CARBOHIDRATS: ESTRUCTURA QUÍMICA, CLASSIFICACIÓ I FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

Els carbohidrats, hidrats de carboni o sacàrids, són molècules orgàniques que emmagatzemen energia en els éssers vius. Són les biomolècules més abundants i inclouen: sucres, midons i cel·lulosa, entre d'altres compostos que es troben en els organismes vius.

Els organismes que realitzen la fotosíntesi (plantes, algues i alguns bacteris) són els principals productors de carbohidrats en la natura. L'estructura d'aquests sacàrids pot ser lineal o ramificada, simple o composta i més poden associar-se amb biomolècules d'una altra classe.

Per exemple, els carbohidrats poden unir-se a proteïnes per formar glicoproteïnes. També poden associar-se amb molècules de lípids formant així els glicolípids, les biomolècules que formen l'estructura de les membranes biològiques. Els carbohidrats també són presents en l'estructura dels àcids nucleics.

Inicialment, els carbohidrats van ser reconeguts com a molècules d'emmagatzematge d'energia cel·lular. Posteriorment, es van determinar altres funcions importants que els hidrats de carboni compleixen en els sistemes biològics.

Tots els éssers vius tenen les seves cèl·lules cobertes per una densa capa de carbohidrats complexos. Els carbohidrats estan formats per monosacàrids, unes molècules petites formades per tres a nou àtoms de carboni units a grups hidroxil (-OH), que poden variar en grandària i configuració.

Una propietat important dels carbohidrats és la tremenda diversitat estructural dins d'aquesta classe de molècules, la qual cosa els permet realitzar una àmplia gamma de funcions com generar molècules de senyalització cel·lular, formar teixits i generar la identitat dels diferents grups sanguinis en humans.

Així mateix, la matriu extracel·lular en eucariotes superiors és rica en carbohidrats secretats, essencials per a la supervivència i la comunicació cel·lular. Aquests mecanismes de reconeixement cel·lular són aprofitats per una varietat de patògens per a infectar les seves cèl·lules hoste.

Els monosacàrids es poden unir mitjançant enllaços glicosídics per formar una gran varietat de carbohidrats: disacàrids, oligosacàrids i polisacàrids. L'estudi de l'estructura i funció dels carbohidrats en els sistemes biològics es diu glicobiologia.

estructura química

Els carbohidrats estan formats per àtoms de carboni, hidrogen i oxigen. La majoria d'aquests es poden representar mitjançant la fórmula empírica (CH2O) n, on n és el nombre de carbonis en la molècula. En altres paraules, la relació de carboni, hidrogen i oxigen és 1: 2: 1 en molècules de carbohidrats.

Aquesta fórmula explica l'origen de el terme «carbohidrat» ja que els components són àtoms de carboni ("carbo") i els àtoms d'l'aigua (per tant, «hidrat»). Tot i que els hidrats de carboni estan formats principalment per aquests tres àtoms, hi ha alguns carbohidrats amb nitrogen, fòsfor o sofre.

En la seva forma bàsica, els carbohidrats són sucres simples o monosacàrids. Aquests sucres simples es poden combinar entre si per formar carbohidrats més complexos.

La combinació de dos sucres simples és un disacàrid. Els oligosacàrids contenen entre dos a 10 sucres simples, i els polisacàrids són els carbohidrats més grans, formats per més de deu unitats de monosacàrids.

L'estructura dels carbohidrats determina com s'emmagatzema l'energia en els seus enllaços durant la seva formació per fotosíntesi, i també com es trenquen aquests enllaços durant la respiració cel·lular.

classificació

monosacàrids

Els monosacàrids són les unitats elementals dels carbohidrats, per la qual cosa són l'estructura més simple d'un sacàrid. Físicament, els monosacàrids són sòlids cristal·lins sense color. La majoria té un gust dolç.

Des del punt de vista químic, els monosacàrids poden ser aldehids o cetones, depenent d'on s'ubiqui el grup carbonil (C = O) en els carbohidrats lineals. Estructuralment, els monosacàrids poden formar cadenes lineals o anells tancats.

A causa que els monosacàrids posseeixen grups hidroxil, la majoria són solubles en aigua i insolubles en solvents no-polars.

Depenent de l'nombre de carbonis que tingui en la seva estructura, un monosacàrid tindrà diferents noms, per exemple: triosa (si té 3 àtoms de C), pentosa (si té 5C) i així successivament.

disacàrids

Els disacàrids són sucres dobles que es formen a l'ajuntar dos monosacàrids en un procés químic anomenat síntesi de deshidratació, perquè es perd una molècula d'aigua durant la reacció. També se li coneix com una reacció de condensació.

Així, un disacàrid és qualsevol substància que es composa de dues molècules de sucres simples (monosacàrids) vinculades entre si a través d'un enllaç glicosídic.

Els àcids tenen la capacitat de trencar aquests enllaços, per aquesta raó, els disacàrids poden ser digerits a l'estómac.

