Carbohidratos PDF - Biología II 2024

UNIDAD I. CARBOHIDRATOS Moléculas orgánicas En todos los seres vivos se encuentran cuatro tipos principales de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además las proteínas, contienen nitrógeno y azufre; los á...

UNIDAD I. CARBOHIDRATOS Moléculas orgánicas En todos los seres vivos se encuentran cuatro tipos principales de moléculas orgánicas: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno. Además las proteínas, contienen nitrógeno y azufre; los ácidos nucleicos y algunos lípidos contienen nitrógeno y fósforo. Las moléculas orgánicas, en general, determinan la estructura y función de las células que integran a los seres vivos. El carbono es singularmente adecuado para este papel central, por el hecho de que es el átomo más liviano capaz de formar múltiples enlaces covalentes. A raíz de esta capacidad, el carbono puede combinarse con otros átomos de carbono y con átomos distintos para formar una gran variedad de cadenas fuertes y estables y de compuestos con forma de anillo. Una característica general de todos los compuestos orgánicos es que liberan energía cuando se oxidan. La mayoría de las moléculas orgánicas son grandes y se les conoce como polímeros, ya que están constituidas de subunidades más pequeñas, idénticas o similares llamadas monómeros. En la polimerización las moléculas pequeñas, llamadas monómeros, se unen para formar polímeros o macromoléculas (moléculas grandes). Grupos funcionales biológicamente importantes Grupo Nombre Importancia Biológica Hidroxilo Carboxilo BIOLOGIA II. 2024 Amino Aldehído Cetona Metilo Fosfato BIOLOGIA II. 2024 Carbohidratos Los carbohidratos se denominan también hidratos de carbono, azúcares, sacáridos y glúcidos. Estructuralmente Un carbohidrato típico es una cadena hidrocarbonada con varios grupos alcohol (es decir, carbonos con grupos —OH unidos) y un carbono más oxidado, en forma de grupo carbonilo. Este grupo oxidado puede situarse en el extremo de la cadena (aldehídos), o adyacente, en posición 2 (cetonas). Generalmente tienen una composición Cn(H2O)n. *Fórmulas generales de las formas aldosa y cetosa de los monosacáridos Tienen una amplia diversidad de funciones biológicas: Energía (glucosa) Se ha estimado que el catabolismo de 1g de un monosacárido produce alrededor de 4 Kcal. Almacenamiento de energía (glucógeno) Estructurales (celulosa, quitina) Precursores en la formación de otras biomolecular Son partes integrales de otras biomoléculas (glucoproteinas, etc.) Clasificación de los carbohidratos según el número de monosacáridos que lo conforman Monosacáridos: Hidrato de carbono que no puede descomponerse en otro más sencillo. (Glucosa, Galactosa, Fructosa) Disacáridos: constituido por 2 monosacáridos (Maltosa, Lactosa, Sacarosa) Oligosacáridos: constituidos por 3 a 10 monosacáridos Polisacáridos: constituidos más de 10 monosacáridos. Monosacáridos Carbohidratos incapaces de hidrolizarse en moléculas más simples Se clasifican como aldosas o cetosas, dependiendo de si tienen un grupo aldehído o cetona. Todos son reductores Muchos de ellos tienen sabor dulce Fuentes de energía Forman parte moléculas más complejas Precursores de oligo y polisacáridos BIOLOGIA II. 2024  Las moléculas de los monosacáridos generalmente contienen de 3 a 8 átomos de carbono, pero los de mayor importancia biológica son los de 5 y 6 átomos de carbono, conocidos como pentosas y hexosas respectivamente. Las pentosas como la ribosa y la desoxirribosa forman parte de las moléculas genéticas llamadas ácido ribonucleico (ARN) y ácido desoxirribonucleico (ADN), respectivamente. Nomenclatura de los monosacáridos Los monosacáridos se suelen nombrar según tres criterios: Numero de átomos de carbono (triosas, tetrosas, pentosas, hexosas) Naturaleza química del grupo carbonilo (aldosas o cetosas) Estereoisomería: por la presencia de carbonos asimétricos. ISOMEROS Isómeros estructurales: moléculas que presentan la misma cantidad y tipo de átomos, pero dispuestos de manera diferente. Los isómeros