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Glucosa, ¿Biomolécula energética?

Resumen: La familia de la glucosa. El metabolismo. Las principales transformaciones de los azúcares. El Azúcar Sanguíneo.(V)
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Autor: Edgar Cordoba Aguilar

Glucosa, ¿Biomolécula energética?

Indice
1. La familia de laglucosa.
2. El metabolismo.
3. Las principalestransformaciones de los azúcares
4. El Azúcar Sanguíneo
5. Bibliografía.

1. La familia de la glucosa.

Los   CARBOHIDRATOS (también llamados azucares) son moléculascompuestas por carbono, oxígeno e hidrógeno y tienen las siguientes característicasquímicas :

  1. Su estructura está basada en un esqueleto carbonado (molécula orgánica)
  2. Puede tener un grupo aldehído o un grupo cetona, ó ambos.
  3. A la cadena carbonada se unen grupos hidroxilo ( OH-) por lo que se pueden considerar de la familia de los alcoholes polihidroxilados o "polioles".
  4. Son moléculas ricas en enlaces de alta energía ( C-H; C-C;C-OH; C=O)
  5. Por lo general tienen isómeros ópticos y muchas de éstas presentan actividad óptica.

Clasificación
Los carbohidratos de bajo peso molecular son los llamados "azúcares"mientras que los de alto peso molecular corresponden a las harinas o almidones,celulosas y glucógeno. los azucares se clasifican en "monosacáridos",disacáridos" y "oligosacáridos", mientras que los carbohidratosde alto peso molecular se conocen como "polisacáridos".

Monosacáridos
La química suele clasificar y "nombrar" las moléculas de acuerdo conel número de átomos de carbono que conformen su esqueleto básico; de éstecriterio surge una clasificación de los monosacáridos con la que es importantefamiliarizarse, porque es frecuentada por la bioquímica, sobre todo en asuntosde nomenclatura.
Esta clasificación es muy sencilla: se utiliza un prefijo correspondiente al númerode átomos de carbono del carbohidrato y el sufijo "osa" para designaral grupo o familia de azucares. Aunque teóricamente los grupos posibles sonilimitados, en la práctica esta clasificación es útil para los monosacáridosde 3 a 6 átomos de carbono y se presenta en la siguiente tabla 1:
Los monosacáridos también se clasifican en dos grades grupos dependiendo de laposición del grupo carbonilo (C=O) que los caracteriza. Si el grupo carboniloesta localizado en un carbono terminal se trata de una "aldosa" y siéste grupo está localizado sobre un carbono secundario el azúcar es una"cetosa". Entre las aldosas más estudiadas por la bioquímica seencuentra la "glucosa" y entre las cetosas su homologa es la"fructosa"

GRUPO

Átomos de Carbono

Isómeros posibles derivados del D-Gliceraldehido

Triosas

3

Tetrosas

4

 

Pentosas

5

 

Hexosas

6

 

 

Tabla 1.- Monosacaridos y los isomeros del Gliceraldehido.

Nombre

Fórmula estructural (abierta)

Estructura en forma de anillo

Estructura de bolas y barras

D-Glucosa

Clase:Hexosa

Aldosa

D-Fructosa

Clase:Hexosa

Cetosa

 

Tabla 2.- representaciones Graficas de la Estructura de loscarbohidratos

Disacáridos y oligosacáridos
Los disacáridos son sustancias cuyas moléculas están constituidas por dosunidades de monosacárido por lo que se pueden considerar como"dimeros" .
El enlace característico mediante el cual se unen los dos monosacáridos paraconformar un disacárido se conoce como "enlace glucosídico" y es unenlace tipo : C-O-C derivado de la combinación de un grupo hidroxilo, de unamolécula de monosacárido, con una porción aldehido o cetona de la otra(Formación de hemiacetales y hemicetales).
Los disacáridos más comunes son la maltosa, la lactosa y la sacarosa. Tienentambién en común el hecho de que, al menos uno de los monosacáridos queconforman el dímero, es D-glucosa. 

Otras propiedades de disacáridos:
Los oligosacáridos ( del griego oligo "pocos") son carbohidratosconstituidos por varias unidades de monosacáridos pero que están entre lolimites de 2 y 10 unidades. Los disacáridos son oligosacáridos, por lo que noes extraño encontralos bajo esta denominación en algunos textos; algunos deestos son la "Rafinosa" del azúcar de remolacha y la"Melicitosa" derivada de la savia de algunas plantas coníferas.

