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Hidratos de carbono

Los hidratos de carbono son las moléculas orgánicas que más abundan en nuestro planeta, y son el producto de la fotosíntesis de las plantas.

Qué son los hidratos de carbono

También conocidos como glúcidos o carbohidratos, son moléculas orgánicas relativamente complejas, formadas por un esqueleto de hidrocarburo junto a un grupo funcional aldehído o cetona.

Algunos glúcidos también contienen átomos de nitrógeno, fósforo o azufre en su estructura. Las plantas convierten cada año 100.000 millones de toneladas métricas de CO2 y H2O en celulosa y otros hidratos de carbono. La característica común de los hidratos de carbono es que son solubles en agua, aunque a mayor peso molecular menor solubilidad presentan.

Los hidratos de carbono son la principal fuente de energía de los organismos vivos, con ello ya nos podemos hacer una idea de la gran importancia de este macronutriente en la dieta habitual.

Tipos de hidratos de carbono

Los hidratos de carbono se diferencian entre si por varios factores, siendo los más importantes su estructura, y el tamaño de las moléculas.

Monosacáridos

Los monosacáridos son los hidratos de carbono más simples que existen en la naturaleza, se trata de moléculas bastante simples. Estos consisten en un esqueleto de hidrocarburo, en el que hay presentes un grupo aldehído o cetona, junto a varios grupos hidroxilo que los hacen solubles en el agua. La mayoría de los monosacáridos están formados por entre tres y siete átomos de carbono, por lo que son moléculas bastante pequeñas. Los monosacáridos son la fuente de energía más rápida para el organismo.

hidratos de carbono grupos funcionales
Grupos funcionales de los hidratos de carbono

La siguiente imagen muestra la estructura molecular básica de algunos de los monosacáridos más comunes:

hidratos de carbono algunos monosacáridos
Estructura molecular básica

Los monosacáridos son sustancias sólidas e incoloras, además se disuelven perfectamente en el agua. Por contra no se pueden disolver en disolventes no polares, como los hidrocarburos o los alcoholes de larga cadena. Su estructura básica consiste en una corta cadena de carbonos sin ramificar, y unidos todos ellos mediante enlaces simples. Uno de los átomos de carbono se une a un átomo de oxígeno mediante un doble enlace, si está en un extremo será una aldosa, y si está en el centro será una cetosa. El resto de los átomos de carbono se unen a hidrógenos o a grupos hidroxilo.

Las aldosas son los monosacáridos más simples, formados por tres átomos de carbono, algunos ejemplos son el gliceraldehido, una aldotriosa y la dihidroxiacetona, una cetosa. Si la cadena de carbonos contiene cuatro, cinco, seis y siete átomos, se llaman tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas de forma respectiva. Entre las hexosas encontramos algunos glúcidos tan habituales como la glucosa y la fructosa. Las aldopentosas son componentes estructurales del ADN. Cuando están en un medio acuoso, los monosacáridos forman unas estructuras cíclicas, en las que el carbono del grupo aldehído o cetona, se une al último átomo de carbono con un grupo hidroxilo.

Disacáridos

Los disacáridos son el siguiente escalón en la complejidad de los hidratos de carbono. Se trata de moléculas formadas por la unión de dos monosacáridos mediante el enlace o-glucosídico, el cual se forma cuando un grupo hidroxilo de un azúcar, reacciona con el carbono anomérico del otro. Algunos ejemplos de disacáridos son la lactosa y la sacarosa o azúcar común. Los disacáridos también tienen la función de servir de fuente de energía rápida.

hidratos de carbono algunos disacáridos
Ejemplos de disacáridos

Polisacáridos

Pasamos a hablar de los polisacáridos, se trata de polímeros de alto peso molecular, que están formados por la unión de muchos monosacáridos mediante el enlace o-glicosídico. Cada unidad de monosacárido que se une recibe el nombre de monómero. Un homopolisacárido está formado por un solo tipo de monómero, por ejemplo, el almidón que tan solo contiene glucosa. Por otra parte, un heteropolisacárido está formado por multitud de monómeros diferentes.

hidratos de carbono polisacárido
Estructura de un polisacárido

Los homopolisacáridos funcionan generalmente como una forma de combustible para las células, en el caso de los animales se trata del glucógeno, mientras que en el caso de las plantas se trata del almidón. Ambos polisacáridos se encuentran en el interior de las células formando gránulos de gran tamaño y muy hidratadas, porque tienen muchos grupos hidroxilo expuestos que pueden formar enlaces de hidrógeno con el agua. Existen otros homopolisacáridos como la celulosa o la pectina, que tienen funciones estructurales en las plantas y los hongos de forma respectiva.

