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Biología I

by admin

La mayoría de las personas están familiarizadas con los carbohidratos, un tipo de macromolécula, especialmente cuando se trata de lo que comemos. Para perder peso, algunas personas se adhieren a dietas» bajas en carbohidratos». Los atletas, por el contrario, a menudo «cargan» antes de las competiciones importantes para asegurarse de que tienen suficiente energía para competir a un alto nivel. Los carbohidratos son, de hecho, una parte esencial de nuestra dieta; los granos, las frutas y las verduras son fuentes naturales de carbohidratos. Los carbohidratos proporcionan energía al cuerpo, particularmente a través de la glucosa, un azúcar simple que es un componente del almidón y un ingrediente en muchos alimentos básicos. Los carbohidratos también tienen otras funciones importantes en humanos, animales y plantas.

Estructuras moleculares

Los carbohidratos pueden representarse por la fórmula estequiométrica (CH2O) n, donde n es el número de carbonos en la molécula. En otras palabras, la proporción de carbono, hidrógeno y oxígeno es de 1:2:1 en las moléculas de carbohidratos. Esta fórmula también explica el origen del término»carbohidratos»: los componentes son carbono («carbo») y los componentes del agua (por lo tanto,»hidratar»). Los carbohidratos se clasifican en tres subtipos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Monosacáridos

Los monosacáridos (mono – = «uno»; sacchar – = «dulce») son azúcares simples, el más común de los cuales es la glucosa. En los monosacáridos, el número de carbonos suele oscilar entre tres y siete. La mayoría de los nombres de monosacáridos terminan con el sufijo-ose. Si el azúcar tiene un grupo aldehído (el grupo funcional con la estructura R-CHO), se le conoce como aldosa, y si tiene un grupo cetona (el grupo funcional con la estructura RC (=O)R’), se le conoce como cetosa. Dependiendo del número de carbonos en el azúcar, también pueden ser conocidos como triosas (tres carbonos), pentosas (cinco carbonos) y o hexosas (seis carbonos). Véase la Figura 1 para una ilustración de los monosacáridos.

Se muestran las estructuras moleculares de gliceraldehído, una aldosa, y dihidroxiacetona, una cetosa. Ambos azúcares tienen una columna vertebral de tres carbonos. El gliceraldehído tiene un grupo carbonilo (c doble unido a O) en un extremo de la cadena de carbono con grupos hidroxilo (OH) unidos a los otros carbonos. La dihidroxiacetona tiene un grupo carbonilo en la mitad de la cadena y grupos alcohólicos en cada extremo. También se muestran las estructuras moleculares de las formas lineales de ribosa, una pentosa, y glucosa, una hexosa. Tanto la ribosa como la glucosa son aldosas con un grupo carbonilo al final de la cadena,y grupos hidroxilo unidos a los otros carbonos.

Figura 1. Los monosacáridos se clasifican en función de la posición de su grupo carbonilo y el número de carbonos en la columna vertebral. Las aldosas tienen un grupo carbonilo (indicado en verde) al final de la cadena de carbono, y las cetosas tienen un grupo carbonilo en el medio de la cadena de carbono. Las triosas, pentosas y hexosas tienen tres, cinco y seis espinas dorsales de carbono, respectivamente.

La fórmula química de la glucosa es C6H12O6. En los seres humanos, la glucosa es una fuente importante de energía. Durante la respiración celular, la energía se libera de la glucosa, y esa energía se usa para ayudar a producir trifosfato de adenosina (ATP). Las plantas sintetizan glucosa utilizando dióxido de carbono y agua, y la glucosa a su vez se utiliza para satisfacer las necesidades de energía de la planta. El exceso de glucosa a menudo se almacena como almidón que es catabolizado (la descomposición de moléculas más grandes por las células) por los humanos y otros animales que se alimentan de plantas.

