Carbohidratos.

Carbohidratos. 

Término aplicado a un grupo de sustancias que incluyen los azúcares, almidones y celulosa, junto con muchas otras sustancias relacionadas. 

Este grupo de compuestos juega un papel de vital importancia en las plantas y animales, tanto como elementos estructurales como para el mantenimiento de la actividad funcional. Las plantas son únicas en la naturaleza ya que tienen la capacidad de sintetizar carbohidratos a partir del dióxido de carbono y el agua en presencia de la clorofila de las plantas verdes y energía solar mediante el proceso de la fotosíntesis.

 Este proceso es responsable no sólo de la existencia de las plantas, sino también del mantenimiento de la vida de los animales, puesto que éstos obtienen todo su alimento directa o indirectamente de los carbohidratos de las plantas. 

La Celulosa. 

Es un polisacárido compuesto exclusivamente de moléculas  de glucosa; es pues un homopolisacárido (compuesto por un solo tipo de monosacárido); es rígido, insoluble en agua, y contiene desde varios cientos hasta varios miles de unidades de β-glucosa. 

La celulosa es la biomolécula  orgánica más abundante ya que forma la mayor parte de la biomasa terrestre, se encuentra en las paredes de las células de las plantas.

Químicamente se considera como un polímero natural, formado por un gran número de unidades de glucosa (C6H10O5), cuyo peso molecular oscila entre varios cientos de miles.

Carbohidrato
Concepto:	Son compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Los más sencillos se llaman monosacáridos o azúcares simples y son polihidroxialdehídos (aldosas) o polihidroxicetonas (cetosas).

Origen del término

El término carbohidrato se originó por la creencia de que existen en la naturaleza compuestos de esa clase; por ejemplo, D-glucosa, sacarosa (C12H22O11) y celulosa (C6,H10O5)n podrían ser formalmente representados como hidratos de carbono, es decir, Cx (H2O)y. Más tarde se hizo evidente que esta definición de los carbohidratos no era satisfactoria, ya que fueron descubiertas sustancias nuevas, cuyas propiedades indicaban que tenían las características de los azúcares y pertenecían a las clases de carbohidratos; sin embargo, demostraban una desviación de la relación hidrógeno-oxígeno requerida. Ejemplo de éstos, son los deoxi-azúcares; D-desoxirribosa, L-fucosa y L-ramnosa, los ácidos urónicos y algunos compuestos tales como el ácido ascórbico (vitamina C). Conservar el término de carbohidrato es, por lo tanto, una conveniencia más que una definición exacta. Un carbohidrato se define como un polihidroxialdehído (aldosa), como una cetona (cetosa), o como una sustancia que da lugar a la formación de alguno de estos compuestos en su hidrólisis. Sin embargo, se incluyó en esta clase de compuestos a sustancias que también contienen nitrógeno y azufre.

Monosacáridos

Químicamente los carbohidratos sólo contienen carbono, hidrógeno, oxígeno. Uno de los carbohidratos más sencillos es la Glucosa, un Azúcar de seis carbonos que no es un sólo componente sino una mezlca de varios azúcares con estructura anular como se indica en la Figura 1. Se puede apreciar que existen diferencias en la posición del oxígeno e hidrógeno en el anillo, lo cual es la causa de las diferencias en la solubilidad, dulzor, velocidad de fermentación y otras propiedades de los azúcares. 

Figura 1. Diferentes estructuras de la molécula de glucosa. 

Polisacáridos

Al eliminarse moléculas de agua de las unidades de glucosa (tomando - OH de una y -H de otra) se forma una nueva molécula llamada disacárido si se encadenan más unidades de Glucosa se forma un polisacárido, en este caso la Amilosa, también conocida como Almidón; igual que en el caso de la glucosa no hay un almidón sino varios tipos de almidón. 

El azúcar de mesa, la sacarosa, es un disacárido, al igual que la maltosa, la molécula de la cual se representa a continuación:

Encadenando las unidades de glucosa de una manera un poco diferente se forma la celulosa, la cual es un Polisacárido. Estos enlaces deben romperse para que estos alimentos puedan asimilarse por el organismo humano. Ejemplos de ello son los alimentos: nixtamal, las brevas y otros alimentos que se preparan con lejía o cenizas a fin de romper las cadenas de Celulosa.

La importancia de los azúcares en los alimentos estriba en que son constituyentes de las Dextrinas, (reciben este nombre por que son capaces de girar la luz polarizada en sentido de las manecillas del reloj), almidones, celulosas (constituyente principal de las paredes de las células vegetales), hemicelulosas, pectinas (presentes en las frutas y plantas suculentas, dan consistencia a las jaleas) y gomas. El rompimiento (o Digestión) de estas cadenas se logra con ácidos, enzimas o microorganismos. 

Los azúcares intervienen en la fabricación de las Bebidas alcohólicas, las cuales tienen un amplio consumo. Las plantas verdes producen los carbohidratos en la reacción de Fotosíntesis, que sirven como componentes estructurales (p.ej. la celulosa), reservas de alimento (p.ej. el almidón que abunda en las papas) o componentes de los ácidos nucleicos, claves de la herencia. 

