Carbohidratos: estructura química, clasificación y funciones
Los carbohidratos, hidratos de carbono o sacáridos, son moléculas orgánicas que almacenan energía en los seres vivos. Son las biomoléculas más abundantes e incluyen: azúcares, almidones y celulosa, entre otros compuestos que se encuentran en los organismos vivos.
Los organismos que realizan la fotosíntesis (plantas, algas y algunas bacterias) son los principales productores de carbohidratos en la naturaleza. La estructura de estos sacáridos puede ser lineal o ramificada, simple o compuesta y además pueden asociarse con biomoléculas de otra clase.
Por ejemplo, los carbohidratos pueden unirse a proteínas para formar glicoproteínas. También pueden asociarse con moléculas de lípidos formando así los glicolípidos, las biomoléculas que forman la estructura de las membranas biológicas. Los carbohidratos también están presentes en la estructura de los ácidos nucleicos.
Todos los seres vivos tienen sus células cubiertas por una densa capa de carbohidratos complejos. Los carbohidratos están formados por monosacáridos, unas moléculas pequeñas formadas por tres a nueve átomos de carbono unidos a grupos hidroxilo (-OH), que pueden variar en tamaño y configuración.
Estructura química
Los carbohidratos están formados por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno. La mayoría de estos se pueden representar mediante la fórmula empírica (CH2O)n, donde n es el número de carbonos en la molécula. En otras palabras, la relación de carbono, hidrógeno y oxígeno es 1: 2: 1 en moléculas de carbohidratos.
Esta fórmula explica el origen del término “carbohidrato” pues los componentes son átomos de carbono (“carbo”) y los átomos del agua (por lo tanto, “hidrato”). Aunque los hidratos de carbono están formados principalmente por estos tres átomos, existen algunos carbohidratos con nitrógeno, fósforo o azufre.
En su forma básica, los carbohidratos son azúcares simples o monosacáridos. Estos azúcares simples se pueden combinar entre sí para formar carbohidratos más complejos.
La combinación de dos azúcares simples es un disacárido. Los oligosacáridos contienen entre dos a diez azúcares simples, y los polisacáridos son los carbohidratos más grandes, formados por más de diez unidades de monosacáridos.
La estructura de los carbohidratos determina cómo se almacena la energía en sus enlaces durante su formación por fotosíntesis, y también cómo se rompen estos enlaces durante la respiración celular.
Clasificación
Monosacáridos
Los monosacáridos son las unidades elementales de los carbohidratos, por lo cual son la estructura más simple de un sacárido. Físicamente, los monosacáridos son sólidos cristalinos sin color. La mayoría tiene un sabor dulce.
Desde el punto de vista químico, los monosacáridos pueden ser aldehídos o cetonas, dependiendo de donde se ubique el grupo carbonilo (C=O) en los carbohidratos lineales. Estructuralmente, los monosacáridos pueden formar cadenas lineales o anillos cerrados.
Debido a que los monosacáridos poseen grupos hidroxilo, la mayoría son solubles en agua e insolubles en solventes no-polares.
Dependiendo del número de carbonos que tenga en su estructura, un monosacárido tendrá distintos nombres, por ejemplo: triosa (si tiene 3 átomos de C), pentosa (si tiene 5C) y así sucesivamente.
Disacáridos
Los disacáridos son azúcares dobles que se forman al juntar dos monosacáridos en un proceso químico llamado síntesis de deshidratación, porque se pierde una molécula de agua durante la reacción. También se le conoce como una reacción de condensación.
Así, un disacárido es cualquier sustancia que se compone de dos moléculas de azúcares simples (monosacáridos) vinculadas entre sí a través de un enlace glicosídico.
Los ácidos tienen la capacidad de romper estos enlaces, por esta razón, los disacáridos pueden ser digeridos en el estómago.
Los disacáridos son generalmente solubles en agua y dulces cuando se ingieren. Los tres disacáridos principales son sacarosa, lactosa y maltosa: la sacarosa proviene de la unión de glucosa y fructosa; la lactosa proviene de la unión de glucosa y galactosa; y la maltosa proviene de la unión de dos moléculas de glucosa.
