Carbohidratos: Definición y Aspectos Generales

Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes y ampliamente distribuidos en la naturaleza, siendo la fuente de alimentación más accesible para el ser humano. El sol es la fuente primaria de energía para los organismos vivientes. Están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno.

Químicamente, son derivados aldehídicos o cetónicos de los alcoholes polihidroxilados. Son biomoléculas formadas básicamente por Carbono (C), Hidrógeno (H) y Oxígeno (O).

• Pueden ser azúcares sencillos (monosacáridos) o complejos (disacáridos).
• Están presentes en las frutas (fructosa), leche (lactosa), azúcar blanco (sacarosa), miel (glucosa + fructosa), etc.
• Los monosacáridos son sólidos, cristalinos, incoloros, solubles en agua y de sabor dulce.
• Químicamente son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas.
• Responden a la fórmula empírica (CH2O)n, donde n tiene un valor igual o mayor que 3, siendo los más frecuentes los de 5 y 6 átomos de carbono.
• Son solubles en agua.
• Almacenan energía.
• Las plantas son las principales portadoras de hidratos de carbono, debido a que poseen clorofila, un pigmento responsable de captar la luz solar y elaborar glucosa.

Funciones de los Carbohidratos

Función Energética: Los carbohidratos representan el combustible de uso inmediato en el organismo. La presencia de funciones oxigenadas permite que interaccionen con el agua más fácilmente que otras moléculas combustibles como las grasas. Por este motivo, las grasas se utilizan como fuente energética de uso diferido y los carbohidratos como combustibles de uso inmediato.

Cada gramo de carbohidratos aporta una energía de 4 Kcal. Ocupan el primer lugar en el requerimiento diario de nutrientes debido a que aportan el combustible necesario para realizar las funciones orgánicas, físicas y psicológicas del organismo.

Función Estructural

Los carbohidratos estructurales forman parte de las paredes celulares en los vegetales y les permiten soportar cambios en la presión osmótica entre los espacios intra y extracelulares. La celulosa, estructura fibrosa construida de glucosa, cumple la doble función de carga y soporte en las plantas. La celulosa es de origen vegetal principalmente, aunque algunos invertebrados la tienen en sus cubiertas protectoras. El polisacárido estructural más abundante en los animales es la quitina.

Clasificación de los Carbohidratos

• Monosacáridos: Forma más simple de los carbohidratos, producen sólidos incoloros y cristalinos, solubles en agua y la mayoría de ellos, de sabor dulce. Su estructura básica está constituida por una cadena de carbonos no ramificada, con un grupo carbonilo, estando los demás átomos de carbono unidos a un grupo hidroxilo. Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena, el monosacárido es un aldehído (aldosa) y si está localizado en otra posición, es una cetona (cetosa). Según el número de átomos de carbono de su cadena, se denominan triosas, tetraosas, pentosas, hexosas y heptosas. Las triosas, monosacáridos más simples, son el gliceraldehído (aldosa) y la dihidroxicetona (cetosa). Los más frecuentes en la naturaleza son hexosas: D-Glucosa (aldohexosa) y D-Fructosa (cetohexosa).

1. Glucosa: Es un azúcar moderadamente dulce, también conocida como dextrosa, azúcar de maíz o de uva. En el organismo humano, todos los azúcares deben convertirse en glucosa, ya que es el último componente energético que se oxida en el interior de las células para proporcionar energía. La concentración de glucosa en la sangre se denomina glucemia.
2. Fructosa: Es el más dulce de los azúcares, se encuentra en ciertas frutas y en la miel.
3. Galactosa: No se encuentra en los alimentos de forma natural. En el proceso de digestión humana se origina a partir de la lactosa. Se convierte en glucosa en el organismo para actuar como combustible celular; es constituyente de glucolípidos y glucoproteínas.

Monosacáridos Derivados

• Desoxiazúcares: Falta de oxígeno en el carbono dos. Ejemplo: desoxirribosa.
• Aminoazúcares: (hexosaminas) el OH del carbono dos es reemplazado por un grupo amino (NH2). Ejemplos: Glucosamina (componente de mureína, quitina).
• Glucoácidos: En el carbono seis se presenta el grupo carboxilo (COOH). Ejemplos: Ácido glucurónico, Ácido galacturónico (ambos forman parte del tejido conectivo) y de la lámina media de vegetales.
• Glucoalcoholes: Grupo CHO o CO es reemplazado por OH. Tenemos al glicerol, inositol (forma fosfolípidos, ácido fítico que se localiza en el tejido de sostén en plantas), manitol (componente de la piña) sorbitol (componente del fruto de rosáceas).
• Glucosilaminas: Monosacáridos con grupos aromáticos.

