Capítulo

13

Química de los carbohidratos Alfonso Cárabez Trejo, Anahí Chavarría Krauser

Contenido

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Clasificación Monosacáridos simples Monosacáridos derivados Reacciones de los monosacáridos Otras reacciones de los monosacáridos Disacáridos Reacciones de los disacáridos Polisacáridos Glucoproteínas Proteoglucanos

Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la Tierra y tienen varias funciones en los seres vivos. Sirven como almacén de energía, combustibles e intermediarios metabólicos. Algunos carbohidratos, como el almidón en los vegetales y el glucógeno en los animales, pueden liberar con rapidez glucosa, el combustible energético primario indispensable para las funciones celulares. Un gran número de moléculas contienen carbohidratos, por ejemplo el ATP, la unidad biológica de energía libre; y coenzimas como NAD+, FAD y CoA, entre otras. Dos carbohidratos, ribosa y desoxirribosa, forman parte importante 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 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 carbohidratos están unidos a muchas proteínas (glucopro-

teínas) y lípidos (glucolípidos) dando lugar a complejos en las membranas celulares, a las cuales confieren propiedades que se manifiestan, por citar sólo un caso, en los fenómenos de reconocimiento intercelular. Un ejemplo muy claro de la participación de los carbohidratos en funciones biológicas es la fecundación, en donde el espermatozoide se une a un oligosacárido específico de la superficie del óvulo. También los carbohidratos, a través del proceso de reconocimiento, son participantes importantes en el desarrollo y la reparación de los tejidos. Para comprender la importancia biológica de los carbohidratos en el metabolismo celular, resulta conveniente 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 carbohidratos, lípidos y proteínas en conjunto. A pesar de la gran cantidad ingerida de carbohidratos, constituyen una pequeña porción del peso corporal, lo que indica que son objeto de un elevado recambio y metabolismo. Los carbohidratos, o hidratos de carbono, se conocen también como azúcares, sacáridos o glúcidos; son compuestos orgánicos formados por carbono, hidrógeno y oxígeno; en algunos tipos de carbohidratos participan también azufre y nitrógeno. Desde el punto de vista químico, se definen como derivados aldehídicos o cetónicos de alcoholes polihídricos.

Clasificación Cuando por hidrólisis ya no es posible fragmentar una 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), el compuesto se conoce como monosacárido o azúcar simple; el nombre de estos compuestos termina con osa, y la fórmula general es: Cn(H2O)n

Las moléculas más simples que cumplen con esta definición son el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (figura 13-1). El grupo carbonilo, aldehído o cetona presente en los carbohidratos define la existencia de dos tipos: las aldosas y las cetosas. El nombre particular de cada carbohidrato depende del número de átomos de carbono presentes en la molécula; por ejemplo, las triosas son moléculas de carbohidrato que están constituidas por tres átomos de carbono (3 C). Se aplica un razonamiento similar a las tetrosas (4 C), pentosas (5 C), hexosas (6 C), etcétera (cuadro 13-1). La sustitución de alguno de los grupos funcionales (aldehído, cetona o alcohol) de un monosacárido por otro grupo funcional (p. ej., amino o carboxilo) da lugar a azúcares derivados. Si el grupo funcional alcohol primario reacciona con un ácido, se forman los ésteres correspondientes. En bioquímica los ésteres más importantes son los que se forman con ácido fosfórico, en una reacción que da como resultado azúcares fosforilados, por ejemplo, la ribosa 5-fosfato y la glucosa 6-fosfato. Cuando se ligan dos moléculas de monosacárido, iguales o diferentes, por medio de una unión glucosídica, se forman los disacáridos. Lactosa, maltosa y celobiosa son disacáridos con propiedades reductoras, debido a que contienen un grupo carbonilo libre. La sacarosa también es un disacárido, pero es un azúcar no reductor, ya que no presenta un grupo carbonilo libre. La hidrólisis de los disacáridos libera dos moléculas de monosacárido; cada una de ellas es un azúcar reductor. Los oligosacáridos están formados por 3 o hasta algunas decenas monosacáridos unidos entre sí por enlaces glucosídicos; en las células suelen unirse a proteínas y lípidos

Cuadro 13-1. Clasificación de los carbohidratos. Los nombres en cursiva se refieren a ejemplos comunes de cada grupo I. Monosacáridos simples Aldosas

Cetosas

A. Triosas

gliceraldehído

dihidroxiacetona

B. Tetrosas

eritrosa

eritrulosa

C. Pentosas

ribosa

ribulosa

D. Hexosas

glucosa

fructosa seudoheptulosa

E. Heptosas II Monosacáridos derivados A. Ésteres

glucosa 6-fosfato

B. Azúcares alcoholes

glicerol

C. Azúcares ácidos

ácido glucurónico

D. Azúcares aminados

glucosamina

III. Oligosacáridos A. Disacáridos

sacarosa

B. Trisacáridos IV. Polímeros (de un monosacárido) A. Almidón B. Glucógeno C. Celulosa V. Glucosaminoglucanos A. Ácido hialurónico B. Condroitín 4-sulfato C. Condroitín 6-sulfato D. Dermatán sulfato E. Heparán sulfato G. Queratán sulfato

