por esta razón, a menudo se la denomina azúcar de malta. La maltosa es aproximadamente 30% tan dulce como la sacarosa. El cuerpo humano es incapaz de metabolizar la maltosa o cualquier otro disacárido directamente de la dieta debido a que las moléculas son demasiado grandes para pasar a través de las membranas celulares de la pared intestinal. Por lo tanto, un disacárido ingerido primero debe descomponerse por hidrólisis en sus dos unidades de monosacárido constituyentes.
En el cuerpo, tales reacciones de hidrólisis son catalizadas por enzimas como la maltasa.
Lactosa
La lactosa se conoce como azúcar de la leche porque se presenta en la leche de humanos, vacas y otros mamíferos. De hecho, la síntesis natural de lactosa ocurre sólo en el tejido mamario, mientras que la mayoría de los demás carbohidratos son productos vegetales. La leche humana contiene aproximadamente 7.5% de lactosa, y la leche de vaca contiene aproximadamente 4.5%. Este azúcar es uno de los más bajos de clasificación en cuanto a dulzura, siendo alrededor de una sexta parte de dulce que la sacarosa. La lactosa se produce comercialmente a partir del suero de leche, un subproducto en la fabricación de queso. Es importante como alimento infantil y en la producción de penicilina.
Muchos adultos y algunos niños sufren de una deficiencia de lactasa. Se dice que estos individuos son intolerantes a la lactosa porque no pueden digerir la lactosa que se encuentra en la leche. Un problema más grave es la enfermedad genética galactosemia, que resulta de la ausencia de una enzima necesaria para convertir la galactosa en glucosa. Ciertas bacterias pueden metabolizar la lactosa, formando ácido láctico como uno de los productos. Esta reacción es la responsable del “agriado” de la leche.
Los diferentes disacáridos y los componentes de monosacáridos se ilustran en la Figura \(\PageIndex{4}\)siguiente.
Cada uno de estos disacáridos contiene glucosa y todas las reacciones son reacciones de deshidratación. También observe la diferencia en las estructuras de unión. La maltosa y la sacarosa tienen enlaces alfa, los cuales se representan como en forma de v arriba. Es posible que escuche el término glicosídico que se usa en algunos lugares para describir los enlaces entre los azúcares. Un glucósido es un azúcar, por lo que el glicosídico se refiere a un enlace de azúcar. La lactosa, por otro lado, contiene un enlace beta. Necesitamos una enzima especial, lactasa, para romper este vínculo, y la ausencia de actividad lactasa conduce a la intolerancia a la lactosa.
Azúcares de origen natural y añadidos
Los azúcares se encuentran naturalmente en muchos alimentos y bebidas nutritivos y también se agregan a los alimentos y bebidas para su sabor, textura y conservación.
| Los azúcares naturales se encuentran en una variedad de alimentos, que incluyen: | Los azúcares agregados a menudo se encuentran en alimentos bajos en otros nutrientes, incluyendo: |
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El dulzor relativo de los diferentes azúcares previamente discutidos se dan en la Tabla\(\PageIndex{3}\).
| Compuesto | Dulzura Relativa |
|---|---|
| lactosa | 16 |
| maltosa | 32 |
| glucosa | 74 |
| sacarosa | 100 |
| fructosa | 173 |
Jarabe de Maíz con Alto Contenido
Los opositores afirman que el jarabe de maíz alto en fructosa está contribuyendo al aumento de las tasas de obesidad. Como resultado, algunos fabricantes han comenzado a liberar productos elaborados con azúcar natural. Puedes leer sobre esta tendencia en el siguiente artículo del New York Times en el siguiente enlace. Además, los fabricantes intentaron cambiar la marca del jarabe de maíz con alto contenido de fructosa como azúcar de maíz para sortear la percepción negativa del nombre. Pero la FDA rechazó la solicitud de la Asociación de Refinadores de Maíz para cambiar el nombre oficialmente a azúcar de maíz como se describe en el segundo enlace. El último enlace es un video realizado por la American Chemical Society que da algunos antecedentes sobre cómo se produce el HFCS y cómo se compara con la sacarosa.
