Hidratos de Carbono - Bioquímica y Biología Molecular para Ciencias de la Salud PDF

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05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 61 HIDRATOS DE CARBONO 5 5.1 CONCEPTO Y PROPIEDADES GENERALES obtienen su energía principalmente de la glucosa (véase el Cap. 14). Pero sus funciones no se restringen a ser fuente Los hidratos de carbono constituyen el grupo de biomolécu- de energía, sino que forman parte de muchas estructuras las más abundante sobre la superficie terrestre, representan- celulares y tisulares. Entre ellas se encuentran no sólo los do aproximadamente el 75% de la materia orgánica existen- ácidos nucleicos, sino muchas biomoléculas de composi- te. Son las primeras biomoléculas que se forman a partir de ción compleja con funciones muy diferentes, como son las la energía luminosa por medio de la fotosíntesis, de modo glicoproteínas, los glicolípidos (llamados glicoconjugados, que son esenciales en la homeostasis o equilibrio global del véase el Cap. 15) y los proteoglicanos (véase el Cap. 34) planeta. Además, son la forma más versátil y rápida de pro- que son esenciales para el reconocimiento, la adhesión, la ducir energía en las células. unión celular específica y el sostén de la arquitectura de Los hidratos de carbono se denominan también carbohi- los animales superiores (Recuadro 5-1). dratos, azúcares, sacáridos y glúcidos. Todos son términos Dentro del gran desarrollo del conocimiento genómico, que hacen referencia a su sabor dulce, o a que poseen la com- y al igual que existe un término general para el conjunto posición Cn(H2O)n. Aunque tales denominaciones subsisten, total de las proteínas (proteoma), existe otro para el sub- no todos los glúcidos tienen sabor dulce, ni responden a tal conjunto de las proteínas que reconocen los glúcidos, (lec- composición. tinoma), y para sus componentes (lectinas), de modo que En los animales, los hidratos de carbono son esenciales el prefijo lecti debe también asociarse a los hidratos de desde el punto de vista energético; muchos órganos y célu- carbono (Recuadro 5-2). Pero en este capítulo, analizare- las del cuerpo humano, como el cerebro o los eritrocitos, mos antes los hidratos de carbono más simples. Recuadro 5-1. por la insulina y el glucagón (véase el minadas enfermedades hereditarias LA DETERMINACIÓN Cap. 17). La diabetes mellitus es una relacionadas con el metabolismo de los DE GLÚCIDOS enfermedad que se detecta por el glúcidos, como la galactosemia, o la EN BIOQUÍMICA CLÍNICA aumento de la glucemia, y su diagnós- intolerancia a la fructosa. En todos los tico se confirma por la prueba de tole- casos, la inmediata alteración de la dieta La D-glucosa es el nutriente esencial de rancia a la glucosa, que consiste en para evitar la ingestión de estos azúca- las células animales y casi el único en medir la glucosa en ayunas y a interva- res mitiga la patología. algunos tejidos. Es capaz de proporcio- los de 30 minutos por espacio de 2 Respecto a las determinaciones de nar energía, incluso en condiciones horas, después de ingerir una cierta glucosa y los azúcares relacionados, anaerobias (véase el Cap. 14). Sus cantidad de hidratos de carbono. El tanto en sangre como en orina, existen niveles en sangre y orina son dos de los nivel de glucemia que se alcanza es varios métodos que hacen bien uso de parámetros más medidos en bio- más alto y duradero en diabéticos que las propiedades químicas de los mono- química clínica, y de los más impor- en personas normales. Otros paráme- sacáridos, principalmente, el carácter tantes para fines diagnósticos, dietéti- tros, como el nivel de glicosilación de reductor del carbono anomérico, o bien, cos y terapéuticos. El nivel de la hemoglobina, son también utiliza- de enzimas específicas para cada uno de glucemia en ayunas se mantiene relati- dos. ellos, que dan productos que se pueden vamente constante entre 0.9 y 1.1 g/L, A veces, es también necesaria la determinar mediante colorimetría en mediante una regulación hormonal determinación de otros monosacáridos, fase líquida o en tiras de papel reactivas muy eficaz realizada, principalmente, cuyo nivel en sangre aumenta en deter- (véase el Cap. 37). 