H H

C

O

H

C

O

H

C*

OH

HO

C*

H

H

C

OH

H

C

OH

H D-Gliceraldehído

H L-Gliceraldehído

H

H

C

OH

C

O

C

OH

H Dihidroxiacetona

Figura 13-1. Nótese que el carbono central del gliceraldehído* es asimétrico; es decir, tiene sus cuatro valencias saturadas por distintos átomos o radicales (H — C = O arriba, H, y OH a los lados, y CH2 — OH abajo). Esta estructura le permite tener dos estereoisómeros, el D y el L, dependiendo de la posición del H y el OH vecinos del alcohol primario, —CH2OH. En las células predominan los azúcares derivados del D-gliceraldehído. La dihidroxiacetona no tiene carbono asimétrico.

VI. Carbohidratos con proteínas Glucoproteínas

Receptores de hormonas

Proteoglucanos

formando glucoproteínas y glucolípidos. Los polisacáridos, también llamados glucanos, están constituidos por un mínimo de 10 hasta muchos miles de moléculas de monosacárido; la fórmula general para los polisacáridos de mayor importancia es (C6(H2O)5)n, que corresponde a un polímero de hexosa, u homopolisacárido. Algunos de estos polímeros son la celulosa, el glucógeno y el almidón; los tres son homopolímeros de glucosa (cuadro 13-1). La inulina es un homopolímero de la fructosa. Cuando la unidad monomérica de monosacárido es variable, se ob-

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F. Heparina

Química de los carbohidratos 203 tienen heteropolisacáridos, como el agar-agar, el mucílago, la mucina y las gomas vegetales. Cuando los azúcares que contienen al polisacárido contienen nitrógeno, se obtienen mucopolisacáridos como heparina, condroitín-sulfato, ácido hialurónico y quitina. Algunos otros compuestos derivados de carbohidratos son ácido siálico, vitamina C, estreptomicina, inositol, ácido glucurónico, sorbitol y xilitol.

Monosacáridos simples

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Estructura El estudio de la estructura y las propiedades fisicoquímicas generales de los carbohidratos toma muy en cuenta y se inicia con el análisis de las triosas ya mencionadas (figura 13-1). Sin embargo, por simplificación y por su importancia en bioquímica, en esta obra se hace un estudio breve de la molécula de glucosa. La información inicial química sobre la glucosa mostró un compuesto formado por seis carbonos, 12 hidrógenos y seis oxígenos, o sea, seis carbonos hidratados, C6(H2O)6; de ahí el nombre de carbohidratos. Al comprobarse que no eran carbonos hidratados, la fórmula se representó como C6H12O6. Más adelante se comprobó que se trataba de una molécula lineal con diferentes funciones químicas. La fórmula desarrollada más simple de la glucosa muestra una molécula de cadena al parecer recta, con cinco carbonos ocupados por funciones alcohólicas y uno con una función aldehído (figura 13-2). Más adelante, se hizo evidente que existían varias moléculas distintas a la glucosa, con propiedades similares a ésta y con la misma fórmula desarrollada que se presenta en la figura 13-2. A lo largo de esta sección se muestran fórmulas de la glucosa que sólo corresponden a la propia glucosa y que 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.

Carbono número: 1 *CHO

Aldehído

2 CHOH 3 CHOH 4 CHOH

4 alcoholes secundarios

5 *CHOH 6 *CH2OH

Los carbonos 2, 3, 4 y 5 de la glucosa (figura 13-2) son asimétricos (la definición de asimetría del carbono se encuentra en el pie de la figura 13-1), por lo que el número de posibles isómeros es 2n, donde n representa el número de carbonos asimétricos en el compuesto; es decir, hay 16 isómeros que pueden tener esa estructura. Tres ejemplos muy comunes en la naturaleza son d-glucosa, d-galactosa y d-manosa, cada una con su arreglo espacial característico (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 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). Configuración espacial de los monosacáridos. La fórmula lineal de la glucosa no explica algunas de sus propiedades, que sí se explican cuando se le representa como una estructura lineal pero transformable a una forma cíclica, a través de la formación de un enlace hemiacetal interno entre el carbonilo del carbono 1 y el alcohol del carbono 5. De esta manera, el carbono 1 se convierte en un nuevo centro de asimetría al poseer cuatro sustituyentes distintos; por lo tanto, da lugar a dos nuevos isómeros, llamados anómeros, el a y el b, en donde el carbono 1 se denomina anomérico (figura 13-5). Una solución de glucosa en agua contiene en equilibrio dinámico 34% de la forma a y 66% de la b, además de una muy pequeña proporción de la forma aldehídica lineal. Debido a que un ciclo de seis miembros, en el que uno de ellos es un átomo de oxígeno, se parece al núcleo heterocíclico del pirano, esta forma de hexosa se denomina piranósica; así, la forma cíclica de la glucosa constituye la glucopiranosa (figura 13-6). Haworth representó esta estructura en perspectiva, con los grupos H y OH colocados convencionalmente arriba o abajo del plano del anillo. En esta convención, los grupos OH de los átomos de los carbonos 2 y 4, que en la forma lineal se representan en el lado derecho, se

