Química de los Carbohidratos PDF

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/286640492 Química de los Carbohidratos. Chapter · January 2013 CITATIONS READS 0...

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/286640492 Química de los Carbohidratos. Chapter · January 2013 CITATIONS READS 0 91,471 2 authors, including: Anahi Chavarria Universidad Nacional Autónoma de México 45 PUBLICATIONS 906 CITATIONS SEE PROFILE Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Neuroinflammation View project Neuroprotective effect of silymarin in Parkinson's Disease and cognitive impairment associated to obesity View project All content following this page was uploaded by Anahi Chavarria on 13 December 2015. The user has requested enhancement of the downloaded file.  Capítulo 13 Química de los carbohidratos Alfonso Cárabez Trejo, Anahí Chavarría Krauser teínas) y lípidos (glucolípidos) dando lugar a complejos en Contenido las membranas celulares, a las cuales confieren propiedades que se manifiestan, por citar sólo un caso, en los fenó- Clasificación menos de reconocimiento intercelular. Un ejemplo muy Monosacáridos simples claro de la participación de los carbohidratos en funciones Monosacáridos derivados biológicas es la fecundación, en donde el espermatozoide Reacciones de los monosacáridos se une a un oligosacárido específico de la superficie del Otras reacciones de los monosacáridos óvulo. También los carbohidratos, a través del proceso Disacáridos de reconocimiento, son participantes importantes en el Reacciones de los disacáridos desarrollo y la reparación de los tejidos. Polisacáridos Para comprender la importancia biológica de los car- Glucoproteínas bohidratos en el metabolismo celular, resulta conveniente Proteoglucanos precisar que constituyen sólo el 0.3% del organismo, en comparación con 70% de agua, 16% de proteínas y 9% de lípidos. Sin embargo, cada 24 h, los carbohidratos se ingieren 4.75 veces más (380 g) que las proteínas (80 g) y 4.22 veces más que los lípidos (90 g). La ingestión referida permite la producción de 1 520 kcal, cifra equivalente al 57.3% de las calorías producidas por la combustión de Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia carbohidratos, lípidos y proteínas en conjunto. A pesar de orgánica de la Tierra y tienen varias funciones en los seres la gran cantidad ingerida de carbohidratos, constituyen una vivos. Sirven como almacén de energía, combustibles e pequeña porción del peso corporal, lo que indica que son intermediarios metabólicos. Algunos carbohidratos, como objeto de un elevado recambio y metabolismo. © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. el almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales, Los carbohidratos, o hidratos de carbono, se cono- pueden liberar con rapidez glucosa, el combustible ener- cen también como azúcares, sacáridos o glúcidos; son gético primario indispensable para las funciones celulares. compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno Un gran número de moléculas contienen carbohidratos, y oxígeno; en algunos tipos de carbohidratos participan por ejemplo el ATP, la unidad biológica de energía libre; también azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista quí- y coenzimas como NAD+, FAD y CoA, entre otras. Dos mico, se definen como derivados aldehídicos o cetónicos carbohidratos, ribosa y desoxirribosa, forman parte impor- de alcoholes polihídricos. tante de la estructura de los ácidos nucleicos RNA y DNA. En la formación de la pared celular de las bacterias tienen una función estructural fundamental, y constituyen parte del exoesqueleto de los artrópodos. También de manera muy importante constituyen el esqueleto leñoso de las Clasificación plantas; de hecho, la celulosa, el principal componente de las paredes celulares de los vegetales, es el compuesto orgánico que más abunda de la biosfera. Por último, los Cuando por hidrólisis ya no es posible fragmentar una carbohidratos están unidos a muchas proteínas (glucopro- molécula de carbohidrato en la que se encuentra un gru- 201 202 Bioquímica de Laguna po carbonilo (aldehído o cetona) y varios grupos alcohol (al menos un alcohol primario y un alcohol secundario), Cuadro 13-1. Clasificación de los carbohidratos. Los nombres en cursiva se refieren a ejemplos el compuesto se conoce como monosacárido o azúcar comunes de cada grupo simple; el nombre de estos compuestos termina con osa, y la fórmula general es: I. Monosacáridos simples Aldosas Cetosas Cn(H2O)n A. Triosas gliceraldehído dihidroxiacetona Las moléculas más simples que cumplen con esta de- B. Tetrosas eritrosa eritrulosa finición son el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (figura 13-1). El grupo carbonilo, aldehído o cetona pre- C. Pentosas ribosa ribulosa sente en los carbohidratos define la existencia de dos D. Hexosas