6-1 CARBOHIDRATOS

Los carbohidratos o hidratos de carbono o también llamados azúcares (del griego σάκχαρον que significa "azúcar") son los compuestos orgánicos más abundantes y a su vez los más diversos. Están integrados por carbono, hidrógeno y oxígeno. El término carbohidrato se origina de las fórmulas de varios compuestos de esta clase que cumplían con  C_n(H₂O)_n por lo que pensaba que eran carbonos hidratados, de ahí se origina el término hidratos de carbono.

Estos compuestos, abarcan sustancias muy conocidas y al mismo tiempo, muy diferentes, azúcar común, papel, madera, algodón, son carbohidratos o están presentes en ello en una alta proporción. Los carbohidratos son importantes ya que son moléculas que almacenan energía a corto plazo (moléculas simples como glucosa y fructuosa ) o a largo plazo (almidones y glicógeno) como moléculas estructurales  (celulosa) y como componente importante del ADN y ARN.

Desde el punto de vista químico un carbohidrato es un polihidroxialdehído o polihidroxicetona.

Clasificación de Carbohidratos:

Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Un monosacárido, es una unidad, ya no se subdivide más por hidrólisis ácida o enzimática, por ejemplo glucosa, fructosa o galactosa.

Los oligosacáridos están constituidos por dos a diez unidades de monosacáridos. La palabra viene del griego, oligo = pocos. Por ejemplo el azúcar que utilizamos es un disacárido y por tanto un oligosacárido.

Los polisacáridos son macromoléculas, por hidrólisis producen muchos monosacáridos, entre 100 y 90 000 unidades.

Monosacáridos
Los carbohidratos más simples, los monosacáridos, están formados por una sola molécula; no pueden ser hidrolizados a carbohidratos más pequeños. La fórmula química general de un monosacárido simple es (CH₂O)_n, donde n es cualquier número igual o mayor a tres. Los monosacáridos poseen siempre un grupo carbonilo (aldehído o formilo o cetona u oxo) en uno de sus átomos de carbono y grupos hidroxilo en el resto, por lo que pueden considerarse polialcoholes.

Los monosacáridos se clasifican de acuerdo a tres características diferentes: la posición del grupo carbonilo, el número de átomos de carbono que contiene y su quiralidad.
Si el grupo carbonilo es un aldehído, el monosacárido es una aldosa; si el grupo carbonilo es una cetona, el monosacárido es una cetosa. Los monosacáridos más pequeños son los que poseen tres átomos de carbono, y son llamados triosas; aquéllos con cuatro son llamados tetrosas, lo que poseen cinco son llamados pentosas, seis son llamados hexosas y así sucesivamente. Los sistemas de clasificación son frecuentemente combinados; por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa (un aldehído de seis átomos de carbono), la ribosa es una aldopentosa (un aldehído de cinco átomos de carbono) y la fructosa es una cetohexosa (una cetona de seis átomos de carbono).

aldopentosa                     aldohexosa                    cetohexosa

Como ejemplo tenemos:

1. Triosas: gliceraldehído (aldotriosa) y dihidroxiacetona.(cetotriosa)
2. Tetrosas: eritrosa, treosa (tetraaldosas) y eritrulosa (tetracetosa)
3. Pentosas: ribosa, arabinosa, xilosa, lixosa (pentoaldosas), ribulosa y xilulosa (pentocetosas).
4. Hexosas: alosa, altrosa, glucosa, manosa, gulosa, idosa, galactosa, talosa (hexoaldosas), psicosa, fructosa, sorbosa y tagatosa (hexocetosas).
5. Heptosas, etc.
(las negritas son las más abundantes en la naturaleza)

Cada átomo de carbono posee un grupo de hidroxilo (-OH), con la excepción del primero y el último carbono, todos son asimétricos (cuatro substituyentes diferentes), haciéndolos centros quirales (que tienen imagen de espejo) con dos posibles configuraciones cada uno (el -H y -OH pueden estar a cualquier lado del átomo de carbono). Debido a esta asimetría, cada monosacárido posee un cierto número de isómeros que se calculan con la fórmula 2ⁿ, donde n es la cantidad de carbonos quirales o estereocentros. Por ejemplo la aldohexosa D-glucosa, tienen la fórmula (CH₂O)₆, de la cual,
exceptuando dos de sus seis átomos de carbono, todos son centros quirales, por lo que tiene 2⁴= 16 isómeros y los que son imagen de espejo son enantiómeros, haciendo que la D-glucosa sea uno de los posibles.

La designación D o L (Dextro o Levo) es realizada de acuerdo a la orientación del carbono quiral más alejado del grupo carbonilo ( el penúltimo ): si el grupo hidroxilo está a la derecha de la molécula es un azúcar D, si está a la izquierda es un azúcar L. A estos compuestos que sólo cambia la orientación del penúltimo carbón se les llama estereoisómeros. (Por ejemplo D y L-glucosa)

A los compuestos que no son imagen de espejo, por ejemplo D-glucos y D-Manosa se les llama diastereómeros.

A los carbohidratos que cambian en un solo carbón se les llama epímeros. ( por ejemplo entre la glucosa y la ribosa) 

El monosacárido más importante es la glucosa. La glucosa es extremadamente importante ya que cuando se metaboliza provee energía al cuerpo humano. Además es intermediaria en muchas reacciones como por ejemplo para formar aminoácidos y lípidos. Nuestro cerebro no puede almacenar glucosa y debe de tomarlo del torrente sanguíneo.

6-2 DISACÁRIDOS Y POLISACÁRIDOS

Forma furanosa y piranosa de los carbohidratos

En disolución acuosa, los monosacáridos se cierran formando anillos de 5 ó 6 lados que son parecidos a la estructura de los furanos y piranos, respectivamente.

Ciclación de monosacáridos

Ve el siguiente video para que veas la ciclación de la glucosa

En este esquema puede apreciarse como se cierra la molécula de un monosacárido, en este caso una cetohexosa. El grupo carbonilo del C2 queda próximo al C5 y entre ellos reaccionan sus radicales en una reacción intramolecular entre un grupo ceto (el del C2) y un grupo alcohol (el del C5), formándose un ciclo (llamado hemiacetal). Ambos carbonos quedarán unidos mediante un átomo de oxígeno. El C2 se denomina Carbono anomérico y posee un grupo -OH  y según la posición de este grupo, se originan dos anómeros (alfa y beta). El carbono anomérico de una aldohexosa sería el C1. (ve el ejemplo de la ciclación de la glucosa)

Ve el siguiente video para que veas un ejemplo de ciclación de monosacáridos  

https://www.youtube.com/watch?v=aTjjmq-Mdlk

ciclación de una cetohexosa

ciclación de la glucosa

Estas fórmulas representan a la glucosa en su forma lineal y cíclica, en este caso el anillo formado tiene 6 lados ( 5 C y un O) y corresponde al esqueleto pirano. Es el glúcido más abundante, llamado azúcar de uva; en la sangre se encuentra en concentraciones de un gramo por litro

ciclación de la fructuosa

Aquí está representada la fórmula lineal y cíclica de la fructosa, formando un anillo de cinco lados ( 4 C y un O )que corresponde al furano Al cerrarse la molécula los grupos -CH2OH del C1 y del C5 pueden tener dos posiciones con respecto al -OH del C1, son dos nuevos isómeros, denominados anómeros alfa (en posición trans (lados transversales entre C1 y C5) y beta (en posición cis (el mismo lado entre C1 y C5)

Características de la glucosa:

Es el azúcar de la sangre. Fuente importante de energía para todas las células del cuerpo. En condiciones normales es la única fuente de energía para el cerebro, sistema nervioso y los glóbulos rojos. Es menos dulce que la sacarosa (azúcar de mesa).

Características de la fructuosa:
Es el azúcar simple más dulce, 20% más dulce que la sacarosa.

Contenido de glucosa, fructuosa y sacarosa en diversas frutas Carbohidratos reductores: son los que dan positivo al reactivo de Tollens y al de Fehling (está presente un grupo aldehído)

OLIGOSACÁRIDOS

Los oligosacáridos son polímeros formados a base de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos, con un número de unidades monoméricas entre 2 y 10.

Existe una gran diversidad de oligosacáridos, pues puede variar el número, las ramificaciones, el tipo de monosacáridos que se unen y la forma de enlazarse de los monosacáridos para formar una cadena de polisacáridos. Los más importantes son los disacáridos.

DISACÁRIDOS

Las moléculas unidas por sólo dos unidades de carbohidratos a través de enlaces glucosídicos son los disacáridos. Los enlaces glucosídicos se forman por reacción entre el átomo de carbono C1 de un carbohidrato y el grupo hidroxilo del otro carbohidrato, con los cual se crea una unión -C-O-C- entre los dos con la formación de una molécula de agua.  Los disacáridos sirven sobre todo como almacenes de energía disponible. 

Ve la siguiente animación. En esta verás como la molécula de la maltosa se foma de dos moléculas de glucosa.

Ve esta otra animación:

proteopedia.org/wiki/index.php/Carbohydrates_II_(spanish)
(CUANDO SELECCIONAS EL NOMBRE (el de color verde) DE LA MOLÉCULA APARECE SU ESTUCTURA 3D)

Como disacáridos más importantes tenemos a:

1. La sacarosa es el disacárido más abundante en la naturaleza, que se obtiene de la caña de azúcar y se genera a partir de la fotosíntesis y es la principal forma en la cual los glúcidos son transportados en las plantas. Está compuesto de una molécula de glucosa y una molécula de fructosa.

El nombre de la sacarosa , α-D-glucopiranosa-(1,5)-β-D-fructofuranosa, indica cuatro cosas:

Sus monosacáridos: glucosa y fructosa.

El tipo de sus anillos: glucosa es una piranosa y fructosa es una furanosa.

Como están ligados juntos: el oxígeno del C1 de α-glucosa está enlazado al C5 de la β-fructosa. (analiza la molécula)

sacarosa

Contenido de azúcar en algunas bebidas

2. La lactosa, un disacárido compuesto por una molécula de galactosa y una molécula de glucosa, estará presente naturalmente sólo en la leche. El nombre sistemático para la lactosa es β-D-galactopiranosa-(1,4)-β-D-glucopiranosa. (analiza la molécula)

Ve el siguente video de cómo se forma la lactosa: http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/explicalact.htm


3. Otro disacárido notable incluyen la maltosa (dos glucosas enlazadas α-(1,4)-α) y la celobiosa (dos glucosas enlazadas β-1,4-β).

    maltosa

celobiosa

 Ve el siguiente video de cómo se forma la maltosa:
http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/explicamalt.htm

Poder edulcorante de distintos azúcares.

POLISACÁRIDOS

Los polisacáridos están formados por la unión de muchos monosacáridos (puede variar entre 11 y varios miles), mediante enlace glucosídico, similar al visto en los disacáridos, con pérdida de una molécula de agua por cada enlace. Tienen pesos moleculares muy elevados y pueden desempeñar funciones de reserva energética o función estructural. Hay muchos polisacáridos pero los más importantes son el almidón, el glucógeno y la celulosa, todos ellos derivados de la glucosa.

Los polisacáridos que tienen función de reserva energética presentan enlace α-glucosídico y son: 

1) Almidón, α-(1,4)-α ; que es el polisacárido de reserva propio de los vegetales, y hay dos tipos de almidones:

• la amilosa

• la amilopectina

La papa, el arroz, trigo y maíz son las fuentes importantes del almidón en la dieta humana.

Gránulos de almidón provenientes de distintas fuentes observados bajo microscopio

Proceso de digestión de los carbohidratos:

 Proceso de digestión de los carbohidratos 

2) Glucógeno α-(1,4)-α; es el polisacárido propio de los seres humanos y animales. Se encuentra abundantemente en el hígado y en los músculos. Molécula muy similar a la amilopectina; pero con mayor abundancia de ramificaciones.

Distribución de la glucosa después de haberla ingerido:

De las 30.000 plantas comestibles tan solo 4 (el trigo, arroz, maíz y papas) proporcionan el 60%de la ingesta de energía alimentaria del mundo.

3) Entre los polisacáridos con función estructural, destaca la celulosa, β-(1,4)-β; que forma la pared celular de la célula vegetal y es la molécula más abundante sobre la Tierra. Esta pared constituye un estuche en el que queda encerrada la célula, que persiste tras la muerte de ésta.

La celulosa está constituída por unidades de β-glucosa, y la peculiaridad del enlace β hace que las enzimas digestivas humanas no puedan atacar a la celulosa, por ello, este polisacárido no tiene interés alimenticio para el hombre. La madera, el papel y el algodón son ejemplos de polísacáridos que contienen celulosa.

celulosa

FUNCIONES DE LOS CARBOHIDRATOS COMO NUTRIENTES

Proporcionan energía: Constituyen una excelente fuente de energía o combustible para todas las células, siendo el combustible preferido para la contracción muscular y la actividad biológica.  A diferencia de otras células que en caso necesario pueden también emplear lípidos e incluso proteínas, los glóbulos rojos solo pueden utilizar glucosa  y el cerebro y otros tejidos nerviosos dependen sobre todo de la glucosa. La falta de glucosa puede provocar debilidad, mareos y glucosa en la sangre (hipoglucemia). Además los niveles bajos de glucosa en sangre durante el ejercicio, disminuyen el rendimiento y podrían conducir tanto a la fatiga mental como física. Convencionalmente se considera que los hidratos de carbono de los alimentos (excluida la fibra dietaria) aportan 4 Kcal por gramo (17 kJ/g).

Evitan la utilización de las proteínas como fuente energética (Ahorro de proteínas): Si la dieta no proporciona carbohidratos suficientes, el cuerpo fabrica su propia glucosa a partir de las proteínas. Esto implica la descomposición de las proteínas de la sangre y de los tejidos en aminoácidos, para luego convertirlos en glucosa (proceso conocido como gluconeogénesis).  Sin embargo, cuando las proteínas se descomponen disminuye la disponibilidad de éstas para crear células nuevas, reparar tejidos dañados, apoyar al sistema inmune o para realizar cualquier otra de sus funciones. Además, la degradación de proteínas puede resultar en un aumento del estrés para los riñones, ya que los subproductos de degradación de las proteínas se excretan en la orina. Por último, el uso prolongado de proteínas como fuente energética (Ej. dietas muy bajas en hidratos de carbono o hambruna)  puede dañar irreversiblemente varios órganos, como el corazón e hígado.

Protegen contra la cetoacidósis: El consumo insuficiente de carbohidratos puede provocar cetoacidósis, debido a la elevada acumulación de cetonas (productos ácidos) en la sangre volviéndola ácida. Las cetonas son un producto de la oxidación parcial de las grasas, y  pueden ser utilizadas por el cerebro durante periodos de indisponibilidad de hidratos de carbono. La alta acidez de la sangre interfiere con las funciones vitales básicas, provoca una pérdida de masa corporal y daña muchos tejidos. Los diabéticos sin tratamiento presentan un alto riesgo de padecerla, debido a la incapacidad de emplear la glucosa como combustible por la falta de insulina o insensibilidad a los efectos de la misma.

Función plástica: Algunos de los carbohidratos, forman parte de los tejidos fundamentales del organismo. Por ejemplo, la ribosa y desoxiribosa (azúcares de 5 carbonos) son especialmente importantes para todos los seres vivos, ya que forman parte de la estructura básica del ARN y ADN (portadores del código genético). Algunos mucopolisacáridos (resultantes de la unión de los carbohidratos con las proteínas) como el ácido condroitinsulfúrico son constituyentes de los cartílagos; o el ácido mucoitinsulfúrico constituyente del mucus. Otros forman parte de la membrana basal de los capilares, o del tejido nervioso (galactósidos).

Algunos son o forman parte de sustancias biológicamente activas: La leche humana contiene más de 100  oligosacáridos diferentes, con diversidad de estructuras. Estos (entre otras funciones) promueven el crecimiento de bifidobacterias grampositivas (bacterias beneficiosas) en el tracto gastrointestinal, lo cual supone un efecto inhibidor de patógenos tales como E.coli y Shigella. Algunos también son componentes de varias sustancias biológicamente activas, como glicoproteínas, algunas coenzimas, hormonas y vitaminas. Por ejemplo, la ribosa (monosacárido de 5 carbonos) es un componente de la riboflavina.

Algunos carbohidratos clasificados como no digestibles actúan como fibra: El consumo suficiente de fibra es esencial para mantenerse sano y prevenir muchas enfermedades digestivas crónicas. 

6-3 LÍPIDOS

LÍPIDOS 
Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por Carbono, Hidrógeno y Oxígeno, pueden aparecer en algunos compuestos el Fósforo y el Nitrógeno. Constituyen un grupo de moléculas con composición, estructura y funciones muy diversas, pero todos ellos tienen en común varias características:

1) No se disuelven en agua, formando estructuras denominadas micelas.

2) Se disuelven en disolventes orgánicos, tales como cloroformo, benceno, aguarrás o acetona.

3) Son menos densos que el agua, por lo que flotan sobre ella.

4) Son untosos al tacto.


CLASIFICACIÓN DE LÍPIDOS:

Los lípidos se ordenan en los siguientes grupos moleculares:

Ácidos grasos

Triglicéridos

Céridos

Fosfolípidos

Esteroides

LOS ÁCIDOS GRASOS

Los ácidos grasos son moléculas formadas por cadenas de carbono que poseen un grupo carboxilo como grupo funcional. El número de carbonos habitualmente es de número par. Los tipos de ácidos grasos más abundantes en la naturaleza están formados por cadenas de 16 a 22 átomos de carbono.

grupo carboxilo

La parte que contiene el grupo carboxilo manifiesta carga negativa en contacto con el agua, por lo que presenta carácter ácido. El resto de la molécula no presenta polaridad y es una estructura hidrófoba (de "fobia" = miedo al agua). Como la cadena apolar es mucho más grande que la parte con carga (polar), la molécula no se disuelve en agua.


Los ácidos grasos se clasifican en saturados e insaturados.

Saturados:

Los enlaces entre los carbonos son enlaces simples, con la misma distancia entre ellos y el mismo ángulo (109.5º). Esta circunstancia permite la unión entre varias moléculas mediante fuerzas de Van der Waals. Cuanto mayor sea la cadena, mayor es la posibilidad de formación de estas interacciones débiles entre moléculas. Por ello, a temperatura ambiente, los ácidos grasos saturados suelen encontrarse en estado sólido.

VE LA PRESENTACIÓN PARA QUE VEAS LA UNIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS SATURADOS

Insaturados:

En ellos pueden aparecer enlaces dobles o triples entre los carbonos de la cadena. La distancia entre los carbonos no es la misma que la que hay en los demás enlaces de la molécula, ni tampoco los ángulos de enlace (120º para enlace doble, 109.5º para enlace simple). Esto origina que las moléculas tengan más problemas para formar uniones mediante fuerzas de Van der Waals entre ellas. Por ello, a temperatura ambiente, los ácidos grasos insaturados suelen encontrarse en estado líquido.
Los ácidos grasos se clasifican atendiendo al estado que presentan a temperatura ambiente. Los sólidos se denominan sebos, y están formados por ácidos grasos saturados. Los líquidos se llaman aceites, y están formados por ácidos grasos insaturados y saturados.

VE LA PRESENTACIÓN PARA QUE OBSERVES POR QUÉ LOS ÁCIDOS GRASOS INSATURADOS NO SE PUEDEN UNIR

TRIGLICÉRIDSOS O ACIL-GLICÉRIDOS

Los ácidos grasos forman parte de otros compuestos lipídicos. Todos aquellos lípidos que tienen ácidos grasos en su estructura tienen la capacidad de realizar la reacción de saponificación, y por ello se llaman lípidos saponificables. ( reacción entre un ácido carboxílico y una base para formar jabón y agua)

Los triglicéridos están formados por ácidos grasos, por lo que son lípidos saponificables. Son moléculas formadas por la unión de uno, dos o tres ácidos grasos, con la glicerina. La unión se da entre los grupos -OH de cada molécula. Se libera una molécula de agua. El enlace recibe el nombre de éster. Si la glicerina se une a un ácido graso, se forma un monoacilglicérido. Si se une a dos ácidos grasos se forma un diacilglicérido. Si se une a tres ácidos grasos se forma un triacilglicérido o, simplemente, triglicérido.

VE LA SIGUIENTE ANIMACIÓN PARA QUE OBSERVES LA FORMACIÓN DE UN TRIGLICÉRIDO.

 Ve la siguiente animación
http://www.3dchem.com/3dmolecule.asp?ID=320 
ESTRUCTURA 3D DEL TRIGLICÉRIDO

http://nutrition.jbpub.com/resources/animations.cfm?id=10&debug=0
EXPLICACIÓN DE LA FORMACIÓN DE TRIGLICÉRIDOS

EN LA SIGUIENTE ANIMACIÓN VERÁS CÓMO EL CUERPO HUMANO ABSORBE LOS TRIGLICÉRIDOS

Los triglicéridos se clasifican atendiendo al estado que presentan a temperatura ambiente. Los sólidos se denominan sebos o grasas, y están formados solamente por ácidos grasos saturados. Los líquidos se llaman aceites, y están formados por ácidos grasos insaturados y saturados.

La importancia de los acil-glicéridos radica en que:

a) Actúan como combustible energético. Son moléculas muy reducidas que, al oxidarse totalmente, liberan mucha energía (9 Kcal/g).

b) Funcionan como reserva energética. Acumulan mucha energía en poco peso. Comparada con los glúcidos, su combustión produce más del doble de energía. Los animales utilizan los lípidos como reserva energética para poder desplazarse mejor. ¿Aguantarían nuestras articulaciones el peso del cuerpo si acumulásemos la energía en forma de glúcidos?

c) Sirven como aislantes térmicos. Conducen mal el calor. Los animales de zonas frías presentan, a veces, una gran capa de tejido adiposo.

d) Son buenos amortiguadores mecánicos. Absorben la energía de los golpes y, por ello, protegen estructuras sensibles o estructuras que sufren continuo rozamiento.

CÉRIDOS

Los céridos, también llamados ceras, se forman por la unión de un ácido graso de cadena larga (de 14 a 36 átomos de carbono) con un monoalcohol, también de cadena larga (de 16 a 30 átomos de carbono), mediante un enlace éster. El resultado es una molécula completamente apolar, muy hidrófoba, ya que no aparece ninguna carga y su estructura es de tamaño considerable.

VE LA SIGUIENTE ANIMACIÓN PARA QUE VEAS CÓMO SE FORMA UNA CERA

Esta característica permite que la función típica de las ceras consista en servir de impermeabilizante. El revestimiento de las hojas, frutos, flores o talos jóvenes, así como los tegumentos de muchos animales, el pelo o las plumas está recubierto de una capa cérea para impedir la pérdida o entrada (en animales pequeños) de agua.

FOSFOLÍPIDOS

Son moléculas que aparecen formando  parte de la estructura de las membranas celulares. Estas moléculas presentan una parte polar (cabeza polar) y una parte apolar (colas apolares). Por este motivo, se dice que son anfipáticos.

La estructura de la molécula es un ácido fosfatídico. El ácido fosfatídico está compuesto por dos ácidos grasos, uno saturado y otro, generalmente insaturado, una glicerina y un ácido fosfórico H₃PO₄. La unión entre estas moléculas se realiza mediante enlaces de tipo éster.

VE LA SIGUIENTE ANIMACIÓN PARA QUE VEAS CÓMO SE FORMA UN FOSFOLÍPIDO

ESTEROIDES, ISOPRENOIDES Y PROSTAGLANDINAS

Los esteroides, los isoprenoides y las prostaglandinas son lípidos que no realizan la reacción de saponificación.

Esteroides

Los esteroides son derivados del ciclopentano - perhidrofenantreno. Esta molécula origina moléculas tales como colesterol, estradiol, progesterona, testosterona, aldosterona o corticosterona. Todas ellas son esenciales para el funcionamiento de nuestro metabolismo.

VE LA SIGUIENTE PRESENTACIÓN PARA QUE VEAS LOS DIFERENTES TIPOS DE ESTEROIDES

VE LA SIGUIENTE ANIMACIÓN PARA QUE OBSERVES LAS CARACTERÍSTICAS DEL COLESTEROL

RESUELVE EL QUIZ DE LÍPIDOS

6-4 LOS LÍPIDOS Y SU FUNCIÓN

Funciones

Gran parte de las funciones atribuidas a los lípidos dependen de los ácidos presentes en los distintos tipos de lípidos. Así, tenemos la función:

- Energética.
- Estructural.
- Transporte.
- Reguladora.