UNIVERSIDAD MAYOR FACULTAD DE MEDICINA Enfermería – laboratorio de Bioquímica

UNIVERSIDAD MAYOR FACULTAD DE MEDICINA Carrera de Enfermería

LABORATORIO DE Bioquímica

2011

Profesora: Maribel Arnes.

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Laboratorio N°1 PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS DE LOS HIDRATOS DE CARBONO I.- Introducción A) Solubilidad Es indudable que las propiedades físicas (el estado físico, viscosidad, conductividad térmica y eléctrica, solubilidad, etc.) de los diversos tipos de sustancia es consecuencia de su estructura. La experiencia indica que son numerosos los procesos químicos que tienen lugar en solución. Incluso las reacciones bioquímicas de gran importancia tienen lugar en solución, siendo el agua el disolvente por excelencia. Una solución es un sistema homogéneo, constituido por dos o más componentes. Se entenderá por un sistema homogéneo, aquel en que las propiedades y la composición son idénticas en todo el sistema. Como esta definición no restringe en modo alguno la naturaleza de las sustancias requeridas, se pueden considerar seis tipos fundamentales de solución, dependiendo del estado (sólido, líquido, gaseoso) de los componentes de la disolución (tabla Nº1). Siendo, las soluciones más interesantes las sólido-líquido y líquido-líquido. Tabla Nº1: Tipos de soluciones Componente 1 Gas Gas Gas Líquido Sólido Sólido

Componente 2 Gas Líquido Sólido Líquido Líquido Sólido

Ejemplo Aire Agua mineral H2 en paladio Etanol en agua Suero fisiológico Soldadura (Estaño-plomo)

Hay tres factores básicos que afectan la solubilidad, y estos son: • La presión • La temperatura • La naturaleza del soluto y del solvente. La Ley de Henry establece que la solubilidad de los gases en líquidos aumenta a medida que se incrementa la presión a temperatura constante. Del mismo modo, al aumentar la temperatura y mantener la presión constante la solubilidad de un gas disminuye. Las soluciones líquido-líquido y sólido-líquido no se ven afectadas por la presión, sin embargo, la temperatura es un factor relevante en estas soluciones, debido a que si la reacción es endotérmica la solubilidad aumenta al ascender la temperatura, en caso contrario, cuando el proceso es exotérmico la solubilidad disminuye al ascender la temperatura. Conocer la naturaleza química del soluto y del solvente es fundamental, pues le permite predecir la solubilidad de una sustancia. Cuando la naturaleza del soluto y del solvente es de polaridad similar (sus estructuras son semejantes), se dice que las sustancias son solubles, en caso contrario son insolubles. Por ejemplo, etanol y agua son completamente solubles en toda proporción

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(miscibles), ambos son polares; benceno y agua son insolubles en toda proporción (inmiscibles), el benceno es apolar y el agua es polar. Para conocer la polaridad de un compuesto se prueba su solubilidad en diferentes solventes tales como agua (polar), acetona (polaridad intermedia) y éter de petróleo (apolar). Una vez establecido su grado de solubilidad, mediante la regla “lo semejante disuelve lo semejante” se puede a través de la siguiente tabla obtener la polaridad de una determinada sustancia. Compuesto

A B C D E F

Solubilidad en agua (polar) Soluble Insoluble Soluble Insoluble Soluble Insoluble

Solubilidad en acetona (polaridad intermedia) Insoluble Insoluble Soluble Soluble Soluble Insoluble

Solubilidad en éter de petróleo (apolar) Insoluble Soluble Insoluble Soluble Soluble Insoluble

Polaridad del compuesto Polar Apolar Medianamente polar Medianamente apolar Intermedia Indeterminada

Algunas reglas para la solubilidad de compuestos orgánicos en agua. 1. La presencia de más de una unidad polar en un compuesto incrementa su solubilidad. 2. Los compuestos orgánicos con cadenas ramificadas tienen mayor solubilidad que su contra parte de cadena lineal. 3. Cualquier grupo funcional capaz de formar puente de hidrógeno con el agua, si constituye la interacción intermolecular predominante del sistema, tiende a ser soluble en agua. 4. La presencia de cloro, aunque le da un carácter levemente polar al enlace C-Cl, no le otorga solubilidad en agua al compuesto. Así, compuestos como el diclorometano (CH2Cl2), cloroformo (CHCl3) y tetracloruro de carbono (CCl4) son solventes apolares típicos para la extracción de compuestos orgánicos.