La galactosa (parte de la lactosa o azúcar de la leche) y la fructosa (parte de la sacarosa o azúcar de frutas) son otros monosacáridos comunes. Aunque la glucosa, la galactosa y la fructosa tienen la misma fórmula química (C6H12O6), difieren estructural y químicamente (y se conocen como isómeros) debido a la diferente disposición de los grupos funcionales alrededor del carbono asimétrico; todos estos monosacáridos tienen más de un carbono asimétrico (Figura 2).

Practice

Se muestran las estructuras moleculares de las formas lineales de glucosa, galactosa y fructosa. La glucosa y la galactosa son aldosas con un grupo carbonilo (carbono unido al oxígeno) en un extremo de la molécula. A cada uno de los otros residuos se une un grupo hidroxilo (OH). En la glucosa, el grupo hidroxilo unido al segundo carbono está en el lado izquierdo de la estructura molecular y todos los demás grupos hidroxilo están a la derecha. En la galactosa, los grupos hidroxilo unidos al tercer y cuarto carbono están a la izquierda, y los grupos hidroxilo unidos al segundo, quinto y sexto carbono están a la derecha. La frucosa es una cetosa con C doble unida a O en el segundo carbono. Todos los demás carbonos tienen grupos hidroxilos asociados con ellos. El grupo hidroxilo asociado con el tercer carbono está a la izquierda, y todos los demás grupos hidroxilo están a la derecha.

Figura 2. La glucosa, la galactosa y la fructosa son todas hexosas. Son isómeros estructurales, lo que significa que tienen la misma fórmula química (C6H12O6) pero una disposición diferente de átomos.

¿Qué tipo de azúcares son estos, aldosa o cetosa?

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La glucosa y la galactosa son aldosas. La fructosa es una cetosa.

Los monosacáridos pueden existir como una cadena lineal o como moléculas en forma de anillo; en soluciones acuosas, generalmente se encuentran en forma de anillo (Figura 3). La glucosa en forma de anillo puede tener dos arreglos diferentes del grupo hidroxilo (-OH) alrededor del carbono anomérico (carbono 1 que se vuelve asimétrico en el proceso de formación de anillos). Si el grupo hidroxilo está por debajo del carbono número 1 en el azúcar, se dice que está en la posición alfa (α), y si está por encima del plano, se dice que está en la posición beta (β).

Se muestra la conversión de glucosa entre formas lineales y anulares. El anillo de glucosa tiene cinco carbonos y un oxígeno. En la glucosa alfa, el primer grupo hidroxilo está bloqueado en una posición hacia abajo, y en la glucosa beta, el anillo está bloqueado en una posición hacia arriba. También se muestran estructuras para formas de anillo de ribosa y fructosa. Ambos azúcares tienen un anillo con cuatro carbonos y un oxígeno.

Figura 3. Cinco y seis monosacáridos de carbono existen en equilibrio entre formas lineales y anulares. Cuando se forma el anillo, la cadena lateral sobre la que se cierra se bloquea en una posición α o β. La fructosa y la ribosa también forman anillos, aunque forman anillos de cinco miembros en lugar del anillo de seis miembros de la glucosa.

Disacáridos

Disacáridos (di – = «dos») se forman cuando dos monosacáridos experimentan una reacción de deshidratación (también conocida como síntesis de deshidratación). Durante este proceso, el grupo hidroxilo de un monosacárido se combina con el hidrógeno de otro monosacárido, liberando una molécula de agua y formando un enlace covalente. Un enlace covalente formado entre una molécula de carbohidratos y otra molécula (en este caso, entre dos monosacáridos) se conoce como enlace glucosídico (Figura 4). Los enlaces glucosídicos (también llamados enlaces glucosídicos) pueden ser de tipo alfa o beta.

Se muestra la formación de sacarosa a partir de glucosa y fructosa. En la sacarosa, el carbono número uno del anillo de glucosa está conectado al carbono número dos de la fructosa a través de un oxígeno.

