Carbohidratos Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la tierra y tienen varias funciones en los seres vivos. Sirven como almacén de energía, combustible e intermediario metabólicos. Algunos carbohidratos, como el almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales, pueden liberar con rapidez glucosa, el combustible energético primario indispensable para las funciones celulares. Un gran número de moléculas contienen carbohidratos, por ejemplo el ATP, la unidad biológica de energía libre; y coenzimas como NAD+, FAD y CoA, entre otras. Dos carbohidratos, ribosa y desoxirribosa, forman parte importante de la estructura de los ácidos nucleicos RNA y DNA. En la formación de la pared celular de las bacterias tienen una función estructural fundamental, y constituyen parte del exoesqueleto de los artrópodos. También de manera muy importante constituyen el esqueleto leñoso de las plantas; de hecho, la celulosa, el principal componente de las paredes celulares de los vegetales, es el compuesto orgánico que más abunda de la biosfera. Por último, los carbohidratos están unidos a muchas proteínas (glucoproteínas) y lípidos (glucolípidos) dando lugar a complejos en las membranas celulares, a las cuales confieren propiedades que se manifiestan, por citar sólo un caso, en los fenó-menos de reconocimiento intercelular. Los carbohidratos, o hidratos de carbono, se conocen también como azúcares, sacáridos o glúcidos; son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; en algunos tipos de carbohidratos participan también azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista químico, se definen como derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihídricos. Funciones Los carbohidratos desempeñan una amplia variedad de funciones en los organismos vivos: 1) aporte energético –la más importante-, ya que los carbohidratos aportan 4 kcal/g de peso seco, es decir, sin considerar el contenido en agua que pueda tener el alimento que contiene al carbohidrato. Cubiertas las necesidades energéticas, una pequeña parte se almacena en el hígado y músculos en forma de glucógeno -habitualmente no más del 0,5% del peso del individuo-, el resto se transforma en grasa y se acumula como tejido adiposo en el organismo; 2) ahorro de proteínas, si la ingesta de carbohidratos es insuficiente, nuestro organismo utiliza las proteínas para obtener energía, relegando así su función plástica; 3) regulación del metabolismo de las grasas, en caso de ingestión 1 BIOQUÍMICA GENERAL deficiente de carbohidratos las grasas se metabolizan anormalmente, acumulándose en el organismo cuerpos cetónicos -productos intermedios de este metabolismo- provocando cetosis, que cursa con inapetencia, dolor abdominal, náuseas y decaimiento, que según la EFSA puede prevenirse ingiriendo entre 50 y 100 g de carbohidratos glicémicos y 4) estructural, aunque los carbohidratos constituyen una porción pequeña del peso y estructura del organismo, no debe excluirse esta función, por mínimo que sea su aporte. El metabolismo es un conjunto integrado de reacciones que tienen lugar en el organismo y capacitan a los seres vivos para extraer energía del medio y utilizarla en la síntesis de moléculas necesarias para la vida como proteínas, carbohidratos o lípidos. Las rutas metabólicas se clasifican en catabólicas y anabólicas. Las rutas catabólicas están integradas por un conjunto de reacciones de degradación mediante las cuales convertimos los nutrientes -carbohidratos, lípidos y proteínasen CO2, NH3 y agua para producir energía en forma de ATP y otros compuestos necesarios -coenzimas reducidas (NADH, FADH2 y NADPH)-. La energía producida en el catabolismo se utiliza en el anabolismo para sintetizar moléculas necesarias para la vida (carbohidratos, lípidos y proteínas) y realizar las funciones vitales (contracción