Estructura de los Carbohidratos I - Ana Duarte - PDF

Estructura de los carbohidratos I Están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno principalmente. Hay modificaciones de los carbohidratos que tienen azufre, nitrógeno y fósforo. Las plantas son las responsables de la síntesis de carbohidratos. Los carbohidratos provienen de una reacción que es prod...

Estructura de los carbohidratos I Están formados por carbono, hidrógeno y oxígeno principalmente. Hay modificaciones de los carbohidratos que tienen azufre, nitrógeno y fósforo. Las plantas son las responsables de la síntesis de carbohidratos. Los carbohidratos provienen de una reacción que es producto de la fotosíntesis. ¿Qué hace la fotosíntesis? La luz del sol proporciona la luz lumínica para la fijación del CO2, la planta fija el CO2 en forma de carbohidratos y aparte de ello utiliza el agua mediante una reacción de hidrólisis para hidrolizar lo carbohidratos. Para la síntesis de carbohidratos necesitamos primordialmente: dióxido de carbono (CO2) que es producto del metabolismo, y la luz solar. Los carbohidratos son aldehídos o cetonas polihidroxilados (monosacáridos u osas), o productos derivados de ellos. También se les puede llamar polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas. Los carbohidratos aldehídos y los carbohidratos cetonas se diferencian entre sí por la posición de sus grupos carbonilos a lo largo de la cadena carbonada: si el grupo carbonilo está en alguno de los extremos es un aldehído, si el grupo carbonilo está dentro de la cadena es una cetona. Formula empírica generalizada de los carbohidratos: (CH2O) n. n>o=3 (el valor de n tiene que ser mayor o igual a tres para ser un carbohidrato). Funciones biológicas de los carbohidratos: *Fuente de energía. * Biosíntesis de ácidos grasos y algunos aminoácidos. *Constituyentes de moléculas complejas importantes. *Aporte de fibra en la dieta. *Componentes de peptidoglicano. *Importancia industrial. Clasificación de los carbohidratos Existen tres clases principales de glúcidos según su tamaño: monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos o azucares simples, consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o cetona. Los monosacáridos de más de cuatro átomos de carbono suelen poseer estructuras cíclicas. Los oligosacáridos consisten en cadenas cortas de unidades de monosacárido, o residuos, unidas por enlaces glucosídicos. Los más abundantes son los disacáridos, formados por dos unidades de monosacárido. El más conocido es la sacarosa, formado por los azucares de seis carbonos D-glucosa y D- fructosa. Monosacáridos y disacáridos todos los monosacáridos y disacáridos comunes tienen nombres que terminan con el presufijo “-osa”. Se dividen en aldosas y cetosas. Recordar la regla n>o=3, es por esto que parten desde triosas (con tres átomos de carbono).  ALDOSAS: Aldotriosas,  CETOSAS: Cetotriosas, Aldotetrosas, Aldopentosas, Cetotetrosas, Cetopentosas, Aldohexosas, Aldoheptosas. Cetohexosas, Cetoheptosas. Si el grupo carbonilo se encuentra Si el grupo carbonilo se encuentra en uno de los extremos de la dentro de la cadena carbonada, (en cadena, (es decir, en un grupo un grupo cetona) el monosacárido se aldehído) el monosacárido se llama llama cetosa. aldosa. LOS ÓSIDOS provienen a partir de la unión de dos carbohidratos, es decir, ya tenemos la formación de un enlace glucosídico. Se clasifican en: 1) HOLÓSIDOS (HOLOSACÁRIDOS) formados únicamente por monosacáridos.  Oligósidos (oligosacáridos): disacáridos, trisacáridos, etc.  Poliósidos (polisacáridos): homopolisacáridos (mismos monómeros de azucares, ejemplo: glucosa-glucosa) y heteropolisacáridos (distintos monómeros ejemplo: glucosa-fructosa) 2) HETERÓSIDOS (HETEROSACÁRIDOS) formados por monosacáridos y proteínas.  Glicoproteínas.  Proteoglicanos.  