CARBOHIDRATOS EN QUÍMICA 

Son moléculas formadas por  carbono, hidrógeno y oxígeno (C, H, O).Son polihidroxi aldehídos o cetonas y sus polímeros y existen en tres categorías principales distinguibles por el número de unidades de azúcar que los forman: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Incluyen algunas de las moléculas más relevantes en la vida de los organismos, como son la glucosa, que es universalmente utilizada por las células para la obtención de energía metabólica, el glucógeno contenido en el hígado y el músculo, que forma la reserva de energía más fácilmente asequible para las células del organismo y la ribosa y desoxirribosa que forman parte de la estructura química de los ácidos nucleicos. Por otra parte  los carbohidratos son moléculas importantes en la biósfera, en donde la celulosa, que forma la porción principal de la estructura de las plantas, es la molécula orgánica más abundante del planeta y la encontramos en nuestra vida diaria bajo la forma de madera o las fibras de algodón, acetato y rayón de nuestras ropas; así también el azúcar de mesa, la sacarosa, es un disacárido con el que endulzamos nuestros alimentos y se produce anualmente en cantidad de millones de toneladas.

Funciones: Destacan: su papel como combustible metabólico (1 g de carbohidrato produce 4 Kilocalorías); como precursores en la biosíntesis de ácidos grasos y algunos  aminoácidos y; como constituyentes de moléculas complejas importantes: glucolípidos, glucoproteínas, nucleótidos y ácidos nucleicos.Almacen de Energía,Dterminanates Antigenicos,Reponen energía y Forman estructuras.En los seres vivos las funciones de los carbohidratos se pueden generalizar en:

1.  energéticas (glucógeno en animales y almidón en vegetales, bacterias y hongos)La glucosa es un de los carbohidratos más sencillos comunes y abundantes; representa a la molécula combustible que satisface las demandas energéticas de la mayoría de los organismos.
2.  De reserva :Los carbohidratos se almacenan en forma de  almidón en los vegetales (gramineas, leguminosas y tubérculos) y de glucógeno en los animales. Ambos polisacáridos pueden ser degradados a glucosa. 
3.   compuestos estructurales (como la celulosa en vegetales, bacterias y hongos y la quitina en artrópodos)Los carbohidratos estructurales forman parte de las paredes celulares en los vegetales y les permiten  soportar cambios en la presión osmótica entre los espacios intra y extracelulares. Esta, es una de las sustancias naturales mas abundantes en el planeta. En las grandes plantas y en los árboles, la celulosa, estructura fibrosa construida de glucosa, cumple la doble función de carga y soporte. La celulosa es de origen vegetal principalmente, sin embargo algunos invertebrados tienen celulosa en sus cubiertas protectoras. El polisacárido estructural más abundante en los animales es la quitina.En los procariontes forma la pared celular construida de azúcares complejos  como los péptidoglicanos y ácidos teicoicos. A las propiedades de esta estructura se le atribuyen muchas de las características de virulencia y antigenicidad. En algunos animales como los insectos los carbohidratos forman la quitina, el ácido condroitín sulfúrico y el ácido hialurónico, macromoléculas de sostén del aparato muscular.
4.    precursores:Los carbohidratos son precursores de ciertos lípidos, proteínas y dos factores vitamínicos, el ácido ascórbico (vitamina C) y el inositol.
5. señales de reconocimiento (como la matriz extracelular)Los carbohidratos intervienen en complejos procesos de reconocimiento celular, en la aglutinación, coagulación y reconocimiento de hormonas.

  

• Existen en tres categorías principales distinguibles por el número de unidades de azúcar que los forman: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Los polisacáridos liberan a la hidrólisis centenares o millares de monosacáridos; mientras que los oligosacáridos producen de dos a l0 monosacáridos y los monosacáridos mismos son las unidades mínimas de los carbohidratos que ya no se pueden hidrolizar.

