Carbohidratos, función e importancia dentro de los procesos metabólicos

Los carbohidratos son biomoléculas que se pueden definir desde el punto de vista químico como polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas o sus derivados por oxidación, reducción, sustitución o polimerización. La clasificación está dada por el número de unidades monoméricas que presenta y pueden ser monosacáridos (1 unidad), disacáridos (2 unidades), oligosacáridos (hasta 20 unidades) y polisacáridos (más de 20 unidades). Presentan tres funciones fundamentales: 1) función estructural como la celulosa que forma parte de las paredes celulares de las células vegetales y la quitina que constituye el principal componente del exoesqueleto de los artrópodos; 2) energética como el almidón en las plantas y el glucógeno en los animales; 3) informativa cuando se unen a otras biomoléculas y forman los glicoconjugados que actúan como señales que determinan la localización extracelular o el destino metabólico de estas moléculas. Tienen gran importancia ya que constituyen la energía para todas las funciones del cuerpo, participa en la digestión y asimilación de otros alimentos; también ayudan a regular el metabolismo de las proteínas y grasas.

Palabras claves: Carbohidratos, glicoconjugados, importancia de los carbohidratos.

Abstract

Carbohydrates are biomolecules that can be defined from the chemical point of view as polihidroxialdehídos, polihidroxicetonas or its derivatives by oxidation, reduction, substitution or polymerization. Classification is determined by the number of monomeric units present and can be mono-(1 unit), di (2 units), oligosacharides (up to 20 units) and polysaccharides (over 20 units). They have three basic functions: 1) structural function as the cells that are part of the cell walls of plant cells and chitin which is the main component of the exoskeleton of arthropods, 2) energy as starch in plants and glycogen in animals, 3) information when they bind to other biomolecules and form glycoconjugates act as signals that determine the extracellular localization and metabolic fate of these molecules. Are very important since they represent the energy for all bodily functions involved in digestion and assimilation of other foods also help regulate the metabolism of proteins and fats.

Keywords: Carbohydrates, glycoconjugates, the importance of carbohydrates

Introducción

Las biomoléculas son las moléculas constituyentes de los seres vivos. Los cuatro bioelementos más abundantes en los seres vivos son el C, H, O y N, representando alrededor del 99% de la masa de la mayoría de las células. Las biomoléculas fundamentales de las estructuras complejas fueron seleccionadas en el curso de la evolución biológica por su capacidad de desempeñar diversas funciones. Todas las biomoléculas orgánicas derivan de precursores muy sencillos, estos se convierten a través de secuencias de intermediarios metabólicos en las biomoléculas sillares estructurales, estos se unen con otros, covalentemente para formar macromoléculas tales como proteínas, lípidos y carbohidratos (Lehninger, 1988). Los glúcidos (impropiamente llamados hidratos de carbono o carbohidratos) son la fuente de energía primaria que utilizan los seres vivos para realizar sus funciones vitales; la glucosa está al principio de una de las rutas metabólicas productoras de energía más antiguas, la glucólisis, usada en todos los niveles evolutivos, desde las bacterias a los vertebrados (Lehninger, 2006). Muchos organismos, especialmente los vegetales, almacenan sus reservas en forma de almidón. Algunos forman estructuras esqueléticas, como la celulosa, constituyente de la pared celular vegetal, o la quitina, que forma la cutícula de los artrópodos. Son un alimento básico en la mayoría de las partes del mundo, y su oxidación es el rendimiento de energía central de la vía en la mayoría de las células fotosintéticas. Polímeros insolubles de hidratos de carbono sirven como elementos estructurales y de protección en las paredes celulares de las bacterias y las plantas y en los tejidos conectivos de los animales. Los demás polímeros de hidratos de carbono lubrican las articulaciones del esqueleto y participan en el reconocimiento y la adhesión entre células. Polímeros de carbohidratos más complejos covalentemente unidos a proteínas o lípidos actúan como señales que determinan la localización intracelular o el destino metabólico de estas moléculas híbridas, llamadas glicoconjugados, por lo que este trabajo tiene como objetivo caracterizar los carbohidratos como biomoléculas y explicar la clasificación, funciones e importancia de los carbohidratos para los organismos (Lehninger, 1988).

Aspectos generales de los Glúcidos

Constituyen las biomoléculas más abundantes en la Tierra, ya que cada año, la fotosíntesis convierte más de 100 millones de toneladas de CO2 y H2O en celulosa y otros productos vegetales.

