Fundamentos Básicos de los Carbohidratos

Nomenclatura y Estructura

Nomenclatura

Los carbohidratos están compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno; se definen como aldehídos o cetonas de polialcoholes y tienen una fórmula molecular general de C_n(H₂O)_n. Los carbohidratos se nombran según el número de polímeros (número de unidades) presentes en la molécula:

• Azúcares: compuestos por 1 o 2 unidades
  • Monosacáridos: moléculas que contienen solo 1 grupo de azúcar real o potencial; no se pueden hidrolizar más en unidades más pequeñas
  • Disacáridos: combinación de 2 monosacáridos con la eliminación de una molécula de agua
• Oligosacáridos: combinación de 3–10 unidades de azúcar
• Polisacáridos: combinación de > 10 unidades de azúcar
• Glucolípidos: una molécula de sacárido unida a un lípido
• Glucosaminoglicanos:
  • Previamente conocidos como mucopolisacáridos:
  • Unidades repetitivas de disacáridos que contienen ácido urónico y un aminoazúcar
• Proteoglicano: cadena de carbohidratos unida a una cadena polipeptídica

Estructura

• Los carbohidratos consisten en carbono, hidrógeno y oxígeno.
• La base de todos los carbohidratos es una unidad de monosacárido.
• Un monosacárido puede ser un polihidroxialdehído (aldosa) o una polihidroxicetona (cetosa).
• La estructura empírica general es C_n(H₂O)_n.
• Los carbohidratos son compuestos orgánicos organizados en forma de aldehídos o cetonas con múltiples grupos hidroxilo unidos a una cadena de carbono.
• Los carbohidratos pueden representarse estructuralmente tanto en forma de cadena recta como de anillo:
  • Estructura de cadena abierta: una forma de carbohidratos de cadena larga y linear
  • Estructura hemiacetal: el 1er carbono de la glucosa se condensa con el grupo hidroxilo del 5to carbono para formar una estructura de anillo (Los anillos de 6 miembros como la glucosa se conocen como piranosas).
  • Estructura de Haworth: una representación común en 3D utilizando la estructura del anillo de piranosa

Clasificación

Los carbohidratos se clasifican en carbohidratos simples y complejos según su polimerización.

Monosacáridos

• Un azúcar simple que forma la unidad más básica de los carbohidratos
• No se pueden hidrolizar en unidades más pequeñas
• Los monosacáridos se clasifican a su vez en función del número de átomos de carbono:
  • Triosa (C3)
  • Tetrosa (C4)
  • Pentosa (C5)
  • Hexosa (C6)
  • Heptosa (C8), etc.
• Los monosacáridos también pueden clasificarse en función del grupo funcional primario:
  • Aldosa: contiene un grupo aldehído
  • Cetosa: contiene un grupo cetona
• La glucosa es el monosacárido más conocido:
  • Una aldosa hexosa
  • Es el monosacárido más abundante
  • Desempeña un papel fundamental en el metabolismo como fuente de energía para el organismo
  • A menudo se almacena en forma de almidón en las plantas y de glucógeno en los animales

Disacáridos

• 2 monosacáridos combinados por un enlace glucosídico
• Los disacáridos son azúcares simples solubles en agua.
• El enlace glucosídico se forma por una reacción de deshidratación (i.e., por la eliminación de una molécula de agua).
• Los disacáridos pueden hidrolizarse en 2 monosacáridos mediante enzimas conocidas como disacaridasas.

Oligosacáridos

• Polímero de sacárido que contiene 3–10 unidades de monosacárido
• Comúnmente presentes como glucanos, i.e., unidos a otras moléculas como lípidos o cadenas de aminoácidos compatibles
• Las principales funciones de los oligosacáridos incluyen el reconocimiento celular y la adhesión celular.