Peptidoglicanos. ISÓMEROS: Un isómero es una molécula que tiene la misma fórmula pero diferente estructura. a) De Función: los átomos se rearreglan formando diferentes grupos funcionales, ejm: glucosa y fructosa b) De Configuración:  GEOMÉTRICOS  ESTEREOISÓMEROS: Diferencias en la estructura por intercambio de posición, la conectividad no varía puesto que seguirá enlazado al mismo átomo pero tendrá distinta orientación espacial. Como sucede con el ácido maleico, al cambiar su distribución espacial de cis a trans cambia también sus propiedades físico-químicas. PROPIEDADES DE LOS MONOSACÁRIDOS  ISOMERÍA Y ACTIVIDAD ÓPTICA: Carbonos Asimétricos o Quirales: aquellos carbonos que tienen cuatro grupos distintos. El carbono 1 que corresponde al grupo carbonilo no se considera quiral por no tener 4 grupos distintos, los demás carbonos si cumplen con la regla y son carbonos quirales o asimétricos. NE corresponde al número de isómeros ópticos o enantiómeros que puede tener la molécula. Al identificar NE podemos determinar el número total de orden que puede tener la molécula, como se puede organizar y combinar sus átomos para dar un isómero. Entonces, n es igual al número de carbonos asimétricos que posee la molécula, en el caso de la glucosa seria NE = 2 4 esto daría 16, que correspondería al número de enantiómeros que tiene la glucosa. Todos los monosacáridos excepto la DIHIDROXIACETONA (CETOTRIOSA) contiene uno o más átomos de carbonos asimétricos (quirales) y, por lo tanto, se encuentran en formas isoméricas opticamente activas. Actividad Óptica: una onda de luz polarizada (viaja en una sola dirección) al pasar por una disolución ópticamente activa (los carbohidratos por ejemplo) es desviada hacia la derecha o hacia la izquierda. Si desvía la luz hacia la:  LA DERECHA: DEXTRÓGIRA (+)  LA IZQUIERDA: LEVÓGIRA (-) Tenemos aquí como ejemplo el glyceraldehído, existen diferentes modos de representar los dos estereoisómeros del gliceraldehído; primero el modelo de bolas y barrillas, si lo enfrentamos frente al espejo vamos a ver su imagen especular no superponible. Y en el modelo de las fórmulas de proyección de Fisher, que nos permite representar sobre el papel la estructura tridimensional de los azucares, en estas proyecciones los enlaces horizontales se proyectan fuera del plano del papel hacia el lector; los enlaces verticales se proyectan por detrás del plano del papel alejándose del lector. Isomería D Y L: Cuando el grupo hidroxilo del atomo de carbono de referencia se halla en el lado derecho (dextro) el carbohidrato es un isomero D, cuando esta a la izquierda (levo) es un isomero L. Para identificar si el carbohidrato es dextrógiro o levógiro se toma el carbono quiral o asimétrico más distante del carbono carbonilo, y se observa la dirección de su grupo hidroxilo, si esta hacia la derecha es D y si esta hacia la izquierda el L. Los carbohidratos generalmente tienen los isómeros D, a diferencia de los aminoacidos que sus isomeros son del tipo L. Los Isómeros D Y L entre si son Enantiómeros ambos isómeros son imagen especular uno del otro, por ejemplo, quiero reflejar la D-Glucosa en un espejo, la imagen especular que se forma seria la L-Glucosa (pero NO son superponibles). ENANTIÓMEROS: son isómeros que tienen la misma imagen especular pero no son superponibles. DIASTÓMEROS: son isómeros que no tienen la misma imagen especular ni son superponibles, simplemente tienen una distinta reorganización de sus átomos. Epímeros: Cuando dos azúcares difieren tan solo en la configuración alrededor de un átomo de carbono, se denominan epímeros; la D-Glucosa y la D-Manosa que difieren únicamente en la estereoquímica en C-2, son epímeros, lo mismo que la D-Glucosa y la D-Galactosa (que difieren en C-4). Entonces son isómeros que únicamente difieren en la posición de no de sus grupos funcionales. Anómeros α Y β: Hasta ahora, hemos representado las estructuras de aldosas y cetosas en forma de cadenas lineales. No obstante en su forma fisiológica normal se encuentran en forma de estructuras cíclicas (en anillo), en las que el grupo carbonilo ha formado un enlace covalente con el oxígeno de un grupo hidroxilo perteneciente a la misma cadena. La formación de estas estructuras anulares es el resultado de una reacción general ente los alcoholes y los aldehídos o las cetonas para formar los derivados denominados hemiacetales o hemicetales. Se pueden adicionar dos moléculas de un alcohol a un carbono carbonílico; el producto de la primera adicción es un hemiacetal (para los aldehidos) o un hemicetal (para las cetonas). La reacción con la primera molecula de alcohol crea un centro quiral adicional (el carbono carbonílico/anomérico). Debido a que el alcohol se puede adicionar de dos formas diferentes, atacando por “delante” o por “detras” del carbono cabonílico, la reacción puede producir una u otra de dos configuraciones estereoisoméricas denominadas α y β. Por ejemplo, la D-Glucosa se presenta en solución como un hemiacetal intramolecular en el que el grupo hidroxilo libre en C-5 ha reaccionado con el C-1 aldehídico, que se convierte en asimétrico y da lugar a los estereoisomeros