Capítulo 2 (Carbohidratos) PDF

38 REPASO 1. Describa algunas de las propiedades que distinguen los enla-...

38 REPASO 1. Describa algunas de las propiedades que distinguen los enla- ces covalentes y no covalentes. 2. ¿Por qué las moléculas polares, como el azúcar de mesa, se CAPÍTULO 2 ӝ Las bases químicas de la vida disuelven tan fácilmente en el agua? ¿Por qué se forman goti- tas de grasa en la superficie de una solución acuosa? ¿Por qué la sudoración ayuda a refrescar el cuerpo? 2.4 Ácidos, bases y tampones Los protones no solo se encuentran dentro de los núcleos atómi- cos, sino que también se liberan en el medio cada vez que un átomo de hidrógeno pierde un electrón compartido. Considere el ácido acético —el ingrediente distintivo del vinagre— que puede experimentar la siguiente reacción, descrita como una disociación. Subunidad A Subunidad B H O H O Moléculas de agua HC C HC C + H+ entre subunidades H O H O – H FIGURA 2-8 La importancia del agua en la estructura de la proteína. Las Ácido Ion de Protón moléculas de agua (cada una con un solo átomo de oxígeno en color rojo acético acetato (ion de hidrógeno) y dos átomos de hidrógeno más pequeños en color gris) se muestran en sus ubicaciones ordenadas entre las dos subunidades de una molécula Una molécula que es capaz de liberar (donar) un ion de hidró- de hemoglobina de almeja. geno se denomina ácido. El protón liberado por la molécula de FUENTE: Tomada de Martin Chaplin. Nature Revs Mol Cell Biol 2006;7:864. ácido acético en la reacción previa no permanece en estado libre; © 2006; por Macmillan Publishers Limited. en cambio, se combina con otra molécula. Las posibles reacciones que involucran un protón incluyen: Combinación con una molécula de agua para formar un ion entre sí. Esta característica es más evidente en las propiedades + hidronio (H3O ). térmicas del agua. Por ejemplo, cuando el agua se calienta, la mayor parte de la energía térmica se consume interrumpiendo los H+ + H2O y H3O+ enlaces de hidrógeno en lugar de contribuir al movimiento mole- Combinación con un ion hidroxilo (OH–) para formar una cular (que se mide como un aumento de la temperatura). Del mis- molécula de agua. mo modo, la evaporación del estado líquido al gaseoso requiere que las moléculas de agua rompan los enlaces de hidrógeno que H+ + OH– y H2O las mantienen unidas a las moléculas contiguas, por eso se nece- Combinación con un grupo amino (—NH2) en una proteína sita tanta energía para convertir el agua en vapor. Los mamíferos para formar una amina cargada. aprovechan esta propiedad cuando sudan porque el cuerpo ab- H++ –NH2 y –NH3 + sorbe el calor necesario para evaporar el agua, que se enfría. El pequeño volumen de fluido acuoso presente dentro de una célula contiene una mezcla notablemente compleja de sustancias Cualquier molécula que sea capaz de aceptar un protón se define disueltas o solutos. De hecho, el agua puede disolver más tipos de como una base. Los ácidos y las bases existen en pares o parejas. sustancias que cualquier otro solvente. Pero el agua es más que Cuando el ácido pierde un protón (como cuando el ácido acético solo un solvente; determina la estructura de las moléculas bioló- abandona un ion de hidrógeno), se convierte en una base (en gicas y los tipos de interacciones en las que pueden participar. El este caso, ion acetato), que se denomina base conjugada del ácido. agua es la matriz fluida alrededor de la cual se construye la es- Del mismo modo, cuando una base (como un grupo —NH2) acep- + tructura insoluble de la célula. También es el medio a través del ta un protón, forma un ácido (en este caso —NH3), que se deno- cual los materiales se mueven de un compartimiento de la célula mina el ácido conjugado de esa base. Por tanto, el ácido siempre a otro; es un reactivo o producto en muchas reacciones celulares, contiene una carga positiva más que su base conjugada. El agua y protege la célula de muchas maneras, desde calor excesivo, frío es un ejemplo de una molécula anfótera, es decir, una que puede o radiación dañina. servir tanto como un ácido como una base: + + – + El agua es un factor tan importante en una célula porque es H3O W H + H2O W OH + H capaz de formar interacciones débiles con tantos tipos diferentes Ácido Molécula Molécula anfótera base de grupos químicos. Recuerde de la página 35 cómo las molécu- las de agua, con sus enlaces O—H fuertemente polarizados, for- Discutiremos otro grupo importante de moléculas anfóteras, los man una cubierta alrededor de los iones, separando los iones de aminoácidos, en la página 49. los otros. De manera similar, las moléculas de agua forman enla- Los ácidos varían notablemente en la facilidad con la que ces de hidrógeno con moléculas orgánicas que contienen grupos abandonan un protón. Cuanto más fácil se pierde el protón, es polares, como aminoácidos y azúcares, que aseguran su solubili- decir, cuanto menos fuerte es la atracción de una base conjugada dad dentro de la célula. El agua también desempeña un papel para su protón, más fuerte es el ácido. El cloruro de hidrógeno es clave en el mantenimiento de la estructura y función de las ma- un ácido muy fuerte, que transferirá fácilmente su protón a las cromoléculas y los complejos que forman (como las membranas). moléculas de agua. La base conjugada de un ácido fuerte, como La FIGURA 2-8 muestra la disposición ordenada de las moléculas HCl, es una base débil (tabla 2-1). El ácido acético, por el contra- de agua entre dos subunidades de una molécula de proteína. Las rio, es un ácido relativamente débil porque en su mayor parte moléculas de agua están unidas