Cazadores de Biomoléculas Carbohidratos (TRIMESTRE 1)

 Carbohidratos

Los carbohidratos son moléculas de azúcar. Junto con las proteínas y las grasas, los carbohidratos son uno de los tres nutrientes principales que se encuentran en alimentos y bebidas.

Su cuerpo descompone los carbohidratos en glucosa. La glucosa, o azúcar en la sangre, es la principal fuente de energía para las células, tejidos y órganos del cuerpo. La glucosa puede usarse inmediatamente o almacenarse en el hígado y los músculos para su uso posterior.

¿Cuáles son los diferentes tipos de carbohidratos?

Hay tres tipos principales de carbohidratos:

• Azúcares: También se llaman carbohidratos simples porque se encuentran en su forma más básica. Pueden agregarse a los alimentos, como el azúcar en dulces, postres, alimentos procesados y refrescos. También incluyen los tipos de azúcar que se encuentran naturalmente en frutas, verduras y leche
• Almidones: Son carbohidratos complejos que están hechos de muchos azúcares simples unidos. Su cuerpo necesita descomponer los almidones en azúcares para usarlos como energía. Los almidones incluyen pan, cereal y pasta. También incluyen ciertas verduras, como papas, guisantes y maíz
• Fibra: También es un carbohidrato complejo. Su cuerpo no puede descomponer la mayoría de la fibra, por lo que comer alimentos con fibra puede ayudarle a sentirse lleno y hacer que sea menos probable que coma en exceso. Las dietas altas en fibra tienen otros beneficios para la salud. Pueden ayudar a prevenir problemas estomacales o intestinales, como el estreñimiento. También pueden ayudar a bajar el colesterol y azúcar en la sangre. La fibra se encuentra en muchos alimentos que provienen de plantas, como frutas, verduras, nueces, semillas, frijoles y granos integrales

Monosacáridos

Los monosacáridos ( mono – = “uno”; sacchar – = “dulce”) son azúcares simples, el más común de los cuales es la glucosa. En los monosacáridos, el número de carbonos suele oscilar entre tres y siete. La mayoría de los nombres de los monosacáridos terminan con el sufijo – osa . Si el azúcar tiene un grupo aldehído (el grupo funcional con la estructura R-CHO), se conoce como aldosa, y si tiene un grupo cetona (el grupo funcional con la estructura RC(=O)R′), se conoce como cetosa. Dependiendo del número de carbonos en el azúcar, también pueden conocerse como triosas (tres carbonos), pentosas (cinco carbonos) y/o hexosas (seis carbonos). Véase la Figura 1 para ver una ilustración de los monosacáridos.

Figura 1. Los monosacáridos se clasifican según la posición de su grupo carbonilo y el número de carbonos en su cadena principal. Las aldosas tienen un grupo carbonilo (indicado en verde) al final de la cadena carbonada, y las cetosas tienen un grupo carbonilo en el centro de la cadena carbonada. Las triosas, pentosas y hexosas tienen cadenas principales de tres, cinco y seis carbonos, respectivamente.

La fórmula química de la glucosa es C₆H₁₂O₆ _. En _los seres humanos, la glucosa es una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, se libera energía de la glucosa, la cual se utiliza para la producción de trifosfato de adenosina (ATP). Las plantas sintetizan glucosa utilizando dióxido de carbono y agua, y la glucosa, a su vez, se utiliza para cubrir las necesidades energéticas de la planta. El exceso de glucosa suele almacenarse en forma de almidón, que es catabolizado (la descomposición de moléculas más grandes por las células) por los seres humanos y otros animales que se alimentan de plantas.

La galactosa y la fructosa son otros monosacáridos comunes: la galactosa se encuentra en los azúcares de la leche y la fructosa en los azúcares de la fruta. Aunque la glucosa, la galactosa y la fructosa comparten la misma fórmula química (C₆H₁₂O₆ ) _, difieren _{estructural y} químicamente (y se conocen como isómeros) debido a la distinta disposición de los grupos funcionales alrededor del carbono asimétrico; todos estos monosacáridos tienen más de un carbono asimétrico (Figura 2).