Els disacàrids són generalment solubles en aigua i dolços quan s'ingereixen. Els tres disacàrids principals són sacarosa, lactosa i maltosa: la sacarosa prové de la unió de glucosa i fructosa; la lactosa prové de la unió de glucosa i galactosa; i la maltosa prové de la unió de dues molècules de glucosa.

oligosacàrids

Els oligosacàrids són polímers complexos formats per poques unitats de sucres simples, és a dir, entre 3 a 9 monosacàrids.

La reacció és la mateixa que forma els disacàrids, però també provenen de la ruptura de molècules de sucre més complexes (polisacàrids).

La majoria dels oligosacàrids es troben en les plantes i actuen com fibra soluble, el que pot ajudar a prevenir el restrenyiment. No obstant això, els éssers humans no posseeixen els enzims per digerir-majoritàriament, a excepció de la maltotriosa.

Per aquesta raó, els oligosacàrids que no són digerits inicialment a l'intestí prim, poden ser degradats pels bacteris que normalment habiten en l'intestí gros a través d'un procés de fermentació. Els prebiòtics compleixen aquesta funció, servir d'aliment als bacteris beneficioses.

polisacàrids

Els polisacàrids són els polímers de sacàrids més grans, estan formats per més de 10 (fins a milers) unitats de monosacàrids disposats de manera lineal o ramificada. Les variacions en la disposició espacial és el que els confereix les múltiples propietats a aquests sucres.

Els polisacàrids poden estar compostos per un mateix monosacàrid o per combinació de diferents monosacàrids. Si es formen per unitats repetides de la mateixa sucre es diuen Homopolisacàrids com el glucogen i el midó, que són els carbohidrats d'emmagatzematge d'animals i plantes, respectivament.

Si el polisacàrid es compon per unitats de diferents sucres se'ls crida heteropolisacàrids. La majoria contenen només dues unitats diferents i solen associar-se amb proteïnes (glucoproteïnes, com la gammaglobulina de el plasma sanguini) o lípids (glicolípids, com els gangliòsids).

funcions

Les quatre funcions principals dels carbohidrats són: proporcionar energia, emmagatzemar energia, construir macromolècules i evitar la degradació de proteïnes i greixos.

Els carbohidrats es degraden mitjançant la digestió en sucres simples. Aquests són absorbits per les cèl·lules de l'intestí prim i són transportades a totes les cèl·lules del cos on seran oxidades per obtenir energia en forma de trifosfat d'adenosina (ATP).

Les molècules de sucre que no són utilitzades en la producció d'energia en un moment donat, són emmagatzemades formant part de polímers de reserva com el glucogen i el midó.

Els nucleòtids, les unitats fonamentals dels àcids nucleics, posseeixen molècules de glucosa en la seva estructura. Diverses proteïnes importants estan associades a molècules de carbohidrats, per exemple: l'hormona fol·licle estimulant (FSH, per les sigles en anglès) que intervé en el procés d'ovulació.

A causa que els carbohidrats són la principal font d'energia, la seva ràpida degradació evita que altres biomolècules siguin degradades per obtenir l'energia. Així, quan els nivells de sucre són normals, les proteïnes i els lípids estan protegits de la degradació.

Alguns carbohidrats són solubles en aigua, funcionen com a aliment bàsic en pràcticament tothom i l'oxidació d'aquestes molècules és la via principal de producció d'energia en la majoria de les cèl·lules no fotosintètiques.

Els carbohidrats insolubles s'associen per formar estructures més complexes que serveixen de protecció. Per exemple: la cel·lulosa forma la paret de les cèl·lules vegetals juntament amb hemicel·luloses i la pectina. La quitina forma la paret de cèl·lules de fongs i l'exosquelet dels artròpodes.

Així mateix, el peptidoglicà forma la paret cel·lular de bacteris i cianobacteris. El teixit connectiu dels animals i les articulacions esquelètiques estan formades per polisacàrids.

Molts carbohidrats estan units covalentment a proteïnes o lípids formant estructures més complexes, anomenades en conjunt glicoconjugats. Aquests complexos actuen com etiquetes que determinen la ubicació intracel·lular o la destinació metabòlica d'aquestes molècules

Aliments que contenen carbohidrats

Els carbohidrats són un component essencial d'una dieta saludable, ja que són la principal font d'energia. No obstant això, alguns aliments posseeixen carbohidrats més saludables que ofereixen una major quantitat de nutrients, per exemple:

els midons

Els aliments que contenen midó són la principal font de carbohidrats. Aquests midons són en general hidrats de carboni complexos, és a dir, que estan formats per molts sucres units entre si formant una cadena molecular llarga. Per aquesta raó, els midons triguen més temps a ser digerits.

Hi ha una àmplia gamma d'aliments que contenen midons. Els grans inclouen aliments amb alt contingut de midó, per exemple: les mongetes, les llenties i l'arròs. També els cereals contenen aquests carbohidrats, per exemple: la civada, l'ordi, el blat i els seus derivats (farines i pastes).