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 62 62 | Estructuras y funciones de las biomoléculas Recuadro 5-2. reconocen mutuamente, y los carbohi- (lectinas) y las moléculas glucídicas. EL LECTINOMA Y dratos pueden dar lugar a un número Las interacciones célula-célula o la EL GLICOCÓDIGO participantes mucho mayor si se tiene infección y la entrada de toxinas a las en cuenta el número de unidades posi- células, suelen responder a este meca- Las interacciones específicas entre las bles y, sobre todo, las posibilidades del nismo. La aglutinación de los eritroci- biomoléculas son la base de muchos enlace glicosídico respecto al peptídico tos debida a diferentes grupos sanguí- procesos esenciales para la vida de la en cuanto a variaciones de posición y neos, la unión de la toxina del cólera a célula y la formación de tejidos y orga- configuración. Por ejemplo: las células intestinales o la fecunda- nismos. Esta especificidad se basa en ción entre gametos responden a este Número de pentapéptidos posibles mecanismos que permiten que una bio- tipo de glicocódigo. La dificultad del con 20 aminoácidos: 205 = 3.2 · 106 molécula reconozca y se una a otra bio- estudio de la estructura de las glicopro- Número de pentasacáridos posibles molécula entre millones diferentes, de teínas ha dificultado el progreso en el con sólo 10 hexosas: 256,000 · 1010, es forma específica y selectiva. En esta conocimiento del glicocódigo, pero el decir, ¡80 000 posibilidades más con estereoespecificidad siempre se les ha desarrollo de las técnicas de espectro- sólo la mitad de unidades! asignado a las proteínas el papel de pro- metría de masas y la caracterización de tagonista principal (piénsese, por ejem- Quizás, por ello, los hidratos de lectinas está permitiendo su rápido plo, en las uniones enzima-sustrato o carbono son muy empleados en la avance, que hace que los glúcidos pue- antígeno-anticuerpo) por el gran núme- naturaleza para funciones de reconoci- dan dejar de ser, a corto plazo, las bio- ro de estructuras tridimensionales dife- miento. Aunque su conocimiento está moléculas más sencillas, relacionadas rentes que se pueden conseguir en poli- menos desarrollado que el de las proteí- sólo con el metabolismo energético y péptidos, combinando 20 aminoácidos. nas, el progreso en los últimos años es los polisacáridos estructurales, para Pero la especificidad viene dada por las evidente. Un ejemplo es la interacción tener papeles más estelares en el cono- dos partes, por las dos moléculas que se específica entre un tipo de proteínas cimiento molecular/celular. Estructuralmente, un hidrato de carbono típico es una cade- Los monosacáridos contienen de 3 a 8 átomos de carbo- na hidrocarbonada con varios grupos alcohol (es decir, carbo- no. Son las unidades básicas y no pueden hidrolizarse para nos con grupos —OH unidos) y un carbono más oxidado, en dar azúcares más sencillos. forma de grupo carbonilo (también llamado ceto, Los oligosacáridos son compuestos formados por unio- C — O). Este grupo oxidado puede situarse en el extremo de la nes de algunos monosacáridos. Los más importantes tienen cadena (aldehídos), o adyacente, en posición 2 (cetonas). A sólo 2 unidades y se llaman disacáridos. A partir de ahí, los partir de esta estructura básica, existen otros hidratos de carbo- trisacáridos y sucesivos son poco abundantes, y su impor- no con alguna modificación química. La estructura tancia en el metabolismo animal es muy escasa. de los hidratos de carbono está muy relacionada con sus fun- Los polisacáridos están constituidos por un alto número ciones biológicas y con su facilidad para formar enlaces éster y de unidades de monosacáridos, que puede superar el millar. éter entre sí o con grupos como el fosfato. Tales funciones son: Son largas cadenas lineales o ramificadas, dependiendo del tipo de unión entre las unidades. Se dividen en homopolisa- 1. Fuente inmediata de energía para la inmensa mayoría cáridos y heteropolisacáridos, según que estén formados por de las células. el mismo tipo de monosacárido o por varios diferentes. 2. Precursores, para formar otras biomoléculas, en las rutas anapleróticas. 3. Reserva energética en tejidos, como el hígado y los 5.3 MONOSACÁRIDOS músculos. 