HIDRATOS DE CARBONO

Solemne II, Bioquímica

HIDRATOS DE CARBONO

Los hidratos de carbono, glúcidos o carbohidratos son biomoléculas compuestas por carbono, hidrógeno y oxígeno, cuyas principales funciones en los seres vivos son:

• Energética: A partir de los hidratos de carbono, ya sean simples o complejos, se obtiene energía. Es un combustible de uso rápido e inmediato, del cual se obtiene energía por fermentación y por respiración celular. Se obtiene glucosa, glucógeno, almidón y ATP.
• Estructural: Los hidratos de carbono se encuentran en las paredes celulares de bacterias, hongos y plantas, además de estar en la matriz de los tejidos mesodérmicos.
• Informativa: Los carbohidratos entregan funciones de reconocimiento en superficie a través de glicoconjugados (glicoproteínas y glicolípidos). Por ejemplo, para que un anticuerpo reconozca un antígeno deben existir los hidratos de carbono.

Se encuentran formados por carbono, hidrógeno y oxígeno, siendo su fórmula general CnH2nOn. Químicamente son polihidroxialdehídos (presenta un grupo aldehído) y polihidroxidocetonas (presenta un grupo cetona). El término “polihidroxi” quiere decir que la estructura presenta una gran cantidad de OH. Todo lo que es orgánico presenta carbono.

ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DE LOS MONOSACÁRIDOS

Los monosacáridos son los monómeros de los hidratos de carbono. Todo monosacárido presenta un grupo aldehído o un grupo cetona. El aldehído es un compuesto orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional -CHO, siendo el grupo carbonilo -C=O el que está unido a un solo radical. Por otro lado, la cetona es un compuesto orgánico que contiene el grupo cero. El grupo funcional cero es un grupo carbonilo (un átomo de carbono unido con un doble enlace a un átomo de oxígeno) unido a su vez a dos átomos de carbono.[pic 1][pic 2][pic 3]

         GRUPO ALDEHÍDO                                                              [pic 4]

          GRUPO CETONA

Toda estructura que presente como término “osa” es una azúcar. Los oligosacáridos son uniones de dos a diez monosacáridos, mientras que los polisacáridos son uniones de diez o más monosacáridos (por ejemplo, el almidón y fibras).

MONOSACÁRIDOS

Las aldosas son monosacáridos que presentan un grupo aldehído en su estructura. Su carbono uno es el perteneciente al aldehído. Todos sus carbonos, a excepción del primero y del último, son quirales. Lo único que varía entre un monosacárido y otro es la posición de los OH, por lo tanto, todos son isómeros, es decir, presentan la misma cantidad de carbonos, hidrógenos y oxígenos.

Las cetosas son monosacáridos que presentan un grupo cetona en su estructura. Su carbono dos corresponde al carbono de la cetona y, a diferencia de las aldosas, presentan menor cantidad de carbonos quirales.

Muchos monosacáridos se diferencian entre sí por la distribución especial de sus átomos (isómeros). Si la diferencia es en un solo átomo los isómeros se denominan epímeros. Se cambia la disposición o el lado de un solo OH.

Los monosacáridos siempre son isómeros.

En solución acuosa, el grupo aldehído o cetona de una molécula de azúcar tiende a reaccionar con un grupo hidroxilo de la misma molécula, con lo que la molécula se cierra formando un anillo. El carbono anómerico es aquel que permite el cierre del anillo, corresponde al carbono uno de las aldosas, y al carbono dos en las cetosas. Los anillos presentan la característica de ser más estables al medio que las rodea.

Las estructuras de Haworth o hemiacetales se forman por la unión entre el carbono uno y cualquier oxígeno de otro monosacárido isómero). El término Alpha indica que el OH va hacia abajo, y el término beta indica que el OH va hacia arriba. Los mamíferos no presentan enzimas que degraden los monosacáridos beta. Cuando dos monosacáridos presentan la misma estructura y lo único que cambia es si es Alpha o beta se les denomina anómeros.

El término “furano” significa que presenta cuatro carbonos, y el término “purano” son cinco carbonos.

Los enantiómeros son moléculas que presentan imagen especular, es decir, que al comparar los monosacáridos todos sus OH se encuentran en el lado contrario al otro monosacárido. Los OH están pegados a los carbonos quirales, y al colocar estos monosacáridos frente a otro son iguales. Por otro lado, si difieren más de uno son diastereoisomeros.

DISACÁRIDOS 

Los disacáridos son dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico (C-O-C). El carbono del grupo aldehído o cetona de un monosacárido puede reaccionar con el grupo hidroxilo de otro monosacárido, formando un disacárido. Es una reacción de condensación debido que se pegan estructuras y se libera agua.

Unión entre grupo funcional y un OH cualquiera. Es una estructura acetal, la unión que se forma sigue el orden oxígeno-carbono-oxígeno-carbono (O-C-O-C).

Los disacáridos más comunes son:

• Sacarosa: Glucosa + Fructuosa.
• Lactosa: Glucosa + Galactosa.
• Maltosa: Glucosa + Glucosa.

POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos son largas cadenas de monosacáridos que forman polímeros de gran tamaño.