• Oligosacáridos: Son carbohidratos constituidos por cadenas cortas de unidades monosacáridos (3 a 10), unidas por enlaces glucosídicos. La mayor parte de los oligosacáridos no se encuentran libres, sino que se unen a otro tipo de moléculas, lípidos o proteínas. Algunos oligosacáridos naturales no pueden ser divididos en el tracto digestivo de los humanos por carecer de la enzima alfa-galactosidasa, pero sí lo son por la flora intestinal, con la consiguiente producción de gas y molestias abdominales.

Disacáridos

Son carbohidratos (oligosacáridos) formados por dos moléculas de monosacáridos unidos covalentemente. Los principales disacáridos son:

• Glucosa + Fructosa: Sacarosa (Azúcar de mesa)
• Glucosa + Galactosa: Lactosa
• Glucosa + Glucosa: Maltosa

• Polisacáridos: Están formados por cadenas largas de centenares o miles de unidades de monosacáridos. Algunos son cadenas lineales, mientras que otros están constituidos por cadenas ramificadas. Los más abundantes en la naturaleza son el almidón y la celulosa. Estos compuestos tienen un peso molecular muy elevado, que depende del número de residuos o unidades de monosacáridos que participen en su estructura.

Según su función se dividen en dos grupos: los que tienen función de reserva (almidón, glucógeno y dextranos) y los que tienen función estructural (celulosa y xilanos).

• Almidón: Es un polisacárido de reserva de los vegetales.
  1. Amilosa: Unidades de maltosa, unidas por enlaces alfa (1-4), estructura helicoidal.
  2. Amilopectina: Unidades de maltosa con ramificaciones en posición alfa (1,6).
• Glucógeno: Polisacárido propio de animales. Se encuentra en el hígado y músculo.

Dextranos: Son polisacáridos de reserva producidos por ciertas bacterias. Consisten en cadenas de glucosa muy ramificadas cuyo enlace predominante es 1alfa-6, pero que presenta ramificaciones 1alfa-2, 1alfa-3 y 1alfa-4, según las especies. El crecimiento de las bacterias en la superficie de los dientes da lugar a la acumulación de dextranos, que constituyen una parte importante de la placa dental.

• Celulosa: Se puede considerar como la molécula orgánica más abundante en la naturaleza. Es un polímero lineal de varios miles de glucosas unidas por enlaces. Es muy estable químicamente e insoluble en agua.
• Xilanos: Están formados por unidades de D-xilosa y son componentes de la madera. Los xilanos están formados por la unión de residuos de beta-D-xilopiranosas mediante enlaces 1beta-4.

Importancia Biológica y Enfermedades Relacionadas

La diabetes es una enfermedad crónica que se caracteriza por la alteración de la utilización de los carbohidratos, lo que se traduce en una elevación de los niveles de azúcar en sangre (hiperglucemia). La diabetes es un desorden del metabolismo, el proceso que convierte el alimento en energía. La insulina es el factor más importante en este proceso. Durante la digestión, los alimentos se descomponen para crear glucosa, la mayor fuente de combustible para el cuerpo. Esta glucosa pasa a la sangre, donde la insulina le permite entrar en las células. La insulina es una hormona segregada por el páncreas.

Lípidos: Definición y Características

Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas por carbono e hidrógeno y generalmente oxígeno, aunque pueden contener también fósforo, nitrógeno y azufre.

Características de los Lípidos

• Insolubilidad en agua, siendo solubles en disolventes orgánicos (benceno, cloroformo, éter, hexano, etc.).
• Se encuentran unidos covalentemente con otras biomoléculas como en el caso de los glicolípidos, las proteínas aciladas y las proteínas preniladas.
• También son numerosas las asociaciones no covalentes de los lípidos con otras biomoléculas, como las lipoproteínas y las estructuras de membrana.
• Una característica básica de los lípidos es la hidrofobicidad.
• La baja solubilidad de los lípidos se debe a que su estructura química es fundamentalmente hidrocarbonada, con gran cantidad de enlaces C-H y C-C.

Funciones de los Lípidos

• Energética: Al catabolizar 1g de lípido se obtienen 10 Kcal. Los lípidos se pueden degradar en anaerobiosis.
• Reserva de agua: Al degradar un lípido se produce agua. En animales que hibernan, el tejido adiposo especializado (grasa marrón o parda) genera la energía calórica necesaria para los largos períodos de hibernación.
• Estructural: La interfase célula-medio debe ser hidrofóbica. Esta interfase está formada por lípidos de tipo anfipático, que tienen una parte de la molécula hidrofóbica y otra hidrofílica. En medio acuoso, estos lípidos tienden a autoestructurarse formando la bicapa lipídica de la membrana plasmática.
• Informativa: El sistema endocrino genera señales químicas (hormonas) con estructuras lipídicas. También sirven como segundos mensajeros en diversos procesos celulares.
• Catalítica: Participan en procesos oxidativos y en la producción de vitaminas que actúan como cofactores de enzimas.

