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Los carbohidratos son sustancias naturales compuestas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Antiguamente se les conocía como “hidratos de carbono”.
En la década de 1880 se reconoció que dicho concepto era erróneo, ya que los estudios estructurales de estos compuestos revelaron que no eran hidratos,...

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TEMA: CARBOHIDRATOS INTRODUCCIÓN:

Los carbohidratos son sustancias naturales compuestas de carbono, hidrógeno y oxígeno. Antiguamente se les conocía como “hidratos de carbono”. En la década de 1880 se reconoció que dicho concepto era erróneo, ya que los estudios estructurales de estos compuestos revelaron que no eran hidratos, pues no contenían moléculas intactas de agua. Además, otros compuestos naturales (carbohidratos) tenían fórmulas moleculares diferentes a las anteriores. Estos varían desde azucares simples que contienen de tres a siete átomos de carbono hasta polímeros muy complejos. Solo las hexosas (azucares de seis carbonos) y las pentosas (azucares de 5 carbonos) tienen importancia en la nutrición y/o metabolismo. Desde el punto de vista químico, los carbohidratos 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. 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. Se les llama carbohidratos debido a que su estructura química semeja formas hidratadas del carbono y se representan con la fórmula Cn (H2O) n. Los carbohidratos tienen diversas funciones en el organismo 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. Origen de los carbohidratos. El carbohidrato más abundante en la naturaleza es la glucosa, las especies animales obtienen glucosa al comer plantas o al comer alimentos que los contienen. Las plantas obtienen glucosa por un proceso que se conoce como fotosíntesis: Los mamíferos tienen la capacidad metabólica de convertir los carbohidratos como sacarosa, lactosa, almidón, en glucosa, la cual bioquímicamente es oxidada para la obtención de energía o se almacena como glucógeno, cuando el organismo necesita de energía el glucógeno se convierte de nuevo en glucosa gracias a

procesos metabólicos. La glucosa también puede convertirse en lípidos, colesterol, esteroides y algunas proteínas. En las plantas un exceso de glucosa también es almacenado en almidón o celulosa.

Clasificación: La clasificación de los carbohidratos se basa en el hecho de que todas las formas, desde la simple glucosa hasta los de complejidad creciente se relacionan con los azucares simples o sacáridos. Los monosacáridos no pueden hidrolizarse a una forma más simple. Los disacáridos se hidrolizan para proporcionar dos moléculas de monosacáridos. Los oligosacáridos producen de tres a 10 unidades de monosacárido y los polisacáridos proporcionan de 10 hasta 10000 unidades o más. l. MONOSACARIDOS: Como se mencionó anteriormente estos no pueden ser hidrolizados a moléculas más pequeñas. Todos ellos son azucares reductores. Los principales monosacáridos que se encuentran en los alimentos son la glucosa y la fructuosa. Pueden tener una estructura de cadena abierta o anular, cuando se unen entre sí, como disacáridos o polisacáridos, se conservan en forma cíclica. La galactosa y la manosa tienen la misma estructura que la glucosa excepto por la orientacion de los grupos hidroxilo alrededor de seis átomos de carbono. La glucosa es el principal producto que se forma por las hidrólisis de carbohidratos más complejos en el proceso de la digestión. Se oxida en las células como fuente de energía y se almacena en el higado y músculos en forma de glucógeno. El sufijo –osa se emplea en la nomenclatura sistemática de los carbohidratos para designar un azúcar reductor, que es un azúcar que tiene un grupo aldehído o un grupo α-hidroxicetona. 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 desoxirribosa, 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. Los monosacáridos simples se pueden representar con la fórmulaestequiométrica (CH2O) y pueden tener función aldehído: cuando el grupo funcional carbonilo se encuentra en el carbón primario de la molécula, o función cetona: cuando el grupo funcional se encuentra en un carbón secundario. Segúnla longitud de la cadena carbonada se distinguen entre aldo o cetotriosas, tetrosas,pentosas etc. La molécula más pequeña que generalmente se considera un monosacárido son las triosas (con n = 3). Configuración Los monosacáridos por sus estructuras pueden presentar diferentes tipos de isomería. La existencia de uno o varios carbonos asimétricos en todos los monosacáridos simples, excepto en la cetotriosa: dihidroxiacetona, implica numerosas posibilidades de configuración espacial de la cadena carbonada. Enantiómeros Este tipo de isomerismo se observa en la fórmula del gliceraldehido, el segundo átomo de carbono tiene cuatro sustituyentes diferentes, por lo que es un carbono quiral. Por lo tanto el gliceraldehido tiene dos estereoisómeros de tipo enantiómeros, que son imágenes especulares, no superponibles, uno del otro. La forma más compacta de representar los enantiómeros es utilizando una proyección de Fischer. Otro tipo de isomerismo es el que se da debido a la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada, los que desvían la luz hacia la derecha se conocen como D (dextrógiros) y los que la desvían hacia la izquierda L (levógiros). El carbono asimétrico, el más alejado del aldehído determina la designación D/ L según la posición del grupo funcional OH. En los organismos domina una forma enantiomérica de los monosacáridos, la forma D, No obstante, también hay monosacáridos L, aunque en menor proporción, desempeñando funciones bastante especializadas. Diastómeros Cuando se consideran los monosacáridos con más de tres carbonos, se aprecia que el monosacárido puede tener más de un carbono quiral, por lo que hay dos tipos de estereoisómeros: los enantiómeros y los diastómeros una nueva forma de estereoisómeros que se distinguen de los primeros por que no son imágenes especulares uno del otro. Son isómeros que difieren en su orientación alrededor de otros carbonos, con la misma fórmula estructural, pero con una disposición diferente en sus grupos, recibiendo nombres diferentes, Ejemplo de esto son la treosa y la eritrosa son dos aldotreosas con orientaciones contrarias alrededor del carbono 2, teniendo cada uno dos enantiómeros (D Y L). Anómeros Los monosacáridos de 5 y 6 carbonos presentan la característica de poder formar estructuras de anillo muy estables mediante la formación de un hemiacetal interno. Cuando el enlace se da entre el oxígeno del carbono uno con el hidroxilo del carbono cuatro produce una estructura cíclicallamada furano. Si el enlace se da entre el uno y el cinco el anillo se denomina pirano.