muscular, transporte activo, etc.). Metabolismo de los carbohidratos Cuando nuestro organismo digiere, absorbe y metaboliza los carbohidratos, éstos se transforman en glucosa que es transportada por el torrente sanguíneo hasta llegar a los tejidos, como músculo esquelético y cardíaco, tejido adiposo y otros; cuyo transporte al interior de la célula para generar energía es facilitado por la hormona insulina. La insulina es secretada por la glándula pancreática para controlar los niveles de glucosa en sangre. Así, un exceso de glucosa se transforma en glucógeno que es almacenado en el hígado o en forma de grasa en el cuerpo. Cuando nuestro cuerpo necesita más energía –en situaciones de estrés o déficit de glucosa en sangre-, entran en juego otras dos hormonas: la adrenalina que actúa en músculo e hígado y el glucagón –sólo en hígado-, que estimulan la degradación de glucógeno a glucosa e inhiben a la vez su síntesis, pasando así la glucosa al torrente sanguíneo para ser utilizada por las células. Así, cuanto más lenta sea la liberación de hormonas y glucosa, más estables y eficientes serán los niveles de energía de nuestro organismo. Por ello, es importante resaltar que cuanto más refinados sean los alimentos que contienen carbohidratos, más rápido se liberará la glucosa en sangre. En este principio se basa el índice glucémico o glicémico (IG) de los alimentos, que es una escala numérica que indica la capacidad de un alimento para elevar los niveles de glucosa en sangre. 2 BIOQUÍMICA GENERAL Clasificación Cuando por hidrólisis ya no es posible fragmentar una molécula de carbohidrato en la que se encuentra un grupo carbonilo (aldehído o cetona) y varios grupos alcohol (al menos un alcohol primario y un alcohol secundario), el compuesto se conoce como monosacárido o azúcar simple; el nombre de estos compuestos termina con osa, y la fórmula general es: Cn(H2O)n Las moléculas más simples que cumplen con esta definición son el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (figura 13-1). El grupo carbonilo, aldehído o cetona presente en los carbohidratos define la existencia de dos tipos: las aldosas y las cetosas. El nombre particular de cada carbohidrato depende del número de átomos de carbono presentes en la molécula; por ejemplo, las triosas son moléculas de carbohidrato que están constituidas por tres átomos de carbono (3 C). Se aplica un razonamiento similar a las tetrosas (4 C), pentosas (5 C), hexosas (6 C), etcétera (cuadro 13-1). La sustitución de alguno de los grupos funcionales (aldehído, cetona o alcohol) de un monosacárido por otro grupo funcional (p. ej., amino o carboxilo) da lugar a azúcares derivados. Si el grupo funcional alcohol primario reacciona con un ácido, se forman los ésteres correspondientes. En bioquímica los ésteres más importantes son los que se forman con ácido fosfórico, en una reacción que da como resultado azúcares fosforilados, por ejemplo, la ribosa 5-fosfato y la glucosa 6-fosfato.Cuando se ligan dos moléculas de monosacárido, iguales o diferentes, por medio de una unión glucosídica, se forman los disacáridos. Lactosa, maltosa y celobiosa son disacáridos con propiedades reductoras, debido a que contienen un grupo carbonilo libre. La sacarosa también es un disacárido, pero es un azúcar no reductor, ya que no presenta un grupo carbonilo libre. La hidrólisis de los disacáridos libera dos moléculas de monosacárido; cada una de ellas es un azúcar reductor. Los oligosacáridos están formados por 3 o hasta algunas decenas monosacáridos unidos entre sí por enlaces glucosídicos; en las 3 BIOQUÍMICA GENERAL células suelen unirse a proteínas y lípidos formando glucoproteínas y glucolípidos. Los polisacári-dos, también llamados glucanos, están constituidos por un mínimo de 10 hasta muchos miles de moléculas de monosacárido; la fórmula general para los polisacáridos