Clasificación de los Lípidos

Lípidos Saponificables

Agrupan a los derivados por esterificación u otras modificaciones de ácidos grasos, y se sintetizan a partir de la aposición sucesiva de unidades de dos átomos de carbono.

• Ácidos grasos y sus derivados: Los ácidos grasos son ácidos monocarboxílicos de cadena larga. Por lo general, contienen un número par de átomos de carbono, entre 12 y 24. Las propiedades químicas de los ácidos grasos derivan de la presencia de un grupo carboxilo y de una cadena hidrocarbonada. Según la naturaleza de la cadena hidrocarbonada, se distinguen tres grupos:

• Ácidos grasos saturados: Los más abundantes son el palmítico (C16:0) y el esteárico (C18:0).
• Ácidos grasos insaturados: La posición de los dobles enlaces se indica como un superíndice. El ácido oleico (9-octadecenoico) se representa como C18:1, el linoleico (9,12-octadecadienoico) como C18:2 y el linolénico (9, 12,15-octadecatrienoico) como C18:3.
• Derivados de ácidos grasos: Jabones (sales de los ácidos grasos).

• Eicosanoides: Intervienen en procesos alérgicos, inflamatorios y en la contracción del músculo liso. Pueden ser prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos.
• Lípidos neutros: Ésteres de ácidos grasos con alcoholes. Pueden ser acilgliceroles y ceras.
• Lípidos anfipáticos: Poseen un grupo polar además de la cadena hidrocarbonada hidrofóbica. Pueden ser glicerolípidos y esfingolípidos.

Lípidos No Saponificables

Son derivados por aposición de varias unidades isoprenicas, y se sintetizan a partir de una unidad básica de 5 átomos de carbono: el isopreno.

• Terpenos: La mayoría son hidrocarburos, aunque algunos contienen funciones oxidadas. Muchas son vitaminas liposolubles. Pueden ser retinoides, carotenoides, tocoferoles, naftoquinonas y dolicoles.
• Esteroides: Son compuestos derivados del esterano. Pueden ser esteroles, sales y ácidos biliares, y hormonas esteroideas.

Proteínas: Concepto y Clasificación

Un aminoácido es una molécula orgánica con un grupo amino (-NH2) y un grupo carboxilo (-COOH). Los aminoácidos más frecuentes son los que forman parte de las proteínas. Dos aminoácidos se combinan en una reacción de condensación formando un enlace peptídico.

• En los microorganismos, plantas y animales se encuentran unos 300 aminoácidos.
• En la mayoría de los seres vivos, solo 20 aminoácidos son codificados por el ADN para formar las proteínas (proteinogénicos).
• Muchas proteínas contienen aminoácidos modificados y partes no proteicas (grupos prostéticos).

Clasificación de los Aminoácidos

Según las propiedades de su cadena

1. Neutros o Apolares (hidrófobos): Alanina, cisteína, valina, leucina, isoleucina, metionina, prolina, fenilalanina, triptófano y glicina.
2. Polares sin carga (hidrófilos): Serina, treonina, glutamina, asparagina, tirosina, glicina y cisteína.
3. Polares con carga negativa: Ácido glutámico y ácido aspártico.
4. Polares con carga positiva: Lisina, arginina e histidina.

Según su obtención

1. No esenciales: Los que puede sintetizar el cuerpo.
   • Ácido glutámico: Vital para el sistema nervioso central.
   • Arginina: Estimula la liberación de hormonas del crecimiento.
   • Serina: Fundamental en la metabolización de las grasas.

Alanina: Interviene en el mantenimiento del nivel óptimo de glucosa.

• Tirosina: Importante en la reducción del estrés, el apetito y el sueño.
• Cistina: Fundamental para la salud de la piel y el pelo.
• Glicina: Necesaria para depurar el organismo.
• Asparagina: Importante en los procesos del SNC y en la síntesis del amoniaco.
• Prolina: Importante para el colágeno.
• Ácido aspártico: Fundamental para reducir el nivel de amoniaco en sangre.
• Glutamina: Importante en el metabolismo cerebral.
• Cisteína: Antioxidante.

• Esenciales: Los que deben obtenerse de fuentes externas. La carencia de aminoácidos esenciales limita el desarrollo del organismo.
  • Histidina: Interviene en el crecimiento y reparación de tejidos.
  • Isoleucina: Actúa en la formación de hemoglobina.
  • Leucina: Facilita la cicatrización del tejido muscular.
  • Lisina: Interviene en la absorción de calcio.
  • Metionina: Funciona como antioxidante.
  • Fenilalanina: Produce la noradrenalina.
  • Treonina: Regula la cantidad adecuada de proteínas en el cuerpo.
  • Triptófano: Actúa como relajante natural.
  • Valina: Participa del metabolismo muscular.
  • Alanina: Ayuda en el metabolismo de la glucosa.