H

C

O

H

C

O

H

C

O

H

C

OH

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

HO

C

H

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

H

1 alcohol primario

Figura 13-2. Fórmula desarrollada más simple de la glucosa. Los carbonos marcados con un asterisco corresponden a los tres carbonos del gliceraldehído.

D-Galactosa

H D-Glucosa

H D-Manosa

Figura 13-3. Fórmula lineal de las tres aldohexosas más importantes en bioquímica.

204 Bioquímica de Laguna O

O

H

HCOH

OH

H

H

OH

H

OH

H

OH

CH

CH CH

CH

HCOH HCOH

O HO

CH1CH2OH

HCOH

CH2

Hexopiranosa

Pirano

Figura 13-6. Fórmula cíclica de una hexopiranosa y comparación con la molécula del pirano.

Figura 13-4. Fórmula lineal de la cetohexosa más frecuente en la naturaleza: la fructosa.

de tipo furanosa (figura 13-9). Otros ejemplos comunes de pentosas se muestran en la figura 13-10.

Monosacáridos derivados

H

H

OH

C

C

HCOH

HCOH HOCH

HO O

O

HCOH

HOCH HCOH

α-D-Glucosa ( 113°)

CH2OH Forma lineal

La reducción de las aldosas y las cetosas convierte el grupo aldehídico o cetónico en un alcohol, –CH2OH, y el monosacárido en un alcohol polihidroxílico. Así, de la d-glucosa se obtiene d-sorbitol. Otro ejemplo de este tipo de alcoholes es el glicerol, importante por formar parte de los triacilglicéridos y varios fosfolípidos (figura 13-11). Hay otros alcoholes, como los ciclitoles; el más abundante en la naturaleza es el meso-inositol (figura 13-12), que forma parte de algunos fosfolípidos; y en su forma fosforilada se le han adscrito funciones de “mensajero” en 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, manitol y sorbitol son los más frecuentes azúcares alcoholes utilizados para endulzar alimentos como goma de mascar

HCOH HOCH

6

O

CH2 OH

HCOH HC

HC CH2OH

H C

Azúcares alcoholes

CH2OH β-D-Glucosa ( 19.7°)

H 4

HO

5

HO OH

3

H

CH2OH O H

H 1

H 2

OH

OH

α-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 cetónica del carbono 1 reaccionan y dan lugar a un grupo funcional, el hemiacetal. Así se establece un puente de oxígeno entre los carbonos 1 y 5, por lo que el carbono 1, ahora asimétrico, permite la existencia de dos nuevos isómeros (anómeros), el a y el b.

HO

O OH

H OH

H

H

OH

1

H

β-D-Glucopiranosa

Figura 13-7. Representación de Haworth de los anómeros a y b de la glucosa, en su forma cíclica, como glucopiranosa. La molécula de la izquierda tiene numerados los carbonos para su comparación con la fórmula lineal. La molécula de la derecha sólo tiene numerado el carbono anomérico, el 1.

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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 la posición hacia arriba o hacia abajo del H y el OH en el carbono 1 (figura 13-7). Los estudios con difracción de rayos X revelan en un solo plano los azúcares con anillos de cinco miembros (furanósicos), mientras que los anillos de seis miembros están dispuestos en forma de “bote” o de “silla” (figura 13-8). En general, se usan las fórmulas más sencillas, como las de la figura 13-5 y la de Haworth (figura 13-7). Las pentosas, las hexosas e inclusive los disacáridos lactosa y maltosa, son azúcares con estructuras cíclicas. En la fructosa se forma un puente de oxígeno entre los carbonos 2 y 5, por lo que dicho azúcar se asemeja al furano, y es un azúcar

Química de los carbohidratos 205 H

H HO

HO

H HO

OH

H

H

O

CH2OH

HO

H

H

6

4

O

CH2OH

H

2

15

3

OH

1

H

OH

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 dientes, ya que no puede ser procesado por las bacterias de la boca y de esta manera ayuda a reducir las caries.

