APUNTES DE BIOQUÍMICA

4 GENERALIDADES DE CARBOHIDRATOS E INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO

Julián Alonso Chamucero Millares1

L

os carbohidratos o hidratos de carbono, son biomoléculas que en términos generales obedecen a la fórmula química (CH20)n. Reciben también el nombre de sacáridos por el origen griego de la palabra sakcharon que significa azúcar. Estas biomoléculas constituyen un porcentaje muy importante de la biosfera y cumplen diversas funciones estructurales, energéticas, de almacenamiento, entre otras. La primera aproximación es su clasificación en dos grandes grupos de acuerdo a la susceptibilidad de hidrólisis de los compuestos para la obtención de moléculas más simples:

M

onosacáridos

Los monosacáridos son los azúcares más simples y se encuentran formados por unidades monoméricas sencillas, las cuales obedecen la fórmula química característica de un hidrato de carbono y donde el valor de n más bajo es igual a 3. En otros términos, podemos designar los monosacáridos como aldehídos y cetonas con grupos hidroxilo unidos a su cadena. Recordemos que los aldehídos y las cetonas son compuestos orgánicos derivados del grupo carbonilo y que siguen la siguiente estructura:

1. Carbohidratos simples: aquellos que están conformados por una sola unidad monomérica. 2. Carbohidratos complejos: hace referencia a todos aquellos azúcares que contienen dos o más unidades monoméricas y que por lo tanto pueden ser hidrolizadas. Con base en estas estructuras y teniendo en cuenta que n = 3, los monosacáridos más pequeños se denominan triosas, de los cuales tenemos dos: el gliceraldehido y la dihidroxiacetona2. 1

Médico Interno. Internado con énfasis en investigación. Laboratorio de Biomiméticos – Instituto de Biotecnología. Universidad Nacional de Colombia. 2012

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Teniendo en cuenta que sin derivados de los aldehídos y las cetonas, se nombran las familias de monosacáridos como aldosas y cetosas

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Para intentar reconocer la configuración espacial de las moléculas, se han adoptados nomenclaturas en diferentes sistemas de proyección: Proyección en Perspectiva  

El gliceraldehído y la dihidroxiacetona son isómeros estructurales que pueden interconvertirse uno con otro mediante la formación de un intermediario inestable llamado enediol3. Los tautómeros son esta clase de compuestos con isomería estructural. Además, el carbono – 2 de ambas moléculas hace que se comporten como enantiómeros; es decir, con isomería óptica reconocida como imágenes especulares no superponibles y que desvían el plano de la luz polarizada, por lo que existen ambos tipos de monosacáridos: los D y los L; no obstante, es importante reconocer que son más abundantes y con mayor importancia en la naturaleza los tipo D o dextrógiros.

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Las flechas discontinuas indican que los átomos se dirigen hacía el fondo. Las flechas continuas o rellenas reflejan que los átomos se dirigen hacia el lector

Proyección de Fischer 



Las líneas horizontales corresponden a las flechas continuas; es decir, indican que los átomos van hacia arriba. Las líneas verticales son a la par de las flechas discontinuas e indican que los átomos se dirigen hacia abajo.

Si aumentamos el valor de n por encima de 3, los monosacáridos presentan más de un carbono quiral y pasan a llamarse diastereómeros, dónde: n centros quirales = 2n esteroisómeros 3

Recordemos que la enzima que cataliza dicha reacción de interconversión es la triosa fosfato isomerasa. Véase “Apuntes de Bioquímica 3: Enzimas” para estudiar el mecanismo de acción.

Por lo que en el caso de las tetrosas, tendremos 4 esteroisómeros, dos de la

forma D y dos de la forma L como vemos a continuación:

reciben el nombre de furanosas y en el caso de las hexosas se llaman piranosas4.

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Cuando llegamos al valor de n de 5 o de 6, nos damos cuenta que estas estructuras – las pentosas y las hexosas – tienen la posibilidad de formar conformaciones de anillos estables. Esta reacción ocurre por la característica propia de las funciones aldehído y cetona. Los aldehídos reaccionan con los alcoholes para formar hemiacetales y las cetonas de igual reacción forman hemicetales.