glucosa fructosa tipos: las aldosas y las cetosas. El nombre particular de E. Heptosas seudoheptulosa cada carbohidrato depende del número de átomos de carbono presentes en la molécula; por ejemplo, las triosas II Monosacáridos derivados son moléculas de carbohidrato que están constituidas por A. Ésteres glucosa 6-fosfato tres átomos de carbono (3 C). Se aplica un razonamiento similar a las tetrosas (4 C), pentosas (5 C), hexosas (6 C), B. Azúcares alcoholes glicerol etcétera (cuadro 13-1). C. Azúcares ácidos ácido glucurónico La sustitución de alguno de los grupos funcionales D. Azúcares aminados glucosamina (aldehído, cetona o alcohol) de un monosacárido por otro grupo funcional (p. ej., amino o carboxilo) da lugar a III. Oligosacáridos azúcares derivados. Si el grupo funcional alcohol primario A. Disacáridos sacarosa reacciona con un ácido, se forman los ésteres correspon- dientes. En bioquímica los ésteres más importantes son B. Trisacáridos los que se forman con ácido fosfórico, en una reacción que IV. Polímeros (de un monosacárido) da como resultado azúcares fosforilados, por ejemplo, la ribosa 5-fosfato y la glucosa 6-fosfato. A. Almidón Cuando se ligan dos moléculas de monosacárido, B. Glucógeno iguales o diferentes, por medio de una unión glucosídica, se forman los disacáridos. Lactosa, maltosa y celobiosa C. Celulosa son disacáridos con propiedades reductoras, debido a que V. Glucosaminoglucanos contienen un grupo carbonilo libre. La sacarosa también es un disacárido, pero es un azúcar no reductor, ya que no A. Ácido hialurónico presenta un grupo carbonilo libre. B. Condroitín 4-sulfato La hidrólisis de los disacáridos libera dos moléculas de monosacárido; cada una de ellas es un azúcar reductor. C. Condroitín 6-sulfato Los oligosacáridos están formados por 3 o hasta algunas D. Dermatán sulfato decenas monosacáridos unidos entre sí por enlaces gluco- sídicos; en las células suelen unirse a proteínas y lípidos E. Heparán sulfato F. Heparina G. Queratán sulfato © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. H VI. Carbohidratos con proteínas H C O H C O H C OH Glucoproteínas Receptores de hormonas H C* OH HO C* H C O Proteoglucanos H C OH H C OH H C OH H H H formando glucoproteínas y glucolípidos. Los polisacári- D-Gliceraldehído L-Gliceraldehído Dihidroxiacetona dos, también llamados glucanos, están constituidos por un mínimo de 10 hasta muchos miles de moléculas de monosacárido; la fórmula general para los polisacáridos Figura 13-1. Nótese que el carbono central del gliceraldehído* es de mayor importancia es (C6(H2O)5)n, que corresponde asimétrico; es decir, tiene sus cuatro valencias saturadas por dis- tintos átomos o radicales (H — C = O arriba, H, y OH a los lados, y a un polímero de hexosa, u homopolisacárido. Algunos de CH2 — OH abajo). Esta estructura le permite tener dos estereoisóme- estos polímeros son la celulosa, el glucógeno y el almidón; ros, el D y el L, dependiendo de la posición del H y el OH vecinos del los tres son homopolímeros de glucosa (cuadro 13-1). La alcohol primario, —CH2OH. En las células predominan los azúcares inulina es un homopolímero de la fructosa. Cuando la derivados del D-gliceraldehído. La dihidroxiacetona no tiene carbono unidad monomérica de monosacárido es variable, se ob- asimétrico.  Química de los carbohidratos 203 tienen heteropolisacáridos, como el agar-agar, el mucílago, Los carbonos 2, 3, 4 y 5 de la glucosa (figura 13-2) la mucina y las gomas vegetales. Cuando los azúcares que son asimétricos (la definición de asimetría del carbono se contienen al polisacárido contienen nitrógeno, se obtienen encuentra en el pie de la figura 13-1), por lo que el número mucopolisacáridos como heparina, condroitín-sulfato, de posibles isómeros es 2n, donde n representa el número ácido hialurónico y quitina. Algunos otros compuestos de carbonos asimétricos en el compuesto; es decir, hay 16 derivados de carbohidratos son ácido siálico, vitamina isómeros que pueden tener esa estructura. Tres ejemplos C, estreptomicina, inositol, ácido glucurónico, sorbitol y muy comunes en la naturaleza son d-glucosa, d-galactosa xilitol. y d-manosa, cada una con su arreglo espacial caracterís- tico (figura 13-3). Estos tres monosacáridos derivan del d-gliceraldehído; la orientación espacial del OH en el carbono asimétrico más alejado del carbonilo (el 5) es Monosacáridos simples idéntica a la del carbono asimétrico del d-gliceraldehído. Existe otra hexosa abundante en la naturaleza, la cetosa (carbonilo con estructura cetónica, C = 0) d-fructosa, derivada también del d-gliceraldehído (figura 13-4). Estructura Configuración espacial de los monosacáridos. La fórmula lineal de la glucosa no explica algunas de sus El estudio de la estructura y las propiedades fisicoquími- propiedades, que sí se explican cuando se le representa cas generales