Pregunta de práctica

Figura 2. La glucosa, la galactosa y la fructosa son hexosas. Son isómeros estructurales, lo que significa que comparten la misma fórmula química (C₆H₁₂O₆), pero con una disposición atómica diferente.

 

¿Qué tipo de azúcares son estos, aldosa o cetosa?

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Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas anulares; en soluciones acuosas, suelen encontrarse en forma de anillo (Figura 3). La glucosa en forma de anillo puede presentar dos disposiciones diferentes del grupo hidroxilo (−OH) alrededor del carbono anomérico (carbono 1 que se vuelve asimétrico durante la formación del anillo). Si el grupo hidroxilo se encuentra por debajo del carbono 1 en el azúcar, se dice que está en la posición alfa ( α ), y si se encuentra por encima del plano, se dice que está en la posición beta ( β ).

Figura 3. Los monosacáridos de cinco y seis carbonos se encuentran en equilibrio entre las formas lineal y anular. Cuando se forma el anillo, la cadena lateral que lo cierra queda bloqueada en una posición α o β. La fructosa y la ribosa también forman anillos, aunque estos forman anillos de cinco miembros, a diferencia del anillo de seis miembros de la glucosa.

disacáridos

Los disacáridos ( di – = “dos”) se forman cuando dos monosacáridos experimentan una reacción de deshidratación (también conocida como reacción de condensación o síntesis por deshidratación). Durante este proceso, el grupo hidroxilo de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua y formando un enlace covalente. Un enlace covalente formado entre una molécula de carbohidrato y otra molécula (en este caso, entre dos monosacáridos) se conoce como enlace glucosídico (Figura 4). Los enlaces glucosídicos (también llamados enlaces glucosídicos) pueden ser de tipo alfa o beta. Un enlace alfa se forma cuando el grupo OH en el carbono-1 de la primera glucosa está por debajo del plano del anillo, y un enlace beta se forma cuando el grupo OH en el carbono-1 está por encima del plano del anillo.

Figura 4. La sacarosa se forma cuando un monómero de glucosa y un monómero de fructosa se unen en una reacción de deshidratación para formar un enlace glucosídico. En el proceso, se pierde una molécula de agua. Por convención, los átomos de carbono de un monosacárido se numeran a partir del carbono terminal más cercano al grupo carbonilo. En la sacarosa, se forma un enlace glucosídico entre el carbono 1 de la glucosa y el carbono 2 de la fructosa.

Los disacáridos comunes incluyen la lactosa, la maltosa y la sacarosa (Figura 5). La lactosa es un disacárido compuesto por los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra de forma natural en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido formado por la reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa, o azúcar de mesa, que está compuesta por los monómeros glucosa y fructosa.

Figura 5. Los disacáridos comunes incluyen maltosa (azúcar de grano), lactosa (azúcar de la leche) y sacarosa (azúcar de mesa).

Polisacáridos

Una cadena larga de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos se conoce como  polisacárido ( poli = «muchos»). La cadena puede ser ramificada o no, y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. El peso molecular puede ser de 100.000 daltons o más, dependiendo del número de monómeros unidos. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos principales de polisacáridos.

El almidón es la forma almacenada de los azúcares en las plantas y está compuesto por una mezcla de amilosa y amilopectina (ambos polímeros de glucosa). Las plantas pueden sintetizar glucosa, y el exceso de glucosa, que excede las necesidades energéticas inmediatas de la planta, se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluyendo las raíces y las semillas. El almidón presente en las semillas proporciona alimento al embrión durante su germinación y también puede servir como fuente de alimento para humanos y animales. El almidón que consumen los humanos es descompuesto por enzimas, como las amilasas salivales, en moléculas más pequeñas, como la maltosa y la glucosa. Las células pueden entonces absorber la glucosa.

El almidón está compuesto de monómeros de glucosa unidos por  enlaces glucosídicos α1-4 o α1-6 . Los números 1-4 y 1-6 se refieren al número de carbonos de los dos residuos que se han unido para formar el enlace. Como se ilustra en la Figura 6, la amilosa es almidón formado por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa (solo enlaces α1-4 ), mientras que la amilopectina es un polisacárido ramificado ( enlaces α1-6 en los puntos de ramificación).

