UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN

ANTONIO ABAD DEL CUSCO

Quim. CIRO TOMAYLLA CRUZ

CARBOHIDRATOS

CARBOHIDRATOS O GLCIDOS

Los carbohidratos o hidratos de carbono estn formados por carbono (C), hidrgeno (H) y oxgeno (O) con la formula general (CH2O)n. Los carbohidratos incluyen azcares, almidones, celulosa, y muchos otros compuestos que se encuentran en los organismos vivientes. Los carbohidratos bsicos o azcares simples se denominan monosacridos. Azcares simples pueden combinarse para formar carbohidratos ms complejos. Los carbohidratos con dos azcares simples se llaman disacridos. Carbohidratos que consisten de dos a diez azcares simples se llaman oligosacridos, y los que tienen un nmero mayor se llaman polisacridos.

CLASIFICACIN DE MONOSACRIDOS BASADO EN EL NMERO DE CARBONOS

Un monosacrido de forma lineal que tiene un grupo carbonilo (C=O) en

el carbono final formando un aldehdo (-CHO) se clasifica como una

aldosa. Cuando el grupo carbonilo est en un tomo interior formando

una cetona, el monosacrido se clasifica como una cetosa

Tambin se suele incluir el nmero de carbonos en la nomenclatura

usando los prefijos tri, tetro, pento, y hexo (o los que sean necesarios, si

la cadena es de otra longitud).

As una aldotetrosa es un azcar (monosacrido) de cuatro tomos de

carbono que lleva el grupo aldehido, y una cetohexosa.

Los ismeros pticos se clasifican DNDOLES UN NOMBRE PROPIO.

Aunque existe una posible nomenclatura sistemtica, no se usa. Estos nombres

propios provienen de una varidad de circunstancias relacionadas con el

descubrimiento del monosacrido (fuente, ...etc) aunque conviene clasificarlos

considerando que proceden de la elongacin de la aldosa y cetosa ms sencillas:

gliceraldehido y dihidroxicetona.

La nomenclatura D L hace referencia a la configuracin

absoluta segn la convencin de Fischer, y o a las

propiedades de rotacin de la luz de la sustancia. La

siguiente figura recuerda la convencin de Fischer

Con vistas a su clasificacin todas las aldosas se consideran derivadas del gliceraldehido,

asumiendo que se vam insertando nuevos tomos de carbono entre las posiciones 1 y 2 de la

cadena (contando desde el carbonilo). Este nuevo tomo insertado es asimtrico, por lo que se

genera un nuevo centro ptico con cada insercin. Cada uno de los compuestos generados recibe

su nombre convencional.

Las aldosas generadas a partir del D- gliceraldehido se muestran a continuacin

Dese cuenta que la configuracin del penltimo carbono permanece

inalterada respecto al Dgliceraldehido.

El L-gliceraldehido genera la serie L de aldosas. Cada D-aldosa encuentra su

enantimero (imagen especular) en la familia de las L-aldosas y viceversa. La

configuracin de las L-aldosas se deduce trivialmente de la figura anterior.

Las hexosas ms importantes desde el punto de vista alimentario son con mucho la

glucosa en primer lugar, y despus la galactosa y la manosa. A la D-glucosa se le

denomina tradicionalmente dextrosa.

Hexosas, como las que estn ilustradas aqu, tienen la frmula molecular C6H12O6. El qumilos estereoismeros de estas aldohexosas en 1894. Por este trabajo recibi un Premio Nobel en co alemn Emil Fischer (1852-1919) identific 1902.

CETOSAS

De la misma forma que lo expuesto para las aldosas, las cetosas se pueden considerar derivadas

de la dohidroxicetona. Sin embargo, la dihidroxicetona no presenta centro quiral, por lo que el

nmero de cetosas posibles se reduce a la mitad como se puede observar en la figura siguiente

En este caso la estereoisomera

comienza en la eritrulosa. La D-

eritrulosa da comiendo a la familia de

las D-Cetosas.