Almidón

El almidón es un polisacárido compuesto por dos tipos de polímero de glucosa, la amilosa y la amilopectina. El primero consiste en cadenas largas y sin ramificar, de monómeros conectados por enlaces o-glicosídicos. La amilopectina es el otro polímero del almidón, y está altamente ramificado. La mayor parte de las células vegetales tienen capacidad para sintetizar almidón, pero el almacenamiento de este compuesto es especialmente abundante en tubérculos, como la patata, el boniato y en semillas.

Glucógeno

El glucógeno es el polisacárido de reserva más importante en las células animales. Al igual que la amilopectina, el glucógeno es un polímero con muchas glucosa unidas por enlaces y con ramificaciones, aunque es más compacto que el almidón. El glucógeno es especialmente abundante en el hígado, donde puede llegar a representar el 7% de su peso. También se encuentra en grandes cantidades en los músculos esqueléticos o voluntarios, además del corazón.

Funciones de los glúcidos

Algunos hidratos de carbono como el azúcar y el almidón, tienen funciones energéticas en el ser humano y en la mayoría de los seres vivos. La oxidación de los glúcidos por la vía anaerobia o por la vía aerobia, es la principal forma de obtener energía para las células no fotosintéticas. Existen otros tipos de glúcidos como los glucanos, que tienen funciones estructurales y de protección en las paredes celulares de bacterias, plantas y animales. Tampoco faltan funciones de lubricación de las articulaciones, señalizadores intracelulares y control del metabolismo, y de las funciones del organismo.

Los hidratos de carbono son un combustible rápido para las células, esto es porque se pueden metabolizar tanto con presencia de oxígeno como sin él. La fermentación es el proceso metabólico anaeróbico, mediante el cual se obtiene energía de los hidratos de carbono sin necesidad de disponer de oxígeno. La fermentación de la glucosa es una vía metabólica muy rápida, aunque muy poco eficiente desde el punto de vista del rendimiento energético, pues se obtiene muy poca cantidad de energía por cada molécula de glucosa fermentada. Además, se produce ácido láctico, una sustancia que se acumula en los músculos de forma muy rápida, causando cansancio. Esta es la razón de que nos cansemos muy rápido al hacer un sprint.

El metabolismo aerobio de los hidratos es un proceso mucho más eficiente energéticamente, aunque tiene el inconveniente de que depende del oxígeno, por lo que es una vía metabólica más lenta que la fermentación. Sus ventajas son la obtención de una gran cantidad de energía por molécula de glucosa oxidada, y que no se generan residuos como el ácido láctico, sino que se produce agua y CO2.

Digestión de los hidratos de carbono

digestión de los hidratos de carbono
Digestión de los hidratos de carbono

Los organismos vivos, incluidos los humanos, no somos capaces de absorber los hidratos de carbono que no estén en forma de monosacáridos. Por ello resulta imprescindible romper las moléculas, hasta liberar los monómeros de forma individual. Este proceso es el que se conoce como digestión. Dicho de otra forma, la digestión de los glúcidos consiste en romper los enlaces o-glicosídicos, para que queden libres los monosacáridos, y así poder absorberlos a través de las células del intestino delgado, conocidas como enterocitos.

La digestión de los hidratos de carbono, comienza con la formación del bolo alimenticio en la boca. Al masticar desmenuzamos los alimentos y los mezclamos con la saliva, haciendo que las enzimas puedan empezar a actuar. ¿Has notado alguna vez que el pan se vuelve dulce al masticarlo? Esto es porque la amilasa de la saliva ya está rompiendo algunas moléculas de almidón, liberando moléculas de glucosa que tienen sabor dulce.

El proceso de digestión de los hidratos de carbono sigue en el intestino delgado, donde se encuentra la amilasa pancreática, mucho más potente que la amilasa salival que está en la boca. Es aquí donde los almidones se acaban de romper por completo y liberan una gran cantidad de unidades de glucosa. En el intestino delgado también hay otras enzimas, como la sacarasa y la lactasa, que se encargan de digerir la sacarosa y la lactosa.

