Composición de los seres vivos: Glúcidos

El nombre de glúcidos viene del griego "glycys", que significa "dulce". También se les puede llamar carbohidratos o hidratos de carbono. Por otro lado, el nombre de azúcar es mejor aplicarlo sólo a los monosacáridos y oligosacáridos menores. Químicamente son polihidroxialdehídos o polihidroxiacetonas. 

CLASIFICACIÓN DE LOS GLÚCIDOS:
Los glúcidos se pueden clasificar de la siguiente forma:

1. Osas o Monosacáridos. Son las sustancias más sencillas que forman los glúcidos. No se pueden hidrolizar; es decir, no es posible dividirlos en elementos más simples. Se dice, por lo tanto, que son las unidades estructurales básicas (monómeros) de los hidratos de carbono. Todos los monosacáridos vienen descritos por la siguiente fórmula química:

Es decir, esta fórmula nos dice que los monosacáridos han de tener, mínimo tres átomos de carbono (aunque se puede distinguir una excepción). Por ello, los monosacáridos podemos clasificarlos atendiendo al número de átomos de carbono que tienen.

- Clasificación de los monosacáridos.

Para poder clasificar a los monosacáridos, primero hay que conocer a los grupos funcionales: el ceto y el aldehído.
a) Grupo ceto. Una cetona es un compuesto que presenta un grupo ceto; esto es, un grupo carbonilo (A - C=O - B) unido a dos átomos de carbono (o cadenas hidrocarbonadas, R₁ R₂). 

Grupo carbonilo

Por lo tanto, podemos decir que la fórmula general es:

Grupo ceto

b) Grupo aldehído. Es aquel en el que el grupo carbonilo está unido al menos a un hidrógeno:

Grupo aldehído

Viéndolos comparados:

Comparación de la glucosa, con un grupo aldehído (izquierda) y de la fructosa, con un grupo ceto (izquierda) 

Siguiendo con la clasificación de los aminoácidos (que depende del número de átomos de C), tenemos:

a) Diosas (excepción). En este grupo sólo existe un compuesto y algunos científicos ni siquiera lo clasifican como monosacárido puesto que tiene sólo dos átomos de carbono. A este compuesto se le llama glicoaldehído o 2-hidroxietanal.

 

c) Triosas. Constituidas por tres átomos de carbono. Pueden ser aldotriosas (si tienen un grupo aldehído) o cetotriosas (con un grupo ceto). Su fórmula es, por lo tanto: C₃H₆O₃. Encontramos dos compuestos diferentes: el gliceraldehído y la dihidroxiacetona.

d) Tetrosa. Presentan cuatro átomos de carbono y pueden ser aldotetrosas y cetotetrosas. Su fórmula es C₄H₈O₄. En cuanto a las aldosas, podemos encontrar la la eritrosa o la la treosa. De cetosas, la eritrulosa.

e) Pentosa. Están formadas por cinco átomos de carbono, pudiendo ser aldopentosas o cetopentosas. Su fórmula general es C₅H₁₀O₅. Encontramos las aldopentosas ribosa, arabinosa, xilosa, lixosa y, como cetopentosas, a la ribulosa y a la xilosa.

f) Hexosa. Compuesta por seis átomos de carbono, difierenciándose las aldohexosas de las cetohexosas. Su fórmula general es, por lo tanto: .En el grupo de las aldosas encontramos a la alosa, altrosa, glucosa, manosa, gulosa, idosa, galactosa y a la talosa. Como cetohexosas, la fructosa, psicosa, sorbosa y a la tagatosa. 

Es interesante también mencionar otros monosacáridos con mayor número de átomos de carbono, como pueden ser las heptosas (un ejemplo de heptosa es la sedoheptulosa).