Desde el punto de vista químico se pueden definir como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas o productos derivados de ellos por oxidación, reducción, sustitución o polimerización. Reciben este nombre por su fórmula general (CH2O)n y algunos también contienen N, P o S. Es un nombre incorrecto desde el punto de vista químico, ya que esta fórmula sólo describe a una ínfima parte de estas moléculas.

También se les puede conocer por los siguientes nombres:

-Glícidos o glúcidos (de la palabra griega que significa dulce), pero son muy pocos los que tienen sabor dulce.

-Sacáridos (se deriva del griego sakcharon, que significa "azúcar"), aunque el azúcar común es uno sólo de los centenares de compuestos distintos que pueden clasificarse en este grupo.

Un aspecto importante es que pueden unirse covalentemente a otro tipo de moléculas, formando glicolípidos, glicoproteínas (cuando el componente proteico es mayoritario), proteoglicanos (cuando el componente glicídico es mayoritario) y peptidoglicanos (en la pared bacteriana) los cuales actúan como señales que determinan la localización intracelular o el destino metabólico de estas moléculas híbridas, llamadas glicoconjugados.

Clasificación de los Glúsidos

La clasificación que se le aplica es según el número de unidades de polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas que presentan por lo que pueden ser monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos (Lehninger, 2006).

Monosacáridos o azúcares simples, consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona. Poseen la fórmula empírica (CH2O) n.

La forma común que presentan las moléculas de monosacáridos son cadenas de carbono ramificado en el que todos los átomos de carbono están unidos por enlaces simples. Uno de los átomos de carbono con doble enlace a un átomo de oxígeno para formar un grupo carbonilo; cada uno de los átomos de carbono tiene un grupo hidroxilo. Si el grupo carbonilo está en un extremo de la cadena de carbono es decir, en un grupo aldehído (a la izquierda en la figura) el monosacárido es una aldosa, y si el grupo carbonilo está en cualquier otra posición, o sea, en un grupo cetona, el monosacárido es una cetosa. Según la longitud de la cadena carbonada se distingue entre aldo- y cetotriosas, aldo- y cetotetrosas, aldo- y cetopentosas:

Figura 1. Representación de aldosas y cetosas. (BIOROM, 2003)

La mayoría de las cetosas son tienen un sabor dulce. Los monosacáridos más sencillos son las triosas, de 3 átomos de carbono, el gliceraldehído, la dihidroxiacetona, la cetotriosa y la aldotriosa. Entre los monosacáridos se encuentran las tetrosas (4 C), pentosas (5 C). Los monosacáridos de más de cuatro átomos de carbono tienden a tener estructuras cíclicas. El monosacárido más abundante es el azúcar de seis carbonos o aldohexosa D-glucosa que a veces se denomina dextrosa y del cual se derivan muchos más.

Monosacáridos simples de interés biológico

-Triosas: En la vía metabólica de degradación anaeróbica de la glucosa (glucólisis) hay dos importantes intermediarios: el D-gliceraldehído (aldotriosa) y la dihidroxiacetona (cetotriosa).

–Tetrosas: De forma ocasional, aparecen en alguna vía metabólica. Ejemplos de aldotetrosas son la D-eritrosa y la D-treosa. Un ejemplo de cetotetrosa es la D-eritrulosa.

-Pentosas: Son de especial interés las aldopentosas D-ribosa y su derivado 2-D-desoxirribosa, estos constituyentes fundamentales de los ácidos nucleicos. Otras aldopentosas que se encuentran en la naturaleza son la D-xilosa, que forma parte de los xilanos de la madera, la L-xilosa, la D-arabinosa y la L-arabinosa.

–Hexosa: La D-glucosa es el monosacárido más abundante en la naturaleza. Se encuentra como tal en el zumo de uva, en el suero sanguíneo y en el medio extracelular. Forma parte de los polisacáridos, tanto de reserva como estructurales, y constituye la base del metabolismo energético, ya que todos los seres vivos son capaces de metabolizar la glucosa. En nuestro organismo hay células (hematíes y neuronas), que sólo pueden obtener energía a partir de la glucosa.

