Carbohidratos

Los carbohidratos, también conocidos como hidratos de carbono, glúcidos o azucares son sustancias con infinita variedad de propiedades químicas, físicas y fisiológicas. Los carbohidratos (también llamados sacáridos), con base en su masa, son la clase más abundante de moléculas biológicas en la Tierra. Aunque todos los organismos pueden sintetizar carbohidratos, muchos de ellos se producen en organismos fotosintéticos, como bacterias, algas y plantas.Los carbohidratos tienen varios papeles fundamentales en los organismos vivos.Todas las células vivas contienen carbohidratos. Son la principal fuente de energía y la mas rápida. Aportan al organismo entre un 40 y 80 % de los requerimientos totales de energía.

Composición de los carbohidratos:

• Están formados por carbono (C), hidrogeno (H) y oxigeno (O).
• Presentan la formula química general (CH2O)n.
• Todos los carbohidratos presentan grupos funcionales -C=O o –OH.

Fuentes de carbohidratos:Son los compuestos orgánicos mas abundantes en la naturaleza.

• Los carbohidratos se encuentran de forma abundante en las plantas y en pequeñas cantidades en animales.
• Las plantas nos proveen de todos los hidratos de carbono mediante la alimentación.

Los carbohidratos pueden ser:

Aldosas: Los aldehídos este grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena hidrocarbonada, por lo que tiene un átomo de hidrógeno unido a él directamente, que sueleescribirse, por comodidad, en la forma —CHO. Según el tipo de grupo hidrocarbonado unido al grupo funcional, los aldehídos pueden ser alifáticos, R—CHO, y aromáticos, Ar— CHO. Gliceraldehido es un aldehído y estos monosacáridos se denominamos aldosas.

Cetosas: Las cetonas el grupo carbonilo se encuentra unido a dos grupos hidrocarbonados. Según el tipo de grupo hidrocarbonado unido al grupo funcional, las cetonas se clasifican en alifáticas, R—CO—R', aromáticas, Ar—CO—Ar, y mixtas; R—CO—Ar. Dihidroxiacetona es una cetona y estos monosacáridos se denominan cetosas.

Estereoisomeros: 

Es un isómero que tiene la misma fórmula molecular y cuadricula, también la misma secuencia de átomos enlazados, con los mismos enlaces entre sus átomos, pero difieren en la orientación tridimensional de sus átomos en el espacio. 

En general, hay 2n estereoisomeros posibles de un compuesto que tenga n carbonos quirales (un carbono quiral es un átomo de carbono que está enlazado con cuatro sustituyentes o elementos diferentes. Puede presentarse en algunos compuestos orgánicos, es decir, en aquellos que están presentes en los seres vivos, como los glúcidos).

Epímeros: Cuando las moléculas de azúcar tienen distinta configuración sólo en uno de varios centros quirales. 

En este vídeo se presenta como localizar los centros quirales. 

Clasificación de los Carbohidratos según el numero de unidades de carbohidrato: 

• Monosacárido
• Oligosacárido (Disacárido)
• Polisacárido 

Se pueden describir los carbohidratos por la cantidad de unidades monómeras que contienen. 

Los monosacáridos: Unidad mas pequeña de estructura de los carbohidratos.

Los monosacáridos son azúcares simples; No se hidrolizan, es decir, que no se descomponen en otros compuestos más simples; Poseen de 3 a 7 átomos de carbono; Su fórmula empírica es (CH2O)n donde n ≥ 3; Se nombran haciendo referencia al número de
carbonos (3-7), terminado en el sufijo -osa. 

Los monosacáridos más importante son: Glucosa (es la mas principal), Fructosa, Galactosa. 

Glucosa: 

La glucosa es un monosacárido con fórmula molecular C6H12O6. Es una hexosa, es decir, contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa. Su rendimiento energético es de 4 kilocalorías por cada gramo.

