ESTRUCTURAS CELULARES, SUS FUNCIONES Y DISTRIBUCIÓN EN LAS CÉLULAS VIVAS. (CARBOHIDRATOS)

Como en el caso de las proteínas que, en todos los organismos de los diferentes niveles evolutivos, se forman a expensas de los 20 aminoacidos fundamentales por medio de la biología molecular es posibles detectar y cuantificar las diferencias de los compuestos químicos que estén en las células de las diferentes especies. Un compuesto es una sustancia que está formada por átomos de diferentes elementos que se combinan químicamente entre sí.

Los elementos son sustancias que no pueden ser desintegradas en otras sustancias por medios químicos ordinarios. La partícula más pequeña de un elemento es un átomo. Hay 92 elementos en la naturaleza y cada uno difiere de los otros en la estructura de sus átomos. En la integración y funcionamiento de los seres vivos

intervienen, aproximadamente, 25 elementos llamados bioelementos.

Bioelementos. Su distribución no es la misma, ni está en la misma proporción en los diferentes grupos de seres vivos, pero en general se puede considerar que el 99% de la materia viva está formada por 6 elementos importantes, para poder identificarlos fácilmente se les conoce con la sigla CHONPS (tabla 2.9), que corresponde al carbono, el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el azufre. Los bioelementos se integran en diferentes combinaciones para formar moléculas de distintos tamaños que dan origen a los compuestos(tabla2.10).

Compuestos orgánicos de la célula

El elemento fundamental de los compuestos orgánicos es el carbono, que unido alhidrógeno y otros elementos (oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre.) es capaz de formar una gran variedad de compuestos. Desde el punto de vista biológico los más importantes son los siguientes:

• Carbohidratos
• Lípidos
• Proteínas
• Ácidos nucleicos

CARBOHIDRATOS

También conocidos como glúcidos, hidratos de carbono o azúcares. Son moléculas que contienen generalmente carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de un carbono por dos hidrógenos y un oxígeno, están agrupados en la forma H-C-OH. Los carbohidratos son las sustancias orgánicas más abundantes en la naturaleza, se sintetizan en las plantas verdes a partir de agua y dióxido de carbono, con la ayuda de energía solar. Este proceso se denomina fotosíntesis y es la reacción de la que dependen todos los seres vivos, ya que es el punto de partida de la formación de alimentos. Generalmente los hidratos de carbono se dividen en 3 clases de acuerdo con el número de moléculas de azúcar que contienen:

1. Monosacáridos o azúcares simples (una molécula de azúcar)
2. Oligosacáridos (dos a diez moléculas de azúcar)
3. Polisacáridos o azúcares complejos (muchas moléculas de azúcar)

Monosacáridos: Han sido descritos con la fórmula (CH2O)n, donde n es el número de carbonos en el esqueleto, que puede ser de 3 a 7 carbonos (figura 2.24) Esta fórmula explica el nombre carbohidrato que literalmente, significa “carbono más agua” Figura 2.24 Dos modos diferentes de clasificar a los monosacáridos según el número de átomos de carbono y según los grupos funcionales. El gliceraldehído, la ribosa y la glucosa contienen, además de los grupos hidroxilo, un grupo aldehído, se llaman azúcares de aldosa (aldosas). La dihidroxiacetona, la ribulosa y la fructosa contienen un grupo cetona y se llaman azúcares de cetosa (cetosas).  En solución acuosa, la glucosa, azúcar de seis carbonos, existe en dos estructuras en anillos alfa y beta que están en equilibrio. La molécula pasa por la forma de cadena abierta en su transición de una forma estructural a la otra. La única diferencia en los dos anillos es la posición del grupo hidroxilo unido al átomo de carbono 1, en la forma alfa está por debajo del plano del anillo, y en forma beta, por encima de éste.

Son altamente solubles en solución acuosa y en moléculas que contienen más de cinco átomos, llevan a una reacción interna que cambia dramáticamente la conformación de la molécula. Cuando estos monosacáridos están en solución, el grupo aldehído o cetona tiene una tendencia a reaccionar con uno de los grupos hidroxilo, produciendo una estructura en anillo. En la glucosa, por ejemplo, el grupo aldehído del primer átomo de carbono reacciona con el grupo hidroxilo del quinto átomo de carbono, produciendo un anillo de seis miembros, como se ve en la (figura) Cuando se forma el anillo, puede cerrarse de dos maneras, estando

ahora el grupo hidroxilo en el primer carbono, pero situado o bien por encima, o bien por debajo del plano del anillo. La forma en la que el grupo hidroxilo se encuentra debajo del plano se conoce como glucosa alfa, y la forma en la que está por encima del plano se conoce como glucosa beta. Esta pequeña diferencia entre

las formas alfa y beta de la glucosa puede llevar a diferencias muy significativas en las propiedades de las moléculas más grandes formadas por los sistemas vivos a partir de la glucosa. Este monosacárido representa una fuente principal de energía para los humanos y otros vertebrados, es la forma en que el azúcar se transporta generalmente en el cuerpo animal”

