T1a) Estructura de los Glúcidos _ Médium

Introducción a los glúcidos

• Los glúcidos, también llamados hidratos de carbono o azúcares, son las moléculas orgánicas más abundantes en la naturaleza
• Los glúcidos desempeñan diversas funciones, entre ellas:
  • Fuente de energía: Proporcionan una fracción significativa de las calorías en la dieta
  • Reserva energética: Actúan como almacenamiento de energía en el cuerpo
  • Elementos estructurales: Componentes de la membrana celular
• Intervienen en algunas formas de comunicación intracelular
• También actúan como componentes de la celulosa de los vegetales, del exoesqueleto de muchos invertebrados y las paredes celulares de las bacterias
  • Componentes de metabolitos fundamentales: Forman parte de los nucleótidos (ATP, ADP), los ácidos nucleicos (ADN, ARN) y de las coenzimas (NAD+, NADP+)

Estructura de los glúcidos

• Están formados principalmente por C, H y O, poseyendo múltiples grupos OH y un grupo funcional aldehído o cetona
• Son polihidroxicarbonilos
• Los átomos forman un esqueleto hidrocarbonado con enlaces covalentes entre C e H, unidos covalentemente a grupos OH en una estructura tridimensional
• Todos los átomos de C están unidos a un grupo OH, excepto uno que está unido a un grupo funcional carbonilo
  • Aldehído: Si el grupo carbonilo está al final de la cadena
  • Cetona: Si el grupo carbonilo está en cualquier otra posición

Clasificación de los glúcidos

• Los glúcidos se clasifican según el número de moléculas de azúcar que contienen
  • Monosacáridos: Azúcares simples formados por una sola molécula de azúcar
• Son las unidades fundamentales o monómeros que forman las demás
  • Oligosacáridos: Formados por 2 a 20 unidades de monosacáridos unidos por enlaces covalentes (O-glucosídico); los más importantes son los disacáridos
  • Polisacáridos: Formados por un elevado número de monosacáridos formando cadenas lineales o ramificadas
• Los oligo y polisacáridos son polímeros formados por subunidades repetidas (monómeros)

Monosacáridos

• Son los azúcares más sencillos, sólidos cristalinos, solubles en agua y de sabor dulce
• Se clasifican según la posición del grupo funcional carbonilo y según el número de carbonos::
  • Si el grupo aldehído está al principio de la cadena, se le denomina aldosa
  • Si el grupo cetona está en otra posición, se le denomina cetosa
  • 3C: Triosas
  • 4C: Tetrosas
  • 5C: Pentosas
  • 6 C: Hexosas
• La combinación de estos criterios permite obtener nombres genéricos como aldopentosas, cetopentosas, aldohexosas o cetohexosas.

Isomería

• Los isómeros son compuestos con la misma fórmula química pero diferentes estructuras.
• Fructosa, glucosa, manosa y galactosa son isómeros con fórmula química C6H12O6.
• Los monosacáridos, excepto la dihidroxiacetona, presentan isomería debido a la presencia de carbonos quirales (asimétricos con cuatro sustituyentes distintos).
• El número de esteroisómeros se calcula como 2n, siendo n el número de carbonos asimétricos en la molécula.
• Enantiómeros: Imágenes especulares no superponibles con propiedades químicas similares, reconocidas por las células.
• Azúcares D o L: Los dos miembros del par de imágenes especulares
• Los azúcares D son predominantes en humanos, con el grupo OH del carbono asimétrico más alejado del carbonilo a la derecha, mientras que en el isómero L está a la izquierda.
• Diasteroisómeros: Isómeros ópticos que no son imágenes especulares, como D-ribosa y D-xilosa.
• Epímeros: Diasteroisómeros que difieren únicamente en la configuración de un carbono asimétrico, como D-glucosa y D-galactosa.

Ciclación de los monosacáridos

• Menos del 1% de los monosacáridos con 5 o más carbonos existen en forma lineal (acíclica)
• Predominan en forma de anillo (cíclica) donde el grupo aldehído o ceto reacciona con un grupo alcohol del mismo azúcar
• La ciclación genera un carbono anomérico a partir del carbono carbonilo (C1 en aldosas y C2 en cetosas).
• Los anómeros α y β son isómeros formados debido al nuevo centro de asimetría

Anómeros

• Se designan como α y β, siendo diasteroisómeros al no ser imágenes especulares
• Las enzimas distinguen y utilizan preferentemente estas estructuras, como en la síntesis de glucógeno (α-D-glucopiranosa) y celulosa (β-D-glucopiranosa)
• Los anómeros α y β están en equilibrio y pueden interconvertirse vía mutarrotación, usando la estructura de cadena abierta como intermediario