En los mamíferos, el ácido glucurónico se combina con diversos compuestos poco solubles en agua; a través 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 bilirrubina, así como varios fármacos y compuestos tóxicos. El ácido glucurónico forma parte de diversos polisacáridos, como los ácidos condroitín-sulfúrico y mucoitín-sulfúrico, componentes de las sustancias fundamentales del tejido conectivo y de la heparina, un anticoagulante sanguíneo. Ácido ascórbico. Uno de los azúcares ácidos de mayor importancia bioquímica es el ácido ascórbico, o vitamina C, presente en las hortalizas verdes y en los cítricos. Es esencial para el ser humano, y su carencia produce el escorbuto. Sus propiedades ácidas provienen de la ionización de los hidrógenos de sus OH enólicos. Se oxida con facilidad y se convierte en ácido l-dehidroascórbico, biológicamente activo (figura 13-14).

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Azúcares ácidos La oxidación de las aldosas ocurre a nivel del grupo aldehídico o del grupo alcohólico del carbono 6, o en ambos sitios, por lo que pueden formarse tres tipos de derivados oxidados: Ácidos aldónicos. Cuando se oxida el grupo aldehídico de una aldosa, se convierte en un grupo carboxilo (ácido), COOH, formando así los ácidos aldónicos; la glucosa forma el ácido glucónico, y la manosa, el ácido manónico, entre otros. Ácidos sacáricos. En un grado más avanzado de la oxidación en que se forman grupos ácidos tanto en el aldehído como en el alcohol primario, se producen ácidos dicarboxílicos, llamados genéricamente sacáridos. Ácidos urónicos. Cuando la oxidación de la aldosa sólo forma un grupo carboxílico en el alcohol primario y se conserva intacto el aldehído, se obtiene un ácido urónico, de los cuales el más importante es el ácido d-glucurónico (figura 13-13).

Desoxiazúcares En algunos azúcares, la pérdida del oxígeno de una función alcohol forma los desoxiazúcares; un buen ejemplo es la d-2-desoxirribosa, componente de los ácidos nucleicos.

CH2OH C 6

HOH2C H

5

O

1

HO

H

4

CH2OH 2

OH

OH

H

3

α-D-Fructofuranosa

O

HOCH HCOH HC OH CH2OH Forma lineal Figura 13-9. Representación de la fructosa.

1

6

HOH2C 5

H H

4

O

OH HO

2

CH2OH

OH

H

3

β-D-Fructofuranosa

206 Bioquímica de Laguna

4

H 3

O

H

OH

HOH2C

1

O

H

H

OH

H

2

OH

OH

H 2

OH H

H

H HO

D-2-Desoxirribosa

D-Ribosa

Figura 13-10. Representación de Haworth de las pentosas presentes en los ácidos nucléicos.

Azúcares fosforilados Son muy importantes los formados entre uno o más grupos hidroxilo de un monosacárido y el ácido fosfórico, como los de la figura 13-15. Las pentosas d-ribosa y d-desoxirribosa se combinan con ácido fosfórico a través de uniones ésteres y así intervienen en el metabolismo de las hexosas y de las pentosas. Además, están presentes en las moléculas de los nucleótidos libres como el ATP y de los ácidos nucleicos.

Aminoazúcares Cuando uno o varios grupos OH de los azúcares se sustituyen por grupos amino, NH2, se forman los aminoazúcares, como la glucosamina y la galactosamina, en las cuales suele estar acetilado el grupo amino (figura 13-16). La glucosamina forma parte de las glucoproteínas presentes en la sustancia fundamental del tejido conectivo, por lo que su administración oral se prescribe a menudo para el tratamiento de la osteoartritis, ya que es un precursor de los glucosaminoglucanos del cartílago. La galactosamina puede formar ciertas glucoproteínas con funciones hormonales como las hormonas foliculoestimulante o luteinizante; también forma parte de las proteínas del cartílago. 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-acetilneuramínico; éste último y sus derivados son llamados genéricamente ácidos siálicos. El ácido N-acetilmurámico 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 de las células de los animales superiores. Un ejemplo de ello son los gangliósidos, que son glucoesfingolípidos de las membranas neuronales, por lo que resultan fundamentales para el funcionamiento y desarrollo cerebrales.

OH

H OH H

H HO

OH

H

H OH

Figura 13-12. Molécula del meso-inositol o mioinositol.