de mayor importancia es (C6(H2O)5)n, que corresponde a un polímero de hexosa, u omopolisacárido. Algunos de estos polímeros son la celulosa, el glucógeno y el lmidón; los tres son homopolímeros de glucosa (cuadro 13-1). Los carbohidratos constituyen más del 90% de la materia seca de los vegetales, siendo por ello los nutrientes más abundantes sobre la superficie terrestre aproximadamente el 75% de la materia orgánica total-. Además, al ser asequibles y relativamente baratos su consumo está muy extendido, siendo la 4 BIOQUÍMICA GENERAL base alimentaria de la humanidad a lo largo de la historia. Se encuentran de forma natural en alimentos básicos de nuestra dieta -cereales y derivados, legumbres y tubérculos, entre otros-, aunque también pueden adicionarse a los mismos como ingredientes. Se denominan también hidratos de carbono, glúcidos, azúcares y sacáridos (por su sabor dulce) y responden a una composición elemental genérica Cn (H2O)n ó (CH2O)n, que indica la presencia de carbono hidratado. Atendiendo a la complejidad de las moléculas que componen su estructura, los carbohidratos se pueden clasificar en: 1) monosacáridos: azúcares que contienen entre 3 y 7 átomos de C y no pueden transformarse -mediante hidrólisis, en otros más simples. Por ello, se les denomina en ocasiones azúcares simples; 2) oligosacáridos: formados por unión de 2 a 10 monosacáridos. Los más importantes tienen sólo dos unidades de monosacáridos y se designan como disacáridos; 3) polisacáridos: constituidos por más de 10 unidades de monosacáridos y pueden llegar a contener varios miles. Si están formados por la misma unidad se designan como homopolisacáridos, siendo los heteropolisacáridos los formados por diferentes monosacáridos. El panel de Productos Dietéticos, Nutrición y Alergias (NDA) de la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA), atendiendo a conceptos nutricionales clasifica los carbohidratos en dos categorías: 1) carbohidratos glicémicos, aquellos que se absorben y digieren en el intestino delgado y; 2) fibra dietética, incluyendo en este grupo los carbohidratos que pasan a lo largo del tracto digestivo sin ser digeridos. Entre los carbohidratos más representativos se encuentran los siguientes: A. Monosacáridos A.1.Glucosa: es el carbohidrato y el compuesto orgánico más abundante (si se consideran todas sus formas combinadas). La glucosa es un polialcohol y un aldehído y se incluye dentro de las aldosas, nomenclatura que reciben los azúcares que contienen como grupo funcional un aldehído. La terminación -osa indica que es un azúcar; el prefijo ald- denota presencia de un grupo aldehído. Cuando la glucosa se representa en una forma abierta o vertical - cadena lineal denominada estructura acíclica (Figura 1)-, con el grupo aldehído en la parte superior -átomo de carbono 1 en color verde- y el grupo hidroxilo (-OH) primario átomo de carbono 6- en la parte inferior; se observa que todos los grupos hidroxilos secundarios en los átomos de carbono 2, 3, 4 y 5; tienen cuatro sustituyentes diferentes unidos a ellos y son por tanto carbonos quirales. 5 BIOQUÍMICA GENERAL Figura 1. Glucosa (cadena abierta o estructura acíclica). ¿Qué es un átomo quiral? Un átomo de carbono quiral es aquel que puede existir bajo dos configuraciones espaciales diferentes. Los átomos de carbono quirales tienen cuatro grupos diferentes unidos a ellos. Las dos estructuras espaciales –configuraciones- de los cuatro grupos, son imágenes especulares no superponibles (Figura 2). En otras palabras, una es la imagen reflejada de la otra tal como se vería en un espejo, por ello todo lo que se encuentra a la derecha (D) en una configuración, está a la izquierda (L) en la otra y viceversa. Figura 2. Átomo de carbono quiral (en gris), unido a cuatro sustituyentes diferentes. Los carbohidratos en su configuración L (L-glucosa), son menos abundantes en la naturaleza que sus respectivas formas D (D-glucosa). En cuanto a las fuentes de alimentos con alto contenido en glucosa destacan entre otros las frutas maduras, maíz dulce, jarabe de maíz, miel y algunas raíces. A.2. Fructosa: en este caso, el grupo funcional es una cetona (Figura 3), denominándose por ello cetosas (el prefijo cet- denota presencia de un grupo cetona). El sufijo que designa a una cetosa en la nomenclatura sistemática de los 6 BIOQUÍMICA GENERAL carbohidratos es -ulosa. La D-fructosa (sistemáticamente D-arabino-hexulosa, levulosa o azúcar de la fruta) es el ejemplo más representativo de este grupo de azúcares. Es una de las dos unidades de monosacáridos que forman el disacárido sacarosa y llega a constituir el 55% de los jarabes de maíz ricos en fructosa y aproximadamente el 40% de la miel. Figura 3. Fructosa (cadena abierta o estructura acíclica). A.3) Reacciones de los monosacáridos: Los azúcares pueden ser modificados en el laboratorio o bien a través de procesos naturales, dando lugar a compuestos que retienen la configuración de los sacáridos, pero con grupos funcionales diferentes en la estructura. Entre ellos destacan: Azúcares-alcoholes: también llamados polioles, alcoholes polihídricos, o polialcoholes, que corresponden a las formas hidrogenadas de las aldosas y cetosas. Por ejemplo el glucitol (sorbitol), tiene la misma forma lineal que la glucosa (ver Figura 1), pero el grupo aldehído (-CHO) se reduce a alcohol, dando CH2OH (Figura 4). Otros azúcares-alcoholes comunes incluyen los monosacáridos eritritol y xilitol, y los disacáridos lactitol y maltitol. El xilitol, es un ingrediente común en dulces y chicles "sin azúcar" porque tiene aproximadamente la dulzura de la sacarosa y aporta sólo el 40% de las calorías. De hecho, la EFSA ha aceptado la declaración saludable “reduce el riesgo de caída de los dientes” para los chicles y caramelos que contienen un 100% o un 56% de xilitol, respectivamente, porque está relacionada con la reducción del desarrollo de caries dental, siendo por ello su consumo beneficioso para la salud. 7 BIOQUÍMICA GENERAL Figura 4. Glucitol o Sorbitol (un azúcar alcohol) B. Oligosacáridos: Están formados por 2 a 10 monosacáridos, unidos por enlaces glicosídicos y se denominan como disacáridos (2), trisacáridos (3), tetra-, penta-, hexa-, hepta-, octa-, nona- y decasacáridos (10). La unión de los monosacáridos se puede realizar de dos formas: 1) mediante el enlace monocarboxílico entre el C1 anomérico de un monosacárido y un C no anomérico de otro monosacárido, como se puede observar en la estructura de la Maltosa (Figura 5), conservando este disacárido el carácter reductor; o 2) mediante el enlace dicarbonílico que se establece entre los dos carbonos anoméricos de los dos monosacáridos, con lo que el disacárido pierde su poder reductor, como ocurre en la sacarosa (ver Figura 6). Figura 5: Maltosa 8 BIOQUÍMICA GENERAL Figura 6: Sacarosa ¿Qué es un carbono anomérico? Hace referencia al carbono del grupo funcional (aldehído o cetona) presente en los monosacáridos glucosa y fructosa, que se transforma en un nuevo centro quiral tras ciclarse la cadena abierta del monosacárido. Como se muestra en la Figura 7, el monosacárido en su forma cíclica puede tener dos orientaciones en el espacio (α y β), en función de la posición del grupo –OH, que serán anómeras una respecto a la otra. Sólo unos pocos oligosacáridos existen como tales en la naturaleza. La mayoría se obtienen por hidrólisis de los polisacáridos, siendo los más comunes: Sacarosa, azúcar de mesa o sucrosa, compuesta por una molécula de Glucosa y otra de Fructosa; Maltosa, compuesta por dos moléculas de Glucosa y Lactosa, formada por una molécula de Galactosa y otra de Glucosa. 