Enlaces
El azúcar vuelve a aparecer en las etiquetas, esta vez como punto de venta - http://www.nytimes.com/2009/03/21/dining/21sugar.html?_r=1&ref=nutrition
No hay nuevo nombre para el jarabe de maíz alto en fructosa - http://well.blogs.nytimes.com/2012/05/31/no-new-name-for-high-fructose-corn-syrup/?_r=0
Video
Azúcar vs. jarabe de maíz alto en fructosa - ¿cuál es la diferencia? - https://www.youtube.com/watch?v=fXMvregmU1g
Carbohidratos Complejos: Oligosacáridos y Polisacáridos
Un oligosacárido, del griego olígos, “unos pocos”, y sácchar, “azúcar”) es un polímero sacárido que contiene un pequeño número (típicamente de tres a diez) de monosacáridos (azúcares simples). Los oligosacáridos son un componente de la fibra del tejido vegetal. Los fructooligosacáridos (FOS) y la inulina (Figura\(\PageIndex{6}\)) están presentes en la alcachofa de Jerusalén, bardock, achicoria, puerros, cebollas y espárragos. La inulina es una parte importante de la dieta diaria de la mayoría de la población mundial. El FOS también puede ser sintetizado por enzimas del hongo Aspergillus niger que actúan sobre la sacarosa. El galatoologosacárido (GOS) se encuentra naturalmente en la soja y se puede sintetizar a partir de lactosa. FOS, GOS e inulina también se venden como suplementos nutricionales. [c itación necesaria]
Como su nombre indica, los polisacáridos son sustancias que se acumulan por la condensación de un número muy grande de unidades de monosacáridos. La celulosa, por ejemplo, es un polímero de β-glucosa, que contiene más de 3000 unidades de glucosa en una cadena. El almidón es en gran parte un polímero de α-glucosa.
Estas dos sustancias son un ejemplo clásico de cómo una diferencia menor en el monómero puede conducir a grandes diferencias en las propiedades macroscópicas del polímero. El algodón y el papel de buena calidad son celulosa casi pura, y nos dan una buena idea de sus propiedades. La celulosa forma fibras fuertes pero flexibles y no se disuelve en agua. Por el contrario, el almidón no tiene ninguna resistencia mecánica, y algunas formas son solubles en agua. Parte de la estructura molecular de la celulosa y el almidón se muestran en la Fig. \(\PageIndex{6}\).
La celulosa y el almidón son diferentes no solo en estructura general y propiedades macroscópicas. Desde un punto de vista bioquímico se comportan de manera tan diferente que es difícil creer que ambos sean polímeros del mismo monosacárido. Las enzimas que son capaces de hidrolizar el almidón no tocarán la celulosa, y viceversa. Desde el punto de vista de una planta esto es igual de bueno ya que la celulosa constituye material estructural mientras que el almidón sirve como almacén de energía. Si no hubiera una distinción bioquímica aguda entre ambos, la necesidad de un poco más de energía por parte de la planta podría resultar en la destrucción de las paredes celulares u otros componentes estructurales necesarios.
Almidones en los Alimentos
El almidón es el carbohidrato más común en la dieta humana y está contenido en muchos alimentos básicos. Las principales fuentes de ingesta de almidón a nivel mundial son los cereales (arroz, trigo y maíz) y los tubérculos (papa y yuca). Se cultivan muchos otros alimentos ricos en almidón, algunos solo en climas específicos, entre ellos bellotas, arrurruz, arracacha, plátanos, cebada, fruta del pan, alforfón, canna, colocasia, katakuri, kudzu, malanga, mijo, avena, oca, arrurruz polinesio, sagú, sorgo, batatas, centeno, taro, castañas, castañas de agua y ñame, y muchos tipos de frijoles, como favas, lentejas, frijol mungo, arvejas y garbanzos.
Los alimentos preparados ampliamente utilizados que contienen almidón son pan, tortitas, cereales, fideos, pasta, gachas y tortilla.
Las enzimas digestivas tienen problemas para digerir las estructuras cristalinas. El almidón crudo se digiere mal en el duodeno y el intestino delgado, mientras que la degradación bacteriana se produce principalmente en el colon. Cuando se cocina el almidón, se incrementa la digestibilidad. La gelatinización del almidón durante la cocción de la torta puede verse afectada por el azúcar compitiendo por el agua, evitando la gelatinización y mejorando la textura.
Antes del advenimiento de los alimentos procesados, las personas consumían grandes cantidades de plantas que contenían almidón sin cocer y sin procesar, las cuales contenían altas cantidades de almidón resistente. Los microbios dentro del intestino grueso fermentaron el almidón, produjeron ácidos grasos de cadena corta, los cuales se utilizan como energía, y apoyan el mantenimiento y crecimiento de los microbios. Más alimentos altamente procesados se digieren más fácilmente y liberan más glucosa en el intestino delgado; menos almidón llega al intestino grueso y el cuerpo absorbe más energía. Se piensa que este cambio en el suministro de energía (como resultado de comer más alimentos procesados) puede ser uno de los factores que contribuyen al desarrollo de trastornos metabólicos de la vida moderna, entre ellos la obesidad y la diabetes.
