Carbohidratos - Resumen PDF

Carbohidratos Presentado por: Dr. Hugo alvarado  los carbohidratos no son sólo una fuente importante de producción rápida de energía en las células, también son las estructuras fundamentales de las células y componentes de numerosas rutas metabólicas. En la actualidad se reconoce...

Carbohidratos Presentado por: Dr. Hugo alvarado  los carbohidratos no son sólo una fuente importante de producción rápida de energía en las células, también son las estructuras fundamentales de las células y componentes de numerosas rutas metabólicas. En la actualidad se reconoce que los polímeros de azúcares unidos a proteínas y a lípidos son un sistema de codificación de alta densidad.  Los carbohidratos, las biomoléculas con más abundancia en la naturaleza, son un vínculo directo entre la energía solar y la energía de los enlaces químicos de los seres vivos. La mayoría de los carbohidratos contienen carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de aquí su nombre.  Se han adaptado a una amplia diversidad de funciones biológicas, como fuentes de energía (p. ej., la glucosa), como elementos estructurales (p. ej., la celulosa y la quitina en los vegetales y en los insectos, respectivamente) y como precursores de la producción de otras biomoléculas(p. ej., aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas).  Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, según el número de unidades de azúcares sencillos que contengan. Determinados carbohidratos (los azúcares ribosa y desoxirribosa) son elementos estructurales de los  MONOSACÁRIDOS Los monosacáridos o azúcares sencillos son aldehídos o cetonas polihidroxilados. Las aldosas y las cetosas más sencillas son, respectivamente, el gliceraldehído y la dihidroxiacetona.  Los azucares se clasifican también según el número de átomos de carbono que contienen. Por ejemplo, los azúcares más pequeños, denominados triosas, contienen tres átomos de carbono. Los azúcares de cuatro, cinco y seis átomos de carbono se llaman tetrosas, pentosas y hexosas, respectivamente. Los monosacáridos más abundantes en las células son las pentosas y las hexosas. Estereoisómeros de los monosacáridos Cuando el número de átomos de carbono quirales aumenta en los compuestos con actividad óptica, también lo hace el número de isómeros ópticos posibles.  En los isómeros ópticos, el carbono de referencia es el carbono asimétrico que está más alejado del carbono carbonilo. Su configuración es semejante a la del carbono asimétrico en el d-gliceraldehído o en el l- gliceraldehído.  Los estereoisómeros que no son enantiómeros (isómeros especulares) se denominan diastereoisómeros. Por ejemplo, las aldopentosas d- ribosa y l-ribosa son enantiómeros, al igual que la d- arabinosa y la l-arabinosa. Los azúcares d-ribosa y d-arabinosa son diastereoisómeros porque son isómeros pero no imágenes especulares.  Los diastereoisómeros que se diferencian en la configuración de un único átomo de carbono asimétrico se denominan epímeros. Por ejemplo, d-glucosa y d- galactosa son epímeros porque sus estructuras sólo se diferencian en la configuración del grupo OH del carbono 4. Estructura cíclica de los monosacáridos Los azúcares que contienen cuatro o más carbonos se encuentran principalmente en formas cíclicas. La formación del anillo se produce en solución acuosa debido a que los grupos aldehído y cetona reaccionan de manera reversible con los grupos hidroxilo presentes en el azúcar para formar hemiacetales y hemicetales cíclicos, respectivamente.  ESTRUCTURAS DE HAWORTH Las proyecciones de Fischer de las moléculas de azúcar cíclicas utilizan un enlace largo para indicar la estructura de anillo. El químico inglés W. N. Haworth ideó una imagen más exacta de la estructura de los carbohidratos. Las estructuras de Haworth representan de forma más apropiada los ángulos y las longitudes de los enlaces que las representaciones de Fischer. Reacciones de los monosacáridos Los grupos carbonilo e hidroxilo de los azúcares pueden experimentar varias reacciones químicas. Entre las más importantes están:  La oxidación.  La reducción.  La isomerización.  La esterificación. La formación de glucósidos.  La glucosilación.  OXIDACIÓN En presencia de agentes oxidantes, de iones metálicos como el Cu2+ y de determinadas enzimas, los monosacáridos se oxidan con facilidad. La oxidación de un grupo aldehído origina un ácido aldónico, mientras que la oxidación de un grupo terminal CH2 OH (pero no del grupo aldehído) da lugar a un ácido urónico. La oxidación del aldehído y del CH2 OH produce un ácido aldárico.  