ópticos son uno la imagen especular del otro y no se pueden superponer. También llamados enantiómeros BIOLOGIA II. 2024 Estereoisómeros de los monosacáridos Quiralidad o asimetría Un átomo de carbono con hibridación sp3 se denomina asimétrico o quiral si tiene 4 sustituyentes distintos unidos a sus orbitales de orientación tetraédrica En los monosacáridos con más carbonos que las triosas, el número de centros quirales aumenta y, con ello, el número de isómeros ópticos posibles Proyección de Fisher Se usa para representar carbohidratos Coloca el más oxidado arriba Muestra los carbonos quirales como intersección (cruce) de líneas verticales y horizontales Se conjetura que las líneas horizontales se proyectan hacia el observador y que las líneas verticales se alejan de él. Isómeros de los sacáridos Estereoisómeros: Moléculas que poseen la misma fórmula molecular pero difieren en la configuración espacial de algunos grupos de átomos. Enantiómeros: son imágenes especulares entre sí (Isomerismo D y L) Diastereoisómeros: no son imágenes especulares entre sí Epímeros: difieren en la configuración de un solo carbono Anómeros: difieren en la configuración de carbono anomérico. Anomeros Los grupos funcionales aldehído y cetona de los monosacáridos reaccionan con grupos OH de los alcoholes para hemiacetales y hemicetales respectivamente: BIOLOGIA II. 2024 Este tipo de reacciones también pueden ocurrir dentro de la misma molécula de un monosacárido, dando origen a la formación de anillos. Así la glucosa formará predominantemente anillos de 6 átomos llamados piranosas por analogía con el anillo pirano. Proyección de Harworth La proyección de Haworth es una forma común de representar la fórmula estructural cíclica de los monosacáridos con una perspectiva tridimensional simple. Recibe su nombre del químico inglés Sir Walter Norman Haworth. Este convenio se usa para representar en el plano la configuración tridimensional de los monosacáridos en su forma cíclica. BIOLOGIA II. 2024  El anillo se coloca con el carbono anomérico a la derecha y el átomo de oxígeno atrás. Anillos de hemiacetal de 6 miembros son nombrados por el sufijo piranosa Anillos de hemiacetal de 5 miembros son nombrados por el sufijo furanosa Conversión de Haworth Cuando un tipo de proyección se convierte en otro, debe recordarse que un grupo – OH que está a la derecha en una proyección de Fischer estará abajo en una proyección de Haworth. En consecuencia un grupo –OH a la izquierda en Fischer quedará arriba en las estructuras de Haworth. En el caso de los D-azucares el grupo – CH2 – OH terminal siempre estará arriba en una proyección de Haworth y en el caso de los L-azúcares dicho grupo estará abajo. Forma D y forma L de la glucosa en Harworth Monosacáridos de importancia Biomedica Glucosa La D-glucosa, que al principio se denominó dextrosa, se encuentra en cantidades importantes en todo el mundo vivo Es la principal fuente de energía para el metabolismo celular Las fuentes alimentarias 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 Azucares cetosas BIOLOGIA II. 2024  La fructosa es dos veces más dulce que la sacarosa. Por lo tanto, puede utilizarse en cantidades menores. Por esta razón, la fructosa se utiliza a menudo como agente edulcorante en los productos alimenticios procesados. Galactosa la galactosa y la glucosa son epímeros en el carbono 4. 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 Enlace o Glucosídico Los enlaces glucosídicos son los enlaces que unen entre sí a los monosacáridos que forman a los oligosacáridos y polisacáridos. Además, también son el tipo de enlace que une a las moléculas de azúcares o sacáridos a otras unidades estructurales tales como residuos de aminoácidos, moléculas de alcoholes, etc. Se trata de enlaces covalentes que unen al grupo hemiacetal o hemicetal (es decir, el carbono anomérico de un carbohidrato en su forma cíclica) de una molécula de carbohidrato (como por ejemplo un monosacárido, un disacárido u otra cadena más larga de sacáridos) a otra molécula orgánica