carbohidratos

carbohidratos

Históricamente los carbohidratos o hidratos de carbono, como se les conocía antes, deben su nombre a que en su fórmula mínima los átomos de carbono van unidos con átomos de hidrógeno y oxígeno que están entre sí en la relación de dos a uno, que es la misma relación entre los átomos de hidrógeno y oxígeno cuando forman agua, de ahí la errónea idea de que los carbohidratos estaban formados por átomos de carbono unidos a determinado número de moléculas de agua. Funcionalmente, se definen como funciones mixtas formadas por grupos hidroxilo provenientes de los alcoholes y grupos carbonilo provenientes de aldehídos o cetonas. Es decir, pueden ser polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, dependiendo de los grupos funcionales presentes.

La gran mayoría de los carbohidratos son sintetizados por las plantas verdes durante la fotosíntesis, un proceso complejo en el cual el dióxido de carbono se convierte en glucosa Muchas moléculas de glucosa son unidas químicamente y almacenadas por la planta en forma de celulosa o almidón. Se ha hecho una estimación de que más del 50% del peso seco de la biomasa del planeta, incluyendo animales y plantas está formada por polímeros de glucosa. Cuando se ingieren y se metabolizan, los carbohidratos constituyen la principal fuente de energía para los organismos. De esta forma los azúcares actúan como los intermediarios químicos en los que la energía solar se almacena y se utiliza para sostener el ciclo de la vida. De forma abreviada la fotosíntesis se puede representar de la siguiente manera: Luz solar 6CO2 1 6H2 O 6O2 1 C6 H12O6 Celulosa, almidón Glucosa

Clasificación

De manera general, los carbohidratos se pueden dividir en simples y complejos. Los azúcares simples, como la glucosa, son carbohidratos que no pueden ser hidrolizados en moléculas más pequeñas. Los carbohidratos complejos están constituidos por la unión de dos o más azúcares simples. Por ejemplo, la sacarosa es un dímero compuesto por dos unidades de glucosa, mientras que la celulosa es un polímero de la glucosa. De acuerdo con el número de unidades simples que posea un carbohidrato, podemos diferenciar: monosacáridos, disacáridos y polisacáridos. Los monosacáridos son azúcares simples, los disacáridos están compuestos por dos monosacáridos y los polisacáridos, por más de dos unidades simples. Dentro de los monosacáridos podemos encontrar varios tipos de azúcares, de acuerdo con el número de carbonos que posea la molécula. Así, las triosas tienen 3 carbonos, las pentosas 5, y las hexosas, 6 carbonos. Por otro lado, según el grupo funcional, los monosacáridos pueden ser aldosas, si tiene el grupo aldehído, o cetosas, si tiene un grupo cetónico 

Monosacáridos

Los azúcares son moléculas complejas con más de un carbono quiral, por lo que el número de estereoisómeros posibles puede ser grande. Por ejemplo, una pentosa, con 3 carbonos quirales tiene 23 5 8 estereoisómeros posibles y una hexosa, con 4 carbonos quirales, tiene 24 5 16 estereoisómeros posibles. Sin embargo, de todos los posibles estereoisómeros, en la naturaleza sólo se presentan unos pocos, como veremos a lo largo de estas páginas. El gliceraldehído es el monosacárido más sencillo que existe Con base en su estructura se define otra clasificación de los carbohidratos: los tipos D y L

El gliceraldehído es el monosacárido más sencillo, con dos enantiómeros. a) Enantiómero d, b) enantiómero l y c) modelo tridimensional.

Azúcares D y L

Retomando la figura 14, observa que el d-gliceraldehído se diferencia del l-gliceraldehído en que el grupo OH del segundo carbono, es decir, el carbono quiral está a la derecha o a la izquierda respectivamente. Esto es cierto no sólo en el papel, esquemáticamente, sino en la forma tridimensional de la molécula, por lo que tradicionalmente, a estas configuraciones se las denominó D y L (por dextrógira/derecha y levógira/izquierda). Así, cuando un monosacárido presenta el grupo OH del carbono más alejado del grupo carbonilo —es decir el carbono equivalente al C2 del gliceraldehído— a la derecha, se denomina D. Igualmente, si el OH está a la izquierda de la molécula es de tipo L. Aún cuando ambas formas son igualmente posibles, en la naturaleza predominan las formas D sobre las L. Dado que esta denominación es enteramente relativa al gliceraldehído, los carbohidratos D o L con mayor número de carbonos no necesariamente son dextrógiros (d) o levógiros (l).  se muestran algunos enantiómeros de tetrosas, pentosas y hexosas. Nota que todos son tipos D (grupo OH indicado en azul) y que se diferencian entre sí por las posiciones de otros sustituyentes hidroxilo (indicados en rojo).