de los carbohidratos toma muy en cuenta como una estructura lineal pero transformable a una forma y se inicia con el análisis de las triosas ya mencionadas cíclica, a través de la formación de un enlace hemiacetal (figura 13-1). Sin embargo, por simplificación y por su im- interno entre el carbonilo del carbono 1 y el alcohol del portancia en bioquímica, en esta obra se hace un estudio carbono 5. De esta manera, el carbono 1 se convierte en un breve de la molécula de glucosa. La información inicial nuevo centro de asimetría al poseer cuatro sustituyentes química sobre la glucosa mostró un compuesto formado distintos; por lo tanto, da lugar a dos nuevos isómeros, por seis carbonos, 12 hidrógenos y seis oxígenos, o sea, llamados anómeros, el a y el b, en donde el carbono 1 seis carbonos hidratados, C6(H2O)6; de ahí el nombre se denomina anomérico (figura 13-5). Una solución de de carbohidratos. Al comprobarse que no eran carbonos glucosa en agua contiene en equilibrio dinámico 34% de hidratados, la fórmula se representó como C6H12O6. Más la forma a y 66% de la b, además de una muy pequeña adelante se comprobó que se trataba de una molécula proporción de la forma aldehídica lineal. lineal con diferentes funciones químicas. Debido a que un ciclo de seis miembros, en el que La fórmula desarrollada más simple de la glucosa uno de ellos es un átomo de oxígeno, se parece al núcleo muestra una molécula de cadena al parecer recta, con heterocíclico del pirano, esta forma de hexosa se denomina cinco carbonos ocupados por funciones alcohólicas y uno piranósica; así, la forma cíclica de la glucosa constituye la con una función aldehído (figura 13-2). Más adelante, se glucopiranosa (figura 13-6). hizo evidente que existían varias moléculas distintas a la Haworth representó esta estructura en perspectiva, glucosa, con propiedades similares a ésta y con la misma con los grupos H y OH colocados convencionalmente fórmula desarrollada que se presenta en la figura 13-2. arriba o abajo del plano del anillo. En esta convención, A lo largo de esta sección se muestran fórmulas de la los grupos OH de los átomos de los carbonos 2 y 4, que glucosa que sólo corresponden a la propia glucosa y que en la forma lineal se representan en el lado derecho, se proporcionan al “químico experto y lector de fórmulas” el mayor número de propiedades fisicoquímicas de la molécula en el mínimo espacio de representación, esto es, en su fórmula. © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. H C O H C O H C O H C OH H C OH HO C H Carbono número: 1 *CHO Aldehído HO C H HO C H HO C H 2 CHOH HO C H H C OH H C OH 3 CHOH H C OH H C OH H C OH 4 alcoholes secundarios 4 CHOH H C OH H C OH H C OH 5 *CHOH H H H 6 *CH2OH 1 alcohol primario D-Galactosa D-Glucosa D-Manosa Figura 13-2. Fórmula desarrollada más simple de la glucosa. Los carbonos marcados con un asterisco corresponden a los tres carbonos Figura 13-3. Fórmula lineal de las tres aldohexosas más importantes del gliceraldehído. en bioquímica. 204 Bioquímica de Laguna O O HCOH CH1CH2OH CH CH H OH O HCOH HCOH CH CH HCOH CH2 HO H Hexopiranosa Pirano H OH Figura 13-6. Fórmula cíclica de una hexopiranosa y comparación con H OH la molécula del pirano. H OH de tipo furanosa (figura 13-9). Otros ejemplos comunes de pentosas se muestran en la figura 13-10. Figura 13-4. Fórmula lineal de la cetohexosa más frecuente en la naturaleza: la fructosa. Monosacáridos derivados encuentran en la parte baja, y el OH del carbono 3, a la izquierda en la forma lineal, se localiza hacia arriba en el ciclo. Los isómeros a y b se distinguen en el modelo por Azúcares alcoholes la posición hacia arriba o hacia abajo del H y el OH en el carbono 1 (figura 13-7). La reducción de las aldosas y las cetosas convierte el Los estudios con difracción de rayos X revelan en un grupo aldehídico o cetónico en un alcohol, –CH2OH, y solo plano los azúcares con anillos de cinco miembros (fu- el monosacárido en un alcohol polihidroxílico. Así, de la ranósicos), mientras que los anillos de seis miembros están d-glucosa se obtiene d-sorbitol. Otro ejemplo de este tipo dispuestos en forma de “bote” o de “silla” (figura 13-8). de alcoholes es el glicerol, importante por formar parte En general, se usan las fórmulas más sencillas, como las de los triacilglicéridos y varios fosfolípidos (figura 13-11). de la figura 13-5 y la de Haworth (figura 13-7). Las pentosas, Hay otros alcoholes, como los ciclitoles; el más abun- las hexosas e inclusive los disacáridos lactosa y maltosa, dante en la naturaleza es el meso-inositol (figura 13-12), son azúcares con estructuras cíclicas. En la fructosa se que forma parte de algunos fosfolípidos; y en su forma forma un puente de oxígeno entre los carbonos 2 y 5, por fosforilada se le han adscrito funciones de “mensajero” en lo que dicho azúcar se asemeja al furano, y es un