Los carbohidratos o glúcidos son moléculas biológicas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Son los compuestos orgánicos más abundantes en la biósfera. Producto de la fotosíntesis, donde la energía solar se convierte en energía química, los carbohidratos son la fuente principal de energía de los organismos heterótrofos.
Los carbohidratos se conocen como hidratos de carbono, pues la estructura química general luce como un carbono con una molécula de agua Cn(H2O)n. También se les llaman sacáridos o azúcares. La palabra «sacárido» deriva del griego sákcharon que significa «azúcar».
Glucosa y galactosa son carbohidratos presentes en la leche.
Estructura básica de los carbohidratos
Como todas las biomoléculas, los carbohidratos tienen tres elementos básicos: el carbono (C), el hidrógeno (H) y el oxígeno (O). Son dos los grupos químicos que caracterizan a los carbohidratos: el grupo carbonilo (-C=O) y el grupo hidroxilo (-OH). El carbonilo se encuentra en aldehídos y cetonas; el hidroxilo se encuentra en los alcoholes.
Un carbohidrato puede ser entonces un aldehído o una cetona:
- si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo es un aldehído;
- si el grupo carbonilo se encuentra en los carbonos intermedios es una cetona.
Adicionalmente, un carbohidrato posee varios grupos hidroxilo, por lo que pueden ser considerados como polialcoholes o polihidroxi. Estructuralmente, los carbohidratos son polihdroxi aldehídos o polihidroxi cetonas y sus derivados.
Estructura de los carbohidratos más simples: gliceraldehído y dihidroxiacetona.
Tipos de carbohidratos
Los carbohidratos se dividen en simples y complejos, según el número de unidades que los componen.
Carbohidratos simples
Los monosacáridos son los carbohidratos más simples. Los ejemplos más conocidos son la glucosa, la fructosa, la ribosa y la galactosa. La dihidroxiacetona y el gliceraldehído son los dos monosacáridos más simples, cada uno posee tres átomos de carbono en su cadena principal.
La glucosa, la galactosa y la fructosa tienen la misma fórmula química C6H12O6, pero son diferentes en la forma como se arreglan espacialmente sus átomos. Este tipo de moléculas se conocen como isómeros.
Carbohidratos complejos
Los carbohidratos con más de una unidad de monosacáridos son conocidos como carbohidratos complejos.
Disacáridos
Diferentes disacáridos presentes en la naturaleza.
Los disacáridos están constituidos por dos monosacáridos (o monómeros) como si estuvieran «agarrados de las manos». Los disacáridos más comunes son:
- Lactosa: combinación de galactosa y glucosa que se encuentra en la leche.
- Sacarosa: combinación de glucosa y fructosa que se encuentra en el azúcar de uso común.
- Maltosa: combinación de glucosa y glucosa que se encuentra en la malta.
- Celobiosa: combinación de glucosa y glucosa que se encuentra en la celulosa.
La unión entre los azúcares se llama enlace glicosídico o glucosídico. Se producen cuando un hidroxilo de un azúcar reacciona con el carbono y se libera una molécula de agua. Pueden ser de dos tipos: alfa o beta.
Polisacáridos
El almidón, el glucógeno y la celulosa son polisacáridos de la glucosa.
Los polisacáridos son cadenas de más de diez monosacáridos. Los más conocidos son el almidón, el glucógeno y la celulosa.
El almidón es el polisacárido de almacenamiento de glucosa en los vegetales. Está constituido por dos tipos de polímeros: la amilosa y la amilopectina. La amilopectina consta de glucosas unidas linealmente y en ramificaciones. La amilosa se caracteriza por tener a las glucosas en forma lineal.
El glucógeno es el polisacárido de almacenamiento de glucosa en los animales. Se caracteriza por presentar muchas ramificaciones.
La celulosa es el polisacárido estructural de los vegetales. Se encuentra en las paredes celulares de las plantas, en el tronco, ramas y en todas las partes rígidas. Está compuesto de glucosa unidas en cadenas, las cuales forman microfibras conectadas entre sí por puentes de hidrógeno.
La quitina también es un polisacárido, formado por unidades de acetilglucosamina. La quitina es el componente principal del exoesqueleto de infinidad de insectos y crustáceos.