9 BIOQUÍMICA GENERAL Figura 7: Ciclación de la glucosa ¿Qué es un azúcar reductor? Se denominan así a los azúcares que poseen un grupo funcional intacto (ver Figura 5), por lo que pueden reaccionar con otras moléculas, como los grupos amino (-NH2) de las proteínas, dando lugar al oscurecimiento del alimento (pardeamiento), proceso denominado reacción de Maillard o pardeamiento no enzimático. B.1. Sacarosa: denominada también sucrosa, azúcar o azúcar de mesa y se compone de una unidad de glucosa y otra de fructosa, enlazadas por sus grupos funcionales (Figura 6), por lo que no presenta carácter reductor. Existen dos fuentes comerciales de azúcar, el azúcar de caña y el de remolacha, pudiendo encontrarla también en el jarabe de maíz, frutas, verduras y miel. Debido a su elevado carácter hidrófilo, la sacarosa y la mayoría de carbohidratos de bajo peso molecular pueden formar disoluciones muy concentradas. Estas soluciones no requieren conservantes y pueden utilizarse no sólo como edulcorantes (aunque no todos los jarabes de carbohidratos de ese tipo son necesariamente dulces), sino también como conservantes y humectantes. Al llegar al estómago, la sacarosa sufre una hidrólisis ácida y una parte se desdobla en sus correspondientes monómeros -glucosa y fructosa-. El resto pasa al intestino delgado, donde la enzima sacarasa la convierte en glucosa y fructosa. Su consumo excesivo puede provocar obesidad, diabetes, caries e incluso la caída de los dientes. B.2. Maltosa: la maltosa o azúcar de malta (Figura 5), está formada por dos moléculas de glucosa y presenta carácter reductor. Se obtiene por hidrólisis del almidón, en una reacción catalizada por la enzima β-amilasa. Se produce durante el proceso de fermentación y se encuentra en alimentos tales como la cerveza y el 10 BIOQUÍMICA GENERAL pan. Al ser un azúcar fácilmente digerible, se utiliza en alimentos infantiles y bebidas como la leche malteada y en chocolates sin azúcar –reduciendo la maltosa a maltitol-. El almíbar del maíz, líquido resultante de la combinación de maltosa, glucosa y dextrosa, se emplea con frecuencia en bebidas carbonatadas, productos horneados y algunas conservas. B.3. Lactosa: El disacárido lactosa (Figura 8), está compuesto por glucosa y galactosa. Se encuentra en la leche, mayoritariamente en forma libre y en menor proporción como componente de oligosacáridos. Es un azúcar reductor. Figura 8. Lactosa La concentración de lactosa en la leche varía entre 2,0 y 8,5%, en función del mamífero considerado. Así, la leche de vaca y cabra contienen 4,5 y 4,8% de lactosa, respectivamente, y la de mujer un 7%. C. Polisacáridos: Son hidratos de carbono de elevado peso molecular. Están formados por la unión de numerosas unidades de monosacáridos, de 11 a miles de ellos. Son menos hidrosolubles y más estables que los azúcares sencillos. Los de interés en nutrición (almidón, dextrina, celulosa y glucógeno) son polímeros de glucosa y se diferencian en el tipo de unión. Los polisacáridos no poseen carácter reductor, ni sabor dulce y pueden ser insolubles o formar dispersiones coloidales. Según su digestibilidad, los podemos clasificar en: 1) digeribles: como el almidón o el glucógeno; 2) parcialmente digeribles: como la inulina, los galactógenos, los manosanos, la rafinosa, la estaquiosa y los pentosanos, entre otros e; 3) Indigeribles: como la fibra dietética (celulosa, hemicelulosa, pectina, gomas y mucílagos). C.1. Almidón: Es el polisacárido de reserva predominante en las plantas y está formado por dos tipos de moléculas, amilosa y amilopectina. La Amilosa esta constituida por cadenas lineales de glucosa (de 200 a 300 unidades), unidas por 11 BIOQUÍMICA GENERAL enlaces α (1,4) y se encuentra enrollada en forma de hélice (Figura 9a). La Amilopectina, esta formada por cadenas ramificadas de más de 1.000 unidades de glucosa, con enlaces α-(1,4) en la cadena lineal y α-(1,6) en los puntos de ramificación (Figura 9b). a) Amilosa b) Amilopectina Figura 9. Estructura de los azucares componentes del almidón: a) Amilosa; b) Amilopectina. Sólo se encuentra de forma natural en vegetales como el trigo, maíz, arroz, lentejas, judías, garbanzos, guisantes, patatas, etc; constituyendo su principal fuente de reserva, ya que lo almacenan en forma de gránulos en diferentes partes de la planta (semillas, frutos, tubérculos o raíces); y en productos elaborados a partir de ellos (pan, pasta, galletas, etc). 