Polisacáridos
Como su nombre lo indica, son polímeros constituidos por cadenas de monosacáridos,que se unen por medio de enlaces glucosídicos.
Los polisacáridos, conocidos también como: "Glucanos", sediferencian entre sí por la clase de monosacáridos que los constituyen, por lalongitud de las cadenas, por el grado de ramificación y por su origen biosintético.
Los "homopolisacáridos" están constituidos por un solo tipo demonosacárido, mientras que los "heteropolisacáridos", por dos o másclases de monosacáridos.

Almidón
El almidón es un homopolisacárido constituido por unidades de D-glucosa queforman el enlace glucosídico mediante enlaces c. En el tejido de los frutos yraíces vegetales el polímero se forma de tamaños variados con pesosmoleculares que varían desde miles hasta 500.000.
El almidón se encuentra en dos formas : amilosa y amilopectina. La amilosa e secaracteriza porque sus cadenas largas, no ramificadas y por lo general formanuna estructura helicoidal. Es posible preparar soluciones coloidales de amilosa,pero ésta no es soluble en agua; de hecho para las aplicaciones domésticas eindustriales suelen utilizarse las preparaciones coloidales en agua.
La amilopectina es un polímero de D-glucosa de cadenas ramificadas de longitudmedia ( 24 a 30 unidades por ramificación). Los enlaces glucosídicos de lacadena principal (esqueleto) son del tipo
a(1–›4) pero los de los puntos de ramificación son a(1–›6).
La amiloperctina constituye el 80% de casi todos los almidones. Es muy viscosa yes fácilmente hidrolizada por la amilasa.
El almidón se encuentra abundantemente en los granos, semillas, tubérculos yfrutas. Es la fuente principal de carbohidratos para el hombre.
Si se hierve en agua, se hincha y forma una pasta o engrudo. El llamado almidónsoluble se puede obtener tratando previamente el almidón con ácido clorhídricodiluido y frió. 

Glucógeno
El glucógeno, también llamado almidón animal es un homopolímero de glucosaanálogo al almidón vegetal pero con una grado mayor de ramificación al de laamilopectina y mas compacto. Abunda principalmente en el hígado de los animalessuperiores, constituyendo el 10% de su peso húmedo. Se halla también enproporción del 1 al 2% en el músculo esquelético.

Celulosa
Es el constituyente principal de las membranas de las células vegetales y pesprácticamente insoluble en agua y resistente a la digestión ácida e incluso ala acción de las amilasas gástricas.
Cuando se hidroliza produce glucosa pero no sufre alteración significativa enel tracto digestivo, como si ocurre con los almidones, el glucógeno y lasdextrinas. Los animales herbívoros, cuya base alimenticia es rica en celulosa,han desarrollado un sistema mediante el cual algunas bacterias, levaduras yprotozoos atacan la celulosa para formar , D-glucosa y ácidos grasos inferioresque el animal utiliza para fines energéticos.
La celulosa también es un Homopolímero lineal y se diferencia de los almidonesen el tipo de enlace glucosídico que forma: mientras que el enlace glucosídicode los almidones y el glucógeno es principalmente del tipo
a(1–›4),el de la celulosa es del tipo b(1–›4).
Se ha estimado el peso molecular de celulosas de diversas procedencias encontrándoseun rango amplio de variación: 50.000 a 2500000, el equivalente a un rango de300 a 15000 unidaddes de glucosa por molécula. Las pruebas de difracción conrayos X demuestran que las moléculas de celulosa están organizadas en cadenasparalelas que forman fibrillas, las cuales se aglutinan por otros polímerosllamados hemicelulosa, pectina y extensina.

