1. Esquema general de la molècula de glucosa, para explicar la deshidrataciòn en la prueba de Molish

Transcripción

1 REAIES DE LS ARBIDRATS. Reacción de Molish: Todos los carbohidratos tanto los monosacáridos como los disacáridos y polisacáridos reaccionan con -naftol, en presencia de ácido sulfúrico para formar sustancias complejas coloreadas. Esta reacción se utiliza para la identificación en general de los carbohidratos. El proceso se fundamenta en la deshidratación que experimentan los carbohidratos en presencia de ácidos minerales fuertes, como el ácido sulfúrico y el ácido clorhídrico. Después de deshidratado el carbohidrato se forma el complejo coloreado, porque el grupo carbonilo, del carbohidrato, se polariza produciendo un carbocatiòn que se estabiliza con los pares electrónicos libres del oxigeno del -naftol. Véase a continuación la descripción de la reacción. 1. Esquema general de la molècula de glucosa, para explicar la deshidrataciòn en la prueba de Molish 2. Las flechas señalan còmo se rompen los enlaces de los grupos - y de los hidrògenos. Ruptura catalizada por el àcido sulfùrico. Se liberan tres molèculas de - 2 S Molècula de glucosa Derivado del furfural 3. Reacciòn del derivado del furfural con el naftol -naftol omplejo coloreado 1

2 Reacción de Seliwanoff Esta reacción comprende la deshidratación del carbohidrato con ácido clorhídrico (ácido mineral fuerte) y la posterior reacción con el resorcinol para formar el complejo coloreado, como se muestra en la reacción presentada a continuación. Es una reacción que ocurre rápidamente con las cetosas, por lo que se utiliza para su identificación. 1. Esquema general de la molècula de fructosa, para explicar la deshidrataciòn en la prueba de Seliwanoff 2. Las flechas señalan còmo se rompen los enlaces de los grupos - y de los hidrògenos. Ruptura catalizada por el àcido clorhìdrico. Se liberan tres molèculas de - l Molècula de fructosa Derivado del furfural 3. Reacciòn del derivado del furfural con el resorcinol + Derivado del furfural omplejo coloreado de la fructosa 2

3 Formación de emiacetales y emicetales Las características estructurales de un hemiacetal, son un grupo y un grupo R, unidos al mismo átomo de carbono y éste carbono proviene de un aldehído. Para el caso del hemicetal, las características son las mismas, pero el carbono proviene de una cetona. En general los hemiacetales y los hemicetales se forman por la disolución de un aldehído o una cetona en un alcohol, donde se alcanza el equilibrio entre ambos compuestos con el hemiacetal o el hemicetal: R R + R' R R' + R Aldehído Alcohol emiacetal La mayoría de los hemiacetales de cadena abierta no pueden aislarse porque son muy inestables. Pero la mayoría de los hemiacetales y hemicetales cíclicos con anillos de cinco y de seis miembros son estables y los azúcares simples presentan éstas formas, debido a una reacción intramolecular del grupo aldehído o cetona con el hidroxilo del penúltimo carbono. Dglucopiranosa hemiacetal cíclico D-frutofuranosa hemicetal cíclico Formación de glucósidos (acetales) y fructósidos (cetales). Se obtienen por la reacción del carbohidrato con un alcohol en medio ácido. Los acetales y cetales se caracterizan por tener dos grupos R, unidos al mismo átomo de carbono. Los acetales de los carbohidratos se denominan glucósidos, si se derivan por ejemplo de la glucosa (si el carbohidrato original fuera manosa, se llamaría manósido) y los cetales por ejemplo de la fructosa, se denominan fructósidos. Estos compuestos son estables en soluciones acuosas básicas pero en soluciones ácidas se hidrolizan para dar lugar a un azúcar y a un alcohol. Ejemplo: 3

4 D-(+)-glucosa l alfa-d-glucopiranosido de metilo beta-d-glucopiranosido de metilo Papel del ácido clorhídrico: Actúa como un catalizador: 1) protona el hidroxilo de la glucosa, uniéndose a los pares electrónicos libres de oxigeno. En el producto de la reacción, se observa el oxígeno protonado, soportando una carga positiva. omo el oxígeno es muy electronegativo, el enlace carbono oxígeno se debilta: + l + + l - 2. Al debilitarse el enlace oxígeno-carbono, se rompe para estabilizar el oxígeno y produce agua. El metanol estabiliza al carbocatión, uniéndose a través de los pares electrónicos libres del oxígeno y se regenera el l, que intervino en el proceso, para facilitar la reacción, pero al finalizar la misma aparece sin cambio l - 3 catalizador + l + En solución ácida los glucósidos se hidrolizan para formar nuevamente el azúcar y el alcohol, el alcohol que se obtiene del glucósido se denomina aglicona. Muchos compuestos que existen en forma natural son glucósidos, por ejemplo la salicina un compuesto con efecto analgésico que se extrae de la corteza del sauce. 4