12 BIOQUÍMICA GENERAL C.2. Dextrinas: Son un grupo de oligosacáridos de bajo peso molecular, obtenidos por hidrólisis del almidón. Tienen la misma fórmula general que los polisacáridos, pero su longitud de cadena es más corta. Su dulzura y solubilidad en agua aumenta a medida que disminuye la longitud de la cadena. Las dextrinas cíclicas se conocen como ciclodextrinas (CDs). C.3. Maltodextrinas: Polisacárido moderadamente dulce, utilizado como aditivo alimentario. Generalmente se obtiene del almidón de maíz –importante para los celíacos o intolerantes al gluten-, es fácilmente digerible y se absorbe rápidamente al igual que ocurre con la glucosa. C.4. Glucógeno: Como se observa en la Figura 10, presenta cadenas de glucosa -semejantes a la amilopectina-, pero mucho más ramificadas y de mayor peso molecular. Estas ramificaciones aparecen cada 8-12 unidades de glucosa, llegando a alcanzar hasta 300.000 unidades. 13 BIOQUÍMICA GENERAL Figura 10. Estructura del glucógeno Para su hidrólisis se requieren dos enzimas (glucógeno-fosforilasa) y α-(1-6) glucosidasa, dando lugar a unidades de glucosa. Es un polisacárido de reserva de origen animal que se almacena en el hígado y en el músculo. A través de la dieta, lo ingerimos en pequeñas cantidades -en forma de ácido láctico-, debido a que se producen mermas durante el almacenamiento y tratamiento culinario de los alimentos, por lo que su “valor nutricional” es muy bajo. Importancia de los carbohidratos en el mantenimiento de la Salud Como se ha comentado anteriormente, los carbohidratos glicémicos ingeridos en la dieta se transforman en glucosa, proporcionando al organismo la energía necesaria para el correcto desarrollo de las funciones vitales. A pesar de su importancia como nutriente, para el seguimiento de una alimentación saludable debemos diferenciar entre aquellos alimentos que contienen hidratos de carbono complejos -legumbres, cereales, etc- ya que suministran además otros nutrientes esenciales como minerales, vitaminas y fibra; y los que sólo aportan calorías vacías denominados hidratos de carbono simples –azúcares-, como el azúcar de mesa, caramelos y similares. Así, la naturaleza de los carbohidratos ingeridos es importante. 14 BIOQUÍMICA GENERAL Tabla 1. Principales tipos de carbohidratos y procedencia. Con respecto al consumo de alimentos y bebidas que contengan jarabe de maíz rico en fructosa o HFCS (High 15 BIOQUÍMICA GENERAL Fructose Corn Syrup) y/o jarabe de glucosa debemos ser cautos, ya que representan actualmente más del 40% del azúcar añadido a los alimentos, especialmente a los refrescos. Al respecto, diferentes estudios como el publicado en el diario de la seguridad alimentaria en 2004, relacionan el consumo de estos “azúcares añadidos” con el aumento de sobrepeso y obesidad y el desarrollo de diabetes tipo 2. Referencias - http://www.henufood.com/nutricion-salud/aprende-a-comer/hidratos-decarbono/index.html#superior Bioquímica De Laguna, Edition: 7, Chapter: Química de los Carbohidratos., Publisher: Manual Moderno, Editors: Héctor Riveros Rosas, Dr. Federico Martínez Montes y Dr. Juan Pablo Pardo Vázquez. 16 BIOQUÍMICA GENERAL Carbohidratos Presentado por Nelson Avilez Conde Presentado a Fernando Mendoza Facultad de Ingeniería de Alimentos Universidad de Córdoba Campus Berastegui 2019 - 02 17 BIOQUÍMICA GENERAL
