CARBOHIDRATOS

García-Mateos, R.

Introducción

Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la Tierra a

causa de sus variadas funciones en todos los seres vivos. En primer lugar, los

carbohidratos sirven como almacén o transferencia de energía, son combustibles

e intermediarios metabólicos, en general, son sustancias de reserva y

estructurales. El almidón en las plantas y el glucógeno en los animales son dos

polisacáridos que rápidamente pueden movilizarse para liberar glucosa, el

combustible primordial para generar energía. El ATP, la unidad biológica de

energía libre, es un derivado de azúcar fosforilado, como también lo son muchas

coenzimas. En segundo lugar, los azúcares ribosa y desoxirribosa forman parte

de la estructura del ARN y del ADN. La flexibilidad estructural de los anillos de

estos azúcares es importante en el almacenamiento y expresión de la información

genética. En tercer lugar, los polisacáridos son los elementos estructurales de las

paredes celulares de bacterias y plantas, y del exoesqueleto de los artrópodos y

de crustáceos. De hecho, la celulosa, el principal componente de las paredes

celulares de las plantas, es el compuesto orgánico más abundante de la biosfera.

En cuarto lugar, los carbohidratos están unidos a muchas proteínas, lípidos y

metabolitos secundarios. Unidades de azúcar se encuentran unidas a las

anticianidinas para poder translocarse a través del floema de los vegetales y

proporcionar la coloración a flores y algunos frutos.

Como se ha señalado, los carbohidratos son componentes esenciales de los seres

vivos constituidos por C, H y O, aunque en algunos casos se encuentran otros

elementos, como N, S y P. Son aldehídos o cetonas con múltiples grupos

hidroxilo, razón por la cual se les conoce como polihidroxialdehídos o

polihidroxicetonas. Tienen en común un gran número de propiedades químicas,

especialmente la de ser polialcoholes con una proporción entre C, H y O, que en

muchos casos responde a la fórmula general de CnH2nOn, es decir, Cn(H2O)n, razón

por la que también son ampliamente conocidos como hidratos de carbono,

incorrectamente. Además, no es aplicable a todos ellos, ya que se han encontrado

muchos compuestos que no se ajustan a esta regla. Estos términos son sinónimos

del de glúcidos (del griego glykós = dulce) en la literatura bioquímica. Los glúcidos

tienen misiones muy diversas en el organismo, como ya se mencionaron, Un

ejemplo de tal misión es la de la celulosa de las plantas, probablemente el

compuesto más abundante en la naturaleza de los que constituyen los seres vivos.

Clasificación La clasificación de los carbohidratos se realiza de acuerdo a cuatro criterios

diferentes: a) por su estructura química, b) por su abundancia en la naturaleza, c)

por su uso en alimentos y d) por su poder edulcorante. En la gran mayoría de los

casos, la forma más comúnmente empleada de clasificación es la que se refiere a

su estructura química, que está basada en el tamaño de la molécula o en el

número de átomos de carbono.

Por el número de unidades que constituyen a este grupo de compuestos, se

clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. En la Tabla 1 se

señalan algunos de los carbohidratos mas comunes.

Tabla 1. Clasificación de los carbohidratosMonosacáridos Oligosacáridos Polisacáridos

Pentosas: xilosa, arabinosa, ribosa

Disacáridos: lactosa, sacarosa, maltosa

Homopolisacáridos: almidón, glucógeno, celulosa

Hexosas:aldohexosas:

glucosa, galactosacetohexosas: fructosa

Trisacáridos:rafinosa

Heteropolisacáridos: hemicelulosa, pectinas

Tetra y pentasacáridos: estaquiosa verbascosa.

El Tabla 2 muestra otra clasificación de los carbohidratos de acuerdo a su

distribución en la naturaleza.

Tabla 2. Clasificación en función de la distribución de los carbohidratos en la naturalezaEn animales En plantas

Reserva energética: glucógeno En ácidos nucleicos: D-ribosa Azúcar de la sangre: D-glucosa Azúcar de la leche: lactosa Azúcares de los antígenos

de los grupos sanguíneos: A, B, O

Reserva energética: almidón, inulina y hemicelulosa Producto de la fotosíntesis: D-glucosa Productos de degradación: gomas y mucílagos. Productos varios: glucósidos de metabolitos secundarios En ácidos nucleicos: D-ribosa

Elicitores procedentes de patógenos o célula huésped: oligosacarinas

Por su estructura química, es decir por el tamaño de la molécula en función del

número de carbonos, los azúcares o monosácáridos más sencillos son los de tres

átomos de carbono, y pertenecen al grupo de las triosas, mientras que los de 4, 5

y 6 corresponden a las tetrosas, pentosas y hexosas, respectivamente. Pero la

importancia de estas moléculas estriba en que los monosacáridos son los

monómeros o unidades básicas con las que se forman los oligo y los

polisacáridos. La unión química de pocos monosacáridos (2 a 6

aproximadamente) da como resultado los oligosacáridos; pero cuando el número

de monosacáridos unidos es muy grande, se forman los polisacáridos, que pueden

estar constituidos por una o varias clases de monómeros.

Nomenclatura La nomenclatura de los carbohidratos al igual que muchos otros compuestos

químicos, se basa en la asignación de nombres triviales que indican únicamente el

origen o la fuente natural de donde proviene, como la lactosa, que es el azúcar de

la leche, la fructosa de la frutas, la maltosa de la malta y así otros. Los nombres

se formularon al añadirle el sufijo “osa” a la raíz que denotaba el origen del azúcar.

