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.
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