4. Papel estructural en otros tejidos, como el conjuntivo. Los monosacáridos se pueden clasificar, a su vez, según tres criterios: 5.2 CLASIFICACIÓN 1. Número de átomos de carbono que contienen. Se Los hidratos de carbono, incluso sin conjugarse con otras nombran con un prefijo que hace referencia a dicho biomoléculas, presentan tamaños moleculares muy diferen- número y con el sufijo -osa. Así, existen triosas, tetro- tes. En función de ello, se clasifican en monosacáridos, oli- sas, pentosas, hexosas, heptosas y octosas. Las más gosacáridos y polisacáridos. importantes son las hexosas, seguidas de las pento- 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 63 H idratos de car bono | 63 sas. Las heptosas se forman durante la fotosíntesis, y El carbono asimétrico confiere a las sustancias que lo las tetrosas y triosas son intermedios metabólicos poseen actividad óptica, es decir, la propiedad de desviar el (véanse los Caps. 13 y 14). plano de la luz polarizada cuando pasa a través de una diso- 2. Naturaleza química. Según este criterio, los que pre- lución de la sustancia en cuestión. La actividad óptica se sentan el grupo carbonilo en el extremo se llaman aldo- cuantifica con un polarímetro, que mide el ángulo de desvia- sas (de aldehídos) y los que lo presentan en posición 2 ción de la luz, y cumple la siguiente ley: α = [α]tD · l (dm) · c son cetosas (de cetonas). En conexión con el criterio (g/mL), donde α es el ángulo de desviación de la luz; [α] tD, anterior, tomando como ejemplo las hexosas, existirán el poder rotatorio específico de cada sustancia (que, a su vez, aldohexosas y cetohexosas. Las cetosas pueden tam- depende de la fuente de luz y de la temperatura); l es la lon- bién nombrarse con el sufijo -ulosa, omitiendo el prefi- gitud de paso óptico, o anchura del recipiente de la disolu- jo ceto-, de modo que hexulosa es sinónimo de cetohe- ción (en dm) y c, la concentración de la sustancia (en g/mL). xosa, pero esta denominación está en desuso. 3. Estereoisomería, por la presencia de carbonos asimé- 5.4.2 La quiralidad y su relación con monosacáridos tricos. Ello da lugar a una gran diversidad de monosa- cáridos. Para entender este criterio, es necesario hacer En el caso de los monosacáridos, el compuesto con actividad una breve introducción al concepto de estereoisomería óptica más sencillo es una aldotriosa el gliceraldehído. La y la actividad óptica. estructura de los dos isómeros ópticos posibles y su proyec- ción en el plano (estructura de Fischer) están representadas en la Figura 5-2. Para su denominación, se adopta el siguien- 5.4 ESTEREOISOMERÍA Y CLASIFICACIÓN DE te convenio: orientando la estructura con la disposición del LOS HIDRATOS DE CARBONO carbono aldehídico en el vértice superior y el carbono 3 en el inferior, el isómero que posee el grupo hidroxilo del carbono 5.4.1 Quiralidad o asimetría 2 a la derecha se denomina isómero D, y el que lo tiene a la Un átomo de carbono con hibridación sp3 se denomina asi- izquierda, isómero L. métrico o quiral si tiene 4 sustituyentes distintos unidos a sus Esta denominación es independiente de cual sea el senti- orbitales de orientación tetraédrica (Fig. 5-1). Proyectando el do de rotación de la luz que se produzca experimentalmente. tetraedro en el plano, si se permutan las posiciones de dos sustituyentes opuestos, se obtiene una molécula, que es ima- gen especular de la primitiva. Estos dos compuestos son isó- CHO meros ópticos y presentan propiedades físicas diferentes. CHO C OH H OH X H CH2OH CH2OH D - Gliceraldehído CHO C Y CHO C H HO H V HO CH2OH CH2OH Z L - Gliceraldehído Figura 5-1. Un carbono asimétrico o quiral, con 4 sustituyen- Figura 5-2. Estructura tetraédrica y la representación de tes distintos en sus posiciones tetraédricas. Fischer en el plano del D-gliceraldehído y su estereoisómero L. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 64 64 | Estructuras y funciones de las biomoléculas nos quirales presenta 2n isómeros ópticos. Así, existen 4, 8 y CHO C1 16 aldotetrosas, aldopentosas y aldohexosas diferentes, res- pectivamente. Por analogía con el D-gliceraldehído, todos los que tienen el último carbono quiral (el más alejado del grupo C2 a Cn-2 aldehído) con el OH a la derecha se designan de la serie D (Fig. 5-3), y los que tienen ese carbono con configuración opuesta, de la serie L. La mayoría de los monosacáridos pre- H C OH Cn-1 sentes en la naturaleza son de la serie D si exceptuamos el agar marino, formado por L-galactosa, y la configuración D Cn es la que se entiende por defecto. La Tabla 5-1 presenta la CH2OH posición de los carbonos asimétricos para las D-aldosas de Figura 5-3. Representación de Fischer general de una D-aldo- hasta seis átomos de carbono. De ellas, la pentosa D-ribosa y sa, mostrando el C1 aldehídico y los 2 últimos carbonos. El las hexosas D-glucosa, D-manosa y D-galactosa son las de número de carbonos en la caja central varía, desde 0 en las trio- mayor importancia metabólica. sas hasta 5 en las octosas. Dos estereoisómeros que posean todos sus carbonos