Estos nombres no dan una idea clara de la estructura química de estos

compuestos, y por eso actualmente existe una nomenclatura para carbohidratos

bien establecida cuyo uso ofrece mayor información sobre ellos. Sin embargo,

aún se utilizan mucho los nombres triviales.

Monosacáridos

Los monosacáridos son los azúcares más sencillos, son aldehídos o cetonas con

dos o más grupos hidroxilo; la fórmula empírica de muchos de ellos es (CH2O)n.

Los más pequeños están formados por tres átomos de carbono, triosas, para los

cuales n= 3, entre ellos se encuentran el gliceraldehído y la dihidroxiacetona,

tiorsas. El gliceraldehído es una aldosa porque contiene un grupo aldehído,,

mientras que la dihidroxiacetona es una cetosa porque contiene un grupo ceto.

Como se menciono anteriormente, por definición, los carbohidratos son

polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Al grupo de las cetonas se le asigna el

sufijo “ulosa” para distinguirlas de los aldehídos que tienen la terminación “osa”,

por ejemplo, la levulosa (fructosa) es una cetosa que pertenece al grupo de las

hexulosas, mientras que la glucosa es una aldosa que pertenece al grupo de las

hexosas. Los azúcares con 4, 5, 6 y 7 átomos de carbono se llaman

respectivamente tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas.

CO

H

C

C

H

OH

HO

2

H

gliceraldehído

OC

HC OH2

2OHC H

dihidroxicetona

Estereoquímica de monsacáridos

El gliceraldehído tiene un solo carbono asimétrico o quiral, es decir, contienen un

átomo de carbono con cuatro sustituyentes diferentes. La representación espacial

(orientación tridimensional alrededor del centro quiral) de ésta molécula permite

observar dos estructuras no superponibles y una de ellas es imagen especular de

la otra.

OH CH

2

R

R

1

CHHO 2

R

R

1 R

R

1C H

OH2

Carbono asimétrico Espejo

centro quiral estereoisómeros

Entonces existen dos estereoisómeros de esta aldosa de tres carbonos, el D-

gliceraldehído y el L-gliceraldehído, en donde en el primero el grupo –OH se

encuentra del lado derecho (configuración D) y en la última el mismo grupo del

lado izquierdo (configuración L). Por lo tanto, los prefijos D y L designan la

configuración absoluta de la molécula. A la representación en el espacio de estas

moléculas se le conoce como Proyección de Fischer, los átomos enlazados a un

carbono asimétrico por valencias horizontales sobresalen de la página, y los

unidos por valencias verticales quedan detrás. La asignación arbitraria por parte

de Fischer de la configuración D a este isómero demostró ser, años más tarde, por

cristalografía de rayos-X la correcta.

H

H

HC OH2

C

C

HO

O

L-gliceraldehído

C

OH

O

H

C

C

H

OH2

H

D-gliceraldehído

Configuración absoluta del D- y L-gliceraldehído.

Para los azúcares con más de un carbono asimétrico, los símbolos D y L se

refieren a la configuración absoluta del carbono asimétrico más alejado del grupo

aldehído o cetona, es decir, al carbono C-5. Dos hexosas comunes son la D-

glucosa (una aldosa) y la D-fructosa (una cetosa). Estas hexosas pertenecen a la

serie D porque su configuración absoluta en C-5 es la misma que la del D-

gliceraldehído, en el carbono cinco el -OH se encuentra del lado derecho de la

molécula, por lo tanto la nomenclatura de estos compuestos se basa en su

configuración absoluta*. Cabe mencionar que no siempre existe una

correspondencia entre las letras D y L y el sentido de la desviación de la luz

polarizada (dextro = derecha y levo = izquierda) ya que la dirección de la rotación,

como la magnitud son una función complicada de la estructura electrónica que

rodea al centro quiral.

* La nomenclatura D y L no es absoluta, ya que la designación se hace se hace siempre con relación a otro compuesto de referencia, por lo tanto es una configuración relativa.

C

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H

OH

OH

H O

D-glucosa

C

H

HC OH2

2OHC H

C

C

C

HO

H

H

OH

OH

O

D-fructosa

En general, una molécula con n centros asimétricos y sin plano de simetría puede

presentar 2n formas estereoisoméricas. Para las aldotriosas n = 1 y por tanto

habrá 2 estereoisómeros, el D y L-gliceraldehído. Estas formas son enantiómeros

(imágenes especulares) una con respecto a la otra. La adición de un grupo H-C-

OH origina una aldotetrosas (cuatro carbonos) y entonces n = 2, según la fórmula

origina 4 isómeros; dos parejas de enantiómeros. Dos de ellas son azúcares D y

las otras dos son enantiómeros L. Siguiendo con la serie D, una de estas aldosas

de cuatro carbonos es la D-eritrosa y la otra la D-treosa. Ambas tienen la misma

configuración en C-3 (porque son D-azúcares) pero configuración opuesta en C-2.

Se llaman diastereoisómeros, no enantiómeros, porque uno no es la imagen

especular del otro.