- Propiedades de los monosacáridos.

a) Isomerías. Dos compuestos son isómeros si tienen la misma fórmula molecular. Podemos distinguir diferentes tipos de isómeros:

a.1) Isómeros de posición. Si varía la colocación del grupo funcional. Poniendo un ejemplo no con monosacáridos, sino con alcoholes, podemos tener:

CH₃-CH₂-CH₂OH    (1-Propanol)

CH₃-CHOH-CH₃        (2- Propanol)

a.2) Isómeros de función o químicos. Lo que varía es el grupo funcional. Es decir, un monosacárido tiene un grupo ceto y el otro aldehído. Se cumple, por ejemplo, con la glucosa y la fructosa.

a.3) Isómeros ópticos. Los monosacáridos en disolución pueden desviar el plano de luz polarizada dependiendo de la posición relativa del grupo hidroxilo (-OH). Si se desvía hacia la derecha, es una forma dextrógira o "+"; si se desvía hacia izquierda, es una forma levógira o "-". 

La radiación electromagnética, como la luz visible, se transmite en forma de ondas que tienen varias direcciones. Sin embargo, al pasar por un instrumento llamado polarizador, la onda sólo se transmite en una dirección. 

Los monosacáridos en disolución pueden desviar la dirección de la luz ya polarizada:

a.4) Isómeros geométricos o estereoisómeros. Si tienen la misma fórmula molecular pero diferente estructural.
Para explicar esto, debemos recordar lo que es un carbono asimétrico o centro quiral: un carbono coordinado con cuatro grupos diferentes.

También debemos definir lo que es una molécula quiral. Es aquella que no es superponible. Como ejemplo sencillo tenemos las manos: si yo coloco la mano izquierda sobre la derecha, no coinciden, no son superponibles. Son, por lo tanto, elementos quirales:

Pero dentro de los elementos quirales debemos destacar los especulares. Son aquellos que no son superponibles porque cada uno representa el reflejo en un espejo del otro:

Centrándonos ya en los estereoisómeros, podemos distinguir:

- Enantiómeros. Si son imágenes quirales (no superponibles) y especulares (se ve todo al revés, como visto a través de un espejo). Por convención, si el grupo hidroxilo se encuentra a la derecha en la proyección de Fisher (es la forma de representar las moléculas como hemos estado haciendo hasta ahora), es una forma D. Si se encuentra a la izquierda, una forma L.

D-Glucosa y L-Glucosa, respectivamente

- Diastereoisómeros. Si son moléculas quirales (no superponibles) pero no enantiómeros. Es decir, se diferencian en uno o más centros quirales diferentes del que determina la enantiomería. En este grupo entran, entre otros, los epímeros (difieren en 1 C asimétrico diferente del de la enantiomería), como ocurre con la glucosa y la galactosa:

También están incluidos en el grupo de los diastereoisómeros los isómeros cis-trans (los cis tienen los sustituyentes al mismo lado del doble enlace; los trans en lados opuestos).

Poniendo un ejemplo real:

- Anómeros. En las disoluciones de D-Glucosa se observaron ciertas anormalidades. Por una parte, su grupo aldehído era relativamente estable ante sustancias que reaccionan con ese grupo. Y, por otra parte, la rotación óptica (rotación de la polarización de la luz) variaba de 112º y 13º hasta estabilizarse, pasados unos minutos, en 52,7º. 

Estas anormalidades se explicaban si los científicos tenían en cuenta la formación de los anómeros. Los monosacáridos en disolución ciclan formando anillos de pirano o de furano. 

A este fenómeno se le denomina ciclación. Sólo pueden ciclarse las aldopentosas y las hexosas.
Para la ciclación de una molécula han de seguirse los siguientes pasos (en este caso se hará con una molécula de glucosa).

Molécula de D-Glucosa

1. Se tumba (abate) la molécula

2. Comienza el plegamiento

3. Tiene lugar el impedimento esteárico (la molécula es demasiado grande como para finalizar el plegamiento), por lo que tiene lugar una rotación.

4. Enlace hemiacetal. Éste tiene lugar entre el OH del quinto carbono y el grupo aldehído. Se cierra entonces el ciclo mediante un enlace C - O - C. Se rompe el doble enlace del aldehído para formar un grupo hidroxilo. El primer carbono determina la anomería en función de la posición del OH (hidroxilo), como se verá a continuación. Además, éste se convierte en un carbono asimétrico o centro quiral.

Viendo el proceso de seguido:

A este tipo de representaciones de las moléculas se les llama proyección de Haworth. Si el grupo hidroxilo del carbono anomérico se encuentra en la parte superior de esta proyección, es una forma beta. Si se encuentra abajo, es una forma alfa. 