Polisacáridos

• Productos polimerizados que contienen > 10 unidades de monosacáridos
• Además, se clasifican en homopolisacáridos y heteropolisacáridos.
• Homopolisacáridos:
  • Compuestos por un solo tipo de monosacárido
  • Ejemplo: glucógeno (compuesto completamente por moléculas de glucosa y funciona como reserva de carbohidratos en animales)
• Heteropolisacáridos:
  • Polisacáridos que contienen > 1 tipo de unidades de azúcar
  • Ejemplo: peptidoglicano (sacáridos conectados a un polipéptido)

Glucosaminoglicanos

• Previamente conocidos como mucopolisacáridos
• Presentes en animales y bacterias
• Los glucosaminoglicanos son polisacáridos lineales largos que consisten en unidades repetidas de disacáridos.
• Las unidades de disacáridos que se repiten están formadas por una galactosa o un azúcar urónico y un aminoazúcar.
• Los glicosaminoglicanos son altamente polares (con carga negativa) e hidrofílicos, por lo que funcionan como lubricantes o amortiguadores.
• Las 4 categorías principales de glicosaminoglicanos son
  • Ácido hialurónico
  • Sulfato de heparina
  • Sulfato de condroitina
  • Sulfato de queratán

Moléculas de proteínas- carbohidratos

• Proteoglicanos (también llamados mucoproteínas):
  • Proteínas unidas covalentemente a 1 o más glicosaminoglicanos (azúcar >> proteína)
  • Fijan cationes y agua
  • Funciones:
    • Regulan el movimiento de las moléculas a través de la matriz extracelular
    • Lubricantes articulares en el líquido sinovial
    • Puede afectar a las moléculas de señalización
    • Componentes de las paredes celulares bacterianas
• Glicoproteína:
  • Proteínas unidas a oligosacáridos (proteína >> azúcar)
  • Intervienen en:
    • Identidad celular
    • Funciones del sistema inmunitario: anticuerpos, CMH
    • Tipos de sangre ABO
    • Algunas hormonas (e.g., la hormona estimulante del folículo (FSH), la eritropoyetina)
  • Enlaces proteína-carbohidrato (tipos de enlaces glicosídicos):
    • Glicosilación ligada al N: el azúcar se une a través del carbono anomérico al nitrógeno de la asparagina (Asn)
    • Glicosilación ligada al O: el azúcar se une a través del carbono anomérico al grupo hidroxilo de la serina, la treonina o la tirosina
    • Otros tipos:
      • Fosfoglicosilación: El azúcar se une a una fosfoserina.
      • Glicación: La proteína se une al glucosilfosfatidilinositol.
      • Glicosilación ligada a C (poco frecuente): El azúcar se une al triptófano.

Descripción general

Propiedades

Propiedades físicas

Estereoisomerismo:

Los compuestos que tienen la misma fórmula estructural, pero que difieren en la configuración espacial, se denominan estereoisómeros:

• Las diferentes disposiciones espaciales de los grupos H y OH alrededor de las átomos de carbono asimétricos crean diferentes estereoisómeros, que pueden tener propiedades distintas.
• El número de posibles estereoisómeros depende del número de átomos de carbono asimétricos y se puede determinar mediante la fórmula 2ⁿ, donde n = número de átomos de carbono asimétricos.

Enantiómeros: se refiere a dos estereoisómeros que son imágenes especulares entre sí.

• Las dos formas especulares se denominan D y L.
• La molécula de referencia es el gliceraldehído.
• D: El grupo OH está a la derecha del penúltimo carbono de la cadena (el carbono de referencia, que es el C5 en la glucosa).
• L: El grupo OH está a la izquierda del carbono de referencia.

Diastereoisómeros:

Los diastereoisómeros son estereoisómeros no superponibles que no son imágenes especulares entre sí.

• Es decir, estereoisómeros que no son enantiómeros
• Diferencias configuracionales en torno a los demás carbonos presentes en la cadena o el anillo
• Tres de los principales diasteroisómeros de hexosa se encuentran en el cuerpo humano: glucosa, galactosa y manosa.
• Un epímero es un diastereoisómero que difiere en solo 1 estereocentro.

Epímeros:

Los epímeros son compuestos que difieren entre sí solo en la configuración con respecto a un solo átomo de carbono, que no sea el átomo de carbono de referencia. La glucosa y galactosa son epímeros.