Las aldosas de cinco carbonos tienen tres centros de asimetría, lo que origina

ocho (23) estereoisómeros, 4 de la serie D y 4 de la serie L. Al primer grupo

pertenece la D-ribosa. Las aldosas de 6 carbonos tienen cuatro centros de

asimetría, así habrá 16 (24) estereoisómeros, 8 de la serie D y 8 de la forma L

(Figura1). La D-glucosa, la D-manosa y la D-galactosa son aldosas de seis

carbonos muy abundantes. La D-glucosa y la D-manosa sólo difieren en la

configuración de C-2. Los D-azúcares que se diferencian en la configuración de un

solo carbono asimétrico son epímeros. Así pues, la D-glucosa y D-manosa son

epímeros en C-2; la D-glucosa y D-galactosa son epímeros en C-4.

C

H

HO

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H OH

O

D-galactosa

epímero en C-4

C

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H

OH

OH

H O

D-glucosa

C

H

HO

H

HC OH2

H

C

C

C

C

HO

H

H

OH

OH

O

D-manosa

efímero en c-2

En cuanto a las cetosas, la dihidroxicetona el mas sencillo de estos azúcares no

tienen carbonos quirales, de las cetotetrosas existen dos enantiómeros, la D-

eritrulosa es la única D-cetosa de cuatro carbonos y su respectivo L, porque las

cetosas tienen un centro asimétrico menos que las aldosas correspondientes. En

consecuencia, habrá dos D-cetosas y dos L-cetosas de cinco carbonos y cuatro de

seis carbonos D y cuatro L (Figura 2). La cetohexosa más abundante es la D-

fructosa. En estos compuestos la forma que predomina en los seres vivos es la forma D.

Figura 2. Cetosas

Actividad óptica

La luz ordinaria es una forma de energía que se propaga por medio de ondas,

cuyas vibraciones se producen en todas direcciones y en ángulo recto con

respecto al eje de avance de la luz. Algunos materiales, como las láminas

Polaroid, tienen la propiedad de permitir sólo el paso de la luz que vibra en un

determinado plano (luz polarizada). Los polariscopios y polarímetros constan

esencialmente de un elemento polarizado, de un espacio para colocar el problema

y de otro elemento polarizante giratorio sobre el eje de paso de la luz y el

analizador, cuya rotación puede ser medida. Los materiales ópticamente activos,

como algunos carbohidratos son aquellos que en disolución, y entre dos láminas

polarizadoras de la luz, pueden desviar el plano de polarización de la luz hacia la

derecha o hacia la izquierda. Los materiales que desvían el plano de polarización

de la luz hacia la derecha son los materiales dextrógiros y los que lo desvían hacia

la izquierda son levógiros siendo ópticamente activos. Muchos de los compuestos

orgánicos que presentan actividad óptica contienen en sus estructuras los

llamados carbonos asimétricos o centros quirales. Con respecto a los

enantiómeros de las D-cetosas, la dihidroxiacetona, el más sencillo de estos

azúcares, es ópticamente inerte, ya que no contiene centro quiral.

Los carbohidratos presentan actividad óptica, esta característica es aprovechada

para su cuantificación y estudio, mediante la determinación del valor de rotación

específica, característica de cada tipo de molécula. En los carbohidratos y otros

materiales ópticamente activos, como los aminoácidos, la disposición espacial de

las moléculas está fundamentalmente ligada a su actividad fisiológico.

La rotación específica [] de una sustancia es la rotación angular en grados

producida por una columna de 10 cm de longitud a una concentración de 1 g/ml.

El valor 20o se refiere a la temperatura a la que se realiza la medición y la D es la

fuente de luz monocromática utilizada; en este caso la luz de la raya D del sodio

(589,0 a 589.6 nm de longitud de onda), ya que el comportamiento cuantitativo de

un material con actividad óptica es distinto para cada longitud de onda. De un

modo general, la actividad óptica se expresa con la fórmula:

[ ] =

Donde es la rotación observada en grados, 1 la longitud del tubo en que está la

muestra en el polarímetro (en decímetros) y c la concentración del material en g

100 mL.Tabla 3. Rotaciones específicas de varios carbohidratos.

CarbohidratosRotación

específica(línea D, 20º C)

CarbohidratosRotación específica

(línea D, 20ºC)

D-Gliceraldehído +13.5 D-Galactosa + 81.5L-Arabinosa +104.0 D-Fructosa - 92.0D-Xilosa + 19.0 Maltosa +138.5D-Ribosa -23.7 Lactosa + 52.5D-Glucosa +52.7 Sacarosa + 66.5D-Mannosa +14.2 Almidón (solución en CaCl2) +200.0

Formas cíclicas de los monsacáridos

Las formas predominantes de la glucosa y fructosa en disolución no son las de

cadena abierta, sino que estas cadenas se ciclan formando anillos. En general, el

grupo aldehído puede reaccionar con un alcohol para formar un grupo hemiacetal.

OH

ORCR

H'R C

O

H+ HOR'

aldehído + alcohol hemiacetal

El aldehído del C-1 de la forma abierta de la glucosa reaccionan así con el

hidroxilo del C-5 para formar un hemiacetal intramolecular. El anillo resultante de

seis eslabones se llama piranósico por su semejanza con el compuesto pirano y

en particular a la glucosa en forma cíclica glucopiranosa.

O

pirano

O

Furano

De manera semejante el grupo cetona de una cetosa puede reaccionar con un

alcohol para formar un hemicetal como sucede con la D-fructosa. El grupo ceto

del C-2 de la forma abierta de la fructosa puede así reaccionar con el hidroxilo del

C-5 para formar un hemicetal intramolecular. Este anillo de cinco eslabones se

denomina furanósico por su semejanza con el furano en particular se llamaría

fructofuranosa.

