Carboidratos: estrutura química, classificação e funções - Ciência - 2023

Contente

o carboidratos, carboidratos ou sacarídeos, são moléculas orgânicas que armazenam energia nos seres vivos. São as biomoléculas mais abundantes e incluem: açúcares, amidos e celulose, entre outros compostos encontrados em organismos vivos.

Os organismos que realizam a fotossíntese (plantas, algas e algumas bactérias) são os principais produtores de carboidratos na natureza. A estrutura desses sacarídeos pode ser linear ou ramificada, simples ou composta, podendo também se associar a biomoléculas de outra classe.

Por exemplo, carboidratos podem se ligar a proteínas para formar glicoproteínas. Eles também podem se associar a moléculas lipídicas, formando assim os glicolipídeos, as biomoléculas que formam a estrutura das membranas biológicas. Os carboidratos também estão presentes na estrutura dos ácidos nucléicos.

Inicialmente, os carboidratos foram reconhecidos como moléculas de armazenamento de energia celular. Posteriormente, outras funções importantes que os carboidratos cumprem nos sistemas biológicos foram determinadas.

Todos os seres vivos têm suas células cobertas por uma densa camada de carboidratos complexos. Os carboidratos são constituídos por monossacarídeos, pequenas moléculas compostas por três a nove átomos de carbono ligados a grupos hidroxila (-OH), que podem variar em tamanho e configuração.

Uma propriedade importante dos carboidratos é a enorme diversidade estrutural dentro desta classe de moléculas, que lhes permite desempenhar uma ampla gama de funções, como gerar moléculas de sinalização celular, formar tecidos e gerar a identidade de diferentes grupos sanguíneos em humanos.

Da mesma forma, a matriz extracelular em eucariotos superiores é rica em carboidratos secretados, essenciais para a sobrevivência e comunicação celular. Esses mecanismos de reconhecimento de células são explorados por uma variedade de patógenos para infectar suas células hospedeiras.

Os monossacarídeos podem ser ligados por ligações glicosídicas para formar uma ampla variedade de carboidratos: dissacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. O estudo da estrutura e função dos carboidratos em sistemas biológicos é denominado glicobiologia.

Estrutura química

Os carboidratos são constituídos por átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. A maioria deles pode ser representada pela fórmula empírica (CH2O) n, onde n é o número de carbonos na molécula. Em outras palavras, a proporção de carbono, hidrogênio e oxigênio é de 1: 2: 1 nas moléculas de carboidratos.

Esta fórmula explica a origem do termo "carboidrato", pois os componentes são átomos de carbono ("carbo") e átomos de água (portanto, "hidrato"). Embora os carboidratos sejam constituídos principalmente por esses três átomos, existem alguns carboidratos com nitrogênio, fósforo ou enxofre.

Em sua forma básica, os carboidratos são açúcares simples ou monossacarídeos. Esses açúcares simples podem se combinar para formar carboidratos mais complexos.

A combinação de dois açúcares simples é um dissacarídeo. Os oligossacarídeos contêm entre dois a dez açúcares simples e os polissacarídeos são os maiores carboidratos, compostos por mais de dez unidades de monossacarídeos.

A estrutura dos carboidratos determina como a energia é armazenada em suas ligações durante sua formação pela fotossíntese e também como essas ligações são quebradas durante a respiração celular.

Classificação

Monossacarídeos

Monossacarídeos são as unidades elementares dos carboidratos, razão pela qual eles são a estrutura mais simples de um sacarídeo. Fisicamente, os monossacarídeos são sólidos cristalinos incolores. A maioria tem um sabor doce.

Do ponto de vista químico, os monossacarídeos podem ser aldeídos ou cetonas, dependendo de onde o grupo carbonila (C = O) está localizado nos carboidratos lineares. Estruturalmente, os monossacarídeos podem formar cadeias retas ou anéis fechados.

Como os monossacarídeos possuem grupos hidroxila, a maioria é solúvel em água e insolúvel em solventes apolares.

Dependendo do número de carbonos em sua estrutura, um monossacarídeo terá nomes diferentes, por exemplo: triose (se tiver 3 átomos de C), pentose (se tiver 5 C) e assim por diante.

Dissacarídeos

Os dissacarídeos são açúcares duplos formados ao reunir dois monossacarídeos em um processo químico denominado síntese de desidratação, porque uma molécula de água é perdida durante a reação. É também conhecida como reação de condensação.

Assim, um dissacarídeo é qualquer substância composta por duas moléculas de açúcares simples (monossacarídeos) ligadas entre si por meio de uma ligação glicosídica.

Os ácidos têm a capacidade de quebrar essas ligações, por isso os dissacarídeos podem ser digeridos no estômago.