por enlaces de hidrógeno entre sí permanece sin disociarse cuando se disuelve en agua. En cierto y con aminoácidos específicos de la proteína. sentido, uno puede considerar el grado de disociación de un áci- ERRNVPHGLFRVRUJ TABLA 2-1 Fortalezas de ácidos y bases 39 REPASO Ácidos Bases 1. Si tuviera que agregar ácido clorhídrico al agua, ¿qué efecto − tendría esto en la concentración de iones de hidrógeno, o en Muy débil H2O OH Fuerte 2.5 ӝ La naturaleza de las moléculas biológicas el pH, o sobre la carga iónica de cualquier proteína en solu- Débiles NH+4 NH3 Débiles H2S S2− ción? CH3COOH CH3COO− 2. ¿Cuál es la relación entre una base y su ácido conjugado? H2CO3 HCO3− Fuerte H3O+ H2O Muy débil Cl− HCl H2SO4 SO2−4 2.5 La naturaleza de las moléculas biológicas La mayor parte de un organismo es agua. Si el agua se evapora, do en términos de la competencia por protones entre los compo- la mayor parte del peso seco restante consiste en moléculas que nentes de una solución. El agua es un mejor competidor, es decir, contienen átomos de carbono. Cuando se descubrieron por pri- una base más fuerte que el ion cloruro, por lo que el HCl se diso- mera vez, se pensaba que las moléculas que contenían carbono cia por completo. Por el contrario, el ion acetato es una base más estaban presentes solo en los organismos vivos y, por tanto, se les fuerte que el agua, por lo que permanece en gran parte como denominaba moléculas orgánicas para distinguirlas de las moléculas ácido acético no disociado. inorgánicas que se encuentran en el mundo inanimado. A medida La acidez de una solución se mide por la concentración de 4 que los químicos aprendieron a sintetizar más y más de estas mo- iones de hidrógeno y se expresa en términos de pH, léculas que contienen carbono en el laboratorio, la mística asocia- + da con los compuestos orgánicos desapareció. Los compuestos pH = –log[H ] producidos por organismos vivos se llaman bioquímicos. + donde [H ] es la concentración molar de protones. Por ejemplo, La química de la vida se centra en la química del átomo de una solución que tiene un pH de 5 contiene una concentración carbono. La calidad esencial del carbono que le ha permitido des- –5 de iones de hidrógeno de 10 M. Debido a que la escala de pH es empeñar este papel es la increíble cantidad de moléculas que logarítmica, un aumento de una unidad de pH corresponde a una puede formar. Al tener cuatro electrones de capa externa, un áto- + disminución 10 veces mayor en la concentración de H (o un au- mo de carbono puede unirse con hasta cuatro átomos más. Lo – mento 10 veces mayor en la concentración de OH ). El jugo esto- que es más importante, cada átomo de carbono puede unirse con macal (pH 1.8), por ejemplo, tiene casi un millón de veces la con- otros átomos de carbono para construir moléculas con cadenas + centración de H en sangre (pH 7.4). principales que contienen largas cadenas de átomos de carbono. Una molécula de agua puede disociarse en un ion hidroxilo y Las cadenas principales que contienen carbono pueden ser linea- + – un protón, H2O y H + OH. En agua pura, la concentración de les, ramificadas o cíclicas. + – –7 ambos H y OH es de aproximadamente 10 M. El agua pura C tiene un pH de 7.0 y desde que vemos el agua como el solvente estándar en el que se disuelven otras moléculas, es común referir- C C se al pH 7 como “neutro”. C C C C C C C C C C C C C C La mayoría de los procesos biológicos son muy sensibles al pH porque los cambios en la concentración de iones de hidróge- C C C C C no afectan el estado iónico de las moléculas biológicas. Por ejem- C plo, a medida que aumenta la concentración de iones de hidróge- Lineal Cíclico Ramificado no, el grupo —NH2 del aminoácido arginina se capta protones + para formar —NH3 , lo que puede interrumpir la actividad de la El colesterol, cuya estructura se representa en la FIGURA 2-9, proteína completa. Incluso pequeños cambios en el pH pueden ilustra varias disposiciones de átomos de carbono. impedir las reacciones biológicas. Los organismos y las células Tanto el tamaño como la estructura electrónica del carbono lo que comprenden están protegidos de las fluctuaciones de pH por hacen especialmente adecuado para generar grandes cantidades los tampones, compuestos que reaccionan con hidrógeno libre o de moléculas, de las cuales se conocen varios cientos de miles. iones de hidroxilo, resistiendo así los cambios en el pH. Las solu- Por el contrario, el silicio, que está justo debajo del carbono en la ciones tampón usualmente contienen un ácido débil junto con su tabla periódica y también tiene cuatro electrones de capa externa base conjugada. La sangre, por ejemplo, está tamponada por áci- (véase figura 2-1), es demasiado grande para que su núcleo con do carbónico y iones de bicarbonato, que normalmente tienen un carga positiva atraiga los electrones de la capa exterior de los áto- pH sanguíneo de alrededor de 7.4. mos vecinos con fuerza suficiente para mantener unidas esas grandes moléculas. Podemos comprender mejor la naturaleza de – + HCO3 + H W H2CO3 las moléculas biológicas comenzando con el grupo más simple Ion de Ion de Ácido bicarbonato hidrógeno carbónico de moléculas orgánicas, los hidrocarburos, que contienen solo áto- mos de carbono e hidrógeno. La molécula etano (C2H6) es un Si la concentración de iones de hidrógeno aumenta (como ocurre hidrocarburo simple durante el ejercicio), los iones de bicarbonato se combinan con el H H exceso de protones, eliminándolos de la solución. Por el contra- – rio, el exceso de iones OH (que se generan durante la hiperven- H C C H tilación) se neutraliza por protones derivados de ácido carbónico. H H El pH del fluido dentro de la célula está regulado de manera simi- – Etano lar por un sistema de tampón de fosfato que consiste en H2PO4 y 2– HPO4. que consta de dos átomos de carbono en el que cada carbono está unido al otro carbono así como a tres átomos de hidrógeno. 