La representación tridimensional de las fórmulas estructurales de la glucopiranosa

y de la fructofuranosa se realiza mediante las proyecciones de Haworth. En estas

proyecciones no muestran explícitamente los átomos de carbono del anillo. El

plano aproximado del anillo es perpendicular al plano del papel, estando la línea

gruesa del anillo hacia el frente.

C

H

HC OH2

2OHC H

C

C

C

HO

H

H

OH

OH

O

D-fructosa

OHOH

HO

H

H

CO

2OHCH

H

HOH2COH

OH

HO

H

H

O 2OHCH

H

HOH2C

-D-fructofuranosa

Cuando se cicla la glucosa se crea un nuevo centro de asimetría. El carbono 1, el

átomo de carbono carbonílico en la forma de cadena abierta, se convierte en un

centro asimétrico en la forma cerrada. Al cerrarse el anillo se pueden formar dos

estructuras: la -D-glucopiranosa y la -D-glucopiranosa. En la serie de azúcares

D, representados según la proyección de Haworth, la designación significa que

el grupo hidroxilo unido al C-1 queda por debajo del plano del anillo; significa

que está por encima del plano. Al carbono C-1 se le denomina átomo de carbono

anomérico y por ello las formas y son anómeros.

4 1

HO

OH

OH

OH

HO

HHH

HH

OCH2

-D-glucopiranosa

4 1

H

O

OH

OH

OH

HO H

HH H

H

OCH2

-D-glucopiranosa

Proyección de Haworth

Se aplica la misma nomenclatura a las formas cíclicas de la fructosa en anillo

furanósico, con la excepción de que y se refieren a los grupos hidroxilo unidos

al C-2, el átomo de carbono anomérico de las cetosas. Los azúcares de cinco

carbonos, como la D-ribosa y la D-2-desoxirribosa forman anillos furanósicos, tal

como se ha visto en la estructura química del RNA y el DNA. En disoluciones

acuosas, la -D-glucopiranosa y la -D-glucopiranosa se interconvierten a través

de la forma abierta del azúcar, hasta alcanzar una mezcla en equilibrio. Esta

interconversión se denomina mutarrotación.

C

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H

OH

OH

H O

D-gluvcosa

14

H

OH

OH

OH

HO

H HHH

H

CH2O

CO

-D-glucopiranosa

4 1

HO

OH

OH

OH

HO

HHH

HH

OCH2

4 1

H

O

OH

OH

OH

HO H

HH H

H

OCH2

-D-glucopiranosa

Una mezcla de equilibrio contiene aproximadamente un tercio del anómero y dos

tercios del anómero . La forma abierta de la glucosa está presente en una

proporción muy pequeña ( 1%). Del mismo modo, los anómeros y de las

formas furanósicas de la fructosa se interconvierten a través de la forma abierta.

Algunas células contienen mutarrotasas, enzimas que aceleran la interconversión

de azúcares anoméricos.

Mutarotación de la glucosa

Propiedades físicas

Todos los monosacáridos son solubles en agua, y sus soluciones tienen, en

general, un sabor dulce. La mayoría de estos azúcares se han obtenido en forma

cristalina, aunque en algunos casos la cristalización es difícil si no se cuenta con

cristales que inicien el proceso. Al igual que otros, los cristales de los azúcares

pueden descomponerse a temperaturas cercanas a su punto de fusión.

Tabla 4. Propiedades físicas de algunos monosacáridos encontrados en la NaturalezaMonosacárido Fórmula

molecularPeso

MolecularPunto de

Fusión (oC)Fuente

de reservaD-Gliceraldehído C3H6O3 90-08 Líquido MetabolismoD-Eritrosa C4H8O4 120.11 Líquido Metabolismo-L-Arabinosa C5H10O5 150.13 160 Hemicelulosa, pectinas2-Desoxi-D-ribosa C5H10O4 134.13 96 Ac. DesoxirribonucleicoD-Ribosa C5H10O5 150.13 87 Ac. Ribonucleico-D-Xilosa C5H10O5 150.13 153 Glucuroxilanos de la madera-D-Fructosa C6H12O6 180.16 103 Frutas, miel, inulina-D-Galactosa C6H12O6 180.16 165 Lactosa-L-Galactosa C6H12O6 180.16 165 Agar, gomasD-Glucitol (sorbitol) C6H14O6 182.16 97.5 Algas, frutas-D-Glucosa C6H12O6 180.16 147 Ampliamente distribuidoD-Manitol C6H14O6 182.16 167 Algas, frutas-L-Ramnosa C6H12O5.H2O 182.16 93 Quercetina, glucósidos

Agentes reductores

Los monosacáridos pueden ser oxidados por agentes oxidantes relativamente

suaves como los iones férrico (Fe3+) y cúprico (Cu2+). En estas reacciones el

carbono carbonílico se oxida a ácido carboxílico. La glucosa y otros azúcares

capaces de reducir iones férricos o cúpricos se llaman azúcares reductores. Esta

propiedad es útil en el análisis de azúcares y es la base de la reacción de Fehling

o Benedict, ensayos cualitativos que indican la presencia de azúcares reductores

por un cambio de coloración. También es posible estimar la concentración del

azúcar a partir de la medición de la cantidad de agente oxidante que se reduce

por acción de una disolución de azúcar. Años atrás se utilizaba este procedimiento

para la determinación del contenido de glucosa en sangre y orina en el diagnóstico

de la diabetes mellitus, una enfermedad en la que el nivel de glucosa en sangre es

anormalmente elevado y se da una excesiva excreción urinaria de glucosa. En la

actualidad se dispone de métodos más sensibles para la determinación de glucosa

en sangre que emplean el enzima glucosa oxidasa.