Reacciones de los monosacáridos La información sobre las reacciones generales y particulares de los monosacáridos puede consultarse en libros especializados. Aquí sólo se revisa brevemente la formación de los glucósidos. Formación de glucósidos. Cuando un aldehído reacciona con un alcohol, se forma un hemiacetal (figura 1318). 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 anomérico 1 de la glucosa se combina con el metanol para dar el metil-glucósido correspondiente (figura 13-19). Si al grupo OH del carbono anomérico del monosacárido se une al grupo hidroxilo de otro monosacárido, genera un disacárido; si se une a una molécula que no es un carbohidrato, forma un glucósido; en ambos casos, la unión se denomina glucosídica. La porción de la molécula no azúcar se llama aglicona o aglucona y puede ser tan sencilla como el CH3 del metanol, o tan compleja como la formada por los glucósidos cardiacos de la digital, fármacos de gran uso en medicina, como la estreptosa constituyente del antibiótico estreptomicina y la digoxina, utilizada como agente terapéutico en la insuficiencia cardiaca, entre otros.

Otras reacciones de los monosacáridos Ciertos carbohidratos, en un medio fuertemente alcalino y en presencia de oxígeno o de diversos agentes oxidantes (Cu2+, Ag+, entre otros), dan las llamadas reacciones de

COOH

H2C

OH

HC

OH

H2C

OH

Figura 13-11. Molécula del glicerol.

H HO

O OH

H OH

H

H

OH

H

Figura 13-13. Representación de Haworth del ácido D-glucurónico.

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HOH2C

Química de los carbohidratos 207 O

C

HO

C

HO

C

O

O

C

O

C

O

C

O

HC

HC

HOCH

HOCH

2H

reducción, que dependen de la existencia de un grupo carbonilo libre como el presente en la glucosa, galactosa, fructosa, maltosa y lactosa, y ausente en la sacarosa, por lo que ésta es el típico azúcar no reductor.

2e

Disacáridos

CH2OH

CH2OH

Entre los disacáridos formados por la unión de un OH 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. La maltosa es el resultado de la unión glucosídica de dos

Ácido dehidroascórbico

Ácido ascórbico

Figura 13-14. Fórmulas de los ácidos ascórbico y dehidroascórbico.

H2C H HO

P

O

H2C

O OH

H OH

H

H

OH

HO

H

H

Glucosa-6-fosfato

OH

H OH

H

H

OH

P

P

O O

O

H2C

O H2C HO

H

H

H

O

P

OH H

OH

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 H HO

H2COH O OH

H OH

H

H

NH2

HO

H

H

O OH

H OH

H

H

NH

H

C

O

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CH3 β-D-Acetilgalactosamina

β-D-Glucosamina

Figura 13-16. Representaciones de Haworth de aminoazúcares.

H2C

O OH

H HO CH3 Ácido de 3 carbonos

H

C

OH

O

H

H

NH

H

C

Grupo amino O

CH3

COO Figura 13-17. Fórmula desarrollada del ácido N-acetil-murámico.

208 Bioquímica de Laguna

R

C

tica o no enzimática. La hidrólisis por medio de enzimas es específica para los monosacáridos constituyentes y para el enlace que los une, sea α o β. Un ejemplo de ello es la hidrólisis de la sacarosa por acción de la sacarasa intestinal. La hidrólisis no enzimática puede llevarse a cabo por medio de ácidos diluidos.

H O + H

O

CH 3

R

OH

C O

Metanol

CH3

Figura 13-18. Formación de un hemiacetal a partir de un aldehído y el alcohol metanol.

moléculas de α-d-glucosa, en donde el OH del carbono 4 de una se une al OH del carbono anomérico, el número 1, de otra glucosa. Químicamente, la maltosa es el 4a-dglucopiranosil-a-d-glucopiranósido o a-d-glucósido de la a-d-glucosa (figura 13-20). La maltosa no existe libre en la naturaleza; se obtiene por hidrólisis parcial de los polisacáridos de almidón y glucógeno, ya que forma parte de su larga estructura. La lactosa, presente en la leche, se forma en las glándulas mamarias de las hembras de los mamíferos; es un galactósido con un enlace glucosídico de configuración b (figura 13-21). La sacarosa o azúcar de mesa es el disacárido formado por glucosa y fructosa. La glucosa está en forma piranósica y la fructosa adopta la estructura de cinco miembros de tipo furanosa (figura 13-22). A partir de la sustitución selectiva de tres átomos de los grupos hidroxilo por tres átomos de cloro de la sacarosa se obtiene la sucralosa, un edulcorante en extremo dulce y estable, que se elimina casi en su totalidad por las heces y en menor porcentaje por la orina (11 a 27%) sin modificación alguna, por lo que su consumo no aporta energía.

