Hidratos de Carbono: Estructura, Propiedades y Metabolismo

Los hidratos de carbono (CHO), también conocidos como glúcidos, son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno. Químicamente, son polialcoholes con una función aldehído o cetona.

Otros nombres:

  • Hidratos de Carbono (HC): Debido a la relación entre hidrógeno y oxígeno en su composición química.
  • Azúcares: Los hidratos de carbono más simples suelen tener sabor dulce.
  • Glúcidos: Referencia a la glucosa, el monosacárido más representativo y crucial para la obtención de energía en los seres vivos.
  • Osas: Terminación utilizada en química para denominar a los monosacáridos (ej., glucosa, fructosa).

Propiedades de los Hidratos de Carbono

En estado puro, son sólidos cristalinos con cierto brillo. Los monosacáridos y disacáridos son solubles en agua, mientras que los polisacáridos más complejos, como el almidón y el glucógeno, son insolubles.

Se forman en los vegetales a través de la fotosíntesis, un proceso que utiliza la energía solar para convertir dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno. En los animales, los hidratos de carbono se metabolizan mediante enzimas, que catalizan reacciones de síntesis (anabolismo) y degradación (catabolismo). El conjunto de estas reacciones se conoce como metabolismo.

Clasificación de los Hidratos de Carbono

Se clasifican en:

  • Monosacáridos (No hidrolizables): Unidades básicas de los hidratos de carbono. Ejemplos: glucosa, fructosa, galactosa, ribosa, desoxirribosa.
  • Disacáridos (Hidrolizables): Formados por la unión de dos monosacáridos. Ejemplo: sacarosa (glucosa + fructosa), lactosa (glucosa + galactosa), maltosa (glucosa + glucosa).
  • Polisacáridos (Hidrolizables): Formados por la unión de muchos monosacáridos. Ejemplos: almidón (reserva energética en plantas), glucógeno (reserva energética en animales), celulosa (componente estructural de las paredes celulares vegetales).

Hidrólisis: Proceso de degradación de moléculas complejas (disacáridos, polisacáridos) en sus componentes más simples (monosacáridos) mediante la adición de agua. Es una reacción catabólica.

Importancia Biológica de los Hidratos de Carbono

  • Fuente de energía: Principal fuente de energía para las células (glucosa).
  • Reserva energética: Almacenamiento de energía en forma de almidón (plantas) y glucógeno (animales).
  • Componentes estructurales: Forman parte de las membranas celulares y de la pared celular vegetal (celulosa).
  • Transporte: Algunos hidratos de carbono actúan como transportadores a través de la membrana celular.

Isomería en los Hidratos de Carbono

Isomería: Propiedad de algunas sustancias que, teniendo la misma fórmula molecular, presentan diferentes estructuras y, por lo tanto, diferentes propiedades.

  • Isomería óptica: Los monosacáridos en solución pueden desviar el plano de la luz polarizada. Si la desviación es hacia la derecha, se denominan dextrógiros (+ o d); si es hacia la izquierda, levógiros (- o l).
  • Isomería espacial:
    • Óptica: Mismas propiedades físicas y químicas, excepto por la desviación del plano de la luz polarizada.
    • Geométrica: Diferentes propiedades físicas y químicas.

La isomería en los glúcidos se debe a la presencia de átomos de carbono asimétricos (carbonos unidos a cuatro grupos diferentes). Fischer propuso modelos para representar la estructura cíclica de algunos monosacáridos, como la glucosa, que puede formar un anillo similar al pirano.

Unión Glucosídica

Es la unión entre el grupo hidroxilo (-OH) del carbono anomérico (C1) de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido, liberando una molécula de agua. Esta unión puede ser:

  • α(1→4): Forma cadenas lineales (ej., amilosa del almidón).
  • α(1→6): Forma cadenas ramificadas (ej., amilopectina del almidón, glucógeno).

Metabolismo Celular: Obtención y Utilización de Energía

El metabolismo celular es el conjunto de reacciones químicas que ocurren en la célula para obtener energía y utilizarla en sus funciones vitales.

  • Oxidación: Pérdida de electrones (e⁻).
  • Reducción: Ganancia de electrones (e⁻).

Tipos de reacciones:

  • Exergónicas: Liberan energía (catabolismo).
  • Endergónicas: Requieren energía (anabolismo).