azúcar respuesta a ciertas hormonas. Los azúcares alcoholes, también llamados polioles, se utilizan como edulcorantes alternativos al azúcar ya que no requieren insulina para metabolizarse y, por ello, no elevan la glucemia rápidamente en el cuerpo. Xilitol, ma- H H OH HO H nitol y sorbitol son los más frecuentes azúcares alcoholes C C O C utilizados para endulzar alimentos como goma de mascar HCOH HCOH HCOH © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. HOCH O HOCH HOCH O 6 CH2 OH CH2OH HCOH HCOH HCOH 5 H O H H O OH HO H HC HC 1 1 4 OH H OH H CH2OH CH2OH CH2OH HO OH HO H 3 2 H OH H OH α-D-Glucosa Forma lineal β-D-Glucosa ( 113°) ( 19.7°) α-D-Glucopiranosa β-D-Glucopiranosa Figura 13-5. Formación de un hemiacetal interno a partir de la forma lineal del monosacárido. La función alcohólica del carbono 5 y la ce- Figura 13-7. Representación de Haworth de los anómeros a y b de tónica del carbono 1 reaccionan y dan lugar a un grupo funcional, el la glucosa, en su forma cíclica, como glucopiranosa. La molécula de hemiacetal. Así se establece un puente de oxígeno entre los carbonos la izquierda tiene numerados los carbonos para su comparación con 1 y 5, por lo que el carbono 1, ahora asimétrico, permite la existencia la fórmula lineal. La molécula de la derecha sólo tiene numerado el de dos nuevos isómeros (anómeros), el a y el b. carbono anomérico, el 1.  Química de los carbohidratos 205 H H 6 4 O CH2OH O CH2OH HO HO H H 15 2 H H 3 HO HO OH OH 1 OH H H H H OH α-D-Glucopiranosa β-D-Glucopiranosa Figura 13-8. Fórmulas de “silla” de los anómeros a y b de la D-glucopiranosa. En línea discontinua se representan los enlaces llamados axiales y en línea continua los enlaces ecuatoriales. y chocolate. El xilitol también es usado en las pastas de En los mamíferos, el ácido glucurónico se combina dientes, ya que no puede ser procesado por las bacterias con diversos compuestos poco solubles en agua; a través de la boca y de esta manera ayuda a reducir las caries. de dicha unión, éstos se hacen más hidrosolubles y pueden excretarse por la bilis o la orina; entre tales compuestos están las hormonas sexuales y el pigmento biliar bilirru- Azúcares ácidos bina, así como varios fármacos y compuestos tóxicos. El ácido glucurónico forma parte de diversos polisacáridos, La oxidación de las aldosas ocurre a nivel del grupo alde- como los ácidos condroitín-sulfúrico y mucoitín-sulfúrico, hídico o del grupo alcohólico del carbono 6, o en ambos componentes de las sustancias fundamentales del tejido sitios, por lo que pueden formarse tres tipos de derivados conectivo y de la heparina, un anticoagulante sanguíneo. oxidados: Ácido ascórbico. Uno de los azúcares ácidos de mayor Ácidos aldónicos. Cuando se oxida el grupo aldehí- importancia bioquímica es el ácido ascórbico, o vitamina C, dico de una aldosa, se convierte en un grupo carboxilo presente en las hortalizas verdes y en los cítricos. Es esen- (ácido), COOH, formando así los ácidos aldónicos; la cial para el ser humano, y su carencia produce el escorbuto. glucosa forma el ácido glucónico, y la manosa, el ácido Sus propiedades ácidas provienen de la ionización de los manónico, entre otros. hidrógenos de sus OH enólicos. Se oxida con facilidad y Ácidos sacáricos. En un grado más avanzado de la se convierte en ácido l-dehidroascórbico, biológicamente oxidación en que se forman grupos ácidos tanto en el activo (figura 13-14). aldehído como en el alcohol primario, se producen ácidos dicarboxílicos, llamados genéricamente sacáridos. Ácidos urónicos. Cuando la oxidación de la aldosa sólo Desoxiazúcares forma un grupo carboxílico en el alcohol primario y se conserva intacto el aldehído, se obtiene un ácido urónico, En algunos azúcares, la pérdida del oxígeno de una función de los cuales el más importante es el ácido d-glucurónico alcohol forma los desoxiazúcares; un buen ejemplo es la © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. (figura 13-13). d-2-desoxirribosa, componente de los ácidos nucleicos. CH2OH C O 6 1 HOCH 6 1 HOH2C O CH2OH HOH2C O OH H HO HCOH H HO 5 2 5 2 H OH HC OH H CH2OH 4 3 4 3 OH H OH H CH2OH α-D-Fructofuranosa Forma lineal β-D-Fructofuranosa Figura 13-9. Representación de la fructosa. 206 Bioquímica de Laguna HOH2C O OH HOH2C O OH H OH 4 H H 1 H H H H H H H OH H 3 2 2 H HO OH OH OH H HO OH OH H D-Ribosa D-2-Desoxirribosa Figura 13-12. Molécula del meso-inositol o mioinositol. Figura 13-10. Representación de Haworth de las pentosas presentes en los ácidos nucléicos. Azúcares fosforilados Reacciones de los monosacáridos Son muy importantes los formados entre uno o más grupos hidroxilo de un monosacárido y el ácido fosfórico, como La información sobre las reacciones generales y particu- los de la figura 13-15. lares de los monosacáridos puede consultarse en libros Las pentosas d-ribosa y d-desoxirribosa se combi- especializados. Aquí sólo se revisa brevemente la forma- nan con ácido fosfórico a través de uniones ésteres y así ción de los glucósidos. intervienen en el metabolismo de las hexosas y de las Formación de glucósidos. Cuando un aldehído reac- pentosas. Además, están presentes en las moléculas de los ciona con un alcohol, se forma un hemiacetal (figura 13- nucleótidos libres como el ATP y de los ácidos nucleicos. 