La fructosa es, con mucho, la

cetosa (cetohexosa) de mayor inters

alimentario al aparecer en alimentos

como frutas y miel. Observe que la

estructura espacial de la fructosa tiene

mucho que ver con la de la glucosa y

manosa. Esto es interesante porque

existen enzimas capaces de isomerizar

el las aldosas a cetosas y por tanto la

isomerizacin de glucosa y manosa

rendir fructosa, que tiene la ventaja de

ser ms dulce que cualquiera de las

anteriores.

La forma anular de la ribosa es un comnente del cido ribonucleico (ARN). La desoxirribosa, que se distingue de la ribosa por no tener un oxgeno en la posicin 2, es un componente del cido desoxirribonucleico (ADN). En los cidos nucleicos, el grupo hidroxilo en el carbono numero 1 se reemplaza con bases nucletidas.

La D-tagatosa es objeto de inters

recientemente como alimento diettico

(vendida como Naturlose)

Estructuras que tienen configuraciones opuestas solamente en un grupo hidroxilo, como la glucosa y la manosa, se llaman epmeros. La glucosa, tambin llamada dextrosa, es el azcar ms predominante en las plantas y los animales, y es el azcar presente en la sangre. La forma lineal de la glucosa es un aldehdo polihdrico. En otras palabras, es una cadena de carbonos con varios grupos hidroxilos y un grupo aldehdo. La fructosa, tambin llamada levulosa, est ilustrada aqu en forma lineal y anular. La relacin entre estas formas se discute ms tarde. La fructosa y la glucosa son los principales hidratos de carbono en la miel.

Mediante esta reaccin

aldohexosas y cetohexosas forman

enlaces internos dando lugar a

compuestos heterocclicos de 5 y 6

tomos de los que se muestran

ejemplos a continuacin.

Puesto que el tomo 1, conde estaba el

grupo aldehido, pasa a ser asimtrico, se

crean dos nuevos ismeros (anmeros) de la

glucosa, la forma y la .

Aunque esta diferencia pueda parecer

insignificante, es de extraordinaria

importancia ya que da lugar a que la

celulosa no se pueda digerir mientras que el

almidn se digiere fcilmente y es de gran

importancia alimentaria.

Merece la pena atender a la estructura

tridimensional de los anmeros de glucosa

ya que despus permite explicar las

diferencias entre las propiedades de sus

polmeros.

GLUCOSA:

FORMACIN DE ACETALES

Los grupos hidroxilo de dos monosacridos pueden reaccionar para unir dos

molculas de monosacrido y liberar una de agua. Por ejemplo, la unin de dos glucosas

da la maltosa:

Mediante esta reaccin pueden

producirse largas cadenas de

monosacridos que forman los polmeros

que veremos a continuacin.

Este enlace entre el carbono

carbonlico (en la forma abierta) y un

hidroxilo se denomina enlace O-

glicosidico. Se denomina as para

distinguirlo del enlace N-glicosdico que

tambin forman a menudo los azcares,

en el que interviene un grupo amino de

otra sustancia

OTRAS REACCIONES

Los monosacridos presentan otras muchas reacciones que tienen gran

importancia biolgica (glicosilacin, formacin de cianhidrinas, elongacin

de la cadena ...etc) pero que carecen de inters alimentario o industrial.

DISACRIDOS Y OLIGOSACARIDOS.

Los disacridos son molculas que constan de dos subunidades de

monosacrido unidas por un enlace O-glicosidico (descrito antes). Los

monosaccharide's constituyentes normalmente se encuentran unidos entre

el carbono anomrico de uno (el carbono que en la forma abierta es el

grupo carbonilo) y un carbono no anomrico del otro, tras la

correspondiente prdida de una molcula de agua. Sin embargo, tambin

es posible encontrar monosacridos unidos por dos carbonos anomricos

LA SACAROSA est constituida por la unin de una molcula de glucosa y otra

de fructosa, realizada entre dos carbonos anomricos. La sacarosa es el azcar de

mesa, lo que basta para dar idea de su importancia industrial. La sacarosa se extrae a

gran escala de la caa de azcar y especialmente de la remolacha (al menos en Espaa).