"MONOSACARIDOS"

Hay dos familias de monosacáridos las ALDOSAS y las CETOSAS. Las aldosas y cetosas más abundantes en la naturaleza tienen entre 3 y seis átomos de carbono. Normalmente, las cetosas se denominan insertando la sílaba ul en el nombre de la aldosa correspondiente. Ejemplo:

Aldosas           Cetosas

 Ribosa            Ribulosa

 Eritrosa          Eritrulosa

GLICERALDEHÍDO y DIHIDROXIACETONA:  Ambas moléculas se encuentran en la vía de la glucólisis formando los intermediarios llamados las “triosas fosfato”  pues las dos están presentes como ésteres del ácido fosfórico, que se transforman de manera reversible una en la otra, por la acción de la enzima triosa fosfato isomerasa.

RIBOSA y RIBULOSA:  Ambas son importantes por participar en el ciclo de las pentosas y en el Ciclo de Calvin de la fotosíntesis. La ribosa tiene la función adicional de formar parte de todos los nucleótidos del RNA y cuando pierde el oxígeno del carbono 2, se transforma en la desoxiribosa, presente en todos los nucleótidos del DNA.

GLUCOSA y FRUCTOSA: La aldohexosa glucosa es tal vez el monosacárido de mayor importancia para el metabolismo celular, pues todas las células la aceptan para  alimentar las vías principales del metabolismo: La glucosa puede, siguiendo el eje metabólico central, oxidarse totalmente hasta CO2 y agua, impulsando la síntesis de ATP; dirigirse hacia la síntesis del glucógeno; alimentar el ciclo de las pentosas; dirigirse hacia la síntesis de los ácidos grasos y los triacilgliceroles o bien terminar en la producción de lactato, cuando las células funcionan en condiciones de carencia de oxígeno.

Según el numero de carbonos en sus moleculas,se dividen en:

• TRIOSAS(3C):Aldotriosas y cetotriosas destacan el gliceraldehido y la dihidroxiacetona.
• TETROSAS(4C):Aldotetrosas y cetotetrosas destacan la eritrosa y la eritulosa.
• PENTOSAS(5C):Aldopentosas y cetopentosas destacan la ribusa y ribulosa.
• HEXOSAS(6C):Aldohexosas y cetohexosas destacan la glucosa,galactosa,la manosa y fructosa.

 En la nomenclatura de los monosacáridos se pone habitualmente la letra D o L que corresponda según la configuración de su último carbono asimétrico. La D significa que el OH en ese carbono está a la derecha y la L a la izquierda, a diferencia de cuando se escribe d y l en letras minúsculas que hablan solamente del sentido de rotación del plano de la luz polarizada.

En el diagrama se representa la serie de los monosáridos de configuración D que derivan del D-Gliceraldehido, mediante la adición de un nuevo carbono asimétrico a la fórmula previa, con lo que se obtiene:

de una triosa dos tetrosas, 4 pentosas  y 8 hexosas, todas de la serie D.

Paralela a la anterior serie D existe la serie L con el mismo número y clase de monosacáridos pero que son de poca importancia biológica.

Los monosacáridos se identifican como D o L por comparación del carbono asimétrico más alejado del carbonilo con las formas D y L del gliceraldehído. 

Cuando dos azúcares difieren tan sólo en la configuración alrededor de un átomo de carbono asimétrico, se dice que son epímeros entre sí. La glucosa y la galactosa difieren únicamente en la configuración en C-4.

Los monosacáridos con 5 o más átomos de carbono en su esqueleto aparecen en disolución como ESTRUCTURAS CÍCLICAS ya que se forma un enlace covalente entre el átomo de oxígeno de uno de los grupos hidroxilo y el átomo de carbono del carbonilo.

a. Los monosacáridos cíclicos cuyos anillos tienen 5 miembros se conocen como FURANOSAS, y los de 6 miembros, PIRANOSAS.

b. El enlace covalente intramolecular entre un hidroxilo y el carbonilo forma un HEMIACETAL en las aldosas, y un HEMICETAL en las cetosas.

c. Las formas isoméricas de los monosacáridos que difieren entre sí solamente en la configuración alrededor del átomo de carbono hemiacetálico o hemicetálico se denominan ANÓMEROS. 

Se llama MUTARROTACIÓN al cambio de rotación óptica que acompaña a la formación del equilibrio entre los anómeros alfa y beta.