4 En soluciones acuosas, los protones no existen en el estado libre, sino A medida que se agregan más carbonos, los esqueletos de las más bien como H3O+ o H5O2+. En aras de la simplicidad, nos referiremos moléculas orgánicas aumentan de longitud y su estructura se a ellos simplemente como protones o iones de hidrógeno. vuelve más compleja. ERRNVPHGLFRVRUJ  40 H H H positiva o negativamente. El efecto sobre las moléculas mediante H H Colesterol C H H la sustitución de diversos grupos funcionales se demuestra fácil- H H H C C C mente. El hidrocarburo etano (CH3CH3) representado en la pági- H H H C H C H C H na 39 es un gas tóxico e inflamable. Si se reemplaza uno de los H C CAPÍTULO 2 ӝ Las bases químicas de la vida H H H H hidrógenos con un grupo hidroxilo (—OH) y la molécula H C C H C H H H C C C H H H (CH3CH2OH) se vuelve grato al paladar es alcohol etílico (o eta- H H H C H nol). Si se sustituye un grupo carboxilo (—COOH) y la molécula H C C C C H se convierte en ácido acético (CH3COOH), el ingrediente de fuer- H C C C H H te sabor del vinagre. Si se sustituye un grupo sulfhidrilo (—SH) se H H formará CH3CH2SH, un agente fuerte y maloliente, etil mercap- C C C tano, utilizado por los bioquímicos en el estudio de reacciones H O C C H H enzimáticas. H H H FIGURA 2-9 Colesterol, cuya estructura ilustra cómo los átomos de car- Una clasificación de moléculas bono (representados por las círculos negros) pueden formar enlaces cova- biológicas por función lentes con hasta cuatro átomos de carbono. Como resultado, los átomos de carbono se pueden unir entre sí para formar los esqueletos de una va- Las moléculas orgánicas que se encuentran comúnmente en las riedad prácticamente ilimitada de moléculas orgánicas. La cadena princi- células vivas se pueden dividir en varias categorías según su fun- pal de carbono de una molécula de colesterol incluye cuatro anillos, que ción en el metabolismo. es característico de los esteroides (por ejemplo, estrógeno, testosterona, cortisol). La molécula de colesterol que se muestra aquí se dibuja como 1. Macromoléculas. Las moléculas que forman la estructura y un modelo de esferas y barras, que es otra forma en la cual se representa llevan a cabo las actividades de las células son moléculas enor- la estructura molecular. mes y altamente organizadas llamadas macromoléculas, que contienen de docenas a millones de átomos de carbono. Grupos funcionales Debido a su tamaño y a las formas intrincadas que pueden asumir las macromoléculas, algunos de estos gigantes molecu- Los hidrocarburos no se producen en cantidades significativas en lares pueden realizar tareas complejas con gran precisión y la mayoría de las células vivas (aunque constituyen la mayor par- eficiencia. La presencia de macromoléculas, más que cual- te de los combustibles fósiles formados a partir de los restos de quier otra característica, dota a los organismos de las propie- plantas y animales antiguos). Muchas de las moléculas orgánicas dades de la vida y los separa químicamente del mundo inani- que son importantes en biología contienen cadenas de átomos de mado. carbono, como los hidrocarburos, pero ciertos átomos de hidróge- Las macromoléculas se pueden dividir en cuatro catego- no son reemplazados por varios grupos funcionales. Los grupos rías principales: proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos y funcionales son agrupaciones particulares de átomos que a me- ciertos lípidos. Los tres primeros tipos son polímeros compues- nudo se comportan como una unidad y dan a las moléculas orgá- tos de un gran número de bloques de construcción de bajo nicas sus propiedades físicas, reactividad química y solubilidad peso molecular o monómeros. Estas macromoléculas están en solución acuosa. Algunos de los grupos funcionales más co- construidas a partir de monómeros mediante un proceso de munes se enumeran en la tabla 2-2. Dos de los enlaces más comu- polimerización que se asemeja a la unión de vagones de ferroca- nes entre los grupos funcionales son los enlaces éster, que se rril en un tren (FIGURA 2-10). La estructura básica y la función forman entre los ácidos carboxílicos y los alcoholes, y los enlaces de cada tipo de macromolécula son similares en todos los amida, que se forman entre los ácidos carboxílicos y las aminas. organismos. No es hasta que se observan las secuencias espe- cíficas de los monómeros que componen las macromoléculas O O individuales que se hace evidente la diversidad entre los orga- nismos. La localización de estas moléculas en varias estructu- C OH + HO C C O C ras celulares se muestra en una visión general en la FIGURA 2-11. 