En los animales se halla un polisacárido, el Glucógeno, semejante al almidón; está presente en los músculos y especialmente en el hígado; sirve como reserva de carbohidratos al organismo y proporciona la energía necesaria para el movimiento muscular; cuando hay Glucógeno en exceso se convierte en grasa, lo cual provoca un incremento de peso corporal.

Clasificación de los azúcares

Los azúcares se clasifican en dos grupos: los reductores y los no reductores. Los reductores se distinguen debido a que sus grupos aldehidos o cetonas libres, poseen la propiedad de reducir fácilmente las soluciones alcalinas de muchas sales metálicas, tales como las de cobre, plata, bismuto, mercurio y hierro. El reactivo más ampliamente utilizado para este propósito es la solución de Fehling. Los reductores constituyen el grupo más grande. Los monosacáridos y muchos de sus derivados reducen la solución de Fehling. Casi todos los disacáridos, entre ellos la maltosa, lactosa y otros azúcares menos comunes como celobiosa, gentiobiosa. melibiosa y turanosa también son reductores. El azúcar no reductor más conocido es el disacárido sacarosa. Entre otros están el disacárido trehalosa, el trisacárido rafinosa y melezitosa, el tetrasacárido estaquiosa y el pentasacárido verbascosa.

Los azúcares constan de cadenas de átomos de carbono, los cuales se unen unos a otros formando un ángulo tetrahédrico de 109°28'. Un átomo de carbono, al cual se encuentran unidos cuatro diferentes grupos, se llama asimétrico. Un azúcar o cualquier otro compuesto que contenga uno o más átomos de carbono asimétricos posee actividad óptica; esto quiere decir que hace rotar el plano de la luz polarizada hacia la derecha o la izquierda.

Metabolismo

 

Fermentación Láctica

piruvato + NADH + H+------->ácido láctico + NAD+

Se produce en muchas bacterias (bacterias lácticas), también en algunos protozoos y en el músculo esquelético humano. Es responsable de la producción de productos lácteos acidificados: yoghurt, quesos, cuajada, crema ácida, etc. 

El ácido láctico tiene excelentes propiedades conservantes de los alimentos.

El metabolismo de los carbohidratos es el área de la bioquímica y de la fisiología que estudia la degradación y síntesis de azúcares simples, oligosacáridos, y polisacáridos y el transporte de azúcares a través de las membranas celulares y los tejidos. 

El rompimiento o catabolismo de azúcares simples, particularmente la glucosa, es una de las principales fuentes de energía para los organismos vivos. 

El catabolismo es anaerobio como en las fermentaciones, o aerobio, esto es, la respiración. 

En ambos tipos de metabolismo la degradación está acompañada por la formación de enlaces ricos en energía, principalmente el enlace pirofosfato de la coenzima adenosintrifosfato (ATP), la cual sirve como agente de acoplamiento entre diferentes procesos metabólicos. En los animales superiores, la glucosa es el carbohidrato principal de la sangre, la cual es transportada a los tejidos del cuerpo. 

En plantas superiores, el disacárido sacarosa es almacenado y transportado por los tejidos. Ciertos polisacáridos, como el almidón y glucógeno, son almacenados como reservas endógenas de alimento en las células de las plantas, animales y microorganismos. 

Otros, como celulosa, quitina y polisacáridos bacterianos, sirven de componentes estructurales de las paredes celulares. Como constituyentes de tejidos animales y vegetales, diversos carbohidratos se encuentran disponibles para aquellos organismos que dependen de otros organismos vivos o muertos como su fuente de nutrientes.

 Por lo tanto, todos los carbohidratos naturales pueden ser asimilados por algunos animales o microorganismos.

 

Glicólisis o via de Embden-Meyerhof.

Algunos carbohidratos no son utilizados como nutrientes por los humanos. 

Por ejemplo, la celulosa no es digerida por los humanos u otros mamíferos, pero es un alimento útil para aquellos organismos como los rumiantes, que contienen microorganismos en sus tractos digestivos, los cuales la descomponen. 

Los principales carbohidratos de la dieta aprovechables por los humanos son: los azúcares simples como la glucosa y fructosa, los disacáridos sacarosa y lactosa, y los polisacáridos glucógeno y almidón. 

La lactosa es el carbohidrato principal de la leche y, por lo tanto, una de las principales fuentes de alimentación durante la infancia. 

Los disacáridos y polisacáridos que no son absorbidos en forma directa por el intestino, son digeridos primero e hidrolizados por enzimas (glucosidasas) secretadas dentro del canal alimenticio.

Los azúcares simples llegan al intestino o son producidos ahí a través de la digestión de los oligosacáridos. Son absorbidos por la mucosa intestinal y transportados a través del tejido hacia la corriente sanguínea. 

Este proceso requiere la acumulación de azúcar contra un gradiente de concentración y un metabolismo activo de la mucosa como fuente de energía. Los azúcares son tomados de la sangre por el hígado y son almacenados ahí como glucógeno. 

