T.3: Glúcidos

1) Concepto y Clasificación

Los glúcidos son biomoléculas constituidas por átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno, en la proporción que indica su fórmula empírica. Pueden contener excepcionalmente átomos de otros elementos, como nitrógeno, azufre o fósforo. Estos compuestos suponen hasta un 90% de las biomoléculas orgánicas en algunos organismos; de ahí su importancia biológica.

Se conocen también como hidratos de carbono o carbohidratos, debido a que, inicialmente, se pensó que estaban formados por una estructura carbonada hidratada con moléculas de agua; hoy se sabe que esto no es así, aunque su fórmula empírica pueda sugerirlo.

Químicamente, los glúcidos son aldehídos y cetonas con múltiples grupos hidroxilo. Los más complejos contienen, además, otros grupos funcionales orgánicos.

Los glúcidos más simples se denominan osas o monosacáridos. La unión de estos monómeros da lugar a moléculas más complejas llamadas ósidos, que pueden contener un número variable de osas e incluso asociarse a otras moléculas diferentes, como lípidos y proteínas. Los ósidos se pueden clasificar en varios grupos:

A) Holósidos

Son ósidos constituidos únicamente por osas. Según el número de monómeros unidos, se diferencian:

A.1) Oligosacáridos

Contienen entre 2 y 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que resultan de la unión de dos monosacáridos.

A.2) Polisacáridos

Están formados por múltiples unidades repetitivas de monosacáridos. Por su composición, se dividen en dos grupos:

• Homopolisacáridos: Se forman por la repetición de un único monómero.
• Heteropolisacáridos: Su composición es más variada, ya que contienen más de un tipo de monómero.

B) Heterósidos

Son compuestos complejos que surgen de la combinación de un conjunto de monosacáridos con fracciones moleculares de naturaleza no glucídica, como proteínas, lípidos u otras moléculas orgánicas diversas: por ejemplo, alcoholes y fenoles.

2) Monosacáridos

Los monosacáridos son sólidos cristalinos, de color blanco y solubles en agua. Presentan un característico sabor dulce, por lo que también reciben el nombre de azúcares.

2.1) Composición Química

Los monosacáridos contienen entre 3 y 7 átomos de carbono; se denominan triosas, tetraosas, pentosas, hexosas o heptosas si el número de átomos es, respectivamente, 3, 4, 5, 6 o 7. Químicamente, son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Todos los monosacáridos tienen carácter reductor, debido a la presencia de los grupos aldehído o cetona, que pueden oxidarse a carboxilos.

Según el grupo funcional principal, se clasifican en:

• Aldosas: tienen un grupo aldehído en el C1 y grupos hidroxilo en el resto de los carbonos.
• Cetosas: tienen un grupo funcional cetona en el C2 y grupos hidroxilo en el resto de la cadena.

Los monosacáridos se nombran anteponiendo el prefijo aldo- o ceto- al nombre que indica su número de átomos de carbono, seguido de la terminación -osa. Por ejemplo, un monosacárido de tres átomos de carbono cuyo grupo funcional principal es un aldehído se denomina aldotriosa, y será una cetotriosa si el grupo funcional es una cetona.

2.2) Isomería

La isomería es una característica de muchos compuestos que, siendo diferentes, tienen la misma fórmula molecular. Los monosacáridos presentan con frecuencia esta característica. Existen distintos tipos de isomería:

A) Isomería de función

La presentan los compuestos que, como las aldosas y las cetosas, poseen idéntica fórmula molecular, pero son diferentes por tener grupos funcionales distintos. Es el caso del gliceraldehído.

B) Estereoisomería

La presentan moléculas aparentemente iguales, pero con diferentes propiedades, porque sus átomos tienen diferente disposición espacial. Se debe a la presencia de carbonos asimétricos (carbonos unidos a cuatro radicales diferentes entre sí). Entre los estereoisómeros se distinguen:

B.1) Enantiómeros

La posición de todos los -OH de los carbonos asimétricos varía. Por tanto, una molécula es el reflejo de su enantiómero (son imágenes especulares). La posición del grupo -OH del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar ambas moléculas:

• La forma D, cuando el -OH está a la derecha.
• La forma L, si el -OH queda a la izquierda.