2. Los bloques de construcción de las macromoléculas. La mayo- Ácido Alcohol Éster ría de las macromoléculas dentro de una célula tienen una O O vida útil corta en comparación con la propia célula; con la excepción del DNA de la célula, estos se degradan continua- C OH + HN C C N C mente y son reemplazados por nuevas macromoléculas. En consecuencia, la mayoría de las células contienen un suminis- Ácido Amina Amida tro (o conjunto) de precursores de bajo peso molecular que están listos para incorporarse en las macromoléculas. Estos La mayoría de los grupos en la tabla 2.2 contienen uno o más incluyen azúcares, que son los precursores de polisacáridos; átomos electronegativos (N, P, O y/o S) y hacen que las moléculas aminoácidos, que son los precursores de las proteínas; nu- orgánicas sean más polares, más solubles en agua y más reactivas. cleótidos, que son los precursores de ácidos nucleicos, y áci- Varios de estos grupos funcionales pueden ionizarse y cargarse dos grasos, que se incorporan a los lípidos. TABLA 2-2 Grupos funcionales H O O H C H O H C N P O H C O S H O H H H O H Metilo Hidroxilo Carboxilo Aminado Fosfato Carbonilo Sulfhidrilo ERRNVPHGLFRVRUJ  41 Transportador Crecimiento de polímero Polímero con subunidad añadida Monómero 2.5 ӝ La naturaleza de las moléculas biológicas + Transportador reciclado Transportador libre Monómero a) Hidrólisis + _ H + + OH b) H 20 FIGURA 2-10 Monómeros y polímeros; polimerización e hidrólisis. a) Los polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos consisten en monómeros (subuni- dades) unidos por enlaces covalentes. Los monómeros libres simplemente no reaccionan entre sí para convertirse en macromoléculas. Por el contrario, cada monómero se activa primero mediante la unión a una molécula transportadora que ayuda al monómero a reaccionar químicamente con el extremo de la macromolécula en crecimiento. b) Una macromolécula se desmonta por hidrólisis de los enlaces que unen los monómeros. La hidrólisis es la divi- sión de un enlace por agua. Todas estas reacciones son catalizadas por enzimas específicas. 3. Intermediarios metabólicos (metabolitos). Las moléculas en Cromatina Pared celular una célula tienen estructuras químicas complejas y deben en el núcleo sintetizarse en una secuencia paso a paso que comienza con materiales de partida específicos. En la célula, cada serie de Carbohidrato DNA reacciones químicas se denomina vía metabólica. La célula comienza con el compuesto A y lo convierte en el compuesto Proteína Carbohidrato B, luego en el compuesto C, y así sucesivamente, hasta que se Carbohidrato produce algún producto final funcional (como un bloque de construcción de aminoácidos de una proteína). Los compues- tos formados a lo largo de las vías que conducen a los produc- Proteína Grano de almidón tos finales pueden no tener función per se y se denominan en el cloroplasto intermedios metabólicos. Lípido 4. Moléculas de diversas funciones. Obviamente esta es una am- Membrana de plasma plia categoría de moléculas, pero no tan grande como se podría esperar; el grueso del peso seco de una célula está for- mado por macromoléculas y sus precursores directos. Las mo- Proteína léculas de diversas funciones incluyen sustancias como vitami- RNA nas, que funcionan principalmente como adyuvantes de las Proteína proteínas; ciertas hormonas esteroides o de aminoácidos; mo- Ribosoma DNA Microtúbulos léculas involucradas en el almacenamiento de energía, como Lípido ATP; moléculas reguladoras como el monofosfato de adenosi- Proteína na (AMP, monophosphate adenosine) cíclico, y productos de Mitocondria Proteína desecho metabólicos como la urea. Carbohidrato REPASO Lípido 1. ¿Qué propiedades de un átomo de carbono son importantes DNA para la vida? RNA 2. Dibuja las estructuras de cuatro grupos funcionales diferentes. ¿Cómo alteraría cada uno de estos grupos la solubilidad de FIGURA 2-11 Una visión general de los tipos de moléculas biológicas que una molécula en el agua? componen varias estructuras celulares. ERRNVPHGLFRVRUJ  42 trear el progreso de la diabetes. Reacciones similares de azúcar en 2.6 Carbohidratos forma lineal con proteínas involucradas en el metabolismo del colesterol son una de las razones por las que la diabetes causa Los carbohidratos (o glucanos, como se les llama a menudo) enfermedades cardiacas. La forma de cadena abierta de los azú- incluyen azúcares simples (o monosacáridos) y todas las moléculas CAPÍTULO 2 ӝ Las bases químicas de la vida cares es, por tanto, muy importante en medicina, pero la gran más grandes construidas con bloques de azúcar. Los carbohidra- mayoría de los azúcares se encuentran en forma de anillo, y es en tos funcionan principalmente como depósitos de energía química esta forma que se usan como bloques de construcción para cons- y como materiales de construcción duraderos para la construc- truir otros tipos de carbohidratos. Las formas de anillo de los azú- ción biológica. La mayoría de los azúcares tienen la fórmula gene- cares generalmente se representan como estructuras planas (figu- ral (CH2O)n. Los azúcares de importancia en el metabolismo ce- ra 2-12d) que se encuentran perpendiculares al plano del papel lular tienen valores de n que van de 3 a 7. Los azúcares que con la línea engrosada situada más cerca del lector. Los grupos H contienen tres carbonos se conocen como triosas, los que tienen y OH se encuentran paralelos al plano del papel, sobresaliendo cuatro carbonos como tetrosas, los que tienen cinco carbonos co- por encima o por debajo del anillo del azúcar. De hecho, el anillo mo pentosas, los que tienen seis carbonos como hexosas y aquellos de azúcar no es una estructura plana, sino que generalmente exis- con siete carbonos como heptosas. te en una conformación tridimensional que se asemeja a una silla (figura 2-12e,f ). La estructura de azúcares simples Estereoisomerismo Cada molécula de azúcar consiste en una columna central de áto- mos de carbono unidos entre sí en una serie lineal por enlaces Como se señaló anteriormente, un átomo de carbono puede unir- simples. Cada uno de los átomos de carbono de la cadena princi- se con otros cuatro átomos. La disposición de los grupos alrede- pal está unido a un único grupo hidroxilo, a excepción de uno dor de un