C

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H

OH

OH

H O

D-glucosa2Cu2+ 2Cu1+

C

H

HC OH2

H

C

C

C

C

OH

HO

H

H

OH

OH

OO

D-gluconatoD-glucosa como agente reductor

Oxidación de azúcares

La oxidación completa de un azúcar resulta en su total degradación a CO2

acompañada por liberación de energía. Esto, por supuesto, representa la química

neta de la respiración con los carbohidratos como alimento. El proceso oxidativo

de la respiración que produce energía se complementa con el proceso reductivo

que requiere energía de la fotosíntesis, lo cual resulta en la fijación del CO2

atmosférico y su conversión a carbohidrato.

Distribución en la Naturaleza

La glucosa es muy abundante en diferentes frutas y vegetales como uvas,

manzanas, fresas, cebollas, papas y otras, y su concentración depende

básicamente del grado de madurez del producto. Las mieles contienen

aproximadamente 40% de glucosa. Debido a que ésta es dextrorrotatoria, también

se la conoce con el nombre de dextrosa.

La fructosa se encuentra junto con la glucosa en los jugos de varias frutas y en

mieles, y se obtiene en cantidades equimoleculares con la glucosa al hidrolizar la

sacarosa. Al igual que la mayoría de los monosacáridos, la fructosa es un azúcar

reductor y forma parte de algunos polisacáridos, principalmente de la inulina que

se encuentra en plantas, como el maguey. Debido a que la fructosa es altamente

levorrotatoria, también se la conoce con el nombre de levulosa.

La galactosa forma parte constitutiva de varios compuestos químicos como los

cerebrósidos y los gangliósidos, que son esenciales en los tejidos nerviosos del

cerebro. La falta de un metabolismo propio de este azúcar puede traer problemas

muy serios de salud en el humano. La galactosa se encuentra relativamente poco

en forma libre como monosacáridos, pero es abundante en forma combinada,

principalmente con la glucosa, para formar la lactosa de la leche.

La mayoría de las pentosas se encuentran en forma de polímeros y muy poco en

estado libre como monosacáridos, aunque también se encuentran formando parte

estructural de las moléculas de algunos glucósidos y saponinas. La arabinosa es

constituyente de varios polisacáridos llamados arabanos que abundan en muchas

plantas. La ribosa es un componente de la riboflavina y de los ácidos nucleicos.

La ramnosa es una metilpentosa que forma parte de varios glucósidos importantes

como en el alcaloide solanina, y en flavonoides como la hesperidina, la naringina,

la quercetina y otras varias antocianinas.

Oligosacáridos Según el número de unidades o residuos monoméricos unidos entre sí mediante

enlaces glucosídicos, un oligosacárido puede llamarse disacárido, trisacárido, etc.,

con un límite superior de diez residuos generalmente, para distinguirlos de los

polisacáridos. La mayoría de los oligosacáridos están compuestos de hexosas. Si

todos los residuos son idénticos, la sustancia se denomina oligómero homogéneo.

Obviamente, la presencia de dos o más tipos diferentes de monómeros caracteriza

un oligómero heterogéneo, ambos tipos se encuentran en la naturaleza.

DisacáridosEntre los muchos disacáridos de origen natural que se encuentran en estado libre,

los más abundantes e importantes son la sacarosa y la lactosa. Ambos son

disacáridos heterogéneos. La sacarosa está compuesta de -D-glucosa y -D-

fructosa, y la lactosa está compuesta de -D-galactosa y -D-glucosa. El enlace

que une a los monosacáridos para formar oligosacáridos o polisacáridos se le

denomina enlace glicosídico.

La sacarosa se encuentra ampliamente distribuida en el reino vegetal, pero es

más abundante en la caña de azúcar y en la remolacha. Es el producto granulado

principal obtenido del procesamiento de este material y se conoce comúnmente

como azúcar de mesa. Luego de ser sintetizada en las hojas verdes se transporta

a varias otras partes de la planta con el objeto principal de almacenamiento.

Cuando se necesita carbono y energía, la sacarosa se hidroliza a glucosa y

fructosa que entran a la vía principal del metabolismo. La misma degradación

hidrolítica ocurre durante la digestión en los animales que consumen plantas. Esto

proporciona uno de los principales aportes dietéticos de hexosas para el reino

animal. Estos compuestos poseen propiedades dulcificantes que ocasionan un

realce del sabor, así como con el hecho de que un exceso de consumo es dañino

particularmente para el buen mantenimiento de los dientes.

El enlace glucosídico en la sacarosa (D-glucosa + D-fructosa) se representa como

G(1→2)F, implica estar involucrados los dos hidroxilos anoméricos (1 y 2)

de ambos monómeros, lo cual elimina la posibilidad de un grupo aldehído o cetona

libre. Puesto que no se encuentra un grupo carbonilo libre (sin romper el enlace

glucosídico), la sacarosa es un azúcar no reductor.