que posea un grupo hidroxilo (-OH), amino (-NH2) o sulfhidrilo (-SH), aunque el enlace con el grupo hidroxilo es el más común. Esta segunda molécula puede tratarse de otra molécula de sacárido o puede consistir en una molécula orgánica distinta. Es la formación acetal entre el OH de un carbono anomérico de un monosacárido y un OH de otra molécula que puede ser otro carbohidrato. Como el carbono anomérico tiene dos configuraciones, el enlace glicosídico puede ser de dos tipos, α y β. El compuesto que se forma se denomina GLUCÓSIDOS Se trata de uniones covalentes El enlace glicosídico no es exclusivo del átomo de oxígeno, y en algunos casos se forma con grupos nitrogenados. Según su enlace o-glucosídico Monocarbonílico: reductor. En losmonosacáridos Formado por un OH de un carbono anomérico de un monosacárido y el OH de otro monosacárido distinto al carbono anomérico. Dicarbonílico: no reductor. Los grupos OH de ambos monosacáridos que participan en el enlace están unidos al carbono anomérico. BIOLOGIA II. 2024 Disacaridos Son carbohidratos que se forman de la unión de dos monosacáridos, los cuales estan unidos por medio de un enlace glicosídico. Los disacáridos se utilizan frecuentemente para el almacenamiento de energía a corto plazo, principalmente en los vegetales Un disacárido se elabora mediante la síntesis por deshidratación, reacción en la que se elimina una molécula de agua. Cuando los disacáridos son utilizados como fuente de energía, los monosacáridos que los constituyen se separan mediante una reacción de hidrólisis, en la cual se añade una molécula de agua. Lactosa Es un disacárido que se encuentra en la leche. Está formado por una molécula de galactosa unida por el grupo hidroxilo del carbono 1, a través de un enlace glucosídico β, con el grupo hidroxilo del carbono 4 de una molécula de glucosa La incapacidad para hidrolizar el enlace β (l,4) (producida por la deficiencia de la lactasa) es común entre los animales. Maltosa BIOLOGIA II. 2024  Es un producto intermediario de la hidrólisis del almidón y no parece existir en forma libre en la naturaleza. La maltosa es un disacárido con un enlace glucosídico α(l,4) entre dos moléculas de Dglucosa Sacarosa El azúcar común de mesa La sacarosa, que contiene un residuo de glucosa α y otro de fructosa β, se diferencia de los azúcares antes descritos en que los monosacáridos están unidos por un enlace glucosídico entre ambos carbonos anoméricos Polisacaridos Son productos de condensación de más de 10 unidades de monosacáridos Casi ninguno es digerido por las enzimas del ser humano. Los polisacáridos, también llamados GLUCANOS, están formados por grandes cantidades de monosacáridos conectados por enlaces glucosídicos. Estos compuestos tienen tamaño molecular muy grande, y suelen ser insolubles, o formar disoluciones coloidales. Se distinguen dos tipos de polisacáridos: Homopolisacáridos: Formados por un solo tipo de monosacárido: Almidón, glucógeno, celulosa, quitina. Heteropolisacáridos: Son polímeros de más de un tipo de monosacáridos: Hemicelulosa, agar-agar, gomas. Los ejemplos son celulosa (un polímero de glucosa) de paredes de células vegetales, e inulina (un polímero de fructosa), el carbohidrato de almacenamiento en algunos vegetales. Por otro lado, las matrices extracelulares de los tejidos animales de sostén (óseo, conjuntivo y cartilaginoso) están constituidas por polisacáridos nitrogenados (tales como: glicosaminoglicanos y/o mucopolisacáridos). Homopolisacáridos de reserva Almidón Glucógeno Almidón: Una mezcla de dos polisacáridos La función del almidón es la de ser la principal reserva de energía en las plantas. 