átomo de carbono se puede representar como en la que porta un grupo carbonilo (C\ \O). Si el grupo carbonilo está FIGURA 2-13a) con el carbono colocado en el centro de un tetrae- ubicado en una posición interna (para formar un grupo cetona), dro y los grupos unidos proyectados en sus cuatro esquinas. La el azúcar es una cetosa, como la fructosa, que se muestra en la figura 2-13b) representa una molécula de gliceraldehído, que es FIGURA 2-12a). Si el carbonilo se encuentra en un extremo del la única aldotriosa. El segundo átomo de carbono del gliceralde- azúcar, forma un grupo aldehído y la molécula se conoce como hído está ligado a cuatro grupos diferentes (—H, —OH, —CHO y aldosa, como se ejemplifica con la glucosa, que se muestra en la —CH2OH). Si los cuatro grupos unidos a un átomo de carbono figura 2-12b-f ). Debido a su gran cantidad de grupos hidroxilo, son todos diferentes, como en el gliceraldehído, existen dos con- los azúcares tienden a ser altamente solubles en agua. figuraciones posibles que no pueden superponerse entre sí. Estas Aunque las fórmulas de cadena recta que se muestran en la dos moléculas (denominadas estereoisómeros o enantiómeros) tie- figura 2-12a,b) son útiles para comparar las estructuras de varios nen esencialmente las mismas reactividades químicas, pero sus azúcares, los azúcares que tienen cinco o más carbonos reaccio- estructuras son imágenes de espejo (no como un par de manos nan espontáneamente (figura 2-12c) para producir una molécula humanas derecha e izquierda). Por convención, la molécula se cerrada o que contiene un anillo. Solo una pequeña fracción de llama D-gliceraldehído si el grupo hidroxilo del carbono 2 se pro- las moléculas de azúcar en solución se encuentran en la forma yecta hacia la derecha, y el L-gliceraldehído si se proyecta hacia la lineal de cadena abierta; el resto está en forma de anillo. La for- izquierda (figura 2-13c). Debido a que actúa como un sitio de es- ma lineal es bioquímicamente importante porque el grupo alde- tereoisomerismo, el carbono 2 se denomina átomo de carbono hído al final de la cadena es reactivo y puede reaccionar con las asimétrico. proteínas, especialmente con la hemoglobina. Los pacientes con A medida que la columna central de las moléculas de azúcar diabetes tienen niveles más altos de azúcar en la sangre y este aumenta en longitud, también lo hace el número de átomos de azúcar en su forma de cadena abierta reacciona con la hemoglo- carbono asimétricos y, en consecuencia, el número de estereoisó- bina para producir una hemoglobina modificada llamada hemog- meros. Las aldotetrosas tienen dos carbonos asimétricos y, por lobina A1c, que a menudo se usa en análisis de sangre para ras- tanto, pueden existir en cuatro configuraciones diferentes (FIGURA H H 6 H C OH C O CH2OH 6 CH2OH O H H H C O H C OH 5 H 5 O H CH2OH C H C OH H O H HO H H 4 H 1 H O C HO C H HO C H H 1 OH H H C O C C H H 4 OH H HO OH HO H O 3 2 HO OH C C H C OH H C OH O H HO H C H 3C 2C H OH H O H H C OH H C OH H OH H O H C OH H C OH H H D-fructosa D-glucosa d-glucosa α-D-glucosa α-D-glucosa α-D-glucosa (formación del anillo) (proyección de Haworth) (forma de silla) (forma de silla con esferas y barras) a) b) c) d) e) f) FIGURA 2-12 Las estructuras de azúcares. a) Fórmula de cadena recta de fructosa, una cetohexosa [ceto, que indica que el carbonilo (amarillo), se locali- za internamente, y la hexosa porque consta de seis carbonos]. b) Fórmula de cadena recta de glucosa, una aldohexosa (aldo porque el carbonilo está ubi- cado al final de la molécula). c) Reacción espontánea en la que la glucosa se convierte de una cadena abierta a un anillo cerrado (un anillo de piranosa). d) La glucosa se representa comúnmente en forma de un anillo plano (planar) que se encuentra perpendicular a la página con la línea engrosada situada más cerca del lector y los grupos H y OH que sobresalen por encima o por debajo del anillo. La base para la designación α-D-glucosa se trata en la si- guiente sección. e) La conformación de la silla de la glucosa, que representa su estructura tridimensional con mayor precisión que el anillo plano de la parte d. f ) Un modelo de esferas y barras de la conformación en silla de la glucosa. ERRNVPHGLFRVRUJ  a 6 CH2OH 43 CH2OH 5 CH2OH H C OH H H O OH H O H H H 1 H 2.6 ӝ Carbohidratos C OH H C OH H 4 OH H HO H O HO OH C HO 3C 2C d b H OH H OH H OH β-D-Glucopiranosa α-D-Glucopiranosa c a) FIGURA 2-15 Formación de una α- y β-piranosa. Cuando una molécula de glucosa experimenta autorreacción para formar un anillo de piranosa (es decir, un anillo de seis miembros), se generan dos estereoisómeros. Los dos isómeros están en equilibrio entre sí a través de la forma de ca- CHO CHO dena abierta de la molécula. Por convención, la molécula es una α-pirano- Espejo sa cuando el grupo OH del primer carbono se proyecta debajo del plano del anillo, y una β-piranosa cuando el grupo hidroxilo se proyecta hacia C C arriba. H H CH2OH OH OH CH2OH La reacción espontánea en la que una molécula de glucosa de cadena lineal se convierte en un anillo de seis miembros (piranosa) se muestra en la figura 2-12c). A diferencia de su precursor en la cadena abierta, el C1 del anillo tiene cuatro grupos diferentes y, por tanto, se convierte en un nuevo centro de asimetría dentro de b) la molécula de azúcar. Debido a este átomo de carbono extra asi- CHO CHO métrico, cada tipo de piranosa existe como estereoisómeros α y β (FIGURA 2-15). Por convención, la molécula es una α-piranosa H C OH OH C H cuando el grupo OH del primer átomo de carbono se proyecta debajo del plano del anillo, y una