O

H

OH H

H

HH

OH

O

HOOH

HO

H

H

O

2OHCH

HHOH2C

HO CH 2

enlace glucosídico G(1→2)F en la sacarosa

La sacarosa se sintetiza en plantas, pero no en animales superiores, es un

producto intermedio principal de transporte de azúcar desde las hojas a otras

partes de la planta. La lactosa es el carbohidrato más abundante en la leche de

los mamíferos (alrededor del 5% de la leche es lactosa) y representa la principal

fuente de carbono y energía para el lactante. Puesto que el - OH de la D-

galactosa (C-1 anomérico) está en unión glicosídica (1→ 4) con el C-4 de la o

-D-glucosa, a la lactosa se le conoce comúnmente como una -galactósido.

Puesto que el carbono anomérico (C-1) del residuo de la glucosa no está

comprometido en el enlace glucosídico, existe en potencia un grupo aldehído

libre, y de esta manera la lactosa se clasifica como un azúcar reductor.

Tabla 5. Disacáridos reductores y no reductoresDisacáridosreductores Estructura Distribución

Celobiosa -D-glucopiranosil (1→4) D-glucopiranosa CelulosaGentibiosa -D-glucopiranosil (1→6) D-glucopiranosa Gentianosa (raíz de genciana);

amigdalina (almendra marga)Lactosa -D-glucopiranosil (1→4) D-glucopiranosa Leche: 71 g/l – mujer; 48 g/l - vaca

Maltosa -D-glucopiranosil (1→4) D-glucopiranosa Almidón; glucógeno

Melobiosa -D-glucopiranosil (1→6) D-glucopiranosa Vegetales (por hidrólisis parcial de rafinosa)

DisacáridosNo reductores

Estructura Distribución

Sacarosa -D-glucopiranosil (1→2) -D-fructofuranosa Vegetales y en particular en la remolacha y caña de azúcar

Trehalosa -D-glucopiranosil (1→1) -D-glucopiranosa HongosInsectos

La celobiosa y la maltosa son ejemplos de disacáridos homogéneos. Los dos son

moléculas de diglucosa. Sin embargo, difieren en la naturaleza del enlace

glicosídico. La celobiosa (1→4) es la única unidad repetitiva en la celulosa; la

maltosa (1→ 4) es la única unidad repetitiva de la fracción amilosa del almidón;

Ninguno de estos disacáridos existe en estado libre, como sus estructuras lo

indican son azúcares reductores. El disacárido lactosa formado por D-galactosa y

D-glucosa, se encuentra únicamente en la leche. El carbono anomérico del

residuo de glucosa puede reducirse y la lactosa es por tanto un disacárido

reductor. Su nombre abreviado es Ga(1→4)G. Muchos adultos son intolerantes a

la leche porque son deficientes en lactasa. Casi todos los recién nacidos y los

niños son capaces de digerir la lactosa. Por el contrario, la mayoría de los adultos

de todo el mundo son deficientes en lactosa, lo cual los hace intolerantes a la

leche.

La trehalosa G(1→1)G es un disacárido de D-glucosa y, al igual que la

sacarosa, es un azúcar no reductor; el enlace glicosídico está formado por los dos

carbonos anoméricos de los dos residuos de glucosa. La trehalosa es un

constituyente principal del fluido circulante (hemolinfa) de los insectos, en el que

actúa como reserva energética.

Poder edulcorante

Todos los azúcares poseen la característica de tener un sabor dulce y su poder

edulcorante es diferente en cada caso. La intensidad de la dulzura de los azúcares

puede variar debido a muchas causas, como la temperatura, la concentración y la

presencia de otros compuestos. Cuando los azúcares se disuelven en agua

existen reacciones de mutarrotación que producen una mezcla de tautómeros con

diferente dulzura, lo cual se puede observar en las soluciones de fructosa recién

preparadas que son más dulces que las que se dejan en reposo y alcanzan su

equilibrio tautomérico. Debido a que todas las determinaciones de dulzura son

netamente subjetivas –provenientes de catadores- los resultados de todo análisis

organoléptico están sujeto a errores propios de los individuos, lo que puede ser un

factor que influya en las discrepancias de los valores del poder edulcorante de los

diferentes azúcares.

Otros autores señalan que la propiedad de los azúcares de producir una

sensación de dulzura está directamente relacionada con la presencia de grupos

hidroxilo en sus moléculas y es una característica común en estos compuestos.

Algunas sustancias similares, como las parafinas que no contienen hidroxilos,

carecen de las propiedades organolépticas de los azúcares. Aunque otros

advierten que la dulzura de otras sustancias no siempre está relacionada con la

presencia de hidroxilos ya que la sacarina y los ciclamatos no los contienen y, sin

embargo, son más dulces que la sacarosa.

No solo se requiere de hidroxilos para que los azúcares sean dulces, sino que

también influye la estereoquímica de dichos hidroxilos, como en el caso de la -D-

Glucosa que es dulce, mientras que su epímero, -D-Manosa, es amarga.

Aunque existen muchas teorías que explican el fenómeno de la dulzura de los

azúcares, la más aceptada considera que esta sensación se produce como un

fenómeno que ocurre debido a la facilidad que tienen los hidroxilos de formar

puentes de hidrógeno entre la molécula estimulante y el sitio receptor sensor de la

boca. En esta teoría se considera que la molécula dulce contiene dos átomos

electronegativos X y Y, uno de los cuales está unido a un hidrógeno en forma de

XH, y donde el receptor tiene una estructura similar, de tal forma que la interacción

se efectúa en forma inversa en donde XH es el donador del protón y Y el aceptor.