Fibras en Alimentos
La fibra dietética (fibra de ortografía británica) o forraje es la porción de alimento derivado de plantas que no puede ser completamente descompuesta por las enzimas digestivas humanas. La fibra dietética consiste en polisacáridos sin almidón y otros componentes vegetales como celulosa, almidón resistente, dextrinas resistentes, inulina, ligninas, quitinas, pectinas, beta-glucanos y oligosacáridos.
La fibra de polisacárido difiere de otros polisacáridos en que contiene enlaces beta-glicosídicos (a diferencia de enlaces alfa-glicosídicos). Para ilustrar estas diferencias, considere las diferencias estructurales entre amilosa y celulosa (tipo de fibra) en la siguiente figura. Ambas son cadenas lineales de glucosa, la única diferencia es que la amilosa tiene enlaces alfa-glicosídicos, mientras que la celulosa tiene enlaces beta-glicosídicos como se muestra a continuación. Los enlaces beta en la fibra no pueden ser desagregados por las enzimas digestivas en el intestino delgado por lo que continúan en el intestino grueso.
La fibra se puede clasificar por sus propiedades físicas. En el pasado, las fibras se referían comúnmente como solubles e insolubles. Esta clasificación distinguió si la fibra era soluble en agua. Sin embargo, esta clasificación se está eliminando gradualmente en la comunidad de nutrición. En cambio, la mayoría de las fibras que habrían sido clasificadas como fibras insolubles se denominan ahora como fibras no fermentables y/o no viscosas y solubles como fermentables y/o viscosas porque estas describen mejor las características de la fibra. Viscoso se refiere a la capacidad de ciertas fibras para formar una consistencia espesa similar a un gel.
Fermentable (fibra soluble) se disuelve en agua y se fermenta fácilmente en el colon en gases y subproductos fisiológicamente activos, como los ácidos grasos de cadena corta producidos en el colon por las bacterias intestinales; es viscoso, puede llamarse fibra prebiótica, y retrasa el vaciado gástrico que, en humanos, puede dar como resultado sensación extendida de plenitud.
No fermentable (fibra insoluble) no se disuelve en agua y es inerte a las enzimas digestivas en el tracto gastrointestinal superior y proporciona volumen. Algunas formas de fibra insoluble, como los almidones resistentes, pueden fermentarse en el colon. Las fibras que abultan absorben el agua a medida que se mueven por el sistema digestivo, facilitando la defecación.
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Fermentable Fibra (Soluble) |
Descripción |
No Fermentable (Fibra Insoluble) |
Descripción |
|---|---|---|---|
| Hemicelulosa (tipo soluble) | Envolvente la celulosa en las paredes celulares vegetales | Celulosa | Componente principal de las paredes celulares de la planta |
| Pectina | Se encuentran en paredes celulares y tejidos intracelulares de frutas y bayas |
Hemicelulosa (tipo insoluble) |
Envolvente la celulosa en las paredes celulares vegetales |
| Beta-glucanos | Encontrado en los brans de cereales | Lignina | No se encuentran carbohidratos dentro de las paredes celulares de placa “leñosa” |
| Gomas | Viscosos, generalmente aislados de semillas |
Resumen
- La digestión de carbohidratos comienza en la boca (en presencia de α-amilasa salival) y continúa en el intestino delgado. Los principales productos de la hidrólisis completa de disacáridos y polisacáridos son tres unidades de monosacáridos: glucosa, fructosa y galactosa. Estos son absorbidos a través de la pared del intestino delgado hacia el torrente sanguíneo.
- Los azúcares simples como la glucosa, la fructosa y el disacárido sacarosa funcionan como edulcorantes naturales.
- Los carbohidratos más complejos (oligosacáridos y polisacáridos) son ahora partes importantes de la dieta diaria promoviendo la salud intestinal que conduce a otros beneficios para la salud.
Colaboradores y Atribuciones
Ed Vitz (Kutztown University), John W. Moore (UW-Madison), Justin Shorb (Hope College), Xavier Prat-Resina (University of Minnesota Rochester), Tim Wendorff, and Adam Hahn.
- Libretext: Basics of GOB Chemistry (Ball, et al.)
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CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
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