Carbohidratos

HIDRATOS

DE CARBONO

Marsha G贸mez Maricruz Burgos Marco Segura Juan Manuel Medrano Nathalia Mora

Í

ndice Los glucosaminoglucanos son los polisacáridos estructurales de los tejidos animales................................................................ 21

Introducción ............................................................ 4 Para Comenzar

Monosacáridos ........................................... 5 Los monosacáridos se clasifican según sus características químicas .................. 5

En Síntesis .................................................................... 23

Propiedades de los Carbohidratos ........... 23

Usos de los Carbohidratos ........................ 23

Los monosacáridos presentan isomería ............................................................ 7

Los monosacáridos en solución presentan un nuevo centro quiral .................. 10

El alimento en particular ......................... 24

Aplicaciones del Carbohidrato (Industrial) .......................................................... 24

Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades ......................................... 14

Según su Composición los Carbohidratos se dividen en ................................................................... 25

Oligosacáridos .......................................... 16 Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico............................. 16

Conclusión ................................................................... 26

Los disacáridos pueden ser reductores o no reductores ................................ 17

Bibliografía .................................................................. 27

Los oligosacáridos aportan “información“ a las moléculas que los portan..... 18

Polisacáridos ............................................. 18

Los polímeros de glucosa con enlaces tipo α son la reserva energética de los organismos....................................................... 18

Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico ............................ 18

Las paredes celulares están formadas por polisacáridos tipo β (BETA) ......... 20

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I

ntroducción

Desde el punto de vista químico, son compuestos sencillos, lo que facilitará la comprensión de su estructura y sirve, además, para fijar los fundamentos químicos.

carbono son los monosacáridos; la unión de dos monosacáridos forma los disacáridos. Cuando se unen pocas unidades monosacáridas se denominan oligosacáridos (del griego oli, poco), y polisacáridos cuando se unen muchos monómeros (del griego poli, mucho).

A lo largo del presente capítulo se destaca la importancia de la estructura química de los diferentes hidratos de carbono presentes en los seres vivos para determinar su función biológica: bien energética, estructural o portadora de información. Puesto que son moléculas con actividad óptica, se van a introducir los principios de la isomería, tan importantes en las moléculas biologicas.

Los hidratos de carbono desempeñan funciones muy variadas, en los seres vivos, y juegan un papel central en el ciclo energético de la biosfera. Mediante la fotosíntesis, las plantas captan el dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera y se fija en los hidratos de carbono. Éstos se almacenarán en las plantas en forma de polisacáridos (almidón) que serán la fuente de carbono para los animales. Mediante la respiración, tanto las plantas como los animales oxidarán estos hidratos de carbono para obtener energía y devolverán a la atmósfera el CO2. Sin embargo ésta no es la única función de los hidratos de carbono, puesto que también tienen un importante papel en la formación de estructuras que protegen a las células, como la celulosa de las células vegetales, los polisacáridos de las paredes bacterianas y los exoesqueletos de los artrópodos.

Una tercera función no menos importante es la que desempeñan los sacáridos unidos a proteinas o lípidos de la superficie celular, siendo unos de los actores principales en la comunicación celular.

Desde el punto de vista biológico, la glucosa - el hidrato de carbono más abundante en la naturaleza - , va a jugar un papel central en el metabolismo celular, al ser el principal componente del ciclo de carbono de la biosfera.

Los hidratos de carbono o sacáridos son moléculas biológicas simples en cuanto a su compowsición química, sin embargo desempeñan funciones vitales fundamentales. La denominación de hidratos de carbono, se debe a que la mayoría de ellos responde a la fórmula estequiométrica (CH2O)n, si bien algunos pueden estar modificados conteniendo otros grupos como fostato, sulfato o amino (Recuadro 1-1) Las unidades monoméricas de los hidratos de 3

P

ara Comenzar...

Monosacáridos Los monosacáridos se clasifican según sus características químicas:

Recuadro 1-1 Etimología El nombre de los hidratos de carbono es muy variado, de acuerdo con las diferentes raíces empleadas: * Hidratos de carbono o carbohidratos: debido a que respondena la fórmula estequiométrica (CH2O)n y antiguamente se creía que eran, tan sólo, carbonos hidratados. * Sacáridos: del griego sakcharon, azúcar. * Glúcidos: derivados de la glucosa, principal monosacárido.

Los monosacáridos son los azúcares más simples, las unidades monoméricas de todos los hodratos de carbono. Se sintetizan a partir de precursores que se obtienen de CO2 y el H2O por medio de la fotosíntesis. Los organismos heterótrodos (como los animales) obtienen los monosacáridos de los nutrientes.

La principal característica de los monosacáridos es que responden a la fórmula (CH2O)n, encontrándose n en un rango de 3 a 7 . Químicamente a los monosacáridos son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Su clasificación se basa atendiendo al grupo carbonilo (C = O), es decir, si este grupo es un aldehído (aldosas) o bien una cetona (cetosas), así como el número de átomos de carbonos. Des esta forma, los monosacáridos más pequeñ9os se denominan triosas , y se indica si se trata de un aldehído o una cetona con el prefijo correspondiente.

Así tendremos aldotriosas, aldotetrosas, aldopentosas, aldohexosas, aldoheptosas (Figura 1-1), y lo mismo con las cetosas: cetotriosas, cetotetrosas, cetopentosas, etc. (Figura 1-2) Existen muchos monosacáridos de importancia biológica, pero sin duda la glucosa es la más importante, es el más abundante en la naturaleza, y el que juega un papel central en el metabolismo celular, además de ser el monosacárido principal en la mayoria de los polisacáridos.

Otras aldohexosas importantes son la galactosa y la manosa. Entre las cetohexosas la más abundante en la naturaleza es la fructosa. También dentro de las aldopentosas se encuentran moléculas de enorme interés biológico, como la ribosa, por formar parte de importantes nucleótidos (como el ATP) y de los ácidos ribonucleicos.