Glucosa 

Fructosa:

Es un monosacárido con la misma fórmula empírica que la glucosa pero con diferente estructura, es decir, es un isómero de esta. Es una hexosa (6 átomos de carbono), pero cicla en furano (al contrario que las otras hexosas, que lo hacen en pirano) 

Fructosa

Galactosa:

La galactosa es un monosacárido con fórmula molecular C6H12O6. Es una hexosa, es decir, contiene 6 átomos de carbono, y es una aldosa. A diferencia de la glucosa, la galactosa no se encuentra libre sino que forma parte de la lactosa de la leche. Precisamente es en las glándulas mamarias donde este compuesto se sintetiza para formar parte de la leche materna.Es un isómero de la fructosa, con diferente posición relativa de los grupos -OH y =O

Galactosa

Ciclación de aldosas y hexosas:

 La causa de una asimetría adicional es una reacción de ciclación intramolecular, que produce un nuevo centro quiral en el átomo de carbono del grupo carbonilo. Esta ciclación se parece a la reacción de un alcohol con un aldehído para formar un hemiacetal, o con una cetona para formar un hemicetal. El carbono carbonílico de una aldosa que contenga al menos cinco átomos de carbono, o de una cetosa que contenga al menos seis átomos de carbono, puede reaccionar con un grupo hidroxilo intramolecular y formar un hemiacetal cíclico o un hemicetal cíclico, respectivamente. El átomo de oxígeno del grupo hidroxilo reaccionante se convierte en miembro de las estructuras anulares con cinco o seis miembros. Como se parece al compuesto heterocíclico pirano, de seis miembros, al anillo con seis miembros de un monosacárido se le llama piranosa. De igual modo, como el anillo con cinco miembros de un monosacárido se parece al del furano, se le llama furanosa. Sin embargo, a diferencia del pirano y del furano, los anillos de los carbohidrato no contienen dobles enlaces. 

El carbono más oxidado de un monosacárido ciclado, el que está unido a dos átomos de oxígeno, se llama carbono anomérico. En las estructuras de anillo, el carbono anomérico es quiral. Así, la aldosa o cetosa ciclada puede adoptar cualquiera de dos configuraciones (designadas a o b) para la D-glucosa. A los isómeros a y b se les llama anómeros.

Proyecciones de Haworth: 

Es una forma común de representar la fórmula estructural cíclica de los monosacáridos con una perspectiva tridimensional simple. Recibe su nombre del químico inglés sir Walter Norman Haworth. quien trabajó sobre reacciones de ciclación de carbohidratos y propuso esas representaciones. Una proyección de Haworth indica la estereoquímica en forma adecuada, y se puede relacionar con facilidad con una proyección de Fischer. Un monosacárido cíclico se traza de modo que el carbono anomérico esté en la derecha, y los demás carbonos se numeran en dirección de las manecillas del reloj. Los grupos hidroxilo que apuntan hacia abajo en la proyección de Haworth, lo hacen hacia la derecha del esqueleto de carbonos en la proyección de Fischer, en tanto que los grupos hidroxilo que apuntan hacia arriba en la proyección de Haworth lo hacen hacia la izquierda en la proyección de Fischer. En una proyección de Haworth, la configuración del átomo de carbono anomérico se indica con a si su grupo hidroxilo está al lado contrario del anillo respecto del grupo —CH2OH de C-5. Es b si su grupo hidroxilo está en el mismo lado del anillo que el grupo —CH2OH. C-5 es el centro quiral que distingue los azúcares D y L. En las proyecciones de Haworth de los azúcares D, el grupo —CH2OH siempre apunta hacia arriba.

Conformación de los monosacáridos: 

Proyección de Haworth son las mas utilizadas en bioquímica. Sin embargo, la geometría de los átomos de carbono en un anillo monosacáridos es tetraédrica (110°). Los monosacáridos cíclicos pueden tener diversas conformaciones, o formas tridimensionales. Los anillos furanosas adoptan conformaciones de sobre o torcida. Los diversos confórmeros de monosacáridos no sustituidos pueden
convertirse rápidamente entre si. Los anillos de piranosa tienden a asumir una de dos conformaciones, la de silla o la de bote.