La D-Manosa y la D-galactosa, así como sus derivados, aparecen en multitud de oligosacáridos de la superficie celular (como glicoproteínas o glicolípidos). La D-galactosa es un constituyente del disacárido lactosa, carbohidrato principal de la leche. La D-fructosa está presente en casi todas las frutas, a las que confiere su sabor dulce. La D-fructosa es levorrotatoria, y de ahí que también reciba el nombre de levulosa. Sus ésteres fosfóricos también son importantes intermediarios metabólicos.

Derivados importantes de los monosacáridos

-Glucósidos, N~glucosilaminas (N~glucósidos) (forman parte de los nucleótidos), O~acil derivados, O~metil-derivados, Osazonas (se emplean para identificar los azúcares), Azúcares-alcoholes (glicerina e inositol), Azúcares-ácidas (ácidos urónicos, componentes de polisacáridos; el ácido ascórbico, o vitamina C (?-lactona), Fosfatos de azúcares (intermediarios en el metabolismo de los glucósidos), Desoxiazúcares (componentes importantes de algunas paredes celulares bacterianas), Aminoazúcares (la D-glucosamina es el componente principal de la quitina, la D-galactosamina, es un componente de los glucolípidos y del polisacárido principal de los cartílagos, el sulfato de condroitina), Ácido murámico y neuramínico (sillares de la construcción de los polisacáridos estructurales, se encuentra en las paredes celulares de las bacterias y en las cubiertas celulares de las células de los animales superiores. El ácido N-ecetilneuramínico es un sillar importante de la cadena de polisacáridos halladas en las glucoproteínas y en los glucolípidos de las cubiertas celulares de los tejidos animales).

Los disacáridos (como la maltosa, lactosa y sacarosa), son los resultantes de la unión covalente de dos monosacáridos, o sea, dos unidades de monosacáridos; por un enlace denominado O-glucosídico.

Disacáridos reductores

A este grupo pertenecen la maltosa (No existe como tal en la naturaleza, y se obtiene a partir de la hidrólisis del almidón), la isomaltosa, la celobiosa (no existe como tal en la naturaleza y se obtiene a partir de la hidrólisis de la celulosa) y la lactosa (se encuentra en la leche).

Disacáridos no reductores

Dentro de este grupo se encuentran la sacarosa (formada por glucosa y fructosa, es el azúcar común o azúcar de caña) y trehalosa.

Los oligosacáridos son polímeros de hasta 20 unidades de monosacáridos. Se ha establecido arbitrariamente un límite de 20 unidades para definir a los oligosacáridos. Por encima de este valor se habla de polisacáridos. Son parte integrante de los glicolípidos y glicoproteínas que se encuentran en la superficie externa de la membrana plasmática y por lo tanto tienen una gran importancia en las funciones de reconocimiento en superficie.

Los oligosacáridos que se unen a las proteínas se encuentran en la superficie externa de la membrana plasmática, en la matriz extracelular y en la sangre, dentro de la célula se encuentran en organelos específicos como el complejo de Golgi, orgánulos secretores y lisosomas. La porción de oligosacáridos de las glicoproteínas son menos simples que glucosaminoglicano, contienen mucha información y sirven como señales de reconocimiento para que las proteínas que los contienen sean secretadas al medio extracelular o sean dirigidas a un orgánulo intracelular determinado.

Las secreciones de las membranas mucosas ejercen funciones lubricantes y protectoras importantes. Sus principios activos son glucoproteínas conocidas con el nombre de mucinas, que contienen numerosas cadenas de oligosacáridos con carga negativa.

Ejemplo: Los peces antárticos viven en aguas cuya temperatura es de -1,9°C, muy por debajo de la temperatura a la que se espera se congele su sangre basándose en su contenido en sales y solutos neutros. Estos peces se encuentran protegidos de la congelación por las glucoproteínas anticongelantes, sustancias que disminuyen el punto de congelación del agua cerca de dos veces de los que provocaría una cantidad de NaCl de igual peso. Sin embargo, en contraste con esta sal que resulta excluida de la fase hielo cuando aparece este, las glucoproteínas anticongelantes quedan excluidas en la fase hielo pero aun así no ejercen ningún efecto sobre la temperatura de fusión de este hielo. Aunque se desconoce el mecanismo de acción de las glucoproteínas anticongelantes, la observación de que los cristales de hielo crecidos a partir de las disoluciones concentradas de glucoproteínas anticongelantes poseen una forma fibrosa desusada sugiere que puede interferir con la formación de cristales de hielo y estabilizar de este modo el agua superenfriada (Voet and Voet).