En los monosacáridos estas reacciones ocurren entre el C1 o el C2 – que son los que tienen la función química aldehído y cetona respectivamente – con el grupo OH del carbono 5 o 6 – el cual actúa como función alcohol. El resultado de la reacción es la formación de dos estructuras cíclicas estables que para el caso de las pentosas

.

En disoluciones a pH fisiológico aproximadamente un 99% de las pentosas y las hexosas se encuentran en estructura de anillo. Ahora bien, un análisis más detallado de la estructura nos permite reconocer que el C1 de la configuración cíclica se comporta como otro carbono quiral con igual capacidad de desviar en el plano la luz polarizada, por lo que estas estructuras cíclicas tienen dos isómeros diferentes denotados por las letras α y β. Para determinar ambos isómeros podemos tener en cuenta la posición del grupo hidroxilo [OH] respecto al CH2OH del carbono 5. Si ambos grupos se encuentran en posición cis – al mismo lado del anillo – la configuración será β, y por el contrario si el CH2OH está 4

Estos azúcares se denomina así, ya que la estructura cíclica que se forma por la organización intramolecular de los hemiacetales y los hemicetales semeja la estructura de los éteres cíclicos de 5 y 6 puntas conocidos como furano y pirano respectivamente:

en posición trans respecto al OH se tendrá un isómero α.

y el gliceraldehído – 3 – fosfato son intermediarios muy importantes en las rutas metabólicas de los carbohidratos.

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Con esta descripción y los diferentes estudios experimentales sabemos que los monosacáridos más abundantes e importantes son las hexosas [glucosa y fructosa, y en menor medida la galactosa y la manosa] en su configuración β – D.

D

erivados de monosacáridos

los

Como hemos visto, los monosacáridos tienen grupos hidroxilo que pueden reaccionar con diferentes grupos funcionales, lo que da lugar a la existencia de derivados con importancia biológica: 1. Ésteres fosfato: Los ésteres al igual que los aldehídos y las cetonas son derivados del grupo carbonilo. Allí el R’ que define el grupo éster está dado por el grupo fosfato del CH2OH. Esto quiere decir que ocurre una reacción de fosforilación del monosacárido, bajo la cual, una molécula de ATP dona un grupo fosfato al azúcar. Éstos derivados tales como la glucosa – 6 – fosfato

2. Alditoles: son compuestos derivados de una reacción de reducción del grupo carbonilo del azúcar. Entre los más importantes encontramos el manitol y el sorbitol. El sorbitol es hoy en día ampliamente difundido como un edulcorante bajo en calorías mientras que el manitol es utilizado en medicina en los casos agudos de trauma craneoencefálico para disminuir la hipertensión intracraneana. 3. Aminoazúcares: Son monosacáridos a los cuales se les ha adiciona un grupo amino [NH2]. Entre ellos tenemos la glucosamina y la galactosamina.

O

ligosacáridos

obtiene de plantas como la caña de azúcar. La formación de este disacárido ocurre entre la glucosa y la fructosa, y participan ambos grupos quirales por lo que la sucrosa es un azúcar no reductor.

Los oligosacáridos son polímeros cortos de azúcar y se forman por la reacción de condensación entre dos unidades monoméricas a través de la creación de un enlace glucosídico que se caracteriza por:  

 



Se forma en una reacción de condensación o deshidratación Participa el grupo hidroxilo [OH] del carbono quiral [ C1] de uno de los monómeros y el átomo de H de otro carbono del segundo monómero participante de la reacción. La reacción puede ocurrir entre monómeros iguales o diferentes. La formación del enlace puede involucrar ambos carbonos quirales, lo cual permite diferenciar los azúcares reductores de los no reductores. La reacción está termodinámicamente desfavorecida con un ΔG°ǂ = +15 Kj/mol por lo que se requieren de enzimas específicas que catalicen la formación del enlace.

De las longitudes posibles menores de 20 unidades monoméricas, los disacáridos constituyen los oligosacáridos más importantes y abundantes, a saber: 

Sucrosa: es la más conocida ya que se usa como azúcar de mesa y se

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

Lactosa: es el azúcar presente en la leche. Está formado por la unión de glucosa y galactosa y puede ser hidrolizado por la lactasa humana.



Maltosa: también conocida como azúcar de malta, es un disacárido formado por dos monómeros de glucosa y se obtiene de los granos de cebada o como producto de la hidrólisis del glucógeno o el almidón.