REDUCCIÓN La reducción de los grupos aldehído y cetona de los monosacáridos produce los alcoholes azúcares (alditoles). Por ejemplo, la reducción de la d-glucosa proporciona d- glucitol, que también se conoce como d-sorbitol. Los alcoholes azúcares se utilizan de forma comercial en preparaciones alimentarias y farmacéuticas.  ISOMERIZACIÓN Los monosacáridos experimentan varios tipos de isomerizaciones. Por ejemplo, tras varias horas una solución alcalina de d-glucosa también contiene d- manosa y d-fructosa. Ambas isomerizaciones implican un desplazamiento intramolecular de un átomo de hidrógeno y una nueva ubicación de un doble enlace. El intermediario que se forma se denomina enodiol.  ESTERIFICACIÓN como todos los grupos OH libres, los de los carbohidratos pueden convertirse en ésteres por reacciones con ácidos. La esterificación suele cambiar en gran medida las propiedades físicas y químicas de los azúcares. FORMACIÓN DE GLUCÓSIDOS Los hemiacetales y hemicetales reaccionan con los alcoholes para formar el correspondiente acetal o cetal. Cuando la forma cíclica hemiacetal o hemicetal del monosacárido reacciona con un alcohol, el nuevo enlace se denomina enlace glucosídico, y el compuesto se denomina glucósido.  El nombre del glucósido especifica el componente de azúcar. Por ejemplo, los acetales de la glucosa y los cetales de la fructosa se denominan glucósido y fructósido, respectivamente. Además, los glucósidos derivados de azúcares con anillos de cinco miembros se denominan furanósidos; los derivados de azúcares con anillos de seis integrantes se denominan piranósidos. REACCIONES DE GLUCOSILACIÓN Las reacciones de glucosilación unen azúcares o glucanos (polímeros de azúcar) a proteínas o a lípidos. Análogas a la formación de glucósidos entre moléculas de azúcar, las reacciones de glucosilación, catalizadas por las glucosil transferasas, forman enlaces glucosídicos entre carbonos anoméricos en determinados glucanos y entre átomos de nitrógeno u oxígeno en otros tipos de moléculas.  Los azúcares reductores también pueden interactuar con átomos de nitrógeno nucleófilos en reacciones no enzimáticas. Estas reacciones de glucación ocurren con rapidez en presencia de calor (p. ej., al cocinar alimentos que contienen azúcar) o lentamente en el cuerpo cuando hay un exceso de moléculas de azúcar. El ejemplo mejor investigado es la reacción que ocurre entre la glucosa y el nitrógeno amino de la cadena lateral de residuos de lisina en las proteínas. La glucación no enzimática Monosacáridos importantes Entre los monosacáridos más importantes de los seres vivos se encuentran la glucosa, la fructosa y la galactosa. Se describen de forma breve las principales funciones de estas moléculas.  GLUCOSA La d-glucosa, que al principio se denominó dextrosa, se encuentra en cantidades importantes en todo el mundo vivo. Es el principal combustible de las células. En los animales, la glucosa es la fuente de energía preferida de las células cerebrales y de las células que tienen pocas mitocondrias o que carecen de ellas, como los eritrocitos. Las células que tienen un aporte limitado de oxígeno, como las del globo ocular, utilizan también grandes cantidades de glucosa para generar energía. Las fuentes de glucosa en la dieta son el almidón de las plantas y los disacáridos lactosa, maltosa y sacarosa FRUCTOSA La d-fructosa, originalmente denominada levulosa, suele llamarse azúcar de la fruta por su contenido elevado en los frutos. Se encuentra también en algunos vegetales y en la miel. Esta molécula es un miembro importante de la familia de azúcares cetosas. Por gramo, la fructosa es dos veces más dulce que la sacarosa. Por lo tanto, puede utilizarse en cantidades menores.  