5 carbohidrato aglicona Isomerización. Los monosacáridos en medio básico conducen a la formación de tautómeros (isómeros funcionales que se encuentran en equilibrio cetoenol) que seguidamente se transforman en D-manosa y D-fructosa pasando por la forma enediol un doble enlace en medio de dos grupos hidroxilo). La reacción se conoce como transformación de Lobry de Bruyn-Alberda van Ekenstein, en honor a los dos químicos holandeses que la descubrieron en D-glucosa Ión enolato D-manosa Tautomerización D-fructosa Enediol 5

6 xidaciones: Las reacciones de oxidación de los carbohidratos se utilizan para identificar los grupos funcionales, determinar sus estructuras y sintetizarlos. Estas reacciones se pueden agrupar en cuatro grandes clases: Reacciones con los reactivos de Tollens, Fehling, Benedict. Reacciones con agua de bromo Reacciones con ácido nítrico Reacciones con ácido periódico Reacciones con los reactivos de Tollens, Fehling, Benedict. Las aldosas y las cetosas frente a agentes oxidantes como: los reactivos de Tollens (Ag ( )/-), Fehling (u+2/-/tartrato de sodio y potasio) y Benedict (u+2/-/citrato de sodio) se oxidan y generan productos oxidados muy variables, debido a la isomerización de éstos carbohidratos en medio alcalino. El ion cúprico, U+2, se reduce hasta óxido cuproso, u2, de color rojo. Los carbohidratos que dan ésta prueba positiva, se clasifican como carbohidratos reductores (azúcares reductores). Los glucósidos no dan la prueba, tampoco reaccionan aquellos carbohidratos donde el carbono anomérico presenta un enlace con moléculas diferentes, por ejemplo en la salicina. Ag( 3 ) Ag productos de oxidación una aldosa u +2 - /tartrato de sodio y potasio - /citrato de sodio u2 + productos de oxidación(1) oxido cuproso una cetosa (1): los productos de oxidación corresponden a la oxidación en el carbohidrato, del grupo aldehido a grupo ácido carboxílico, pero por el medio alcalino, las aldosas y cetosas han experimentado isomerización, entonces se obtiene una mezcla de éstos isómeros oxidados. Reacciones con agua de bromo. El agua de bromo es una solución oxidante, ligeramente ácida (p 6), por lo que los monosacáridos no experimentan reacciones de isomerización. El reactivo en referencia, oxida selectivamente el grupo aldehído, -, de las aldosas a grupo, formando los ácidos adónicos (gluconicos, galactonicos, otros). Experimentalmente se ha demostrado que el agua de bromo oxida específicamente a el anómero, formando inicialmente una -aldonolactona. Este compuesto se hidroliza a ácido adónico el cual experimenta a continuación el cierre del anillo para formar la - aldonolactona. Ejemplo de la reacción para la -dgalactopiranosa: Br 2 2 carbono D-galactopiranosa D-galacto-lactona Acido-D-galactónico D-glucono-lactona 6

7 Reacciones con ácido nítrico. El 3 concentrado, otro oxidante más fuerte que el agua de bromo, oxida los dos extremos del carbohidrato (la aldosa), formando los ácidos aldáricos (glucarico, galactarico, entre otros). Ejemplo de la oxidación de la glucosa: 3 concentrado D-glucosa Acido-D-glucárico on ácido nítrico diluido se oxida solamente el extremo inferior de la molécula y se forman los ácidos urónicos (glucurónico, galacturónico, otros). 3 diluido D-glucosa Acido-D-glucurónico on ácido periódico, I 4, en los carbohidratos ocurre una partición oxidativa. Por cada enlace -, que se rompe se forma un enlace - en cada carbono. ada uno de los grupos internos --, del carbohidrato se transforman en ácido fórmico y cada uno de los grupos 2, se transforman en formaldehido. Los grupos = de las cetosas se transforman en 2. En la oxidación del gliceraldehido con I 4, se generan por ejemplo dos equivalentes molares de ácido fórmico y un equivalente molar de formaldehído en cambio en la dihidroxiacetona se forman dos equivalentes de formaldehído y un equivalente de 2 : acido fórmico ácido fórmico formaldehido D-gliceraldehido 7