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Los monosacáridos presentan isomería: Si se atiende a la fórmula química de las triosas, (CH2O)n, se observa que es válida tanto para las adotriosas como para las cetotriosas. Sin embargo, la posición del grupo carbonilo cambia del carbono 1 en la aldotriosa (gliceraldehído) al carbono 2 en la cetotriosa (dihidroxiacetona). Ambas moléculas son , por lo tanto, isómeros estructurales, porque tienen la misma fórmula química pero se diferencian en la localización de sus átomos y grupos funcionales (Figura 1-3).

Una característica fundamental de los monosacáridos (a excepción de la dihidroxiacetona) es que presentan esteroisometría, debido a la presencia de cabonos asimétricos, es decir, son moléculas quirales (quiral: del griego quiros, superponibles, como ocurre con nuestras manos).

Al mirar el gliceraldehído, se puede observar que el carbono situado en posición (C-2) es un carbono asimétrico, también denominado centro quiral, es decir, aquel que tiene cuatro sustituyentes diferentes, por lo tanto gliceraldehído tiene dos posibles isómeros ópticos del tipo enantiómero (Figura 1-4). Dos enantiómeros son indistinguibles desde el punto de vista químico y comparten casi todas las propiedades físicas.

Como la mayoría de las moléculas biológicas son quirales, la unión de una enzima solo reconocerá a un único tipo de enantiómero (Recuadro 1-2).

En la figura 1-2 se observa que a medida que aumenta el número de carbonos, el monosacárido podrá adaptar un mayor número de configuraciones especiales. Cada centro quiral tendrá dos posibles configuraciones, denominadas D o L. Por lo tanto una molécula con n centros quirales tendrá 2n posibles esteroisómeros. Existen cuatro cfentros quirales en las aldohexosas, luego habrá 24 = 16 esteroisómeros, sin embargo en la naturaleza se encuentra solo las ocho configfuraciones D ya que, como se ha comentado, únicamente es activo uno de los dos posibles enantiómeros (Recuadro 1-2). Todo esteroisómero que no sea enantiómero se denomina disateroisómero (Figura 1-3).

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Los enantiómeros son moléculas cuya imagen especular no es superponible. En la naturaleza sólo un enantiómero es biológicamente activo.

La presencia de carbonos asimétricos determina que los monosacáridos presenten esteroisometría.

CHO | HCOH | CH2OH D- Gluceraldehído

Aldotetrosas CHO | HCOH | HCOH | CH2OH

CHO | HOCH | HCOH | CH2OH

D- Eritrosa

CHO | HCOH | HCOH | HCOH | CH2OH D- Ribosa

CHO | HCOH | HCOH | HCOH | HCOH | CH2OH D- Alosa

CHO | HOCH | HCOH | HCOH | HCOH | CH2OH D- Altrosa

D- Treosa

CHO | HOCH | HCOH | HCOH | CH2OH

CHO | HCOH | HOCH | HCOH | CH2OH

D- Arabinosa

D- Xilosa

Aldopentosas CHO | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH D- Lixosa

Aldotetrosas CHO | HCOH | HOCH | HCOH | HCOH | CH2OH

CHO | HOCH | HOCH | HCOH | HCOH | CH2OH

CHO | HCOH | HCOH | HOCH | HCOH | CH2OH

D- Glucosa

D- Manosa

D- Gulosa

CHO | HOCH | HCOH | HOCH | HCOH | CH2OH D- Idosa

CHO | HCOH | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH

CHO | HOCH | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH

D- Galactosa

D- Talosa

Figura 1-1. Familia de las aldosas. A medida de que se adiciona un carbono por debajo del grupo carbonilo en la serie D - Aldosa (triosas, tetraosas, etc.) se generan dos nuevos diasteroisómeros. Se marcan en rojo los carbonos asimétricos y se recuadran los monosacáridos más comunes en los sistemas biológicos. No se representa la configuración L, que sería la imagen especular de las formas D. Se señala en azul el grupo OH que marca la configuración D.

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CH2OH |

Enantiómetro

Cetotriosa

C=O | CH2OH

CHO | HOCH | HCOH | HOCH | HOCH | CH2OH

Dihidroxiacetona CH2OH |

C= O | HCOH | CH2OH

Cetotetrosa

CHO | HCOH | HOCH | HCOH | HCOH | CH2OH

D- Glucosa

D- Glucosa

D- Eritrulosa

CH2OH |

C= O | HCOH | HCOH | CH2OH D- Ribulosa

CH2OH |

C= O | HCOH | HCOH | HCOH | CH2OH D- Psicosa

CH2OH |

CH2OH |

C= O | HOCH | HCOH | CH2OH

Diasteroisómero CHO | HOCH | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH

Cetopentosa

D- Xilulosa

CH2OH |

D- Talosa

CH2OH |

C= O | HOCH | HCOH | HCOH | CH2OH

C= O | HCOH | HOCH | HCOH | CH2OH

C= O | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH

D- Fructosa

D- Sorbosa

D- Tagatosa

Cetohexosa

Diasteroisómero: Epímero CHO | HCOH | HOCH | HOCH | HCOH | CH2OH D- Galactosa

Figura 1-3. Diferentes isómeros de la glucosa.

La diferente posición del grupo carbonilo en la fructosa lo convierte en un isómero estructural o funcional. La imagen especular de la D-Glucosa es su enantiómero, la L-Galactosa es un epímero, mientras que la D-Talosa es un diasteroisómero con má de un Carbono asimétrico en diferente configuración.

Recuadro 1-2 Convención de Fischer ¿Qué puede ser más semejante a mi mano o a mi oreja y más igual en todas partes que su imagen en el espejo? Y sin embargo, yo no puedo colocar la mano que se ve en el espejo en el lugar de la original.