Clasificación de los carbohidratos
Los monosacáridos se pueden clasificar según diferentes categorías: grupo funcional, número de carbonos
Lugar del grupo carbonilo
- Aldosa: es el monosacárido con el grupo carbonilo en el extremo de la molécula, por lo que es un aldehído. Ejemplo: el gliceraldehído, la glucosa,
- Cetosa: es el monosacárido donde el grupo carbonilo es uno de los grupos intermedios de la molécula, por lo que es una cetona. Ejemplo: la dihidrociacetona y la fructosa.
Número de carbonos en la molécula
Número de carbonos Nombre del monosacárido Ejemplo 3 triosa gliceraldehído, dihidroxiacetona 4 tetrosa eritrulosa, treosa 5 pentosa ribosa, arabinosa, xilosa 6 hexosa glucosa, fructosa, galactosa 7 heptosa Sedoheptulosa
Alimentos con carbohidratos
Las frutas, los granos, y los vegetales son todos fuentes de carbohidratos. Existen carbohidratos en todos los alimentos que consumimos, pero algunos alimentos son especialmente ricos en algunos tipos de azúcares. Veamos algunos ejemplos.
Miel
La miel es uno de los alimentos de mayor valor energético en el mundo.
La miel está compuesta principalmente por carbohidratos, de los cuales el 75% son monosacáridos y el resto por disacáridos y otros azúcares. Los azúcares presentes en la miel son los responsables por la viscosidad y el valor energético.
La fructosa es el mayor constituyente (38%) de la miel, seguido de glucosa (31%) y maltosa (7%).
Remolacha
La remolacha es una importante fuente de sacarosa.
La remolacha Beta vulgaris es uno de los alimentos más empleados industrialmente para obtener el azúcar de consumo cotidiano (sacarosa).
Leche
La leche es el alimento para las crías de los mamíferos.
Los mamíferos se caracterizan particularmente porque alimentan a sus crías con leche, un líquido nutritivo producido en las glándulas mamarias.
La lactosa es el azúcar presente en la leche. Es un disacárido conformado por la galactosa y la glucosa. En el aparato digestivo existe la enzima lactasa, cuya función es romper el disacárido y liberar la glucosa y la galactosa para que sean absorbidas en el intestino. La intolerancia a la lactosa se presenta cuando esta enzima deja de funcionar.
Batata, camote o boniato
La raíz de la batata Ipomoea batatas es un alimento con gran valor nutricional.
La batata, camote, kumar o boniato (Ipomoea batatas) es una planta ampliamente usada en Latinoamérica y África como alimento. Son comestibles las hojas y las raíces. Su contenido en carbohidratos varía dependiendo de la variedad, pero se encuentra entre 8 y 12 %, la mayoría como fibra en forma de celulosa, almidón y pectina.
El camote también es muy rico en beta caroteno, el precursor de vitamina A y antocianinas, pigmentos que le dan color a los vegetales y que estan asociados como antioxidantes.
Garbanzo
El garbanzo Cicer arietinum es una leguminosa de gran apreciación mundial.
El garbanzo Cicer arietinum es una leguminosa, fuente de carbohidratos como almidón, fibra, glucosa y sacarosa. Es muy versátil en la cocina, especialmente la cocina asiática, donde se preparan harinas de garbanzo, el hummus o paté de garbanzo y el falafel o bolitas fritas de garbanzo.
Función de los carbohidratos
Los carbohidratos son los compuestos con mayor distribución en la biósfera y cumplen con varias funciones:
Función de almacenamiento
Las plantas guardan sus reservas energéticas en forma de carbohidratos en las frutas y raíces. Los animales mamíferos almacenan glucosa en forma de glucógeno en el hígado y los músculos.
Función estructural
La ribosa y la desoxirribosa son carbohidratos que forman parte estructural de los ácidos nucleicos, macromoléculas biológicas de gran importancia en la transmisión genética y síntesis de proteínas.
Los artrópodos tienen un esqueleto exterior (exoesqueleto) que está hecho de quitina. La quitina es un polisacárido de N-acetil-β-d-glucosamina, un azúcar modificado. La quitina también es componente de las paredes celulares en los hongos.
