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LOS GLUCIDOS O CARBOHIDRATOSLos glúcidos constituyen el grupo de biomoléculas más abundante sobre la superficie terrestre, y suponen casi el 75 % de la materia orgánica total. Ello se debe a que estos compuestos orgánicos se forman directamente en la fotosíntesis, tras la fijación de CO 2 en los veg...

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Bioquímica clínica

Los glúcidos o carbohidratos

LOS GLUCIDOS O CARBOHIDRATOS Los glúcidos constituyen el grupo de biomoléculas más abundante sobre la superficie terrestre, y suponen casi el 75 % de la materia orgánica total. Ello se debe a que estos compuestos orgánicos se forman directamente en la fotosíntesis, tras la fijación de CO2 en los vegetales.

Las enfermedades que se relacionan con los glúcidos incluyen a la diabetes mellitus, la galactosemia, la intolerancia a la lactosa y las debidas a almacenaje anormal de glucógeno llamadas glucogenosis. DEFINICIÓN

Los glúcidos se denominan también azúcares, sacáridos, carbohidratos e hidratos de carbono. Todas son denominaciones de uso muy antiguo, y hacen referencia a su sabor dulce (las palabras griegas sakkhar y aros significan dulce) o que corresponden a una composición Cn (H2 O)n que sugiere carbono hidratado. No obstante es necesario mencionar que, aunque tales denominaciones subsisten, no todas estas sustancias orgánicas tienen sabor dulce, como ejemplo ocurre con el glucógeno, que siendo un glúcido no tiene sabor dulce: o no poseen esa composición, como acontece con el ácido acético, que tiene como fórmula C2 H4 O2, y sin embargo no pertenece a esta clase de biomoléculas. Considerando que algunos monosacáridos y disacáridos presentan sabor dulce; la costumbre hace que se siga utilizando el nombre de azúcares. Nosotros utilizaremos las denominaciones de glúcidos o carbohidratos, en forma indistinta, para referirnos a estas biomoléculas. Los glúcidos están ampliamente distribuidos en animales y vegetales en los que cumplen importantes funciones estructurales y metabólicas. En los vegetales la glucosa es sintetizada por fotosíntesis a partir del agua y del dióxido de carbono y almacenada como almidón o convertida en celulosa que forma la estructura de soporte del vegetal. Los animales pueden sintetizar algunos glúcidos a partir de los lípidos o proteínas (gluconeogénesis), pero el volumen mayor de glúcidos de los animales proviene, en última instancia, de los vegetales. Los carbohidratos son compuestos orgánicos formados fundamentalmente por: carbono 4º a 45 %, hidrógeno 6 a 7 % y oxígeno 49 a 53 %. Algunos glúcidos, además de estos elementos, contienen nitrógeno y azufre. Para comprender el papel que cumplen los glúcidos en el organismo de los mamíferos es esencial el conocimiento de su estructura y propiedades. El monosacárido glucosa es el glúcido más importante. La mayor cantidad de los glúcidos de la dieta pasan al torrente sanguíneo en forma de glucosa, o es convertida en glucosa, en el hígado, y a partir de ella se forman los demás carbohidratos del organismo. La glucosa es el combustible principal de los mamíferos (excepto los rumiantes), además es el combustible universal para el feto. La glucosa en el organismo es convertida en otros glúcidos que tienen funciones específicas, como por ejemplo, el glucógeno, que es una sustancia que sirve para el almacenaje de energía, la ribosa en los ácidos nucleicos, la galactosa en la lactosa de la leche y algunos lípidos complejos y, combinado con proteínas en las glucoproteinas y peptidoglucanos.

Los carbohidratos se definen atendiendo a la estructura de sus moléculas, por lo que se dice que “Los glúcidos o carbohidratos son derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihidroxilados”, poseen una función más oxidada que es el grupo carbonilo, el mismo que puede ser aldehído o cetona. Entonces diremos que un glúcido se obtiene cuando en un polialcohol uno de los grupos hidroxilo es sustituido por un grupo carbonilo (aldehído o cetona), como consecuencia de una reacción de deshidrogenación, la misma que puede producirse en cualquiera de los carbonos con grupo hidroxilo (OH), entonces tendremos: a). Si la doble deshidrogenación ocurre en los carbonos terminales, de los extremos, el grupo OH se transforma en un grupo aldehído, y el glúcido formado se llama aldosa.