Estructuras cíclicas

Los carbohidratos son moléculas polifuncionales. Como hemos mencionado poseen grupos funcionales hidroxilo o alcoholes y grupos carbonilo, que pueden ser aldehídos o cetonas. Esta situación hace posible la interacción entre diferentes grupos funcionales dentro de una misma molécula. Recordemos que los alcoholes reaccionan con los aldehídos para formar hemiacetales y con las cetonas para dar lugar a hemicetales. En las hexosas, esta reacción ocurre, entre el carbono 1 o 2, portadores de los grupos aldehído o cetona respectivamente y el grupo OH del carbono 5, dando como resultado la formación de un anillo heterocíclico, de seis o de cinco miembros, según el caso. En la figura 16 se muestra la formación de la estructura cíclica de la D-glucosa, una aldohexosa y de la D-fructosa, una cetohexosa. Aún cuando, en teoría, cualquiera de los grupos OH puede dar lugar a una forma cíclica, las formas de 5 y 6 lados son las más frecuentes y estables en la naturaleza. Los carbohidratos cíclicos de cinco átomos se conocen como furanosas haciendo referencia al furano ( O ), un éter cíclico de cinco puntas. Análogamente, las formas cíclicas de seis puntas se denominan piranosas, pues el pirano es un éter cíclico de seis puntas ( O ). Como ya habrás notado, existen varias maneras para representar la configuración tridimensional de una molécula. En la figura 17 se muestran diferentes esquemas, tomando como ejemplo la manosa.

Isómeros a-b 

Dado que el anillo resultante de la formación de hemiacetales y hemicetales, es una estructura más o menos plana, algunos grupos quedan ubicados por debajo del anillo, mientras que otros permanecen por encima de éste. De acuerdo con las posiciones relativas del grupo CH2 OH del carbono 5 y del grupo OH del carbono 1, se pueden tener dos formas isómeras, denominadas a y b. Cuando los grupos CH2 OH y OH se encuentran en relación cis, es decir, al mismo lado del anillo, la forma es de tipo b, mientras que, si CH2 OH y OH se encuentran cada uno a un lado del anillo, es decir, en relación trans, se tiene un isómero a

Los isómeros a y b poseen propiedades físico-químicas diferentes y la conversión entre uno y otro implica la apertura del anillo, por hidrólisis del enlace —O— y la reciclación, de manera que los grupos H y OH unidos al carbono 1 cambien de lado. Así, una solución de D-glucosa, a temperatura ambiente, contiene una mezcla en equilibrio compuesta en un 36% por la forma a y en un 64% por la b. Esta solución, tiene a su vez unas propiedades químicas características, diferentes a las de los isómeros puros. La forma b es más estable que la a y por tanto es más abundante en la naturaleza. Esto se debe a que en este caso, los grupos OH se hallan alternados arriba y abajo del anillo.

Formación de glicósidos

Una de las reacciones más importantes de los azúcares simples es la formación de glicósidos. Se trata simplemente de la formación de un acetal a partir del hemiacetal inicial. Involucra por tanto, el grupo OH del carbono 1 y el OH de cualquiera de los otros carbonos, que por lo general es el carbono 4 (figura 18). De este modo se forman carbohidratos complejos (disacáridos y polisacáridos). El enlace que une a varios monosacáridos entre sí se denomina enlace glicosídico y durante su formación se libera una molécula de agua. Análogamente, a través de la hidrólisis en medio ácido, los carbohidratos complejos se pueden descomponer en unidades menores, pues una molécula de agua se incorpora nuevamente al enlace glicosídico, rompiéndolo. Cuando la unión de dos monosacáridos involucra los carbonos 1 (hemiacetálicos) de ambas moléculas, el disacárido resultante es no reductor, pues los grupos aldehído, susceptibles de ser oxidados se encuentran formando el enlace glicosídico.

Algunos de los disacáridos más comunes son:

n La sacarosa: llamada también azúcar de caña, se encuentra especialmente en la caña de azúcar y en la remolacha, aunque también está presente en la patata, el maíz, la zanahoria y otros vegetales. Está formada por una molécula de a-D-glucosa y otra de b-D-fructosa unidas a través de los grupos OH de los hemiacetales, ubicados en el carbono 1 de la glucosa y el carbono 2 de la fructosa. Esto explica por qué la sacarosa es no reductora y no reacciona con el reactivo de Fehling.

n La lactosa: es el azúcar presente en la leche. Está constituida por una molécula de a-D-glucosa y otra de b-D-galactosa, unidas por los grupos OH de los carbonos 1 de la glucosa y 4 de la galactosa. Debido a que el enlace glicosídico involucra solo uno de los grupos EJERCICIO hemiacetales, la lactosa es un azúcar reductor.

La maltosa: se conoce también como azúcar de malta, pues se encuentra en los granos de malta o cebada germinada. Está constituida por dos unidades de D-glucosa, enlazadas por lo carbonos 1 y 4 de cada una, por lo que es un azúcar reductor, positivo a las pruebas de Fehling y Tollens.