Reacciones de los disacáridos Las reacciones de los disacáridos dependen de los monosacáridos que los constituyen y del tipo de enlace que los une. Una reacción típica es la hidrólisis, que libera los monosacáridos que los forman ya sea de manera enzimá-

H2C

Los polisacáridos o glucanos son polímeros de monosacáridos constituidos por algunas decenas a muchos miles de unidades de monosacáridos y pueden alcanzar pesos moleculares de varios millones. Su función en los organismos suele ser estructural o de almacenamiento energético. Se dice que son homopolisacáridos cuando la unidad que se repite es siempre la misma (p. ej., glucosa), y si son dos monosacáridos diferentes los que integran la unidad de repetición se habla de heteropolisacáridos. Los polisacáridos se diferencian entre sí por el tipo de monosacáridos, por el largo de la cadena, el tipo de unión química entre sus monosacáridos, o el grado de ramificación.

Almidón Constituye la sustancia de reserva de carbohidratos en las plantas, y abunda en los tubérculos (papa, yuca) y en las semillas de los cereales. El almidón está formado por unidades de glucosa combinadas entre sí por uniones glucosídicas. La unidad estructural de disacárido, repetida 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 un polímero ramificado de la glucosa y, aparte de las uniones a-d-(1→4) entre las moléculas sucesivas de glucosa, muestra otro tipo de unión, a nivel de la ramificación, en posición a-d-(1→6) (figura 13-23). Existen, como promedio, de 24 a 30 moléculas de glucosa por ramificación, con un total de unos 1 800 residuos de glucosa por molécula, para alcanzar pesos

H 2C O

H HO

OH

Polisacáridos

OH

H

H

OH

β-D-Glucosa

H

OH H

CH3

OH

HO

H OH H

OH O O H

CH3 H 2O

H

OH

β-D-Metilglucósido

Figura 13-19. Formación de un acetal entre el alcohol en posición 1 de la β–D–glucosa y el metanol.

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H

Química de los carbohidratos 209 CH2OH H 4

HO

CH2OH O H

H OH

H

H

OH

1

H O

4

CH2OH

O H

H OH

H

H

OH

1

OH

Figura 13-20. Representación del disacárido maltosa. La unión entre los dos monosacáridos es entre los carbonos 1 con el OH en posición a de una glucosa y el OH del carbono 4 de otra glucosa, se trata de una unión 1,4 a. El nombre químico del compuesto es a-D-glucósido de a-D-glucosa.

moleculares de cerca de 300 000 Da. Los productos de la hidrólisis incompleta del almidón se llaman de manera genérica dextrinas. Un ejemplo es la maltodextrina, fácil de digerir y que se absorbe casi con la misma rapidez que la glucosa, por lo que se utiliza como aporte de carbohidratos en alimentación infantil y geriátrica, así como en alimentos para convalecientes y suplementos alimenticios.

Glucógeno Está presente en gránulos o cúmulos de forma globular en los tejidos animales y en gran cantidad en el hígado y los músculos. Su peso molecular oscila alrededor de varias decenas de miles, gana o pierde moléculas de glucosa con gran facilidad, y es un material de reserva ideal para conservar el equilibrio adecuado entre la utilización y el almacenamiento de la glucosa. El glucógeno se parece a la amilopectina por mostrar numerosas ramificaciones (figura 13-24) y tiene 8 a 12 unidades de glucosa por ramificación. Los residuos de glucosa están unidos en posición a-d-(1→4) y, a nivel de las ramificaciones, en posición a-d-(1→6).

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Celulosa La celulosa, el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza, está constituida por cadenas no ramificadas de unidades de glucosa enlazadas por uniones glucosí-

CH2OH

CH2OH HO 4

H

H

O

H OH

H

H

OH

1

H

O

4

O OH

H OH

H

H

OH

H 4

HO

CH2OH O H

H OH

H

H

OH

1

O

2

H OH

O

HO

5

CH2OH

H

Figura 13-22. Representación del disacárido sacarosa. El OH en posición a del carbono de la glucosa se une al OH en posición b del carbono 2 de la fructosa; es una unión 1,2 a. b. El nombre químico es b-D-fructofuranósido de a-D-glucopiranósido.

dicas b-d-(1→4). La celulosa y la hemicelulosa son los principales componentes de las paredes celulares de las plantas, y son sustancias fibrosas que el ser humano no puede romper para liberar la glucosa que la constituye por carecer de la enzima celulasa. Sin embargo, la celulosa conforma lo que llamamos la fibra de nuestra dieta y regula el tránsito intestinal y la absorción de nutrientes. Al igual 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 parte por almidón. Con el incremento tan significativo de la prevalencia mundial del síndrome metabólico ha crecido el interés en la fibra alimentaria. Las personas con alimentación deficiente en fibra consumen una gran cantidad de harina blanca o refinada (pan blanco, galletas, pasteles, pastas, etc.), la cual es rica en almidones por contener sólo el endospermo, dado que antes se le removió el salvado y el germen del grano. La estructura muy ramificada de la amilopectina, el polímero más abundante del almidón, facilita la acción hidrolítica de la amilasa. Esto lleva a una rápida liberación y absorción de la glucosa, que a 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 grano de trigo entero, cuyas fibras promueven la absorción gradual de la glucosa, que a su vez favorece una sensación de saciedad más prolongada que evita los episodios de liberación rápida de insulina y de hipoglicemia reactiva. Los alimentos procesados con harinas refinadas presentan un índice glucémico alto, mientras que aquellos con harinas integrales presentan un índice glucémico bajo (cuadro 13-2). El índice glucémico permite cuantificar la respuesta glucémica de un alimento con respecto a un alimento de referencia.