H

Grupo aldehído

C O

b). Si la deshidrogenación ocurre en los carbonos centrales, el hidroxilo (OH) se transforma en el grupo cetona, y el glúcido se llama cetosa. Grupo cetona

C

O

FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS Los glúcidos o carbohidratos cumplen una diversidad de funciones en los seres vivos, las más importantes son: función energética, de reserva energética y estructural. Función energética Uno de los carbohidratos más sencillos, la glucosa, representa el combustible más común, abundante y universal para satisfacer las necesidades energéticas de los organismos. Esta energía se obtiene al catabolizar (degradar) la glucosa en compuestos estructuralmente más sencillos, a través de una serie de reacciones catalizadas por enzimas. Cuando se metaboliza 1 gr. de glucosa se obtiene 4.1 kilocalorías (Kcal.) de energía, sin embargo el contenido enérgico de los glúcidos es mucho menor que el de otros compuestos, por ej. los lípidos (9.3 Kcal./gr.), pero en contrapartida los carbohidratos son utilizados por el organismo mucho más rápido que los lípidos, por lo que son considerados como fuente de energía inmediata, mientras que los lípidos resultan más útiles como sustancias de reserva energética a largo plazo.

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MONOSACARIDOS

Normalmente cada 100 grs. de cerebro utiliza alrededor de 5.5 miligramos de glucosa por minuto, el 85 % de la glucosa reacciona con el oxígeno para formar dióxido de carbono, agua y producir energía, y el 15 % restante probablemente para formar ácido láctico. El cerebro tiene aproximadamente 2 gramos de glucosa de reserva. Tiene gran importancia biológica el hecho de que los carbohidratos sean sintetizados por los vegetales a partir del CO2 atmosférico, H2O y energía solar por medio de un complejo y aún oscuro proceso llamado fotosíntesis, cuya forma global es la siguiente: 6 CO2 + 6 H2 O + E. solar

Son los carbohidratos más sencillos, no pueden ser hidrolizados en moléculas más pequeñas. Suelen tener la fórmula Cn(H2O)n, siendo “n” siempre un número entero y representa el número de átomos de carbono que contienen y que oscila de 3 a l0. Sin embargo algunos compuestos, pese a tener esta fórmula, no son glúcidos por no tener las propiedades típicas de estos, 3 6 3 por ejemplo el ácido láctico C H O , y algunos glúcidos no tienen la fórmula mencionada, como ocurre 5 10 4 6 13 con la Desoxirribosa C H O y la Glucosamina C H 5 O N. ESTRUCTURA DE LOS MONOSACÁRIDOS

C6 H12 O6 + 6 O2 Monosacárido

Función de reserva. Como sustancias de reserva, los glúcidos o carbohidratos existen en el reino animal como glucógeno y en el reino vegetal como almidones. Ambos se forman a partir de la glucosa y son susceptibles de convertirse nuevamente en glucosa para ser utilizada con fines energéticos. Los almidones son abundantes en las gramíneas, leguminosas y tubérculos que en conjunto constituyen el acopio más importante de glúcidos en la dieta del hombre. En los animales, el glucógeno es un material de reserva energética que proporciona glucosa cuando las necesidades fisiológicas lo requieren. La sacarosa (azúcar de mesa) es un disacárido que se encuentra en los vegetales como la caña de azúcar, la remolacha, las frutas, etc., se convierte en glucosa en el interior del organismo y es de gran importancia alimenticia para el hombre. Función estructural. En esta función los glúcidos o carbohidratos llenan cometidos definidos, es así que, en los vegetales integran la estructura leñosa, es decir su esqueleto propiamente dicho, el mismo que está formado por el carbohidrato celulosa. En las bacterias, los carbohidratos forman las complejas moléculas de péptidoglucanos y ácidos teicoicos que son componentes fundamentales de la pared bacteriana y a los que se les atribuye, en gran parte, la antigenicidad y virulencia de ciertos microorganismos. En los animales, algunos carbohidratos de gran peso molecular forman sustancias como la quitina, el ácido condroitin sulfúrico y el ácido hialurónico que constituyen parte fundamental de los tejidos de sostén de algunas especies. Serán estudiados más adelante, en el apartado dedicado a los polisacáridos estructurales. CLASIFICACION DE LOS GLUCIDOS De acuerdo al grupo carbonilo (aldehído o cetona) que poseen los glúcidos o carbohidratos se clasifican en: Aldosas y Cetosas; y por su estructura se clasifican en: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

La estructura de un monosacárido es una cadena de determinado número de átomos de carbono cada uno de los cuales posee un grupo OH, excepto un carbono que posee un grupo carbonilo que puede ser aldehído o cetona, como se muestra en el siguiente gráfico.