Procesos metabólicos:

  • Anabolismo: Síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas simples (requiere energía).
  • Catabolismo: Degradación de moléculas complejas en moléculas simples (libera energía).

La energía obtenida se utiliza para procesos como la respiración celular, la síntesis de sustancias y el mantenimiento de la temperatura corporal.

Oxidación de la Glucosa: Principal Vía Metabólica

La oxidación de la glucosa es la principal forma de obtener energía para las células. Por cada molécula de glucosa, se obtienen 38 moléculas de ATP (adenosín trifosfato), la principal molécula energética de la célula. Este proceso ocurre en varias etapas, cada una catalizada por enzimas específicas.

Herramientas del Metabolismo

  • Enzimas: Catalizadores biológicos que aceleran las reacciones metabólicas. Son específicas para cada reacción.
  • ATP (Adenosín Trifosfato): Molécula que almacena y transporta energía. La hidrólisis del ATP (ruptura de los enlaces fosfato) libera gran cantidad de energía.

Vías Metabólicas de la Oxidación de la Glucosa

  1. Glucólisis: Degradación de la glucosa en dos moléculas de ácido pirúvico (piruvato). Ocurre en el citoplasma y produce 2 ATP. En condiciones anaeróbicas (sin oxígeno), el piruvato se convierte en ácido láctico o etanol. En condiciones aerobias (con oxígeno), el piruvato entra en la mitocondria.
  2. Ciclo de Krebs (Ciclo del Ácido Cítrico): El piruvato se descarboxila (pierde CO₂) y se une a la coenzima A, formando acetil-CoA. El acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs, una serie de reacciones que ocurren en la matriz mitocondrial. Se produce CO₂, ATP, NADH y FADH₂ (transportadores de electrones).
  3. Cadena Respiratoria (Cadena de Transporte de Electrones) y Fosforilación Oxidativa: Los electrones transportados por NADH y FADH₂ se transfieren a través de una serie de proteínas en la membrana interna mitocondrial. Este transporte libera energía, que se utiliza para bombear protones (H⁺) al espacio intermembrana. El gradiente de protones impulsa la síntesis de ATP por la ATP sintasa (fosforilación oxidativa). El aceptor final de electrones es el oxígeno, que se reduce a agua.

Aminoácidos y Proteínas

Las proteínas son macromoléculas orgánicas formadas por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno (CHON), y a veces azufre. Están constituidas por la unión de aminoácidos (aa) mediante enlaces peptídicos.

Un aminoácido tiene un grupo amino (-NH₂) y un grupo carboxilo (-COOH) unidos al mismo carbono (carbono alfa). El grupo amino deriva del amoníaco (NH₃) y puede ser primario (-NH₂), secundario (-NH-) o terciario (-N-).

Clasificación de los Aminoácidos

  • Neutros: Igual número de grupos amino y carboxilo.
  • Ácidos: Más grupos carboxilo que amino.
  • Básicos: Más grupos amino que carboxilo.

Clasificación de las Proteínas

  • Simples (Nativas): Formadas solo por aminoácidos.
  • Conjugadas: Formadas por aminoácidos y un grupo prostético (no proteico). Ejemplo: hemoglobina (grupo prostético: hemo, que contiene hierro).

Importancia Biológica de las Proteínas

  • Estructural: Componentes de membranas celulares y tejidos (colágeno, elastina, queratina).
  • Enzimática: Catalizadores biológicos (enzimas).
  • Hormonal: Regulación de funciones fisiológicas (insulina, glucagón).
  • Transporte: Transporte de sustancias (hemoglobina transporta oxígeno).
  • Defensa: Anticuerpos (inmunoglobulinas).
  • Contráctil: Movimiento (actina, miosina).
  • Reserva: Almacenamiento de aminoácidos (ovoalbúmina en el huevo).
  • Energética: En condiciones de ayuno prolongado, las proteínas pueden ser degradadas para obtener energía.

Metabolismo de las Proteínas

Digestión: Las proteínas se degradan en el tracto digestivo en aminoácidos, que son absorbidos y transportados por la sangre.

  1. Boca: No hay digestión significativa de proteínas.
  2. Estómago: La enzima pepsina (del jugo gástrico) inicia la digestión de proteínas.
  3. Intestino delgado: Las enzimas pancreáticas (tripsina, quimotripsina) e intestinales (peptidasas) completan la digestión de proteínas en aminoácidos.