GALACTOSA La galactosa es necesaria para sintetizar diversas biomoléculas, entre las que se encuentran la lactosa (en las glándulas mamarias lactantes), los glucolípidos y determinados fosfolípidos, proteoglucanos y glucoproteínas. La síntesis de estas sustancias no disminuye por el consumo deficiente de galactosa o del disacárido lactosa (la fuente alimentaria principal de galactosa), porque el azúcar se sintetiza con facilidad a partir de la glucosa-1- fosfato. En la galactosemia, una enfermedad genética, se carece de una enzima necesaria para metabolizar la galactosa. Se acumulan galactosa, galactosa-1-fosfato y galactitol (un derivado alcohol azúcar) que producen daño hepático, cataratas y retraso mental grave. El único tratamiento eficaz es el diagnóstico precoz y una alimentación sin galactosa. Derivados de los monosacáridos Los azúcares sencillos pueden convertirse en compuestos relacionados desde el punto de vista químico. Varios son componentes metabólicos y estructurales importantes en los seres vivos. ÁCIDOS URÓNICOS Se debe recordar que los ácidos urónicos se forman cuando se oxida el grupo terminal CH2 OH de un monosacárido. Dos ácidos urónicos son importantes en los animales: el ácido d-glucurónico y su epímero, el ácido l-idurónico. En las células hepáticas el ácido glucurónico se combina con moléculas como los esteroides, determinados fármacos y la bilirrubina (un producto de degradación de la proteína transportadora de oxígeno hemoglobina) para mejorar su hidrosolubilidad. Este proceso ayuda a eliminar los productos de desecho del cuerpo. Tanto el ácido d-glucurónico como el ácidol-idurónico son abundantes en los componentes carbohidratos del tejido conjuntivo.  AMINOAZÚCARES 1) En los aminoazúcares un grupo hidroxilo (con mayor frecuencia el del carbono 2) está sustituido por un grupo amino.  Estos compuestos son constituyentes comunes de las moléculas complejas de carbohidratos unidas a las proteínas y a los lípidos celulares. Los aminoazúcares más comunes de las células animales son la d-glucosamina y la d-galactosamina y suelen estar acetilados. Una molécula de este tipo es la N-acetilglucosamina. DESOXIAZÚCARES Los monosacáridos en los que un grupo OH se ha sustituido por un H se denominan desoxiazúcares. La l- fucosa (formada a partir de la d-manosa por reacciones de reducción) y la 2-desoxi-d-ribosa son dos desoxiazúcares importantes de las células POLISACÁRIDOS Los polisacáridos, también llamados glucanos, están formados por grandes cantidades de monosacáridos conectados por enlaces glucosídicos.  Los polisacáridos pueden dividirse en dos clases: homoglucanos, formados por un solo tipo de monosacárido, y heteroglucanos, que contienen dos o más tipos de monosacáridos.  Homoglucanos Los homoglucanos que abundan en la naturaleza son el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina. Cuando se hidrolizan el almidón, el glucógeno y la celulosa, todos producen d-glucosa. El almidón y el glucógeno son las moléculas de almacenamiento de glucosa de las plantas y de los animales, respectivamente.  La celulosa es el componente estructural más importante de las células vegetales. Cuando se hidroliza la quitina, el principal componente de los exoesqueletos de los artrópodos (como los insectos y los crustáceos) y de las paredes celulares de muchos hongos, produce el derivado de glucosa N- acetilglucosamina. ALMIDÓN El almidón, la reserva energética de las células, es una fuente significativa de carbohidratos en la alimentación humana. La mayor parte del valor nutritivo de los principales alimentos mundiales (p. ej., las patatas, el arroz, el maíz y el trigo) proviene del almidón. En el almidón se encuentran juntos dos polisacáridos: la amilosa y la amilopectina.  La amilosa está formada por cadenas largas sin ramificar de residuos de d-glucosa que están unidos por enlaces glucosídicos ALFA  La otra forma de almidón, la amilopectina, es un polímero ramificado que contiene enlaces glucosídicos ALFA (1,4) y ALFA (1,6). Los puntos de ramificación ALFA(1,6) pueden producirse cada 20-25 residuos de glucosa e impiden la formación de una hélice.  La digestión del almidón comienza en la boca, donde la enzima salival amilasa ALFA inicia la hidrólisis de los enlaces glucosídicos. La digestión continúa en el intestino delgado, donde la amilasa ALFA pancreática hidroliza al azar todos los enlaces glucosídicos ALFA(1,4), excepto aquellos cercanos a los puntos de ramificación.  GLUCÓGENO El glucógeno es el carbohidrato de almacenamiento de energía de los vertebrados. Se encuentra con mayor abundancia en las células hepáticas y en las musculares. (El glucógeno puede constituir hasta del 8 a 10% del peso húmedo de las células hepáticas y del 2 al 3% del de las células musculares.)  CELULOSA La celulosa es un polímero formado por residuos de d- glucopiranosa unidos por enlaces BETA (1,4) glucosídicos. Es el polisacárido estructural más importante de las plantas. Debido a que la celulosa representa casi un tercio de la biomasa de las plantas, es la sustancia orgánica más abundante de la tierra.  