Carbohidratos

Generalidades Química de carbohidratos

Digestión y absorción Distribución

GeneralidadesLos carbohidratos son los nutrientes más difundidos en la naturaleza.Son responsables de atender las mayores necesidades calóricas de los seres vivos.El carbohidrato más difundido e importante para el metabolismo humano es la glucosa y dentro de los alimentos es el almidón.El almidón y todos los otros carbohidratos que ingerimos en la dieta se transforman en glucosa antes de ser metabolizados.Químicamente los carbohidratos son polialcoholes con un grupo aldehído o cetona, diferenciándose por lo tanto en aldosas y cetosas.Son componentes estructurales de muchos organismos incluyendo bacterias y algas, el exoesqueleto de los insectos y la celulosa de las plantas.

Estructura básica de un carbohidrato

Los monosacáridos son polialcoholes (mínimo dos OH) con un grupo alde-hídico o cetónico.

Cuando se unen para formar di, oligo o poli-sacáridos lo hacen me-diante un enlace gluco-sídico.

CHO

H-C-OH

OH-C-H

H - C-OH

H - C-OH

CH2OH

CH2OH

C=O

OH-C-H

H - C-OH

H - C-OH

CH2OH

Los carbonos asimétricos de los monosacáridos

Un carbono asimétrico es aquel que tiene cuatro diferentes compuestos unidos a sus cuatro enlaces.

La glucosa tiene cuatro carbonos asimétricos, el 2, 3, 4 y 5

CHO

H-C-OH

OH-C-H

H - C-OH

H - C-OH

CH2OH

Isómeros, epímeros

Compuestos con la misma fórmula global pero distinta fórmula espacial. Casi todos los monosacáridos de seis carbonos tienen la fórmula C6H12O6 :glucosa, fructosa, manosa, galactosa.Cuando la diferencia radica en un solo átomo de carbono se les llama epímeros (también son isómeros): glucosa y galactosa.

CHO

H-C-OH

OH-C-H

H - C-OH

H - C-OH

CH2OHglucosa

CHO

H-C-OH

OH-C-H

OH-C-H

H - C-OH

CH2OHgalactosa

Clasificación de carbohidratosSe clasifican de acuerdo a su complejidad en :

monosacáridosdisacáridosoligosacáridospolisacáridos

Los monosacáridos de acuerdo al número de carbonos se clasifican en:

triosastetrosaspentosashexosasheptosas

AZÚCARES COMUNES EN EL METABOLISMO

aldehido cetonaTriosas gliceraldehido dihidroxicetona

Tetrosas eritrosa eritrulosa

Pentosas

ribosa xilosa arabinosa

ribulosa xilulosa

Hexosas

glucosa manosa galactosa

fructosa

Heptosas sedoheptulosa

Estructura química de la glucosa

Es una hexosa con cinco grupos OH y un grupo CHO.

Comúnmente adopta formas cíclicas semejantes al pirano (hexagonal) o al furano (pen-tagonal).

La glucosa en solución adopta la forma piranósica en un 99% y furanósica en un escaso 1%.

En el espacio la forma pira-nósica se dispone como una silla o como un bote.

OHCH

CHOH

CHOH

CHOH

CHOH

CHO

2!

!

!

!

!

Formas espaciales de glucosa

H-C-OH

H-C-OH

OH-C-H

H - C-OH

H - C

CH2OH

O

OH

H

H

H H

OH

OH

OHOH

CH2OH

O

OFisher

Haworth

hemiacetal

HemiacetalesMenos del 1% de los azúcares se encuentra bajo la forma de cadena abierta. Siempre están como anillos.Estos anillos provienen de la reacción expontánea de un grupo aldehido con un alcohol.Si el anillo tiene seis carbonos es un pirano y si tiene cinco un furano.Eso crea un nuevo C asimétrico (N°1 de una aldosa o N°2 de una cetosa). Este carbono se llama anomérico y da lu-gar a dos formas de azúcar yEn la naturaleza tenemos D glucopiranosa: 64% y 36%

Reacciones químicas de los monosacáridos

Si el O del C anomérico de un carbohidrato no está unido a otra estructura, tiene capacidad reductora.