asi- métricos en configuración opuesta se denominan enantióme- ros o enantiomorfos y tienen el mismo nombre (p. ej., D-glu- En el gliceraldehído, coincide que el isómero D es dextrógi- cosa y L-glucosa). Los estereoisómeros no enantiómeros se ro y el L, levógiro, pero en otros hidratos de carbono esto no llaman diastereoisómeros. Dentro de éstos, las parejas que sucede. La denominación D o L es un concepto estructural, se diferencian sólo en la configuración de sólo un carbono mientras que la acción dextrógira o levógira es experimental. asimétrico se llaman epímeros. Por ejemplo, la D-glucosa y la Una alternativa a la denominación D/L es la R/S, que puede D-manosa son epímeros en el carbono 2, y la D-glucosa y la consultarse en textos más avanzados de Química Orgánica. D-galactosa son epímeros en el carbono 4 (Fig. 5-4). En los monosacáridos con más carbonos que las triosas, Respecto a las cetosas, a igual número de átomos de car- el número de centros quirales aumenta y, con ello, el núme- bono que las aldosas, presentan un carbono asimétrico ro de isómeros ópticos posibles. Un compuesto con n carbo- menos. Así, las cetopentosas tienen 2 átomos de carbono qui- Tabla 5-1. Configuración de los carbonos quirales en D-aldosas con hasta 6 carbonos Número de carbonos Nombre de la aldosa C2 C3 C4 C5 Triosas D-gliceraldehído D Tetrosas D-eritrosa d D D-treosa i D Pentosas D-ribosa d d D D-arabinosa i d D D-xilosa d i D D-lixosa i i D Hexosas D-alosa d d d D D-altrosa i d d D D-glucosa d i d D D-gulosa d d i D D-manosa i i d D D-idosa i d i D D-galactosa d i i D D-talosa i i i D D denota la configuración del último carbono quiral, el que determina la serie. Los restantes carbonos tienen el hidroxilo a la derecha (d) o la izquierda (i) en la representación de Fischer. Los enantiómeros L del mismo nombre son los que tienen la configuración contraria en todos los carbonos quirales. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 65 H idratos de car bono | 65 CHO CHO CHO CH2OH CHO CH2OH O OH R C + HO R’ R C O R’ H H Enlace hemiacetálico 1 CH2OH 1 C 2 CH2OH CH2OH 2 3 3 O O 4 4 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH 5 5 D-Glc D-Man D-Gal D-Fru D-Rib D-Rub 6 6CH OH CH2OH D-Glucosa 2 D-Fructosa Figura 5-4. Representación de Fischer de 6 de los monosacá- 6 CH2OH ridos más frecuentes, 3 aldohexosas (glucosa [Glc], manosa 5 6 CH2OH O O [Man] y galactosa [Gal]), una cetohexosa (fructosa [Fru]), una 1 1 OH, H 5 2 OH, CH2OH aldopentosa (ribosa [Rib]) y una cetopentosa (ribulosa [Rub]). 4 2 3 Todas son de la serie D y las diferencias respecto a la glucosa se 4 marcan en azul. 3 Figura 5-5. Enlace hemiacetálico para la ciclación interna de piranosas y furanosas y la equivalencia entre las representacio- rales y 4 estereoisómeros, y las cetohexosas tienen 3 carbo- nes de Fischer y de Haworth para la D-glucosa y D-fructosa. nos quirales y 8 estereoisómeros posibles. Conviene men- cionar la cetopentosa D-ribulosa, esencial en la fotosíntesis, y la cetohexosa D-fructosa, que salvo la obligada diferencia en Una vez formado el enlace hemiacetálico, el carbono car- los carbonos 1 y 2, tienen el resto de los carbonos con la bonílico se transforma en un nuevo centro asimétrico, lo que misma configuración que la D-ribosa y la D-glucosa, respec- crea un nuevo par de estereoisómeros para cada monosacári- tivamente. do. Este carbono se llama anomérico, y los dos estereoisó- meros son una pareja de anómeros que se designan por las 5.4.3 Anomería y mutarrotación. Un mayor grado letras griegas α y β, según que el nuevo grupo hidroxilo se de estereoisomería oriente, respectivamente, hacia abajo o arriba del plano (Fig. 5-6). La estructura de Fischer se llama también abierta, pero no es Los anómeros α y β son estables cristalizados y tienen la única para estos compuestos. Cuando las pentosas y hexo- actividad óptica distintas ya que la actividad óptica de una sas se disuelven en agua, el grupo carbonilo tiene una gran molécula es la suma de las actividades ópticas de cada car- tendencia a formar un enlace, que se llama hemiacetálico, bono quiral (p. ej., la α-D-glucosa tiene un poder rotatorio con el hidroxilo de uno de los carbonos más distantes de específico de 112°, mientras que la β-D-glucosa lo tiene de dicho grupo (generalmente, el correspondiente al último car- 19°). Sin embargo, los anómeros disueltos no son estables bono asimétrico o, a veces, el del carbono terminal). Así, se puesto que el enlace hemiacetálico puede romperse y refor- produce