1

H

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 de la glucosa, se trata de una unión 1,4 b. El nombre químico es el de D-galactósido de b-D-glucosa.

Glucosaminoglucanos Son polímeros no ramificados de polisacáridos, compuestos por unidades repetidas de un disacárido; antes se llamaban mucopolisacáridos. La unidad de disacárido contiene un aminoazúcar, N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina, y ácido d-glucurónico (o l-idurónico) más uno o

210 Bioquímica de Laguna CH2OH O H

H O

CH2OH

OH H

H

H 1

O

4

OH

O H

H OH

H

H

OH

CH2OH H O

6

O H

H OH

H

H

OH

H 1

O

4

1

O

Ramificación α-D-(1 6)

CH2

CH2OH O H

H OH

H

H

OH

H 1

O

4

O H

H OH

H

H

OH

O

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.

do sobre todo por los tejidos en desarrollo o en proceso de cicatrización, sitios donde se ha observado la migración de células, de manera que su degradación por hialuronidasa provoca el cese de la migración celular; por ello se acepta que la producción local de ácido hialurónico, acompañada de su hidratación e hinchamiento, facilita la migración celular durante la morfogénesis y la cicatrización.

Glucoproteínas Son proteínas con pesos moleculares de 15 000 a más de un millón, a las cuales se unen de modo covalente una o varias cadenas de oligosacáridos, con menos de 15

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.

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dos grupos sulfato. Hay dos excepciones importantes: en el queratán-sulfato, el ácido urónico es reemplazado por d-galactosa; y en el ácido hialurónico, el sulfato está ausente. Todos los glucosaminoglucanos tienen en su molécula grupos químicos con carga negativa, unos con carboxilatos, otros con sulfatos y los más con carboxilatos y sulfatos. Además se comportan como polianiones. 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 sulfato no se une de modo covalente a proteínas, y no tiene otros componentes de tipo carbohidrato en su molécula. El ácido hialurónico abunda como cemento intercelular; al hidratarse se hincha y ocupa un gran volumen. Es produci-

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 Panificados

Hortalizas y leguminosas

Otros

Glucosa

100

Manzana

36

Baguette

95

Papa hervida

78

Leche entera

39

Maltosa

110

Naranja

43

Pan blanco

70

Zanahoria hervida

39

Leche descremada

37

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 Tipo Ácido hialurónico

Monosacárido A Ácido D-glucurónico

Monosacárido B N-acetil-D-glucosamina

Número de veces que se repite el disacárido 8 a 16 000

Localización 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

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Córneas Dermatán sulfato

Ácido D-glucurónico o

N-acetil-D-galactosamina

30 a 80

Válvulas cardiacas Corazón

Ácido L-idurónico

Vasos Sangre Piel

Heparán sulfato

Heparina

Ácido D-glucurónico o Ácido L-idurónico

N-acetil-D-glucosamina

Ácido D-glucurónico o

N-acetil-D-glucosamina

10 a 25

Superficies celulares Pulmón Arterias

12 a 50

Pulmones 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 Ácido N-acetil neuramínico

Cuadro 13-4. Funciones de las glucoproteínas; se incluyen ejemplos representativos Función

Glucoproteína

Almacenamiento

Ovoalbúmina

Hormonal

Gonadotropina coriónica Tirotropina

Transporte

Transportadora de vitaminas, lípidos, entre otros

Lubricante

Mucina

Protectora

Secreción mucosa Fibrinógeno

Estructural

Colágenos Paredes celulares

Inmunitaria

Inmunoglobulinas Antígenos de histocompatibilidad Complemento Interferón

Reconocimiento

Entre células Células y bacterias Células y virus Receptores hormonales

residuos azúcar, que llegan a formar de 1 a 60% del peso total de la molécula. Las glucoproteínas tienen distribución universal; la inmensa mayoría de las proteínas de la membrana celular y de las secretadas por las células son glucoproteínas. El cuadro 13-4 incluye una lista parcial de

N-Acetilgalactosamina aa

aa

serina

aa

aa

Mucoproteína de las glándulas salivales

Figura 13-25. Esquema de la unión entre la porción de carbohidrato y la porción proteínica de una glucoproteína. Se representa la cadena de aminoácidos de la proteína y se anota el nombre del aminoácido, al cual se le une el monosacárido inicial del segmento de carbohidrato. Por simplificación, en el esquema no se indican los átomos participantes en la unión.