Se utiliza la convención de Fisher para describir las diferentes formas de las moléculas quirales (imagen especular de sí misma pero que no es superponible). El gliceraldehído y su enantiómero desvían el plano de la luz polarizada en los mismos grados pero en direcciones opuestas.

Espejo

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Figura 1-4.

Isómeros ópticos del gliceraldehído.

Se representan los enantiómeros según la proyección de Fisher, y se compara su naturaleza quiral con la disposición de las manos. En el caso de gliceraldehído la forma del espejo desvía el plano de la luz polarizada a la derecha (+) y la forma norma a la izquierda (-). Se representa la importancia de la quiralidad en una molécula con actividad biolégica.

Los monosacáridos en solución presentan un nuevo centro quiral: En disolución, los monosacáridos pequeños se encuentran en forma lineal, mientras que las moléculas más grandes ciclan su estructura. La estructura lineal recibe el nombre de Proyección de Fischer; la estructura ciclada de Proyección de Haworth. En la representación de Haworth la cadena carbonada se cicla situada sobre un plano. Los radicales de la cadena se encuentran por encima o por debajo de ese plano.

La estructura ciclada se consigue en aldopentosas y hexosas. El enlace de ciclación se genera entre el carbono que posee el grupo funcional y el carbono asimétrico más alejado del grupo funcional. Cuando el carbono tiene un grupo aldehído, como grupo funcional, el enlace recibe el nombre de hemiacetálico. Cuando el carbono tiene un grupo cetona, como grupo funcional, el enlace recibe el nombre de hemicetálico.

Figura A-1. Piranosas

Figura A-2. Furanosas

Los monosacáridos en solución acuosa pueden adoptar una forma ciclica cuando uno de sus grupos hidroxilo reacciona con el grupo carbonilo, de su misma molécula y, forman un enlace denominado hemiacetal o hemicetal, respectivamente (Figura 1-5). Así, una molécula de seis carbonos con cuatro centros quiralesm al adoptar la forma ciclica presentará un quinto centro quiral en el carbono que proviene del grupo carbonilo ()C-1 si es aldehído y C-2 si proviene de cetona), pudiendo ahora adoptar dos posibles configuraciones.

Los azúcares de seis o más carbonos adoptan una forma de anillo de seis miembros y se conocen como piranosas(Figura A-1). Las cetosas de seis carbonos y las aldosas de cinco adoptan la forma de un anillo de cinco miembros denominándose furanosas (Figura A-2) (Figura 1-6).

Los nuevos esteroisoméros se denominará anómeros y se diferencian en la disposición del grupo OH del nuevo carbono asimétrico denominado carbono anomérico. Sólo varía la configuración de este carbono, quedando los sustituyentes de los demás centros quirales en la misma disposición. Si el OH está en el lado opuesto del anillo del grupo CH2OH que designa la configuración D o L (C-5 hexosas) se denomina anómero α y si están al mismo lado del plano se denomina anómero β . Como normalmente la configuración D se representa con el C-5 en la parte superior del anillo, la configuración α presentará el OH debajo del plano y la β por encima. Los dos anómeros de la D-Glucosa tienen propiedades físicas y químicas diferentes, entre los que se incluyen la capacidad de desviar el plano de la luz polarizada. Se observa que en disolución acuosa los anómeros se interconvierten libremente (mutarrotación), llegando al equilibrio; por ejemplo; apartir de la D- Glucosa se obtiene una mezcla de 63,6% de la forma β y un 36,4% del anómetro α, estando la forma líneal presente en muy poca proporción (1-7 a).

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Debido al poder reductor de los monosacáridos las pruebas de identificación de los azúcares se basan en su capacidad de reducir reactivos con Cu2+ provocando un cambio de color fácilmente medible.

La representación de los anillos según la representación de Haworth, simula un anillo plano para las formas pirano y furano sin embargo, debido a la estructura tetraédrica del carbono, estas estructuras ciclicas adoptan conformaciones más estables termodinámicamente, denominadas confrormación en silla. La disposición de los dsustituyentes del plano axial o ecuatorial (según un eje de referencia perpendicular al anillo) (Figura 1-7 b) (a)

Pirano

(b)

Figura 1-6. D- Glucopiranosa y D-Ribofuranosa.

Formación de moléculas cicladas a partir de las formas lineales de la D-Glucosa(a) y D-Fructosa (b). Las fórmulas se representan en proyección de Haworth: los lados del anillo más cercanos al lector se representan con trazos gruesos. La disposición de los grupos hidroxilo por debajo del plano del anillo en este tipo de representación corresponde con la posición a la derecha en las proyecciones de Fisher. Se compara con las moléculas de pirano y furano.

Furano

(a)

α- O- glucopinosa

Figura 1-7. (a) Formas anoméricas de la D-Glucopiranosa. Proceso de mutarrotación en el que se produce una interconversión de la forma α a la β, posiblemente a través de un paso por la forma lineal. Estos números sólo se diferencian en la coniguración de los carbono anomérico (C-I). (b) Dos posibles conformaciones en silla de la β - O- Glucopiranosa. Se indica los sutituyentes en posición ecuatorial.

β -o- glucopinosa

(b)

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Los monosacáridos modificados adquieren nuevas propiedades: Considerando las posibles reacciones químicas que pueden realizar los grupos funcionales presentes en los monosacáridos: grupos hidroxilo, carbonilo (ceto o aldehído) y hemicetal; podemos analizar aquellas modificaciones que sufren algunos monosacáridos en la célula y que adquieren cierta importancia biológica (Figura 1-8).