Conformación de Bote

Conformación de Silla 

Derivados de los monosacáridos:

Estos son: 

• Fosfato de azúcar: Los monosacáridos, en las vías metabólicas, con frecuencia
  se convierten en esteres de fosfato.
• Desoxi y amino azucares:  Desoxiazucares ( En estos derivados, un átomo de hidrogeno sustituye a uno de los grupos hidroxilo del monosacárido precursor.). Aminoazucares( En varios azucares, un grupo amino sustituye uno de los gruposhidroxilo del monosacárido precursor. A veces el grupo amino esta acetilado (acetilamino)). 
• Azucares alcoholes: En un azúcar alcohol el oxígeno carbonílico del monosacárido precursor se ha reducido y se produce un polihidroxialcohol.
• Azucares ácidos: Los azúcares ácidos son ácidos carboxílicos derivados de las aldosas, sea por oxidación de C-1 (el carbono aldehídico) para formar un ácido aldónico, o por oxidación del carbono con número mayor (el que tiene el alcohol primario) para formar un ácido aldurónico. 
• Ácidos ascórbico (vitamina C):  El acido L-ascórbico o vitamina C, es un enodiol de una lactona derivada del Dglucoronato. Los primates no pueden convertir glucoronato en acido ascórbico y en consecuencia deben obtenerlos de la dieta. El acido ascórbico es un cofactor esencial para las enzimas que catalizan lahidroxilación de los residuos de prolina y lisina durante la síntesis de colágeno.

Oligosacárido (Disacárido): 

Los oligosacáridos son uniones de 2 o mas monosacáridos. El enlace que une dos monosacáridos se llama enlace glicosídico (es el principal enlace estructural en todos los polímeros de los monosacáridos. Es un enlace acetal, donde el carbono anomérico de un azúcar se condensa con un alcohol, una amina o un tiol). 

Los oligosacáridos mas Importantes: Sacarosa; Maltosa; Lactosa. 

Sacarosa: es un disacárido de glucosa y fructosa. Se sintetiza en plantas, pero no en animales superiores. Es la unión dela glucosa y fructosa. 

Lactosa: es un disacárido formado por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. No se encuentra en forma natural en las plantas. Se encuentra principalmente en la leche. Es la unión de la Galactosa y Glucosa 

Maltosa: Es también conocida como maltobiosa o azúcar de malta, es un disacárido formado por dos glucosas unidas por un enlace glucosídico. Se forma para indicar el germinado de las semillas. Son muy pocos los alimentos que contienen maltosa, por lo que su contribución como fuente de energía al organismo es mínima.Es la unión de la glucosa y glucosa.

Polisacárido:

Con frecuencia se divide a los polisacáridos en dos clases extensas. Los homoglicanos (u homopolisacáridos) son polímeros que sólo contienen residuos de un tipo de monosacárido. Los heteroglicanos (o heteropolisacáridos) son polímeros que contienen residuos de más de un tipo de monosacárido.  

Clasificación de los polisacáridos: 
Según su composición:
• Homopolisacáridos
• Heteropolisacáridos
Según su función:
• Polisacáridos de reserva: Almidón, Glucógeno.
• Polisacáridos estructurales: Celulosa, Quitina.

Almidón y glucógeno: Son polisacáridos de almacenamiento. Todas las especies sintetizan D-glucosa. Los residuos de glucosa se almacenan como polisacáridos, hasta que se necesiten para producir energía. En plantas y los hongos la forma de almacenar glucosa se conoce como almidón.En animales es el glucógeno. 
Celulosa: Es un polisacárido estructural en plantas. 
Quitina: Es un polisacárido estructural en el exoesqueleto de muchos artrópodos y moluscos. 

Glicoconjugados:
Los glicoconjugados consisten en polisacáridos unidos a (conjugados con) proteínas o péptidos. En muchos casos, los polisacáridos consisten en varias unidades distintas de monosacárido. Por consiguiente, son heteroglicanos. (Almidón, glucógeno, celulosa y quitina son homoglicanos). Los heteroglicanos aparecen en tres tipos de glicoconjugados: proteoglicanos, peptidoglicanos y glicoproteínas. 
Se clasifican en: 

• Proteoglicanos
• Peptidoglicanos
• Glicoproteínas

Proteoglicanos: 

Son complejos de proteínas y una clase de polisacáridos llamados glicosaminoglicanos. Esos glicoconjugados se presentan principalmente en la matriz extracelular (tejido conectivo) de animales multicelulares. Los glicosaminoglicanos son heteroglicanos no ramificados de unidades repetitivas de disacárido. Como indica el nombre glicosaminoglicano, un componente del disacárido es un amino azúcar, ya sea D-galactosamina (GalN) o D-glucosamina (GlcN).