2. El metabolismo.

Como ya se mencionó, las células están compuestas de moléculas, a su vezconstituidas en su mayor parte por seis elementos principales, que son: carbono,hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, fósforo y azufre; estos elementos forman 99%de su peso. Por otra parte, el agua es la sustancia más abundante en la célulay ocupa 70% de su peso. El átomo de carbono desempeña un papel importantísimoen la biología, debido a que es capaz de formar moléculas de gran tamaño yvariedad, ya que puede formar cadenas o anillos.
Los átomos de carbono forman enlaces muy fuertes y resistentes ya sea entreellos mismos o con otros átomos, los cuales se conocen como enlaces covalentes.Cada átomo de carbono se puede combinar con otros, y formar así un número muygrande y variado de compuestos.
Pero los enlaces, por su propia "fuerza" o energía, representan enrealidad la forma en la que nuestras células reciben energía y la puedenutilizar, mediante complicados procesos, que trataremos de analizar en este capítulo.
Antes de empezar, señalaremos el significado de algunos términos que seutilizan con frecuencia al hablar de las transformaciones de las sustancias quese encuentran en los seres vivos. En primer lugar, las células cuentan concaminos para formar moléculas más pequeñas a partir de moléculas grandes, ya este proceso se le llama catabolismo. Hay un proceso inverso, que consiste enla formación de moléculas más grandes, a partir de otras más pequeñas, querecibe el nombre de anabolismo. De forma general, a todo el conjunto detransformaciones que sufren las sustancias en el organismo o en una célula sele llama metabolismo.
Para que las células puedan aprovechar las sustancias en sus distintasfunciones deben primero degradarlas. Los procesos de degradación, o catabólicos,ocurren en tres etapas; en la primera, se rompen las grandes moléculas en suscomponentes más sencillos, las proteínas en aminoácidos, los carbohidratos enazúcares sencillos y las grasas en ácidos grasos. Esta degradación de las moléculasgrandes libera energía que se disipa en parte en forma de calor. En una segundaetapa, estas pequeñas moléculas son a su vez degradadas para formar moléculastodavía más pequeñas, con la posibilidad de obtener energía útil para la célula.Estas moléculas pequeñas son el piruvato y la acetil coenzima A; el piruvatotambién a su vez se transforma en acetil coenzima A.

Metabolismo de ázucares.
Para el caso de los azúcares, por ejemplo, en la primera etapa se degradan lospolímeros, como el glucógeno, para dar glucosa. En la segunda etapa, laglucosa se degrada para dar piruvato, y éste se convierte en acetil coenzima A.Finalmente, ésta se degrada para dar CO2 y H2O. Es necesario señalar que, delas tres etapas, sólo en las dos últimas se obtiene energía aprovechable porla célula, en forma de ATP. La degradación de la glucosa a piruvato u otroscompuestos cercanos es probablemente el camino metabólico más antiguo queexiste, y todavía algunos organismos lo utilizan para obtener ATP.
Con objeto de obtener energía y otras sustancias, tan sólo para partir a lamolécula de glucosa en dos fragmentos iguales de piruvato o lactato, serequiere de un gran número de pasos, catalizados cada uno por una enzimadiferente. La degradación de la glucosa, o glucólisis, se puede llevar a cabotanto en ausencia como en presencia de oxígeno. Sin embargo, lo más importantedel proceso es que parte de la energía contenida en los enlaces de la glucosapuede transformarse, con bajo rendimiento, en la de los enlaces del ATP,directamente aprovechable por la célula. Pero aunque una molécula de glucosaque se degrada para dar ácido láctico sólo produce dos moléculas de ATP,esta vía puede funcionar a gran velocidad en algunas células, las musculares,por ejemplo. Los atletas que participan en las pruebas rápidas, como porejemplo la carrera de los 100 metros, obtienen casi toda la energía para lacompetencia, de esta vía metabólica.

Figura 1.- Glucólisis.
Por cada molécula de glucosa se obtienen al final del proceso dos moléculas delactato cuando se recorre el camino completo. y en el caso de la fermentaciónse producen dos moléculas de etanol (alcohol). Esta vía metabólica, la glucólisis,tiene una gran importancia pues además de proporcionar ATP a la célula,proporciona el piruvato que luego se ha de transformar en acetil coenzima A, quele permite continuar, utilizando otra vía metabólica, con la degradaciónhasta bióxido de carbono y agua, como veremos a continuación.