Anomerismo:

El anomerismo se refiere a diferentes configuraciones espaciales alrededor de los carbonos anoméricos.

• Los carbonos anoméricos:
  • C1 en las aldosas (el carbono del grupo aldehído)
  • C2 en las cetosas (el carbono del grupo cetona)
  • El término se utiliza cuando la molécula está en forma de anillo.
• Los diferentes anómeros de las mismas moléculas se denominan configuraciones α y β (por ejemplo, α-D-Glucosa frente a β-D-Glucosa)

Actividad óptica:

La actividad óptica es la capacidad de los estereoisómeros para rotar la luz polarizada en un plano. Las moléculas se denominan dextrorrotatorias (+) o levorrotatorias (-) dependiendo de la dirección de rotación de la luz.

• Las notaciones D y L no están relacionadas con la actividad óptica.
• Una mezcla equimolecular de isómeros ópticos no tiene rotación neta y se conoce como mezcla racémica.

Propiedades químicas

Enlaces glucosídicos:

• Conectan una molécula de azúcar con otra cosa
• Enlaces covalentes entre:
  • El grupo OH del carbono anomérico (C1)
  • El grupo OH de otro compuesto (puede ser otra molécula de azúcar u otra cosa)
• La formación del enlace provoca la pérdida de H₂O
• Se denominan en función de los carbonos unidos y del anomerismo del carbono anomérico (e.g., los enlaces α-1,4-glicosídicos unen el carbono C1 (anomérico) del 1er sacárido (con un grupo hidroxilo orientado en la configuración α) con el grupo hidroxilo del carbono C4 del siguiente sacárido)
• Glucósidos: azúcares con un enlace glucosídico a otra molécula

Reacciones de oxidación y reducción:

• Reducción a alcoholes:
  • Los grupos C=O de las formas de cadena abierta de los hidratos de carbono pueden reducirse a alcoholes utilizando borohidruro de sodio o mediante hidrogenación catalítica.
  • Los productos finales se denominan alditoles.
• Oxidación:
  • La mayoría de los monosacáridos (y algunos disacáridos) pueden oxidarse fácilmente, lo que provoca la reducción de otras moléculas que reaccionan con ellos.
  • Estos monosacáridos se conocen como «azúcares reductores».
  • Los monosacáridos son azúcares reductores si sus grupos carbonilos pueden ser oxidados para dar lugar a un ácido carboxílico.
• Reacción de Benedict:
  • El reactivo de Benedict se utiliza habitualmente para detectar la presencia de azúcares reductores (normalmente glucosa) en la orina.
  • Principio: los azúcares reductores reducen los iones Cu²⁺ en el reactivo de Benedict (el Cu²⁺ es normalmente azul en solución) a Cu⁺, formando fácilmente Cu₂O de color naranja brillante → el cambio de color de azul a naranja indica la presencia de un azúcar reductor.

Nutrición y Funciones

Los carbohidratos juegan muchos papeles importantes en el sustento de la vida. Principalmente, los carbohidratos sirven como fuente de nutrición. Además, son componentes estructurales de las células y participan en la defensa inmunitaria y la comunicación intracelular.

Nutrición

• Los carbohidratos son 1 de los 3 macronutrientes principales (proteínas y grasas son los otros)
  • Las células cerebrales y los eritrocitos dependen casi por completo de los carbohidratos como fuente de energía.
  • Los carbohidratos sirven como una fuente instantánea de energía (e.g., descomposición de la glucosa).
  • La ingesta diaria recomendada de carbohidratos en una dieta de 2000 calorías es de 275 gramos.
  • Los carbohidratos contribuyen con un 45%–65% del total de calorías.
  • 1 gramo de carbohidratos proporciona 4 calorías.
• Fuentes:
  • Las verduras, frutas, cereales integrales, leguminosas y productos lácteos son fuentes importantes de carbohidratos.
  • Los cereales y ciertas verduras, como el maíz y las patatas, son ricos en almidón. Las patatas dulces contienen principalmente sacarosa y no almidón.
  • Las frutas y las verduras de color verde oscuro contienen poco o nada de almidón, pero proporcionan azúcares y fibras dietéticas.
• Almacenamiento:
  • Los carbohidratos almacenados pueden utilizarse como fuente de energía en lugar de las proteínas.
  • Los hidratos de carbono pueden almacenarse como
    • Glucógeno en los animales
    • Almidón en las plantas