Poder reductor de los monosacáridos

• El grupo carbonilo (aldehído o cetona) puede oxidarse donando electrones y dando lugar a un grupo ácido (-COOH)
• Todos los monosacáridos que poseen un carbono carbonilo intacto pueden actuar como reductores, oxidándose con otras moléculas que actúan como oxidantes
• Si el grupo hidroxilo en el carbono anomérico de un azúcar cíclico no está unido a otro compuesto por un enlace glucosídico, el anillo puede abrirse y actuar como agente reductor

Derivados de monosacáridos

• Son monosacáridos con un grupo hidroxilo sustituido por otro grupo funcional
• Azúcares fosfato:
  • La adición de grupos fosforilo a los monosacáridos es una reacción común, catalizada enzimáticamente, donde el ATP suele ser el donador de fosfato
  • Son intermediarios metabólicos importantes y actúan como compuestos "activados" en rutas de síntesis
  • La hidrólisis de estos compuestos es termodinámicamente favorable y produce liberación de energía
  • La fosforilación introduce cargas negativas, haciendo a los monosacáridos más ácidos
  • Los azúcares fosforilados no pueden atravesar la bicapa lipídica de la membrana celular
• Azúcares ácidos:
  • La oxidación enzimática de monosacáridos produce ácidos urónicos (oxidación del C6), ácidos aldónicos (oxidación del C1) y ácidos aldáricos (oxidación del C1 y C6)
  • Forman parte de oligosacáridos y polisacáridos complejos
• El ácido glucurónico participa en la detoxificación de sustancias exógenas y endógenas, generando glucurónidos hidrosolubles fácilmente excretables por vía renal.
• Alditoles:
  • Se producen por reducción del grupo carbonilo del monosacárido, transformándose en un grupo hidroxilo
  • Los polialcoholes formados en el interior de las células no salen fácilmente, reteniendo agua e incrementando la hipertonicidad
  • El sorbitol se acumula en el cristalino en diabéticos, pudiendo causar cataratas
• Aminoazúcares:
  • Monosacáridos con un grupo hidroxilo sustituido por un grupo amino
  • Las hexosaminas son las más comunes en la naturaleza, siendo la glucosamina y la galactosamina abundantes en polisacáridos naturales y parte de los glucosaminoglucanos
  • En su forma acetilada, los aminoazúcares son constituyentes de la quitina en insectos y crustáceos, así como de los proteoglucanos en la matriz extracelular (ej., β-D-N-acetilglucosamina)
• Dexosiazúcares:
  • Monosacáridos en los que el grupo hidroxilo (OH) ha sido sustituido por un hidrógeno (H)
  • La desoxirribosa es el desoxiazúcar más abundante en la naturaleza, forma parte del ADN
  • La reducción del C2 de la D-ribosa se produce por la acción de la enzima ribonucleótido reductasa, que sintetiza el desoxirribonucleótido correspondiente
• Ramnosa (α-L-6-desoximanosa) y fucosa (α-L-6-desoxigalactosa) :
  • También presentan importancia
  • Forman parte de oligosacáridos importantes en glucoproteínas y glucolípidos, y son constituyentes de paredes celulares

Unión de los monosacáridos

• Los monosacáridos se unen para formar oligosacáridos y polisacáridos mediante enlaces glucosídicos
• Los enlaces glucosídicos son formados por enzimas conocidas como glucosiltransferasas que utilizan azúcares de nucleótidos (ej. UDP-glucosa) como sustratos
• Enlace glucosídico:
  • Enlace covalente entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido y el grupo hidroxilo de cualquier átomo de C del otro monosacárido, liberando una molécula de H2O
  • El enlace puede ser α o β, dependiendo de la configuración del OH del carbono anomérico implicado
  • Para nombrar el enlace, se indica la configuración y los carbonos implicados

Azúcares complejos

• Los carbohidratos pueden estar unidos por medio de enlaces glucosídicos a estructuras que no son azúcares
  • Bases de purina y pirimidina (en ácidos nucleicos)
  • Anillos aromáticos (en esteroides y bilirrubina)
  • Proteínas (en glucoproteínas y proteoglucanos)
  • Lípidos (en glucolípidos)
• N-glucósidos: Cuando el azúcar se une a un grupo -NH2, formando un enlace N-glucosídico
• O-glucósidos: Cuando el azúcar se une a un grupo -OH, formando un enlace O-glucosídico
• Todos los enlaces glucosídicos entre azúcares son de tipo O-glucosídico