"DISACARIDOS"

Los oligosacáridos importantes en bioquímica, los más relevantes son los disacáridos y entre éstos se hallan: maltosa, sacarosa, lactosa y celobiosa, que pueden diferenciarse atendiendo al tipo de los monosacáridos que los forman y el enlace glucosídico que los une:  

• Maltosa = glucosa + glucosa   

enlace alfa 1-4

• Sacarosa = glucosa + fructosa  

enlace alfa-beta 1-2

• Lactosa = galactosa  +  glucosa          

enlace beta 1-4

• Celobiosa = glucosa  +  glucosa 

enlace beta 1-4

Los disacáridos están formados por dos moléculas de monosacáridos que pueden ser iguales o diferentes.

Los disacáridos no se utilizan como tales en el organismo, sino que éste los convierte a glucosa. En este proceso participa una enzima específica para cada disacárido, lo rompen y se producen los monosacáridos que los forman.

• Los tres disacáridos señalados tienen la misma fórmula molecular C11H22O11, por lo tanto son isómeros.
• SACAROSA C11H22O11:

Este disacárido esta formado por una unidad de glucosa y otra de fructuosa, y se conoce comúnmente como azúcar de mesa. La sacarosa se encuentra libre en la naturaleza; se obtiene principalmente de la caña de azúcar que contiene de 15-20% de sacarosa y de la remolacha dulce que contiene del 10-17%.es el azúcar común con el cual endulzamos nuestros alimentos y se puede hallar en los productos naturales de sabor dulce como los jugos de las frutas y la miel. Se produce industrialmente a partir de la caña de azúcar y la remolacha azucarera, en cantidades de cerca de 50 millones de toneladas anuales y constituye una parte importante del ingreso de energía en nuestro cuerpo, pues diariamente se toman en promedio 50 g de sacarosa que representan un ingreso de 200 Kcal.   Uno de los aspectos menos favorables de este ingreso calórico es el hecho de que la sacarosa  - a diferencia de otros alimentos-  es una sustancia químicamente pura, tanto así que la tomamos en forma cristalina y que por ello se absorbe con facilidad en el intestino, generando un aumento de la glucosa circulante y una secreción de insulina que favorece la lipogénesis (formación de grasa).

• La caña de azúcar en América y la remolacha azucarera en Europa, son las dos principales fuentes de sacarosa.
•  

La estructura de la sacarosa es:

• Industrialmente la sacarosa se utiliza en la elaboración de glucosa y como reactivo en el laboratorio.
• MALTOSA(C11H22O11):

Es un disacárido formado por dos unidades de glucosa. Su fuente principal es la hidrólisis del almidón, pero también se encuentra en los granos en germinación.Solo se encuentra  como producto de la hidrólisis parcial del almidón, ya sea industrialmente en la fabricación de la cerveza, o bien durante la digestión del almidón en el intestino. Al igual que otros disacáridos, tiene un aldehído potencial libre y es por ello un azúcar reductor.

Su estructura es:

• LACTOSA:

Disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. Específicamente intervienen una β-galactopiranosa y una β-glucopiranosa unidas por los carbonos 1 y 4 respectivamente.La lactosa es un azúcar muy raro en la naturaleza, excepto en la leche, de la que es el carbohidrato más importante en casi todas las especies. También se ha encontrado en las frutas de algunos miembros de la familia de las Sapotaceae. En la leche su concentración varía desde cero en algunas focas hasta aproximadamente 100 g/litro en la de ciertos primates. La leche devaca contiene corrientemente más lactosa que ningún otro componente sólido, con una concentración media de 50 g/litro.

• CELOBIOSA:

b -D -Glucopiranosil - (1→4) - b -D-Glucopiranosa

Enlace formado por dos glucosas cicladas, con el carbono anomérico en posición b. Intervienen en el enlace el carbono 1 de la primera glucosa y el carbono 4 de la segunda.

Es un disacárido que no se encuentra libre en la Naturaleza. Se obtiene por digestión de celulosa.La celobiosa no tiene sabor, mientras que la maltosa y la trehalosa son aproximadamente una tercera parte tan dulces como la sucrosa.