3. Las principales transformaciones de los azúcares

Como ya se describió antes, los organismos tienen diferentes tipos decarbohidratos: monosacáridos, disacáridos, moléculas que se llaman oligosacáridosy polisacáridos, cuyo grado de agregación o polimerización depende de losdiferentes monosacáridos. Sin duda, el eje del metabolismo celular es laglucosa; este monosacárido está distribuido en todos los organismos, ya sea enforma libre, como parte de otras moléculas, como los disacáridos sacarosa ylactosa, o en polisacáridos de reserva, como el almidón, el glucógeno o lacelulosa, o en productos derivados, algunos de los cuales se mencionaron en elcapítulo I.
Los almacenes de azúcar. Cuando la glucosa entra a una célula puede tomar elcamino hacia la síntesis de polímeros. La figura 2 muestra cómo en las célulasanimales este azúcar, a través de varios pasos, se puede incorporar a una moléculaya existente de glucógeno. En las células vegetales, uno de los destinos de lamolécula de glucosa es convertirse, por un mecanismo semejante, en almidón.Tanto el glucógeno como el almidón y otros polímeros de los azúcares formansistemas de reserva en los organismos. Por lo tanto, también hay vías para ladegradación de estas sustancias. La misma figura 2 muestra también que laconversión de la glucosa en glucógeno es un camino reversible. De hecho,cuando comemos se sintetiza el glucógeno para guardar los azúcares que hemosingerido. Luego, este polímero se va degradando lentamente entre una comida yotra y mantiene el nivel de glucosa de nuestra sangre, pues muchos tejidosrequieren azúcar en forma constante. En los animales el glucógeno sirve paraalmacenar azúcar, la cual se gasta entre una comida y otra; en las plantas elalmidón se almacena en las estructuras que aseguran su reproducción, como lassemillas de los cereales, o en los tubérculos, como las papas.
Figura 2.- El almacenamiento de la glucosa. En los animales se polimeriza parafabricar glucógeno, que es la principal manera de almacenamiento; en losvegetales crea almidón. Ambas formas pueden luego degradarse para dar de nuevoglucosa, la cual aprovechan los seres vivos.
El otro camino que puede seguir la glucosa es su degradación. Para ilustrareste caso pensemos en una célula animal, la muscular, por ejemplo. La figura 3muestra las transformaciones que este azúcar sufre al convertirse en piruvato(la sal del ácido pirúvico), o el lactato (la sal del ácido láctico). Las fórmulasquímicas están sólo como referencia.
Figura 3.- Esquema general de la glucólisis
El esquema completo se presenta para mostrar la complejidad del sistema, aunqueno está representado con todo detalle. A continuación destaco algunos puntosimportantes que se dan cuando una célula degrada una molécula de glucosa:
A) Al degradar la glucosa para convertirla en lactato o piruvato sólo implicapartir a la molécula, de seis átomos de carbono, en dos de tres. No obstantelo complicado que pueda parecer la vía metabólica, la transformación final esrelativamente simple.
B) En este proceso, aunque al principio se invierten dos moléculas de ATP,después entran dos de fosfato (P) y cuatro más de ADP, para dar cuatro de ATP.El resultado neto es que al partir una molécula de glucosa en dos de lactato,se generan en forma neta dos moléculas de ATP a partir de dos de fosfato y dosde ADP.
C) Aunque la cantidad de ATP que resulta de cada molécula de glucosa es muypequeña, esta vía puede ser extremadamente veloz. Durante el ejerciciomuscular intenso, de un atleta por ejemplo, proporciona casi toda la energíaque se requiere, compensando el rendimiento con la velocidad.
D) Otra cuestión interesante es que la degradación de la glucosa en esta víase puede continuar por la transformación del piruvato en acetil coenzima A,hacia el llamado ciclo de los ácidos tricarboxílicos, o ciclo de Krebs; en élse degrada totalmente hasta dar CO2 y agua. En este ciclo, por otra parte, alconectarse con la fosforilación oxidativa, que se mencionará al hablar de lasmitocondrias, se produce la mayor parte del ATP sintetizado. Por esta últimarazón la glucólisis es considerada también la vía de entrada de la glucosa ylos azúcares en general a una de las vías catabólicas principales.
E) Finalmente, esta vía es en gran parte reversible; es decir, a partir delpiruvato se obtiene glucosa, e incluso el mismo glucógeno y otros polisacáridos.Esto es importante, porque así es como se transforman en azúcares los aminoácidos,que provienen de las proteínas.

