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APUNTES DE BIOQUÍMICA
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GENERALIDADES DE CARBOHIDRATOS
E INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO
Julián Alonso Chamucero Millares1
L
os carbohidratos o hidratos de
carbono, son biomoléculas que en
términos generales obedecen a la
fórmula química (CH20)n. Reciben también
el nombre de sacáridos por el origen griego de
la palabra sakcharon que significa azúcar.
Estas
biomoléculas
constituyen
un
porcentaje muy importante de la biosfera y
cumplen diversas funciones estructurales,
energéticas, de almacenamiento, entre otras.
La primera aproximación es su clasificación
en dos grandes grupos de acuerdo a la
susceptibilidad de hidrólisis de los
compuestos para la obtención de moléculas
más simples:
M
onosacáridos
Los monosacáridos son los
azúcares más simples y se
encuentran formados por
unidades
monoméricas
sencillas, las cuales obedecen la fórmula
química característica de un hidrato de
carbono y donde el valor de n más bajo es
igual a 3. En otros términos, podemos
designar
los
monosacáridos
como
aldehídos y cetonas con grupos hidroxilo
unidos a su cadena. Recordemos que los
aldehídos y las cetonas son compuestos
orgánicos derivados del grupo carbonilo y que
siguen la siguiente estructura:
1. Carbohidratos simples: aquellos que
están conformados por una sola
unidad monomérica.
2. Carbohidratos complejos: hace
referencia a todos aquellos azúcares
que contienen dos o más unidades
monoméricas y que por lo tanto
pueden ser hidrolizadas.
Con base en estas estructuras y teniendo en
cuenta que n = 3, los monosacáridos más
pequeños se denominan triosas, de los
cuales tenemos dos: el gliceraldehido y la
dihidroxiacetona2.
1
Médico Interno. Internado con énfasis en
investigación. Laboratorio de Biomiméticos –
Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional
de Colombia. 2012
2
Teniendo en cuenta que sin derivados de los
aldehídos y las cetonas, se nombran las familias de
monosacáridos como aldosas y cetosas
1
Para intentar reconocer la configuración
espacial de las moléculas, se han adoptados
nomenclaturas en diferentes sistemas de
proyección:
Proyección en Perspectiva


El gliceraldehído y la dihidroxiacetona son
isómeros
estructurales
que
pueden
interconvertirse uno con otro mediante la
formación de un intermediario inestable
llamado enediol3. Los tautómeros son esta
clase de compuestos con isomería
estructural. Además, el carbono – 2 de
ambas moléculas hace que se comporten
como enantiómeros; es decir, con isomería
óptica
reconocida
como
imágenes
especulares no superponibles y que desvían
el plano de la luz polarizada, por lo que
existen ambos tipos de monosacáridos: los
D y los L; no obstante, es importante
reconocer que son más abundantes y con
mayor importancia en la naturaleza los tipo
D o dextrógiros.
2
Las flechas discontinuas indican que
los átomos se dirigen hacía el fondo.
Las flechas continuas o rellenas
reflejan que los átomos se dirigen
hacia el lector
Proyección de Fischer