8 formaldehido dióxido de carbono formaldehido dihidroxiacetona Formación de osazonas. Las aldosas y las cetosas reaccionan con 2,4-dinitro fenilhidrazina, formando osazonas, con la perdida de un estereocentro. La glucosa, la manosa y la fructosa conducen a la formación de la misma osazona ,4-DF ,4-DF D-glucosa 2,4-dinitrofenilosazona de la glucosa D-manosa idrólisis. Los disacáridos y los polisacáridos experimentan reacciones de hidrólisis. Los disacáridos como la sacarosa se hidrolizan en medio acido con la enzima sacarasa o invertasa convirtiéndose en -D-glucosa y -D-fructosa. La hidrólisis del almidón se efectúa por medios ácidos o por enzimas del tipo amilasa que se encuentran tanto en las plantas como en los animales. La -amilasa, actúa sobre la molécula de almidón pero se detiene en las ramificaciones de la amilopectina y deja sin atacar el 30 a 40% del almidón (dextrina limite). Las -amilasas atacan uniones centrales e hidrolizan al almidón en fragmentos de seis a siete unidades. Para obtener la hidrólisis mas completa de la amilopectina es necesaria otra enzima, la amilo-1,6-glucosidasa que fragmenta la molécula a nivel de la ramificación. Las amilasa más importantes para el hombre son la amilasa de la saliva y del jugo pancreático. 8

9 La hidrólisis ácida del glucógeno libera glucosa cuantitativamente. El glucógeno también es atacado por la -amilasa y forma dextrinas límite y maltosa; para lograr la degradación enzimática completa también se necesita la amilo-1,6-glucosidasa. Los ácidos fuertes como el l y el 2 S 4, concentrados hidrolizan a los polisacáridos hasta monosacáridos y sobre estos últimos actúan deshidratándolos. El producto de deshidratación es un derivado del furfural que forma fácilmente complejos coloreados con el naftol y con el resorcinol (reaccione de Molish y Seliwanoff). Estas reacciones se utilizan para la identificación cualitativa de los carbohidratos. Formación de ésteres. El grupo hidroxilo de los azucares se acopla con distintos ácidos y forma ésteres de importancia biológica, como los esteres fosforilados. Los azucares deben ser fosforilados para que la maquinaria metabólica de las células logre su oxidación. tros ésteres se forman con facilidad por la reacción de los azucares con el anhídrido acético en presencia de piridina y a 0. Ejemplo de la fosforilaión de la galactosa: ATP Kinasa ADP P - - D-galactopiranosa D-galactopiranosa-1P Reducción. Las aldosas y las cetosas se reducen con hidrógeno en presencia de íquel o de Platino y también con otro reductor como el borohidruro de sodio, nab 4 para formar alditoles (compuestos polihidroxidados), a partir de la glucosa se obtiene el glucitol. Síntesis de los monosacáridos. (Síntesis de Killiani Fisher). Es una reacción de alargamiento de la cadena que permite la obtención de los carbohidratos a partir del carbohidratos más sencillo el gliceraldehido. omprende las reacciones siguientes: a) reacción con acido cianhídrico,, para formar un nitrilo (adición núcleofilica) b) hidrólisis del nitrito formado, con hidróxido de bario, Ba() 2 en presencia de agua, de esta forma el grupo nitrilo se oxida hasta acido carboxílico. c) a partir del producto de (b) se forma en equilibrio la -lactona (conocidas en el metabolismo como -aldonolactonas) d) el producto anterior se reduce con una amalgama de a-g/ 2 y a un p=3.5, formándose el carbohidrato correspondiente. LA REAIÒ DE KILLIAI FISER Permite obtener dos carbohidratos isòmeros, a partir de dos moles de un sòlo carbohidrato, con menor nùmero de átomos de carbono. 9

10 En el ejemplo siguiente, partiremos de la D- arabinosa, una aldopentosa para obtener dos aldohexosas. El proceso comprende las etapas siguientes: Primera etapa: El grupo carbonilo de la arabinosa (- = ), se polariza (los electrones pi se deslocalizan sobre el oxígeno). Es importante considerar que éste carbono con hibridación sp2, tiene una geometría plana y en consecuencia puede experimentar reacción con la misma probabilidad, por el lado derecho que por el lado izquierdo. El oxígeno negativo, atrae al hidrógeno (), presente en el ácido cianhídrico,. Se producen dos moles, una donde el hidroxilo (del carbono sobre el cual ocurre la reacción) se encuentra a la derecha y otra donde el hidroxilo se encuentra a la izquierda. bserve que éste átomo ya no posee doble enlace y queda cargado positivamente (carbocatiòn) D-arabinosa Acido cianhìdrico Productos intermedios Aniòn cianuro (dos moles) (dos moles) (carbocatiòn) (dos moles) Segunda etapa: Es una reacción de adición nucleofìlica. 10