Disacáridos

• Son los oligosacáridos más sencillos y biológicamente importantes
• Formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico
• Tipos:
  • Reductores:
    • El enlace glucosídico se establece entre el carbono anomérico de un monosacárido y un hidroxilo de otro, conservando propiedades reductoras por tener un grupo carbonilo libre
  • No reductores:
    • Carecen de capacidad reductora porque el enlace glucosídico involucra las funciones hemiacetílicas de ambos monosacáridos, sin carbono anomérico libre

Disacáridos importantes

• Sacarosa:
  • Formada por glucosa y fructosa unidas por un enlace (1-2), sin poder reductor debido a la implicación de ambos carbonos anoméricos
  • Es el azúcar de mesa que se obtiene de la remolacha y de la caña de azúcar y es la forma en que se transporta el azúcar en las plantas
• Lactosa:
  • Formada por galactosa y glucosa unidas por un enlace β(1-4)
  • Es el disacárido presente en la leche y tiene poder reductor al haber un carbono anomérico implicado, pudiendo existir en forma de anómero α o β
• Maltosa:
  • Formada por dos moléculas de glucosa unidas por un enlace α(1-4), con poder reductor debido a un carbono anomérico implicado
  • Se encuentra en la cebada y se obtiene por hidrólisis del almidón

Polisacáridos

• Constituyen la mayoría de los glúcidos existentes en la naturaleza, formados por un gran número de monosacáridos unidos por enlaces O-glucosídicos
• El número de monosacáridos y la presencia o no de ramificaciones varían entre compuestos
• Clasificación:
  • Homopolisacáridos: Están formados por un único tipo de monosacárido repetido
  • Heteropolisacáridos: Están formados por dos o más tipos distintos de monosacáridos

Polisacáridos de Reserva

• Almidón (células vegetales)
• Glucógeno (células animales)

Almidón

• Polisacárido de reserva en células vegetales, mezcla de dos polímeros de glucosa
  • α-amilosa:
    • Polímero no ramificado de 200-3000 unidades de glucosa unidas por enlaces glucosídicos α(1-4)
    • Tiene un extremo reductor y otro no reductor
    • Poco soluble en agua, donde adopta una conformación helicoidal estabilizada por puentes de hidrógeno, con regiones hidrófobas en su interior
  • Amilopectina:
    • Polímero ramificado de unidades de glucosa unidas por enlaces α(1-4) y puntos de ramificación mediante enlaces α (1-6) cada 12-30 residuos
    • El tamaño medio de una rama es de 24-30 residuos
    • Tiene un extremo reductor y muchos no reductores para una rápida movilización de la glucosa
    • Permite almacenar glucosa en grandes cantidades en estado semisoluble y accesible a las enzimas

Glucógeno

• Polisacárido de reserva más importante en células animales, hallado principalmente en hígado (10% masa hepática) y músculo esquelético (1-2% masa muscular)
• Se localiza en el citosol en forma de gránulos variables que contienen enzimas que catalizan su síntesis y degradación
• El glucógeno hepático es esencial para mantener los niveles plasmáticos de glucosa, y el del músculo esquelético es fundamental durante la contracción muscular
• Su estructura es similar a la de la amilopectina, pero con ramificaciones más frecuentes (cada 8-12 glucosas) y cadenas laterales más cortas
• Es más ramificado y compacto que la amilopectina, con estructura arborescente, un único extremo reductor y muchos no reductores, facilitando la movilización de glucosa

Polisacáridos estructurales

• Celulosa (pared celular en vegetales)
• Glucosaminoglucanos (matriz celular)
• Peptidoglucano (pared bacteriana)

Celulosa

• Polisacárido estructural en plantas y compuesto orgánico más abundante en la biosfera, presente en las paredes celulares
• Es un homopolímero lineal de unidades de D-glucosa unidas por enlaces β(1-4)
• La configuración β permite formar cadenas largas y rectas, con cada residuo de glucosa girado 180º respecto al siguiente y enlaces por puentes de hidrógeno
• Las moléculas se disponen paralelas, formando hojas planas insolubles en agua, mantenidas unidas por puentes de hidrógeno intercatenarios, confiriendo gran fuerza y estabilidad
• No puede ser digerida por enzimas del tracto digestivo de mamíferos, ya que no hidrolizan los enlaces β glucosídicos, siendo considerada "fibra vegetal"

