Hidratos de Carbono: Estructura, Clasificación y Funciones

Los hidratos de carbono, también conocidos como carbohidratos, glúcidos o azúcares, son compuestos químicos orgánicos fundamentales para los seres vivos. Están formados por unidades sencillas (monómeros) y por polímeros de estas unidades.

Ejemplos de monosacáridos: Glucosa, galactosa, fructosa.

Están compuestos principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son sintetizados y transformados por el organismo para su utilización, ya sea de forma inmediata (como la glucosa) o para su almacenamiento (como el glucógeno). Los excedentes, una vez satisfechas las necesidades energéticas y de reserva, se convierten en tejido adiposo.

Son la fuente de energía más importante para el cuerpo, representando entre el 40% y el 80% del aporte energético total requerido.

Clasificación de los Carbohidratos

Los carbohidratos se clasifican en:

• Simples: Se encuentran en alimentos como frutas, leche y hortalizas. Los pasteles, dulces y otros productos de azúcar refinado también son azúcares simples, pero carecen de vitaminas, minerales y fibra.
• Complejos: Proporcionan vitaminas, minerales y fibra. Se encuentran en alimentos como pan, legumbres, arroz, pasta y vegetales ricos en almidón.

Funciones de los Carbohidratos

1. Fuente energética: La energía derivada de la hidrólisis de los carbohidratos se utiliza para la contracción muscular y otras formas de trabajo biológico. Se almacenan como glucógeno en el hígado (para mantener los niveles de glucosa en sangre) y en los músculos (300-400 g en personas sedentarias, hasta 700 g en deportistas), usándose como fuente de energía, especialmente durante el ejercicio intenso y prolongado.
2. Ahorro de proteínas: En condiciones normales, las proteínas son esenciales para el mantenimiento, reparación y crecimiento de los tejidos. Cuando las reservas de carbohidratos disminuyen, el cuerpo puede utilizar proteínas para sintetizar glucosa, lo que puede llevar a una reducción del tejido magro y sobrecarga renal.
3. Facilitador metabólico: Facilitan el metabolismo de las grasas. Un metabolismo insuficiente de carbohidratos (por agotamiento de glucógeno, dieta inadecuada o ejercicio prolongado) puede llevar a una movilización excesiva de grasas, resultando en un metabolismo incompleto de estas y la acumulación de cuerpos cetónicos. Esto puede causar acidosis metabólica, con síntomas como hiperventilación, confusión o letargo. La acidosis metabólica severa puede conducir a shock o incluso la muerte (común en diabetes mal controlada).
4. Combustible para el Sistema Nervioso Central (SNC): Son esenciales para su correcto funcionamiento. En condiciones normales y en ayuno a corto plazo, el cerebro utiliza la glucosa sanguínea como fuente de energía, ya que carece de depósitos de este nutriente.
5. Componente estructural de macromoléculas: Forman parte de muchas proteínas celulares, como los anticuerpos, y determinan los diferentes grupos sanguíneos.

Clasificación según el número de unidades

• Monosacáridos: Glucosa, fructosa y galactosa.
• Disacáridos: Sacarosa, lactosa y maltosa.
• Polisacáridos: Almidón, glucógeno, celulosa.

Monosacáridos

Se componen de una única unidad. Son polialcoholes con una función aldehído (glucosa y galactosa) o cetona (fructosa). Se clasifican en hexosas (6 átomos de carbono) y pentosas (5 átomos de carbono).

Disacáridos

Los disacáridos o azúcares dobles son un tipo de hidratos de carbono formados por la unión de dos monosacáridos (iguales o distintos).

Los más importantes son:

1. Sacarosa: Glucosa + Fructosa.
2. Lactosa: Glucosa + Galactosa.
3. Maltosa: Glucosa + Glucosa (obtenida por hidrólisis del almidón).

Polisacáridos

Pueden estar formados por unidades idénticas (homopolisacáridos), como el almidón y el glucógeno, o por diferentes tipos de unidades (heteropolisacáridos), como la pectina.

Según su función, se clasifican en:

• Estructurales: Ejemplo: Celulosa.
• De reserva: Ejemplo: Almidón.