B) Hidratos de Carbono Los hidratos de carbono se conocen comúnmente como azúcares o sacáridos por su sabor dulce. Químicamente, se trata de aldehídos o cetonas polihidroxilados, cuya fórmula empírica general puede expresarse como (CH2O)n. Por ejemplo, cuando n=6 la fórmula molecular es C6H12O6. Los hidratos de carbono, constituyen uno de los grupos más importantes de sustancias orgánicas de origen natural. Figuran entre los compuestos más abundantes de plantas y animales, en los que desempeñan variadas funciones: i) constituyen una fuente importante de energía. ii) forman parte de los tejidos de sostén de las plantas y de algunos animales, por ejemplo la madera, el almidón, el algodón, el esqueleto estructural de los ácidos nucleicos ARN y ADN, el azúcar de mesa, etc. Existen varios conceptos que permiten clasificar a los hidratos de carbono. Una clasificación clásica se basa en el número de unidades simples de azúcares que lleva una molécula, así tenemos:

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Monosacáridos: son los hidratos de carbono que no pueden hidrolizarse para dar moléculas más pequeñas, es decir, no se encuentran enlazados a otros hidratos de carbono y por lo tanto, son los azúcares más simples. CH2OH

CHO H HO H

OH H OH OH

H

O H

HO H

OH OH

H

CH2OH

CH2OH Fructosa

Glucosa

Oligosacáridos: Uno de los oligosacáridos más importantes son los disacáridos, debido a su abundancia en la naturaleza. Los oligosacáridos son aquellos hidratos de carbono que por hidrólisis dan como resultado entre 2 a 10 unidades simples de azúcares o monosacáridos. Los monosacáridos se encuentran unidos por un enlace glicosídico, es decir, un puente de oxígeno. CH2OH

O

HOCH2

O

OH

HO

O

HO OH

CH2OH

CH2OH

CH2OH

O

O

OH HO

OH

(H,OH)

OH O OH

Sacarosa

OH

Maltosa

Polisacáridos: Son hidratos de carbono que por hidrólisis se obtienen como producto más de 10 unidades de monosacáridos. CH2OH O HO OH O

CH2OH O

HO OH

n

Amilosa

Los monosacáridos pueden clasificarse según el número de átomos de carbono que contenga en: * * *

Triosas: son aquellos hidratos de carbono que poseen 3 átomos de carbono. Tetrosas: son aquellos hidratos de carbono que poseen 4 átomos de carbono. Pentosas: son aquellos hidratos de carbono que poseen 5 átomos de carbono.

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*

Hexosas: son aquellos hidratos de carbono que poseen 6 átomos de carbono.

Además si los monosacáridos contienen un grupo funcional aldehído, se conocen como aldosas y si contienen un grupo funcional cetónico se conocen como cetosas. Así un monosacárido puede, tomar cualquiera de los siguientes nombres: aldopentosa, aldohexosa, cetopentosas, cetohexosa, etc. CH2OH