H C

H

C

OH

C

H

3

OH

H

4

OH

C

H Aldosa

1

H

O 2

H

ALDEHÍDO

1

CETONA

H GRUPO CARBONILO

H

C

OH

2

C

O

3

C

OH

4

OH

C

H Cetosa

Estas sustancias orgánicas también presentan una estructura cíclica, ya que generalmente los monosacáridos que tienen 5 o más átomos de carbono no se encuentran en la forma de moléculas de cadena abierta o lineal, sino que están formando anillos pentagonales o hexagonales que se denominan furanosas o piranosas respectivamente. Estos anillos se forman por la reacción del grupo carbonilo (situado en el carbono 1 de las aldosas o en el carbono 2 de las cetosas) con el penúltimo grupo hidroxilo (el oxidrilo del carbono 4 de las pentosas o el carbono 5 de las hexosas). Por tanto de acuerdo a la estructura monosacáridos existen dos fórmulas: a)

de

los

Fórmulas de proyección de Fisher, que son fórmulas lineales, como se ve mas adelante con las fórmulas de la glucosa, galactosa y fructosa..

b). Fórmulas de Haworth, son fórmulas en perspectiva representadas por anillos pentagonales o hexagonales, en los vértices de los cuales se sitúan los distintos átomos de carbono. Los grupos sustituyentes H y OH se sitúan perpendiculares al plano formado por el anillo (ver mas adelante).

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CLASIFICACION DE LOS MONOSACARIDOS

H

H

C Por el número de átomos de carbono que poseen se clasifican en: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, etc. y de acuerdo al grupo carbonilo en aldosas y cetosas:

H

C

C O OH

HO

CH2OH

O H

CH2OH

D-gliceraldehido

L-gliceraldehido

La dihidroxiacetona, es una ceto-triosa, no tiene carbono asimétrico debido a que el grupo carbonilo es una cetona y no un aldehído como en el caso anterior. Por esta razón este compuesto no presenta isómeros ópticos y sólo existe en una forma. La fórmula es la siguiente.

Monosac

PROPIEDADES GENERALES Entre las propiedades monosacáridos tenemos:

C

más

CH2 OH importantes

de

los C



Son sólidos, blancos y cristalinos.



Son solubles en agua e insolubles en disolventes orgánicos.



Fundamentalmente cumplen una función energética en el organismo



En general presentan sabor dulce, por lo que se los denomina azúcares sencillos, el poder edulcorante para cada uno de ellos es diferente.

2

CH OH Dihidroxiacetona Pentosas. Las pentosas junto con las hexosas son los monosacáridos más importantes, en este grupo se encuentra la aldopentosa D-Ribosa que tiene una misión fundamental por encontrarse en las cadenas del ácido ribonucleico (RNA), además forma parte de las coenzimas ATP, NAD, NADP y flavoproteínas. Su fórmula condensada es: C5 H10 O5. Además de la función estructural, la ribosa cumple una importante misión energética como producto intermediario de la degradación de la glucosa por la vía de las pentosas.

Tomando en cuenta algunos disacáridos y como patrón a la sacarosa a la que se le da, en forma arbitraria, el valor de 10, se establece: Lactosa poder edulcorante de Galactosa poder edulcorante de Maltosa poder edulcorante de Sacarosa poder edulcorante de Glicerol poder edulcorante de Fructosa poder edulcorante de Sacarina poder edulcorante de

O

1. 3. 3. 10. 11. 17. 5500.

La sacarina es un azúcar sintético (su nombre químico es benzosulfanida), se la emplea para endulzar las bebidas cuando no se desea o no conviene ingerir azúcar, como en la Diabetes Mellitus (sacarina). MONOSACÁRIDOS DE IMPORTANCIA FISIOLÓGICA Entre los monosacáridos más importantes dentro de la fisiología humana tenemos: Triosas. Poseen 3 átomos de carbono, su fórmula es: C3 H6 O3 son los monosacáridos más sencillos, en este grupo existen 2 compuestos: El gliceraldehido, es una aldo-triosa, tiene un átomo de carbono asimétrico y por ello presenta 2 isómeros ópticos: el D-gliceraldehido y el L- gliceralaldehido.

La D-ribosa tiene un importante derivado que es la D-desoxirribosa que forma parte del ácido Desoxirribonucleico (DNA). Tanto el DNA como el RNA, son los ácidos nucleicos que tienen una misión fundamental ya que son los encargados de transmitir toda la información genética de los organismos, prácticamente son los “pilares de la herencia”. Hexosas. Son los monosacáridos más numerosos y de mayor importancia biológica, ya que intervienen en gran cantidad de importantes procesos metabólicos. De todas las hexosas existen 3 que destacan por su interés biológico: la glucosa, la galactosa y la fructosa. Glucosa. Es una aldohexosa porque tiene un grupo aldehído en el carbono número 1 y una cadena de 6 átomos de carbono, es el monosacárido más extendido

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en la naturaleza, en la que se encuentra en forma libre y en la sangre de los mamíferos, pero generalmente unida a otras moléculas de monosacáridos formando disacáridos como la sacarosa y la lactosa, o polisacáridos como el almidón y el glucógeno. Su fórmula química condensada es la siguiente: C6 H12 O6.

terapéutico, en la industria por la propiedad de “fermentación alcohólica”, originando alcohol etílico, se la utiliza para la fabricación de bebidas alcohólicas. Galactosa. Es otra aldohexosa, difiere de la glucosa solamente en la configuración del carbono 4 por la distinta posición de los grupos H y OH. La galactosa no se encuentra libre en la naturaleza, sino que está formando parte del disacárido lactosa o azúcar de la leche Su fórmula condensada es: C6 H12 O6.