Proyección de Haworth de la β-D-glucopiranosa

La variación de la rotación óptica de la disolución de la que antes hablábamos  se explica porque, pasados unos minutos, en la disolución acaba habiendo 1/3 de α-D-glucopiranosa y 2/3 de β-D-Glucopiranosa. A esto se le denomina mutarrotación (conversión de un tipo de glucopiranosa en otro). Por otro parte, la relativa inactividad de la disolución se debe a la rotura del grupo aldehído que tiene lugar en este proceso.

- Propiedades químicas de los monosacáridos. 

Es de suma importancia el poder reductor. Un monosacárido tiene poder reductor ya que tiene el carbono anomérico libre. Recordemos que una molécula reduce a otra si se ella misma se oxida: perdiendo H₂, e- o ganando O. En caso de tener poder reductor, da positivo ante reactivos como el de Fehling, Tollens o Benedict.

- Propiedades físicas de los monosacáridos. 

Son dulces, blanquecinos, cristalinos, solubles en agua…

- Derivados de los monosacáridos.

Podemos distinguir varios tipos:

a) Glucósidos. Son moléculas formadas por un glúcido y otra molécula de naturaleza diferente unidos por un enlace O-glucosídico, que supone la pérdida de una molécula de agua. 

Enlace O-Glucosídico

A la parte glucídica, que puede ser o un monosacárido o un conjunto de ellos, se le denomina glicona. A la parte no glucídica, genina o aglicona. 

Encontramos varios tipos de glucósidos, entre los que destacan: glucósidos alcohólicos (ejemplo: salicina, que se encuentra en las plantas del género Sálix y que al ser ingerido se transforma en ácido salicílico); cianogénicos (la aglicona es cianuro, que en el organismo puede derivarse en ácido cianhídrico. Ejemplo: amigdalina, sustancia que se encuentra en las almendras. Estos aparecen en frutos y hojas marchitas de almendros, perales, manzanos, albaricoqueros…); saponinas (producen una espuma permanente que puede llegar a causar la muerte de los glóbulos rojos por hemólisis. Se usa en la industria como expectorante, y en aceites y detergentes).

b) Azúcares alcoholes o Polialcoholes. Los monosacáridos, al tener un grupo aldehído o ceto, pueden reaccionar con el H₂, reduciéndose y dando lugar a azúcares alcoholes. Ejemplos de ellos son el maltitol, lactitol, glicerol (también conocido como glicerina), sorbitol, eritritol… 

Maltitol

Éstos tienen un contenido calórico menor que la sacarosa (aproximadamente 2,4 kcal/g y 4 kcal/g, respectivamente) y son ligeramente menos dulces. De hecho, los de cadena corta como el glicerol, en altas cantidades resultan amargos. 

Al ser calentados no se ponen marrones como otros azúcares. Tienen igualmente un poco fermentabilidad, por lo que no favorecen la placa bacteriana  bucal. Si a esto le sumamos que algunos, como el sorbitol [E-420], producen una sensación de frescor (quemestesis), es fácil comprender que sean utilizados como edulcorantes sustituyendo a la glucosa en diversos productos (chicles, pastas dentríficas)… 

Composición de unos chicles

Los azúcares alcoholes, o polialcoholes, tienen  un bajo nivel de absorción en el intestino delgado, por lo que apenas alteran los niveles de glucosa y pueden ser ingeridos por diabéticos. Esta baja absorción da lugar a efectos secundarios como la hinchazón o la diarrea (en los chicles, por ejemplo, se avisa que un consumo excesivo puede tener efectos laxantes). El eritritol, que sí que se absorbe a nivel intestinal, es el único que no origina estos efectos.

c) Amino azúcares. En éstos, un grupo amino o acetilamino se ha unido a un OH. Ejemplos de estos son la Glucosamina, Galactosamina, N-Acetilglucosamina, N-Acetilgalactosamina.

d) Azúcares ácidos. En estos un grupo hidroxilo ha sido oxidado para dar lugar a un grupo carboxilo. Ejemplos de estos son los ácidos aldónicos (ácido ascórbico, ácido glucónico) o los ácidos urónicos (ácido glucurónico, ácido galacturónico)…

Ácido glucurónico

e) Desoxiazúcares. En éstos un grupo hidroxilo ha sido sustituido por un H. El más importante es el 2’Desoxirribosa, que forma parte de los ácidos nucleicos.

b-D-Ribofuranosa (izquierda) y b-D-Desoxirribofuranosa (derecha)

f) Azúcares fosfato. Son aquellos que han sido fosforilados; es decir, a un grupo hidroxilo se le ha unido mediante un enlace éster un fosfato [H₃PO₄ (Ácido fosfórico) → H³⁺ + PO4^3- (fosfato)].