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 α (1,4). tiende a adoptar una estructura espacial helicoidal y dan una fuertecoloración azul con yodo. BIOLOGIA II. 2024  La otra forma de almidón, la amilopectina, es un polímero ramificado que contiene enlaces glucosídicos α ( l ,4) Y α( 1,6). Los puntos de ramificación a( 1,6) pueden producirse cada 20-25 residuos de glucosa. Su estructura tridimensional es desordenada, según el número de ramificaciones. Con el yodo, da una coloración de violeta a marrón Alimentos como las papas, el arroz, el maíz y el trigo son ricos en almidón, cuyas unidades de glucosa son sintetizadas en la fotosíntesis. Cuando estos alimentos son ingeridos por un animal, el organismo lo degrada durante la digestión hasta disacáridos o monosacáridos. Glucógeno: Un polímero de glucosa 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 Tiene una estructura semejante a la de la amilopectina, excepto que tiene más puntos de ramificación Se encuentra en casi todas las células, pero las mayores concentraciones están en los hepatocitos (células del hígado donde puede llegara a representar el 10% en peso seco) y en las células musculares (hasta el 2% de su peso seco). Homopolisacaridos estructurales Celulosa Celulosa La celulosa es un polímero formado por residuos de Dglucopiranosa unidos por enlaces glucosídicos ,β(1,4) Es el polisacárido estructural más importante de las plantas. Los productos textiles (p. ej., el algodón, el lino y la ramina), la madera y el papel deben muchas de sus características singulares a su contenido de celulosa. Aminoazúcares En este grupo caen los monosacáridos en los cuales uno de los grupos OH ha sido sustituido por un grupo amino (NH2) o un amino modificado (generalmente acetilado). En la mayoría de las aldosas la sustitución se da en el carbono 2. Son de especial interés la N-acetil-D-glucosamina y la N-acetil-D-galactosamina, que aparecen en oligosacáridos complejos de la superficie celular, así como en los polisacáridos de los tejidos conectivos. BIOLOGIA II. 2024 Quitina Es el segundo polisacárido más abundante de la biosfera. La quitina es un homoglicano formado por unas 120 unidades de N-acetilglucosamina unidas mediante enlaces enlaces β(1-4). Por el hecho de presentar este tipo de enlaces, su función, al igual que en el caso de la celulosa, es estructural; por lo tanto su presencia en el exoesqueleto de los artrópodos (crustáceos, insectos, etc.) y en las paredes celulares de los hongos, da soporte y funcionalidad a estos organismos. La única diferencia de la quitina con respecto a la celulosa, es que cada glucosa tiene un grupo funcional acetoamida reemplazando al OH del carbono 2. Glucosaminoglicanos En el caso de los tejidos conectivos de los animales (cartílagos, piel, tendones y paredes de los vasos sanguíneos) existen espacios intercelulares que contienen colágeno y otras proteínas en una matriz en forma de gel, la cual está constituida a base de glucosaminoglicanos. Estos polisacáridos presentan unidades de un ácido urónico y una hexosamina alternados. Éstas moléculas en solución tienen una lata elasticidad y viscosidad. El ácido hialurónico perteneciente a este grupo de polisacáridos, está presente en tejido conectivo, líquido sinovial de las articulaciones y humos vítreo del ojo. Otros ejemplos importantes de este tipo de moléculas de alta viscosidad son el dermatan sulfato, queratan sulfato, la heparina y las condroitinas sulfato. Las unidades que conforman a estos polímeros y los enlaces que las mantienen unidas se presentan a continuación: BIOLOGIA II. 2024 Funciones biológicas de los carbohidratos - Los monosacáridos, especialmente la glucosa, constituyen la principal fuente de energía celular. Por ejemplo la oxidación completa de un mol de glucosa produce 673 kilocalorias. - También forman parte de moléculas más complejas. Por ejemplo la ribosa y desoxirribosa, componentes de los ácidos nucleícos. - Otros monosacáridos presentan alguno de sus grupos OH sustituidos por otros átomos. Se conocen como azúcares derivados, y en su mayoría son monómeros de heteropolisacáridos que cumplen funciones estructurales. - Algunos carbohidratos son importantes en la formación de otros compuestos como en los ácidos nucleicos. También, forman parte de diversas estructuras de las células vivas como las paredes celulares en las que la celulosa es un componente muy importante. BIOLOGIA II. 2024