Els llegums i els fruits secs també contenen carbohidrats en forma de midons. Addicionalment, les verdures com: les patates, les batatas, el blat de moro i les carabasses també són riques en contingut de midons.

És important destacar que molts carbohidrats són una font de fibra. És a dir, la fibra és bàsicament un tipus de carbohidrat que el cos pot digerir només parcialment.

De manera similar que els carbohidrats complexos, les fibres de carbohidrats tendeixen ser digerits amb lentitud.

Les fruites i verdures

Les fruites i verdures posseeixen gran contingut de carbohidrats. En contrast amb els midons, les fruites i les verdures contenen carbohidrats simples, és a dir, carbohidrats amb un o dos sacàrids units entre si.

Aquests carbohidrats a l'ésser simples en la seva estructura molecular, es digereixen amb més facilitat i rapidesa que els complexos. Això dóna una idea dels diferents nivells i tipus de carbohidrats que posseeixen els aliments.

Així, algunes fruites tenen més contingut de carbohidrats per porció, per exemple: els plàtans, les pomes, les taronges, els melons i raïm tenen més carbohidrats que algunes verdures com els espinacs, el bròquil i la col arrissada, les pastanagues, els xampinyons i les albergínies.

la llet

Similar a les verdures i fruites, els lactis són aliments que contenen carbohidrats simples. La llet té el seu propi sucre anomenat lactosa, 1 disacàrids de gust dolç. Una tassa d'aquest equival a uns 12 grams de carbohidrats.

Hi ha moltes versions de llet i iogurts al mercat. Independentment de si s'està consumint una versió sencera o reduïda en greix d'un lacti en particular, la quantitat de carbohidrats serà la mateixa.

els dolços

Els dolços són una altra font molt coneguda de carbohidrats. Aquests inclouen el sucre, la mel, els caramels, les begudes artificials, les galetes, els gelats, entre molts d'altres postres. Tots aquests productes contenen altes concentracions de sucres.

Per la seva banda, alguns aliments processats i refinats contenen carbohidrats complexos, per exemple: el pa, l'arròs i la pasta blanca. És important destacar que els carbohidrats refinats no són nutritius com els carbohidrats que posseeixen les fruites i les verdures.

Metabolisme de carbohidrats

El metabolisme dels carbohidrats és el conjunt de reaccions metabòliques que impliquen la formació, degradació i conversió de carbohidrats en les cèl·lules.

El metabolisme dels carbohidrats està altament conservat i es pot observar fins i tot des dels bacteris, sent l'exemple principal el Operón Lac d'E coli.

Els hidrats de carboni són importants és moltes rutes metabòliques com la fotosíntesi, la reacció de formació de carbohidrats més important de la natura.

A partir de diòxid de carboni i aigua, les plantes utilitzen l'energia de el sol per sintetitzar molècules de carbohidrats.

Per la seva banda, les cèl·lules animals i fúngiques descomponen els carbohidrats, consumits en els teixits vegetals, per obtenir energia en forma d'ATP mitjançant un procés anomenat respiració cel·lular.

En vertebrats, la glucosa és transportada per tot el cos a través de la sang. Si les reserves d'energia cel·lular són baixes, la glucosa és degradat mitjançant una reacció metabòlica anomenada glucòlisi per produir una mica d'energia i alguns intermediaris metabòlics.

Les molècules de glucosa no necessàries per a la producció d'energia immediata s'emmagatzemen com glucogen en el fetge i el múscul, mitjançant un procés anomenat Glucogénesis.

Alguns carbohidrats simples tenen les seves pròpies vies de degradació, com alguns dels carbohidrats més complexos. La lactosa, per exemple, requereix l'acció de l'enzim lactasa que trenca els seus enllaços i allibera els seus monosacàrids fonamentals, glucosa i galactosa.

La glucosa és el carbohidrat principal que consumeixen les cèl·lules, constitueix aproximadament el 80% de les fonts d'energia.

La glucosa es distribueix a les cèl·lules, on pot ingressar a través de transportadors específics per ser degradada o emmagatzemada com glucogen.

Depenent dels requeriments metabòlics d'una cèl·lula, la glucosa també es pot usar per sintetitzar altres monosacàrids, àcids grassos, àcids nucleics i certs aminoàcids.

La funció principal de l'metabolisme dels carbohidrats és mantenir el control dels nivells de sucre en la sang, això és el que es coneix com homeòstasi interna.

referències

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (6th ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Bioquímica (8th ed.). WH Freeman and Company.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). A quick look at biochemistry: Carbohydrate metabolism. Clinical Biochemistry, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish et, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (8th ed.). WH Freeman and Company.
6. Maughan, R. (2009). Carbohydrate metabolism. Surgery, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Lehninger Principles of Biochemistry (6 ^th). WH Freeman and Company.
8. Solomon, I., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biology (7th ed.) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5th ed.). Wiley.