Heteroglucanos Los heteroglucanos son polímeros de carbohidratos de alto peso molecular que contienen más de una clase de monosacárido. Las principales clases de heteroglucanos hallados en los mamíferos son heteropolisacáridos con enlaces N y con enlaces O (glucanos N y glucanos O) unidos a proteínas, los glucosaminoglucanos de la matriz extracelular y los componentes de glucano de los glucolípidos y de las anclas de GPI (glucosilfosfatidilinositol).  GLUCANOS N Y GLUCANOS O Muchas proteínas tienen oligosacáridos con enlaces N y con enlaces O, los cuales pueden constituir una proporción significativa del peso molecular de la molécula. Los oligosacáridos con enlaces N (glucanos N) están unidos por un enlace BETA glucosídico entre el carbono anomérico central de la N-acetilglucosamina y un nitrógeno amida de la cadena lateral de un residuo de asparagina. GLUCOSAMINOGLUCANOS Los glucosaminoglucanos (GAG) son polímeros lineales con unidades repetitivas de disacáridos. Muchos de los residuos de azúcares son aminoderivados. Existen cinco clases de GAG: ácido hialurónico, sulfato de condroitina, sulfato de dermatano, heparina y sulfato de heparano, y sulfato de queratano.  GLUCOCONJUGADOS Los compuestos que se producen por enlaces covalentes entre moléculas de carbohidratos y moléculas proteínicas y lipídicas se denominan de forma genérica glucoconjugados.  Estas sustancias tienen efectos significativos sobre la función de las células individuales, así como sobre las interacciones célula-célula de los organismos multicelulares. Existen dos clases de conjugados carbohidrato-proteína: los proteoglucanos y las glucoproteínas.  Proteoglucanos Los proteoglucanos se distinguen de las glucoproteínas más comunes por su contenido muy elevado de carbohidratos, que pueden constituir hasta 95% del peso seco en dichas moléculas. Éstas se encuentran en superficies celulares o se secretan dentro de la matriz extracelular.  Glucoproteínas Las glucoproteínas se definen habitualmente como proteínas unidas de forma covalente a carbohidratos por enlaces N u O. La composición de carbohidratos de las glucoproteínas varía del 1% a más del 85% del peso total. Los carbohidratos que se encuentran son monosacáridos y disacáridos como los unidos a la proteína estructural colágeno y oligosacáridos ramificados sobre las glucoproteínas plasmáticas.  Aunque a veces se considera que las glucoproteínas incluyen a los proteoglucanos, por razones estructurales se consideran de forma separada. En las glucoproteínas hay una ausencia relativa de ácidos urónicos, de grupos sulfato y de unidades disacárido repetidas que son característicos de los proteoglucanos. FUNCIONES DE LAS GLUCOPROTEÍNAS Las glucoproteínas son un grupo diverso de moléculas que son constituyentes ubicuos de la mayoría de los seres vivos. Se encuentran en las células, en formas solubles y unidas a la membrana, y en los líquidos extracelulares. Los animales vertebrados, en especial, poseen abundantes glucoproteínas.  Entre estas sustancias se encuentran las proteínas transportadoras de metales transferrina y ceruloplasmina, los factores de la coagulación de la sangre y muchos de los componentes del complemento (proteínas que participan en la destrucción celular durante las reacciones inmunitarias.  Varias hormonas son glucoproteínas. Considérese, por ejemplo, la hormona estimulante del folículo (FSH), producida por la glándula hipófisis anterior.  La FSH estimula el desarrollo de los óvulos y de los espermatozoides. Además, muchas enzimas son glucoproteínas. Un ejemplo muy estudiado es la ribonucleasa (RNasa), la enzima que degrada el ácido ribonucleico. CÓDIGO DE LOS AZÚCARES Los seres vivos requieren capacidades de codificación extraordinariamente grandes porque cada suceso de transferencia de información, sea la conversión de un sustrato en un producto dentro del sitio activo de una enzima, la transducción de una señal hormonal o la interiorización de una célula bacteriana por un macrófago, es iniciado por la unión específica de una molécula única a otra que ha sido seleccionada entre millones de moléculas cercanas. Lectinas: traductoras del código de los azúcares Una vez que la información se ha codificado, debe traducirse. La interpretación del código de los azúcares la realizan las lectinas. Éstas son proteínas de unión a carbohidratos que no son anticuerpos ni tienen actividad enzimática.  Bibliografía 1. Capitulo 7/ carbohidratos / libro de Bioquímica la base molecular de la vida / edición numero 5