Introducción a los Carbohidratos

Los carbohidratos, también conocidos como hidratos de carbono, azúcares, sacáridos o glúcidos, están formados por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, debido a que presentan varios grupos hidroxilo (–OH) y un grupo funcional aldehído (–CHO) o cetona (–C=O). Según su tamaño molecular, se clasifican en:

• Monosacáridos: Contienen de 3 a 8 átomos de carbono, son las unidades más simples y no pueden hidrolizarse.
• Oligosacáridos: Formados por pocos monosacáridos (3-10); los más comunes son los disacáridos (dos unidades).
• Polisacáridos: Compuestos por muchos monosacáridos (más de 10) y pueden ser homopolisacáridos (un solo tipo de azúcar) o heteropolisacáridos (varios tipos).

Formación de Enlaces en Carbohidratos

Enlace O-glucosídico

Se forma cuando el carbono anomérico de un monosacárido reacciona con un grupo –OH de otro monosacárido, liberando una molécula de agua. Este enlace puede ser alfa (α) o beta (β) según la orientación del grupo hidroxilo del carbono anomérico.

Disacáridos: Maltosa

Formada por dos moléculas de glucosa. El enlace es α(1→4), lo que indica que el carbono 1 del primer monosacárido se une al carbono 4 del segundo. La segunda glucosa tiene su carbono anomérico libre, lo que permite la extensión de la cadena.

Polisacáridos de Reserva: Glucógeno y Almidón

Son polisacáridos de α-D-glucosa, utilizados por animales y plantas, respectivamente, como reserva energética. Se forman por múltiples enlaces α-glucosídicos.

Polisacáridos Estructurales: Celulosa

Polisacárido estructural presente en la pared celular de las plantas. Está formado por β-D-glucosa unidas por enlaces β(1→4), lo que le confiere rigidez y resistencia.

Propiedades de los Carbohidratos

Propiedades Físicas

• Isómeros: Compuestos con igual fórmula molecular pero diferente configuración.
• Carbono quiral: Átomo de carbono unido a cuatro sustituyentes diferentes; permite la formación de isómeros.
• Enantiómeros: Imágenes especulares no superponibles entre sí, tienen las mismas propiedades físicas excepto por su comportamiento con la luz polarizada.
• Epímeros: Isómeros que difieren en la posición del grupo –OH en un solo carbono.
• Actividad óptica: Capacidad de desviar el plano de la luz polarizada; los enantiómeros se clasifican como D o L según la dirección de esa desviación.
• Luz polarizada: Vibra en un solo plano y solo pasa por materiales con orientación compatible.
• Causa de la actividad óptica: Ausencia de un plano de simetría en la molécula, generalmente asociada a la presencia de carbonos asimétricos (quirales).

Propiedades Químicas

• Aldehídos o cetonas: Grupos funcionales que reaccionan con otras sustancias.
• Azúcar reductor: Carbohidrato con un grupo aldehído o cetona libre, capaz de actuar como agente reductor (donar electrones).
• Reactividad de los azúcares reductores: Pueden reaccionar con aminoácidos presentes en los alimentos, provocando cambios de color o sabor (como en el dorado de alimentos al cocinarse).

Conceptos Clave de Carbohidratos

• Azúcar simple: Monosacárido (glucosa, fructosa, galactosa).
• Disacárido: Formado por la unión de dos monosacáridos (lactosa, maltosa, sacarosa).
• Digestión de carbohidratos: Proceso que convierte los carbohidratos complejos (como el almidón) en monosacáridos, los cuales son absorbidos por las células y utilizados como fuente de energía.
• Almidón: Polisacárido digestible formado por glucosa; se encuentra en alimentos como cereales, papas y arroz.
• Fibra: Carbohidrato no digerible por el cuerpo humano. Ayuda a regular el tránsito intestinal y puede mejorar la salud digestiva.

Regulación de la Glucosa e Insulina

• Insulina: Hormona producida por el páncreas que permite la entrada de glucosa a las células para ser usada como energía o almacenada.
• Sensibilidad a la insulina: Capacidad de las células para responder eficientemente a la insulina y absorber glucosa.
• Resistencia a la insulina: Condición en la que las células responden mal a la insulina, provocando que el azúcar se acumule en la sangre. Es un factor de riesgo para diabetes tipo 2.

Estructura Cíclica de los Carbohidratos

• Los monosacáridos con cinco o más carbonos (como la glucosa) pueden adoptar una estructura cíclica en solución acuosa.
• Esta forma se produce cuando un grupo –OH reacciona con el grupo aldehído o cetona del mismo monosacárido, formando un hemiacetal (en aldosas) o un hemicetal (en cetosas).

Carbono Anomérico

• Es el nuevo carbono quiral que se forma durante el cierre del anillo.
• Corresponde al carbono del grupo carbonilo original (C=O).
• Puede adoptar dos formas:
  • α (alfa): El grupo –OH del carbono anomérico queda hacia abajo en la proyección de Haworth.
  • β (beta): El grupo –OH queda hacia arriba.

Estructuras de Haworth

• Son representaciones bidimensionales de carbohidratos cíclicos.
• El anillo se dibuja como si estuviera plano, con los grupos –OH y –H proyectados hacia arriba o hacia abajo.
• Se utilizan para identificar fácilmente si un monosacárido es alfa o beta, y cómo están orientados sus grupos funcionales.

Importancia y Regulación de la Glucosa

• Fuente principal de energía: La glucosa se transforma en ATP durante la respiración celular, esencial para funciones como la contracción muscular, digestión y actividad cerebral.
• Precursor de biomoléculas: Participa en la formación de ADN, ARN, lípidos y aminoácidos.
• Regulación de la glucemia:
  • Normal en ayunas: 70–100 mg/dL.
  • Postprandial: <140 mg/dL.
  • Controlada por la hormona insulina.
• Alteraciones:
  • Hipoglucemia: Glucosa baja (mareos, confusión).
  • Hiperglucemia: Glucosa alta (diabetes).
  • Prediabetes: 100–125 mg/dL en ayunas.
  • Diabetes: ≥126 mg/dL en ayunas.
• Relación con la dieta: Proviene de la digestión de carbohidratos. Una dieta rica en fibra y baja en azúcares simples ayuda a mantener niveles saludables.

Metabolismo Celular: Transformación de Energía

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren dentro de la célula para transformar los alimentos en energía, y es llevado a cabo por enzimas especializadas.

Funciones del Metabolismo

• Obtener energía del entorno.
• Transformar nutrientes en precursores.
• Sintetizar macromoléculas.
• Formar o degradar biomoléculas para funciones celulares especializadas (como hormonas o neurotransmisores).

Tipos de Metabolismo

• Catabolismo: Rompe moléculas grandes en otras más pequeñas, liberando energía (como en la respiración celular).
• Anabolismo: Usa energía (como el ATP) para construir moléculas grandes a partir de pequeñas.

Oxidación de la Glucosa

Es un proceso de obtención de energía que implica la pérdida de electrones (oxidación) de la glucosa. Este proceso genera CO₂, H₂O y ATP e incluye varias etapas:

1. Glucólisis
2. Transformación del piruvato en acetil-CoA
3. Ciclo de Krebs
4. Fosforilación oxidativa

Procesos REDOX

• Oxidación: Pérdida de electrones (aumento del estado de oxidación).
• Reducción: Ganancia de electrones (disminución del estado de oxidación).

Glucólisis: La Primera Vía Metabólica de la Glucosa

La glucólisis es la primera vía del metabolismo de la glucosa, también conocida como vía de Embden-Meyerhof.

• Fase de inversión de energía (reacciones 1-5):
  • Se consumen 2 ATP para activar la glucosa.
• Fase de producción de energía (reacciones 6-10):
  • Se producen 4 ATP y 2 NADH → ganancia neta: 2 ATP y 2 NADH.

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs es un proceso mitocondrial que convierte acetil-CoA en CO₂.

Genera energía en forma de NADH, FADH₂ y GTP/ATP.
Ocurre tras la glucólisis y alimenta la cadena respiratoria.
Es clave en la respiración celular y en el metabolismo de carbohidratos, lípidos y proteínas.

Transporte de Electrones y Fosforilación Oxidativa

Ubicación: Membrana interna mitocondrial.
Objetivo: Formar ATP usando la energía de NADH y FADH₂.

Transporte de Electrones (Cadena Respiratoria)

Coenzimas clave:

• NADH → dona electrones al Complejo I.
• FADH₂ → dona electrones al Complejo II.

Electrones viajan por: Complejos I-IV (proteínas), Ubiquinona (Q), Citocromo c.

Resultado: Formación de un gradiente de protones (H⁺) en el espacio intermembranal.

Fosforilación Oxidativa

Enzima clave: ATP sintasa.

Protones regresan a la matriz mitocondrial → se sintetiza ATP.

• Cada NADH genera aprox. 2.5 ATP.
• Cada FADH₂ genera aprox. 1.5 ATP.

Reacciones Enzimáticas de la Glucólisis

1. Hexoquinasa

   Reacción: Glucosa + ATP → Glucosa-6-fosfato + ADP
   Producto: Glucosa-6-fosfato

2. Fosfoglucosa Isomerasa

   Reacción: Glucosa-6-fosfato → Fructosa-6-fosfato
   Producto: Fructosa-6-fosfato

3. Fosfofructoquinasa-1 (PFK-1)

   Reacción: Fructosa-6-fosfato + ATP → Fructosa-1,6-bisfosfato + ADP
   Producto: Fructosa-1,6-bisfosfato

4. Aldolasa

   Reacción: Fructosa-1,6-bisfosfato → Gliceraldehído-3-fosfato (G3P) + Dihidroxiacetona fosfato (DHAP)
   Producto: G3P y DHAP

5. Triosa Fosfato Isomerasa

   Reacción: Dihidroxiacetona fosfato ↔ Gliceraldehído-3-fosfato (G3P)
   Producto: Gliceraldehído-3-fosfato (G3P)

6. Gliceraldehído-3-fosfato Deshidrogenasa

   Reacción: G3P + NAD⁺ + Pi → 1,3-Bisfosfoglicerato + NADH + H⁺
   Producto: 1,3-Bisfosfoglicerato

7. Fosfoglicerato Quinasa

   Reacción: 1,3-Bisfosfoglicerato + ADP → 3-Fosfoglicerato + ATP
   Producto: 3-Fosfoglicerato

8. Fosfoglicerato Mutasa

   Reacción: 3-Fosfoglicerato → 2-Fosfoglicerato
   Producto: 2-Fosfoglicerato

9. Enolasa

   Reacción: 2-Fosfoglicerato → Fosfoenolpiruvato (PEP) + H₂O
   Producto: Fosfoenolpiruvato (PEP)

10. Piruvato Quinasa

    Reacción: Fosfoenolpiruvato (PEP) + ADP → Piruvato + ATP
    Producto: Piruvato

Reacciones Enzimáticas del Ciclo de Krebs

1. Citrato Sintasa

   Reacción: Acetil-CoA + Oxalacetato → Citrato
   Producto: Citrato
   (Condensación)

2. Aconitasa

   Reacción: Citrato ↔ Isocitrato
   Producto: Isocitrato
   (Isomerización)

3. Isocitrato Deshidrogenasa

   Reacción: Isocitrato + NAD⁺ → α-Cetoglutarato + CO₂ + NADH
   Producto: α-Cetoglutarato
   (Descarboxilación y deshidrogenación)

4. α-Cetoglutarato Deshidrogenasa

   Reacción: α-Cetoglutarato + NAD⁺ + CoA-SH → Succinil-CoA + CO₂ + NADH
   Producto: Succinil-CoA
   (Descarboxilación)

5. Succinil-CoA Sintetasa

   Reacción: Succinil-CoA + GDP (o ADP) + Pi → Succinato + GTP (o ATP) + CoA-SH
   Producto: Succinato
   (Fosforilación a nivel de sustrato)

6. Succinato Deshidrogenasa

   Reacción: Succinato + FAD → Fumarato + FADH₂
   Producto: Fumarato
   (Deshidrogenación)

7. Fumarasa

   Reacción: Fumarato + H₂O → Malato
   Producto: Malato
   (Hidratación)

8. Malato Deshidrogenasa

   Reacción: Malato + NAD⁺ → Oxalacetato + NADH
   Producto: Oxalacetato
   (Deshidrogenación)

Etiquetas: ATP, Bioquímica, carbohidratos, Ciclo de Krebs, glucólisis, glucosa, metabolismo