Polisacáridos Energéticos:

• Almidón: Sintetizado por los vegetales. Formado por miles de moléculas de glucosa con uniones 1α → 4 y ramificaciones con uniones 1α → 6 cada 12 glucosas.
• Glucógeno: De origen animal, similar al almidón pero con mayor masa molecular y más ramificado. Se encuentra en el hígado y los músculos.

Polisacáridos Estructurales:

• Celulosa: Formada por la unión 1β → 4 de miles de moléculas de glucosa. Constituye las paredes celulares de las células vegetales.
• Quitina: Formada por un derivado nitrogenado de la glucosa (N-acetilglucosamina). Constituye los exoesqueletos de los artrópodos.

Glucógeno: Reserva Energética en Animales

El glucógeno es el polisacárido de reserva energética propio de los animales. Se encuentra principalmente en el hígado y los músculos. Es una molécula muy ramificada, formada por monómeros de glucosa, similar a la amilopectina (un componente del almidón), pero con mayor densidad de ramificaciones (cada 8-12 glucosas).

Su hidrólisis requiere dos enzimas: la glucógeno-fosforilasa y la (α1-6) glucosidasa, liberando unidades de glucosa.

Función: Reserva de glucosa de movilización rápida.

Se localiza en gránulos en el citosol, asociado a enzimas que regulan su metabolismo. La ramificación aumenta su solubilidad y facilita la acción de las enzimas glucógeno fosforilasa y glucógeno sintetasa, acelerando tanto su síntesis como su degradación.

El glucógeno se almacena principalmente en el hígado (hasta un 10% de la masa hepática) y en los músculos (hasta un 1% de la masa muscular). También se encuentra en pequeñas cantidades en células gliales del cerebro.

Glucogenosis

Las glucogenosis son un grupo de enfermedades hereditarias caracterizadas por una alteración en el depósito de glucógeno. Se deben a la deficiencia genética de alguna de las enzimas que intervienen en su síntesis o degradación. Los tejidos más afectados son el hígado y el músculo.

Las glucogenosis hepáticas causan hepatomegalia (aumento del tamaño del hígado), alteraciones en la regulación de la glucemia (niveles bajos de glucosa en sangre) e hipocrecimiento. Las musculares pueden provocar debilidad muscular, fatiga precoz al ejercicio y, en algunos casos, dolor y contracturas musculares con ejercicio intenso.

Lípidos y Ácidos Grasos: Estructura, Funciones y Clasificación

(Del griego lypos: grasa)

Son solubles en disolventes orgánicos (benceno, cloroformo, éter, hexano) e insolubles en agua. Están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, y ocasionalmente fósforo (P), nitrógeno (N) y azufre (S). Proporcionan más energía por gramo que los carbohidratos (9 kcal/g).

Los lípidos son un grupo heterogéneo de biomoléculas. Algunos, como los fosfolípidos, tienen regiones solubles en agua. Pueden unirse covalentemente a otras biomoléculas (glicolípidos en membranas biológicas) o asociarse no covalentemente (lipoproteínas y membranas).

Características de los Lípidos

• Hidrofobicidad.
• Dispersión en medio acuoso.
• Agregación en medio acuoso.

Funciones de los Lípidos

1. Energética: Principalmente en forma de triglicéridos, constituyen la reserva energética de uso tardío del organismo. Su alto contenido calórico (9 kcal/g) permite un almacenamiento compacto y anhidro de energía. Solo pueden metabolizarse aeróbicamente (en presencia de oxígeno).
2. Reserva de agua: La combustión de lípidos produce agua metabólica. En animales desérticos, las reservas grasas se utilizan para este fin (jorobas de camellos y dromedarios).
3. Producción de calor: En animales que hibernan, la grasa parda (tejido adiposo especializado) utiliza la combustión de lípidos para generar calor, sin producir ATP. Un oso puede perder hasta el 20% de su masa corporal durante este proceso.
4. Estructural: Los lípidos anfipáticos (con regiones hidrofóbicas e hidrofílicas) forman la bicapa lipídica de las membranas celulares. Las membranas de orgánulos celulares eucariotas (núcleo, mitocondrias, etc.) también están compuestas principalmente por bicapas lipídicas de fosfolípidos. Las ceras protegen mecánicamente las estructuras donde se encuentran.
5. Informativa: Hormonas como esteroides, prostaglandinas, leucotrienos y calciferoles, tienen estructura lipídica y actúan como señales químicas en el sistema endocrino.
6. Catalítica: Vitaminas como los retinoides (vitamina A), tocoferoles (vitamina E), naftoquinonas (vitamina K) y calciferoles (vitamina D) son lípidos que actúan como cofactores enzimáticos.