Figura 6. La amilosa y la amilopectina son dos formas diferentes de almidón. La amilosa está compuesta por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa conectados por enlaces glucosídicos α-1,4. La amilopectina está compuesta por cadenas ramificadas de monómeros de glucosa conectados por enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6. Debido a la unión de las subunidades, las cadenas de glucosa presentan una estructura helicoidal. El glucógeno (no mostrado) tiene una estructura similar a la de la amilopectina, pero está más ramificado.

El glucógeno es la forma de almacenamiento de la glucosa en humanos y otros vertebrados y está compuesto por monómeros de glucosa. Es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que suele almacenarse en las células hepáticas y musculares. Cuando los niveles de glucosa en sangre disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa en un proceso conocido como glucogenólisis.

La celulosa es el biopolímero natural más abundante. La pared celular de las plantas está compuesta principalmente de celulosa, lo que proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son principalmente celulósicos. La celulosa está compuesta de monómeros de glucosa unidos por  enlaces glucosídicos β 1-4 (Figura 7).

Figura 7. En la celulosa, los monómeros de glucosa se unen en cadenas no ramificadas mediante enlaces glucosídicos β 1-4. Debido a la unión de las subunidades de glucosa, cada monómero de glucosa se invierte con respecto al siguiente, lo que da lugar a una estructura fibrosa lineal.

Como se muestra en la Figura 7, todos los demás monómeros de glucosa en la celulosa se invierten, y los monómeros se empaquetan firmemente como largas cadenas extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, tan importantes para las células vegetales. Si bien las enzimas digestivas humanas no pueden descomponer el  enlace β 1-4, los herbívoros como las vacas, los koalas, los búfalos y los caballos pueden, con la ayuda de la flora especializada de su estómago, digerir material vegetal rico en celulosa y utilizarlo como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias y protistas residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice de los animales de pastoreo también contiene bacterias que digieren la celulosa, lo que le otorga un papel importante en el sistema digestivo de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que el animal puede utilizar como fuente de energía. Las termitas también pueden descomponer la celulosa debido a la presencia de otros organismos en sus cuerpos que secretan celulasas.

Ejemplos relevantes en sistemas vivos

1. Glucosa (monosacárido)

• Función: Fuente principal de energía inmediata.

• Ejemplo: En humanos, la glucosa circula en la sangre y es utilizada por las células para producir ATP mediante la respiración celular.

2. Glucógeno (polisacárido de reserva en animales)

• Función: Almacén de energía a corto plazo.

• Ejemplo: Se encuentra en el hígado y los músculos de los animales. Se descompone en glucosa cuando el cuerpo lo necesita.

3. Celulosa (polisacárido estructural en plantas)

• Función: Brinda soporte estructural.

• Ejemplo: Forma parte de la pared celular de las plantas, dando rigidez y protección a las células vegetales.

4. Almidón (polisacárido de reserva en plantas)

• Función: Almacén de energía.

• Ejemplo: En plantas como la papa o el maíz, el almidón se acumula en raíces y semillas para alimentar a la planta en crecimiento.

5. Quitina (polisacárido estructural en hongos y artrópodos)

• Función: Componente estructural resistente.

• Ejemplo: Forma parte del exoesqueleto de insectos y crustáceos, y también de la pared celular de los hongos.

Ejemplos relevantes en Alimentos

Alimento	Carbohidrato principal	Tipo	Función principal
Pan	Almidón	Polisacárido	Energía de liberación lenta
Arroz	Almidón	Polisacárido	Fuente de energía
Papa	Almidón	Polisacárido	Reserva energética vegetal
Miel	Glucosa y fructosa	Monosacáridos	Energía rápida
Frutas (ej. manzana)	Fructosa	Monosacárido	Energía rápida, sabor dulce
Lentejas	Almidón y fibra	Polisacárido	Energía y mejora digestiva
Avena	Almidón y fibra	Polisacárido	Energía y regulación del intestino
Maíz	Almidón	Polisacárido	Energía vegetal
Galletas	Azúcares simples y almidón	Mono/Polisacárido	Energía rápida (muchas veces con azúcar refinada)
Plátano maduro	Almidón y glucosa	Polisacárido y monosacárido	Energía para músculos y cerebro