CAPÍTULO 15: Carbohidratos importantes desde el punto de vista fisiológico

Los carbohidratos están ampliamente distribuidos en vegetales y animales; tienen importantes funciones estructurales y metabólicas. En los vegetales, la glucosa se sintetiza a partir de dióxido de carbono y agua por medio de fotosíntesis, y es almacenada como almidón o usada para sintetizar la celulosa de las paredes de las células vegetales. Los animales pueden sintetizar carbohidratos a partir de aminoácidos, pero casi todos se derivan finalmente de vegetales. La glucosa es el carbohidrato más importante; casi todo el carbohidrato de la dieta se absorbe hacia el torrente sanguíneo como glucosa formada mediante hidrólisis del almidón y los disacáridos de la dieta, y otros azúcares se convierten en glucosa en el hígado. La glucosa es el principal combustible metabólico de mamíferos (excepto de los rumiantes), y un combustible universal del feto. Es el precursor para la síntesis de todos los otros carbohidratos en el cuerpo, incluso glucógeno para almacenamiento; ribosa y desoxirribosa en ácidos nucleicos; galactosa en la síntesis de la lactosa de la leche, en glucolípidos, y en combinación con proteína en glucoproteínas (capítulo 46) y proteoglucanos. Las enfermedades relacionadas con el metabolismo de los carbohidratos son diabetes mellitus, galactosemia, enfermedades por depósito de glucógeno, e intolerancia a la lactosa.

La glucobiología es el estudio de las funciones de los azúcares en la salud y la enfermedad. El glucoma es la totalidad de azúcares de un organismo, sea libre o presente en moléculas más complejas. La glucómica, un término análogo a la genómica y proteómica, es el estudio integral de glucomas, incluso aspectos genéticos, fisiológicos, patológicos y otros.

Un número muy grande de enlaces glucósido puede formarse entre azúcares. Por ejemplo, tres hexosas diferentes pueden ser enlazadas entre sí para formar más de 1 000 trisacáridos diferentes. Las conformaciones de los azúcares en cadenas de oligosacáridos varían en función de sus enlaces y proximidad a otras moléculas con las cuales los oligosacáridos pueden interactuar. Las cadenas de oligosacáridos codifican para información biológica, y esto depende de sus azúcares constituyentes, sus secuencias, y sus enlaces.

Los carbohidratos se clasifican como sigue:

1. Los monosacáridos son los azúcares que no se pueden hidrolizar hacia carbohidratos más simples. Pueden clasificarse como triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas, dependiendo del número de átomos de carbono (3-7), y como aldosas o cetosas, dependiendo de si tienen un grupo aldehído o cetona. En el cuadro 15-1 se listan ejemplos. Además de aldehídos y cetonas, los alcoholes polihídricos (alcoholes azúcar o polioles), en los cuales el grupo aldehído o cetona se ha reducido a un grupo alcohol, también se encuentran de modo natural en los alimentos. Son sintetizados por medio de reducción de monosacáridos para uso en la manufactura de alimentos para reducción de peso, y para diabéticos. Se absorben poco y tienen alrededor de la mitad del rendimiento de energía de los azúcares.

2. Los disacáridos son productos de condensación de dos unidades de monosacárido; los ejemplos son lactosa, maltosa, isomaltosa, sacarosa y trehalosa.

3. Los oligosacáridos son productos de condensación de 3 a 10 monosacáridos. Casi ninguno es digerido por las enzimas del ser humano.

4. Los polisacáridos son productos de condensación de más de 10 unidades de monosacáridos; los ejemplos son los almidones y las dextrinas, que pueden ser polímeros lineales o ramificados. Los polisacáridos a veces se clasifican como hexosanos o pentosanos, dependiendo de la identidad de los monosacáridos que los constituyen (hexosas y pentosas, respectivamente). Además de almidones y dextrinas, los alimentos contienen una amplia variedad de otros polisacáridos que se conocen en conjunto como polisacáridos no almidón; las enzimas de ser humano no los digieren, y son el principal componente de la fibra en la dieta. Los ejemplos son celulosa (un polímero de glucosa; figura 15-13) de paredes de células vegetales, e inulina (un polímero de fructosa; figura 15-13), el carbohidrato de almacenamiento en algunos vegetales.