Los carbohidratos, proteínas y ácidos nucleicos forman polímeros y constituyen aproximadamente el 80-90% del peso seco de la célula. Los lípidos, en cambio, no forman polímeros.

Clasificación de los Lípidos

Lípidos Simples: Ácidos Grasos

Son moléculas anfipáticas con:

• Una cadena hidrocarbonada (extremo hidrofóbico).
• Un grupo carboxilo (extremo hidrofílico).

Pueden ser:

• Saturados: Solo enlaces sencillos. Se obtienen de la dieta o se sintetizan en el organismo. Sólidos a temperatura ambiente.
• Insaturados: Uno o más dobles enlaces. Nutricionalmente esenciales (ácidos linoleico (ω6), linolénico (ω3) y araquidónico). Se subdividen en monoinsaturados y poliinsaturados. Líquidos a temperatura ambiente.

Grasas Neutras (Acilglicéridos)

Son ésteres de glicerol (alcohol con 3 átomos de carbono) y ácidos grasos. Son los lípidos de reserva energética más abundantes en el tejido adiposo animal y en semillas y frutos de plantas oleaginosas.

Se forman por la unión de glicerol y ácidos grasos mediante enlaces covalentes tipo éster, liberando agua.

• Glicerol + un ácido graso = monoglicérido.
• Glicerol + dos ácidos grasos = diglicérido.
• Glicerol + tres ácidos grasos = triglicérido.

La unión con glicerol elimina la anfipatía.

Ceras

Son ésteres de ácidos grasos de cadena larga con alcoholes de cadena larga. Sólidas a temperatura ambiente e insolubles en agua. Protegen superficies contra la desecación (cera de abejas, piel, pelaje, plumas, hojas y frutos).

Lípidos Complejos

Contienen ácidos grasos y otros componentes (alcoholes, glúcidos, ácido fosfórico, derivados aminados, etc.). Son moléculas anfipáticas:

• Ácidos grasos unidos a glicerol o esfingosina (zona hidrófoba).
• Otros componentes no lipídicos (zona hidrófila).

Lípidos Fosforilados

• Glicerofosfolípidos: Ácidos grasos unidos a glicerol y ácido fosfórico.
• Fosfolípidos: Ejemplos: Fosfatidilcolina (con colina), fosfatidilserina (con serina), fosfatidiletanolamina (con etanolamina), fosfatidilinositol (con inositol).
• Esfingofosfolípidos: Ácido graso unido a esfingosina y un grupo fosfórico. Ejemplo: Esfingomielina (abundante en la mielina de los axones nerviosos).

Glucolípidos

Ácido graso unido a esfingosina y uno o varios carbohidratos (sin fósforo). Funciones:

• Componentes de membranas celulares.
• Reconocimiento celular.
• Receptores de algunas hormonas.

Grupos Sanguíneos

Los glucoesfingolípidos en la superficie celular participan en la señalización y el reconocimiento celular. Constituyen la base de la clasificación sanguínea (grupos A, B, O).

Otros Tipos de Lípidos

• Terpenos: Derivados del isopreno. Incluyen esencias vegetales (mentol, alcanfor, eucalipto, vainillina), vitaminas (A, E, K), pigmentos vegetales (caroteno, xantofila) y feromonas.
• Eicosanoides: Derivados del ácido araquidónico. Mediadores de la respuesta local (inflamación y hemostasia primaria). Incluyen prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos.
• Esteroides – Colesterol: Molécula cíclica con 4 anillos. Grupo OH que le confiere anfipatía. Componente de la membrana celular (excepto en vegetales). Precursor de hormonas esteroideas (sexuales femeninas: estrógenos y progesterona; sexuales masculinas: testosterona; mineralocorticoides; glucocorticoides) y vitamina D.