Los siguientes polisacáridos:

son

ejemplos

de

Estructurales: 

P

olisacáridos

Celulosa: es un homopolisacárido formado por unidades de glucosa. La celulosa se encuentra en las plantas leñosas como el algodón y se considera el polímero más abundante en toda la biosfera. El enlace glucosídico ocurre en isómeros β de glucosa en los carbonos 1 a 4.

Los polisacáridos o glicanos son cadenas conformadas por más de 20 unidades de monosacáridos, se reconocen dos tipos de secuencia: 1. Homopolisacáridos: Se forman por unidades repetidas del mismo monosacárido. 2. Heteropolisacáridos: la secuencia contiene unidades de diferentes monosacáridos.



Quitina: es un homopolisacárido formado por unidades de N – acetil – β – D – glucosamina. Hace parte del citoesqueleto de animales invertebrados.

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De almacenamiento: 



Almidón: es un polímero de α – D – glucopiranosa y funciona como sitio de almacenamiento de monómeros de glucosa en los vegetales. Glucógeno: tienen la misma composición monomérica del almidón pero difiere de éste por el tipo de enlace entre los residuos de glucosa. Tiene una estructura lineal con enlaces O – glucosídico α 1 – 4 mientras que las ramificaciones se forman por enlaces tipo O – glucosídico α 1 – 6. El glucógeno es la principal fuente de reserva energética de los mamíferos y se encuentra en el hígado y en el músculo.

Glucosaminoglicanos Los glucosaminoglicanos son los azúcares estructurales de los animales vertebrados y constituyen la Matriz Extracelular de muchos tejidos. En el cartílago, por ejemplo, los glucosaminoglicanos más importantes son el condroitín sulfato y el queratán sulfato que se forman por unidades repetitivas de N – acetilgalactosamina y N – acetilglucosamina, los cuales son monosacáridos ácidos por la presencia de grupos sulfato.

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Glucoconjugados Son macromoléculas conformadas por unidades de sacáridos, disacáridos o glicanos y otras biomoléculas como las proteínas y los lípidos [los glucolípidos se tratarán en otra guía]: Glucoproteínas: corresponden a cerca del 50% de todas las proteínas eucariotas, las cuales presentan uniones covalentes con oligosacáridos. Esta clase de proteínas están presentes en la membrana plasmática, en la matriz extracelular e incluso en la sangre. Recordemos que el sistema de clasificación de los grupos sanguíneos ABO el cual se basa en el reconocimiento de oligosacáridos específicos: el grupo O tiene el llamado oligosacárido O, mientras que los grupos A y B se determinan por la adición enzimática de N – acetilgalactosamina y de galactosa respectivamente. Se reconocen dos tipos de enlaces covalentes en las glucoproteínas desde un extremo que incluye la N- acetilgalactosamina. :

a. Glucanos con enlace N: el oligosacárido se une al grupo amida de la cadena lateral de la asparagina. b. Glucanos con enlace O: el oligosacárido se une al grupo hidroxilo de un residuo de serina o treonina.

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T

racto gastrointestinal proceso digestivo

y

El metabolismo se define como el conjunto de reacciones bioquímicas que ocurren en células específicas para la transformación de biocompuestos con finalidades energéticas. Los procesos metabólicos se pueden dividir en dos procesos: 1. Catabolismo: incluye una serie de reacciones que permite degradar moléculas grandes para la liberación de energía. 2. Anabolismo: es un proceso que permite la formación de macromoléculas a partir de sus componentes monoméricos y en general implica gasto de energía. Teniendo en cuenta que todo proceso metabólico requiere la obtención de moléculas con capacidad de entrada a las células, se hace necesario un proceso digestivo que degrada los componentes de los alimentos que consumimos. Vamos a comenzar este viaje del metabolismo imaginando el recorrido que hace un plato de spaghetti con fruti di mare con salsa tartara el cual contiene