Os dissacarídeos são geralmente solúveis em água e doces quando ingeridos. Os três principais dissacarídeos são sacarose, lactose e maltose: a sacarose vem da união de glicose e frutose; lactose vem da união de glicose e galactose; e a maltose vem da união de duas moléculas de glicose.

Oligossacarídeos

Oligossacarídeos são polímeros complexos compostos de poucas unidades de açúcar simples, ou seja, entre 3 a 9 monossacarídeos.

A reação é a mesma que forma dissacarídeos, mas eles também vêm da quebra de moléculas de açúcar mais complexas (polissacarídeos).

A maioria dos oligossacarídeos é encontrada nas plantas e age como fibra solúvel, o que pode ajudar a prevenir a constipação. No entanto, a maioria dos humanos não possui enzimas para digeri-los, exceto a maltotriose.

Por esse motivo, os oligossacarídeos que não são digeridos inicialmente no intestino delgado podem ser decompostos por bactérias que normalmente habitam o intestino grosso por meio de um processo de fermentação. Os prebióticos cumprem essa função, servindo como alimento para bactérias benéficas.

Polissacarídeos

Os polissacarídeos são os maiores polímeros de sacarídeos, eles são compostos por mais de 10 (até milhares) unidades monossacarídicas dispostas de forma linear ou ramificada. Variações no arranjo espacial são o que dá a esses açúcares suas propriedades múltiplas.

Os polissacarídeos podem ser compostos do mesmo monossacarídeo ou por uma combinação de diferentes monossacarídeos. Se forem formados por unidades repetidas do mesmo açúcar, são chamados de homopolissacarídeos, como glicogênio e amido, que são os carboidratos de armazenamento de animais e plantas, respectivamente.

Se o polissacarídeo é composto de unidades de açúcares diferentes, eles são chamados de heteropolissacarídeos. A maioria contém apenas duas unidades diferentes e geralmente está associada a proteínas (glicoproteínas, como gamaglobulina no plasma sanguíneo) ou lipídios (glicolipídios, como gangliosídeos).

Características

As quatro funções principais dos carboidratos são: fornecer energia, armazenar energia, construir macromoléculas e prevenir a quebra de proteínas e gorduras.

Os carboidratos são decompostos pela digestão em açúcares simples. Estes são absorvidos pelas células do intestino delgado e transportados para todas as células do corpo onde serão oxidados para obter energia na forma de trifosfato de adenosina (ATP).

As moléculas de açúcar, que não são utilizadas na produção de energia em um determinado momento, são armazenadas como parte de polímeros de reserva, como glicogênio e amido.

Os nucleotídeos, unidades fundamentais dos ácidos nucléicos, possuem moléculas de glicose em sua estrutura. Várias proteínas importantes estão associadas às moléculas de carboidratos, por exemplo: o hormônio folículo estimulante (FSH), que está envolvido no processo de ovulação.

Como os carboidratos são a principal fonte de energia, sua rápida degradação evita que outras biomoléculas sejam degradadas para obter energia. Assim, quando os níveis de açúcar são normais, as proteínas e os lipídios são protegidos da degradação.

Alguns carboidratos são solúveis em água, funcionam como um alimento básico em praticamente todas as pessoas, e a oxidação dessas moléculas é a principal via de produção de energia na maioria das células não fotossintéticas.

Os carboidratos insolúveis se associam para formar estruturas mais complexas que servem de proteção. Por exemplo: a celulose forma a parede das células vegetais juntamente com hemiceluloses e pectina.A quitina forma a parede celular dos fungos e o exoesqueleto dos artrópodes.

Além disso, o peptidoglicano forma a parede celular de bactérias e cianobactérias. O tecido conjuntivo animal e as articulações esqueléticas são constituídos por polissacarídeos.

Muitos carboidratos são covalentemente ligados a proteínas ou lipídios, formando estruturas mais complexas, chamadas coletivamente de glicoconjugados. Esses complexos atuam como marcadores que determinam a localização intracelular ou o destino metabólico dessas moléculas.

Alimentos que contêm carboidratos

Os carboidratos são um componente essencial de uma dieta saudável, pois são a principal fonte de energia. No entanto, alguns alimentos possuem carboidratos mais saudáveis, que oferecem uma quantidade maior de nutrientes, por exemplo:

Amidos

Alimentos ricos em amido são a principal fonte de carboidratos. Esses amidos são geralmente carboidratos complexos, ou seja, eles são compostos de muitos açúcares unidos para formar uma longa cadeia molecular. Por esse motivo, os amidos demoram mais para digerir.

Existe uma grande variedade de alimentos que contêm amidos. Os grãos incluem alimentos ricos em amido, por exemplo: feijão, lentilha e arroz. Os cereais também contêm esses carboidratos, por exemplo: aveia, cevada, trigo e seus derivados (farinhas e massas).

Legumes e nozes também contêm carboidratos na forma de amidos. Além disso, vegetais como: batata, batata doce, milho e abóbora também são ricos em amido.