Figura 4. La sacarosa se forma cuando un monómero de glucosa y un monómero de fructosa se unen en una reacción de deshidratación para formar un enlace glucosídico. En el proceso, se pierde una molécula de agua. Por convención, los átomos de carbono en un monosacárido se numeran a partir del carbono terminal más cercano al grupo carbonilo. En la sacarosa, se forma un enlace glucosídico entre el carbono 1 en la glucosa y el carbono 2 en la fructosa.

Los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa (Figura 5). La lactosa es un disacárido compuesto por los monómeros glucosa y galactosa. Se encuentra naturalmente en la leche. La maltosa, o azúcar de malta, es un disacárido formado por una reacción de deshidratación entre dos moléculas de glucosa. El disacárido más común es la sacarosa, o azúcar de mesa, que se compone de los monómeros glucosa y fructosa.

Se muestran las estructuras químicas de la maltosa, la lactosa y la sacarosa. Tanto la maltosa como la lactosa están hechas de dos monómeros de glucosa unidos en forma de anillo. En la maltosa, el oxígeno en el enlace glucosídico apunta hacia abajo. En la lactosa, el oxígeno en el enlace glucosídico apunta hacia arriba. La sacarosa está hecha de monómeros de glucosa y fructosa. El oxígeno en el enlace glucosídico apunta hacia abajo.

Figura 5. Los disacáridos comunes incluyen maltosa (azúcar de grano), lactosa (azúcar de leche) y sacarosa (azúcar de mesa).

Polisacáridos

Una larga cadena de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos se conoce como polisacárido (poly– = «muchos»). La cadena puede ser ramificada o no ramificada, y puede contener diferentes tipos de monosacáridos. El peso molecular puede ser de 100.000 daltons o más dependiendo del número de monómeros unidos. El almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina son ejemplos primarios de polisacáridos.

El almidón es la forma almacenada de azúcares en las plantas y se compone de una mezcla de amilosa y amilopectina (ambos polímeros de glucosa). Las plantas son capaces de sintetizar glucosa, y el exceso de glucosa, más allá de las necesidades energéticas inmediatas de la planta, se almacena como almidón en diferentes partes de la planta, incluidas las raíces y las semillas. El almidón en las semillas proporciona alimento para el embrión a medida que germina y también puede actuar como fuente de alimento para humanos y animales. El almidón que consumen los seres humanos es descompuesto por enzimas, como las amilasas salivales, en moléculas más pequeñas, como la maltosa y la glucosa. Las células pueden absorber la glucosa.

El almidón se compone de monómeros de glucosa que se unen por enlaces glucosídicos α 1-4 o α 1-6. Los números 1-4 y 1-6 se refieren al número de carbono de los dos residuos que se han unido para formar el enlace. Como se ilustra en la Figura 6, la amilosa es almidón formado por cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa (solo enlaces α 1-4), mientras que la amilopectina es un polisacárido ramificado (enlaces α 1-6 en los puntos de ramificación).

Se muestran las estructuras químicas de la amilosa y la amilopectina. La amilosa consiste en cadenas no ramificadas de subunidades de glucosa, y la amilopectina consiste en cadenas ramificadas de subunidades de glucosa.

Figura 6. La amilosa y la amilopectina son dos formas diferentes de almidón. La amilosa se compone de cadenas no ramificadas de monómeros de glucosa conectados por enlaces glucosídicos α 1,4. La amilopectina se compone de cadenas ramificadas de monómeros de glucosa conectados por enlaces glucosídicos α 1,4 y α 1,6. Debido a la forma en que se unen las subunidades, las cadenas de glucosa tienen una estructura helicoidal. El glucógeno (no se muestra) es de estructura similar a la amilopectina, pero más ramificado.

El glucógeno es la forma de almacenamiento de glucosa en humanos y otros vertebrados y se compone de monómeros de glucosa. El glucógeno es el equivalente animal del almidón y es una molécula altamente ramificada que generalmente se almacena en el hígado y las células musculares. Cuando los niveles de glucosa en sangre disminuyen, el glucógeno se descompone para liberar glucosa en un proceso conocido como glucogenólisis.