CHO H HO H H

OH H OH OH

HO H H

O H OH OH

CH2OH

CH2OH

Aldohexosa

Cetohexosa

La D-glucosa, es el monosacárido más importante, se llama en ocasiones azúcar sanguíneo (porque se encuentra en la sangre y en otros fluidos corporales) o azúcar de uva, porque se encuentra presente en esta fruta. Es el componente principal de muchos oligosacáridos y polisacáridos. El monosacárido D-fructosa, es fácilmente convertida a D-glucosa en el cuerpo, es un compuesto de sabor más dulce entre todas las azúcares. Se encuentra en las frutas y en la miel, así como en la sacarosa. La sacarosa, el azúcar de mesa, es un disacárido compuesto de D-glucosa y D-fructosa, se obtiene de la remolacha y de la caña de azúcar, siendo uno de los principales productos orgánicos industriales. La lactosa, es el azúcar de la leche, es un disacárido compuesto de D-galactosa y Dglucosa, es utilizado en alimentos infantiles y en la leche malteada. La celulosa es el compuesto orgánico más abundante de la tierra. Las hojas secas contienen 10 a 20 % de celulosa, la madera un 50% y el algodón un 90%. La celulosa es un polisacárido de hasta 14000 unidades de D-glucosa, que se agrupan en haces torcionados, a modo de lazos, sujetos por puentes de hidrógeno. El almidón es el segundo polisacárido más abundante, está constituido por unidades de Dglucosa, al ser triturado y tratado con agua caliente, se divide en dos fracciones principales según su solubilidad : amilosa (soluble), que constituye el 20% y la amilopectina (insoluble) que forma el 80% restante. El glucógeno es un polisacárido utilizado como reserva de glucosa, sobre todo en el hígado y en los músculos de los mamíferos. Los monosacáridos y disacáridos son sólidos o líquidos con aspecto de jarabe, de sabor dulce, son solubles en agua e insolubles solventes no polares o apolares. Los polisacáridos poseen propiedades similares, pero generalmente son insolubles en agua debido a su alto peso molecular. La química de estos compuestos esta relacionada directamente con los grupos carbonilos e hidroxilos presentes en estas moléculas. Pudiendo ocurrir reacciones intramoleculares como

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intermoleculares. En solución acuosa, el grupo carbonilo en el carbono uno y los grupos hidroxilos en los carbonos cuatro y cinco de los monosacáridos reaccionan en forma intramolecular para dar hemiacetales o hemicetales cíclicos, que justifica muchas propiedades interesantes de estos compuestos. La forma hemiacetálica o hemicetálica con anillo de 5 miembros se llama furanosa, por analogía con el furano. De modo similar, la forma hemiacetálica o hemicetálica de seis miembros se denomina piranosa, por analogía con el pirano. O

O

O

Furano

Furanosa

O

Piranosa

Pirano

Ejemplos: 6

CH2OH O 5

1

6 HOH2C O

CH2OH 2

5 4

HO

4

OH

HO

3

1

OH 2

OH

3

OH Fructosa

OH Glucosa

La estereoquímica de la forma cíclica de los azúcares se representa por la estructura de Haworth. CHO CH2OH O OH

OH

HO

H HO H H

OH OH

CH2OH O OH OH HO

CH2OH

OH α-D-Glucopiranosa Estructura Haworth

OH H

Glucosa Estructura Fischer

OH β-D-Glucopiranosa Estructura Haworth

CH2OH HOH2C O CH2OH HO

OH

OH α-D-Fructofuranosa Estructura Haworth

HO H H

O H OH OH CH2OH

Fructosa Estructura Fischer

HOH2C O OH HO

CH2OH

OH β-D-Fructofuranosa Estructura Haworth

De la figura anterior se puede observar que hay dos formas posibles para cada uno de los azúcares (D-glucosa y D-fructosa) que se denominan α y β. Esto se debe a que al pasar de la forma de cadena abierta a la cadena cerrada se introduce un nuevo carbono asimétrico (C1 de las aldosas y C2 de las cetosas), llamado carbono anomérico. Los anómeros son azúcares que sólo se diferencian en su estereoquímica del carbono hemiacetálico y carbono hemicetálico (carbono anomérico). Muchos azúcares, al igual que los aldehídos simples, reaccionan frente a los reactivos de Tollens, Benedict o Fehling (agentes oxidantes en medio básico). Los azúcares susceptibles de ser oxidados por estos reactivos se denominan azúcares reductores. Las formas hemiacetálicas y

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hemicetálicas cíclicas de todas las aldosas y cetosas, respectivamente se oxidan con gran facilidad porque están en equilibrio con la forma de cadena abierta. A diferencia de los hemiacetales o hemicetales, un acetal o cetal es estable en soluciones básicas, por lo tanto, no son susceptibles de ser oxidados, porque las formas acetálicas o cetálicas cíclicas no están en equilibrio con su cadena abierta. Las formas hemiacetálicas y hemicetálicas de cadena cerrada de los azúcares pueden reaccionar con los alcoholes para formar acetales o cetales. En la química de los azúcares, estos acetales o cetales se llaman glicósidos. HOH2C

HOH2C

O OH HO

O OCH

+

OH

3

CH3OH HO

OH β-D-glucopiranosa

H2O

+

OH

OH Metil-β-D-glucopiranósido

Metanol

El enlace éter entre el hidroxilo del azúcar y el alcohol es un enlace glicosídico. HOH2C

.