La estructura de la glucosa puede representarse de tres maneras

La fórmula estructural de cadena recta (aldohexosa; figura 15-1A) puede explicar algunas de las propiedades de la glucosa, pero una estructura cíclica (un hemiacetal formado por reacción entre el grupo aldehído y un grupo hidroxilo) es favorecida en el aspecto termodinámico y explica otras propiedades. La estructura cíclica normalmente se dibuja como se muestra en la figura 15-1B, la proyección de Haworth, en la cual la molécula se ve desde el lado y por arriba del plano del anillo; los enlaces más cercanos al observador son marcados y engrosados, y los grupos hidroxilo están por arriba o por debajo del plano del anillo. En esta figura no se muestran los átomos de hidrógeno fijos a cada carbono. El anillo en realidad tiene forma de una silla (figura 15-1C).

Los azúcares muestran diversas formas de isomerismo

La glucosa, con cuatro átomos de carbono asimétricos, puede formar 16 isómeros. Los tipos de isomerismo de mayor importancia encontrados con la glucosa son:

1. Isomerismo d y l. La designación de un isómero de azúcar como la forma d o su imagen en espejo como la forma l está determinada por su relación espacial con el compuesto original de los carbohidratos, el azúcar de tres carbonos glicerosa (gliceraldehído). En la figura 15-2 se muestran las formas l y d de este azúcar, y de la glucosa. La orientación de los grupos —H y —OH alrededor del átomo de carbono adyacente al carbono alcohol primario terminal (carbón 5 en la glucosa) determina si el azúcar pertenece a la serie d o l. Cuando el grupo —OH en dicho carbono está a la derecha (figura 15-2), el azúcar es el isómero d; cuando está a la izquierda, es el isómero l. Casi todos los monosacáridos que se encuentran en mamíferos son azúcares d, y las enzimas de las cuales depende su metabolismo son específicas para esta configuración.

2. La presencia de átomos de carbono asimétricos también confiere actividad óptica al compuesto. Cuando un haz de luz polarizada por plano se hace pasar a través de una solución de un isómero óptico, rota hacia la derecha (es dextrorrotatorio [+]), o hacia la izquierda (es levorrotatorio [−]). La dirección de rotación de luz polarizada es independiente de la estereoquímica del azúcar, de modo que puede designarse d(–), d(+), l(−) o l(+); por ejemplo, la forma de fructosa que existe de manera natural es el isómero d(−). Dextrorrotatorio (+) en alguna época se denominó d-, y levorrotatorio (−) l-, lo cual genera confusión. Esta nomenclatura es obsoleta, pero puede encontrarse a veces; no se relaciona con el isomerismo d y l. En solución, la glucosa es dextrorrotatoria y las soluciones de glucosa a veces se conocen como dextrosa.

3. Estructuras en anillo piranosa y furanosa. Las estructuras en anillo de monosacáridos son similares a las estructuras en anillo de pirano (un anillo de seis miembros) o furano (un anillo de cinco miembros) (figuras 15-3 y 15-4). Para la glucosa en solución, más de 99% está en la forma de piranosa.

4. Anómeros α y β. La estructura en anillo de una aldosa es hemiacetal, porque se forma por la reacción entre un grupo aldehído y un alcohol. De modo similar, la estructura en anillo de una cetosa es un hemicetal. La glucosa cristalina es α-d-glucopiranosa. La estructura cíclica se retiene en solución, pero ocurre isomerismo alrededor de la posición 1, el carbonilo o átomo de carbono anomérico, para dar una mezcla de α-glucopiranosa (38%) y β-glucopiranosa (62%). Menos de 0.3% está representado por anómeros α y β de glucofuranosa.