18). El radical OH del hemiacetal puede combinarse con otra molécula de alcohol para formar un acetal, como en el siguiente ejemplo, donde el OH del carbono anoméri- Aminoazúcares co 1 de la glucosa se combina con el metanol para dar el metil-glucósido correspondiente (figura 13-19). Cuando uno o varios grupos OH de los azúcares se sustitu- Si al grupo OH del carbono anomérico del monosa- yen por grupos amino, NH2, se forman los aminoazúcares, cárido se une al grupo hidroxilo de otro monosacárido, como la glucosamina y la galactosamina, en las cuales genera un disacárido; si se une a una molécula que no es suele estar acetilado el grupo amino (figura 13-16). La un carbohidrato, forma un glucósido; en ambos casos, la glucosamina forma parte de las glucoproteínas presentes unión se denomina glucosídica. La porción de la molécula en la sustancia fundamental del tejido conectivo, por lo no azúcar se llama aglicona o aglucona y puede ser tan que su administración oral se prescribe a menudo para el sencilla como el CH3 del metanol, o tan compleja como tratamiento de la osteoartritis, ya que es un precursor de la formada por los glucósidos cardiacos de la digital, los glucosaminoglucanos del cartílago. La galactosamina fármacos de gran uso en medicina, como la estreptosa puede formar ciertas glucoproteínas con funciones hor- constituyente del antibiótico estreptomicina y la digoxi- monales como las hormonas foliculoestimulante o luteini- na, utilizada como agente terapéutico en la insuficiencia zante; también forma parte de las proteínas del cartílago. cardiaca, entre otros. Existen monosacáridos aminados más complejos constituidos por una hexosa, un grupo amino –por lo común acetilado– y un ácido de tres carbonos unido a la hexosa, como son los ácidos N-acetilmurámico y N-acetil- Otras reacciones neuramínico; éste último y sus derivados son llamados de los monosacáridos genéricamente ácidos siálicos. El ácido N-acetilmurá- © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. mico se encuentra en la pared celular de las bacterias grampositivas, mientras que el ácido N-acetilmurámico (figura 13-17) forma parte de las membranas y cubiertas Ciertos carbohidratos, en un medio fuertemente alcalino de las células de los animales superiores. Un ejemplo de y en presencia de oxígeno o de diversos agentes oxidantes ello son los gangliósidos, que son glucoesfingolípidos de las (Cu2+, Ag+, entre otros), dan las llamadas reacciones de membranas neuronales, por lo que resultan fundamentales para el funcionamiento y desarrollo cerebrales. COOH H O OH H2C OH H OH H HC OH H HO H2C OH H OH Figura 13-11. Molécula del glicerol. Figura 13-13. Representación de Haworth del ácido D-glucurónico.  Química de los carbohidratos 207 O C O C reducción, que dependen de la existencia de un grupo carbonilo libre como el presente en la glucosa, galactosa, HO C O C O fructosa, maltosa y lactosa, y ausente en la sacarosa, por O 2H 2e lo que ésta es el típico azúcar no reductor. HO C O C HC HC HOCH HOCH Disacáridos CH2OH CH2OH Ácido Ácido Entre los disacáridos formados por la unión de un OH ascórbico dehidroascórbico del carbono anomérico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido se encuentran la sacarosa, la lactosa y la maltosa, que tienen importancia fisiológica. Figura 13-14. Fórmulas de los ácidos ascórbico y dehidroascórbico. La maltosa es el resultado de la unión glucosídica de dos H2C O P H2C OH P O H2C O H2C O P H O OH HO O O P H H H HO OH H OH H H OH HO H H H OH H H OH H OH Glucosa-6-fosfato Fructosa-1,6-bisfosfato Galactosa-1-fosfato Figura 13-15. Representaciones tipo Haworth de monosacáridos fosforilados importantes en bioquímica. En las fórmulas, P representa H2PO3. H2COH H2COH H O OH HO O OH H H OH H OH H HO H H H H NH2 H NH C O CH3 © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. β-D-Glucosamina β-D-Acetilgalactosamina Figura 13-16. Representaciones de Haworth de aminoazúcares. H2C OH H O OH O H HO H H NH Grupo amino CH3 C O Ácido de 3 carbonos H C CH3 COO Figura 13-17. Fórmula desarrollada del ácido N-acetil-murámico. 