Como se ve en la figura, los monmeros son la forma a de la glucosa y la J3 de la

fructosa (aunque en la figura no lo pone)

LA LACTOSA es el disacrido presente en la leche de los mamferos y consta de una

molcula de galactosa a unida por su carbono anomrico la posicin 4 de una glucosa. La

lactosa es escindida en sus monmeros por la enzima lactasa en el hombre y por una J3-

galactosidasa en algunos microorganismos. No es raro en el ser humano perder la capacidad

de generar lactosa, especialmente en algunas etnias, lo que produce un trastorno

denominado intolerancia a la lactosa. Es posible rebajar o eliminar el contenido en lactosa

de algunos alimentos mediante el uso de J3-galactosidasas obtenidas de microorganismos.

La maltosa es el azcar que se obtiene de la hidrlisis enzimtica del almidn,

habitualmente llevado a cabo por el enzima maltasa, que es un paso esencial de todos los

procesos de aprovechamiento del almidn. La maltasa hidroliza el almidn de dos en dos

unidades rindiendo maltosa. La maltasa es la enzima que genera de forma natural la cebada

al germinar (malta=cebada germinada) y que, mediante posterior molturacin, se usa para

aprovechar el almidn de estos granos que de otra forma encuentran poca aplicacin

alimentaria. Este es uno de los pasos de la elaboracin de la cerveza y whisky. Otros

granos diferentes de la cebada tambin pueden aprovecharse de forma similar.

La maltosa y la lactosa slo tienen aproximadamente 1/3 del poder endulzante de la

sacarosa

REACCIONES DE INTERS INDUSTRIAL LOS

MONOSACRIDOS

La transformacin de ms inters que presentan los disacridos, en general, y los que

venimos tratando en particular, es la hidrlisis.

HIDRLISIS: escindir la molcula de disacrido en los monosacridos que lo

forman esta reaccin es til y conveniente por una variedad de motivos que dependen del

disacrido

Reacciones de hidrlisis:

La hidrlisis puede ser catalizada por cido (o base) o enzimtica.

Los procesos enzimticos resultan ms caros pero proporcionan productos de

calidad muy superior, uniformes, sin subproductos reacciones secundarias y permiten

mayores conversiones, que en muchos casos se acercan al 100%.

TRISACRIDOS La rafinosa (o melitosa) es un trisacrido que se encuentra en muchas plantas leguminosas y crucferas como los frijoles (judas), guisantes, col, y brcoli. La rafinosa est formada por una molcula de galactosa conectada a una de sucrosa por un enlace glicosdico 16. Este sacrido es indigestible por los seres humanos y se fermenta en el intestino grueso por bacterias que producen gas. Tabletas que contienen la enzima alfa-galactosidasa, como el suplemento farmacutico Beano, se usan frecuentemente para ayudar a la digestin y para evitar el meteorismo y flatulencias. La enzima se deriva de variedades comestibles del hongo Aspergillus niger.

Rafinosa

POLISACRIDOS:

Se entiende por polisacrido una sustancia formadas por la polimerizacin de

monosacridos (o alguno de sus derivados) para dar molculas lineales o ramificadas con

muchos cientos o miles de restos enganchados.

Los polisacridos tienen el papel de sustancias de reserva o de soporte estructural

fundamentalmente en las plantas.

El monmero ms importante es la glucosa. Los monmeros aparecen en su forma

ciclada (piransica). Es importante entre que carbonos se produce la unin y dnde se

ramifica la molcula, con y con qu frecuencia.

Los polisacridos, y en concreto el almidn, son sustancias de extraordinario inters

alimentario e industrial.