Las pectinas también son polisacáridos estructurales que se encuentran en las paredes celulares de las plantas. Están compuestos de polímeros de ácido galacturónico.
Fuente energética
La glucosa es uno de los carbohidratos más comunes y una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, la energía que se libera de la glucosa se usa para hacer la adenosina trifosfato (ATP), que es la moneda energética para la mayoría de las reacciones celulares.
Función nutricional
Los carbohidratos son parte esencial de la dieta: los granos, las frutas y los vegetales son fuentes naturales de carbohidratos.
Los carbohidratos también poseen elementos insolubles conocidos como fibra. La fibra favorece el movimiento intestinal, regula la absorción de la glucosa y ayuda a remover el colesterol en la dieta.
Función lubricante
El líquido sinovial, líquido que permite el movimiento en las articulaciones, está compuesto por ácido hialurónico. Este glicosaminoglicano se forma por repeticiones de los disacáridos de ácido glucurónico y N-acetil-glucosamina.
Vea también:
Polisacáridos estructurales
celulosa es un componente importante de las paredes celulares de las plantas, que son estructuras rígidas que rodean a las células (y hacen que la lechuga y otras verduras sean crujientes). La madera y el papel se producen en su mayoría a partir de celulosa, la cual se compone de cadenas de monómeros de glucosa sin ramificar unidas a través de enlaces
11
1
1
44
4
4
glucosídicos.
Aunque el almacenamiento de energía es una función importante de los polisacáridos, estos también son fundamentales por otro motivo: proporcionan estructura. Por ejemplo, laes un componente importante de las paredes celulares de las plantas, que son estructuras rígidas que rodean a las células (y hacen que la lechuga y otras verduras sean crujientes). La madera y el papel se producen en su mayoría a partir de celulosa, la cual se compone de cadenas de monómeros de glucosa sin ramificar unidas a través de enlacesglucosídicos.
Las fibras de celulosa y la estructura molecular de la celulosa. La celulosa está compuesta de monómeros de glucosa en forma beta y esto produce una cadena en la que cada monómero está al revés en relación con sus vecinos.
Imagen modificada de OpenStax, Biología
A diferencia de la amilosa, la celulosa se produce a partir de monómeros de glucosa en su forma β, lo cual le confiere propiedades muy diferentes. Como se muestra en la imagen anterior, los monómeros de glucosa de la cadena están invertidos de forma alternada con respecto a sus vecinos, lo cual da como resultado cadenas largas y rectas, no helicoidales, de celulosa. Estas cadenas se juntan para formar haces paralelos que se mantienen unidos por medio de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo
4,5^{4,5}
4
,
5
start superscript, 4, comma, 5, end superscript
. Esto le da a la celulosa su rigidez y gran resistencia a la tracción, que son importantes para las células vegetales.
Las enzimas digestivas humanas no pueden degradar los enlaces β glucosídicos de la celulosa, así que los seres humanos no pueden digerirla (eso no significa que no esté en nuestras dietas, sino simplemente que se procesa como fibra no digerida insoluble). Sin embargo, algunos herbívoros, como las vacas, koalas, búfalos y caballos, tienen microbios especializados que los ayudan a procesar la celulosa. Estos microbios viven en el aparato digestivo y la degradan en monómeros de glucosa que pueden utilizar los animales. Las termitas también degradan la celulosa con la ayuda de microorganismos que viven en sus intestinos.
Imagen de una abeja. El exoesqueleto de una abeja (el duro esqueleto externo) contiene quitina, que está compuesta de unidades de glucosa modificada que tienen un grupo funcional nitrogenado unido a ellas.
Crédito de imagen: Louise Docker
La celulosa es específica de las plantas pero los polisacáridos también juegan un papel estructural importante en especies no vegetales. Por ejemplo, los artrópodos (insectos y crustáceos) tienen un duro esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege sus partes internas más suaves. Este exoesqueleto está hecho de la macromolécula quitina, que se asemeja a la celulosa pero está compuesta de unidades de glucosa modificadas que llevan un grupo funcional que contiene nitrógeno. La quitina también es un componente importante de las paredes celulares de los hongos, que no son ni animales ni plantas sino que forman un reino aparte.