Oxidaciones Si la oxidación la sufre el grupo aldehído, convirtiéndose en un grupo carboxilo, se produce un ácido aldónico, como es el caso del glucónico en la oxidación del C-1 de la glucosa (se añade el sufijo -ónico- después del nombre de la aldosa que proviene). La capacidad de ser oxidados hace que los monosacáridos tengan poder reuctor, siendo ésta una de las características distintivas de estas moléculas para su identificación por métodos bioquímicos. Ya que todos los monosacáridos tienen poder reductor, todos podrán reducir algún agente químico como los iones de Cu2+, haciendo que el cambio de color del precipitado de cobre revele la presencia de monosacáridos en la muesta a determinar.

Si la oxidación la sufre un alcohol primario de las aldosas (C-6) se convierte en un ácido urónico, como el glucurónico en el caso de la glucosa. En este caso puede presentarse en forma ciclada, y es un azúcar ácidomuy frecuente en los polisacáridos presentes en las células animales.

Las lactonas son una forma ciclada, pero este caso mediante un enlace éster, entre el carboxilo oxidado del carbono 1 y un alcohol de la misma molécula, normalmente el carbono 5. Un ejemplo de lactosa es la vitamina C o ácido ascórbico.

Vitamina C

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Oxidación

Ácido Gluconico D- Glucónico

Reducción

Ácido Gluconico D- Glucónico

Azúcares ácidos

Ácido D- Glucono

Figura 1-8. Diferentes modificaciones de monosacáridos. Se muestra las moléculas de monosacáridos de mayor a menor revelancia en los sistemas biológicos.

D- Glucono - Lactona

Reducciones Los grupos aldehídos y cetona pueden sufrir también de reducción a grupos alcohol. Existen muchos azúcares alcohol, alditoles, presentes en la célula, como el glicerol, el mio-inositol, que forma parte de varios lípidos de membrana, el ribitol, componente de la flavina adenindinucleótido (FAD). Otros alditoles se utilizan como edulcorantes, como el xilitol y el sorbitol, por reducción de la glucosa.

Otra forma reducida de los monosacáridos son los desoxiazúcares, donde se ha sustituido un grupo OH por un H. El desoxiazúcar más importante es la β - D 2- desoxirribosa, por ser el azúcar presente en los nucleótidos que forman el ADN(Figura A-3).

Figura A-3. Ácido Desoxirribo Nucleico

Esterificación Los numerosos grupos hidroxilos presentes en los monosacáridos permiten la unión mediante enlaces éster de un ácido fosfórico, formando los azúcares fosfato, de gran importancia biológica dado su alto valor energético. Importantes intermediarios metabólicos de la oxidación de la D-glucosa son la D-glucosa6-fosfato y la D-gliceraldehído 3- fosfato.

Es importante resaltar que la esterificación se produce no por una incorporación del ácido fosfórico, sino más bien, por una transferencia del grupo fosforilo en una reacción catalizada por enzimas denominadas quinasas.

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Oligosacáridos Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico: Una reacción muy importante que no se ha descrito hasta ahora, es la que produce la unión covalente de dos azúcares, mediante un enlace de condensación. La reacción entre un hidroxilo cualquiera de un monosacárido con el grupo OH del carbono anomérico (C-1 en aldosas y C-2 en cetosas) de un azúcar diferente, producirá la unión mediante un enlace o-Glucosídico de los dos mononsacáridos. En la célula, este enlace de condensación será catalizado por diferentes enzimas, de acuerdo con los azúcares que intervengan en la reacción. Las enzimas distinguen no solo el tipo de azúcar sino también el tipo de anómero.

La hidrólisis de este enlace será muy lenta en ausencia de la enzima adecuada. La unión de dos monosacáridos mediante este tipo de enlace permitirá la extensión de la molécula, ya que quedará libre siempre un -OH del carbono anomérico para iniciar otro enlace o-Glucosídico y podrá, por tanto, formar oligosacáridos o polisacáridos, dependiendo de si se unen pocas o muchas unidades. Este tipo de enlace se denomina monocarbonílico, ya que solo uno de los -OH del enlace es aportado por un carbono anomérico (derivado del carbonilo).Sin embargo, si la unión entre dos monosacáridos se realiza aportando ambos azúcares su -OH del carbono anomérico se producirá un enlace dicarbonílico, imposibilitando que el disacárido siga extendiéndose, y perdiendo también su poder reductor.

Otro tipo de enlace glucosídico es el que tiene lugar entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico y una amina cualquiera. En este caso se formará un enlace N-glucosídico. Los nucléotidos son moléculas de gran importancia biológica ene l que interviene este tipo de enlace donde se produce la unión de una amina de la base nitrogenada a un -OH del carbono anomérico de la ribosa o de la desoxirribosa (Figura 1-9).

Las proteínas también pueden establecer uniones covalentes de este tipo con los azúcares. Para establecer un enlace o-Glucosídico, la proteína debe aportar al enlace un grupo hidroxilo de alguno de los radicales de sus aminoácidos, y se producirá un n-Glucosídico si el radical aminoácido aporta una amina (Figura 1-15). El azúcar siempre deberá aportar al enlace un grupo hidroxilo de un carbono anomérico.

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Los disacáridos pueden ser reductores o no reductores Los disacáridos se nombran y clasifican en función de su carácter reductor. Hay disacáridos reductores y no reductores. Esto depende de su grupo carbonilo, que es el que le confiere dicho poder reductor.

Los oligosacáridos en los que los dos grupos carbonilo participan en el enlace no presentan poder reductor, debido a que no queda libre ningún grupo carbonilo en la molécula. En los disacáridos que solo intervenga un grupo carbonilo se dará poder reductor al quedar uno libre.

Los oligosacáridos se nombran en función de su carácter reductor, de los monosacáridos que lo formen, y de sus enlaces.

Por ejemplo, la maltosa, deriva de la unión de 2 D-glucosas (Figura 1-10).