β-piranosa cuando el hidroxilo CH2OH CH2OH se proyecta hacia arriba. La diferencia entre las dos formas tiene importantes consecuencias biológicas, que resultan, por ejemplo, D-gliceraldehído L-gliceraldehído en la forma compacta de las moléculas de glucógeno y almidón y c) la conformación extendida de la celulosa (discutida más adelante). FIGURA 2-13 Estereoisomerismo del gliceraldehído. a) Los cuatro grupos unidos a un átomo de carbono (etiquetados como a, b, c y d) ocupan las Unión de los azúcares cuatro esquinas de un tetraedro con el átomo de carbono en su centro. b) Los azúcares se pueden unir entre sí mediante enlaces glucosí- El gliceraldehído es la única aldosa de tres carbonos; su segundo átomo de carbono está unido a cuatro grupos diferentes (—H, —OH, dicos covalentes para formar moléculas más grandes. Los enlaces —CHO y —CH2OH). Como resultado, el gliceraldehído puede existir en glucosídicos se forman por reacción entre el átomo de carbono C1 dos configuraciones posibles que no son superponibles, sino que son imá- de un azúcar y el grupo hidroxilo de otro azúcar, generando un genes especulares entre sí, como se indica. Estos dos estereoisómeros (o enlace —C—O—C entre los dos azúcares. Como se analiza a conti- enantiómeros) pueden distinguirse por la configuración de los cuatro gru- nuación (y se indica en las FIGURAS 2-16 y 2-17), los azúcares se pos alrededor del átomo de carbono asimétrico (o quiral). Las soluciones pueden unir mediante una gran variedad de enlaces glucosídicos de estos dos isómeros rotan la luz polarizada en el plano en direcciones opuestas y, por tanto, se dice que son ópticamente activas. c) Fórmulas de cadena lineal de gliceraldehído. Por convención, el isómero D se muestra Sacarosa con el grupo OH a la derecha. 6 CH2OH 1 CHO CHO CHO CHO H 5 O H HOCH2 O H HCOH HOCH HCOH HOCH 4 H 1 (α) 2 5 OH H O H HO HCOH HCOH HOCH HOCH 6 HO 3 2 3 4 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H OH OH H D-Eritrosa D-Treosa L-Treosa L-Eritrosa a) FIGURA 2-14 Aldotetrosas. Debido a que tienen dos átomos de carbono Lactosa asimétricos, las aldotetrosas pueden existir en cuatro configuraciones. 6 6 CH2OH CH2OH 2-14). Del mismo modo, hay ocho aldopentosas diferentes y 16 HO 5 O H 5 O OH aldohexosas diferentes. La designación de cada uno de estos azú- H 1 (β) H 4 O 4 1 cares como D o L se basa en la convención sobre la disposición de OH H OH H grupos unidos al átomo de carbono asimétrico más alejado del H 3 2 H 3 2 H aldehído (el carbono asociado con el aldehído se designa C1). Si el H OH H OH grupo hidroxilo de este carbono se proyecta hacia la derecha, la b) aldosa es un D-azúcar; si se proyecta hacia la izquierda, es un L-azúcar. Las enzimas presentes en las células vivas pueden distin- FIGURA 2-16 Disacáridos. La sacarosa y la lactosa son dos de los disa- guir entre las formas D y L de un azúcar. Típicamente, solo uno de cáridos más comunes. La sacarosa se compone de glucosa y fructosa uni- los estereoisómeros (como D-glucosa y L-fucosa) es utilizado por das por un enlace α (1y2), mientras que la lactosa se compone de gluco- las células. sa y galactosa unidas por un enlace β (1y4) ERRNVPHGLFRVRUJ  44 CAPÍTULO 2 ӝ Las bases químicas de la vida 1 Glucógeno 2 a) 2 b) Almidón 3 c) Celulosa FIGURA 2-17 Tres polisacáridos con monómeros de azúcares idénticos pero propiedades radicalmente diferentes. El glucógeno a), el almidón b) y la celulosa c) están compuestos enteramente de subunidades de glucosa, pero sus propiedades químicas y físicas son muy diferentes debido a las distintas formas en que los monómeros están unidos (tres tipos diferentes de enlaces son indicados por los números en un círculo). Las moléculas de glucógeno son las más ramificadas, las moléculas de almidón suponen una disposición helicoidal, y las moléculas de celulosa no están ramificadas y están muy ex- tendidas. Mientras que el glucógeno y el almidón son reservas de energía, las moléculas de celulosa se agrupan en fibras duras adecuadas para su fun- ción estructural. Las micrografías electrónicas coloreadas muestran gránulos de glucógeno en una célula hepática, granos de almidón (amiloplastos) en una semilla de planta y fibras de celulosa en la pared celular de una planta; cada uno está indicado por una flecha. FUENTE: a) Don W. Fawcett/Photo Researchers, Inc.; b) Jeremy Burgess/Photo Researchers, Inc.; c) Biophoto Associates Photo Researchers, Inc. diferentes. Las moléculas compuestas de solo dos unidades de plasmática, donde se proyectan desde la superficie de la célula azúcar son disacáridos (figura 2-16). Los disacáridos sirven princi- (véase figura 4.4a). Debido a que los oligosacáridos pueden estar palmente como reservas de energía de fácil acceso. La sacarosa, o compuestos por muchas combinaciones diferentes de unidades azúcar de mesa, es un componente principal de la savia de la plan- de azúcar, estos carbohidratos pueden desempeñar un papel in- ta, que transporta energía química de una parte de la planta a otra. formativo; es decir, pueden servir para distinguir un tipo de célu- La lactosa, presente en la leche de la mayoría de los mamíferos, la de otro y ayudar a mediar interacciones específicas de una cé- suministra a los mamíferos recién nacidos combustible para el cre- lula con su entorno. cimiento y desarrollo temprano. La lactosa en la dieta es hidroliza- da por la enzima lactasa, que está presente en las membranas Polisacáridos plasmáticas de las células que recubren el intestino. Muchas per- sonas pierden esta enzima después de la infancia y descubren que A mediados del siglo XIX, se sabía que la sangre