Capacidad que se mide porque reduce el cobre de algunos reactivos, como Benedict o Fehling.

Eso se usó como -por muchos años- como test de búsqueda de glucosa en sangre u orina, pero da positivo con cualquier carbohidrato.

Reacciones de carbohidratos

Los polisacaridos no tienen poder reductor, tampoco el disacárido sacarosa. Por su enlace glucosídico pierden el poder reductor de su aldehida.Los grupos aldehido pueden oxidarse para formar grupos carboxilo -CHO -COOH. Así la glucosa se transforma en ácido glucónico y la galactosa en galactónico.El alcohol primario del C N°6 también puede trans formarse en carboxilo –COOH y generar ácido glucorónico o galacturónico.

Importancia fisiológica de las pentosas

Pentosa Origen Importanciaribosa ác.nucleícos estructura de ác.nucleicos y de coenzimasribulosa metabolismo vía de las pentosasarabinosa gomas de frutas glucoproteínasxilosa gomas de frutas glucoproteínaslixosa músculo cardiaco lixoflavina del musc.cardiacoxilulosa metabolismo vía de ácidos urónicos

Importancia fisiológica de las hexosas

Hexosa Origen Importancia

GlucosaFrutas, cereales, leguminosas

Es el azúcar por excelencia del metabolismo

FructoaFrutas y miel de caña (sacarosa)

El hígado la convierte en glucosa para su metabolismo

Galactosa Lactosa de la leche

El hígado la convierte en glucosa para su metabolismo

Manosa Gomas vegetales Glucoproteínas

Disacáridos

Son azúcares formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glicosídico.Los disacáridos más comunes en la naturaleza son:

sacarosa: glucosa+fructosa.lactosa: glucosa+galactosa.maltosa: glucosa+glucosa.

Dos de ellos, la lactosa y la maltosa tienen poder reductor, no así la sacarosa debido a que el enlace compromete am-bos radicales reductores, el aldehído de la glucosa y la a-cetona de la fructosa.Están ampliamente distribuidos en la naturaleza.

Disacáridos comunes...

HH

O

CH2OH

H

H

H OH

OHOH

O

CH2OH

H

H

HH

H

OH

OH

OHO

H

H

O

CH2OH

HH

H OH

OH

OH

O

CH2OH

H

H

HH

H

OH

OH

OH

O

HH

O

CH2OH

H

H

H OH

OHOH

OCH2OH

H

H

H OH

OH

OCH2OH

maltosa

lactosa

sacarosa

Oligosacáridos y Polisacáridos

Llamamos oligosacáridos a los complejos de 3 a 12 monosacáridos y polisacáridos a los de más de 12 monosacáridos.

Se dividen en :

Homopolisacáridos: un solo carbohidrato.

Heteropolisacáridos: con varios monosacáridos ejemplo, glucosa amino glucanos.

Dónde están los Polisacáridos?Homopolisacáridos:

Reserva: Almidón, (amilosa y amilopectina).Granos,cereales Glucógeno.Músculos, hígado Dextrano: D glucosa. Ramificaciones distintas.

Expansores.Sintetizado en el laboratorio Inulina: D fructosa. Cebolla y ajo. Pruebas médicas.

Estructurales: Celulosa: D glucosa. Enlaces . No digerible. Quitina: N acetil glucosamina. Insectos. Lignina: alcoholes aromáticos.

Heteropolisacáridos: agar, goma, celulosa, pectina.

Polisacáridos

El almidón está formado por cadenas de glucosa unidas mediante enlaces glucosídicos del tipo alfa 1,4 y algunos de tipo alfa 1,6.Es la fuente más importante de carbohidratos de la alimentación. Su hallazgo es esencialmente vegetal.Está constituido en un 15 a 20% por amilosa estructura helicoidal no ramificada, y en un 80 a 85% por amilopectina que son cadenas ramificadas de 24 a 30 residuos de glucosa unidas por enlaces 1,4 y ramificaciones 1,6.El glucógeno tiene una estructura bastante similar, pero un origen animal. Es más ramificada que el almidón, con 12 a 14 residuos de glucosa unidos por enlaces 1,4 y ramificaciones 1,6.