5. Epímeros. Los isómeros que difieren como resultado de variaciones de configuración del –OH y –H en los átomos de carbono 2, 3 y 4 de la glucosa, se conocen como epímeros. Desde el punto de vista biológico, los epímeros de mayor importancia de la glucosa son manosa (epimerizada en el carbono 2) y galactosa (epimerizada en el carbono 4) (figura 15-5).

6. Isomerismo de aldosa-cetosa. La fructosa tiene la misma fórmula molecular que la glucosa, pero difieren en su estructura, porque hay un grupo ceto potencial en la posición 2, el carbono anomérico de la fructosa, mientras que hay un grupo aldehído potencial en la posición 1, el carbono anomérico de la glucosa En las figuras 15-6 y 15-7 se muestran ejemplos de azúcares aldosa y cetosa. Desde el punto de vista químico, las aldosas son compuestos reductores y a veces se conocen como azúcares reductores. Esto proporciona la base para una prueba química simple para glucosa en orina en pacientes con diabetes mellitus mal controlada, mediante reducción de una solución de cobre alcalina (capítulo 48).

Muchos monosacáridos son importantes en el aspecto fisiológico

Los derivados de triosas, tetrosas y pentosas, y de un azúcar de siete carbonos (sedoheptulosa) se forman como intermediarios metabólicos en la glucólisis (capítulo 17) y la vía de la pentosa fosfato (capítulo 20). Las pentosas son importantes en nucleótidos, ácidos nucleicos y varias coenzimas (cuadro 15-2). La glucosa, galactosa, fructosa y manosa son las hexosas de mayor importancia fisiológica (cuadro 15-3). Las cetosas importantes desde el punto de vista bioquímico se muestran en la figura 15-6, y las aldosas, en la figura 15-7.

Además, los derivados de la glucosa, del ácido carboxílico, son importantes, entre ellos el D-glucuronato (para la formación de glucurónido y en glucosaminoglucanos) y su derivado metabólico, l-iduronato (en glucosaminoglucanos) (figura 15-8) y l-gulonato (un intermediario de la vía del ácido urónico; figura 20-4).

Los azúcares forman glucósidos con otros compuestos y entre sí

Los glucósidos se forman por condensación entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido, y un segundo compuesto que puede ser otro monosacárido o, en el caso de una aglucona, no es un azúcar. Si el segundo grupo es un hidroxilo, el enlace O-glucosídico es un enlace acetal porque se produce por una reacción entre un grupo hemiacetal (formado a partir de un aldehído y un grupo —OH) y otro grupo —OH. Si la porción hemiacetal es glucosa, el compuesto resultante es un glucósido; si es galactosa, un galactósido, y así sucesivamente. Si el segundo grupo es una amina, se forma un enlace N-glucosídico, por ejemplo, entre adenina y ribosa en nucleótidos como ATP (figura 11-4).

Los glucósidos están ampliamente distribuidos en la Naturaleza; la aglucona puede ser metanol, glicerol, un esterol, un fenol, o una base como adenina. Los glucósidos importantes en medicina debido a su acción sobre el corazón (glucósidos cardíacos) contienen esteroides como la aglucona. Éstos incluyen derivados de la digital y del estrofanto, como ouabaína, un inhibidor de la Na⁺−K⁺- ATPasa de las membranas celulares. Otros glucósidos comprenden antibióticos como la estreptomicina.

Los azúcares desoxi carecen de un átomo de oxígeno

Los azúcares desoxi son aquellos en los cuales un grupo hidroxilo ha quedado reemplazado por hidrógeno. Un ejemplo es la desoxirribosa (figura 15-9) en el DNA. El azúcar desoxi l-fucosa (figura 15-15) existe en glucoproteínas; la 2-desoxiglucosa se usa de forma experimental como un inhibidor del metabolismo de la glucosa.

Los azúcares amino (hexosaminas) son componentes de glucoproteínas, gangliósidos y glucosaminoglucanos

Los azúcares amino incluyen D-glucosamina, un constituyente del ácido hialurónico (figura 15-10), D-galactosamina (también conocida como condrosamina), un constituyente de la condroitina y la D-manosamina. Varios antibióticos (p. ej., eritromicina) contienen azúcares amino, que son importantes para su actividad antibiótica.