carbohidratos, lípidos y proteínas. El viaje comienza cuando el alimento se ingiere por la boca y durante un corto período de tiempo es macerado en partículas pequeñas por los dientes e insalivado por la saliva producida por las glándulas parótida, submaxilar y sublingual. La saliva es un compuesto líquido y coloro que entre otras sustancias incluye agua sales, una glucoproteína llamada mucina que actúa como lubricante y varias enzimas entre las que se encuentra la amilasa salival. La amilasa salival es una enzima del tipo hidrolasa que cataliza la reacción de hidrólisis del enlace glucosídico 1-4 presente en el almidón y por el cual se forman moléculas del disacárido maltosa. Paso seguido ocurre la deglución del alimento, el cual baja por la faringe y el esófago gracias a la secreción de mucina y los movimientos peristálticos de la musculatura de estas estructuras, pasa por el esfínter de cardias e ingresa al estómago. El estómago está tapizado por las glándulas gástricas que son estimuladas por una hormona llama gastrina. Estas glándulas están formadas por 3 tipos de células diferentes: 





Las células parietales son las encargadas de la síntesis del ácido clorhídrico [HCl] el cual a) destruyendo las bacterias del bolo alimenticio que hayan sobrevivido a la lisozima salival, b) tiene acción antipútrida, c) inactiva la amilasa salival y d) activa la pepsina Las células principales sintetizan y secretan el pepsinógeno, un zimógeno de la pepsina que se activa al contacto con el ácido clorhídrico. La pepsina es una enzima que actúa de manera similar a la tripsina y a la quimotripsina catalizando la reacción de hidrólisis del enlace peptídico en las proteínas con la subsecuente liberación de los aminoácidos. Las células secretoras de moco sintetizan mucina que recubre y protege el epitelio estomacal.

Otra de las enzimas secretadas por las glándulas gástricas y que hacen parte del jugo gástrico es la lipasa gástrica que como su nombre lo indica actúa degradando los lípidos como los triglicéridos en diacilgliceroles. La acción del jugo gástrico transforma el bolo alimenticio en un líquido espeso y grisáceo que recibe el nombre de quimo. El quilo pasa a través del esfínter pilórico hacia el duodeno donde continúa su procesamiento gracias a la acción del jugo pancreático, un líquido incoloro y viscoso que contiene:  





Bicarbonato de sodio [NaHCO3] cuya función es neutralizar la acidez del jugo gástrico. La enzima lipasa pancreática que actúa sobre la hidrólisis de los diacilgliceroles y los transforma en monoacilgliceroles. Las enzimas tripsina y quimotripsina que continúan hidrolizando los polipéptidos en oligopéptidos. Carboxipeptidasas, que son enzimas del tipo proteasas que hidrolizan los enlaces peptídicos en el extremo carboxi terminal.

Dado que los lípidos son insolubles en agua, la bilis, almacenada en la vesícula biliar, es secretada al duodeno donde emulsifica las grasas para aumentar el efecto de las enzimas pancreáticas sobre ellos. Recordemos que la bilis es un líquido amarillo-verdoso por su contenido de bilirrubina y biliverdina, componentes resultantes de la degradación hepática de los glóbulos rojos.

Finalmente, en el borde de cepillo de las microvellosidades intestinales se encuentran las disacaridasas, gracias a las cuales se obtienen los monosacáridos que son capaces de ingresar de la luz intestinal a los enterocitos intestinales:

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  

Maltasa: rompe los enlaces de la maltosa y se obtienen monómeros de glucosa. Sacarasa: hidroliza la sacarosa y se obtienen glucosa y fructosa. Lactasa: rompe la lactosa en sus constituyentes glucosa y galactosa

La erepsina también hace parte del jugo intestinal y es la enzima encargada de hidrolizar los péptidos cortos en aminoácidos libres. La fase digestiva concluye en el intestino con la separación del quimo en dos componentes: 1. Excremento: continúa su tránsito hacia el intestino grueso donde se reabsorbe más del 90% de agua y se forma la materia fecal que será expulsada. 2. Quilo: líquido lechoso con sustancias nutritivas Del quilo, los ácidos grasos libres y el glicerol pasan de la luz intestinal a los enterocitos donde son conjugados nuevamente para la formación de triglicéridos, los cuales posterior a su síntesis pasan a los vasos quilíferos y conducidos al sistema linfático. Por su parte, los aminoácidos y los monosacáridos pasan a los capilares intestinales y son conducidos por el sistema porta – hepático hacia el hígado y hacia la circulación general por la vena cava inferior. El sistema circulatorio distribuye los nutrientes a los diferentes tejidos donde son metabolizados para usos específicos.

Bibliografía

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