Otros polisacáridos...

La celulosa está formada por unidades de D glucopiranosa unidas por enlaces 1,4, reforzadas por puentes de hidrógeno. No es digerida por falta de una hidrolasa en el jugo digestivo. En los rumiantes hay microorganismos que atacan el enlace .La inulina es un polímero de la fructosa y se encuentra en raíces de alcachofa o de la dalia.La quitina esta formada por unidades de Nacetil glucosamina unida por enlaces beta glucosídicos. Es el exoesqueleto de insectos y crustáceos.Los mucopolisacáridos o glucosaminoglucanos, contiene aminoazúcares y ácidos urónicos, que cuando se unen a una proteína se les conoce como proteoglucanos del hueso, la elastina o la colágena. Ejemplo también lo son el ácido hialurónico, el sulfato de condroitina y la heparina.

Digestión de carbohidratos

El proceso de digestión de los carbohidratos tiene dos lugares principales: la boca y la mucosa intestinal.

Generalmente comemos pocos monosacáridos por lo que lo que se necesita es : endoglucosidasas y disacarasas.

Sirven para atacar a los poli, oligosacáridos y disacáridos.

Digestión en la boca

Durante la masticación actúa la amilasa de las glándulas salivares. Rompe el almidón en sus enlaces 1,4.

Los humanos no tenemos 1,4 glucosidasas que rompe la celulosa. Si la poseen los microorganismos de los poligás tricos. Ellos si aprovechan la celulosa de los pastos.

Como nuestros amilopectina y glucógeno contienen enla-ces 1,6, como resultado tenemos maltosa e isomaltosa con enlaces 1,6.

Dicha digestión se detiene en el estómago: pH ácido .

Digestión por la amilasa

Maltotriosa Maltosa Glucosa

Dextrina limitante

Dextrina limitante

Digestión intestinal...

Luz intestinal

Lactosa

Almidón

Sacarosa

amilasaMaltosa

Maltotriosa

Dextrina límite

lactasa

sacarasa

glucosidasa glucosa

galactosa

fructosa

Superficie de pared intestinal

Absorción intestinal...

SGLT1

GLUT5GLUT2

glucosa

galactosa

2Na

fructosa glucosa

galactosa

fructosa

Na Na

K

K

ATP

ADP

Absorción de monosacáridos

D Galactosa 110

D Glucosa 100

D Fructosa 43

D Manosa 19

D Xilosa 15

D Arabinosa 9

%

Destino de los carbohidratos

Hasta un 50% de la glucosa es transformada en lactato en la pared intestinal, para facilitar la gradiente.

Luego debe ir al hígado a transformarse por la neoglucogénesis.

Por la vena porta va al hígado donde se metaboli-za el 60% o más de todos los carbohidratos.

Metabolismo del glucógeno

Glucosa: suministroEl organismo requiere una fuente constante de glucosa, necesaria para órganos tan delicados como el cerebro y con pocas mitocondrias co-mo los hematíes.

La glucosa es suminis-trada por diversos sus-

tratos...

GLUCOSA

Disacáridos Monosacáridos

Aminoácidos Almidón

Glucógeno

Glucógeno

Es la forma de almacenamiento de carbohidratos en los tejidos animales.Corresponde del 6 al 10% del peso del hígado (aprox. 70 a 100 g) y del 1 al 2% del peso del músculo (aprox. 250 a 400g).Es un polímero de la alfa D glucosa, con moléculas unidas por enlaces 1,4 y 1,6.

El glucógeno muscular es fuente de glucosa para este tejido, mientras que el glucógeno hepático mantiene la glicemia.