Una glucosa reacciona con su carbono anomérico y la otra reacciona con el OH de su C4. La maltosa, por todo esto, se nombraría así: α-Dglucopiranosil (1->4) β -D-glucopiranosa (nomenclatura IUPAC). La terminación “osa” nos indica que es reductor.

Hay otra nomenclatura “abreviada” en la que los monosacáridos se designan por tres letras, y nuestro ejemplo quedaría de la forma: Glucosa (α1 -> 4) Glucosa (reductor).

El disacárido más abundante en la naturaleza es la sacarosa, formada por la unión entre la glucosa y la fructosa mediante enlace (α1 -> β2); es decir abos azúcares aportan al enlace los carbonos anoméricos, formando un enlace dicarbonílico, y quedando en consecuencia el disacárido sin poder reductor, o azúcar no reductor, como la maltosa y la celobiosa La sacarosa es la forma en que los hidratos de carbono son transportados por las plantas y nos resulta familiar ya que es el azúcar de mesa común.

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Los oligosacáridos aportan “información“ a las moléculas que los portan: Existen en la naturaleza gran heterogeneidad de oligosacáridos según la naturaleza de las moléculas que lo formen y el tipo de enlace o-glucosídico que los una; así podrán formarse uniones (1->2), (1->3), (1->4), etc.

También puede ocurrir que un mismo monosacárido se enlace a tres moléculas formando una ramificación (Figura 1-15). Consecuentemente un oligosacárido se identificará por las moléculas que lo formen, por su secuencia, las formas anoméricas y los enlaces que lo comprendan.

Esta rica variedad de formas aporta una importante información a la molécula que lleve unido el oligosacárido, ya que este tipo de moléculas suele asociarse a proteínas o a lípidos.

Una características importante en la naturaleza de los monosácaridos que forman estas estructuras oligosacáridos es la aparición de azúcares complejos, es decir de monosacáridos modificados como la N-acetilglucosamina, el N-acetil-neuroamínico, y los azúcares ácidos, que incorporan a las moléculas diferentes grupos funcionales en muchos casos con carácter ácido (cargados negativamente a PH fisiológico) (Figura 1-8).

Polisacáridos Los monosacáridos se unen mediante enlace o-glucosídico: La mayoría de los hidratos de carbono se encuentran en la naturaleza formando polímeros de gran tamaño, es decir, en forma de polisacáridos, también denominados glucanos. Si atendemos a la naturaleza de los monosacáridos que los componen, se podrán clasificar en homopolisacáridos, formados por el mismo tipo de monosacáridos, o heteropolisacáridos, si lo están por diferentes monosacáridos. Además, también podrán diferir en la longitud y disposición de las cadenas; en forma lineal o ramificada, según como estén enlazados. Sin embargo, en este apartado los clasificaremos según la función que desempeñan en la naturaleza: función de reserva energética o por la capacidad de formar estructuras.

Los polímeros de glucosa con enlaces tipo α son la reserva energética de los organismos: La principal manera que tienen los organismos de almacenar la glucosa cuando no la necesitan es crear grandes polímeros, que se acumulan en forma de gránulos en el interior de las células. Las plantas la almacenan en forma de almidón, y los animales en forma de glucógeno. Las bacterias y levadura también almacenan la glucosa en diferentes polisacáridos denominados destranos.

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Figura 1-10.

Disacáridos de importancia biológica.

Se muestra la formación del sacárido maltosa por enlace o-glucosídico, así como otros disacáridos, como lactosa y sacarosa, por proyecciones de Haworth, con sus nombres comunes y los sistemáticos.

El almidón está formado por dos polímeros, la amilosa y la amilopectina.

La amilosa es un polímero lineal de glucosas unidas por enlaces (α1->4), mientras que la amilopectina está ramificada. En este caso las glucosas están unidas también por (α1->4), pero aparecen ramificaciones cada 24-30 residuos (Figura 1-11). La ramificación se produce por la posibilidad de una glucosa de establer mediante un enlace (α1->6) otro enlace glucosídico con una cadena de glucosas. La mayoría de las células vegetales sintetizan almidón, que se almacena en gránulos, pero es especialmente abundante en la patas , arroz y semillas.

El glucógeno es el polisacárido de reserva principal de las células animales. Está altamente ramificado, cada 8-12 residuos de glucosa unidas por enlaces (α1->4) aparece una ramificación mediante enlaces (α1->6). Esto hace que sea más compacto que el almidón. Tienen una masa molecular muy alta, pudiendo alcanzar varios millones. Se almacena principalmente en el hígado y en el músculo en formade gránulos, donde se acumulan varias moléculas indiciduales de gran tamaño. Si se observa la figura 1-11 se nota que cada rama tiene un extremo no reductor, sin embargo, cada molecula completa de glucógeno solo presenta un único extremo reductor. Las enzimas e¿que se encargan de eliminar las moléculas de glucosa desde los extremos no reductores pueden trabajar a la vez (una molécula de enzima por cada rama) haciendo que la obtención de glucosa a partir del glucógeno cuando la célula no requiere sea muy rápida. Una gran ventaja de almacenar la glucosa en forma de glucógeno esq ue esta forma molecular tiene una osmolaridad (es la medida usada por farmacéuticos, médicos ,veterinarios y biólogos para expresar la concentración total) muy reducidal, sin embargo si una célula tiviera que contener el mismo número de moléculas de glucosa en forma monomérica tendría una concentración de glucosa de 0,4 M. Esto provbocaría la entrada masiva de agua para compensar la alta concentración de glucosa, o la salida de moléculas osmolarmente activas.

Además, la diferencia de concentración tan alta dentro de la célula frente uan baja concentración en el medio extracelular (5 mM en sangre en los mamíferos) induciría que la entrada de glucosa en la célula en contra de gradiente consumiera mucha energía.