 2. Ósidos. Son aquellos compuestos que sí que se pueden dividir en elementos más simples (en monosacáridos). Están formados, por lo tanto, por la unión (polimerización) de varias de esas subunidades (osas o monosacáridos).

Podemos distinguir entre holósidos (formados sólo por monosacáridos) y heterósidos (formados por azúcares y otro resto que no lo es). 

a) Holósidos. En los holósidos encontramos a los oligosacáridos (formados por la unión de entre 2-10 monosacáridos) y polisacáridos (más de 10 monosacáridos unidos).

a.1) Oligosacáridos. Los oligosacáridos más importantes son los llamados "oligosacáridos menores" o disacáridos, compuestos por dos monosacáridos unidos por un enlace O-Glucosídico (mencionado previamente con los glucósidos, derivados de los monosacáridos), que implica la périda de una molécula de agua. Los disacáridos más importantes son:

- Glucosa + Glucosa = Maltosa (α-D-Glucopiranosil (1, 4) α- D - Glucopiranosa)

- Glucosa + Galactosa = Lactosa (β-D-Galactofuranosa (1, 4) β-D-Glucofuranosa)

- Glucosa + Fructosa = Sacarosa (α-D-Glucopiranosil (1,2) β-D- Fructofuranosa) 

Los discáridos tienen poder reductor si y sólo si tienen un C anomérico libre

Basándonos en esto, podemos concluir que la maltosa y la lactosa sí que tienen poder reductor, pero la sacarosa no.

a.2) Polisacáridos. Están formados por la unión de más de 10 monosacáridos. Se pueden clasificar dependiendo de la función en estructurales y energéticos; y dependiendo de la composición, en homopolisacáridos (sucesión del mismo monosacárido) y heteropolisacáridos (sucesión de diferentes monosacáridos).

- Polisacáridos energéticos.

· Almidón. Homopolisacárido formado por la unión de α-d-Glucosas. Es el polisacárido de reserva energética a corto plazo en vegetales. Está formado por dos componentes: la amilosa, componente lineal  (que sea un componente lineal no significa que tenga la forma de una línea recta, sino sólo que no está ramificado; es decir, que no surgen de la cadena principal otros brazos de glucosa) que se enrolla en forma de hélice y que está formada por una sucesión de α-D-glucosas con enlaces (1, 4); y la amilopectina, componente ramificado formado por la sucesión de 25 – 30 α-D-glucosas con enlaces (1, 4) y un enlace (1, 6) que lo une con otra cadena de α-D-Glucosas (1 , 4).

· Glucógeno. Homopolisacárido formado por la sucesión de α-D-Glucosas. Es el polisacárido de reserva energética a corto plazo en animales. Tiene una estructura similar a la amilopectina, sólo que es más ramificado [enlaces (1, 6)] ya que éstas ocurren cada 8 – 12 α-D-Glucosas (1, 4). En el centro de la molécula de glucógeno se encuentra una molécula de naturaleza proteica, la glucogenina, a la cual se unen las glucosas que se van enlazando y ramificándose por acción de la enzima amilo sintetasa.  Éste se almacena en músculo (1-2% del peso muscular), en las células del hígado o hepatocitos (representando el 8-10% del peso total), en bajas cantidades en los eritrocitos (glóbulos rojos sanguíneos), riñones, y en cantidades aún más bajas, en algunas células gliales y en glóbulos blancos.

Molécula de glucógeno
En el centro aparece una molécula de naturaleza proteica: glucogenina

· Dextranos. Homopolisacárido formado por la sucesión de α-D-Glucosas (1, 6) encargado de la reserva energética en bacterias y levaduras. En medicina se utiliza, por ejemplo, para disminuir la viscosidad de la sangre.