Estructura del glucógeno

El glucógeno se encuentra en el citosol de las células (musculares, hepáticas, renales, etc.)En el músculo se almacena como pequeños gránulos esféricos, llamados partículas beta con 60 000 residuos de glucosa.El hígado tiene gránulos grandes como rosetas llamadas partículas alfa, que son agregados de partículas beta.La estructura tiene una ramificación cada 10 moléculas lineares. Las ramificaciones aumentan la velocidad de recambio y la solubilidad del glucógeno.Cada molécula de glucógeno tiene una proteína llamada gli-cogenina, unida covalentemente al carbohidrato.La cadena está formada por uniones glicosídicas alfa 1,4 y la ramificaciones por uniones alfa 1,6.

Cómo se mantiene la glicemia...?

La ingesta dietética es esporádica y no siempre suficiente, luego el organismo debe suplementar la glicemia a partir del glucógeno.

8:00h 12:00h 16:00h 20:00h 24:00h 4:00h 8:00h

Contenido de glucógeno del hígado durante el día

Localización del glucógeno

Dos son los órganos más ricos en glucógeno: músculo e hígado.El glucógeno hepático es el 6 a 10% del peso fresco y hace un total de 100g aprox.El glucógeno muscular es de 1 a 2% y hace un total de 400g.Una molécula de glucógeno tiene un PM de 108.

Posprandial Ayuno

Estructura del glucógeno

Está formado por múl-tiples moléculas de al-fa D-glucosa unidas por enlaces glicosídi-cos del tipo 1,4 para formar cadenas linea-res y, lue-go de 8 a 10 residuos lineales una ramificación mediante

un enlace 1,6.

Enlace glucosídico 1,4 y 1,6

Fosforilación de la glucosa

Reacción irreversible, que impide el regreso de la glucosa por gradiente. Catalizada por: Hexoquinasa o Glucoquinasa.La hexoquinasa es inhibida por glucosa 6-P que a su vez se acumula por una alta relación ATP/ADP. Enzima de bajo Km y baja Vmax, por lo que tiene gran afinidad pero pobre capacidad de metabolizar.La glucoquinasa es fundamental en el hígado, tiene alta Km por lo que sólo actua a altas concentraciones de glucosa y tiene alta Vmax por lo que su capacidad de metabolizar es también alta.

Hexoquinasa vs. glucoquinasa

Hexoquinasa GlucoquinasaTejido todos hígadoKm bajo altoVmax baja altaEspecificidad varias hexosas D-glucosaInhibición por G6P si no

Síntesis de glucógeno

La glucosa 6P se convierte en glucosa 1P por una mutasa. La glucosa 1,6 difosfato es un intermediario de la reacción. La glucosa 1P reacciona con la UTP para formar UDP-glucosa. La hidrólisis del pirofos-fato resultante por una pirofosfatasa garantiza la continuidad de la reacción.

GlucosaATP

ADPHexoquinasa

Glucosa 6P

Fosfoglucomutasa

Glucosa 1P

Glucosa 1P

uridiltransferasa

UTP

pi

HH

CH2OH

H

H

H

OHOH

O

OH O-P-O-P-O-CH2

O O

OH OH

H H H H

OH OH

O

O

NH

N

O

UDP-glucosa

UDP

Glucógeno sintetasa

(Glucosa)n

(Glucosa)n+1

Glucógeno:alargamiento de la cadena...

Requiere la tranferencia de una glucosa del UDP-glucosa, al extremo no reductor de la cadena.

La enzima responsable de formar los enlaces glicosídicos es la glucógeno sintetasa o glucosil transferasa.

La UDP resultante de la actividad de la sintetasa regenera UTP gracias a la enzima nucleósido difosfoquinasa.

UDP + ATP --------------UTP + ADP

Glucógeno: elongación y ramificación

sintetasa ramificante

Glucógeno: formación de ramificaciones...

El glucógeno tiene ramificaciones cada 8 unidades lineares de gluco-sa.

Se produce gracias a la actividad de la enzima ramificante o glu-cosil 4,6 transferasa o amilo 1,4, 1,6 transglicosilasa.