una estructura cíclica que se denomina furanósido o marse, lo que permite la transformación neta de uno en otro, piranósido, según tenga, respectivamente, 5 ó 6 átomos-vér- estableciéndose un equilibrio dinámico entre ambos (Fig. 5-6). tice. La Figura 5-5 muestra las estructuras cíclicas más comunes formadas por la D-glucosa (un piranósido) y la D -fructosa (un furanósido). Las aldopentosas como la D-ribosa y las cetohexosas, como la D-fructosa también pue- 6 H O 6 CH2OH 1C CH2OH den formar estructuras piranósido por formación del enlace 2 H con el carbono terminal, pero son minoritarias. Estas estruc- 5 O 3 5 O OH turas cíclicas se denominan estructuras de Haworth. Por 4 4 1 4 1 5 convenio, en ellas, el oxígeno hemicetálico se encuentra en el 3 2 6 3 2 CH2OH H vértice superior derecho y el grupo —CH2OH terminal, hacia OH arriba del plano que forma el ciclo. El resto de los grupos OH α D-Glucosa D-Glucosa β D-Glucosa se sitúa hacia abajo o arriba del plano, según que se encuen- tren orientados, respectivamente, a la derecha o la izquierda Figura 5-6. Mutarrotación entre la α-glucosa y la β-glucosa en la estructura de Fischer. mediante el equilibrio con la forma abierta o de Fischer. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 66 66 | Estructuras y funciones de las biomoléculas La transformación lleva consigo un cambio en el poder rota- torio de la disolución, que se llama mutarrotación. Cuando CH2OH CH2OH se llega al equilibrio o final de la mutarrotación, el porcenta- CH2OH O je de los dos anómeros α/β no suele ser del 50%, por consi- OH, H deraciones estéricas que favorecen preferentemente la esta- bilidad de una de las formas. OH H CH2OH CH3 D-sorbitol 2-D-desoxirribosa L-fucosa 5.5 DERIVADOS DE LOS MONOSACÁRIDOS (6-desoxi-L-galactosa) La estructura típica de los monosacáridos presenta en Figura 5-7. Estructura de 3 monosacáridos reducidos, un aldi- muchas moléculas de importancia fisiológica ciertas modifi- tol (D-sorbitol) y dos desoxiazúcares (2-D-desoxirribosa y L-fucosa). caciones que impiden la estequiometría Cn(H2O)n, pero que siguen denominándose hidratos de carbono. Según el tipo de modificación, los principales son: CHO CHO CHO a) Alditoles y desoxiazúcares. Estos se forman por H2N NH2 NH2 reducción, bien del grupo carbonilo a alcohol (fami- lia de alditoles), o por la pérdida de algún grupo hidroxilo (familia de los desoxiazúcares). Los aldi- CH2OH CH2OH CH2OH toles se denominan con el mismo nombre del azúcar relacionado acabado en -itol (de D-manosa, D-mani- tol; de D -ribosa, D -ribitol). En muchos casos, el Figura 5-8. Estructura de Fischer para los 2-D-aminoazúcares glucosamina, manosamina y galactosamina. La acetilación del nombre puede parecer diferente, como en el caso de grupo amino da lugar a los N-acetilderivados, mucho más abun- la D-glucosa, cuyo derivado se llama D-sorbitol, por dantes. coincidencia con el obtenido de la cetohexosa D-sor- bosa. Los alditoles no pueden ciclar y ello hace que no se absorban en el intestino (por lo que son laxan- tes) pero sí pueden utilizarse como alternativa de la A CHO COOH COOH D-glucosa en la alimentación intravenosa o parente- ral, en pacientes en los que ésta puede presentar con- traindicaciones. Respecto a desoxiazúcares, los ejemplos más importantes son la 2-D-desoxirribosa, constituyente COOH CH2OH COOH del ADN (véase el Cap. 8) y la L-fucosa, bastante fre- Urónico Aldónico Aldárico B cuente en glicoconjugados, que es una hexosa sin COOH CH2OH grupo hidroxilo sobre el carbono terminal (Fig. 5-7). CH3-CO-HN COOH OH b) Aminoazúcares. Contienen un grupo amino sustitu- O O yendo un grupo hidroxilo, generalmente en C2. CH2OH Además, el amino suele encontrarse acetilado en la CH2OH mayoría de los derivados de importancia fisiológica. OH H O La Figura 5-8 muestra las estructuras de los más HN-CO - CH3 comunes, 2-D-glucosamina, 2-D-manosamina y 2-D- H3C CH galactosamina. COOH c) Azúcares ácidos. Los carbonos terminales de las Ác. ascórbico Ác. N-acetilneuramínico Ác. N-acetilmurámico aldosas pueden oxidarse a grupos carboxilo, dando lugar a los azúcares ácidos. Existen tres tipos, según Figura 5-9. (A) Esquema de las 3 familias de azúcares ácidos el extremo que se oxide (Fig. 5-9). Los de mayor posibles. Los urónicos son los de mayor importancia metabólica; importancia fisiológica son los ácidos urónicos, que (B) Estructura de otros 3 azúcares ácidos de interés, el ascórbi- tienen oxidado el último carbono, por lo que conser- co, el N-acetilneuramínico y el N-acetilmurámico. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 67 H idratos de car bono | 67 van el grupo aldehído en el otro extremo y la posibi- CH3 - CONH COOH O lidad de estructura cíclica y anomería. El ácido D-glucurónico, derivado de la D-glucosa, es un inte- CH2OH grante muy común en polisacáridos estructurales y, OH además, participa en mecanismos de destoxificación Neu5Ac mediante la formación de derivados glucurónidos, fácilmente eliminables en la orina. Los ácidos aldó- HOCH2 - CONH O COOH nicos tienen oxidado el carbono 1, por lo que no CH2OH ciclan y dan lugar a anómeros. Participan en ciertas OH reacciones del metabolismo, como es el caso del ácido D-glucónico. Finalmente, los ácidos aldáricos, Neu5Gc como el ácido D-glucárico, son dicarboxílicos y ape- nas participan en el metabolismo animal. O COOH d) Otros derivados ácidos contienen modificaciones CH2OH estructurales más abundantes. Entre ellos, cabe citar OH por su importancia el ácido ascórbico o vitamina C, y Kdn los ácidos murámico y neuramínico, que en su forma acetilada son componentes, respectivamente, de las Figura 5-10. Estructura de las 3 unidades más importantes de los paredes celulares bacterianas y de la cubierta de célu- ácidos siálicos, los ácidos 5-acetilneuramínico, 5-glicolilneuramí- las animales (Fig. 5-9 y Recuadro 5-3). nico y desaminoneuramínico. Recuadro 5-3. común es el ácido N-acetilneuramínico génica es utilizada como un marcador ÁCIDOS SIÁLICOS (p. ej., su contenido está entre el 80- del momento del reloj biológico en el 90% del total en glicolípidos y glico- que se produjo la separación entre los Se denominan ácidos siálicos a una proteínas determinantes de los grupos primates superiores y los homínidos familia de derivados del ácido neuramí- sanguíneos 0, A, B y AB, en las mem- durante la evolución, y la ausencia de nico, que se encuentran en los extremos branas de los eritrocitos), pero existen Neu5Gc como un marcador de tejido terminales de los oligosacáridos de una otros miembros de cada familia con humano (véase el Cap. 39). gran variedad de glicolípidos y glico- hidroxilos sustituidos por grupos Acilo Sin embargo, en ciertos casos se ha proteínas. Estas sustancias se encuen- (Ac) Lactilo (Lt), Sulfato (S), Fosfato descrito la presencia en seres humanos tran en los extremos de las proteínas de (P) o Metilo (Me), lo que da una gran de pequeñas cantidades de Neu5Gc. reconocimiento celular implicadas en diversidad al grupo. Parece que esto es debido a la ingestión muchos procesos biológicos, desde for- El N-glicolilneuramínico (Neu5Gc) en la dieta, ya que estos productos son mar parte de receptores celulares para ha tomado una cierta importancia en los mal digeridos y pueden acumularse en la entrada de micoplasmas, virus, toxi- últimos años, como consecuencia de ser nuestros tejidos, integrándose en la nas bacterianas, de ciertos anticuerpos una de las pocas biomoléculas, hasta estructura de nuestros propios glicocon- específicos, y de participar en procesos ahora conocidas, que diferencia el ser jugados. Los productos lácteos de leche de interacción o adhesión celular, humano de los primates superiores. El de cabra y las carnes rojas son los incluidos los que determinan la fecun- Neu5Gc se forma a partir del NANA nutrientes que presentan una mayor dación entre gametos. por una hidroxilasa dependiente de riqueza en Neu5Gc, con gran diferencia Existen principalmente 3 familias nucleótidos de citosina, y ese gen está (Tabla 5-2). Además, el Neu5Gc es muy que se diferencian en el sustituyente completo y activo en la mayoría de los antigénico, por lo que estimula el siste- sobre el carbono 5 de la estructura bási- animales, incluyendo los primates supe- ma inmunológico y la aparición de anti- ca. Sus representantes más sencillos riores, pero está truncado en el cromo- cuerpos específicos que pueden ser res- (Fig. 5-10) son el ácido N-acetilneura- soma humano, por lo que la proteína no ponsables de ciertas enfermedades o mínico (abreviado, Neu5Ac o, también, tiene actividad enzimática y no puede trastornos humanos si se mantienen a NANA), el ácido N-glicolilneuramínico llevar a cabo la hidroxilación que pasa una concentración alta durante tiempos (Neu5Gc) y el ácido desaminoneuramí- el resto N-acetil a N-glicolil (el ácido relativamente largos. Este alto conteni- nico (Kdn por o ácido 2-ceto-3-desoxi- acético es CH3—COOH y el glicólico do de Neu5Gc ha llegado a cuestionar la D -glicero- D -galactonónico). El más CH2OH—COOH). Dicha truncación idoneidad de tales alimentos. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 68 68 | Estructuras y funciones de las biomoléculas Tabla 5-2. Riqueza en Neu5Gc en algunos alimentos Contenido medio % Neu5Gc Ingesta diaria de Neu5Gc, Alimento en ác. siálico en Neu5Gc con dietas µg/g total, µg/g ác. siálico recomendadas, µg/g Atún 32 0.1 0.03 27 Pollo 76 0.1 0.08 27 Leche de vaca 262 3 7.9 710 Mantequilla 40 3 1.2 45 Queso de vaca 160 4 6.4 600 Cordero 101 18 18.2 4860 Cerdo 134 19 25.5 5130 Queso de cabra 95 42 39.9 5550 Ternera 80 40 30.1 11600 e) Azúcares esterificados. Los azúcares pueden esteri- OR2 OR2 ficarse por reacción de algún grupo hidroxilo con ácido fosfórico o sulfúrico. Los azúcares fosfato tie- R1 C O H + HO R3 R1 C O R3 nen gran importancia para el metabolismo, y partici- H H pan en las rutas, tanto de degradación como de bio- Enlace acetálico CH2OH CH2OH síntesis de los polisacáridos. También se encuentran OH O R3 en los ácidos nucleicos (véase el Cap. 8) y de varias O O coenzimas (véase el Cap. 9). Los ésteres sulfúricos + HO R3 participan menos en el metabolismo, y más en la estructura de polisacáridos de tejidos mineralizados y fibrosos. Hemiacetal + Alcohol β - Acetal Figura 5-11. Enlace acetálico (glicosídico) y formación de 5.6 EL ENLACE GLICOSÍDICO acetales (glicósidos). Si el alcohol R3 es también un azúcar, el 5.6.1 Naturaleza del enlace producto obtenido es un oligosacárido. Genéricamente, los hemiacetales pueden reaccionar, a tra- vés del hidroxilo libre que tienen en su carbono anomérico, con hidroxilos de otro alcohol para dar lugar al enlace ace- minados cardíacos, que contiene un alcohol de naturaleza tálico (Fig. 5-11). En el caso de los hidratos de carbono, esteroide (véase el Cap. 6) e inhiben la bomba iónica ATP- este enlace se nombra enlace glicosídico, y el compuesto asa Na+/K+ (véase el Cap. 10), afectando la contracción del resultante se llama glicósido. Como el carbono anomérico músculo cardíaco. tiene dos configuraciones, el enlace glicosídico puede ser En realidad, el enlace glicosídico no es exclusivo del de dos tipos, α y β. átomo de oxígeno, y en algunos casos se forma con grupos Algunos glicósidos derivados de la D-glucosa (por tanto, nitrogenados. El ejemplo más abundante de ello es el enlace glucósidos) tienen importancia farmacológica. Por citar algu- N-glicosídico, se encuentra en los nucleósidos y nucleótidos, nos, la florricina se obtiene de la corteza del peral e inhibe la donde el carbono anomérico de la pentosa se une a uno de los reabsorción de la glucosa en el riñón, ocasionando glucosu- nitrógenos presentes en la base (normalmente, con configu- ria, mientras que la ouabaína es un glucósido de los deno- ración β (véase el Cap. 8). 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 69 H idratos de car bono | 69 usuales se forman entre el carbono anomérico y los hidro- CH2OH CH2OH CH2OH xilos situados sobre los carbonos 4, 6 y 3, en este orden. Si O O OH O se forman con un solo tipo de enlace, el polisacárido forma una cadena lineal; pero si coexisten varios, el polisacárido O es ramificado. H Según la composición de las unidades de monosacárido O CH2OH que se unen, se clasifican en homopolisacáridos y hetero- O β - LACTOSA polisacáridos. Los primeros son más abundantes y se sue- enlace β (1 4) len denominar de forma genérica con el nombre del mono- CH2OH sacárido constituyente, acabado en -ano. Así, se habla de glucanos, fructanos, mananos, galactanos, etcétera. SACAROSA Algunos de ellos son importantes en botánica, en micro- enlace α (1 β 2) biología, o por sus aplicaciones en tecnología de alimentos y biomedicina. Los principales son los glucanos, que inclu- Figura 5-12. Estructura de los 2 disacáridos más frecuentes, la lactosa y la sacarosa. Sólo el primero es reductor por poseer un yen el almidón y el glucógeno, los dos polisacáridos de carbono anomérico libre. reserva en vegetales y animales, respectivamente, así como la celulosa y la quitina, que desempeñan una función estructural como integrantes de la madera y del exoesque- leto de los insectos y crustáceos, respectivamente. Los hete- 5.7 DISACÁRIDOS ropolisacáridos son menos abundantes, pero mucho más variados, e incluyen una larga serie de polisacáridos estruc- Si en un glicósido, el primer monosacárido se une a un grupo turales componentes de las mucosas, el tejido conjuntivo, el alcohol de otro monosacárido, el glicósido formado es un líquido sinovial, el humor vítreo, el cartílago, la