Los dextranos (Figura A-4) son polímeros de glucosa unidos por enlaces (α1->6) con ramificaciones (α1->3), pudiendo también tener ramificaciones (α1-2) y (α1->4). Son sintetizados por bacterias y levaduras, y tienen una importancia relevante en la formación de la placa dental, dado su carácter pegajoso. Van a ser importantes en la formación del biofilm en la superficie del diente, lo que permitirá una adherencia y, por lo tanto, la colonización bacteriana. Estas bacterias utilizarán estos polisacáridos extracelulares como fuente de adhesión, pero también como fuente de nutrientes, ya que existen enzimas que pueden degradarlos en componentes monosacáridos que serán utilizados por las bacterias como fuente de energía.

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Las paredes celulares están formadas por polisacáridos tipo β (BETA) Una característica común a todas los polisacáridos estructurales de los diferentes organismos es la presencia de enlaces glucosídicos tipo B. La celulosa que forma la pared de las células vegetales y la quitina que forma el exoesqueleto de los artrópodos (como los insectos y crustáceos) son homopolisacáridos que forman estructuras insolubles, siendo muy abundantes en la naturaleza. La celulosa forma parte de las plantas leñosas, en particular, cañas, tallo y troncos; así, la madera y el algodón están constituidos principalmente por celulosa (Recuadro 1-3’).

La quitina también es muy abundante ya que forma los exoesqueletos de casi un millón de especies de artrópodos.

La celulosa son polímeros lineales de glucosas unidas por enlaces (β1-›4); la quitina es prácticamente igual pero adhiere en que la glucosa está N-acetilda en el carbono 2. Ambos polímeros son lineales y la disposición en el espacio de los anillos de pirano, unidos por enlaces (31-+4), experimenta una rotación de 180° con respecto a las moléculas vecinas produciendo una estructura extendida de largas fibras de celulosa.

Además, la gran cantidad de grupos hidroxilos altamente polares permite una asociación mediante puentes de hidrógeno entre las diferentes moléculas de glucosa, tanto intracatenarios como intercatenarios, lo que produce estructuras muy rígidas y poco solubles en agua, ya que no disponen de grupos -OH libres para interaccionar con el agua (Fig. 1-12).

Las bacterias también tienen paredes celulares rígidas formadas por polisacáridos unidos por enlaces tipo β (1 -4). El peptidoglucano es un heteropolisacárido formado por molécula de N-acetilglucosamina y ácido N-acetilmuránico unidas de forma alternada por enlaces |3[ 1 -4).

Una particularidad de esta estructura es que las largas moléculas lineales de este heteropolisacárido se unen entre si por enlaces covalentes; a diferencia de la celulosa o quitina que se asociaban por enlaces débiles de puentes de hidrógeno. Las uniones covalentes se realizan por un péptido (cadenas cortas de aminoácidos) que se unen a los grupos - OH delos azúcares. Esta estructura de cadenas de polisacáridos unidos por pequeños puentes de aminoácidos da una gran rigidez a la pared bacteriana, protegiéndola de los cambios externos a los que se exponen las células. La secuencia de los péptidos difieren entre las diferentes especies bacterianas. Además existen diferencias significativas entre la pared bacteriana de los dos grandes grupos clásicos de bacterias. Esta clasificación de bacterias Gram positivas y Gram negativas radica en la diferente forma de teñirse (y, por lo tanto, por su aspecto al observarse al microscopio) las paredes bacterianas; las bacterias Gram positivas y las Gram negativas van a tener una disposición diferente de las cadenas de heteropolisacáridos y también distinta manera de unirse por los péptidos. Otra particularidad de estas estructuras es que los péptidos

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alternan aminoácidos D y L, algo inusual en la naturaleza. donde solo existen aminoácidos en la configuración L, dando una ventaja a las bacterias ya que difícilmente serán atacadas por las enzimas celulares que únicamente son capaces de reconocer, y por tanto romper, enlaces entre L-aminoácidos. (Recuadro 1-4)

Figura 1-12. Diferencias estructurales debido al tipo de enlaces α(1->4) o β (1->4). La dispocisión que adoptan en el espacio las moléculas de D-Glucosa que forman la amilosa o la celulosa, promueven estructuras tan diferentes como hélices.

Los glucosaminoglucanos son los polisacáridos estructurales de los tejidos animales:

Recuadro 1-4 Defensa y Ataque La pared celular es una capa rígida que se localiza en el exterior de la membrana plasmática en las células de plantas, hongos, algas, bacterias y arqueas. La pared celular protege el contenido de la célula, da rigidez a la estructura celular, funciona como mediadora en todas las relaciones de la célula con el entorno y actúa como compartimiento celular. Además, en el caso de hongos y plantas, define la estructura y otorga soporte a los tejidos y muchas más partes de la célula.

Las células animales no requieren una pared rígida que las proteínas de los cambios externos, como en los organismos unicelulares y en las plantas. Sin embargo, las células de los tejidos animales se encuentran embebidas en un material gelatinoso, la matriz extracelular, que mantiene unidas a las células y que está compuesta por una red de moléculas de heteropolisacáridos y proteínas fibrosas (como colágeno y elastina) y proteínas de anclaje a las células epiteliales (como la fibronectina y la laminina. La consistencia gelatinosa de la matriz es conferida por los heteropolìsacáridos, denominados glucosaminoglucanos (GAG) altamente hidratados debido a su naturaleza ácida. Estos polisacáridos proporcionan a los tejidos resistencia a la compresión y rellenan los espacios intercelulares; además, su naturaleza porosa permite la difusión de nutrientes y oxígeno por los tejidos. La naturaleza de los diferentes tejidos conjuntivos dependerá de la proporción y el tipo de polisacáridos y proteínas fibrosas que contengan.