La celulosa es el biopolímero natural más abundante. La pared celular de las plantas está hecha principalmente de celulosa; esto proporciona soporte estructural a la célula. La madera y el papel son en su mayoría de naturaleza celulósica. La celulosa se compone de monómeros de glucosa que están unidos por enlaces glucosídicos β 1-4 (Figura 7).

La estructura química de la celulosa se muestra. La celulosa consiste en cadenas no ramificadas de subunidades de glucosa.

Figura 7. En la celulosa, los monómeros de glucosa están unidos en cadenas no ramificadas por enlaces glucosídicos β 1-4. Debido a la forma en que se unen las subunidades de glucosa, cada monómero de glucosa se voltea en relación con el siguiente, lo que resulta en una estructura fibrosa lineal.

Como se muestra en la Figura 7, todos los demás monómeros de glucosa en celulosa se voltean, y los monómeros se empaquetan firmemente como cadenas largas extendidas. Esto le da a la celulosa su rigidez y alta resistencia a la tracción, que es tan importante para las células vegetales. Mientras que el enlace β 1-4 no puede ser descompuesto por enzimas digestivas humanas, los herbívoros como vacas, koalas, búfalos y caballos pueden, con la ayuda de la flora especializada en su estómago, digerir material vegetal rico en celulosa y usarlo como fuente de alimento. En estos animales, ciertas especies de bacterias y protistas residen en el rumen (parte del sistema digestivo de los herbívoros) y secretan la enzima celulasa. El apéndice de los animales de pastoreo también contiene bacterias que digieren la celulosa, lo que le da un papel importante en el sistema digestivo de los rumiantes. Las celulasas pueden descomponer la celulosa en monómeros de glucosa que el animal puede usar como fuente de energía. Las termitas también son capaces de descomponer la celulosa debido a la presencia de otros organismos en sus cuerpos que secretan celulasas.

Una fotografía muestra a una abeja en vuelo, obteniendo néctar de una flor.

Figura 8. Los insectos tienen un exoesqueleto externo duro hecho de quitina, un tipo de polisacárido. (crédito: Louise Docker)

Los carbohidratos cumplen varias funciones en diferentes animales. Los artrópodos (insectos, crustáceos y otros) tienen un esqueleto externo, llamado exoesqueleto, que protege sus partes internas del cuerpo (como se ve en la abeja en la Figura 8). Este exoesqueleto está hecho de la macromolécula biológica quitina, que es un nitrógeno que contiene polisacáridos. Está hecho de unidades repetitivas de N-acetil-β-d-glucosamina, un azúcar modificado. La quitina también es un componente importante de las paredes celulares de los hongos; los hongos no son animales ni plantas y forman un reino propio en el dominio Eukarya.

Resumen de la sección

Los carbohidratos son un grupo de macromoléculas que son una fuente de energía vital para la célula y proporcionan soporte estructural a las células de las plantas, los hongos y todos los artrópodos que incluyen langostas, cangrejos, camarones, insectos y arañas. Los carbohidratos se clasifican como monosacáridos, disacáridos y polisacáridos dependiendo del número de monómeros en la molécula. Los monosacáridos están unidos por enlaces glucosídicos que se forman como resultado de reacciones de deshidratación, formando disacáridos y polisacáridos con la eliminación de una molécula de agua para cada enlace formado. La glucosa, la galactosa y la fructosa son monosacáridos comunes, mientras que los disacáridos comunes incluyen lactosa, maltosa y sacarosa. El almidón y el glucógeno, ejemplos de polisacáridos, son las formas de almacenamiento de glucosa en plantas y animales, respectivamente. Las largas cadenas de polisacáridos pueden ser ramificadas o no ramificadas. La celulosa es un ejemplo de polisacárido no ramificado, mientras que la amilopectina, un componente del almidón, es una molécula muy ramificada. El almacenamiento de glucosa, en forma de polímeros como el almidón de glucógeno, la hace ligeramente menos accesible para el metabolismo; sin embargo, esto evita que se escape de la célula o cree una alta presión osmótica que podría causar una absorción excesiva de agua por la célula.

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