designados como α y β. Entonces, los isómeros que solo difieren en su configuración alrededor del átomo de carbono hemiacetálico o hemicetálico se denomina anómeros mientras que el átomo de carbono carbonilico se denomina carbono anomérico. La ubicación del el hidroxilo señalado es el que determina según su disposición en el anillo, si es un isómero α o β. Mutarrotación: los anomeros α y β de la D-Glucosa se interconvierten en solucion acuosa mediante un proceso denominado mutarrotación, en el que un forma anular (por ejemplo el anómero α) se rompe brevemente dando la forma lineal y vuelve a cerrarse produciendo un anómero β, así una solucion α-d-glucosa y una solucion β-d-glucosa finalmente forman mezclas identicas en el equilibrio con propiedades opticas identicas. Representación Cíclica de Haworth Permite visualizar la molécula en tres dimensiones. Los compuestos con anillos de seis átomos se denominan piranosas porque son similares al compuesto cíclico con un anillo de seis átomos denominado pirano. Los nombres sistemáticos de las dos formas cíclicas de la d-glucosa son por tanto, α-D-glucopiranosa y β-D- glucopiranosa. Las cetohexosas se encuentran también como compuestos cíclicos en sus formas anomericas α y β. En estos compuestos el grupo hidroxilo en C-5 reacciona con el grupo ceto en C-2, formando un anillo de furanosa. Se toma la piranosa como referencia, para el estudio de las hexosas. Las estructuras cíclicas de los azúcares se representan de forma más precisa en las formulas en perspectiva de Haworth que en las protecciones de Fischer usadas normalmente para las estructuras lineales de los azúcares. En las proyecciones de Haworth el anillo de seis átomos está inclinado para que su plano sea casi perpendicular al del panel con los enlaces más próximos al lector dibujados más gruesos que los que están más lejos. Transformación de Fischer a Haworth Para convertir la fórmula de proyección de Fisher de cualquier D-hexosa lineal en una fórmula de perspectiva de Haworth que muestra la estructura cíclica, dibuje el anillo de seis átomos, numere los carbonos en la dirección de las agujas del reloj empezando por el carbono anomérico y a continuación, coloque los grupos hidroxilos, si un grupo hidroxilo esta hacia la derecha en la proyección de Fisher, se coloca apuntando hacia abajo y sería alfa. Si se encuentra a la izquierda en la proyección de Fisher, se coloca apuntando hacia arriba y sería beta. Tautomería cetoenólica: Dos isómeros que comparten la misma fórmula molecular pero tiene grupos funcionales en distinta posición y ambas coexisten en equilibrio químico. Por ejemplo tenemos la D-glucosa y la D-Fructosa que difieren entre sí por qué una es una aldosa y la otra es una cetosa. Sin embargo, las dos pueden coexistir en equilibrio, y en disolución puede existir un intermediario alcohólico que se llama 1-2 Enodiol que permite el equilibrio. Este equilibrio químico entre las tres moléculas existe en solución. Productos derivados de los carbohidratos:  Por Polimerización: Ósidos.  Por Reducción: A. Polihídricos y Ciclitoles.  Por Oxidación: Ácidos Aldónicos, Urónicos y Sacáridos.  Por Sustitución: Aminoazúcares.  Por Esterificación: Sulfatos y Fosfatos. REACCIONES DE LOS MONOSACARIDOS  DEBIDAS AL GRUPO CARBONILO Reducción: Polialcoholes La glucosa en presencia de un agente oxidante sufre una modificación en su aldehído, el cual acepta 2 protones (2H+) y 2 electrones (2 e-) y pasa a ser un alcohol, el sorbitol. Otros alcoholes que provienen del proceso de la reducción de azúcares: D-galactitol y D-manitol. Oxidación: Ácidos Aldónicos La glucosa en presencia de un ácido (ácido nítrico en este caso) y enzimas se transforma en ácido D-glucónico. Cuando el carbono carbonílico de la glucosa se oxida a nivel del carboxilo se produce ácido glucónico. Otras aldosas dan lugar a otros ácidos aldónicos. Oxidación: Ácidos Urónicos (DEBIDA A LOS GRUPOS HIDRÓXILOS) La glucosa se sufre el proceso de oxidación y obtenemos como resultado al ácido D-glucorónico. La oxidación del carbono del otro extremo de la cadena, da lugar al correspondiente ácido uronico: glucuronico, galacturonico o manuronico. Oxidación: Ácidos Aldáricos o sacáridos En presencia de ácido nítrico la glucosa pasa a ser acido D-glucárico. Sucede lo mismo con la D-galactosa que pasa a ser ácido D-galactárico y la D-manosa a ácido D-manárico. Siempre en presencia de un medio ácido.  