Las líneas horizontales corresponden
a las flechas continuas; es decir,
indican que los átomos van hacia
arriba.
Las líneas verticales son a la par de
las flechas discontinuas e indican
que los átomos se dirigen hacia
abajo.
Si aumentamos el valor de n por encima de
3, los monosacáridos presentan más de un
carbono quiral y pasan a llamarse
diastereómeros, dónde:
n centros quirales = 2n esteroisómeros
3
Recordemos que la enzima que cataliza dicha
reacción de interconversión es la triosa fosfato
isomerasa. Véase “Apuntes de Bioquímica 3:
Enzimas” para estudiar el mecanismo de acción.
Por lo que en el caso de las tetrosas,
tendremos 4 esteroisómeros, dos de la
forma D y dos de la forma L como vemos a
continuación:
reciben el nombre de furanosas y en el caso
de las hexosas se llaman piranosas4.
3
Cuando llegamos al valor de n de 5 o de 6,
nos damos cuenta que estas estructuras – las
pentosas y las hexosas – tienen la
posibilidad de formar conformaciones de
anillos estables. Esta reacción ocurre por la
característica propia de las funciones
aldehído y cetona. Los aldehídos reaccionan
con los alcoholes para formar hemiacetales
y las cetonas de igual reacción forman
hemicetales.
En los monosacáridos estas reacciones
ocurren entre el C1 o el C2 – que son los
que tienen la función química aldehído y
cetona respectivamente – con el grupo OH
del carbono 5 o 6 – el cual actúa como
función alcohol. El resultado de la reacción
es la formación de dos estructuras cíclicas
estables que para el caso de las pentosas
.
En disoluciones a pH fisiológico
aproximadamente un 99% de las pentosas y
las hexosas se encuentran en estructura de
anillo. Ahora bien, un análisis más detallado
de la estructura nos permite reconocer que
el C1 de la configuración cíclica se comporta
como otro carbono quiral con igual
capacidad de desviar en el plano la luz
polarizada, por lo que estas estructuras
cíclicas tienen dos isómeros diferentes
denotados por las letras α y β. Para
determinar ambos isómeros podemos tener
en cuenta la posición del grupo hidroxilo
[OH] respecto al CH2OH del carbono 5. Si
ambos grupos se encuentran en posición cis
– al mismo lado del anillo – la configuración
será β, y por el contrario si el CH2OH está
4
Estos azúcares se denomina así, ya que la
estructura cíclica que se forma por la organización
intramolecular de los hemiacetales y los
hemicetales semeja la estructura de los éteres
cíclicos de 5 y 6 puntas conocidos como furano y
pirano respectivamente:
en posición trans respecto al OH se tendrá
un isómero α.
y el gliceraldehído – 3 – fosfato
son intermediarios muy importantes
en las rutas metabólicas de los
carbohidratos.
4
Con esta descripción y los diferentes
estudios experimentales sabemos que los
monosacáridos
más
abundantes
e
importantes son las hexosas [glucosa y
fructosa, y en menor medida la galactosa y la
manosa] en su configuración β – D.
D
erivados
de
monosacáridos
los
Como hemos visto, los
monosacáridos tienen grupos
hidroxilo
que
pueden
reaccionar
con
diferentes
grupos
funcionales, lo que da lugar a la existencia de
derivados con importancia biológica:
1. Ésteres fosfato: Los ésteres al igual
que los aldehídos y las cetonas son
derivados del grupo carbonilo. Allí el
R’ que define el grupo éster está
dado por el grupo fosfato del
CH2OH. Esto quiere decir que
ocurre una reacción de fosforilación
del monosacárido, bajo la cual, una
molécula de ATP dona un grupo
fosfato al azúcar. Éstos derivados
tales como la glucosa – 6 – fosfato
2. Alditoles:
son
compuestos
derivados de una reacción de
reducción del grupo carbonilo del
azúcar. Entre los más importantes
encontramos el manitol y el
sorbitol. El sorbitol es hoy en día
ampliamente difundido como un
edulcorante bajo en calorías mientras
que el manitol es utilizado en
medicina en los casos agudos de
trauma
craneoencefálico
para
disminuir
la
hipertensión
intracraneana.
3. Aminoazúcares:
Son monosacáridos a los cuales se
les ha adiciona un grupo amino
[NH2]. Entre ellos tenemos la
glucosamina y la galactosamina.
O
ligosacáridos
obtiene de plantas como la caña de
azúcar. La formación de este
disacárido ocurre entre la glucosa y
la fructosa, y participan ambos
grupos quirales por lo que la sucrosa
es un azúcar no reductor.
Los
oligosacáridos
son
polímeros cortos de azúcar y
se forman por la reacción de
condensación
entre dos
unidades monoméricas a través de la
creación de un enlace glucosídico que se
caracteriza por:





Se forma en una reacción de
condensación o deshidratación
Participa el grupo hidroxilo [OH] del
carbono quiral [ C1] de uno de los
monómeros y el átomo de H de otro
carbono del segundo monómero
participante de la reacción.
La reacción puede ocurrir entre
monómeros iguales o diferentes.
La formación del enlace puede
involucrar ambos carbonos quirales,
lo cual permite diferenciar los
azúcares reductores de los no
reductores.
La
reacción
está
termodinámicamente desfavorecida
con un ΔG°ǂ = +15 Kj/mol por lo
que se requieren de enzimas
específicas
que
catalicen
la
formación del enlace.
De las longitudes posibles menores de 20
unidades monoméricas, los disacáridos
constituyen
los
oligosacáridos
más
importantes y abundantes, a saber:

Sucrosa: es la más conocida ya que
se usa como azúcar de mesa y se
5

Lactosa: es el azúcar presente en la
leche. Está formado por la unión de
glucosa y galactosa y puede ser
hidrolizado por la lactasa humana.

