Fundamentos de Bioquímica: Carbohidratos, Metabolismo y Regulación Energética

Clasificación y Estructura de Carbohidratos

Los carbohidratos, también conocidos como glúcidos, son biomoléculas esenciales. Se clasifican principalmente por la presencia de grupos funcionales clave:

• Aldosas: Contienen un grupo aldehído (H-C=O).
• Cetosas: Contienen un grupo cetona (C=O).

En su forma cíclica, los monosacáridos pueden formar anillos de diferentes tamaños:

• Furanosa: Anillo de 5 miembros.
• Piranosa: Anillo de 6 miembros.

Formación del Enlace Glucosídico

La unión de monosacáridos para formar disacáridos o polisacáridos se realiza mediante un enlace glucosídico, con la liberación de una molécula de agua (H₂O).

• Enlace Ramificado: Típicamente enlaces α-1,6 o β-1,6.
• Enlace Lineal/Cíclico: Comúnmente enlaces α-1,4 o β-1,4.

Disacáridos y su Desdoblamiento

Los disacáridos son carbohidratos formados por dos monosacáridos. Para ser aprovechados por el organismo, deben desdoblarse en sus monómeros constituyentes. Este proceso es catalizado por una enzima específica para cada tipo de disacárido:

• Lactosa: Glucosa + Galactosa (desdoblada por lactasa).
• Sacarosa: Glucosa + Fructosa (desdoblada por sacarasa).
• Maltosa: Glucosa + Glucosa (desdoblada por maltasa).

Polisacáridos: Homopolisacáridos y Heteropolisacáridos

Los polisacáridos son polímeros de monosacáridos. Se clasifican según la composición de sus unidades monoméricas:

• Homopolisacáridos: Compuestos por el mismo tipo de monómero (ejemplos: almidón, glucógeno, celulosa y quitina).
• Heteropolisacáridos: Compuestos por diferentes tipos de monómeros (ejemplo: peptidoglicano).

Según su función biológica, los polisacáridos se dividen en:

• Polisacáridos de Almacenamiento: Almidón (en plantas) y glucógeno (en animales).
• Polisacáridos Estructurales: Celulosa (en plantas) y quitina (en hongos y exoesqueletos de artrópodos).

Introducción al Metabolismo y Regulación Metabólica

El metabolismo es el conjunto de todas las reacciones químicas que ocurren en los seres vivos, catalizadas por enzimas. Estas reacciones permiten a los organismos obtener energía y sintetizar los componentes necesarios para la vida.

Tipos de Organismos según su Fuente de Carbono y Energía

• Autótrofos: Utilizan la energía solar (fotosíntesis) o reacciones químicas (quimiosíntesis) para fijar el CO₂ atmosférico como fuente de carbono.
• Heterótrofos: No pueden obtener el carbono del CO₂ atmosférico. Lo obtienen a partir de moléculas orgánicas complejas presentes en su dieta.

Catabolismo vs. Anabolismo

El metabolismo se divide en dos procesos interconectados:

Regulación de las Rutas Metabólicas

La regulación metabólica es crucial para mantener la homeostasis y responder a las necesidades celulares. Se lleva a cabo en varios niveles:

1. Regulación Hormonal: Hormonas como la insulina y el glucagón controlan el metabolismo a nivel sistémico.
2. Regulación Enzimática: Control directo sobre la actividad de las enzimas.
   • Regulación a nivel de sustrato/producto: La concentración de sustratos o productos afecta la velocidad de la reacción.
   • Regulación Alostérica: Moduladores (negativos o positivos) se unen a un sitio diferente del activo, alterando la conformación de la enzima.
   • Regulación Covalente: Modificación reversible de la enzima, como la fosforilación (por adición de un grupo fosfato, a menudo usando ATP).
   • Acción Proteolítica: Activación irreversible de zimógenos (precursores enzimáticos inactivos) por corte proteolítico (ejemplo: activación de pepsinógeno a pepsina).
3. Regulación Genética: Control de la expresión génica para determinar la cantidad de enzima presente en la célula.
   • Enzimas Constitutivas: Se encuentran presentes en cantidades constantes en la célula.
   • Enzimas Inducibles: Son sintetizadas en respuesta a la presencia de ciertos sustratos o señales.

Bioenergética y Moléculas Relacionadas

La bioenergética es el estudio cuantitativo de las relaciones de energía que tienen lugar en los sistemas biológicos. Estos procesos obedecen las leyes de la termodinámica:

• Primer Principio de la Termodinámica: Principio de conservación de la energía (la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma).
• Segundo Principio de la Termodinámica: Aumento natural del desorden (la entropía total de un sistema aislado tiende a aumentar). Al realizarse un trabajo, una parte de la energía se disipa en forma de calor.

Energía Libre de Gibbs (ΔG)

La Energía Libre de Gibbs (ΔG) es la cantidad de energía capaz de realizar trabajo durante una reacción a temperatura y presión constantes. Su signo indica la espontaneidad de la reacción:

• ΔG Negativo (< 0): Reacción exergónica, favorable o espontánea. Libera energía.
• ΔG Positivo (> 0): Reacción endergónica, no espontánea. Requiere un aporte de energía.
• ΔG Cero (= 0): El sistema se encuentra en equilibrio.

Entalpía (ΔH)

La Entalpía (ΔH) representa el contenido calórico del sistema:

• ΔH > 0: Reacción endotérmica (absorbe calor del entorno).
• ΔH < 0: Reacción exotérmica (libera calor al entorno).

Entropía (ΔS)

La Entropía (ΔS) mide la aleatoriedad o el desorden del sistema:

• ΔS > 0: Aumenta la entropía (mayor desorden) en el sistema.
• ΔS < 0: Disminuye la entropía (mayor orden) en el sistema.