Oligosacáridos
Los oligosacáridos son polímeros complejos formados por pocas unidades de azúcares simples, es decir, entre 3 a 9 monosacáridos.
La reacción es la misma que forma los disacáridos, pero también provienen de la ruptura de moléculas de azúcar más complejas (polisacáridos).
La mayoría de los oligosacáridos se encuentran en las plantas y actúan como fibra soluble, lo que puede ayudar a prevenir el estreñimiento. Sin embargo, los seres humanos no poseen las enzimas para digerirlos en su mayoría, a excepción de la maltotriosa.
Por esta razón, los oligosacáridos que no son digeridos inicialmente en el intestino delgado, pueden ser degradados por las bacterias que normalmente habitan en el intestino grueso a través de un proceso de fermentación. Los prebióticos cumplen esta función, servir de alimento a las bacterias beneficiosas.
Polisacáridos
Los polisacáridos son los polímeros de sacáridos más grandes, están formados por más de 10 (hasta miles) unidades de monosacáridos dispuestos de manera lineal o ramificada. Las variaciones en la disposición espacial es lo que les confiere las múltiples propiedades a estos azúcares.
Los polisacáridos pueden estar compuestos por un mismo monosacárido o por combinación de diferentes monosacáridos. Si se forman por unidades repetidas del mismo azúcar se llaman homopolisacáridos como el glucógeno y el almidón, que son los carbohidratos de almacenamiento de animales y plantas, respectivamente.
Si el polisacárido se compone por unidades de distintos azúcares se les llama heteropolisacáridos. La mayoría contienen solo dos unidades diferentes y suelen asociarse con proteínas (glucoproteínas, como la gammaglobulina del plasma sanguíneo) o lípidos (glicolípidos, como los gangliósidos).
Funciones
Las cuatro funciones principales de los carbohidratos son: proporcionar energía, almacenar energía, construir macromoléculas y evitar la degradación de proteínas y grasas.
Los carbohidratos se degradan mediante la digestión en azúcares simples. Estos son absorbidos por las células del intestino delgado y son transportadas a todas las células del cuerpo donde serán oxidadas para obtener energía en forma de adenosina trifosfato (ATP).
Las moléculas de azúcar que no son utilizadas en la producción de energía en un momento dado, son almacenadas formando parte de polímeros de reserva como el glucógeno y el almidón.
Los nucleótidos, las unidades fundamentales de los ácidos nucleicos, poseen moléculas de glucosa en su estructura. Varias proteínas importantes están asociadas a moléculas de carbohidratos, por ejemplo: la hormona folículo estimulante (FSH, por sus siglas en inglés) que interviene en el proceso de ovulación.
Debido a que los carbohidratos son la principal fuente de energía, su rápida degradación evita que otras biomoléculas sean degradadas para obtener la energía. Así, cuando los niveles de azúcar son normales, las proteínas y los lípidos están protegidos de la degradación.
Algunos carbohidratos son solubles en agua, funcionan como alimento básico en prácticamente todo el mundo y la oxidación de estas moléculas es la vía principal de producción de energía en la mayoría de las células no fotosintéticas.
Los carbohidratos insolubles se asocian para formar estructuras más complejas que sirven de protección. Por ejemplo: la celulosa forma la pared de las células vegetales junto con hemicelulosas y la pectina. La quitina forma la pared de células de hongos y el exoesqueleto de los artrópodos.
Asimismo, el peptidoglicano forma la pared celular de bacterias y cianobacterias. El tejido conectivo de los animales y las articulaciones esqueléticas están formadas por polisacáridos.
Muchos carbohidratos están unidos covalentemente a proteínas o a lípidos formando estructuras más complejas, llamadas en conjunto glicoconjugados. Estos complejos actúan como etiquetas que determinan la ubicación intracelular o el destino metabólico de estas moléculas
Referencias
- Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (8th ed.). W. H. Freeman and Company.
- Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
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- Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6th). W.H. Freeman and Company.
- Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biology (7th ed.) Cengage Learning.