É importante ressaltar que muitos carboidratos são uma fonte de fibra. Em outras palavras, a fibra é basicamente um tipo de carboidrato que o corpo só pode digerir parcialmente.

Semelhante aos carboidratos complexos, as fibras de carboidratos tendem a ser digeridas lentamente.

Frutas e vegetais

Frutas e vegetais são ricos em carboidratos. Em contraste com os amidos, frutas e vegetais contêm carboidratos simples, ou seja, carboidratos com um ou dois sacarídeos ligados um ao outro.

Esses carboidratos, por serem simples em sua estrutura molecular, são digeridos mais fácil e rapidamente do que os complexos. Isso dá uma ideia dos diferentes níveis e tipos de carboidratos que os alimentos contêm.

Assim, algumas frutas têm mais carboidratos por porção, por exemplo: bananas, maçãs, laranjas, melões e uvas têm mais carboidratos do que alguns vegetais, como espinafre, brócolis e couve, cenoura, cogumelos e beringelas.

Leite

Semelhante aos vegetais e frutas, os laticínios são alimentos que contêm carboidratos simples. O leite tem seu próprio açúcar chamado lactose, um dissacarídeo de sabor doce. Uma xícara disso equivale a cerca de 12 gramas de carboidratos.

Existem muitas versões de leite e iogurte no mercado. Independentemente de você estar consumindo uma versão integral ou com teor reduzido de gordura de um determinado laticínio, a quantidade de carboidratos será a mesma.

Os doces

Os doces são outra fonte bem conhecida de carboidratos. Isso inclui açúcar, mel, doces, bebidas artificiais, biscoitos, sorvetes, entre muitas outras sobremesas. Todos esses produtos contêm altas concentrações de açúcares.

Por outro lado, alguns alimentos processados e refinados contêm carboidratos complexos, como por exemplo: pão, arroz e massa branca. É importante observar que os carboidratos refinados não são nutritivos como os carboidratos encontrados nas frutas e vegetais.

Metabolismo de carboidratos

O metabolismo de carboidratos é o conjunto de reações metabólicas que envolvem a formação, degradação e conversão de carboidratos nas células.

O metabolismo dos carboidratos é altamente conservado e pode ser observado até mesmo em bactérias, sendo o principal exemplo o Lac Operon de E. coli.

Os carboidratos são importantes em muitas vias metabólicas, como a fotossíntese, a reação de formação de carboidratos mais importante da natureza.

A partir do dióxido de carbono e da água, as plantas usam a energia do sol para sintetizar moléculas de carboidratos.

Por sua vez, as células animais e fúngicas quebram os carboidratos, consumidos nos tecidos vegetais, para obter energia na forma de ATP por meio de um processo denominado respiração celular.

Nos vertebrados, a glicose é transportada por todo o corpo através do sangue. Se os estoques de energia celular são baixos, a glicose é quebrada por meio de uma reação metabólica chamada glicólise para produzir alguma energia e alguns intermediários metabólicos.

As moléculas de glicose não necessárias para a produção imediata de energia são armazenadas como glicogênio no fígado e no músculo, por meio de um processo denominado glicogênese.

Alguns carboidratos simples têm seus próprios caminhos de decomposição, como alguns dos carboidratos mais complexos. A lactose, por exemplo, requer a ação da enzima lactase, que quebra suas ligações e libera seus monossacarídeos fundamentais, glicose e galactose.

A glicose é o principal carboidrato consumido pelas células, constitui aproximadamente 80% das fontes de energia.

A glicose é distribuída para as células, onde pode entrar por meio de transportadores específicos para ser degradada ou armazenada como glicogênio.

Dependendo dos requisitos metabólicos de uma célula, a glicose também pode ser usada para sintetizar outros monossacarídeos, ácidos graxos, ácidos nucléicos e certos aminoácidos.

A principal função do metabolismo dos carboidratos é manter o controle dos níveis de açúcar no sangue, isso é conhecido como homeostase interna.

Referências

Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014).Biologia molecular da célula (6ª ed.). Garland Science.
Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015).Bioquímica(8ª ed.). W. H. Freeman and Company.
Campbell, N. & Reece, J. (2005).Biologia (2ª ed.) Pearson Education.
Dashty, M. (2013). Uma rápida olhada na bioquímica: Metabolismo de carboidratos. Bioquímica Clínica, 46(15), 1339–1352.
Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016).Biologia Celular Molecular (8ª ed.). W. H. Freeman and Company.
Maughan, R. (2009). Metabolismo de carboidratos. Cirurgia, 27(1), 6–10.
Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Princípios de Bioquímica de Lehninger (6^º) W.H. Freeman and Company.
Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004).Biologia(7ª ed.) Cengage Learning.
Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016).Fundamentos da Bioquímica: Vida no Nível Molecular (5ª ed.). Wiley.