Destino de los aminoácidos:

  • Síntesis de proteínas: Los aminoácidos se utilizan para construir nuevas proteínas.
  • Ciclo de la urea: El exceso de nitrógeno (proveniente del grupo amino) se convierte en urea y se excreta en la orina.
  • Ciclo de Krebs: Las cadenas carbonadas de los aminoácidos pueden entrar en el ciclo de Krebs para producir energía (CO₂, H₂O y ATP).

Lípidos: Estructura, Clasificación y Funciones

Los lípidos son un grupo heterogéneo de compuestos orgánicos formados principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno (CHO), aunque algunos también contienen fósforo, nitrógeno o azufre. Se caracterizan por ser insolubles en agua (hidrofóbicos) y solubles en disolventes orgánicos (éter, cloroformo, benceno). No forman polímeros.

Clasificación de los Lípidos

  • Simples:
    • Céridos (Ceras): Ésteres de ácidos grasos de cadena larga con alcoholes de cadena larga. Función protectora (impermeabilizante).
    • Glicéridos (Grasas y Aceites): Ésteres de ácidos grasos con glicerol (glicerina). Función de reserva energética.
  • Complejos:
    • Fosfolípidos: Glicerol + 2 ácidos grasos + grupo fosfato + otro grupo polar. Componentes principales de las membranas celulares (bicapa lipídica).
    • Glucolípidos: Lípidos unidos a hidratos de carbono. Componentes de las membranas celulares (reconocimiento celular).
    • Lipoproteínas: Lípidos unidos a proteínas. Transporte de lípidos en la sangre (quilomicrones, VLDL, LDL, HDL).
  • Sustancias Asociadas:
    • Esteroides: Derivados del ciclopentanoperhidrofenantreno. Ejemplos: colesterol, hormonas sexuales (testosterona, estrógenos), vitamina D.
    • Terpenos: Derivados del isopreno. Ejemplos: vitaminas liposolubles (A, E, K), pigmentos vegetales (carotenoides).

Importancia Biológica de los Lípidos

  • Reserva energética: Principal forma de almacenamiento de energía a largo plazo (triglicéridos en el tejido adiposo).
  • Estructural: Componentes de las membranas celulares (fosfolípidos, colesterol).
  • Aislamiento térmico: Grasa subcutánea.
  • Protección: Amortiguación de órganos.
  • Hormonal: Hormonas esteroideas.
  • Vitamínica: Vitaminas liposolubles.
  • Transporte: Lipoproteínas.

Metabolismo de los Lípidos (Glicéridos)

Digestión:

  1. Boca: No hay digestión significativa de lípidos.
  2. Estómago: La lipasa gástrica inicia la digestión de algunos triglicéridos.
  3. Intestino delgado: La bilis (producida por el hígado y almacenada en la vesícula biliar) emulsiona las grasas, facilitando la acción de la lipasa pancreática, que hidroliza los triglicéridos en ácidos grasos y glicerol.

Absorción: Los ácidos grasos y el glicerol se absorben en las células intestinales y se reensamblan en triglicéridos, que se incorporan a los quilomicrones (lipoproteínas). Los quilomicrones se transportan por el sistema linfático y luego pasan a la sangre.

Destino de los ácidos grasos y el glicerol:

  • Almacenamiento: Los triglicéridos se almacenan en el tejido adiposo como reserva energética.
  • Producción de energía: Los ácidos grasos se degradan mediante la beta-oxidación (en la mitocondria) para producir acetil-CoA, que entra en el ciclo de Krebs. El glicerol se puede convertir en glucosa (gluconeogénesis).
  • Síntesis de otros lípidos: Fosfolípidos, colesterol, etc.

Resumen de la digestión y absorción de los principales nutrientes:

  • Glúcidos: Se degradan principalmente en la boca (amilasa salival) y en el intestino delgado (amilasa pancreática y disacaridasas). Se absorben como monosacáridos.
  • Proteínas: Se degradan en el estómago (pepsina) y en el intestino delgado (enzimas pancreáticas e intestinales). Se absorben como aminoácidos.
  • Lípidos (glicéridos): Se degradan principalmente en el intestino delgado (lipasa pancreática, con la ayuda de la bilis). Se absorben como ácidos grasos y glicerol.