No es necesario que la molécula tenga un carbono anomérico libre para producir

dulzura ya que la sacarosa, al ser un azúcar no reductor. Tabla 6. Poder edulcorante relativo de algunos azúcaresAzúcar Dulzura*

En solución Forma cristalina

-D-Fructosa-D-Glucosa-D-Glucosa

-D-Galactosa-D-Galactosa-D-Manosa-D-Manosa-D-Lactosa-D-Lactosa-D-Maltosa

135604027-

59amargo

274839

1807482322132

amargo1632---

* Sacarosa = 100

Trisacáridos

Están formados por la condensación de tres moléculas de monosacáridos, aunque

son menos frecuentes encontrarlos en la naturaleza, son comunes en los

vegetales.

Tabla 7. Principales trisacáridos presntes en la naturaleza

Trisacáridos Estructura Distribución

Rafinosa

Estaquiosa

-D-galactopiranosil (1→6) -glucopiranosil (1→ 2)-D-fructofuranósido

Digalactosil sacarosa

Azúcar de remolacha parcialmente refinada

Vegetales

Polisacáridos

Los polisacáridos resultan de la condensación de más de 10 moléculas de

monosacáridos. Se clasifican en homogéneos y heterogéneos. Los polisacáridos s

homogéneos u homopolisacáridos resultan de la condensación de moléculas de

un mismo tipo monosacárido. Desde el punto de vista funcional, se distinguen

homopolisacáridos estructurales tales como la celulosa, lignina y quitina.

Polisacáridos heterogéneos resultan de la condensación de un gran número de

moléculas de diversos tipos de monosacáridos. Según la presencia de nitrógeno o

no en su molécula, se dividen en heteropolisacáridos no nitrogenados como el

agar, goma arábiga, hemicelulosas y pectinas, y en heteropolisacáridos

nitrogenados, los glucosaminoglucanos o glucosaminoglucuronoglucanos (antes

denominados mucopolisacáridos).

Homopolisacáridos de reserva

Almidón. El almidón en estado natural es una mezcla de dos tipos de

compuestos, la -amilosa (15-20%) y la amilopectina (80-85%). La -amilosa

consiste en una larga cadena lineal de unidades de D-glucosa que varia de 200 a

3000 unidades por molécula, unidas entre sí por enlaces (1→4). Su peso

molecular varía desde unos miles a 500 000 daltons. La amilosa, aunque no es

soluble en agua, forma micelas hidratadas, las cuales dan un color azul con el

yodo. La amilopectina también contienen moléculas de D-glucosa formando largas

cadenas con ramificaciones, por consiguiente uniones (1→4) y (1→6)

(ramificación).

Glucógeno. El glucógeno, como la amilopectina, es un polisacárido formado por

moléculas de D-glucosa unidas por enlaces (1→4) y (1→6), pero mucho más

ramificado, según se ha demostrado por los métodos de Haworth y del peryodato.

Los puntos de ramificación están presentes cada ocho o 12 residuos de glucosa.

El glucógeno da un color rojo violeta con el yodo. Su peso molecular oscila entre

270 000 a 100 millones, siendo una molécula esférica y compacta. El hecho de

que el glucógeno sea una molécula muy ramificada, es importante por dos

razones. En primer lugar porque incrementa su solubilidad, y en segundo lugar

porque hace que tenga un gran número de residuos terminales no reductores;

estos son sitios de acción de la glucógeno fosforilasa y sintetasa. De este modo,

las ramificaciones incrementan la velocidad de síntesis y de degradación del

glucógeno.

AmilosaPolímero no ramificado(1→ 4)

Dextranos. Son también polisacáridos ramificados de la D-glucosa, pero difieren

del glucógeno y el almidón en que sus enalces en el esqueleto principal son

(1→6), Varían en la naturaleza de sus puntos de ramificación, que pueden ser

(1→2), (1→3), ó (1→4) según las especies. Los dextranos forman disoluciones

murcilaginosas de elevada viscosidad.

Inulina. La inulina resulta de la condensación de un centenar de unidades de D-

fructosa en forma furánica por enlaces glucosídicos (2→1), con unas cuantas

unidades de D-glucosa en el extremo de la cadena. Tiene un peso molecular

aproximado de 500 daltons.

Tabla 8. Distribución de homopolisacáridos de reservaPolisacárido Distribución Funciones y usos

Almidón Tubérculos: patataCereales: arroz, maíz y trigo. Se presenta en forma de gránulos de forma característica según su fuente de origen.

Carbohidrato de reserva de las plantas, intervine en su nutrición, reproducción y crecimiento.Es la fuente alimenticia más importante de carbohidratos.

Glucógeno Fundamentalmente en hígado y músculo esquelético.

Reservorio nutricional en los tejidos animales.Almacén de glucosa eficiente y rápidamente movilizable.Reduce al máximo los cambios de presión osmótica que la glucosa libre podría ocasionar en la célula.

Dextranos Levaduras y bacterias Polisacáridos de reserva en levaduras y bacterias.Sustitutos o expansores del plasma en el tratamiento del choque.

Inulina Tubérculo de achicoria y dalia.Bulbos de cebolla y ajo.

Polisacárido de reserva de las plantas.Es fuente comercial de fructosa.

Homopolisacáridos estructurales

Celulosa. Es un polímero lineal de residuos de D-glucosa unidos por enlace

(1→4). Su unidad disacárida de repetición es la celobiosa, que son dos moléculas

de glucosa unidas por un enlace (1→4). La hidrólisis parcial da lugar al disacárido

celobiosa.