208 Bioquímica de Laguna H H tica o no enzimática. La hidrólisis por medio de enzimas es específica para los monosacáridos constituyentes y para R C O + H O CH 3 R C OH el enlace que los une, sea α o β. Un ejemplo de ello es la hidrólisis de la sacarosa por acción de la sacarasa intesti- O Metanol nal. La hidrólisis no enzimática puede llevarse a cabo por CH3 medio de ácidos diluidos. Figura 13-18. Formación de un hemiacetal a partir de un aldehído y el alcohol metanol. Polisacáridos moléculas de α-d-glucosa, en donde el OH del carbono Los polisacáridos o glucanos son polímeros de monosa- 4 de una se une al OH del carbono anomérico, el número cáridos constituidos por algunas decenas a muchos miles 1, de otra glucosa. Químicamente, la maltosa es el 4a-d- de unidades de monosacáridos y pueden alcanzar pesos glucopiranosil-a-d-glucopiranósido o a-d-glucósido de moleculares de varios millones. Su función en los organis- la a-d-glucosa (figura 13-20). La maltosa no existe libre mos suele ser estructural o de almacenamiento energético. en la naturaleza; se obtiene por hidrólisis parcial de los Se dice que son homopolisacáridos cuando la unidad que polisacáridos de almidón y glucógeno, ya que forma parte se repite es siempre la misma (p. ej., glucosa), y si son dos de su larga estructura. monosacáridos diferentes los que integran la unidad de re- La lactosa, presente en la leche, se forma en las glán- petición se habla de heteropolisacáridos. Los polisacáridos dulas mamarias de las hembras de los mamíferos; es un se diferencian entre sí por el tipo de monosacáridos, por galactósido con un enlace glucosídico de configuración b el largo de la cadena, el tipo de unión química entre sus (figura 13-21). monosacáridos, o el grado de ramificación. La sacarosa o azúcar de mesa es el disacárido formado por glucosa y fructosa. La glucosa está en forma piranó- sica y la fructosa adopta la estructura de cinco miembros Almidón de tipo furanosa (figura 13-22). A partir de la sustitución selectiva de tres átomos de los grupos hidroxilo por tres Constituye la sustancia de reserva de carbohidratos en átomos de cloro de la sacarosa se obtiene la sucralosa, un las plantas, y abunda en los tubérculos (papa, yuca) y en edulcorante en extremo dulce y estable, que se elimina las semillas de los cereales. El almidón está formado por casi en su totalidad por las heces y en menor porcentaje unidades de glucosa combinadas entre sí por uniones por la orina (11 a 27%) sin modificación alguna, por lo glucosídicas. La unidad estructural de disacárido, repetida que su consumo no aporta energía. periódicamente, es la maltosa, la cual da origen a dos tipos de moléculas, la amilosa y la amilopectina. La amilosa forma entre 10 y 20% del almidón; es un polímero lineal de 300 a 350 unidades de glucosa con uniones a-d-(1→4). La amilopectina, más abundante, es Reacciones de los disacáridos un polímero ramificado de la glucosa y, aparte de las unio- nes a-d-(1→4) entre las moléculas sucesivas de glucosa, muestra otro tipo de unión, a nivel de la ramificación, en Las reacciones de los disacáridos dependen de los mo- posición a-d-(1→6) (figura 13-23). © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. nosacáridos que los constituyen y del tipo de enlace que Existen, como promedio, de 24 a 30 moléculas de los une. Una reacción típica es la hidrólisis, que libera los glucosa por ramificación, con un total de unos 1 800 monosacáridos que los forman ya sea de manera enzimá- residuos de glucosa por molécula, para alcanzar pesos H2C OH H 2C OH H O OH H O O CH3 H CH3 OH H 2O OH H OH H HO H HO H H OH H OH β-D-Glucosa β-D-Metilglucósido Figura 13-19. Formación de un acetal entre el alcohol en posición 1 de la β–D–glucosa y el metanol.  Química de los carbohidratos 209 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H O H H O H H O H H H O H 1 4 1 2 5 4 OH H OH H 4 OH H 1 H HO O O HO OH HO CH2OH H OH H OH H OH OH H Figura 13-20. Representación del disacárido maltosa. La unión entre Figura 13-22. Representación del disacárido sacarosa. El OH en los dos monosacáridos es entre los carbonos 1 con el OH en posición posición a del carbono de la glucosa se une al OH en posición b del a de una glucosa y el OH del carbono 4 de otra glucosa, se trata de carbono 2 de la fructosa; es una unión 1,2 a. b. El nombre químico es una unión 1,4 a. El nombre químico del compuesto es a-D-glucósido b-D-fructofuranósido de a-D-glucopiranósido. de a-D-glucosa. dicas b-d-(1→4). La celulosa y la hemicelulosa son los moleculares de cerca de 300 000 Da. Los productos de principales componentes de las paredes celulares de las la hidrólisis incompleta del almidón se llaman de manera plantas, y son sustancias fibrosas que el ser humano no genérica dextrinas. Un ejemplo es la maltodextrina, fácil puede romper para liberar la glucosa que la constituye de digerir y que se absorbe casi con la misma rapidez que por carecer de la enzima celulasa. Sin embargo, la celulosa la glucosa, por lo que se utiliza como aporte de carbohi- conforma lo que llamamos la fibra de nuestra dieta y regula dratos en alimentación infantil y geriátrica, así como en el tránsito intestinal y la absorción de nutrientes. Al