4. El Azúcar Sanguíneo

La glucosa es el azúcar. El azúcar sanguíneo sube después de comer obeber algo además del agua. Un nivel alto de glucosa (la hiperglicemia) puedeser una señal de la enfermedad de diabetes. Un nivel alto de azúcar sanguíneoa largo plazo puede dañar los ojos, nervios, riñones y el corazón. El azúcarsanguíneo alto puede ser un efecto secundario de un inhibidor de proteasa, untipo de medicamento anti-VIH.
Niveles bajos de azúcar (la hipoglicemia) pueden causar la fatiga pero hayotras causas más comunes de fatiga para las personas con VIH.
En una persona saludable el azúcar se controla por la insulina. La insulina esuna hormona producida por el páncreas. Esta ayuda el movimiento de glucosa dela sangre en las células para producir la energía.
Los niveles de azúcar altos podrían significar que el páncreas no producebastante insulina. Sin embargo, algunas personas producen bastante insulina perosu cuerpo no responde normalmente. Esto se llama "resistencia a lainsulina." En ambos casos las células no obtienen bastante glucosa paraproducir la energía y la glucosa se acumula en la sangre.
Algunas personas que toman los inhibidores de proteasa desarrollan resistencia ala insulina y pueden tener niveles altos de glucosa. Esta condición a veces setrata con los mismos medicamentos que la diabetes.
Hay tres maneras de probar los niveles de glucosa en la sangre:

  • La prueba aleatoria de glucosa. Esto mide la glucosa en una muestra tomada cuando come en su horario usual.
  • La prueba de glucosa de ayuno. Se usa una muestra de sangre tomada cuando no ha comido o bebido nada (excepto el agua) durante por lo menos 8 horas.
  • La prueba de tolerancia de glucosa. Esto empieza con una prueba de glucosa de ayuno. Entonces se da una cantidad moderada de glucosa en una bebida dulce. La glucosa se mide en varias muestras de sangre tomadas a intervalos específicos.

Si la glucosa es demasiado alta podría tener la diabetes. El tratamientopara la diabetes involucra la pérdida de peso, la dieta y el ejercicio. Tambiénpuede involucrar medicamentos o inyecciones de insulina.

5. Bibliografía.

  1. GANONG WILLIAM F., FISIOLOGIA MEDICA, 13a edición,Editorial Manual Moderno, 1992
  2. LEHNINGER ALBERT L. BIOQUÍMICA, Editorial OMEGA, 1995
  3. MURRAY ROBERT K, et al. BIOQUÍMICA DE HARPER, 14a edición, Editorial Manual Moderno, 1994
  4. PINE STANLEY H., QUÍMICA ORGANICA, 2a edición, Editorial McGRAW HILL,1988

Recursos De Internet
http://www.aidsinfonet.org/108e-labs3.html#anchor274313
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/biologia.htm
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/html/quimica.htm
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/142/htm/sec_8.htm
http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/122/htm/sec_6.htm
Palabras Clave.- Glucosa, Carbohidratos, Azucares, Energía, Metabolismo yDiabetes mellitus.

Resumen
Es de importancia conocer la enorme diversidad de sustancias que compone a losseres vivos, por sus semejanzas estructurales es posible agruparla en ciertascategorías; Azúcares Lípidos y las Proteínas.
Las células cuentan con habilidades para formar moléculas más pequeñas apartir de moléculas grandes, y a este proceso se le llama catabolismo. Hay unproceso inverso, que recibe el nombre de anabolismo. De forma general, a todo elconjunto de transformaciones que sufren las sustancias en el organismo o en unacélula se le llama metabolismo.
Debido a su importancia energética tomamos como tema central a las unidadesbiomoleculares conocidas como carbohidratos o azúcares, a partir del cualbasaremos nuestro conocimiento al entendimiento del METABOLISMO Y FUNCION de lamolécula de GLUCOSA.
En vista de que la glucosa posee una distribución en todos los organismos y sinduda, forma el eje central del metabolismo celular, por lo que debemos conocerla transformaciones que está sufre.
También es conocida como el azúcar sanguíneo. Recordemos que un nivel alto deglucosa (la hiperglicemia) puede ser una señal de la enfermedad de diabetesmellitus. Un nivel alto de azúcar sanguíneo a largo plazo puede dañar losojos, nervios, riñones y el corazón.

 

Trabajo enviado por:
Edgar Cordoba Aguilar
edcor7@hotmail.com
edcor5@yahoo.com.mx
Córdoba - Aguilar Edgar, Universidad Veracruzana, Instituto de Salud Publica,Laboratorio de Ecología y Salud, Bioquímica General.

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