Metabolismo de los hidratos de carbono

Las hormonas liberadas desde el páncreas regulan el metabolismo general de la glucosa. La insulina y el glucagón son las hormonas principales involucradas, en el mantenimiento de un nivel estable de glucosa en la sangre, y la liberación de cada una se controla mediante la cantidad de nutrientes disponibles en la actualidad.

La cantidad de insulina liberada en la sangre, y la sensibilidad de las células a la insulina, determinan la cantidad de glucosa que las células descomponen. El aumento de los niveles de glucagón activa las enzimas que catalizan la glucogenólisis e inhibe las enzimas que catalizan la glucogénesis. A la inversa, la glucogénesis aumenta y la glucogenólisis se inhibe cuando hay altos niveles de insulina en la sangre.

La insulina y el glucagón son la clave

El nivel de glucosa circulatoria (conocido informalmente como «azúcar en la sangre»), es el factor más importante que determina la cantidad de glucagón o insulina producida. La liberación de glucagón es precipitada por niveles bajos de glucosa en sangre, mientras que niveles altos de glucosa en sangre estimulan a las células a producir insulina. Debido a que el nivel de glucosa circulatoria está determinado en gran medida, por la ingesta de carbohidratos en la dieta, la dieta controla los principales aspectos del metabolismo a través de la insulina.

En los seres humanos, la insulina es producida por las células beta en el páncreas, la grasa se almacena en las células del tejido adiposo y el glucógeno se almacena y libera según sea necesario por las células del hígado. Independientemente de los niveles de insulina, no se libera glucosa a la sangre de las reservas internas de glucógeno de las células musculares.

Son varios los procesos bioquímicos responsables de la formación metabólica, descomposición e interconversión de los carbohidratos en los organismos vivos. Los carbohidratos son fundamentales para muchas vías metabólicas esenciales. Cuando los animales y los hongos consumen alimentos, usan la respiración celular para descomponer los carbohidratos almacenados en dichos alimentos, para hacer que la energía esté disponible para las células.

Aunque los humanos consumen una variedad de carbohidratos, la glucosa constituye aproximadamente el 80% de los productos, y es la estructura primaria que se distribuye a las células en los tejidos, donde se descompone o almacena como glucógeno. En la respiración aeróbica, la forma principal de respiración celular utilizada por los seres humanos, la glucosa y el oxígeno, se metabolizan para liberar energía, con dióxido de carbono y agua como subproductos. La mayoría de la fructosa y galactosa viajan al hígado, donde pueden convertirse en glucosa.

Algunos carbohidratos simples tienen sus propias vías de oxidación enzimática, al igual que algunos de los carbohidratos más complejos. La disacárido lactosa, por ejemplo, requiere que la enzima lactasa se rompa en sus componentes monosacáridos, glucosa y galactosa.

Glucólisis

La glucólisis es el proceso de descomponer una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato, mientras se almacena la energía liberada durante este proceso como ATP y NADH. En algunos tejidos y organismos, la glucólisis es el único método de producción de energía. Esta vía es común tanto para la respiración anaeróbica como para la aeróbica. La glucólisis consiste en diez pasos, divididos en dos fases. Durante la primera fase, requiere la descomposición de dos moléculas de ATP. Durante la segunda fase, la energía química de los intermedios se transfiere a ATP y NADH. La descomposición de una molécula de glucosa da como resultado dos moléculas de piruvato, que pueden oxidarse aún más para acceder a más energía en procesos posteriores.

representación glucólisis
Representación de la glucólisis

Gluconeogénesis

La gluconeogénesis es el proceso inverso de la glucólisis. Implica la conversión de moléculas que no son carbohidratos, como el piruvato, lactato, glicerol, alanina y glutamina, en glucosa. Este proceso ocurre cuando hay cantidades reducidas de glucosa disponible para el organismo La producción de glucosa por esta vía es importante para los tejidos que no pueden usar ácidos grasos como combustible, como el cerebro. Es el hígado el órgano primario de la gluconeogénesis, pero también ocurre en el riñón.