Glucosaminoglucanos

• También denominados mucopolisacáridos, son heteropolisacáridos lineales formados por la condensación de un gran número de unidades disacáridas
• Estas unidades están constituidas por una molécula de hexoamina (N-acetil-glucosamina o N-acetil-galactosamina, que puede estar sulfatada) y un ácido urónico (en la mayoría de los casos ácido glucurónico)
• Son compuestos con carácter ácido
• La elevada densidad de carga negativa provoca que las cadenas se mantengan rectas para evitar repulsiones
• La mayor parte de los mucopolisacáridos desempeñan funciones de tipo estructural
• Son componentes esenciales de la matriz extracelular de los tejidos junto al colágeno y la elastina
• Algunos realizan funciones no estructurales y entre los principales glucosaminoglucanos se encuentran el ácido hialurónico, condroitina, dermatán sulfato, queratán sulfato y heparina

Ácido hialurónico

• Forma parte de la matriz celular del tejido conjuntivo, fundamentalmente en cartílagos y tendones, aportando resistencia a la tensión y elasticidad
• También se localiza en el líquido sinovial (lubricante) y en el humor vítreo del ojo
• Incrementa la viscosidad de los vertebrados
• Es muy sensible a la acción de la hialuronidasa (enzima secretada por bacterias patógenas, facilitando su difusión)
• Es muy utilizado en cosmética por su capacidad de unir agua, lo que elvada la capacidad de hidratación de la epidermis
• Se utiliza en medicina estética en implantes y rellenos, ya que alisa las arrugas y marcas cutáneas
• Condroitina:
  • Encontrada en pequeñas cantidades en la matriz extracelular del tejido conjuntivo
  • Los derivados sulfatados de la condroitina se denominan crondroitín-sulfato
  • Son los glucosaminoglucanos más abundantes en el cuerpo, con elevada carga negativa que les permite interaccionar fuertemente con cationes
• Se localizan en zonas de osificación uniendo Ca2+ y también retienen agua
• Dermatán sulfato:
  • Se encuentra en la piel, los tendones, válvulas aórticas y vasos sanguíneos
  • No se encuentra libre, sino unido a proteínas formando parte de los proteoglucanos
• Queratán sulfato:
  • Este compuesto se encuentra unido a proteínas formando parte de los proteoglucanos del tejido conjuntivo de la córnea y de los cartílagos
• Heparina:
  • Es un mucopolisacárido con funciones no estructurales
  • Es segregada por los mastocitos y tiene propiedades anticoagulantes
  • Interacciona con la antitrombina III, produciendo en ella un cambio conformacional que favorece su interacción con los factores de coagulación activados, impidiendo la coagulación sanguínea

Proteoglicanos

• Familia de glucoproteínas donde la parte glucídica (95%) está constituida por glucosaminoglucanos
• Contienen uno o dos tipos de glucosaminoglucanos unidos covalentemente a una cadena peptídica central
• El proteoglicano de la matriz del cartílago puede unir una elevada cantidad de agua por interacción con los grupos cargados negativamente del polisacárido
• Cuando el cartílago se somete a una comprensión, el agua es momentáneamente expulsada
• Posteriormente, reabsorbida al cesar el estrés
• Esta hidratación reversible proporciona al cartílago flexibilidad y su capacidad de amortiguar fuerzas
• Posee una estructura filamentosa construida sobre una molécula larga y central de ácido hialurónico a la cual se unen de forma no covalente proteínas centrales
• El proteoglicano transmembrana interacciona con el citoesqueleto de actina de las células y con proteínas de la matriz extracelular, actuando como un pegamento en la matriz extracelular y permitiendo la migración de células móviles
• Las mucopolisacaridosis son deficiencias genéticas de enzimas que degradan los mucopolisacáridos de los proteoglicanos por diversas hidrolasas lisosómicas
• La degradación de estos glucosaminoglucanos forma parte del recambio normal al que están sometidas las biomoléculas del organismo
• Existen muchos síndromes según cual sea la enzima deficiente.
• Síndrome de Hunter:
  • Es un síndrome con herencia ligada al cromosoma X, una deficiencia de idurato-2-sulfatasa, acumulación de heparán-sulfato y dermatán sulfato, anomalías esqueléticas y retraso mental, con muerte temprana en casos graves
• Síndrome de Sanfilippo:
  • Es un síndrome con acumulación de heparán-sulfato por déficit de una de las 4 hidrolasas lisosomales de su degradación, con defectos físicos leves y retraso mental severo