Existen los siguientes tipos de polisacridos que se pueden clasificar por sus papel de

reserva o estructural:

ALMIDN El almidn es la forma principal de reservas de carbohidratos en los vegetales. El almidn es una mezcla de dos sustancias: amilosa, un polisacrido esencialmente lineal, y amilopectina, un polisacrido con una estructura muy ramificada. Las dos formas de almidn son polmeros de -D-Glucosa. Los almidones naturales contienen 10-20% de amilosa y 80-90% de amilopectina. La amilosa forma una dispersin coloidal en agua caliente que ayuda a espesar caldos o salsas, mientras que la amilopectina es completamente insoluble.

Las molculas de amilosa consisten tpicamente de 200 a 20,000 unidades de glucosa que se despliegan en forma de hlix como consecuencia de los ngulos en los enlaces entre las molculas de glucosa.

La amilopectina se distingue de la amilosa por ser muy ramificada. Cadenas laterales cortas conteniendo aproximadamente 30 unidades de glucosa se unen con enlaces 16 cada veinte o treinta unidades de glucosa a lo largo de las cadenas principales. Las molculas de amilopectina pueden contener hasta dos millones de unidades de glucosa.

Los almidones se transforman en muchos productos comerciales por medio de hidrlisis usando cidos o enzimas como catalizadores. La hidrlisis es una reaccin qumica que desdobla cadenas largas de polisacridos por la accin del agua para producir cadenas ms pequeas

o carbohidratos simples. Los productos resultantes son asignados un valor de equivalencia en dextrosa (DE) que est relacionado al nivel de hidrlisis realizado. Un DE con valor de 100 corresponde al almidn

completamente hidrolizado, que es la glucosa (dextrosa) pura. Las dextrinas son un grupo de carbohidratos producidos por la hidrolisis del almidn. Las dextrinas son polmeros de cadena corta que consisten de molculas de D-glucosa unidas por enlaces glicosdicos 14 o 16. La maltodextrina es un almidn parcialmente hidrolizado que no es dulce y que tiene un valor DE menor de 20. Los jarabes, como el jarabe de maz o miel de maz, provienen del almidn de maz y tienen valores

DE de 20 a 91. La dextrosa comercial tiene valores DE de 92 a 99. Slidos de jarabe de maz son productos semicristalinos o polvos

amorfos de poca dulzura con DE de 20 a 36 que se producen secando el jarabe de maz al vacio o por atomizacin en cmara secadora.

fructosa 173

azcar

invertido* 120

JMAF (42%

fructosa) 120

sucrosa 100

xilitol 100

tagatosa 92

glucosa 74

jarabe de maz

(DE alto) 70

sorbitol 55

mannitol 50

trehalosa 45

jarabe de maz

ordinario 40

galactosa 32

maltosa 32

lactosa 15

Dulzura relativa de varios carbohidratos

GLUCGENO (GLICGENO) La glucosa se almacena como glucgeno en los tejidos del cuerpo por el proceso de glucognesis. Cuando la glucosa no se puede almacenar como glucgeno o convertirse inmediatamente a energa, es convertida a grasa. El glucgeno es un polmero de -D-Glucosa idntico a la amilopectina, pero las ramificaciones son mas cortas (aproximadamente 13 unidades de glucosa) y ms frecuentes. Las cadenas de glucosa estn organizadas globularmente como las ramas de un rbol originando de un par de molculas de glucogenina, una protena con un peso molecular de 38,000 que sirve como cebador en el centro de la estructura. El glucgeno se convierte fcilmente en glucosa para proveer energa.

DEXTRANOS Los dextranos son polisacridos semejantes a la amilopectina, pero las cadenas principales estn formadas por enlaces glicosdicos 16 y las cadenas laterales tienen enlaces 13 o 14. Las bacterias bucales producen dextranos que se adhieren a los dientes formando placa dental. Los dextranos tienen usos comerciales en la produccin de dulces, lacas, aditivos comestibles, y voluminizadores del plasma sanguneo.