de las personas comer productos lácteos causa molestias digestivas. que padecían diabetes tenía un sabor dulce debido a un nivel ele- Los azúcares también se pueden unir para formar pequeñas vado de glucosa, el azúcar clave en el metabolismo energético. cadenas llamadas oligosacáridos (oligo = poco). Con mucha fre- Claude Bernard, un prominente fisiólogo francés de la época, es- cuencia, tales cadenas se encuentran covalentemente unidas a taba buscando la causa de la diabetes investigando la fuente de lípidos y proteínas, convirtiéndolas en glucolípidos y glucoproteí- azúcar en la sangre. Se supuso en ese momento que cualquier nas, respectivamente. Los oligosacáridos son particularmente azúcar presente en un ser humano o un animal tenía que haberse importantes en los glucolípidos y glucoproteínas de la membrana consumido previamente en la dieta. Trabajando con perros, ERRNVPHGLFRVRUJ Bernard descubrió que, incluso si los animales se colocaban en están construidos idealmente para resistir las fuerzas de tracción 45 una dieta totalmente carente de carbohidratos, su sangre aún con- (o tensión). Al igual que el glucógeno y el almidón, la celulosa tenía una cantidad normal de glucosa. Claramente, la glucosa po- consiste únicamente en monómeros de glucosa; sus propiedades dría formarse en el cuerpo a partir de otros tipos de compuestos. difieren drásticamente de estos otros polisacáridos porque las 2.6 ӝ Carbohidratos Después de más investigaciones, Bernard descubrió que la unidades de glucosa están unidas por enlaces β(1 y 4) (enlace 3 glucosa ingresa a la sangre a través del hígado. Él descubrió que en la figura 2-17c) en lugar de enlaces α(1 y 4). Irónicamente, los el tejido hepático contiene un polímero insoluble de glucosa animales multicelulares (con raras excepciones) carecen de la en- que llamó glucógeno. Bernard concluyó que varios materiales zima necesaria para degradar la celulosa, que resulta ser la mate- alimenticios (como proteínas) se llevaban al hígado, donde se ria orgánica más abundante en la Tierra y rica en energía quími- convertían químicamente en glucosa y se almacenaban como glu- ca. Los animales que “sobreviven” al digerir la celulosa, como las cógeno. Luego, como el cuerpo necesitaba azúcar como combus- termitas y las ovejas, lo hacen al albergar bacterias y protozoos tible, el glucógeno del hígado se transformó en glucosa, que se que sintetizan la enzima necesaria, la celulasa. La celulosa es un liberó al torrente sanguíneo para satisfacer los tejidos sin glucosa. componente importante de la fibra dietética, un término amplio En la hipótesis de Bernard, el equilibrio entre la formación de que incluye todos los polisacáridos que comemos que no pueden glucógeno y la degradación del glucógeno en el hígado fue el ser digeridos por las enzimas humanas. principal determinante para mantener el nivel relativamente No todos los polisacáridos biológicos consisten en monóme- constante (homeostático) de glucosa en la sangre. ros de glucosa. La quitina es un polímero no ramificado del azúcar La hipótesis de Bernard resultó ser correcta. La molécula que N-acetilglucosamina, que es similar en estructura a la glucosa pe- denominó glucógeno es un tipo de polisacárido, un polímero de ro tiene un grupo acetil amino en lugar de un grupo hidroxilo unidades de azúcar unidas por enlaces glucosídicos. unido al segundo átomo de carbono del anillo. GLUCÓGENO Y ALMIDÓN: POLISACÁRIDOS CH2OH NUTRICIONALES. El glucógeno es un polímero ramifica- H O H do que contiene solo un tipo de monómero: glucosa (figura H 2-17a). La mayoría de las unidades de azúcar de una molécula de OH H glucógeno se unen entre sí por enlaces glucosídicos α(1 y 4) HO OH (enlace tipo 2 en la figura 2-17a). Los puntos de ramificación con- H HNCOCH3 tienen un azúcar unido a tres unidades vecinas en lugar de a dos, como en los segmentos no ramificados del polímero. El vecino N -acetilglucosamina adicional, que forma la rama, está unido por un enlace glucosídi- co α(1 y 6) (enlace tipo 1 en la figura 2-17a). La quitina se presenta ampliamente como material estructural El glucógeno sirve como almacén de excedentes de energía entre los invertebrados, particularmente en la cubierta exterior química en la mayoría de los animales. Los músculos esqueléticos de insectos, arañas y crustáceos. La quitina es un material resis- humanos, por ejemplo, típicamente contienen suficiente glucóge- tente, elástico y flexible, a diferencia de ciertos plásticos. Los in- no para alimentar alrededor de 30 minutos de actividad modera- sectos deben gran parte de su éxito a este polisacárido altamente da. Dependiendo de varios factores, el glucógeno típicamente adaptativo (FIGURA 2-18). varía en peso molecular de aproximadamente uno a cuatro millo- Otro grupo de polisacáridos que tiene una estructura más nes de dalton. Cuando se almacena en las células, el glucógeno compleja son los glucosaminoglucanos (o los GAG). A diferen- está altamente concentrado en lo que parecen ser gránulos irre- cia de otros polisacáridos, tienen la estructura —A—B—A—B—, gulares y con tinción oscura en las micrografías electrónicas (figu- ra 2-17a), derecha). La mayoría de las plantas depositan su excedente de energía química en forma de almidón, que al igual que el glucógeno es también un polímero de glucosa. Las papas y los cereales, por ejemplo, consisten principalmente en almidón. El almidón es en realidad una mezcla de dos polímeros diferentes, amilosa y ami- lopectina. La amilosa es una molécula helicoidal no ramificada cuyos azúcares están unidos por enlaces α(1 → 4) (figura 2-17b), mientras