Según la ubicación del grupo amino

1. Alfa-aminoácidos: El grupo amino está ubicado en el carbono n.º 2 de la cadena.
2. Beta-aminoácidos: El grupo amino está ubicado en el carbono n.º 3 de la cadena.
3. Gamma-aminoácidos: El grupo amino está ubicado en el carbono n.º 4 de la cadena.

Péptidos y Proteínas

Péptidos: Son moléculas compuestas a partir de los vínculos que entablan ciertos aminoácidos a través de un enlace peptídico.

Proteínas: Son biopolímeros de elevado peso molecular, constituidas básicamente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, aunque pueden contener también azufre y fósforo.

Propiedades de las Proteínas

• Desnaturalización: Ruptura de los enlaces que mantenían sus estructuras cuaternaria, terciaria y secundaria.
• Amortiguador de pH: Actúan como amortiguadores de pH debido a su carácter anfótero.
• Especificidad: Cada especie de ser vivo fabrica sus propias proteínas.
• Estabilidad: La proteína debe ser estable en el medio donde desempeñe su función.
• Solubilidad: Se mantiene siempre y cuando los enlaces fuertes y débiles estén presentes.

Funciones de las Proteínas

• Estructural: Histonas, queratina.
• Enzimática: Biocatalizadores de las reacciones químicas del metabolismo celular.
• Hormonal: Insulina y glucagón.
• Reguladora.
• Homeostática: Mantienen el equilibrio osmótico y el pH del medio interno.
• Defensiva: Inmunoglobulinas.
• Transporte: Hemoglobina.
• Contráctil: Actina y miosina.
• Reserva: Ovoalbúmina.

Estructura de las Proteínas

• Primaria: Secuencia de una cadena de aminoácidos (enlace covalente).
• Secundaria: Interacción de aminoácidos a través de enlaces de hidrógeno.
• Terciaria: Atracciones entre hélices alfa y hojas plegadas (enlaces entre radicales).
• Cuaternaria: Proteína con más de una cadena de aminoácidos (varios enlaces polipeptídicos).

Clasificación de las Proteínas

Según su forma

• Fibrosas: Cadenas polipeptídicas largas e insolubles en agua. Ejemplos: queratina, colágeno y fibrina.
• Globulares: Cadenas dobladas en forma esférica, solubles en agua. Ejemplos: enzimas, anticuerpos y hormonas.
• Mixtas: Parte fibrilar y parte globular.

Según su composición química

• Conjugadas: Contienen cadenas polipeptídicas y un grupo prostético. Ejemplos: mioglobina y citocromos.
• Simples: Su hidrólisis solo produce aminoácidos. Ejemplos: insulina y colágeno.

• Escleroproteínas: Insolubles, fibrosas y resistentes a enzimas. Ejemplos: colágeno, queratina, fibroína y sericina.
• Esferoproteínas: Moléculas de forma esférica. Se subdividen en:
  1. Albúminas: Solubles en agua y soluciones salinas diluidas. Ejemplos: ovoalbúmina y lactalbúmina.
  2. Globulinas: Insolubles en agua pero solubles en soluciones salinas. Ejemplos: miosina, inmunoglobulinas, lactoglobulinas, glicinina y araquina.
  3. Glutelinas: Insolubles en agua o soluciones salinas, pero solubles en medios ácidos o básicos. Ejemplos: oricenina y las glutelinas del trigo.
  4. Prolaminas: Solubles en etanol al 50 %-80 %. Ejemplos: gliadina del trigo y zeína del maíz.
  5. Histonas: Solubles en medios ácidos.

ADN: Concepto y Estructura

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es un ácido nucleico que contiene las instrucciones genéticas usadas en el desarrollo y funcionamiento de todos los organismos vivos conocidos y algunos virus. Su función principal es el almacenamiento a largo plazo de información. Los segmentos de ADN que llevan esta información genética son llamados genes.

El ADN se emplea para guardar la información genética y está almacenado en el núcleo de la célula. Para todos los organismos conocidos actualmente, el material genético es casi exclusivamente ácido desoxirribonucleico (ADN).

En 1953, James Watson y Francis Crick presentaron un modelo preciso de la estructura de la molécula de ADN, una doble cadena retorcida en forma de espiral, en la que cada una de las cadenas está unida por puentes de hidrógeno que enlazan moléculas de Adenina/Timina (A-T) y Guanina/Citosina (G-C).