Peptidoglicanos: 
Los peptidoglicanos son polisacáridos unidos a péptidos pequeños. Las paredes celulares  de muchas bacterias contienen una clase especial de peptidoglicano con un componente de heteroglicano unido a un péptido de cuatro o cinco residuos. El componente peptídico de los peptidoglicanos varía entre las bacterias. En Staphylococcus aureus es un tetrapéptido con aminoácidos L y D alternados: L-Ala-DIsoglu-L-Lys-D-Ala.

Glicoproteínas
Las glicoproteínas, como los proteoglicanos, son proteínas que contienen oligosacáridos unidos en forma covalente (es decir, proteínas que están glicosiladas; los proteoglicanos son un tipo de glicoproteína). Las cadenas de carbohidrato de una glicoproteína varían de longitud, de 1 hasta más de 30 residuos, y pueden formar hasta 80% de la molécula. 

Las cadenas de oligosacárido de las glicoproteínas muestran gran variabilidad de composición. La composición de esas cadenas puede variar, aun entre moléculas de la misma proteína, fenómeno que se llama microheterogeneidad.
Hay varios factores que contribuyen a la diversidad estructural de las cadenas de
oligosacárido en las glicoproteínas.

1. Una cadena de oligosacárido puede contener varios azúcares diferentes.

2. Los azúcares pueden estar unidos por enlaces glicosídicos a o b.
3. También los enlaces pueden unir varios átomos de carbono en los azúcares. 

4. Las cadenas de oligosacáridos de las glicoproteínas pueden contener hasta cuatro
ramas.

Las cadenas de oligosacáridos de la mayor parte de las glicoproteínas están enlazadas a través de O o de N. En los oligosacáridos unidos por O, un residuo de GalNAc se enlaza, en forma típica, a la cadena lateral de un residuo de serina o de treonina. En los oligosacáridos unidos por N, un residuo de GlcNAc está unido al nitrógeno de amida en un residuo de asparagina.

Hay cuatro subclases importantes de enlaces O-glicosídicos en las glicoproteínas.
1. El enlace O-glicosídico más común es el de GalNAc-Ser/Thr mencionado antes. Hay otros azúcares, por ejemplo, galactosa y ácido siálico, que con frecuencia se unen al residuo de GalNAc.

2.Algunos de los residuos de 5-hidroxilisina (Hyl) de colágena se unen a la D-galactosa a través de un enlace O-glicosídico. Esta estructura es exclusiva de la colágena.

3. Los glicosaminoglicanos de ciertos proteoglicanos están unidos a la proteína interior mediante una estructura Gal-Gal-Xyl-Ser.
4. En algunas proteínas, un solo residuo de GlcNAc está enlazado a serina o treonina.

Fármacos con Carbohidratos  

Heparina

Fórmula: C₁₂H₁₉NO₂₀S₃ 

Es un glicosaminoglicano muy sulfatado, se utiliza ampliamente cómo anticoagulante inyectable, y tiene la densidad de carga más alta conocida de todas las biomoléculas. También se puede utilizar para formar una superficie interior anticoagulante en diversos dispositivos experimentales y médicos tales como tubos de ensayo y máquinas de diálisis renal. 

Mecanismo de acción

La heparina es una sustancia natural que actúan de la sangre que interfiere con el proceso de la coagulación sanguínea. Actúa sobre la trombina, que desempeña un importante papel en la formación del coágulo en la sangre. La heparina clásica ejerce su efecto anticoagulante acelerando la formación de complejos moleculares entre la antitrombina III y los factores II (trombina), IX, X, XI y XII, que quedan inactivados. Tiene particular importancia la acción ejercida sobre la trombina y el factor X.

Eritropoyetina

Es una hormona glicoproteíca cuya función principal, aunque no la única, es la regulación de la producción de glóbulos rojos de la sangre. 

Acción

Su acción principal es estimular la citopoyesis, pero la EPO actúa también en la diferenciación de las células de precursor y también estimula en pequeña medida la formación de megacariocitos. El papel parácrino de la eritropoyetina en las gónadas y en el útero todavía no ha sido aclarado.

La carencia de eritropoyetina ocasiona anemia y como consecuencia los síntomas asociados a ella como debilidad muscular, disminución de la tolerancia al ejercicio físico y mareos.