El glicógeno es un almacén de hidratos de carbono en las células animales, es el cómo los mamíferos guardan la energía. El almidón es el almacén de carbohidratos en las células vegetales, es el cómo las plantas guardan la energía. Y la celulosa es el componente de la pared celular de las células vegetales, es única en plantas. Los mamíferos eliminan la celulosa debido a la presencia de monosacáridos beta. Ejemplos de celulosa son las semillas, cáscaras, fibras, etc.

Los homopolisacáridos son polisacáridos que presentan el mismo monosacárido (por ejemplo, el glicógeno) y los heteropolisacáridos son polisacáridos que presentan distintos monosacáridos en su estructura (por ejemplo, lípidos de las bacterias). [pic 5]

Glicógeno: Alpha 1-4 y ramificación 1-6.

Celulosa: Beta 1-4.

GLICÓLISIS

El principal componente que se utiliza para realizar el metabolismo de los hidratos de carbono es la glucosa, la cual puede ser oxidada (produciendo piruvato ó ribosa 5-fosfato) o ser almacenada como glicógeno en caso de no ser utilizada.

La glucosa se convierte en 2 piruvatos, los cuales pueden tomar dos vías dependiendo del estado en el que se encuentra la célula de acuerdo con su suministro de oxígeno:

• Con alto suministro de oxígeno: Se realiza respiración celular, donde se produce Acetil CoA.
• Con bajo suministro de oxígeno: Se realiza la fermentación, que puede ser alcohólica o láctica.

La glicólisis corresponde a, químicamente hablando, diez reacciones de oxidación que se dividen en dos fases:

La fase preparativa (a) corresponde a la fase en la cual la glucosa se prepara para ser degradada. Son las reacciones 1, 2, 3, 4, y 5. Existen tanto reacciones reversibles (2,4 y 5) como irreversibles (1 y 3). Se consume ATP y se utiliza una hexoquinasa y una fosfofructoquinasa.[pic 6]

1. A la glucosa se le agrega un grupo fosfato formándose Glucosa 6-fosfato, para ello se utiliza una enzima de tipo transferasa, que hidroliza el ATP y coloca un grupo fosfato en la glucosa, denominada hexoquinasa. La hexoquinasa fosforila la glucosa cada vez que entra a la célula de tal manera de retenerla. Los transportadores GLUT se encuentran en la membrana y son abiertos cuando entra insulina, de esta manera entra la glucosa a la sangre y la hexoquinasa realiza la fosforilación.
2. Se cambia la estructura de la Glucosa 6-fosfato, sin alterar la cantidad de H-C-O, a una Fructuosa 6-fosfato mediante una enzima isomerasa. Se convierte en una cetosa.
3. A través de una quinasa (transferasa) se le coloca un grupo fosfato a la cetosa en el carbono 1, convirtiéndose en Fructuosa 1,6-bifosfato.
4. Se utiliza una enzima llamada aldolasa que degrada la fructuosa generando dos moléculas distintas entre sí. Se genera Dihidroxiacetona fosfato y Gliceraldehído 3-fosfato.
5. Ambas moléculas generadas en la etapa anterior, se vuelven idénticas debido a la acción de una enzima del tipo isomerasa denominada triosa fosfato isomerasa que cambia la estructura de la dihidroxiacetona fosfato. Se generan 2 Gliceraldehído 3-fosfato. [pic 7]

La fase productiva (b) corresponde a la fase donde se generan los piruvatos debido a la degradación de la glucosa. Sus productos finales son piruvato (ácido pirúvico), NADH y ATP). El producto neto son 2 ATP. Para la producción de NADH se utiliza una oxidoreductasa. Se produce energía.

1. A cada gliceraldehído 3-fosfato se le agrega un grupo fosfato a través de una reacción de oxido-reducción. Se utiliza una oxidoreductasa llamada gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa. Se genera 1,3-bifosfoglicerato.
2. Se realiza una fosforilación a nivel de sustrato, es decir, se le saca el grupo fosfato expuesto al sustrato y se le coloca a otro compuesto, para ello se utiliza una transferasa (quinasa). En esta reacción se produce ATP, puesto que aquel grupo fosfato del 1,3-bifosfoglicerato se le coloca al ADP. Se genera 3-fosfoglicerato.
3. El grupo fosfato del 3-fosfoglicerato se cambia de lugar con la acción de una isomerasa. Se genera 2-fosfoglicerato.
4. Se utiliza una enzima llamada enolasa que es de tipo liasa, que forma un doble enlace. Se genera Fosfoenolpiruvato.
5. Se realiza una fosforilación a nivel de sustrato, al igual que en la reacción 7, por lo tanto, se produce ATP. Una vez que se elimina aquel grupo fosfato para colocárselo al ADP, se forma el Piruvato. Debido a que son dos moléculas de Gliceraldehído 3-fosfato (reacción 6), se generan 2 Piruvatos. 

*Producto neto: En la glicólisis siempre se producen 4 ATP, sin embargo, al restarle lo que se gastó quedan 2 ATP netos (sin lo que se gastó). El producto neto de la glicólisis son 2 Piruvatos, 2 NADH (cada uno equivale a 3 ATP) y 2 ATP. En total, se producen 8 ATP.

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