En general los GAG son heteropolisacáridos formados por unidades disacáridos unidas por enlaces alternos. La unidad está formada por una Maoctilglucosamina o N-acetilgalactosamina siendo el otro monosacárido que forma parte de esta unidad una ácido urónico, normalmente D-glucurónico o L-idurónico. Algunos presentan grupos sulfatos esterificados, que aumenta así las cargas negativas. Esta 19

naturaleza ácida provoca una disposición en el espacio muy extendida de las grandes cadenas de polisacáridos para disminuir así la repulsión de sus cargas negativas. Además, estas estructuras promueven la asociación con moléculas que interaccionen electroestáticamente con ellas, siendo un papel muy importante de los CAG el reconocimiento específico de un gran número de ligados. En la matriz extracelular los CAG se suelen unir covalentemente a proteínas formando proteoglicanos que se describen en el siguiente apartado. En la figura 2-13 se presentan los principales glucosaminoglucanos indicando la naturaleza de los monosacáridos que los componen, el tipo de enlace.

F.I ácido hialurónico es uno de los principales GAG de la matriz extracelular, y forma grandes masas moleculares superiores a un millón.

Además ocupa un gran volumen. Debido al gran contenido de moléculas de agua que contiene unidas por puentes de hidrógeno a los grupos OH y por atracción electrostática por los grupos ácido del glucurónico.

Los enlaces glucosídicos que mantienen unidos este polímero pueden ser degradados por la enzima hialurinasa, que es secretada por algunas bacterias patógenas lo que les confiere una mayor facilidad para invadir los tejidos.

Ácido Hialurónico

Figura 2-13. Principales glucosaminoglucanos. Se muestan las unidades repetidas dc disacáridos, según la naturaleza de los monosacáridos que los componen y el tipo de enlace.

Queratán Sulfato

Dermatán Sulfato

Condroitín Sulfato

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E

n Síntesis

Propiedades de los Carbohidratos

Usos de los Carbohidratos

- Solubles en agua - Cristalinos - Mutorrotación - Desvía la luz polarizada - Poco solubles en etanol - Dulces - Dan calor - Siguen la formula (CH2O)n

* Energeticamente, los carbohidratos aportan 4 KCal (kilocalorías) por gramo de peso seco.

Esto es, sin considerar el contenido de agua que pueda tener el alimento en el cual se encuentra el carbohidrato. Cubiertas las necesidades energéticas, una pequeña parte se almacena en el hígado y músculos como glucógeno, el resto se transforma en grasas y se acumula en el organismo como tejido adiposo.

Dentro de las propiedades fisicoquímicas de los carbohidratos se tiene que estos tienen un peso molecular bajo, de tal manera que son solubles en el agua y tienen un alto poder edulcorante, estas propiedades del glucógeno permiten que los carbohidratos puedan ser metabolizado más rápidamente.

* Ahorro de proteínas: Si el aporte de carbohidratos es insuficiente, se utilizarán las proteínas para fines energéticos, relegando su función plástica.

* Regulación del metabolismo de las grasas: En caso de ingestión deficiente de carbohidratos, Dentro de las propiedades físicas de los carbohi- las grasas se metabolizan anormalmente dratos vemos que se ubican en forma sólida, son acumulándose en el organismo cuerpos de color blanco, cristalino, muy soluble en agua e cetónicos, que son productos intermedios de este insoluble en disolventes no polares, son de sabor metabolismo provocando así problemas (cetosis). dulce. * Estructuralmente, los carbohidratos constituyen En las propiedades químicas vemos que los carbo- una porción pequeña del peso y estructura del hidratos pueden reaccionar a la oxidación debido organismo, pero de cualquier manera, no debe a que reducen los reactivos de Fehling y de Tollens. excluirse esta función de la lista, por mínimo que sea su indispensable aporte. * Una vez ingeridos, los carbohidratos se hidrolizan a glucosa, la sustancia más simple. La glucosa es de suma importancia para el correcto funcionamiento del sistema nervioso central (SNC).

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Aplicaciones del Carbohidrato (Industrial)

El alimento en particular:

Los carbohidratos se utilizan para fabricar tejidos, películas fotográficas, plásticos y otros productos.

La celulosa se puede convertir en rayón de viscosa y productos de papel. El nitrato de celulosa (nitrocelulosa) se utiliza en películas de cine, cemento, pólvora de algodón, celuloide y tipos similares de plásticos. El almidón y la pectina, un agente cuajante, se usan en la preparación de alimentos para el hombre y el ganado. La goma arábiga se usa en medicamentos demulcentes.

El agar, un componente de algunos laxantes, se utiliza como agente espesante en los alimentos y como medio para el cultivo bacteriano; también en la preparación de materiales adhesivos, de encolado y emulsiones. La hemicelulosa se emplea para modificar el papel durante su fabricación.

Los dextranos son polisacáridos utilizados en medicina como expansores de volumen del plasma sanguíneo para contrarrestar las conmociones agudas.

El tipo de azúcares por el que esté formado el carbohidrato; por ejemplo, la fructosa, la sacarosa y los polioles inducen una respuesta glucémica inferior a la inducida por la glucosa y la maltosa.

La naturaleza y la forma del almidón, ya que algunos son más fáciles de digerir que otros.

Los métodos utilizados para procesar y cocinar el alimento Otros nutrientes presentes en el alimento (o comida), como la grasa (es el más importante en este contexto), la proteína y la fibra

Las substancias capaces de formar geles se han utilizado en la producción de alimentos elaborados desde hace mucho tiempo. Entre las sustancias capaces de formar geles está el almidón y la gelatina, La gelatina, obtenida de subproductos animales, solamente forma geles a temperaturas bajas, por lo que cuando se desea que el gel se mantenga a temperatura ambiente, o incluso más elevada, debe recurrirse a otras substancias. El almidón actua muy bien como espesante en condiciones normales, pero tiene tendencia a perder líquido cuando el alimento se congela y se descongela. Algunos derivados del almidón tienen mejores propiedades que éste, y se utilizan también. Los derivados del almidón son nutricionalmente semejantes a él, aportando casi las mismas calorías.