Dicha enzima transfiere 5 a 8 unidades de glucosa, rompiendo un enlace 1,4 y creando un enlace 1,6.

La ramificación incrementa la solu-bilidad del glucógeno y acelera el proceso de síntesis y degradación

7UDP glucosa

7UDP

glucógeno

sintetasa

Enzima

ramificante

Glicogenina

Polipéptido de 332 a-minoácidos con una tirosina terminal.

Ella se une a 8 glu-cosas expontánea-mente y sirve de i-nicio a la actividad de la sintetasa.

Tyr-OH

Glicogenina

Tyr-O-(glucosa)8

Tyr-O--

Glicosilación

expontánea

8 UDP-glucosa

8 UDP

Glicogenina primaria

(Glucosa) n –1,4- y

Glucógeno sintetasa

Enzima ramificantenUDP-glucosa

nUDP

Complejo Glucogenina-Glucógeno

Degradación del glucógenoLa más importante enzi-ma involucrada es la glu-cógeno fosforilasa.Ella rompe los enlaces alfa 1,4 por simple fosforilación.Es una hexoglucosidasa y actúa secuencialmente hasta que quedan cuatro unidades antes de la ramificación .Dextrina limitante.

(Glucosa) n

Glucosa 1 P

Glucosa 6 P

Glucógeno fosforilasa

Fosfoglucomutasa

Glucosa 6 fosfotasa (en el hígado)

Glucosa

GlicólisisP1

PiruvatoPiruvato dehidrogenasa

Acetil CoA

CO2 y H2O

LactatoLactato

deshidrogenasaCO2

P 1

Desramificación

La enzima desramificante es la combinación de la glucosil 4,4 transferasa, que rompe tres glucosas de la ramificación y la anexa a un extremo para que actúe la fosforilasa y la amilo 1,6 glucosidasa que libera la única glucosa libre.1 a 3% es liberado por la maltasa ácida . Enf. Pompe

Glucógeno

fosforilasa(6) Pi(6)glucosa P

Enzima desramificanteH2O

glucosa

Enzima desramificantetransferasa

Glucogénesis-glucogenolisis

Glucosa 1P

Glucosa 6P

Glucosa

Glucosa 6Fosfatasa Glucoquinasa

(ATP+Mg)(H2O)

Glucógeno sintetasa +Enz.ramificante

Fosforilasa+Glucano transferasaEnz.desramificante

Glucógeno

UTP

2Pi

UDPglucosa

UDP

Transportadores: Hígado:GLUT2 Músculo:GLUT4

Papel del AMPc en el hígado

Receptor glucagon Adenil

ciclase

Epinefrina

Receptor adrenérgico

+ +G G

ATP AMPcATP AMPc

GlucógenoGlucógeno

Glucosa1P

Glucosa 6P

Glucosa

Piruvato

Grasa

+

-

-

Regulación de la fosforilasa

La fosforilasa existe bajo dos formas, activa o fosforilada e inactiva o defosforiladaPor lo tanto aquellas hormonas que estimulan la presencia de AMPc y por lo tanto activan a la proteín quinasa activan a la fosforilasa quinasa y esta a la fosforilasa de glucógeno. Y la insulina que activa a la proteín fosfatasa inactiva a la fosforilasa del glucógeno.

Glucagon Epinefrina+

ATP AMPcFosforilasa quinasainactiva

Fosforilasa quinasaactiva

Glucógeno fosforil.inactiva

Glucógeno fosforil.activa

Fosfatasa

Insulina +

Regulación de la glucógeno sintetasa

La glucógeno sintetasa es inactivada por la proteín quinasa, que a su vez es activada por la presencia de AMPc, segundo mensajero del glucagon o epinefrina

La glucógeno sintetasa es activada por la proteín fosfatasa, activada a su vez por la insulina.

Glucagon Epinefrina+

ATP AMPc +

Sintetasaactiva

Sintetasainactiva

Insulina

+

Protein quinasa

Protein fosfatasa