Maltosa: también conocida como
azúcar de malta, es un disacárido
formado por dos monómeros de
glucosa y se obtiene de los granos de
cebada o como producto de la
hidrólisis del glucógeno o el
almidón.
Los
siguientes
polisacáridos:
son
ejemplos
de
Estructurales:

P
olisacáridos
Celulosa: es un homopolisacárido
formado por unidades de glucosa.
La celulosa se encuentra en las
plantas leñosas como el algodón y se
considera
el
polímero
más
abundante en toda la biosfera. El
enlace glucosídico ocurre en
isómeros β de glucosa en los
carbonos 1 a 4.
Los polisacáridos o
glicanos son cadenas
conformadas por más de
20
unidades
de
monosacáridos, se reconocen dos
tipos de secuencia:
1. Homopolisacáridos:
Se
forman
por
unidades
repetidas del mismo monosacárido.
2. Heteropolisacáridos: la secuencia
contiene unidades de diferentes
monosacáridos.

Quitina: es un homopolisacárido
formado por unidades de N – acetil
– β – D – glucosamina. Hace parte
del citoesqueleto de animales
invertebrados.
6
De almacenamiento:


Almidón: es un polímero de α – D
– glucopiranosa y funciona como
sitio
de
almacenamiento
de
monómeros de glucosa en los
vegetales.
Glucógeno: tienen la misma
composición
monomérica
del
almidón pero difiere de éste por el
tipo de enlace entre los residuos de
glucosa. Tiene una estructura lineal
con enlaces O – glucosídico α 1 – 4
mientras que las ramificaciones se
forman por enlaces tipo O –
glucosídico α 1 – 6. El
glucógeno es la principal
fuente de reserva energética de los
mamíferos y se encuentra en el
hígado y en el músculo.
Glucosaminoglicanos
Los glucosaminoglicanos son los azúcares
estructurales de los animales vertebrados y
constituyen la Matriz Extracelular de
muchos tejidos. En el cartílago, por ejemplo,
los glucosaminoglicanos más importantes
son el condroitín sulfato y el queratán
sulfato que se forman por unidades
repetitivas de N – acetilgalactosamina y N –
acetilglucosamina,
los
cuales
son
monosacáridos ácidos por la presencia de
grupos sulfato.
7
Glucoconjugados
Son macromoléculas conformadas por
unidades de sacáridos, disacáridos o glicanos
y otras biomoléculas como las proteínas y
los lípidos [los glucolípidos se
tratarán en otra guía]:
Glucoproteínas: corresponden a
cerca del 50% de todas las
proteínas eucariotas, las cuales
presentan uniones covalentes con
oligosacáridos. Esta clase de
proteínas están presentes en la
membrana plasmática, en la matriz
extracelular e incluso en la sangre.
Recordemos que el sistema de
clasificación de los grupos sanguíneos ABO
el cual se basa en el reconocimiento de
oligosacáridos específicos: el grupo O tiene
el llamado oligosacárido O, mientras que los
grupos A y B se determinan por la adición
enzimática de N – acetilgalactosamina y de
galactosa respectivamente. Se reconocen dos
tipos de enlaces covalentes en las
glucoproteínas desde un extremo que
incluye la N- acetilgalactosamina.
:
a. Glucanos con enlace N: el
oligosacárido se une al grupo
amida de la cadena lateral de
la asparagina.
b. Glucanos con enlace O: el
oligosacárido se une al grupo
hidroxilo de un residuo de
serina o treonina.
8
T
racto
gastrointestinal
proceso digestivo
y
El metabolismo se define
como el conjunto de reacciones bioquímicas
que ocurren en células específicas para la
transformación de biocompuestos con
finalidades energéticas. Los procesos
metabólicos se pueden dividir en dos
procesos:
1. Catabolismo: incluye una serie de
reacciones que permite degradar
moléculas grandes para la liberación
de energía.
2. Anabolismo: es un proceso que
permite
la
formación
de
macromoléculas a partir de sus
componentes monoméricos y en
general implica gasto de energía.
Teniendo en cuenta que todo proceso
metabólico requiere la obtención de
moléculas con capacidad de entrada a las
células, se hace necesario un proceso
digestivo que degrada los componentes
de los alimentos que consumimos.
Vamos a comenzar este viaje del
metabolismo imaginando el recorrido
que hace un plato de spaghetti con fruti di
mare con salsa tartara el cual contiene
carbohidratos, lípidos y proteínas.
El viaje comienza cuando el alimento se
ingiere por la boca y durante un corto
período de tiempo es macerado en partículas
pequeñas por los dientes e insalivado por la
saliva producida por las glándulas parótida,
submaxilar y sublingual. La saliva es un
compuesto líquido y coloro que entre otras
sustancias incluye agua sales, una
glucoproteína llamada mucina que actúa
como lubricante y varias enzimas entre las
que se encuentra la amilasa salival. La
amilasa salival es una enzima del tipo
hidrolasa que cataliza la reacción de
hidrólisis del enlace glucosídico 1-4 presente
en el almidón y por el cual se forman
moléculas del disacárido maltosa.
Paso seguido ocurre la deglución del
alimento, el cual baja por la faringe y el
esófago gracias a la secreción de mucina y
los movimientos peristálticos de la
musculatura de estas estructuras, pasa por el
esfínter de cardias e ingresa al estómago. El
estómago está tapizado por las glándulas
gástricas que son estimuladas por una
hormona llama gastrina. Estas glándulas
están formadas por 3 tipos de células
diferentes:



Las células parietales son las
encargadas de la síntesis del ácido
clorhídrico [HCl] el cual a)
destruyendo las bacterias del bolo
alimenticio que hayan sobrevivido a la
lisozima salival, b) tiene acción
antipútrida, c) inactiva la amilasa
salival y d) activa la pepsina
Las células principales sintetizan y
secretan el pepsinógeno, un
zimógeno de la pepsina que se activa
al contacto con el ácido clorhídrico.
La pepsina es una enzima que actúa
de manera similar a la tripsina y a la
quimotripsina catalizando la reacción
de hidrólisis del enlace peptídico en
las proteínas con la subsecuente
liberación de los aminoácidos.
Las células secretoras de moco
sintetizan mucina que recubre y
protege el epitelio estomacal.
Otra de las enzimas secretadas por las
glándulas gástricas y que hacen parte del jugo
gástrico es la lipasa gástrica que como su
nombre lo indica actúa degradando los
lípidos como los triglicéridos en
diacilgliceroles.
La acción del jugo gástrico transforma el
bolo alimenticio en un líquido espeso y
grisáceo que recibe el nombre de quimo. El
quilo pasa a través del esfínter pilórico hacia
el
duodeno
donde
continúa
su
procesamiento gracias a la acción del jugo
pancreático, un líquido incoloro y viscoso
que contiene:




Bicarbonato de sodio [NaHCO3]
cuya función es neutralizar la acidez
del jugo gástrico.
La enzima lipasa pancreática que
actúa sobre la hidrólisis de los
diacilgliceroles y los transforma en
monoacilgliceroles.
Las
enzimas
tripsina
y
quimotripsina que continúan
hidrolizando los polipéptidos en
oligopéptidos.
Carboxipeptidasas,
que
son
enzimas del tipo proteasas que
hidrolizan los enlaces peptídicos en
el extremo carboxi terminal.
Dado que los lípidos son insolubles en agua,
la bilis, almacenada en la vesícula biliar, es
secretada al duodeno donde emulsifica las
grasas para aumentar el efecto de las
enzimas
pancreáticas
sobre
ellos.
Recordemos que la bilis es un líquido
amarillo-verdoso por su contenido de
bilirrubina y biliverdina, componentes
resultantes de la degradación hepática de los
glóbulos rojos.
Finalmente, en el borde de cepillo de las
microvellosidades intestinales se encuentran
las disacaridasas, gracias a las cuales se
obtienen los monosacáridos que son capaces
de ingresar de la luz intestinal a los
enterocitos intestinales:
9



Maltasa: rompe los enlaces de la
maltosa y se obtienen monómeros
de glucosa.
Sacarasa: hidroliza la sacarosa y se
obtienen glucosa y fructosa.
Lactasa: rompe la lactosa en sus
constituyentes glucosa y galactosa
La erepsina también hace parte del jugo
intestinal y es la enzima encargada de
hidrolizar los péptidos cortos en
aminoácidos libres.
La fase digestiva concluye en el intestino
con la separación del quimo en dos
componentes:
1. Excremento: continúa su tránsito
hacia el intestino grueso donde se
reabsorbe más del 90% de agua y se
forma la materia fecal que será
expulsada.
2. Quilo:
líquido
lechoso
con
sustancias nutritivas
Del quilo, los ácidos grasos libres y el
glicerol pasan de la luz intestinal a los
enterocitos
donde
son
conjugados
nuevamente para la formación de
triglicéridos, los cuales posterior a su síntesis
pasan a los vasos quilíferos y conducidos al
sistema linfático. Por su parte, los
aminoácidos y los monosacáridos pasan a
los capilares intestinales y son conducidos
por el sistema porta – hepático hacia el
hígado y hacia la circulación general por la
vena cava inferior. El sistema circulatorio
distribuye los nutrientes a los diferentes
tejidos donde son metabolizados para usos
específicos.
Bibliografía
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