"POLISACARIDOS"

son biomoléculas formadas por la unión de una gran cantidad de monosacáridos mediante enlaces o-glucosídico. Se encuadran entre los glúcidos, y cumplen funciones diversas, sobre todo de reservas energéticas y estructurales.
El enlace o-glucosídico se forma mediante la unión de dos monosacáridos que utilizando un OH hemicetal en el primero y un OH hemicetálico o no del segundo monosacárido y liberando en la reacción una molécula de agua se unen por un puente de oxígeno.
Los polisacáridos, dado que son el resultado de la unión de muchos monómeros, tienen un alto peso molecular y son insolubles en agua o forman dispersiones coloniales (como el almidón)
Se encuentran en la mayoría de los organismos donde realizan función de reservas energéticas o estructurales. En general, los polisacáridos se denominan con el nombre radical del monosacárido o monosacáridos constituyentes seguido del sufijo -ano: glucanos, galactanos, mananos, arabinogalactanos, etc.

 Glucanos

• a-Glucanos: el almidón.El almidón constituye el principal polisacárido de reserva energética en los vegetales. En realidad, el almidón es una mezcla, en distintas proporciones según sea la fuente biológica, de dos polisacáridos: amilosa y amilopectina.Este polisacárido está formado por unidades de glucosa, por tanto es un polímero de ésta. Se encuentra en los cereales como maíz, arroz y trigo, también se encuentra en las papas.

La amilosa es un polisacárido lineal formado por unidades de glucosa unidas en enlace a (1,4). 

La amilopectina es un polisacárido ramificado cuyas cadenas principales son restos de glucosa unidos en enlace a-(1,4), como en la amilosa, y que presentan esporádicamente (una media de cada 15 o 20 residuos) ramificaciones en a-(1,6). El grado de polimerización de la amilopectina es mucho mayor que en la amilosa, alcanzando pesos moleculares muy elevados. En la figura se presenta un fragmento de amilopectina que contiene solamente dos ramificaciones.

• b-Glucanos:

La celulosa, al igual que el almidón es un polímero de glucosa. El tipo de enlace que une las moléculas de glucosa en la celulosa, es diferente del enlace que une las del almidón, por esta razón la celulosa no se puede utilizarse por el organismo humano como alimento, ya que carece de las enzimas necesarias para romper ese tipo de enlace, pero tiene un papel importante como fibra en el intestino grueso.

• El algodón por ejemplo, es casi celulosa pura, la madera tambiénes fuente de celulosa.

• La quitina es un polisacárido estructural que encontramos en el exoesqueleto de los Artrópodos (Insectos, Crustáceos, etc. ), así como en paredes celulares de hongos, y es un polisacárido lineal formado por residuos de N-acetilglucosamina en enlace b-(1,4). El bloqueo del grupo amino en C2 por el resto acetilo hace que la quitina tenga menor reactividad química aún que la celulosa.

GLUCÓGENO.-Es la reserva de carbohidratos en el reino animal. Se almacena especialmente en el hígado y en los músculos. Conforme el organismo lo va requiriendo, el glucógeno se convierte a glucosa la cual se oxida para producir energía.

Desde el punto de vista calórico, los carbohidratos aportan alrededor de 4 kcal por gramo de energía.

La reserva como glucógeno de los carbohidratos en realidad es pequeña. Si hay exceso de carbohidratos en la alimentación, se transforman en lípidos para almacenarse como grasa en el organismo.

• Glicosaminoglicanos:Son polisacáridos estructurales que forman gran parte de la matriz intercelular de tejidos mesodérmicos (conjuntivo , cartílago, músculo, hueso) y que muy frecuentemente se presentan unidos a un núcleo de proteína, formando los llamados proteoglicanos (que no hay que confundir con glicoproteínas). La estructura de los glicosamino glicanos es la de copolímero ABABAB..., con diferentes grados de polimerización, en el que A es un ácido urónico (ácidos D-glucurónico o L-idurónico) mientras que B es un aminoderivado, bien sea N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina.