Carbohidratos: Estructura, Funciones y Metabolismo Energético

Definición de Carbohidratos

Químicamente, los carbohidratos son considerados como cadenas de polihidroxialdehídos y polihidroxicetonas. Su fórmula general es (CH₂O)_n.

Características Principales de los Carbohidratos

• Son moléculas orgánicas esenciales para la vida.
• Están compuestas por carbono, oxígeno e hidrógeno.
• Son solubles en agua.
• Almacenan energía.
• Las plantas son las principales portadoras de carbohidratos.
• Realizan importantes funciones estructurales y metabólicas.

Funciones de los Carbohidratos

• Energéticas: Son la principal fuente de energía para el organismo (ej. glucógeno en animales y almidón en vegetales, bacterias y hongos).
• De Reserva: Se almacenan en forma de almidón en los vegetales y de glucógeno en los animales. Ambos polisacáridos pueden ser degradados a glucosa para liberar energía.
• Estructurales: Forman parte de las paredes celulares en los vegetales (ej. celulosa).

Clasificación de los Carbohidratos

Los carbohidratos se clasifican según el número de unidades de azúcar que los componen:

• Monosacáridos: Son los glúcidos más sencillos; no se hidrolizan en unidades más pequeñas. Ejemplos: glucosa, fructosa, galactosa.
• Oligosacáridos: Son componentes constituidos por la unión de dos a diez unidades de monosacáridos. Ejemplos: sacarosa, lactosa.
• Polisacáridos: Son biomoléculas formadas por la unión de una gran cantidad de monosacáridos. Ejemplos: almidón, glucógeno, celulosa.

Lactosa

Lactosa (C₁₁H₂₂O₁₁): Es un disacárido compuesto por glucosa y galactosa.

Polisacáridos

Los polisacáridos son polímeros de glucosa con funciones de reserva o estructurales.

• Almidón: Polisacárido de reserva en vegetales. Es un polímero de glucosa compuesto por:
  • Amilosa (30%): Cadena lineal α(1,4).
  • Amilopectina (70%): Cadena ramificada α(1,6).
• Celulosa: Polisacárido estructural. El tipo de enlace que une las moléculas de glucosa en la celulosa (ej. algodón) le confiere una gran resistencia.

Descomposición de Carbohidratos y Metabolismo Energético

Glucólisis

La glucólisis es un proceso que consiste en la descomposición de la glucosa durante los fenómenos metabólicos. Ocurre en el citoplasma de la célula y no requiere la presencia de oxígeno (es un proceso anaeróbico).

Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico)

El Ciclo de Krebs es un proceso que requiere oxígeno para que se realice (es aeróbico). Este proceso ocurre en la mitocondria de la célula, tanto en el espacio intermembranoso como en la matriz mitocondrial.

Metabolismo: Conceptos Clave

• Metabolismo: Suma de reacciones enzimáticas que tienen lugar en la célula. Es una actividad en la que participan muchos conjuntos de sistemas multienzimáticos mutuamente relacionados, intercambiando materia y energía entre la célula y su entorno.
• GTP (Guanosín Trifosfato): Su función es similar a la del ATP, dado que también es utilizado como moneda energética. Además, el GTP actúa como un sustrato para la síntesis de ADN (replicación) y en la de ARN (transcripción).
• Catabolismo: Es el conjunto de reacciones metabólicas que descomponen moléculas grandes (como polisacáridos, lípidos y proteínas) en moléculas más pequeñas (como glucosa, ácidos grasos, aminoácidos), liberando energía.
• Anabolismo: Es el conjunto de reacciones que sintetizan moléculas complejas a partir de otras más simples, requiriendo energía.
• Glucogénesis: Ruta anabólica que consiste en la síntesis de glucógeno a partir de glucosa. Se lleva a cabo principalmente en el hígado y los músculos.
• Glucogenólisis: Es el proceso catabólico mediante el cual el organismo descompone el glucógeno (una forma de almacenamiento de glucosa en el hígado y los músculos) para liberar glucosa y mantener los niveles de glucosa en sangre cuando el cuerpo lo necesita (por ejemplo, entre comidas o durante el ejercicio).

Glucólisis: Reacción Global

Ciclo de Krebs: Pasos Detallados

El Ciclo de Krebs ocurre en la mitocondria y es una vía aeróbica (requiere oxígeno indirectamente). Su función es producir energía a partir del acetil-CoA.

1. Formación del citrato: Acetil-CoA (2C) + oxalacetato (4C) → citrato (6C).
   • Enzima: citrato sintasa.
   • Etapa de entrada del ciclo.
2. Isomerización a isocitrato: El citrato se reorganiza → isocitrato (6C).
   • Enzima: aconitasa.
   • Preparación para la descarboxilación.
3. Descarboxilación de isocitrato: Isocitrato → α-cetoglutarato (5C).
   • Se libera CO₂ y se produce NADH.
   • Enzima: isocitrato deshidrogenasa.
   • Primera liberación de CO₂.
4. Descarboxilación de α-cetoglutarato: α-cetoglutarato → succinil-CoA (4C).
   • Se libera otro CO₂ y se forma NADH.
   • Enzima: α-cetoglutarato deshidrogenasa.
5. Conversión a succinato: Succinil-CoA → succinato.
   • Se libera CoA y se forma GTP (energía equivalente a ATP).
   • Enzima: succinil-CoA sintetasa.
6. Oxidación de succinato: Succinato → fumarato.
   • Se forma FADH₂ (molécula energética).
   • Enzima: succinato deshidrogenasa.
7. Hidratación del fumarato: Fumarato + H₂O → malato.
   • Enzima: fumarasa.
8. Oxidación del malato: Malato → oxalacetato.
   • Se forma NADH.
   • Enzima: malato deshidrogenasa.

El oxalacetato se regenera y el ciclo comienza de nuevo.

Resultado por cada acetil-CoA en el Ciclo de Krebs:

• 3 NADH
• 1 FADH₂
• 1 GTP (≈ 1 ATP)
• 2 CO₂

Regulación del Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs está fuertemente regulado en distintos pasos, ya que debe satisfacer con precisión las necesidades energéticas y biosintéticas de la célula.

Factores Clave en la Regulación:

1. Disponibilidad de sustrato.
2. Modulación de enzimas clave.

Esta doble naturaleza, catabólica y anabólica del ciclo, es lo que se conoce como carácter anfibólico del ciclo de Krebs. Esto se debe a que algunos de sus intermediarios intervienen como precursores de diversas rutas biosintéticas, lo que implica que deben ser continuamente repuestos en el ciclo del ácido cítrico para no desabastecer de sustrato a otras reacciones.

Ciclo de Cori: Interconexión Metabólica

El Ciclo de Cori es un ciclo metabólico que consiste en la circulación cíclica de la glucosa y el lactato entre el músculo y el hígado.

Las células musculares se alimentan principalmente de glucosa de sus reservas glucogénicas y, sobre todo, de la que llega a través de la circulación sanguínea procedente del hígado.

Durante el trabajo muscular, en presencia de una gran actividad glucogenolítica anaeróbica, se producen grandes cantidades de lactato, que difunde a la sangre para ser llevado al hígado. Esto se debe a que las células musculares carecen de la enzima glucosa-6-fosfatasa, por lo que la glucosa fosforilada no puede salir a la circulación. El lactato en el hígado es convertido nuevamente en glucosa por gluconeogénesis, retornando a la circulación para ser llevada de vuelta al músculo.

Este ciclo representa la integración entre la glucólisis y la gluconeogénesis en diferentes tejidos del cuerpo.

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