Ácidos Nucleicos: ADN y ARN

Descubiertos por Friedrich Miescher en 1869, quien aisló una sustancia ácida de los núcleos celulares llamada «nucleína», posteriormente renombrada como ácido nucleico.

Dogma Central de la Biología Molecular

La secuencia de bases nucleotídicas del ADN codifica la secuencia de las proteínas.

Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (ácido desoxirribonucleico) y ARN (ácido ribonucleico). Se descubrieron a partir de un material rico en núcleos celulares. Contienen C, H, O, N y P. Son macromoléculas con carácter ácido, cuya unidad estructural son los nucleótidos.

Nucleótido: Base nitrogenada + Azúcar (pentosa) + Ácido fosfórico.

Bases Nitrogenadas

Dos tipos:

• Púricas: Adenina (A) y Guanina (G).
• Pirimidínicas: Citosina (C), Timina (T) y Uracilo (U).

La timina solo está presente en el ADN, y el uracilo solo en el ARN. Las demás bases forman parte de ambos ácidos nucleicos.

Pentosas

Monosacáridos con cinco carbonos. En los ácidos nucleicos hay dos tipos:

• Desoxirribosa (ADN).
• Ribosa (ARN).

Grupos Fosfato

Derivados del ácido fosfórico (H₃PO₄). Confieren el carácter ácido al ADN y ARN. Pueden ser monofosfato, difosfato o trifosfato.

Nucleósido

Unión de una pentosa con una base nitrogenada (carbono 1′ del monosacárido con un nitrógeno de la base). Se libera una molécula de agua.

Nucleótido

Nucleósido unido a uno o más grupos fosfato. Se nombran de forma similar a los nucleósidos, omitiendo la última vocal y añadiendo «fosfato» (ej: adenosin fosfato, uridin fosfato).

Molécula de ATP: Moneda energética universal. Transporta energía en todas las células.

Los ácidos nucleicos son cadenas de nucleótidos unidos por enlaces fosfato. Los grupos fosfato se unen al oxígeno del OH en el C3 de la pentosa, formando la columna vertebral.

Polinucleótido: Cadena de varios nucleótidos.

Características importantes:

• Polaridad: Extremo 5′ y extremo 3′.
• Especificidad: La secuencia de nucleótidos es específica de cada tipo de ácido nucleico y de cada especie. Esta secuencia contiene la información genética.

ADN: La Doble Hélice

Polímero lineal de cuatro nucleótidos: Adenina (A), Guanina (G), Citosina (C) y Timina (T), unidos a desoxirribosa y un grupo fosfato.

Las dos hebras se mantienen unidas por puentes de hidrógeno entre bases complementarias: G se aparea con C, y A con T (apareamiento de bases complementarias).

Modelo de Watson y Crick:

1. Dos cadenas de polinucleótidos enrolladas en un eje común, formando una doble hélice.
2. Cadenas antiparalelas (sentidos opuestos), pero cada una forma una hélice dextrógira.
3. Bases en el centro de la hélice; fosfatos y azúcares en la periferia.
4. Bases unidas por puentes de hidrógeno a la hebra opuesta (G-C, A-T).

El ADN se asemeja a una escalera de caracol: las barandillas son las cadenas de fosfato-desoxirribosa y los peldaños son los pares de bases complementarias.

Funciones del ADN

• Almacenamiento de la información genética.
• Replicación (duplicación) de su propia molécula.
• Síntesis de ARN (transcripción).
• Transferencia de la información genética.

Función del ADN como Material Genético

El ADN almacena y transmite información:

• Secuencia de bases → determina secuencia de aminoácidos de proteínas → determina caracteres (a través de la transcripción a ARNm y la traducción del ARNm en proteínas).
• Transmite información de generación en generación (a través de la duplicación).