Glucogenolisis

La glucogenólisis se refiere a la descomposición del glucógeno. Este proceso ocurre en el hígado, en los músculos y en el riñón para proporcionar glucosa cuando es necesario. El glucógeno en el hígado funciona como una fuente de respaldo de glucosa entre las comidas. En cuanto al glucógeno muscular, se usa principalmente durante los esfuerzos físicos. En los músculos, el glucógeno garantiza una fuente de energía de movimiento rápidamente accesible.

Glicogénesis

La glucogénesis se refiere al proceso de síntesis de glucógeno. En los seres humanos, el exceso de glucosa se convierte en glucógeno a través de este proceso. El glucógeno es una estructura altamente ramificada, que consiste en glucosa, en forma de glucosa unidas entre sí. La ramificación del glucógeno aumenta su solubilidad, y permite que un mayor número de moléculas de glucosa sean accesibles para su descomposición. La glucogénesis se produce principalmente en el hígado, los músculos esqueléticos y el riñón. Cuando los depósitos de glucógeno están llenos, el exceso de glucosa se transforma en grasa para almacenarlo.

Sin embargo, la fuerte afinidad de la mayoría de los carbohidratos por el agua, hace que el almacenamiento de grandes cantidades de carbohidratos sea ineficiente, debido al gran peso molecular del complejo agua-carbohidrato solvatado. En la mayoría de los organismos, el exceso de carbohidratos se cataboliza regularmente para formar acetil-CoA, que es un material de alimentación para la vía de síntesis de ácidos grasos; los ácidos grasos, los triglicéridos y otros lípidos se usan comúnmente para el almacenamiento de energía a largo plazo.

El carácter hidrófobo de los lípidos los convierte en una forma mucho más compacta de almacenamiento de energía que los hidratos de carbono hidrófilos. Sin embargo, los animales, incluidos los humanos, carecen de la maquinaria enzimática necesaria y, por lo tanto, no sintetizan la glucosa a partir de los lípidos

Hidratos de carbono simples

Los monosacáridos y los disacáridos se consideran hidratos de carbono simples, muchas veces también son llamados azúcares por presentar un sabor dulce en la boca. Esta denominación no es incorrecta, pero puede llevar a confusión, al no saber a veces si se está hablando de azúcares en general o del azúcar de mesa.

hidratos de carbono simples
Alimento con hidratos de carbono simples

El azúcar de mesa o azúcar común es un disacárido llamado sacarosa que está formado por una molécula de glucosa y una molécula de fructosa unidas entre si mediante un enlace o-glicosídico. Es sin duda el carbohidrato más consumido a nivel mundial, y el causante de muchos casos de problemas de salud relacionados con enfermedades como la diabetes.

Los glúcidos simples también se conocen como hidratos de carbono de absorción rápida. Al ser moléculas pequeñas con tan solo un enlace o-glicosídico, las amilasas pueden actuar de una forma muy rápida y eficiente, rompiendo en poco tiempo todos los enlaces y dejando libres una gran cantidad de monosacáridos que pueden atravesar la membrana de los enterocitos y llegar a la sangre. Los enterocitos son las células del intestino delgado encargadas de la absorción de los nutrientes.

Hidratos de carbono complejos

Los carbohidratos complejos son lo opuesto a los simples, pues se trata de grandes moléculas formadas por la polimerización de muchos monómeros. Esto hace que haya una gran cantidad de enlaces o-glicosídicos que romper, además de que las moléculas adoptan disposiciones espaciales complejas, que hacen que muchos de los enlaces queden atrapados en el interior y poco disponibles para las amilasas. Este tipo de hidratos de carbono permiten matener un aporte de glucosa a la sangre mucho más constante y estable.

Índice glucémico de los hidratos de carbono

El índice glucémico es una medida de la velocidad con la que la glucemia o concentración de glucosa en la sangre aumenta tras la ingesta de un alimento. Normalmente se habla de índice glucémico en los alimentos ricos en hidratos de carbono, aunque otros nutrientes como las proteínas también tienen capacidad para elevar la glucemia.

curva índice glucémico
Curva de glucemia

Para calcular el índice glucémico de un alimento se toma como referencia la glucosa, a la que se asigna un valor de 100. A partir de ahí se calcula el índice glucémico de los diferentes alimentos a partir del incremento que producen en la concentración de glucosa en sangre.