igual alimentos para convalecientes y suplementos alimenticios. que los almidones, la celulosa se obtiene de los granos de cereales, pero de manera específica de la cascarilla o salvado, ya que el endospermo está formado en su mayor Glucógeno parte por almidón. Con el incremento tan significativo de la prevalencia Está presente en gránulos o cúmulos de forma globular mundial del síndrome metabólico ha crecido el interés en los tejidos animales y en gran cantidad en el hígado y en la fibra alimentaria. Las personas con alimentación los músculos. Su peso molecular oscila alrededor de va- deficiente en fibra consumen una gran cantidad de harina rias decenas de miles, gana o pierde moléculas de glucosa blanca o refinada (pan blanco, galletas, pasteles, pastas, con gran facilidad, y es un material de reserva ideal para etc.), la cual es rica en almidones por contener sólo el conservar el equilibrio adecuado entre la utilización y el endospermo, dado que antes se le removió el salvado y almacenamiento de la glucosa. el germen del grano. La estructura muy ramificada de la El glucógeno se parece a la amilopectina por mostrar numerosas ramificaciones (figura 13-24) y tiene 8 a 12 amilopectina, el polímero más abundante del almidón, unidades de glucosa por ramificación. Los residuos de facilita la acción hidrolítica de la amilasa. Esto lleva a glucosa están unidos en posición a-d-(1→4) y, a nivel de una rápida liberación y absorción de la glucosa, que a las ramificaciones, en posición a-d-(1→6). su vez incrementa su concentración sérica y estimula la rápida liberación de insulina, desestabilizando los niveles de glucosa en sangre y generando episodios frecuentes de hambre. En contraste, la harina integral se obtiene del Celulosa grano de trigo entero, cuyas fibras promueven la absorción gradual de la glucosa, que a su vez favorece una sensación © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. La celulosa, el compuesto orgánico más abundante en la de saciedad más prolongada que evita los episodios de naturaleza, está constituida por cadenas no ramificadas de unidades de glucosa enlazadas por uniones glucosí- liberación rápida de insulina y de hipoglicemia reactiva. Los alimentos procesados con harinas refinadas presen- tan un índice glucémico alto, mientras que aquellos con harinas integrales presentan un índice glucémico bajo CH2OH CH2OH (cuadro 13-2). El índice glucémico permite cuantificar la respuesta glucémica de un alimento con respecto a un HO O H O OH alimento de referencia. H H 4 H 1 O 4 H 1 OH OH H H H Glucosaminoglucanos H OH H OH Son polímeros no ramificados de polisacáridos, compues- tos por unidades repetidas de un disacárido; antes se llama- Figura 13-21. Representación del disacárido lactosa. Se unen el OH en posición b del carbono 1 de la galactosa con el OH del carbono 4 ban mucopolisacáridos. La unidad de disacárido contiene de la glucosa, se trata de una unión 1,4 b. El nombre químico es el un aminoazúcar, N-acetilglucosamina o N-acetilgalacto- de D-galactósido de b-D-glucosa. samina, y ácido d-glucurónico (o l-idurónico) más uno o 210 Bioquímica de Laguna CH2OH CH2OH H O H H O H H 1 4 OH 1 OH H H O O Ramificación H OH α-D-(1 6) H OH O CH2OH CH2 CH2OH 6 H O H H O H H O H H H H 1 4 1 4 OH H OH H OH H O O O O H OH H OH H OH Figura 13-23. Esquema de la ramificación de un polímero de glucosa. Se incluyen dos cadenas de glucosa en unión a 1-4, y la flecha en la figura señala la unión a 1-6, lo que permite precisamente la ramificación del polímero. dos grupos sulfato. Hay dos excepciones importantes: en do sobre todo por los tejidos en desarrollo o en proceso de el queratán-sulfato, el ácido urónico es reemplazado por cicatrización, sitios donde se ha observado la migración de d-galactosa; y en el ácido hialurónico, el sulfato está ausen- células, de manera que su degradación por hialuronidasa te. Todos los glucosaminoglucanos tienen en su molécula provoca el cese de la migración celular; por ello se acepta grupos químicos con carga negativa, unos con carboxilatos, que la producción local de ácido hialurónico, acompañada otros con sulfatos y los más con carboxilatos y sulfatos. de su hidratación e hinchamiento, facilita la migración Además se comportan como polianiones. celular durante la morfogénesis y la cicatrización. Con base en sus características químicas se identifican siete tipos de glucosaminoglucanos (cuadro 13-3). El menos típico de éstos es el ácido hialurónico, que al no contener Glucoproteínas sulfato no se une de modo covalente a proteínas, y no tiene otros componentes de tipo carbohidrato en su molécula. Son proteínas con pesos moleculares de 15 000 a más El ácido hialurónico abunda como cemento intercelular; al de un millón, a las cuales se unen de modo covalente hidratarse se hincha y ocupa un gran volumen. Es produci- una o varias cadenas de oligosacáridos, con menos de 15 © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. Ramificaciones cada 8 a 12 residuos Segmentos de 3 unidades de glucosa Figura 13-24. Representación esquemática de la molécula de glucógeno. Las ramificaciones suelen iniciarse después de 2, 3 o más unidades de glucosa.  