Duplicación del ADN (Replicación)

Proceso simplificado:

1. La doble hélice se abre.
2. Cada cadena materna sirve de molde.
3. Se añaden desoxirribonucleótidos por complementariedad (A-T, G-C), formando una nueva cadena complementaria y antiparalela.
4. Se obtienen dos dobles cadenas idénticas entre sí y a la original.

Transcripción

Síntesis de ARN a partir de una cadena de ADN. Proceso simplificado:

1. La doble hélice del ADN se abre.
2. Una cadena materna sirve de molde.
3. Se añaden ribonucleótidos por complementariedad (G-C, A-U), formando una nueva cadena complementaria y antiparalela.
4. Cada fragmento de ADN transcrito a ARN es un gen.

Flujo de información: Gen (ADN) → Transcripción → ARNm → Traducción → Proteína.

En células eucariotas, el ADN se encuentra unido a proteínas en el núcleo. En procariotas (bacterias), está libre en el citoplasma. También es el material genético de muchos virus.

ARN: Ácido Ribonucleico

Similar al ADN, pero con diferencias:

• (a) ARN es de cadena simple.
• (b) El azúcar es ribosa.
• (c) Uracilo (U) en lugar de Timina (T).

Tipos de ARN: ARN mensajero (ARNm), ARN de transferencia (ARNt), ARN ribosómico (ARNr) y otros ARN pequeños.

Composición: Polirribonucleótido de A, G, C y U.

Estructura general: Monocatenario lineal y más pequeño que el ADN. Se forma a partir del ADN por transcripción.

Tipos de ARN, Localización y Función

1. ARNm (mensajero): Núcleo, citoplasma, mitocondrias y plastos. Función: Copiar y transmitir el mensaje del ADN a los ribosomas.
2. ARNt (transferente o soluble): Citoplasma. Función: Transportar aminoácidos a los ribosomas.
3. ARNr (ribosómico): Ribosomas. Función: Formar parte de los ribosomas.

Todos los tipos de ARN están relacionados con la biosíntesis de proteínas.

• ARNm: 5% del ARN total. Se forma a partir de una cadena de ADN. Transporta la información para sintetizar proteínas desde el núcleo al citoplasma, uniéndose a los ribosomas.
• ARNr: El más abundante. Se une a proteínas para formar los ribosomas (organelas con dos subunidades). En los ribosomas se sintetizan proteínas.
• ARNt: Transporta aminoácidos al ribosoma. Tiene un sitio específico para fijar el aminoácido y un anticodón (tres nucleótidos) que se une al codón del ARNm por puentes de hidrógeno.

El ARNt tiene forma de trébol. El anticodón (en el extremo del brazo más largo) es complementario al codón del ARNm.

Código Genético

Consiste en 61 codones para aminoácidos y 3 codones de terminación (que detienen la traducción). Es redundante: varios codones codifican el mismo aminoácido (ej: glicina: GGU, GGC, GGA, GGG). Una mutación en un codón (ej: GGU a CGC) no siempre cambia el aminoácido especificado.

• ARN mensajero (ARNm): Molde para la síntesis de proteínas. Contiene codones (grupos de 3 nucleótidos).
• ARN ribosómico (ARNr): Recibe la información genética y traduce las proteínas. Se encuentra en el ribosoma.
• ARN de transferencia (ARNt): Transporta aminoácidos a los ribosomas. Está en el citoplasma y contiene anticodones.

Metabolismo: Reacciones Químicas Celulares

Conjunto de reacciones químicas en el interior de la célula para obtener energía (catabolismo) o utilizarla para las funciones celulares y la reposición de estructuras (anabolismo).

Catabolismo

Conjunto de reacciones químicas para obtener energía (síntesis de ATP). La energía procede del alimento (nutrientes).

Procesos digestivos: Degradan el alimento en moléculas sencillas (glucosa, ácidos grasos, aminoácidos).

Macromoléculas → Digestión → Moléculas Sencillas:

• Lípidos → Ácidos grasos pequeños
• Proteínas → Aminoácidos
• Polisacáridos (almidón, glucógeno) → Monosacáridos (glucosa)