En la celulosa y otros polisacáridos estructurales las unidades monosacáridas se

unen por enlaces , mientras que en los carbohidratos de carácter nutricional

como el almidón y el glucógeno el enlace es de tipo . La celulosa tiene una alta

afinidad con el agua, pero es completamente insoluble en ella. Su peso molecular

oscila entre 50 000 y 2 500000, según las diferentes fuentes, lo que equivale de

300 a 15 000 moléculas de glucosa. La distribución en la naturaleza y funciones

de la celulosa y de los otros homopolisacáridos estructurales se resumen en la

Tabla 9.

Quitina. Es el principal elemento estructural del exoesqueleto de insectos y

crustáceos. Es un homopolímero de N-acetil-D-glucosamina y está

estructuralmente próximo a la celulosa. El grupo hidróxilo, en posición 2 en los

residuos de glucosa de la celulosa, en la quitina están sustituidos por un grupo N-

acetilamino.

Tabla 9. Distribución de homopolisacáridos estructurales

Polisacárido Distribución Funciones y usos

CelulosaEs el polisacárido estructural más abundante de la pared celular de las plantas y el compuesto orgánico más abundante de la biosfera. El algodón es casi celulosa pura. Las moléculas de celulosa se disponen en haces de cadenas paralelas formando fibrillas.

Confiere resistencia a la pared celular de las plantas.Alimento para los animales herbívoros debido a que poseen las enzimas celulasas.Utilización terapéutica para aumentar el residuo fecal en determinados tipos de estreñimiento.La celulosa puede ser nitratada para formar nitratos de celulosa, los cuales tienen una gran importancia en la manufactura de explosivos, celuloide y otras sustancias.Los acetatos de celulosa se emplean en la fabricación de films fotográficos, rayón y en varios materiales plásticos.

Quitina Caparazón de crustáceosExoesqueleto de insectos

Confiere resistencia al armazón de crustáceos e insectos.

Heteropolisacáridos no nitrogenados

Son menos abundantes en la naturaleza, pero el mas importante son las pectinas,

los principales hetereopolisacáridos se enlistan en la Tabla11.

Pectinas. El término sustancias péctinas se usa generalmente para referirse a un

grupo de polisacáridos vegetales en el cual el ácido D-galacturónico es el principal

componente, unidos por enlaces glucosídicos -D-(1→4), en donde algunos de los

carboxilos pueden estar esterificados con grupos metilos o en forma de sal.

Dentro de este grupo de carbohidratos se pueden distinguir varias clases: los

ácidos pectínicos son los polisacáridos que tienen esterificado parte del ácido D-

galacturónico como éster metílico, mientras que aquellos que no están

esterificados se les conoce como ácidos pécticos. Las pectinas, por definición,

son lo ácidos pectínicos con diferente grado de esterificación; son solubles en

agua y tienen capacidad de formar geles en presencia de ácidos, sales y

azúcares. Las sustancias pécticas se encuentran fundamentalmente asociadas

con la hemicelulosa en las paredes celulares de las plantas terrestres, y son más

abundantes en tejidos suaves, como la cáscara de frutas cítricas, en manzanas,

peras y otras.

Tabla 10.Contenido de pectinas en frutos(%)

Base húmeda (%) Base seca (%)

Manzana 0.5-1.6 Zanahoria 6.9-1.4Plátano 0.7-1.2 Naranja 12.4-28.0Durazno 0.1-0.9 Papa 1.8-3.3

Fresa 0.6-0.7 Tomate 2.4-4.6Cereza 0.2-0.5

Chícharo 0.9-1.4

Tabla 11. Heteropolisacáridos no nitrogenadosPolisacárido

no nitrogenado Estructura Distribución Usos

Agar Polisacárido de D y L galactosa, algunas de las cuales se hallan esterificadas con ácido sulfúrico

Algas marinas Medio de cultivo de bacterias

Gomaarábiga

Polisacárido de D-galactosa, D-glucurónico, arabinosa y ramnosa

Vegetales Preparación de productos farmacéuticos, adhesivos y dulces

Hemicelulosas No se hallan relacionadas estructuralmente con la celulosa, sino que son D-xilanos, polímeros de la D-xilosa con enlace (1→4) y cadenas laterales de arabinosa y otros azúcares

Pared celular de las plantas

Resistencia de la pared celular

Pectinas Es un polímero de metil-D-galacto-uronato

Pared celular de las plantas Frutos cítricosManzanas, fresa, tejocote, remolachazanahorias

Industria de conservación de frutas.Acción dietética constipante

Glucoproteínas

Lectinas. Las plantas contienen muchas proteínas que se unen a carbohidratos

específicos se llaman lectinas (palabra derivada del latín legere “seleccionar”) que

intervienen en muchos procesos de reconocimiento biológico. La aglutinina del

germen de trigo, la lectina del cacahuete y la fitohemaglutinina (de la aubia roja)

reconocen unidades de disacáridos u oligosacáridos. Todas las lectinas conocidas

contienen dos o más centros de unión para los azúcares, lo que explica su

capacidad para aglutinar (es decir, establecer enlaces cruzados) a los eritrocitos y

otras células, por su capacidad de reconocer patrones de oligosacáridos. Alguna

función fisiológica es participar en la unión de una bacteria fijadora de nitrógeno

(Rhizobium trifolii) a la superficie de las vellosidades de la raíz del trébol. Esta

lectina establece enlaces cruzados entre los receptores de la pared celular de las

vellosidades de la raíz y los polisacáridos y lipopolisacáridos de la cápsula de la

bacteria.

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