3. 2. 1. Carbohidratos

Los carbohidratos son las moléculas más abundantes en la naturaleza, que además de ser una fuente importante de producción rápida de energía en las moléculas, forman parte estructural de las células y son componentes de numerosas rutas metabólicas.

Carbohidratos.

También conocidos como azucares, son compuestos que contienen carbono, hidrógeno y oxígeno, utilizados durante el metabolismo para producir una gran cantidad de energía, liberando dióxido de carbono y agua, por lo que son reconocidos como la fuente principal de energía para los seres vivos.

Los carbohidratos dependiendo del número de unidades que los componen, se clasifican en tres grupos: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos.

Monosacáridos.

Los monosacáridos son los carbohidratos más sencillos y también son conocidos como azucares simples.

los monosacáridos se dividen en dos grandes grupos diferenciados por el grupo funcional presente en la molécula, de esta forma se tienen a las aldosas, llamadas así debido a la presencia de un grupo aldehído (-CHO) y las cetosas, nombradas así por el grupo cetona (-C=O) presente en el carbohidrato.

Ilustración 1 Estructura de aldosas y cetosas. Del lado izquierdo se representa la glucosa con el característico grupo aldehído y del lado derecho la fructosa con el grupo cetona.

En todos los monosacáridos (a excepción de la dihidroxiacetona) existen carbonos asimétricos, permitiendo la formación de dos conformaciones, los isómeros D y L. Es muy sencillo determinar si un carbohidrato es D o L, para hacerlo debes:

1.       Escribir la molécula en proyección de Fisher.

2.       Identificar el penúltimo carbono asimétrico más alejado del grupo funcional.

3.       Identificar la posición del grupo OH en este carbono. Esta posición determinara si el carbohidrato es D o L. Si el grupo está a la derecha del carbohidrato es D y si está a la izquierda el carbohidrato es L.

El gliceraldehído es un caso interesante ya que la forma D y L son imágenes especulares entre sí, por lo que se dice que son isómeros quirales, enantiómeros o enantiómorfos.

Ilustración 2 Isómeros quirales del gliceraldehído. Del lado izquierdo se representa la conformación D y del lado derecho la L.

En el caso de las aldosas, todas se consideran como estructuras derivadas del gliceraldehído, ya sea D o L, y las cetosas se consideran estructuralmente derivadas de la D- o L-eritrulosa.

Ilustración 3 Forma D- y L- de la eritrulosa. Se observan las dos conformaciones de una cetosa, del lado izquierdo la D y del lado derecho la L.

Como te darás cuenta, entre mayor cantidad de carbonos asimétricos tenga un carbohidrato, mayor será el número de isómeros ópticos posibles. Hay una fórmula muy sencilla para calcular este número de isómeros, la cual está dada por 2ⁿ donde n es el número de carbonos asimétricos presentes en la molécula.

Los monosacáridos experimentan varios tipos de isomerizaciones, por ejemplo, tras varias horas una disolución alcalina de D-glucosa, también contiene D-manosa y D-fructosa. Ambas isomerizaciones implican un desplazamiento intramolecular de un átomo de hidrógeno y una disposición del doble enlace. El intermediario que se forma se denomina enediol. La transformación reversible de la glucosa en fructosa es un ejemplo de interconversión aldosa-cetosa. La conversión de glucosa en manosa se denomina una epimerización, ya que cambia la configuración de un único carbono asimétrico.

¿Sabes cuál es el origen de la conformación D o L?

Es una propiedad física de las moléculas que son ópticamente activas, es decir, que pueden desviar el plano de la luz polarizada y se debe, en el caso de los carbohidratos, a la presencia de los carbonos asimétricos. De esta forma, a las moléculas que desvían la luz polarizada a la derecha se les llama dextrógiros, dextrorrotatorios o simplemente D, y los compuestos que desvían la luz polarizada a la izquierda se les llama levógiros, levorrotatorios o simplemente L.

Existe otra forma de representar a los carbohidratos, que se utiliza sobre todo cuando se están representando moléculas complejas, como los almidones o la celulosa, estas representaciones son la proyección de Haworth que es una forma común de representar a los carbohidratos de forma cíclica y la representación de silla que presenta a las moléculas en su forma más estable.

Ilustración 4 Representaciones de la glucosa. De izquierda a derecha, representación de Fisher, representación de Haworth y representación de silla.

Dependiendo del número de carbonos que presente el monosacárido, estos pueden ser: Triosas, que en su estructura tiene tres átomos de carbono; tetrosas, que contienen cuatro átomos de carbono,pentosas, con cinco átomos de carbono, o hexosas que contienen seis átomos de carbono. Esta clasificación aplica tanto para las aldosas como a las cetosas. Los monosacáridos más abundantes en las células son las pentosas y las hexosas.

Los monosacáridos de cinco o más carbonos se pueden dibujar en forma cerrada, esto es debido a que el grupo carboxilo forma parte de un anillo hemiacetálico, al reaccionar con un alcohol de la misma molécula. Cuando tienen cinco átomos de carbono a la estructura formada se le conoce como anillo furanosa, por analogía con la estructura del heterociclo furano; cuando el ciclo está formado por seis átomos de carbono, se llama anillo piranosa, por su semejanza con la estructura del pirano.