Funciones

• Sirven como intermediarios en la biosíntesis de grasas y proteínas
• Los carbohidratos se asocian con lípidos y proteínas:
  • Forman antígenos de superficie, moléculas receptoras, vitaminas y antibióticos.
  • Importantes para la comunicación de célula a célula y en las interacciones entre las células y otros elementos del entorno celular.
• Componentes importantes de los tejidos conectivos en los animales
• Los carbohidratos ricos en fibra ayudan a prevenir el estreñimiento.
• Ayudan a formar el marco estructural del ARN y el ADN (los esqueletos de la ribosa y la desoxirribosa)

Metabolismo

Los carbohidratos son fundamentales para muchas vías metabólicas del cuerpo, las cuales incluyen todos los procesos bioquímicos responsables de la formación, descomposición e interconversión de carbohidratos.

Vías metabólicas clave:

• Glucólisis: conversión de glucosa a piruvato en condiciones aeróbicas y a lactato en condiciones anaeróbicas
• Gluconeogénesis: conversión de sustratos de carbono no carbohidratos en glucosa
• Glucogenólisis: descomposición del glucógeno a moléculas individuales de glucosa en el hígado, músculos y riñones.
• Glucogénesis: unión de moléculas individuales de glucosa para formar glucógeno
• Vía de la pentosa fosfato:
  • Vía alternativa para oxidar la glucosa
  • Vía anabólica
  • Ocurre principalmente en los eritrocitos
  • Genera pentosa y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH)
• Metabolismo de la fructosa: fosforilado a fructosa-1-fosfato → convertido a gliceraldehído-3-fosfato (entra en las vías de la glucólisis/gluconeogénesis)
• Metabolismo de la galactosa: fosforilada a galactosa-1-fosfato → convertida en glucosa-6-fosfato (entra en las vías de la glucólisis/gluconeogénesis)

Relevancia Clínica

Varias afecciones están asociadas con trastornos en el metabolismo de los carbohidratos:

• Trastornos de almacenamiento de glucógeno: existen múltiples trastornos del almacenamiento de glucógeno que están relacionados con la incapacidad para procesar el glucógeno. Los trastornos más comúnmente probados de esta familia de afecciones son la enfermedad de von Gierke, la enfermedad de Pompe y la enfermedad de McArdle. El tratamiento depende de la afección y puede incluir cambios en la dieta o tratamiento con medicamentos, incluido el alopurinol, y/o trasplante hepático.
• Galactosemia: una afección autosómica recesiva que causa un metabolismo defectuoso de la galactosa. La galactosemia se presenta en lactantes con síntomas como letargo, náuseas, vómitos, diarrea e ictericia. La modificación de la dieta para eliminar la lactosa y la galactosa es una opción de tratamiento. Las complicaciones neurológicas graves incluyen deficiencias motoras y del habla.
• Trastornos en el metabolismo de la fructosa: 3 afecciones principales (fructosuria esencial, intolerancia hereditaria a la fructosa y deficiencia de fructosa-1,6-bifosfatasa) se consideran trastornos importantes del metabolismo de la fructosa. Dependiendo de la afección, los pacientes pueden estar asintomáticos o presentar síntomas de vómitos, distensión abdominal, flatulencia y diarrea. El tratamiento fundamental es la modificación de la dieta.
• Intolerancia a la lactosa: una afección causada por la falta de la enzima lactasa en el intestino delgado. Existen 4 clasificaciones de esta enfermedad: primaria, secundaria, del desarrollo y congénita. La intolerancia a la lactosa conduce a una disminución de la capacidad para digerir la lactosa. Los síntomas incluyen dolor y distensión abdominal, diarrea, flatulencia y náuseas.