córnea, el disacárido. Si se forman más enlaces glicosídicos con otras hueso, etc. unidades, se forman oligosacáridos y en último extremo, polisacáridos. Los oligosacáridos con mayor importancia fisiológica 5.8.1 Homopolisacáridos son los disacáridos y dentro de ellos destacamos la lactosa El almidón es una molécula de masa molecular grande, pero (azúcar de la leche, formado por un enlace β (1→4) entre variable según su fuente vegetal, entre 10 y 10 000 kDa. galactosa y glucosa) y la sacarosa (el azúcar común o de Tiene dos componentes diferenciados (Fig. 5-13): mesa, formado por un enlace β (2→1) entre fructosa y glu- cosa). Si nos fijamos en la estructura resultante, la lactosa con- a) Amilosa: Es el componente principal de la mayoría de tiene un carbono anomérico libre en la glucosa, de forma que los almidones. Consiste en cadenas lineales de D-glu- aún puede mutarrotar y presenta dos isómeros α y β-lactosa cosa unidas por enlaces α (1→4), que tienden a adop- (el más abundante es el β) (Fig. 5-12), además de mostrar las tar una estructura espacial helicoidal y dan una fuerte propiedades reductoras típicas de los carbonos anoméricos coloración azul con yodo. libres. Sin embargo, la sacarosa tiene el enlace glicosídico b) Amilopectina: Son cadenas ramificadas con enlaces entre los dos carbonos anoméricos de la α-D-glucosa y la α (1→4) en la porción lineal y α (1→6) en los puntos β-D-fructosa, por lo que no puede mutarrotar, ni presenta dos de ramificación. Su estructura tridimensional es isómeros ni tiene propiedades reductoras. desordenada, según el número de ramificaciones. Con el yodo, da una coloración de violeta a marrón. 5.8 POLISACÁRIDOS El glucógeno desempeña en los animales la misma función de reserva que el almidón en las plantas. Su masa molecular Los oligosacáridos pueden incorporar nuevas moléculas de es mayor, superando en muchos casos los 105 kDa. Se ase- monosacárido con enlaces glicosídicos, prolongando las meja a la amilopectin.a pero con un mayor número de rami- cadenas hasta contener miles de unidades y formando poli- ficaciones, aproximadamente un enlace α (1→6) por cada 8 sacáridos, también llamados glicanos. Estos compuestos A 10 unidades de D -glucosa, según el animal u órgano tienen tamaño molecular muy grande, y suelen ser insolu- correspondiente. Se almacena en el hígado para mantener la bles, o formar disoluciones coloidales. Los enlaces más glucemia, y en el músculo, como reserva energética. 05 Capitulo 05 8/4/05 09:47 Página 70 70 | Estructuras y funciones de las biomoléculas CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O O O O O O O O O α (1 4) α (1 4) β (1 4) β (1 4) Glucosa Glucosa Glucosa Glucosa Glucosa Glucosa Amilasa CELULOSA CH2OH O CH2OH CH2OH CH2OH α (1 6) O O O O O O O CH2OH CH2 CH2OH O O O NHCO - CH3 NHCO - CH3 NHCO - CH3 O O O β (1 4) β (1 4) NAcGlcNH2 NAcGlcNH2 NAcGlcNH2 QUITINA Amilopectina Figura 5-13. Estructura de los 2 componentes del almidón, la Figura 5-14. Estructura de los homopolisacáridos estructura- amilasa lineal y la amilopectina ramificada. Obsérvense los les celulosa y quitina. Obsérvense los enlaces glicosídicos β. enlaces glicosídicos α. La celulosa constituye la biomolécula más abundante de la 5.8.2 Heteropolisacáridos naturaleza, ya que contiene el 50% del carbono orgánico de la biosfera (constituye el 50% de la madera y casi el 100% del Estos polisacáridos tienen funciones estructurales, y suelen algodón). Está formada por cadenas lineales de masa molecu- estar formados por unidades de ácidos urónicos y aminoazú- lar de entre 200 y 400 kDa, compuestas por unidades de D-glu- cares acetilados, unidos de forma alternante por enlaces de cosa unidas por enlaces β (1→4) (Fig. 5-14). Estos enlaces no tipo β. Sin embargo, a veces contienen monosacáridos neu- son hidrolizados por las enzimas digestivas humanas, lo que tros o modificados con grupos sulfato. Se denominan tam- explica que la celulosa no sea digerible. Los rumiantes sí la bién glicosaminoglicanos o mucopolisacáridos, pero, fre- digieren, gracias a la acción de celulasas de su flora bacteriana. cuentemente, se encuentran unidos en forma covalente a una La quitina es muy semejante a la celulosa, con enlaces cadena proteica, formando proteoglicanos, tal como se des- glicosídicos β (1→4) y cadenas lineales, pero la unidad del cribe en el Capítulo 34, donde se puede encontrar una des- polímero es la N-acetil-2-D-glucosamina (Fig. 5-14). cripción más detallada de este tipo de estructuras complejas.