Química de los carbohidratos 211 Cuadro 13-2. Índices glucémicos de algunos carbohidratos representativos. Los valores de índices glucémicos son relativos a la glucosa (glucosa = 100) Azúcares Frutas Cereales y Panifi- Hortalizas y Otros cados leguminosas Glucosa 100 Manzana 36 Baguette 95 Papa hervida 78 Leche entera 39 Maltosa 110 Naranja 43 Pan blanco 70 Zanahoria 39 Leche descremada 37 hervida Miel 73 Plátano 51 Pan de centeno 50 Garbanzos 33 Chocolate 40 Sacarosa 65 Mango 51 Tortilla de maíz 46 Lentejas 29 Lactosa 46 Jugo de manzana 41 Espagueti 37 Frijoles 40 Fructosa 23 Jugo de naranja 50 Arroz blanco hervido 73 Arroz integral hervido 68 Trigo 41 Centeno 34 Cuadro 13-3. Glucosaminoglucanos Disacárido, unidad repetitiva Número de veces que Tipo Monosacárido A Monosacárido B se repite el disacárido Localización Ácido hialurónico Ácido D-glucurónico N-acetil-D-glucosamina 8 a 16 000 Te jido conectivo Piel Humor vítreo Cartílago Líquido sinovial Condroitín 4-sulfato Ácido D-glucurónico N-acetil-D-galactosamina 10 a 100 Arterias Piel Hueso Cartílago Córnea Condroitín 6-sulfato Ácido D-glucurónico N-acetil-D-galactosamina 10 a 100 Hueso Piel Arterias Córneas Dermatán sulfato Ácido D-glucurónico N-acetil-D-galactosamina 30 a 80 Válvulas cardiacas o © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. Corazón Ácido L-idurónico Vasos Sangre Piel Heparán sulfato Ácido D-glucurónico N-acetil-D-glucosamina 10 a 25 Superficies celulares o Pulmón Ácido L-idurónico Arterias Heparina Ácido D-glucurónico N-acetil-D-glucosamina 12 a 50 Pulmones o Hígado Ácido L-idurónico Piel Células cebadas Queratán sulfato C-galactosa N-acetil-D-glucosamina 8 a 38 Cartílago Córnea Discos intervertebrales 212 Bioquímica de Laguna Cuadro 13-4. Funciones de las glucoproteínas; Ácido N-acetil se incluyen ejemplos representativos neuramínico Función Glucoproteína N-Acetil- Almacenamiento Ovoalbúmina galactosamina Hormonal Gonadotropina coriónica Tirotropina aa aa serina aa aa Transporte Transportadora de vitaminas, Mucoproteína lípidos, entre otros de las glándulas salivales Figura 13-25. Esquema de la unión entre la porción de carbohidrato Lubricante Mucina y la porción proteínica de una glucoproteína. Se representa la cadena de aminoácidos de la proteína y se anota el nombre del aminoácido, al Protectora Secreción mucosa cual se le une el monosacárido inicial del segmento de carbohidrato. Fibrinógeno Por simplificación, en el esquema no se indican los átomos partici- pantes en la unión. Estructural Colágenos Paredes celulares Inmunitaria Inmunoglobulinas las funciones desempeñadas por estas moléculas y ejem- Antígenos de histocompatibilidad plos correspondientes. En las glucoproteínas hay dos tipos de enlaces quími- Complemento cos entre los aminoácidos y los azúcares: las uniones O- Interferón glucosídicas, donde intervienen sobre todo los aminoácidos Reconocimiento Entre células serina y treonina, y las uniones N-glucosídicas, a través Células y bacterias del grupo amido de la asparagina (figura 13-25). Existen Células y virus nueve diferentes azúcares en las cadenas de oligosacáridos unidas a las glucoproteínas; entre ellos, los más frecuentes Receptores hormonales son N-acetil-d-galactosamina, N-acetil-d-glucosamina, galactosa, manosa y ácido N-acetilmurámico (un ácido siálico). La adición de carbohidratos, a través del proceso residuos azúcar, que llegan a formar de 1 a 60% del peso de modificación postranscripcional de las proteínas, se total de la molécula. Las glucoproteínas tienen distribu- realiza en el retículo endoplásmico rugoso y en el sistema ción universal; la inmensa mayoría de las proteínas de la membranal del aparato de Golgi. membrana celular y de las secretadas por las células son Por último, los oligosacáridos de la superficie de las cé- glucoproteínas. El cuadro 13-4 incluye una lista parcial de lulas intervienen en otras funciones; destacan los contactos Cuadro 13-5. Principales mucopolisacaridosis Tipo Síndrome Hallazgos bioquímicos Características clínicas © Editorial El manual moderno Fotocopiar sin autorización es un delito. I Hurler Existencia de condroitín sulfato Retraso mental importante, deformidades esqueléticas, en la orina y en algunos tejidos opacidad de la córnea II Hunter Igual al anterior Retraso mental moderado, deformidades esqueléticas importantes III Sanfilippo Existencia de heparán sulfato Retraso mental importante, deformidades esqueléticas en tejidos y en la orina IV Morquio Presencia de queratán sulfato y No hay retraso mental, deformida