Cuando los monosacáridos forman anillos al reaccionar con los alcoholes de la misma molécula se forman anillos al reaccionar con los alcoholes de la misma molécula se forman hemiacetales.

Ilustración 5 Formación del hemiacetal en la glucosa. Se forman la -D-glucopiranosa (alcohol en carbono 1 hacia arriba) y la -D-glucopiranosa (alcohol en carbono 1 haca abajo).

Los azucares que pueden oxidarse por agentes oxidantes débiles como el reactivo de Benedict se denominan azucares reductores, debido a que la reacción solo se produce con azucares que puedan revertir a la forma de cadena abierta. Todos los monosacáridos son azucares reductores.

Disacáridos.

Son compuestos formados por azucares simples unidos mediante enlaces glucosídicos, que no pueden ser asimilados a menos que sean descompuestos en sus componentes por una enzima especifica.

Ilustración 6 Enlace glicosídico. Se identifica el enlace que une a dos moléculas de glucosa liberando una molécula de agua (en amarillo) en su formación.

Existen dos formas de enlaces glucosídicos: los alfa y la beta dependiendo de la posición del grupo hidroxilo del carbono anomérico.

Ejemplo: el carbono anomérico o carbono 1 de la D-glucosa reacciona con el carbono 4 de la D-galactosa formando el enlace 1-4 de la D-lactosa. Cuando el carbono 1 de la D-glucosa se une con el carbono 2 de la D-fructosa se forma el enlace 1-2 de la D-sacarosa.

Ilustración 7 Tipos de enlaces glucosídicos. El primer disacárido representa a la sacarosa (glucosa-fructosa) con enlace 1-2-enlace glucosídico, la segunda estructura representa a la lactosa (glucosa-galactosa) con enlace 1-4-enlace glucosídico.

Algunos ejemplos de disacáridos son:

La lactosa, es el azúcar de la leche; la maltosa, también conocida como azúcar de malta, es un producto intermediario de la hidrolisis del almidón y no parece existir en forma libre en la naturaleza, es un disacárido con un enlace glucosídico entre dos moléculas de D-glucosa; la celobiosa es un producto de degradación de la celulosa, contiene dos moléculas de glucosa ligadas por un enlace glucosídico (1-4); y la sacarosa o azúcar común de mesa que se produce en las hojas y raíces de las plantas.

Polisacáridos.

Se identifican como aquellos carbohidratos más complejos puesto que están formados por varios mono o disacáridos.

El término oligosacárido se utiliza para polímeros de azucares relativamente pequeños que constan de dos a diez o más unidades de monosacáridos. Las moléculas de polisacáridos se utilizan como formas de almacenamiento de energía o como materiales estructurales y están formados desde cientos hasta miles de unidades de carbohidratos.

Los monosacáridos que conforman los oligosacáridos están unidos también por enlaces glucosídicos y la cadena formada puede ser lineal o ramificada. Los oligosacáridos más comunes están formados generalmente por D-glucosa, D-galactosa, D-manosa, N-acetil-D-glucosamina, N-acetil-D-galactosamina, acido siálico y fucosa.

Algunos ejemplos de polisacáridos son:

El almidón, que constituye una fuente de energía importante para los seres humanos, es una mezcla de dos polímeros, los cuales son: la amilopectina (80%), insoluble en agua y la amilosa (20%), soluble en agua. En ambos casos, son un homopolímero de la D-glucosa, donde los enlaces glucosídicos son -1,4’ en su mayoría y -1,6’ en menor proporción. Los encontramos en los granos de cereales, en las raíces comestibles tales como las papas, el cual se libera durante la cocción de los alimentos. La celulosa es un homopolímero de la D-glucosa y es soluble en agua. Los enlaces glucósidos del acetal son beta, lo que pone a los sustituyentes en posición ecuatorial, dando como resultado un polímero estable, forma parte de la madera y del algodón.

Ilustración 8 Estructura de la celulosa.  Se observan los enlaces glucosídicos que unen los monómeros de glucosa.

Los carbohidratos también pueden combinarse con otras biomoléculas como los ácidos nucleicos, los cuales contienen los carbohidratos ribosa y desoxirribosa como parte constituyente. Los oligosacáridos ramificados suelen estar unidos covalentemente a proteínas o a lípidos formando glicoproteínas y glucolípidos. La unión a proteínas sele ser de dos tipos: mediante enlaces N-glucosídicos, es decir, la unión a un grupo amida de la cadena lateral de asparagina y por enlaces O-glucosídicos, los cuales se presentan cuando se enlaza el carbohidrato con un grupo OH de la cadena lateral de los aminoácidos serina o treonina.

Unión N-glicosídica a una proteína	Unión O-glicosídica a una proteína

Ilustración 9 Unión de oligosacáridos a proteínas. Del lado izquierdo se muestra la unión N-glicosídica y del lado el lado derecho la O-glicosídica.

En el caso de los glucolípidos, estos se forman a partir de un enlace O-glicosídico con el grupo OH de un lípido.

Ilustración 10 Estructura de un glucolípido. Formado a partir de la unión de la glucosa y un lípido.