Os dejamos un listado con los valores de índice glucémico de algunos alimentos habituales:

algunos indices glucémicos
Valores de índice glucémico de algunos alimentos

Un alimento con un índice glucémico muy alto provocará un aumento muy brusco de la cantidad de glucosa en la sangre. Un exceso de glucosa en la sangre daña las células nerviosas y las células de muchos órganos como los riñones, por ello el cuerpo tiene que responder a esta situación haciendo que descienda la glucemia.

El páncreas es el órgano encargado de producir la insulina, una hormona imprescindible para que la glucosa pueda entrar a las células y una vez dentro, sea llevada a diferentes rutas metabólicas. Si la glucemia aumenta de forma brusca el páncreas tiene que hacer un gran esfuerzo liberando mucha insulina de golpe, esto es algo que puede derivar en la aparición de la diabetes mellitus por agotamiento de las células de Langerhans, las encargadas de segregar la insulina.

Carga glucémica de los alimentos

El índice glucemia tiene una limitación muy importante, nos informa de la velocidad con la que un alimento hace que suba la glucemia, pero no nos indica cuanto de grande será esa subida. Esto es porque no tiene en cuenta la cantidad de hidratos de carbono que tiene un alimento. La zanahoria cocida tiene u índice glucémico muy alto, pero la cantidad de carbohidratos que tiene es muy baja, por lo que la subida que producirá en al glucemia será baja.

Aquí es donde entra en juego la carga glucémica, un parámetro que tiene en cuenta tanto el índice glucémico de un alimento como la cantidad de hidratos de carbono que contiene. Esto hace que sea un indicador mucho más fidedigno de la subida de glucemia que provocará un alimento.

La carga glucémica se calcula de la siguiente forma:

CG= (índice glucémico X gramos de carbohidratos en 100 gramos de alimento) ÷ 100

Si volvemos al ejemplo de las zanahorias cocidas tenemos los siguiente:

CG= (85 X 10,3) ÷ 100 = 8,75

Y en el caso del arroz integral seria:

CG= (34 X 74) ÷ 100 = 25,16

Como podemos ver el arroz integral tiene una carga glucémica mucho más alta que la zanahoria cocida, pese a tener un índice glucémico mucho más bajo. ¿Qué alimento hará subir más la glucemia de la persona que lo consume? El arroz integral por tener una carga glucémica más alta.

Alimentos con hidratos de carbono

Los alimentos más ricos en hidratos de carbono son los cereales, las legumbres y las frutas. La cantidad presente en cada uno de ellos es muy variable y depende de muchos factores como la zona donde se haya cultivado, la cantidad de agua con que se haya regado y algunos otros. Os dejamos una tabla que recoge algunos de los alimentos más ricos en hidratos de carbono.

Contenido en hidratos de carbono de algunos alimentos

Cuánta energía aportan los hidratos de carbono

Un gramo de hidratos de carbono aporta un total de 4 Kcal. Esta es la misma cantidad que las proteínas y algo menos de la mitad que las grasas, que aportan 9 Kcal por cada gramo. El contenido energético de los hidratos de carbono es igual en todos ellos y no depende el índice glucémico.

Cuántos carbohidratos se recomienda comer

Las guías nutricionales recomiendan que entre el 50% y el 55% de la energía de la dieta proceda de los hidratos de carbono. Esta es una recomendación muy general y debería ser personalizada, pues las características y el estilo de vida de cada persona hacen que varíe sus necesidades.

Se ha confirmado que el sobrepeso y la obesidad reducen la sensibilidad de las células a la insulina, haciendo menos eficiente el metabolismo de los hidratos de carbono. Por ello las personas con un exceso de grasa corporal se pueden beneficiar de una dieta más baja en hidratos de carbono y más alta en proteínas y grasas.

Un buen punto de partida en estos casos podría ser limitar los carbohidratos al 40% de la energía de la dieta o incluso menos. Por otra parte, los deportistas tienen un metabolismo mucho más eficiente con el uso de los hidratos de carbono, para este colectivo puede ser interesante elevar su presencia en la dieta hasta el 60% o 65% de la energía de cada día.

Los hidratos de carbono son un nutriente esencial para disfrutar de un buen estado de salud, próximamente os ofreceremos más contenido de la mejor calidad para ayudaros a mejorar vuestra alimentación.

Fuente: livescience