La maltosa, la sacarosa y la lactosa son disacáridos importantes

Los disacáridos son azúcares compuestos de dos residuos monosacárido unidos por un enlace glucósido (figura 15-11). Los disacáridos importantes en el aspecto fisiológico son maltosa, sacarosa y lactosa (cuadro 15-4). La hidrólisis de la sacarosa da una mezcla de glucosa y fructosa denominada “azúcar invertido” porque la fructosa es fuertemente levorrotatoria y cambia (invierte) la acción dextrorrotatoria más débil de la sacarosa.

Los polisacáridos comprenden los siguientes carbohidratos de importancia fisiológica:

El almidón es un homopolímero de glucosa que forma una cadena α-glucosídica, llamada glucosano o glucano. Es el carbohidrato más importante de la dieta en cereales, papas (patatas), legumbres y otras verduras. Los dos constituyentes principales son amilosa (13 a 20%), que tiene una estructura helicoidal no ramificada, y amilopectina (80 a 87%), que consta de cadenas ramificadas compuestas de 24 a 30 residuos de glucosa con enlaces α1 → 4 en las cadenas, y por enlaces α1 → 6 en los puntos de ramificación (figura 15-12).

El grado al cual la amilasa hidroliza el almidón en los alimentos está determinado por su estructura, el nivel de cristalización o hidratación (el resultado del cocinado), y por el hecho de si está encerrado en paredes de células vegetales intactas (e indigeribles). El índice glucémico de un alimento feculento es una medida de su digestibilidad, con base en el grado al cual aumenta la concentración de glucosa en sangre en comparación con una cantidad equivalente de glucosa o un alimento de referencia, como pan blanco o arroz hervido. El índice glucémico varía desde 1 (o 100%) para almidones que son fácilmente hidrolizados en el intestino delgado, hasta 0 para los que no son hidrolizados en absoluto.

El glucógeno es el polisacárido de almacenamiento en animales, y a veces se llama almidón animal. Es una estructura más ramificada que la amilopectina con cadenas de residuos 12 a 15 α-D-glucopiranosa (en enlace α1 → 4 glucosídico) con ramificación mediante enlaces α1 → 6 glucosídicos. Los gránulos de glucógeno musculares (partículas β) son esféricos y contienen hasta 60 000 residuos de glucosa; en el hígado hay gránulos similares, y rosetas de gránulos de glucógeno que parecen ser partículas β agregadas.

La inulina es un polisacárido de la fructosa (un fructosano) que se encuentra en tubérculos y raíces de dalias, alcachofas y dientes de león. Es fácilmente soluble en agua y se usa para determinar el índice de filtración glomerular (capítulo 48), pero las enzimas intestinales no la hidrolizan, de modo que no tiene valor nutricional. Las dextrinas son intermediarios en la hidrólisis del almidón. La celulosa es el principal constituyente de las paredes de las células vegetales. Es insoluble y consta de unidades de β-D-lucopiranosa unidas por enlaces β1 → 4 para formar cadenas largas y rectas fortalecidas por enlaces de hidrógeno que se entrecruzan. Los mamíferos carecen de enzimas que hidrolicen los enlaces β1 → 4; de esta manera, no pueden digerir la celulosa. Es una fuente importante de “volumen” en la dieta, y el principal componente de la fibra de la misma. Los microorganismos que se encuentran en el intestino de rumiantes y otros herbívoros pueden hidrolizar el enlace y fermentar los productos hacia ácidos grasos de cadena corta como una importante fuente de energía. Hay cierto metabolismo bacteriano de celulosa en el colon de humanos. La quitina es un polisacárido estructural en el exoesqueleto de crustáceos e insectos, y en hongos. Consta de unidades de N-acetil-D-glucosamina unidas por enlaces β1→4 glucosídicos. La pectina se encuentra en frutas; es un polímero del ácido galacturónico enlazado α-1 → 4, con algunas ramas de galactosa y/o arabinosa, y está parcialmente metilada (figura 15-13).