En condiciones fisiológicas en disolución, los monosacáridos de 5 y 6 carbonos se encuentran en un 99% en forma de anillo. Esta nueva estructura a formado un nuevo centro asimétrico basado en el carbono 1, dando lugar a los estereoisómeros α y β debido a la rotación de la luz polarizada, estos isómeros que difieren en la configuración tan sólo del carbono 1(átomo del carbono anomérico) se denominan anómeros. Con la proyección de Haworth podemos ejemplificar este isomerismo de la glucosa. Existen dos clases de conformaciones de piranosa para los azucares de 6 carbonos: la forma de silla más estable y la de bote, menos favorecida. Si bien existen en la naturaleza con más de 6 carbonos,la mayoría son de escasa importancia. A excepción de la sedoheptulosa. Actividad óptica de los carbohidratos Los monosacáridos con excepción de la dihidroxiacetona, son ÓPTICAMENTE ACTIVOS, es decir, hacen girar el plano de la luz polarizada ya que tienen uno o más átomos de carbono asimétricos (quirales). En general, una molécula con n centros quirales puede tener 2n estereoisómeros. 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 monosacáridos 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. II. DISACARIDOS: Los disacáridos producen dos moléculas de monosacáridos cuando se hidrolizan, pueden existir como tales en la naturaleza, como la sacarosa o azúcar de mesa; o bien; obtenerse por hidrólisis parcial de algún polímero más complejo. Por lo general, el enlace glicosidico puede ser del tipo alfa o beta en el azúcar del que deriva el glicósido, el cual se una al OH en C4’ o C6’ de la otra unidad de azúcar que forma el glicósido o acetal o cetal. Los tres disacáridos comunes consisten en dos moléculas de monosacárido una de ellas cuando menos es glucosa. Sacarosa= glucosa + fructuosa Maltosa= glucosa + glucosa Lactosa= glucosa + galactosa Enlace glicosidico

Se da entre el grupo hidroxilo del carbón anomérico de un monosacárido cíclico y el grupo hidroxilo de otro compuesto, enlace que se conoce también como éter. La unión entre dos monosacáridos forman los disacáridos. 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. 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. 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. El grupo carbonilo de las aldosas puede oxidarse, lo que significa que las aldosas son agentes reductores (AZÚCARES REDUCTORES). La sacarosa y la trehalosa no son azúcares reductores porque no tienen el grupo aldehído libre.

III.OLIGOSACÁRIDOS: Contienen de tres a nueve monosacáridos en su molécula, siendo todos ellos solubles en agua. Los ejemplos máscaracterísticos son la maltotriosa y la rafinosa. De 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 MALTOSA: La maltosa 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. SACAROSA: La sacarosa 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). El grupo carbonilo de las aldosas puede oxidarse, lo que significa que las aldosas son agentes reductores (AZÚCARES REDUCTORES). La sacarosa y la trehalosa no son azúcares reductores porque no tienen el grupo aldehído libre. IV. POLIALCOHOLES. También conocidos como alcoholes de azucares, se obtienen industrialmente por hidrogenación de los azucares, destacando los siguientes: 

Sorbitol



Manitol



Dulcitol

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Lactitol

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Xilitol



Inositol

V. POLISACARIDOS: Los polisacáridos son polímeros ampliamente distribuidos por la naturaleza, hay muchos tipos de ellos, los que más interesan son los polímeros de la glucosa. Algunos de ellos son utilizables directamente por el organismo, como el almidón y el glucógeno. Otros no lo son de manera directa aunque si de forma indirecta y parcial debido a la actividad de la flora intestinal, rindiendo energía metabólica. Entre estos el principal es la celulosa. Los demás polisacáridos no utilizables son los polímeros de otros azucares o derivados, entre ellos se encuentran las hemicelulosas, gomas, mucilagos, pectinas, etc y todos juntos se engloban bajo el termino de fibra alimentaria.