B.2) Diastereoisómeros o diastereómeros

Son estereoisómeros que presentan la misma forma (D o L) y no son imágenes especulares. Se denominan epímeros cuando se diferencian en la posición del grupo -OH de un único carbono asimétrico.

2.3) Actividad Óptica

La presencia de carbonos asimétricos determina una importante propiedad de los monosacáridos en disolución: la actividad óptica. Esta es la capacidad que poseen para desviar el plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución. Cada molécula efectúa una rotación del plano de polarización un ángulo concreto hacia la derecha o hacia la izquierda.

• Cuando la rotación es en el sentido de las agujas del reloj, se denominan dextrógiros o (+).
• Cuando la rotación es contraria a las agujas del reloj, son levógiros o (-).

2.4) Fórmulas Lineales

La forma más frecuente de representar los monosacáridos en el plano es mediante proyecciones de Fischer, donde:

• Los enlaces simples forman 90º.
• Los grupos principales aparecen en la parte superior.
• Los grupos –OH a la derecha o izquierda, según se trate de la forma D o L.
• En la naturaleza abundan las formas D.

3) Fórmulas Cíclicas

Las aldopentosas y las hexosas en disolución no presentan estructura lineal, sino que adoptan estructuras cíclicas de forma pentagonal o hexagonal. En 1929, Haworth diseñó unas fórmulas de proyección, conocidas como proyecciones de Haworth, que representan a los monosacáridos como estructuras cíclicas en un plano con los radicales de cada carbono en la parte superior o inferior de dicho plano.

3.1) Enlace Hemiacetalico

La formación del ciclo se realiza mediante un enlace hemiacetal, que supone un enlace covalente entre el grupo aldehído y un alcohol (en caso de las aldosas), o un enlace hemicetal entre el grupo cetona y un alcohol (en caso de cetosas). Este enlace no implica pérdida ni ganancia de átomos, sino una reorganización de los mismos.

• El ciclo resultante puede tener forma pentagonal (furano) o hexagonal (pirano), denominándose los monosacáridos furanosas o piranosas respectivamente.
• El carbono carbonílico correspondiente a los grupos aldehído y cetona se designa en la fórmula cíclica con el nombre de carbono anomérico, y queda unido a un grupo -OH.
• La posición del grupo -OH unido al carbono anomérico determina un nuevo tipo de estereoisomería conocido como anomería. En la forma alfa, el -OH anomérico queda bajo plano. En la beta queda sobre el plano.

4) Importancia Biológica de los Monosacáridos

Los monosacáridos tienen gran interés por ser los monómeros constituyentes de todos los glúcidos. También se presentan libres y actúan como nutrientes de las células para la obtención de energía, o como metabolitos intermediarios de importantes procesos biológicos, como la respiración celular y la fotosíntesis.

4.1) Triosas

El gliceraldehído y la dihidroxiacetona se encuentran, en forma de ésteres fosfóricos, en el interior de las células de la mayoría de los organismos, donde participan como intermediarios en el metabolismo de la glucosa y de otros glúcidos. No forman estructuras cíclicas.

4.2) Tetrosas

La eritrosa es un compuesto intermediario de secuencias bioquímicas en los procesos de nutrición autótrofa. Como el resto de las tetrosas, no forma una estructura cíclica.

4.3) Pentosas

Las más importantes son:

• Ribosa: Es un componente estructural de nucleótidos en estado libre, como el ATP (adenosintrifosfato); y de ácidos nucleicos, como el ácido ribonucleico (ARN).
• Xilosa: Es el componente del polisacárido xilana, presente en la madera.
• Ribulosa: Actúa como intermediario activo en la fijación del dióxido de carbono atmosférico en los organismos autótrofos. Al ser una cetopentosa, no presenta estructura cíclica.