Los glucosaminoglucanos (mucopolisacáridos) son carbohidratos complejos que contienen azúcares amino y ácidos urónicos. Pueden estar fijos a una molécula de proteína, lo que forma un proteoglucano. Los proteoglucanos proporcionan la sustancia fundamental o de relleno del tejido conjuntivo (capítulo 50). Sostienen grandes cantidades de agua y ocupan espacio, lo que amortigua o lubrica otras estructuras, debido al gran número de grupos —OH y cargas negativas en la molécula que, por repulsión, mantienen separadas las cadenas de carbohidrato. Los ejemplos son el ácido hialurónico, el condroitín sulfato y la heparina (figura 15-14).

Las glucoproteínas (también conocidas como mucoproteínas) son proteínas que contienen cadenas de oligosacárido ramificadas o no ramificadas (cuadro 15-5) incluyendo fucosa (figura 15-15); se encuentran en membranas celulares (capítulos 40 y 46) y en muchas otras situaciones; la albúmina sérica es una glucoproteína. Los ácidos siálicos son derivados N- u O-acilo del ácido neuramínico (figura 15-15); este último es un azúcar de nueve carbonos derivado de la manosamina (un epímero de la glucosamina) y el piruvato. Los ácidos siálicos son constituyentes tanto de glucoproteínas como de gangliósidos.

Alrededor de 5% del peso de las membranas celulares es la parte de los carbohidratos en glucoproteínas (capítulo 46) y glucolípidos. Su presencia sobre la superficie externa de la membrana plasmática (el glucocálix) se ha mostrado con el uso de lectinas vegetales, aglutininas proteínicas que unen residuos glucosilo específicos. Por ejemplo, la concanavalina A une residuos α-glucosilo y α-manosilo. La glucoforina es una importante glucoproteína de membrana integral de los eritrocitos del ser humano. Tiene 130 residuos aminoácido y abarca la membrana lipídica, con regiones polipeptídicas fuera de las superficies tanto externa como interna (citoplásmica). Las cadenas de carbohidrato están fijas a la porción amino terminal fuera de la superficie externa. Los carbohidratos también están presentes en apo-proteína B de lipoproteínas plasmáticas.

• El glucoma es la totalidad de azúcares de un organismo, sea libres o presentes en moléculas más complejas. La glucómica es el estudio de los glucomas, incluso aspectos genéticos, fisiológicos, patológicos y otros.

• Los carbohidratos son constituyentes importantes del alimento de los animales y del tejido de éstos. Se caracterizan por el tipo y número de residuos monosacárido en sus moléculas.

• La glucosa es el carbohidrato de mayor importancia en la bioquímica de mamíferos, porque casi todo el carbohidrato en los alimentos se convierte en glucosa para el metabolismo.

• Los azúcares tienen grandes cantidades de estereoisómeros porque contienen varios átomos de carbono asimétricos.

• Los monosacáridos de mayor importancia fisiológica son la glucosa, el “azúcar de la sangre” y la ribosa, un importante constituyente de nucleótidos y ácidos nucleicos.

• Los disacáridos importantes son maltosa (glucosil glucosa), un intermediario en la digestión del almidón; la sacarosa (glucosil fructosa), importante como un constituyente de la dieta, que contiene fructosa, y la lactosa (galactosil glucosa), en la leche.

• El almidón y el glucógeno son polímeros de glucosa de almacenamiento en vegetales y animales, respectivamente. El almidón es la principal fuente de energía en la dieta.

• Los carbohidratos complejos contienen otros derivados de azúcar como azúcares amino, ácidos urónicos y ácidos siálicos. Incluyen proteoglucanos y glucosaminoglucanos, que se relacionan con elementos estructurales de los tejidos, y glucoproteínas, que son proteínas que contienen cadenas de oligosacárido; se encuentran en muchas situaciones, incluso en la membrana celular.

• Las cadenas de oligosacáridos codifican para información biológica, dependiendo de sus azúcares constituyentes y de su secuencia y enlaces.