Estructura y composición de los carbohidratos Autor: Celene García 1
Presentación del curso Los carbohidratos incluyen azúcares simples (monosacáridos) y todas las moléculas grandes construidas de unidades de azúcar. Funcionan de manera primaria como almacenes de energía química y materiales de construcción durables para las estructuras biológicas. 2
1. Introducción Los carbohidratos incluyen azúcares simples (monosacáridos) y todas las moléculas grandes construidas de unidades de azúcar. Funcionan de manera primaria como almacenes de energía química y materiales de construcción durables para las estructuras biológicas. La mayoría de los azúcares tiene fórmula general (CH2O)n. los azúcares de importancia en el metabolismo celular poseen valores de n en los límites de tres a siete. Los azúcares que contienen tres carbonos se conocen como triosas, aquellos con cuatro carbonos como tetrosas, los que tienen cinco carbonos como pentosas, aquellos que tienen seis carbonos como hexosas y los que poseen siete carbonos se conocen como heptosas. 3
2. Estructura de los azúcares simples Cada molécula de azúcar se integra con una estructura de átomos de carbono unidos en un a disposición lineal por enlaces únicos. Cada uno de los átomos de carbono del esqueleto se conecta a un solo grupo hidroxilo, con excepción de uno que presenta un grupo carbonilo (C=O). Si el grupo carbonilo se localiza en una posición interna (para formar un grupo cetona), el azúcar es una cetosa. Si el carbonilo se halla en un extremo del azúcar, éste forma un grupo aldehído y la molécula se llama aldosa. Las fórmulas de cadena recta son útiles para comparar las estructuras de varios azúcares, pero no reflejan el hecho de que los que contienen cinco o más átomos de carbono sufren una reacción espontánea que las convierte en moléculas en forma de anillo. El anillo que crean los azúcares se representa como estructuras planas que permanecen perpendiculares al plano del papel con la línea más gruesa situada más cerca del lector. Los grupos H y OH se ubican en el plano del papel que se proyecta hacia arriba o abajo del anillo de azúcar. 4
3. Estereoisomerismo Un átomo de carbono puede unirse con otros cuatro átomos. En una molécula de gliceraldehído (aldotriosa), el segundo átomo de carbono está unido a cuatro grupos diferentes (-H, -OH, -CHO, y -CH2OH). Si los cuatro grupos enlazados a un átomo de carbono son todos diferentes, entonces existen dos posibilidades de configuración que no pueden superponerse. Estas dos moléculas (llamadas estereoisóm estereoisómeros o enantiómeros) poseen la misma reactividad química, pero desde el punto de vista estructural son imágenes especulares (no distintas de las manos derecha e izquierda). Por convención, la molécula se llama D-gliceraldehído si el grupo hidroxilo del carbono 2 se proyecta hacia la derecha y L-gliceraldehído si se proyecta a la izquierda. Debido a que actúa como sitio de estereoisomerismo, el carbono 2 se denomina átomo de carbono asimétrico. A medida que el esqueleto de las moléculas de azúcar aumenta de longitud, ocurre lo mismo con el número de átomos de carbono asimétrico, y por consiguiente con el número de estereoisómeros. Las aldotetrosas tienen dos carbonos asimétricos y por lo tanto pueden existir en cuatro configuraciones diferentes. De manera similar hay ocho aldopentosas y 16 aldohexosas distintas. La designación de cada uno de estos azúcares como D o L se basa por convención en la disposición de los grupos unidos al átomo de carbono asimétrico más alejado del aldehído (el carbono vinculado con el aldehído se designa como C1)si el grupo hidroxilo de este carbono se proyecta hacia la derecha, la aldosa es un D-azúcar; si se proyecta hacia la izquierda es un D-azúcar. 5
4. Unión de azúcares entre sí Los azúcares pueden unirse uno con otro por enlaces glucosídicos de tipo covalente para formar grandes moléculas. Los enlaces glucosídicos se forman por reacción entre el átomo de carbono C1 de un azúcar y el grupo hidroxilo del otro azúcar, con los cual se crea una unión ---C-O-C- entre los dos azúcares. Las moléculas unidas por sólo dos unidades de azúcares son los disacáridos. Los disacáridos sirven sobre todo como almacenes de energía disponible. La sacarosa (azúcar de mesa), es el mayor componente de la savia de las plantas y lleva la energía de una de sus parte a otra. La lactosa presente en la leche, suministra a los mamíferos recién nacidos el combustible para su crecimiento y desarrollo inicial. Los azúcares también forman cadenas llamadas oligosacáridos. A menudo estas cadenas se unen covalentemente a los lípidos y proteínas y éstas se convierten en glucolípidos y glucoproteínas, respectivamente. Los oligosacáridos son importantes en glucolípidos y glucoproteínas de la membrana plasmática, donde ellos se proyectan desde la superficie celular. 6
5. Polisacáridos Unidades de azúcar unidas mediante enlaces glucosídicos. Glucógeno y almidón: polisacáridos nutricionales. El glucógeno es un polímero ramificado que contiene sólo un tipo de monómero: glucosa. La mayoría de las unidades de azúcar de una molécula de glucógeno está unida una con la otra por enlaces del tipo alfa (1-4) glucosídicos. Los puntos ramificados contienen un azúcar unido a tres unidades vecinas más que a dos, como en los segmentos no ramificados del polímero. El vecino adicional, que forma la ramificación, está unido por un enlace de tipo glucosídico alfa (1-6). El almidón se dice que es también un polímero de glucosa, pero en realidad es una mezcla de dos polímeros diferentes, amilasa y amilopectina. Celulosa, quitina y glucosaminoglucanos: polisacáridos estructurales. Algunos polisacáridos constituyen almacenes de energía digeribles con facilidad, mientras que otros forman materiales estructurales resistentes y durables. Como el glucógeno y el almidón, la celulosa consiste de sólo dos monómeros de glucosa; sus propiedades difieren de manera notoria de estos otros polisacáridos debido a que las unidades de glucosa están unidas por enlaces tipo beta (1-4), no tanto de los enlaces tipo alfa (1-4). No todos los polisacáridos biológicos consisten en monómeros de glucosa. La quitina quitina es un polímero no ramificado del azúcar N -acetilglucosamina que es similar en estructura a la glucosa pero no tiene un grupo aminoacetilo en lugar de uno hidroxilo unido en el segundo carbono del anillo. La quitina es un material estructural muy distribuido entre los invertebrados, de manera particular en la cubierta externa de insectos, arañas y crustáceos. Es dura, resistente pero flexible. Otro tipo de polisacáridos con una estructura más compleja es el de los glucosaminogl glucosaminoglucanos (o GAG). A diferencia de otros polisacáridos, poseen la estructura -A-B-A-B-, en la que A y B representan dos azúcares diferentes. Los polisacáridos más complejos se encuentran en las paredes de las células de las plantas. 7
6. Biblografía Karp, Gerald. Biología Celular y Molecular, Conceptos y experimentos, 4ta. Ed. México, McGraw-Hill Interamericana, 2005, pp.46-56. 8