Figura 2. Representación de las glicoproteínas y glicolípidos presentes en la membrana celular. (BIOROM, 2003)

Los polisacáridos están formados por la unión de más de 20 monosacáridos. Algunos homopolisacáridos sirven como formas de almacén de monosacáridos que son utilizados como combustible, un ejemplo de esto son el almidón y el glucógeno, ambos se encuentran internamente en forma de gránulos o grupos largos. El glucógeno es el polisacárido de reserva de los animales, se halla presente en todas las células pero su presencia es más predominante en el músculo esquelético y en el hígado, donde aparece en forma de gránulos citoplasmáticos. En la célula, el glucógeno se degrada para su empleo metabólico por intervención de la fosforilasa del glucógeno.

Los dextranos son polisacáridos que se encuentran en bacterias y en hongos. La placa dental, formada por bacterias creciendo en la superficie del diente es rica en dextrano. El dextrano sintético es utilizado en muchos productos comerciales (por ejemplo el Sefadex) en el fraccionamiento de proteínas por cromatografía de exclusión de tamaño.

Otros polisacáridos como la celulosa y la quitina sirven como elementos estructurales en paredes de célula vegetal y exoesqueleto de animales. La celulosa se encuentra en la pared celular de las plantas, particularmente en el tallo, pecíolo y en todas las partes leñosas del cuerpo las plantas. La celulosa constituye la mayoría de la masa de la madera, y el algodón es casi celulosa pura.

Los heteropolisacáridos suministran soporte extracelular para organismos de todos los reinos. Por ejemplo, la capa rígida que envuelve las células bacterianas (el peptidoglicano), está compuesto en parte por un heteropolisacáridos formado por dos unidades de monosacáridos alternando. El espacio extracelular en los tejidos de animales multicelulares está relleno con material gelatinoso, la matriz extracelular, también se le conoce como sustancia del suelo, la cual adhiere las células adyacentes y provee un camino para la difusión de nutrientes y oxígeno a las células individuales. La matriz extracelular está compuesta por un engranaje o malla de heteropolisacáridos, los glicosaminoglicanos son una familia de polímeros lineales compuestos de repeticiones de unidades de monosacáridos.

Funciones de los carbohidratos

-Función energética

Representan el combustible de uso inmediato en el organismo. Son compuestos con un grado de reducción suficiente como para ser buenos combustibles, y además, la presencia de funciones oxigenadas (carbonilos y alcoholes) permiten que interaccionen con el agua más fácilmente que otras moléculas combustible como pueden ser las grasas. Su degradación puede tener lugar en condiciones anaerobias (fermentación) o aerobias (respiración). Todas las células vivas conocidas son capaces de obtener energía mediante la fermentación de la glucosa, lo que indica que esta vía metabólica es una de las más antiguas. Además, los carbohidratos son los compuestos en los que se fija el carbono durante la fotosíntesis. El almidón es la fuente principal de almacén de energía en las plantas y un principio nutritivo para los animales.

Función estructural

Las plantas poseen paredes celulares rígidas que, a fin de mantener sus formas deben ser capaces de resistir diferencias de presión osmótica entre los espacios extracelulares e intracelulares. En las plantas grandes, como en los árboles, las paredes de la célula desempeñan también de soportar el peso. La celulosa, componente estructural primario de las paredes de la célula vegetal, contiene alrededor de la mitad del carbono de la atmósfera. También se encuentra en las paredes celulares de los hongos. Aunque la celulosa es predominantemente de origen vegetal aparece también en los caparazones externos rígidos de los invertebrados marinos conocidos como tunicados.

Figura 3. Microfotografía electrónica de las fibras de celulosa en la pared celular del alga Chaetomorpha.

La quitina es el componente principal de los exoesqueletos de invertebrados tales como los crustáceos, los insectos, entre otros, y se halla presente también en las paredes celulares de la mayor parte de los hongos y en muchas algas. Las matrices extracelulares de los tejidos animales de sostén (conjuntivo, óseo, cartilaginoso) están constituidas por polisacáridos nitrogenados (los llamados glicosaminoglicanos o mucopolisacáridos).