· Fructanos o Fructosanos. Heteropolisacáridos formado por la sucesión de glucosas y fructosas (1 glucosa + 3 fructosas); dependiendo del número de veces que se repita esta unión tenemos un polisacárido u otro (inulina, levana…). Éstos se encuentran en tallos de algunas plantas a las que protegen de las bajas temperaturas. 

Inulina - Fructosano

- Polisacáridos estructurales

· Celulosa. Homopolisacárido formado por la sucesión de β-glucosas (1, 4). Las fibras de glucosa están unidas entre sí por hemicelulosa, pectina y extensina. Debido a la estructura de la celulosa, abundan los puentes de hidrógeno, por lo que es más difícil romper su estructura y confieren resistencia y rigidez  a las paredes de las células vegetales, que es donde se encuentra. 

La madera está formada por un 50% de celulosa; el algodón es la sustancia con mayor concentración, un 90%. Por la misma razón de antes, no es fácil digerir la celulosa, el ser humano apenas puede, por lo que es importante para depurar y limpiar el organismo. Otros seres vivos, como los rumiantes, por ejemplo, están en simbiosis con organismos que sí pueden digerirla [gracias a unas enzimas llamadas celulasas]. El resultado de su metabolismo es la celobiosa.

Celulosa bajo el microscopio

· Hemicelulosa. Es un Heteropolisacárido formado por la sucesión de D-Manosa, D-xilosa, D-Glucosa y D-Galactosa.

· Pectina. Homopolisacárido formado por la sucesión de ramnogalacturonanos (I y II) y homogalacturonanos. En la industria es utilizada como espesante (E-440).

· Quitina. Homopolisacárido formado por la sucesión de N-Acetilglucosamina. Forma el exoesqueleto de los artrópodos.

También aparece en la pared de los hongos.

Estructura de la pared fúngica

· Ácido hialurónico. Heteropolisacárido formado por la sucesión de N-acetilglucosamina y ácido glucorónico. Forma parte del humor vítreo (fluido gelatinoso y transparente que rellena el espacio comprendido entre la superficie interna de la retina y la cara posterior del cristalino), tejido conjuntivo y sinovia (líquido viscoso que se encuentra en las articulaciones).

· Condroitina. Heteropolisacárido formado por la sucesión de ácido glucorónico y N-acetilgalactosamina. Aparece en el tejido cartilaginoso.

Tejido cartilaginoso

· Agar Agar. Heteropolisacárido formado por la sucesión de L-Galactosa y D-Galactosa. Aparece en las algas rojas (Rhodophytas). Es utilizado como espesante y laxante; en los laboratorios, como nutriente y soporte de cultivos.

Rhodophyta

· Goma arábiga. Heteropolisacárido formado por la sucesión de D-Arabinosa y D-Galactosa. Es sintetizado por las acacias para cerrar heridas. Era utilizado por los antiguos egipcios durante la momificación. Actualmente se utiliza como espesante (E-414).

Acacia Dealbata
Algunas acacias pliegan sus hojas al anochecer, por lo que se les denomina "mimosas"

· Heparina. Heteropolisacárido que actúa como anticoagulante. Formado, en su mayoría, por 2-sulfato ácido idurónico y 6-sulfato N-acetilglucosamina.

b) Heterósidos. Son aquellos que están formado por una parte glucídica y otra de naturaleza diferente. Podemos encontrar:
b.1) Glucoproteínas. El componente proteico domina sobre el glucídico. Por ejemplo, en los receptores celulares, autoantígenos (como los que determinan los grupos sanguíneos) o en los anticuerpos. 

Estructura de un anticuerpo

b.2) Peptidoglicano. Formado por N-acetil-glucosamina y el Ácido N-acetilmurámico unidos mediante enlaces β-1,4. Forman parte de la pared de las bacterias, a las que protegen en ambientes húmedos de ruptura osmótica.

Estructura del peptidoglicano o peptidoglucano
NAG = N-AcetilGlucosamina; NAM = N-AcetilMurámico

FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS:

1. Función estructural
2. Reserva energética
3. Forman parte de los receptores celulares
4. Forman parte de los ácidos nucleicos.