que la amilopectina es ramificada. La amilopectina di- fiere del glucógeno por ser mucho menos ramificada y tener un patrón de ramificación irregular. El almidón se almacena como gránulos densamente empaquetados, o granos de almidón, que es- tán encerrados en organelos unidos a la membrana (plástidos) dentro de la célula de la planta [figura 2-17b), derecha]. Aunque los animales no sintetizan el almidón, poseen una enzima (amila- sa) que lo hidroliza fácilmente. CELULOSA, QUITINA Y GLUCOSAMINOGLU- CANOS: POLISACÁRIDOS ESTRUCTURALES. Considerando que algunos polisacáridos constituyen depósitos de energía fácilmente digeribles, otros forman materiales estruc- turales resistentes y duraderos. El algodón y el lino, por ejemplo, consisten principalmente en celulosa, que es el componente principal de las paredes celulares de las plantas. Las telas de algo- dón deben su durabilidad a las moléculas de celulosa largas, no FIGURA 2-18 La quitina es el componente principal del esqueleto exter- ramificadas, que se ordenan en agregados uno al lado del otro no de este saltamontes. para formar cables moleculares [figura 2-17c), panel derecho] que FUENTE: Anthony Bannister/Gallo Images/© Corbis. ERRNVPHGLFRVRUJ  46 donde A y B representan dos azúcares diferentes. El GAG mejor Resto de Cola de estudiado es la heparina, que es secretada por las células en los glicerol O ácido graso pulmones y otros tejidos en respuesta a la lesión tisular. La hepa- rina inhibe la coagulación de la sangre, evitando así la formación CH2 O C CAPÍTULO 2 ӝ Las bases químicas de la vida de coágulos que pueden bloquear el flujo de sangre al corazón o O los pulmones. La heparina logra esta hazaña al activar un inhibi- dor (antitrombina) de una enzima clave (trombina) que se requie- CH O C re para la coagulación de la sangre. La heparina, que normalmen- O te se extrae del tejido del cerdo, se ha usado durante décadas para prevenir los coágulos de sangre en pacientes después de una CH2 O C cirugía mayor. A diferencia de la heparina, la mayoría de los GAG se encuentran en los espacios que rodean a las células, y su es- a) tructura y función se analizan en la sección 7.3. Los polisacáridos más complejos se encuentran en las paredes celulares de las plan- tas (sección 7.14). O H H H H H H H H H H H H H H H H H HO C C C C C C C C C C C C C C C C C C H REPASO Ácido H H H H H H H H H H H H H H H H H 1. Nombre tres polisacáridos compuestos de polímeros de glu- esteárico cosa. ¿Cómo se diferencian estas macromoléculas unas de b) otras? 2.7 Lípidos Los lípidos son un grupo diverso de moléculas biológicas no po- lares cuyas propiedades comunes son su capacidad para disolver- se en solventes orgánicos, como el cloroformo o el benceno, y su incapacidad para disolverse en el agua, una propiedad que expli- ca muchas de sus variadas funciones biológicas. Los lípidos de Triestearato importancia en la función celular incluyen grasas, esteroides y fosfolípidos. c) Grasas Las grasas consisten en una molécula de glicerol unida por enla- ces éster a tres ácidos grasos; la molécula compuesta se denomina triacilglicerol (FIGURA 2-19a), también conocida como triglicéri- do. Comenzaremos considerando la estructura de los ácidos grasos. Los ácidos grasos son cadenas de hidrocarburos largas, no ramificadas con un único grupo carboxilo en un extremo (figura 2-19b). Debido a que los dos extremos de una molécula de ácido graso tienen una estructura muy diferente, también tienen distin- tas propiedades. La cadena de hidrocarburo es hidrofóbica, mien- tras que el grupo carboxilo (—COOH), que tiene una carga nega- Aceite de linaza tiva a pH fisiológico, es hidrofílico. Se dice que las moléculas que d) tienen ambas regiones hidrofóbica e hidrofílica son anfipáticas; tales moléculas tienen propiedades inusuales y biológicamente FIGURA 2-19 Grasas y ácidos grasos. a) La estructura básica de un tria- importantes. Las propiedades de los ácidos grasos se pueden cilglicerol (también llamado triglicérido o una grasa neutra). El resto glice- apreciar considerando el uso de un producto familiar: el jabón, rol, indicado en naranja, está unido por tres enlaces éster a los grupos que consiste en ácidos grasos. En siglos pasados, los jabones se carboxilo de tres ácidos grasos cuyas colas están indicadas en verde. b) hacían calentando la grasa animal en un álcali fuerte (NaOH o Ácido esteárico, un ácido graso saturado de 18 carbonos que es común KOH) para romper los enlaces entre los ácidos grasos y el glicerol. en las grasas animales. c) Modelo de triestearato que rellena el espacio, un triacilglicerol que contiene tres cadenas idénticas de ácido esteárico. Hoy en día, la mayoría de los jabones se hacen sintéticamente. d) Modelo del volumen completo del aceite de linaza, un triacilglicerol de- Los jabones deben su capacidad para disolver la grasa al hecho de rivado de semillas de lino que contiene tres ácidos grasos insaturados que el extremo hidrofóbico de cada ácido graso puede incrustarse (ácidos linoleico, oleico y linolénico). Los sitios de insaturación, que produ- en la grasa, mientras que el extremo hidrofílico puede interactuar cen dobleces en la molécula, están indicados por las barras amarillo-na- con el agua circundante. Como resultado, los materiales grasos se ranja. convierten en complejos (micelas) que se pueden dispersar con agua (FIGURA 2-20). H H C H Los ácidos grasos difieren entre sí en la longitud de su cadena de hidrocarburos y la presencia o ausencia de dobles enlaces. Los C C en oposición a C C ácidos grasos presentes en las células generalmente varían en lon- C C H C