Función informativa

Los hidratos de carbono pueden unirse a lípidos o a proteínas de la superficie de la célula, y representan una señal de reconocimiento en superficie. Tanto las glicoproteínas como los glicolípidos de la superficie externa celular sirven como señales de reconocimiento para hormonas, anticuerpos, bacterias, virus u otras células. Son también los responsables antigénicos de los grupos sanguíneos.

Los 4 grupos sanguíneos están determinados por los oligosacáridos que se encuentran unidos a los lípidos o a las proteínas de la cara externa de las membranas de los eritrocitos. La composición de estos oligosacáridos está descrita en la siguiente tabla:

Tabla I. Composición de los oligosacáridos que forman parte de los grupos sanguíneos.

Función de desintoxificación

 En muchos organismos, ciertas rutas metabólicas producen compuestos potencialmente muy tóxicos, que hay que eliminar o neutralizar de la forma más rápida posible (bilirrubina, hormonas esteroideas). También es posible que un organismo deba defenderse de la toxicidad de productos producidos por otros organismos (los llamados metabolitos secundarios: toxinas vegetales, antibióticos) o de compuestos de procedencia externa (xenobióticos: fármacos, drogas, insecticidas, aditivos alimentarios). Todos estos compuestos son tóxicos y muy poco solubles en agua, por lo que tienden a acumularse en tejidos con un alto contenido lipídico como el cerebro o el tejido adiposo. Una forma de deshacerse de estos compuestos es conjugarlos con ácido glucurónico (un derivado de la glucosa) para hacerlos más solubles en agua y así eliminarlos fácilmente por la orina o por otras vías.

Importancia de los carbohidratos

La importancia de los carbohidratos sobre todo para la actividad física reside en que para ella es fundamental la energía y a su vez las moléculas que son las encargadas de su almacenamiento a fin de que al hacer ejercicio físico no aparezca la fatiga. Los hidratos de carbono cumplen esta función de almacenar la energía para poder realizar el ejercicio físico sin fatigarnos. Los hidratos de carbono deben consumirse todos los días y en cada comida principal del día porque los glucosa es utilizada por todas las células del organismo y en especial las del sistema nervioso. La glucosa, nutriente de los carbohidratos, es la única fuente de energía.

Ha quedado demostrado que para iniciar una de las tantas dietas para adelgazar no se pueden eliminar por completo los carbohidratos considerándolos dañinos, pues es peligroso prescindir de ellos ya que cumplen una función vital para nuestro organismo. Las dietas para adelgazar libres de carbohidratos solo pueden ser llevadas a cabo por el término de una semana, ya que si no ingerimos energía por medio de estos, el organismo va a usar irremediablemente los carbohidratos de reserva y en consecuencia provocará un gran daño a las funciones básicas que debe realizar nuestro organismo, provocando una debilidad muscular y por lo tanto un perjuicio claro para nuestra salud ya que la importancia de consumir carbohidratos precisamente reside en la reposición de éstos y aumentar el reservorio para utilizar su energía, de modo que no padezcamos enfermedades relacionadas con el mal funcionamiento de los órganos vitales.

Conclusiones

• Los carbohidratos constituyen biomoléculas de carácter orgánico y se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas por presentar un grupo aldehído o cetónico y dos o más grupos hidroxilos.

• La clasificación de los carbohidratos se basa fundamentalmente en el número de unidades de polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas que presente el compuesto y pueden ser monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos.

• Un grupo hidroxilo de un monosacárido puede unirse al carbono anomérico de otro para formar disacáridos, oligosacáridos o polisacáridos, a este enlace se le conoce como glicosídico y este protege al carbono anomérico de la oxidación.

• Los sacáridos pueden unirse a lípidos y proteínas para formar glucolípidos y glucoproteínas los cuales forman parte de la superficie de la membrana.

• Los carbohidratos tiene diversas funciones tales como fuente de energía, estructural, informativa, de detoxificación, entre otras.

Bibliografía

• BIOROM (2003).

• Lehninger, A. 1988.Bioquímica, 1ra parte. Ed. Pueblo y Educación, Cuidad de la Habana.

• Microsoft ® Encarta ® 2007. © 1993-2006 Microsoft Corporation

• Nelson, D. L. 2006. Lehninger Principles of Biochemistry. Fourth Edition.

• Voet, J. y Voet, D. 4th Edition.

• www.oem.com.mx

Autor:

Meisel Ramos Lores

Delegación Territorial del CITMA Granma.