11 Partiendo de los carbocationes formados en la primera etapa, el anión cianuro (nucleofilo), se adiciona al carbocatiòn, a través de sus pares de electrones libres, y forma dos moles de polihidroxinitrilo. bserve que en estas moléculas, se ha alargado la cadena inicial de átomos de carbono (era de cinco), y en total se tienen seis átomos de carbono: Molèculas de polihidroxinitrilo, formadas por adiciòn nucleofìlica El àtomo de carbono señalado en rojo, al iniciar la reacciòn, era un carbono de geometria plana, con hibridaciòn sp2. Ahora es un carbono con geometria tetrahedrica y cuatro sustituyentes diferentes, por lo tanto un nuevo centro quiral. Tercera etapa: Los nitrilos se oxidan fácilmente con hidróxido de bario, Ba ()2, en medio ácido, produciendo los adónicos correspondientes: 11

12 Ba()2 + + Estos hidroxiàcidos, en presencia del àcido mineral (catalizador), experimentan con facilidad la reacciòn intramolecular, para formar las -lactonas (èsteres cìclicos). El hidroxilo del carbono delta, dona el protòn a el oxigeno del grupo carbonilo y se forma el carbocatiòn. El oxìgeno que queda negativo, estabiliza el carbocatiòn, cerrando el ciclo El ciclo formado, lactona, alcanza el equilibrio con la forma abierta 2 2 -glucolactona -manolactona uarta etapa: Los hidroxiácidos de la etapa anterior, se reducen en presencia de una amalgama de sodio, agua y un p de 3,5. De ésta forma finaliza la reacción y se obtienen los 12

13 carbohidratos correspondientes. A continuación se muestra la reacción de reducción, partiendo de los hidroxiácidos, obtenidos en la tercera etapa. El grupo àcido, se reduce hasta grupo aldehido, formando los carbohidratos, que entre si son epìmeros a-g p = 3,5 2 D-glucosa D-manosa DEGRADAI DE RUFF REDUI DE LA ADEA DE ARBIDRATS Degradación de ruff. En esta reacción se acorta se acorta la cadena de los carbohidratos generando nuevas especies. omprende: a) una oxidación del carbohidrato con Br 2 / 2, para formar el acido adónico correspondiente b) la descarboxilacion del acido adónico con peróxido de hidrógeno, 2 2 y sulfato ferroso, FeS 4. En ésta reacción, al contrario de la síntesis de Killiani, la cadena carbonada de los carbohidratos, se acorta. Por lo tanto por ejemplo, a partir de una pentosa (cinco átomos de carbono) se obtiene una tetrosa (cuatro átomos de carbono). Analicemos el ejemplo, a partir de la D-ribosa. En la reacción se consideran dos grandes etapas. Etapa Uno: El carbohidrato se oxida con agua de bromo (Br 2 / 2 ). 13

14 Recordemos que éste oxidante actúa selectivamente sobre los grupos aldehído y en consecuencia solamente se oxida el carbono número uno, hasta ácido carboxílico. Se forma el ácido adónico correspondiente. Ejemplo a partir de la D-ribosa (una aldopentosa) en presencia de Br2/2, se obtiene el ácido ribònico (ácido adónico). Br 2 2 D-ribosa (una aldopentosa) Acido-D-ribònico (un àcido aldònico) Etapa dos El ácido D-ribònico, en presencia de sulfato férrico (Fe 2 (S 4 ) 3 ), peróxido de hidrógeno ( 2 2 ) y agua experimenta dos procesos: 1. Se descarboxila, pierde el grupo carboxílico como 2 2. El carbono vecino al grupo ácido se oxida hasta aldehído, generándose el nuevo azúcar. grupo carboxìlico carbono vecino al grupo carboxìlico Fe +3, Acido D-ribònico Diòxido de carbono D-eritrosa (una aldotetrosa) 14

15 BIBLIGRAFIA Lehninger Albert. Principios de Bioquímica. Editorial mega. ISB: ISB-13: Barcelona España Mathews., Van olden K., Aheom K. Bioquímica. Addison Wesley. ISB: ISB US ew York Macarulla J.M. y Goñi F.M. Bioquímica umana. urso básico. Editorial Reverté. ISB: ISB-13: España Devlin T. Bioquímica. Libro de texto con aplicaciones clínicas. Editorial Reverté. ISB: ISB-13: España