Las fórmulas desarrolladas de la glucosa son: H

1

6

CH2OH

C O C OH

H

2

HO

3

H H

5

H

C H

4

C

O

H

C OH

C

OH

H

OH

5 6

H 1

C

4

C

C

2

H

OH

Formula de Fisher

Fructosa. Es una cetoexosa por que tiene un grupo cetona y una cadena de 6 átomos de carbono, se encuentra en el azúcar de la miel y en las frutas, junto con la glucosa forma el disacárido sacarosa. La fructosa es muy importante como intermediario en las diferentes vías metabólicas de los carbohidratos. Su fórmula condensada es C6 H12 O6

OH

C OH

CH OH

En pie de página presentamos las fórmulas desarrolladas de de la galactosa y glucosa, para que pueda observar la diferencia que existe entre las dos, solamente a nivel del carbono 4.

Formula de Haworth

La glucosa en estado libre se encuentra en muchas frutas, en la miel y en pequeñas cantidades en la sangre de los mamíferos. La glucosa es el único glúcido que se encuentra en estado libre en el organismo, los demás son transformados en glucosa en el hígado.

DERIVADOS FUNDAMENTALES DE LOS MONOSACARIDOS Debido a la existencia de varios grupos sustituyentes en sus moléculas, los monosacáridos pueden sufrir diferentes tipos de reacciones químicas que dan lugar a una diversidad de derivados de los mismos. El grupo constituyente que con más frecuencia sufre estas reacciones es el grupo oxidrilo del carbono 1 de las aldosas y el oxígeno del carbono 2 de las cetosas.

En el hombre, la presencia de glucosa en sangre se llama “glucemia” o “glicemia”. La glucosa y sus derivados tienen una participación fundamental en los distintos procesos metabólicos encaminados a obtener energía para las diferentes funciones celulares como la actividad muscular, respiración, división, etc. Además, la glucosa forma parte de numerosos disacáridos y polisacáridos que tienen una misión fundamentalmente estructural.

Entre los derivados más importantes tenemos: Glucósidos. Son compuestos formados por la unión entre el grupo oxidrilo del carbono anomérico de un monosacárido y un segundo compuesto que puede ser o no (en el caso de una aglucona), otro monosacárido. Los glucósidos se encuentran en muchos medicamentos, en las especias y en los constituyentes de muchos tejidos animales. El aglucano o aglicona puede ser metanol, glicerol, esterol o fenol o una base como la adenina. Todos los glucósidos son importantes en medicina, debido a su acción sobre el corazón (glucósidos cardiacos), además contienen componentes H 1 CH2 OH O 2 OH C O

El que la glucosa sea degradada para obtener energía o que sea transformada en sustancias con misión estructural, depende de las necesidades de energía que tenga el organismo. Desde el punto de vista médico, se utiliza como aporte calórico, rehidratación, vehículo para el aporte H

1

1

C

H

2

HO

3

H

4

H

5

C

O OH

C

C

C

6

C

HO

3

C

H

HO

3

C

H

OH

HO

4

C

H

H

4

C

OH

OH

H

OH

H

5

H

C

2

H

2

CH OH

Glucosa

5

C

6

2

CH OH

Galactosa

C

6

OH 2

CH OH

Fructosa

Observe con atención la posición del grupo oxidrilo en el carbono 4, ya que en la glucosa se encuentra a la izquierda y en la galactosa a la derecha y finalmente se tiene la formula lineal de la fructosa

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esteroides, estos glucósidos incluyen a derivados de la digital y el estrofanto como la ouabaina, que es un inhibidor de la Na+ / K+ ATPasa de las membranas celulares. Otros glucósidos incluyen antibióticos como la estreptomicina.

Aminoazúcares, (hexosaaminas) se forman por sustitución de un OH de un monosacárido por un grupo amino (NH2), además el grupo amino puede ser 2 acetilado, lo que se produce cuando el grupo NH reacciona con el ácido acético; los principales son:

Azúcares alcoholes, se obtienen cuando se reduce el grupo carbonilo, es decir, cuando gana átomos de hidrógeno, por ejemplo: la glicerina y el inositol. El gliceraldehído es la fuente princ...