las funciones desempeñadas por estas moléculas y ejemplos correspondientes. En las glucoproteínas hay dos tipos de enlaces químicos entre los aminoácidos y los azúcares: las uniones Oglucosídicas, donde intervienen sobre todo los aminoácidos serina y treonina, y las uniones N-glucosídicas, a través del grupo amido de la asparagina (figura 13-25). Existen nueve diferentes azúcares en las cadenas de oligosacáridos unidas a las glucoproteínas; entre ellos, los más frecuentes 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 de modificación postranscripcional de las proteínas, se realiza en el retículo endoplásmico rugoso y en el sistema membranal del aparato de Golgi. Por último, los oligosacáridos de la superficie de las células intervienen en otras funciones; destacan los contactos

Cuadro 13-5. Principales mucopolisacaridosis Síndrome

Hallazgos bioquímicos

Características clínicas

I

Hurler

Existencia de condroitín sulfato en la orina y en algunos tejidos

Retraso mental importante, deformidades esqueléticas, opacidad de la córnea

II

Hunter

Igual al anterior

Retraso mental moderado, deformidades esqueléticas importantes

III

Sanfilippo

Existencia de heparán sulfato en tejidos y en la orina

Retraso mental importante, deformidades esqueléticas

IV

Morquio

Presencia de queratán sulfato y condroitín sulfato en la orina

No hay retraso mental, deformidades esqueléticas importantes

V

Scheie

Deficiencia de irudonidasa Presencia de dermatán sulfato en la orina

No hay retraso mental, deformidades esqueléticas moderadas

VI

Maroteaux-Lamy

Presencia de dermatán sulfato en la orina

No hay retraso mental, deformidades esqueléticas graves, opacidad de la córnea

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Tipo

Química de los carbohidratos 213 Agregado de proteoglucanos 1 mm

Núcleo de proteínas

Núcleo de ácido hialurónico Proteínas de unión

Queratán sulfato

Condroitín sulfato

Figura 13-26. Esquema de un proteoglucano de cartílago.

sinápticos entre las neuronas, el rechazo de injertos, la falta de “inhibición de crecimiento por contacto” (observable en las células cancerosas con superficies distintas a las células normales, en las que sí ocurre dicha inhibición), etcétera.

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Proteoglucanos Son de mayor tamaño en comparación con las glucoproteínas, su peso molecular es de varios millones, contienen de 90 a 95% de carbohidrato y están constituidos por múltiples cadenas de glucosaminoglucanos unidos por enlaces covalentes a proteínas; por ejemplo, cada 12 residuos de aminoácidos –con gran frecuencia la serina– se une un polisacárido. La figura 13-26 representa el esquema de un proteoglucano de cartílago. A un soporte de ácido hialurónico se adosan proteínas lineales y proteínas de enlace, y a las primeras se unen queratán-sulfato y condroitín-sulfato. La heparina es un proteoglucano que, de manera peculiar, se almacena intracelularmente en los gránulos de las células cebadas. La proteína de la heparina está compuesta por residuos de glicina y serina; a más de la mitad de las serinas se le unen cadenas de polisacáridos con 20 a 60 o más residuos azúcares. A pesar de su localización intracelular, la heparina pasa al torrente sanguíneo, donde exhibe su acción anticoagulante, debido a su efecto sobre la antitrombina III que provoca la inactivación de

la trombina. Además, se une de manera específica con la enzima lipasa lipoproteínica situada en las paredes de los capilares; de esta forma pasa a la circulación, donde hidroliza los triacilglicéridos allí presentes. En el aspecto estructural, es de importancia la unión electrostática entre las glucoproteínas, el colágeno y los proteoglucanos con grupos sulfato y carboxilato. Por defectos en diversas enzimas que contribuyen a la hidrólisis de los glucosaminoglucanos presentes en los proteoglucanos, se producen trastornos bioquímicos del tipo de las mucopolisacaridosis (cuadro 13-5).

Paredes de células bacterianas Con base en su tinción de Gram, las bacterias se clasifican en grampositivas y gramnegativas. Las bacterias gramnegativas tienen una pared muy compleja que contiene proteínas, lípidos, lipopolisacáridos y proteoglucanos. La pared de las bacterias grampositivas contiene proteoglucanos y ácido teicoico, cuya síntesis es impedida por la penicilina. La especificidad de las reacciones inmunitarias a las bacterias depende en parte de los carbohidratos presentes en la pared bacteriana. El peptidoglucano de distribución más universal entre las bacterias es la mureína, que integra una verdadera malla en donde la urdimbre está formada por los carbohidratos (N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico) y la trama por aminoácidos, en especial glicina.

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