El glucógeno del hígado sirve como una fuente constante de glucosa para la corriente sanguínea. 

Los mecanismos de transporte de azúcares a través de las membranas celulares y los tejidos no son aún completamente conocidos, pero parecen altamente específicos para diferentes azúcares, dependientes de componentes similares a las enzimas.

La degradación de los monosacáridos sigue una de las vías metabólicas. 

En las rutas fosforilativas, el azúcar primero es convertido en un éster fosfato. 

El azúcar fosforilado entonces es dividido en pequeñas unidades, antes o después de su oxidación. 

En las rutas no fosforilativas, el azúcar es oxidado hasta su correspondiente ácido aldónico. Subsecuentemente es metabolizado con o sin fosforilación de los productos intermedios. 

Entre los principales intermediarios en el metabolismo de carbohidratos están el gliceraldehído-3-fosfato y el ácido pirúvico. Los productos finales del metabolismo dependen de cada organismo y, en cierto grado, de las condiciones ambientales. Además del material celular, los productos incluyen: dióxido de carbono (CO2), alcoholes, ácidos orgánicos e hidrógeno gaseoso. 

En las llamadas oxidaciones completas, el CO2 es el único producto final excretado. 

En oxidaciones incompletas se acumulan características de las bacterias del vinagre y de ciertos hongos, los productos finales oxidados tales como el ácido glucónico, cetoglucónico, cítrico o fumárico. 

Los productos orgánicos finales se encuentran en forma invariable en fermentaciones.

La principal ruta fosforilativa relacionada con las fermentaciones se conoce como la ruta glucolítica, de la hexosa difosfato o la vía de Embden-Meyerhof. 

Esta secuencia de reacciones es la base de la fermentación del ácido láctico del músculo de los mamíferos y de la fermentación alcohólica de las levaduras. 

El metabolismo de otros azúcares simples, diferentes de la glucosa, se relaciona con la conversión del azúcar uno de los intermediarios de las rutas fosforilativas descritas para el metabolismo de la glucosa.

 

Esquema didáctico del ciclo del ácido cítrico.

El metabolismo oxidativo o respiratorio de los azúcares difiere en varios aspectos del catabolismo fermentativo. 

Primero, los pasos oxidativos, es decir, la reoxidación del DPNH, están ligados a la reducción de oxígeno molecular. 

Segundo, el ácido pirúvico, producido por medio del mecanismo glucolítico o cualquier otro, es oxidado hasta formar CO2. 

Tercero, en la mayor parte de los organismos aeróbicos, las rutas alternativas proveen o reemplazan completa o relativamente la secuencia glucolítica de las reacciones para la oxidación de los azúcares. Cuando aparece el ácido pirúvico como un intermediario metabólico, es normalmente descarboxilado oxidativamente para producir C02, y el fragmento acetilo de dos carbones se combina con la coenzima A. 

El grupo acetilo entonces es oxidado a través del ciclo de Krebs.

El catabolismo y la biosíntesis de los oligosacáridos y polisacáridos son realizados por el rompimiento enzimático o la formación de enlaces glucosídicos entre los monosacáridos simples que constituyen los carbohidratos complejos. Los principales tipos de enzimas que rompen o sintetizan los enlaces glucosídicos son las hidrolasas, o glucosidasas, fosforilasas y transglucosilasas. Las enzimas son altamente específicas con respecto a la porción glucosídica, o fracción y tipo de enlace de los sustratos a los cuales ellas atacan. 

Las lactasas, por ejemplo, combinan la fracción β-galactosil del disacárido lactosa con el ion hidróxilo del agua para producir galactosa y glucosa. Las maltasas hidrolizan la maltosa para formar dos moléculas de glucosa. Las sacarasas o invertasas son enzimas que hidrolizan la sacarosa para producir glucosa y fructosa. Las amilasas o diastasas son enzimas que hidrolizan (digieren) al almidón. Las fosforilasas catalizan la fosforolisis reversible de ciertos disacáridos, polisacáridos y nucleósidos mediante la transferencia de fragmentos glucosil al fosfato inorgánico. Las transglucosilasas interconvierten varios disacáridos y polisacáridos por medio de la transferencia de grupos glucosil.

Fuentes

• Córdova Frunz, José Luis (2006). La química y la cocina. En la Ciencia Para Todos. Disponible en [https://bives.mes.edu.cu/BIVES/01-Colecciones-Digitales/Ciencia-para-Todos/Libros_2/ciencia3/093/htm/laquimic.htm] 
• Zumbado Fernández, Héctor (2004). Análisis químico de los alimentos: métodos clásicos. Ciudad de La Habana: Editorial Universitaria (Cuba). -- ISBN 978-959-16-0253-4 -- 439 pág. 3,755 Kb. Disponible en: https://biblioteca.ecured.cu/greenstone/collect/l/index/assoc/HASH87bf.dir/doc.pdf
• Carbohidratos
• Metabolismo de los Carbohidratos
• Metabolismo Interno. Metabolismo de los carbohidratos