Polisacáridos de la pared celular bacteriana

• Las bacterias tienen paredes celulares que protegen su contenido, manteniendo su forma y protegiendo de presiones osmóticas
• Están sintetizadas por la bacteria y están compuestas por polisacáridos unidos a proteínas
• Las bacterias se clasifican en:
  • bacterias Gram-positivas
    • Poseen una pared celular gruesa con múltiples capas de peptidoglucano
  • bacterias Gram-negativas
    • Pared es más fina y con una única capa de peptidoglucano dispuesta entre dos membranas lipídicas
• El peptidoglucano está formado por largas cadenas de heteropolisacáridos con N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico alternados unidos por enlaces O-glucosídicos β(1→4)
• Estas cadenas están entrecruzadas mediante pequeños péptidos (tetrapéptido)
• Los antibióticos inhiben el crecimiento bacteriano al interferir sobre la formación y ensamblaje de la capa de peptidoglucano
• Las lisozimas (en lágrimas) catalizan la hidrólisis de enlaces glucosídicos disolviendo la pared celular, causando lisis y muerte bacteriana

Digestión de los carbohidratos de la dieta

• Los principales sitios de digestión de los carbohidratos de la dieta son la boca y la luz intestinal
• Es un proceso rápido catalizado por enzimas llamadas glucosidasas o glucósido hidrolasas, que rompen los enlaces glucosídicos
• Las glucosidasas son específicas para el resto glucosídico a eliminar y el tipo de enlace a romper
• Las enzimas principales son:
  • Endoglucosidasas: hidrolizan oligosacáridos y polisacáridos
  • Disacaridasas: hidrolizan trisacáridos y disacáridos
• Digestión en la boca:
  • Los polisacáridos principales son almidón vegetal y glucógeno animal, la α-amilasa salival actúa hidrolizando al azar los enlaces α (1→4)
  • Dado que la amilopectina y el glucógeno contienen enlaces α (1-6) que la α-amilasa no puede hidrolizar, se obtiene una mezcla de oligosacáridos ramificados y no ramificados cortos denominados dextrinas
• En la naturaleza existen endoglucosidasas β(1-4), pero los seres humanos no la producen, por consiguiente, no pueden digerir la celulosa
• Digestión en el intestino:
  • La digestión de carbohidratos se detiene transitoriamente en el estómago debido a la elevada acidez que inactiva la α-amilasa salival
  • El contenido ácido del estómago alcanza el intestino delgado, es neutralizado por el bicarbonato segregado por el páncreas y la α-amilasa pancreática continua el proceso de digestión
• La digestión final se lleva a cabo en el revestimiento mucoso del yeyuno superior
  • Incluye la acción de disacaridasas, enzimas segregadas por las células de la mucosa intestinal que quedan ancladas en la superficie de la membrana

Absorción de los monosacáridos

• El duodeno y la parte alta del yeyuno absorben la mayor parte de los monosacáridos, cada uno con diferentes mecanismos de absorción

Degradación anómala de los disacáridos

• El proceso de digestión y absorción es eficiente en individuos sanos; los carbohidratos digeribles de la dieta ya se han absorbido cuando alcanzan la parte inferior del yeyuno
• Cualquier defecto en la actividad disacaridasa provoca el paso de glúcidos no digeridos al intestino grueso
• Genera diarrea osmótica, reforzado por la fermentación bacteriana a compuestos de 2 y 3 carbonos, junto con CO2 y gas H2
• La carencia genética de disacaridasas individuales da lugar a intolerancia a los disacáridos
• Las alteraciones en la degradación de disacáridos pueden deberse a una diversidad de enfermedades intestinales, desnutrición o fármacos que lesionan la mucosa del intestino delgado

Intolerancia a la lactosa

• El intestino delgado es impermeable a la lactosa, que debe ser hidrolizada a glucosa y galactosa para ser absorbidos por la lactasa
• La lactasa es sintetizada por los enterocitos y está anclada en el borde en cepillo del lumen
• Los neonatos poseen una elevada actividad lactasa (no siempre en mamíferos adultos)
• La mayoría de los seres humanos (excepto en ciertas zonas de África y norte de Europa) sólo tienen niveles bajos de lactasa
• La pérdida de actividad de la lactasa con la edad es una reducción en la cantidad de enzima
• Podria ser asociada a una pequeñas variaciones en la secuencia del ADN de una región que controla la expresión del gen de la lactasa
• El tratamiento consiste en reducir el consumo de leche, usar productos tratados con lactasa, o tomar pastillas de lactasa antes de comer.