Se utilizan también otras sustancias, bastante complejas, obtenidas de vegetales o microorganismos indigeribles por el organismo humano. Algunos de estos productos no están bien definidos químicamente, al ser exudados de plantas, pero todos tienen en común el tratarse de cadenas muy largas formadas por la unión de muchas moléculas de azúcares más o menos modificados.

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Según su Composición los Carbohidratos se dividen en:

al hidrolizarse producen dos monosacáridos libres. Los dos monosacáridos se unen mediante un enlace covalente conocido como enlace glucosídico, tras una reacción de deshidratación que implica la pérdida de un átomo de hidrógeno Los glúcidos más simples, los monosacáridos, de un monosacárido y un grupo hidroxilo del otro están formados por una sola molécula; no pueden monosacárido, con la consecuente formación de ser hidrolizados a glúcidos más pequeños. La una molécula de H2O, de manera que la fórmula fórmula química general de un monosacárido no de los disacáridos no modificados es C12H22O11. modificado es (CH2O)n, donde n es cualquier número igual o mayor a tres, su límite es de 7 carbonos. Los monosacáridos poseen siempre un grupo carbonilo en uno de sus átomos de carbono Los oligosacáridos están compuestos por tres y grupos hidroxilo en el resto, por lo que pueden a nueve moléculas de monosacáridos 2 que al considerarse polialcoholes. Por tanto se definen hidrolizarse se liberan. No obstante, la definición químicamente como polihidroxialdehídos o de cuan largo debe ser un glúcido para ser polihidroxicetonas. considerado oligo o polisacárido varía según los Los monosacáridos se clasifican de acuerdo a tres autores. Según el número de monosacáridos de la características diferentes: la posición del grupo cadena se tienen los disacaridos (como la lactosa carbonilo, el número de átomos de carbono que ), tetrasacárido (estaquiosa), pentasacáridos, etc. contiene y su quiralidad.

Monosacáridos

Oligosacáridos

Ciclación

El grupo aldehído o cetona en una cadena lineal abierta de un monosacárido reaccionará reversiblemente con el grupo hidroxilo sobre un átomo de carbono diferente en la misma molécula para formar un hemiacetal o hemicetal, formando un anillo heterocíclico, con un puente de oxígeno entre los dos átomos de carbono. Los anillos con cinco y seis átomos son llamados formas furanosa y piranosa respectivamente y existen en equilibrio con la cadena lineal abierta.

Polisacáridos

Los polisacáridos son cadenas, ramificadas o no, de más de diez monosacáridos, resultan de la condensación de muchas moléculas de monosacáridos con la pérdida de varias moléculas de agua. Su fórmula empírica es: (C6 H10 O5)n.

Los polisacáridos representan una clase importante de polímeros biológicos y su función en los organismos vivos está relacionada usualmente con estructura o almacenamiento.

Uso en células

Los monosacáridos son la principal fuente de combustible para el metabolismo, siendo usado tanto como una fuente de energía (la glucosa es la más importante en la naturaleza) y en biosíntesis.

Cuando los monosacáridos no son necesitados para las células son rápidamente convertidos en otra forma, tales como los polisacáridos.

La ribosa y la desoxirribosa son componentes estructurales de los ácidos nucléicos.

Disacáridos

Los disacáridos son glúcidos formados por dos moléculas de monosacáridos y, por tanto, 23

C

onclusión

Aprendimos a determinar las diferencias escenciales de los Hidratos de Carbonos, Sacáridos o Carbohidratos.

La importancia de los Carbohidratos es sumamente escencial conocerla, debido a que tiene una gran participación a nivel Industrial y a nivel Personal, como es el metabolismo intermediario puede dividirse en rutas catabólicas, que son las responsables de la degradación de las moléculas nutritivas de alto contenido energético, y en rutas anabólicas, por las cuales se efectúa la biosíntesis de los componentes celulares; la ruta anfibólica central puede desempeñar ambas capacidades. Cada ruta se halla promovida por una secuencia de enzimas específicas que cataliza reacciones consecutivas. Las rutas catabólicas y anabólicas que se inician en un nutriente determinado o que conducen a él, como la glucosa no son exactamente inversas una de otra, sino que son química y enzimáticamente diferentes. Además, se hallan reguladas independientemente y se localizan en diferentes partes de la célula Desarrollamos los temás relacionados con las aplicaciones, usos, importancia, características, ect. Para conocer más afondo la isometría y la composición de los Hidratos de Carbono.

Conocimos la diferencia entre los monosacáridos (Los glúcidos más simples, están formados por una sola molécula), olisacáridos (compuestos por tres a nueve moléculas de monosacáridos) y polisacáridos(Los polisacáridos son cadenas, ramificadas o no, de más de diez monosacáridos).

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ibliografía

Libros Relacionados ©MM OCEANO GRUPO EDITORIAL, S.A. Milanesat, 21 -23.

ENCICLOPEDIA INTERACTIVA DE LOS CONOCIMIENTOS Química Orgánica ©E.V.N. Eduvisión Química en la enseñanza media Libros de texto MUNDO QUÍMICA 10° Carbohidratos ©MM OCEANO GRUPO EDITORIAL, S.A. Milanesat, 21 -23.

MANUAL DE LA EDUCACIÓN Educación Física y Química Internet http://www.eufic.org/article/es/expid/basics-carbohidratos/ http://carbohidratosytemasrelacionados.blogspot.com/2011/04/ utilizacion-de-carbohidratos-en-la.html http://w w w.innat i a.com/s/c-c arb ohidratos/a-imp or t anci acarbohidratos.html http://issuu.com/bioquimicaces/docs/carbohidratos

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