O HO

OH

OCH3

Enlace glicosídico

Carbono acetálico (carbono anomérico)

OH

Los monosacáridos componentes de los disacáridos y polisacáridos están unidos mediante enlaces glicosídicos (enlace éter o puente de oxígeno). Cuando los carbonos anoméricos forman un enlace glicosídico, es decir, no existe carbono hemiacetálico o hemicetálico, el azúcar es no reductor. Pero cuando, a lo menos uno de los carbonos anoméricos queda libre, es decir, en su forma hemiacetálica o hemicetálica, es un azúcar reductor.

CH2OH

O

HOCH2

OH

HO

O

HO OH

CH2OH

CH2OH

O

O

O CH2OH

OH

OH HO

O OH

Sacarosa

(H,OH)

OH OH

Maltosa Enlaces Glicosídicos

Una vez que el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un azúcar se ha unido para formar un acetal o cetal, no está libre para pasar de la forma de cadena cerrada a cadena abierta y, por lo tanto, el azúcar es no reductor. Por ejemplo, la sacarosa es un azúcar no reductor porque ambos carbonos anoméricos forman un acetal y cetal respectivamente.

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CH2OH

O OH

. .

HOCH2

O HO

O

HO

OH

OH Acetal (Carbono anomérico)

CH2OH

Cetal (Carbono anomérico)

Sacarosa Mientras que la maltosa es un azúcar reductor porque tiene a lo menos uno de sus carbonos anoméricos libre. CH2OH

O OH HO

CH2OH

.

.

O OH OH O

OH

OH

Acetal (Carbono anomérico)

Carbono anomérico libre

Maltosa El enlace glicosídico puede romperse por reacciones de hidrólisis (ruptura de una molécula por acción del agua). La hidrólisis química de los azúcares se puede realizar calentando la solución acuosa del azúcar usando como catalizador un ácido. En los sistemas biológicos las enzimas actúan como catalizadores.

CH2OH O

HO

CH2OH

HOH2C O

OH

O OH Sacarosa

HO OH

H CH2OH

+

HOH2C O

O

+

H2O HO

OH

+

OH

OH Glucosa

HO

HO

CH2OH

OH Fructosa

La sacarosa es un disacárido formado por una unidad de glucosa y una unidad de fructosa. La unidad de glucosa es un acetal cíclico y la unidad de fructosa es un cetal cíclico. Ninguna de estas unidades puede estar en equilibrio con su cadena abierta, por lo tanto, la sacarosa es un azúcar no reductor que no reacciona con el reactivo de Fehling. Sin embargo, al realizar la hidrólisis de este azúcar se obtienen las dos unidades de monosacáridos con sus respectivos carbonos anoméricos libres, los cuales pueden ser susceptibles de ser oxidados y darán respuesta positiva frente al reactivo de Fehling.

1) Test de Molisch

Este test es de reconocimiento general, es decir, reconoce todos los hidratos de carbono o azúcares. Está basado en la deshidratación de estos azúcares, por ácido sulfúrico a furfural y sus derivados, los cuales son condensados con α-naftol y subsecuentemente son oxidados. Cuando la reacción es positiva se observa la presencia de un anillo violeta.

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EL α-NAFTOL ES TÓXICO Y CARCINÓGENO, TRABAJE CON CUIDADO!! 2) Reacción de Fehling

Consiste en una solución alcalina de sulfato de cobre. Es un agente oxidante inferior al reactivo de Tollens (necesita calor), reacciona sólo con azúcares reductores. Cuando la reacción es positiva se observa un precipitado de color rojo ladrillo.

3) Test de Barfoed

Consiste en una solución ácida de acetato de cobre (II). De acuerdo a la velocidad de reacción, permite diferenciar entre monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Cuando la reacción es positiva aparece un precipitado rojo al calentar en baño de agua. Los monosacáridos dan reacción positiva entre los 2 y 5 minutos. Los disacáridos dan reacción positiva entre los 10 y los 30 minutos. Los polisacáridos no dan reacción positiva, es decir, N.H.R.