Oligosacáridos: Son carbohidratos que se forman por la unión de dos a diez monosacáridos, estos se clasifican según el número de moléculas de sacáridos que contengan: disacáridos, los de dos moléculas, trisacáridos, de tres, tetrasacáridos de cuatro, etc. El enlace característico mediante el cual se unen los monosacáridos se conoce como “enlace glucosídico” y es un enlace tipo: C-O-C (figura 2.26) derivado de la combinación de un grupo hidroxilo, de una molécula de monosacáridos, con una porción aldehído o cetona de la otra, con desprendimiento de una molécula de agua 20 H. 

En la Figura. El disacárido sacarosa se sintetiza mediante una reacción de deshidratación, en la que se elimina un hidrógeno (-H) de la glucosa y un grupo hidroxilo (-OH) de la fructosa, formándose una molécula de agua y dejando los dos anillos de monosacáridos unidos mediante enlaces simples al átomo de oxígeno que se conserva. Los oligosacáridos más conocidos son los disacáridos: sacarosa, lactosa y maltosa (tabla 2.12). 

Los disacáridos se utilizan frecuentemente para el almacenamiento de energía a corto plazo, en especial en los vegetales, cuando se requiere de energía, se desdoblan nuevamente en subunidades de monosacáridos mediante hidrólisis.

Polisacáridos: Están constituidos por la unión de varios monosacáridos principalmente glucosa unidos en cadenas largas.Por la función biológica que desempeñan los polisacáridos pueden ser: estructurales (celulosa, quitina) y de almacenamiento (almidón y glucógeno) Para comprender la diferencia entre polisacáridos estructurales y de almacenamiento de energía; se tomará como referente a la molécula de glucosa que es una cadena de seis átomos de carbono y que cuando está en solución, tal como ocurre en la célula, asume una forma de anillo. El anillo puede estar cerrado de dos maneras. Una de las formas de anillo se conoce como alfa y la otra como beta (figura 2.25) El almidón y el glucógeno están constituidos completamente por unidades alfa. La celulosa en su totalidad por unidades beta (2.27). Ésta ligera diferencia evita que las enzimas digestivas de los animales rompan los enlaces entre las subunidades de glucosa.

glucosa está invertida. A diferencia del almidón, la celulosa tiene una gran fuerza estructural, debida parcialmente a la diferencia en sus enlaces y también el arreglo de moléculas paralelas de la celulosa en fibras con enlaces cruzados largos. Las células de las plantas generalmente producen fibras de celulosa en capas, que corren en ángulos diferentes unas de otras, dando como resultado la resistencia para el estiramiento en ambas direcciones. 

Polisacáridos estructurales: El polisacárido estructural más abundante de la naturaleza es la celulosa, formada por muchas moléculas de glucosa y es el componente fundamental de la pared celular, cuya función principal es brindar protección y soporte mecánico a la célula vegetal. Las vacas y otros rumiantes, las termitas y las cucarachas pueden utilizar a la celulosa como fuente de energía, gracias a la simbiosis de los microorganismos que habitan en sus aparato digestivo, ya que tienen la capacidad de romper la celulosa para formar moléculas de glucosa y de esta forma asimilar este carbohidrato. La celulosa es la materia prima para la fabricación de papel. En los animales el polisacárido más abundande es la quitina, polisacárido en el que las subunidades de glucosa se han modificado químicamente y presenta un grupo que contiene nitrógeno, la quitina es un componente principal de los exoesqueletos de los artrópodos, tales como los insectos y crustáceos, y también de las paredes celulares de muchos hongos; es un polisacárido resistente y duro. Al menos 900 mil especies diferentes de organismos pueden sintetizar quitina.

Polisacáridos de almacenamiento: El almidón es un producto de reserva se encuentran en cereales, como el arroz, el trigo y el maíz, en productos vegetales como la papa y en legumbres como el frijol. El almidón tiene dos formas: La amilosa y la amilopectina, ambas formadas por unidades de glucosa acopladas. El glucógeno es el almidón animal, “es la principal forma de almacenamiento del azúcar en los animales superiores. En los vertebrados, el glucógeno se almacena principalmente en el hígado y el tejido muscular. Si hay un exceso de glucosa en el torrente sanguíneo, el hígado forma glucógeno. Cuando la concentración de glucosa en la sangre baja, la hormona glucagón, producida por el páncreas, se descarga en el torrente sanguíneo, el glucagón estimula al hígado para hidrolizar el glucógeno a glucosa, la cual entra en el torrente sanguíneo. La formación de polisacáridos a partir de monosacáridos requiere energía. Sin embargo, cuando la célula necesita energía, estos pueden ser hidrolizados, liberando monosacáridos que a su vez pueden oxidarse, suministrando energía para el trabajo celular.