INULINA

Algunas plantas almacenan los hidratos de carbono no solamente como almidn sino tambin como inulina. Las inulinas se encuentran en muchos vegetales y frutas incluso las cebollas, ajo comn, pltanos, papa de Jerusaln, y jcama. Las inulinas, tambien llamadas fructanos, son polmeros formados por cadenas de fructosa con una glucosa terminal. La oligofructosa tiene la misma estructura que la inulina, pero las cadenas tienen diez o menos unidades de fructosa. La oligofructosa tiene aproximadamente el 30 o el 50 por ciento de la dulzura del azcar comn. La inulina es menos soluble que la oligofructosa y tiene una textura cremosa que se siente como grasa en la boca. La inulina y la oligofructosa son indigestibles por las enzimas en los intestinos humanos, pero son totalmente fermentadas por los microorganismos intestinales. Los cidos grasos de cadena corta y el lactato producido por la fermentacin contribuyen 1.5 kcal por gramo de inulina u oligofructosa. La inulina y la oligofructosa se usan para reemplazar la grasa y el azcar en alimentos como los helados, productos lcteos, dulces, y repostera.

CELULOSA La celulosa es un polmero con cadenas largas sin ramificaciones de -D-Glucosa y se distingue del almidn por tener grupos -CH2OH alternando por arriba y por debajo del plano de la molcula. La ausencia de cadenas laterales permite a las molculas de celulosa acercarse unas a otras para formar estructuras rgidas. La celulosa es el material estructural ms comn en las plantas. La madera consiste principalmente de celulosa, y el algodn es casi celulosa pura. La celulosa puede ser desdoblada (hidrolizada) en sus glucosas constituyentes por microorganismos que residen en el sistema digestivo de las termitas y los rumiantes. La celulosa se puede modificar en el laboratorio tratndola con cido ntrico (HNO3) para reemplazar todos los grupos hidroxilos con nitratos (-ONO2) y producir el nitrato de celulosa (nitrocelulosa o algodn explosivo) que es un componente de la plvora sin humo. La celulosa parcialmente nitrada, piroxilina, se usa en la produccin del colodin, plsticos, lacas, y esmaltes de uas.

HEMICELULOSA Las hemicelulosas son polisacridos que, excluyendo la celulosa, constituyen las paredes celulares de las plantas y se pueden extraer con soluciones alcalinas diluidas. Las hemicelulosas forman aproximadamente una tercera parte de los carbohidratos en las partes maderosas de las plantas. La estructura qumica de las hemicelulosas consiste de cadenas largas con una gran variedad de pentosas, hexosas, y sus correspondientes cidos ronicos. Las hemicelulosas se encuentran en frutas, tallos de plantas, y las cscaras de granos. Aunque las hemicelulosas no son digeribles, pueden ser fermentadas por levaduras y bacterias. Los polisacridos que producen pentosas al desdoblarse se llaman pentosanos. La xilana es un pentosano que consiste de unidades de D-xilosa conectadas por enlaces 14.

QUITINA La quitina es un polmero no ramificado de N-acetil-D-glucosamina. Se encuentra en las paredes celulares de los hongos y en los exoesqueletos de los artrpodos y otros animales inferiores, e.g., insectos, arcnidos, y crustceos. La quitina se puede considerar un derivado de la celulosa en el cual los grupos hidroxilos del segundo carbono de cada glucosa han sido reemplazados por grupos acetamido (-NH(C=O)CH3).

PECTINA Las pectinas son polisacridos que sirven como cemento en las

paredes celulares de todos los tejidos de las plantas. La parte blanca de las cscaras de limn o naranja contienen aproximadamente 30% de pectina. La pectina es un ster metilado del cido poligalacturnico, y consiste de cadenas de 300 a 1000 unidades de cido galacturnico conectadas por enlaces 14. El grado de esterificacin (GE) afecta las propiedades gelificantes de la pectina. La estructura ilustrada aqu tiene tres metil steres (-COOCH3) por cada dos grupos carboxilos (-COOH). Esto corresponde a un 60% de esterificacin o una pectina

GE-60. La pectina es un ingrediente importante para conservas de frutas, jaleas, y mermeladas.