AZUCARES DERIVADOS Osaminas (aminoazúcares): El grupo hidroxilo puede ser sustituido por una amina. Por ejemplo en el caso de la glucosa sería glucosamina y de la galactosa sería galactosamina. Triosas: provienen del metabolismo de la glucólisis. En la síntesis de glúcidos los intermediarios no suelen ser los mismos azucares, sino sus derivados fosforilados. La condensación del ácido fosfórico con uno de los grupos hidroxilos de un azúcar da lugar a un éster fosfato, como por ejemplo, DIHIDROXIACETONA-FOSFATO o 3 FOSFO -D- GLICERALDEHIDO.  REACCIÓN DEL CARBONO ANOMÉRICO: ENLACES GLUCOSÍDICOS. Los disacáridos (tales como la maltosa, la lactosa y la sacarosa) estas formados por dos monosacáridos unidos covalentemente mediante un enlace glucosidico, que se forma cuando un grupo hidroxilo de un carbohidrato, reacciona con el carbono anomérico del otro. Tenemos un aldehído y tenemos un alcohol, el alcohol (grupo hidróxilo) va a formar un enlace con el aldehído. Y para las cetonas ocurre la misma reacción. Un aldehido o una cetona pueden reacciónar con un alcohol para dar lugar respectivamente, a un hemiacetal o un hemicetal, lo que origina un nuevo centro quiral en el carbono carbonilico. La adición de una segunda molécula de alcohol da lugar a la formación de un acetal o un cetal. Cuando el segundo alcohol forma parte de otra molécula de azúcar (carbohidrato), el enlace formado es un enlace glucósidico. Se libera agua en la reacción. C1 con el C4 en el caso de los aldehídos.  En el caso de los holósidos el enlace glucósidico va a estar formado junto con un monómero de azúcar.  En el caso de los heterósidos el enlace glucósidico puede estar formado con proteínas, lípidos, con alguna otra molécula que no sea azúcar. Extremo reductor: Al describir disacáridos o polisacáridos, el extremo de una cadena que contiene un carbono anomerico libre (es decir aquel que no establece un enlace glucosidico) se suele denominar extremo reductor. El disacárido lactosa, que da lugar a D-glucosa y D- galactosa por hidrolisis, se encuentra en la leche. Está formada por la unión entre el C-1 de β-D-GALACTOPIRANOSIL y el C-4 de α-D-GLUCOPIRANOSA. El disacárido maltosa contiene dos residuos de D-glucosa unidos mediante un enlace glucosidico entre el C-1 (carbono anomerico) de un residuo de glucosa (α-D- GLUCOPIRANOSIL) y el C-4 de otro (α-D- GLUCOPIRANOSA). La configuración del atomo de carbono anomerico del enlace glucosidico es α. El disacárido sacarosa es un disacárido de glucosa y fructosa. Se sintetiza en plantas, pero no en animales. A diferencia de la maltosa y la lactosa, la sacarosa no tiene ningún carbono anomerico libre, los carbonos de las dos unidades monosacaridas se encuentran formando el enlace gluosidico. Por lo tanto, la sacarosa es un azúcar no reductor. ¿Que hace que el azúcar sea dulce? En las papilas gustativas se expresan dos proteínas la TAS1R2 y la TAS1R3, ese receptor está formado por dos subunidades y es el receptor para la azúcar. El cual tiene 7 hélices alfa que se ancla a la membrana de las papilas gustativas y está vinculado con la proteína de unión a GTP. Tanto la glucosa, como la sacarosa y la fructosa se van a unir a los dos receptores y ocasionan un cambio conformacional que va a provocar la unión a la proteina GTP, esa proteína genera primordialmente la señal electrica que el cerebro interpreta como “dulce”. Por otro lado están los edulcorantes artificiales (aspartamen, por ejemplo) en ese caso se unen únicamente al TAS1R2, aun así producen la activación de la proteína a GTP y producen la señal. Tiene que haber complementariedad de la molécula con el receptor para que se active la proteína de unión a GTP Glicación de la hemoglobina es una glicosilación no enzimática por eso la llamamos glicación. (Vía no enzimática, no se necesita una enzima para glicosilar la proteína) Cuando se acumula glucosa en la sangre, va a verse reflejada en los eritrocitos, la glucosa reacciona con la hemoglobina. Para leer la hemoglobina en sangre glicosilada se puede sacar un promedio de semanas y meses del nivel de glucosa en la sangre, es decir, la hemoglobina glicosilada nos sirve para leer los niveles de azúcar en la sangre. Se puede determinar por electroforesis. El promedio normal entre 6% y 7%. La glucosa va a reaccionar con la lisina 99 de la hemoglobina y va a producir la glicación, una vez que la hemoglobina es glicosilada va a afectar tanto a la proteína (hemoglibina) como a la actividad de las demás proteínas fuera de los eritrocitos, produciendo daños en los tejidos.