Polisacáridos complejos

Estos polisacáridos además de contener unidades de glucosa también pueden contener lípidos, proteínas o secuencias peptídicas, esta complejidad estructural es producto de una amplia variedad funcional. La pectina se halla en las paredes celulares de los vegetales aunque en menor proporción que la celulosa, y son polímeros lineales del ácido D-galacturónico, parcialmente esterificados con grupos metilo, ligados a galactosa, arabinosa y xilosa. La quitina es el material básico del exoesqueleto de los artrópodos y forma paredes celulares en hongos, Tiene una estructura básicamente similar a la de la celulosa, en donde el hidroxilo del carbono 2 de cada residuo se ha reemplazado por un grupo amino acetilado, formando unidades repetitivas de Nacetilglucosamina en enlaces (1 β − 4)La quitina se encuentra en el tabique que se forma entre las células que se están separando. También tenemos a los glucosaminoglucanos anteriormente denominados mucopolisacáridos, los más importantes son: el condroitín sulfato y el queratán sulfato del tejido conjuntivo, el dermatán sulfato de la piel y el ácido hialurónico. Todos ellos son polímeros de unidades repetidas de disacáridos, en donde uno de los azúcares es la N-acetilgalactosamina o la N-acetilglucosamina, o uno de sus derivados. METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS: La necesidad de un aporte constante de energía a la célula se debe a que ella lo requiere para realizar varias funciones, entre las que destacan: a) La realización de un trabajo mecánico, por ejemplo, la contracción muscular y movimientos celulares. b) El transporte activo de iones y moléculas. c) La síntesis de moléculas.

Para la mayoría de los animales, incluyendo al hombre, la energía útil para la célula es la energía química, la cual se encuentra contenida en los nutrientes (carbohidratos y lípidos, principalmente) que se consumen. A través de un conjunto procesos enzimáticos bien definidos, la célula extrae dicha energía y la hace disponible para que se realicen una gran variedad de procesos celulares, entre los que destacan los encaminados a la síntesis de (anabolismo) y degradación (catabolismo) de biomoléculas, a la suma de ambos procesos se le identifica como Metabolismo. La célula ha diseñado para la glucosa, los ácidos grasos y los aminoácidos un proceso metabólico único (metabolismo de carbohidratos, de lípidos y de proteínas, respectivamente), acompañado cada uno de ellos de un estricto mecanismo de regulación (control metabólico). A continuación, se hará una breve descripción de los procesos anabólico y catabólico de la glucosa. Las vías enzimáticas relacionadas con el metabolismo de la glucosa son:

(1) oxidación de la glucosa. (2) formación de lactato. (3) metabolismo del glucógeno (4) gluconeogénesis. (6) vía de las pentosas fosfato. OXIDACIÓN DE LA GLUCOSA La oxidación de la glucosa involucra un conjunto de reacciones enzimáticos, ligadas una de la otra y vigiladas por un estricto control metabólico, todo con el único fin, de hacer disponible para célula, la energía química contenida en la glucosa. La reacción global es: La formación de CO2 + H2O + ATP a partir de la glucosa, se lleva a cabo, porque existe una disponibilidad de O2 y que aunado a la necesidad de energía, se inducen los procesos enzimáticos claramente definidos por sustratos y productos, ellos son: (1) glucólisis. (2) transformación del piruvato en acetil CoA. (3) ciclo de Krebs (4) fosfoliración oxidativa. Glucólisis. La glucólisis se realiza en el citosol y comprende la conversión de glucosa en piruvato, cuya reacción global es: En este proceso participan 10 enzimas diferentes que catalizan diez reacciones secuénciales, las cuales podríamos dividir en tres etapas: a) formación de fructosa 1,6-bisfosfato a partir de glucosa, b) formación de triosas fosfato (gliceraldehido 3fosfato y dihidroxiacetona fosfato) a partir de fructosa 1,6-bisfosfato y c) formación de piruvato a partir de gliceraldehido 3-fosfato. En la primer etapa se consumen dos ATP´s, uno con la enzima hexoquinasa y después de una reacción de isomerización, se emplea el segundo ATP, con la enzima fosfofructoquinasa , reacciones que dan origen a la fructosa 1,6-bisfosfato, con la que se inicia la segunda etapa, al convertirse la fructosa 1,6-bisfosfato en sustrato de la enzima Aldolasa y cuyos productos son las dos triosas fosfato (gliceraldehido 3-fosfato y dihidroxiacetona fosfato), seguidamente se inicia la tercer etapa, la que se caracteriza por la isomerización de la dihidroxiacetona fosfato en gliceraldehido 3-fosfato por lo que al finalizar esta etapa, contamos con dos moléculas de gliceraldehido 3-fosfato,mismas que servirán de sustrato para la formación de piruvato, uno por cada una de ellas. Con la síntesis de piruvato, termina la tercer etapa, la que se distingue inicialmente, por el requerimiento de la coenzima NAD+ y de un Pi (ortofosfato), para oxidar y fosforilar al gliceraldehido 3fosfato el cual se transforma en 1,3-...