4) Test de Seliwanoff

Es similar al reactivo de Molisch, con la diferencia que se utiliza un agente deshidratante más suave que el ácido sulfúrico (HCl 6 M). Las α-hidroxicetosas se convierten fácilmente a la forma furanosa deshidratada, mientras que las aldosas requieren de una β eliminación antes de la conversión a furfural o furfural sustituido. Las cetosas dan reacción positiva al calentar por 2 minutos, la aparición de un color rojo corresponde a una cetohexosa y el color verde a una cetopentosa; mientras que las aldosas requieren de horas de calentamiento para reaccionar, observándose la aparición de un color anaranjado cuando es una aldohexosa y un verde limón cuando es una aldopentosa.

II.- Objetivos − Reconocer propiedades físicas de los hidratos de carbono. − Reconocer propiedades químicas de los hidratos de carbono. − Identificar a través de reacciones sencillas la presencia de: • Monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. • Aldosas y cetosas. • Azúcares reductores. − Identificar una Muestra problema, señalando las características físicas y químicas que ésta presenta.

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III.- Parte Experimental 1.- Propiedades Físicas: Solubilidad

a) Coloque en un tubo de ensayo limpio y seco, una puntita de espátula de cada uno de los siguientes hidratos de carbono: Tubo 1: glucosa Tubo 2: fructosa Tubo 3: sacarosa Tubo 4: almidón b) Agregue a cada tubo 3,0 mL de agua destilada, agite y observe. c) Registre todas sus observaciones en la siguiente tabla. d) Repita el procedimiento con los siguientes solventes: acetona y éter de petróleo Hidrato de carbono

Agua dest. (3,0 mL)

Acetona (3,0 mL)

Éter de Petróleo Polaridad de la (3,0 mL) muestra

( 1 puntita de espátula)

glucosa fructosa sacarosa almidón

2.- Propiedades Químicas a) Reacción de Molisch: En distintos tubos de ensayo coloque una punta de espátula de cada una de las muestras de azúcares, agregue 0,5 mL de agua destilada y agite hasta disolver. Luego adicione 2 gotas de una solución de α-naftol al 10% p/v (Reactivo de Molisch), agite nuevamente, incline el tubo en 45º y agregue por la pared del tubo 20 gotas de ácido sulfúrico concentrado, de manera que el ácido forme una capa debajo de la solución acuosa (NO AGITE LA SOLUCIÓN). Observe inmediatamente lo que ocurre en cada caso. b) Reacción de Barfoed: En distintos tubos de ensayo coloque una punta de espátula de cada una de las muestras de azúcares, agregue 0,5 mL de agua destilada y agite hasta disolver. Agregue 1,0 mL del reactivo de Barfoed, agite, caliente en un baño de agua a ebullición y observe. c) Reacción de Seliwanoff: En distintos tubos de ensayo coloque una punta de espátula de cada una de las muestras de azúcares, agregue 0,5 mL de agua destilada y agite hasta disolver. Agregue 2,0 mL del reactivo de Seliwanoff, agite, caliente en un baño de agua a ebullición por dos minutos y observe. d) Reacción de Fehling: En distintos tubos de ensayo coloque una punta de espátula de cada una de las muestras de azúcares, agregue 0,5 mL de agua destilada y agite hasta disolver. Agregue 2,0 mL de una mezcla de iguales volúmenes de Fehling A y B, agite bien, coloque por 2 minutos en un baño de agua caliente y observe. Registre todas sus observaciones en la siguiente tabla.

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Hidrato de Molisch carbono 1°: 2 gotas de Molisch (+ 0,5 mL 2°: 0,5 mL de H2SO4 de H2O)

Barfoed (1,0 mL)

Seliwanoff (2,0 mL)

Fehling (2,0 mL)

Tipo de compuesto

glucosa

fructosa

sacarosa

almidón

3.- Muestra Problema

Pida a su profesor una Muestra Problema y, a través de las reacciones que usted aprendió en este laboratorio, determine la naturaleza física y química de su muestra.