4.4) Hexosas

Las más comunes son:

• Glucosa: También llamada azúcar de la uva. Es el principal nutriente de los seres vivos que, mediante la respiración celular, es degradado parcial o totalmente para obtener energía. Se encuentra libre en el citoplasma celular, en los frutos y en la sangre. Además, es el constituyente de los polisacáridos más comunes, almidón y celulosa, en vegetales, y glucógeno en animales.
• Galactosa: No se encuentra libre, forma parte de la lactosa (disacárido de la leche), de polisacáridos complejos y de heterósidos.
• Manosa: Es un componente de polisacáridos presentes en vegetales, bacterias, levaduras y hongos. Forma parte de la estreptomicina, sustancia con actividad antibiótica.
• Fructosa: Se encuentra en las frutas, libre o unida a la glucosa, formando el disacárido sacarosa. Actúa en el líquido seminal como nutriente de los espermatozoides. Las células hepáticas la transforman en glucosa, por lo que tiene un valor nutriente equivalente. Se denomina también levulosa, por ser una molécula fuertemente levógira.

5) Oligosacáridos

Son cadenas cortas formadas por la unión de 2 a 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que contienen dos monosacáridos unidos mediante enlace O-glucosídico.

5.1) Enlace O-Glucosídico

Se establece entre dos grupos hidroxilo de diferentes monosacáridos. Se denomina síntesis por condensación o deshidratación debido a la liberación de una molécula de agua.

• Si en el enlace intervienen el hidroxilo del carbono anomérico del primer monosacárido y otro grupo alcohol del segundo monosacárido, se establece un enlace monocarbonílico.
• Si intervienen los grupos hidroxilos de los carbonos anoméricos de los dos monosacáridos, será un enlace dicarbonílico.

5.2) Disacáridos

Se forman por la unión de dos monosacáridos mediante enlace O-glucosídico mono o dicarbonílico, que, además, puede ser alfa o beta en función de la posición del -OH del carbono anomérico del primer monosacárido. Los disacáridos con enlace dicarbonílico pierden el carácter reductor porque los carbonos carbonílicos están implicados. Los disacáridos de mayor interés biológico son la maltosa, la lactosa, la sacarosa y la celobiosa.

6) Polisacáridos

Son polímeros constituidos por la unión de muchos monosacáridos mediante enlaces O-glucosídico, que originan largas cadenas moleculares. Estas cadenas pueden ser lineales o ramificadas. Pueden contener enlaces glucosídicos tipo alfa o beta. Los enlaces alfa son más débiles y se rompen y forman con gran facilidad, por lo que se encuentran en los polisacáridos con funciones de reserva, como el almidón o el glucógeno. El enlace tipo beta es mucho más estable y resistente, por lo que es característico de polisacáridos con función estructural, como es el caso de la celulosa. Los polisacáridos no se consideran azúcares, ya que carecen de sabor dulce y no tienen carácter reductor. Algunos, como la celulosa, son insolubles en agua, otros, como el almidón, forman dispersiones coloidales.

6.1) Homopolisacáridos Estructurales

Los homopolisacáridos son los polisacáridos más abundantes y están constituidos por un solo tipo de monosacárido. La función de los homopolisacáridos estructurales es proporcionar soporte y protección a diversas estructuras y organismos. Atendiendo a su composición, se distinguen:

A) Celulosa

Es un polímero lineal de moléculas de β-D-glucosa con enlaces beta (1-4). Debido a este tipo de enlace, cada molécula de glucosa gira 180º respecto a sus vecinas. Entre las moléculas de glucosa de una misma cadena se establecen enlaces de hidrógeno intracatenarios. Además, las cadenas lineales se disponen en paralelo y se mantienen estrechamente unidas unas con otras mediante puentes de hidrógeno intercatenarios. Esta configuración confiere a la celulosa una estructura de gran resistencia.

B) Quitina

Es un polímero lineal de N-acetilglucosamina con enlaces beta (1-4). Su estructura es similar a la de la celulosa, y, como ella, forma capas alternas. Esta cualidad les confiere a los organismos una gran resistencia y dureza. Se piensa que el exoesqueleto de quitina es una de las claves del gran éxito evolutivo de los artrópodos, ya que contribuye a su locomoción y les proporciona protección frente a las agresiones externas del medio que les rodea.

6.2) Homopolisacáridos de Reserva

Las células necesitan cantidades variables de energía, que obtienen preferentemente a través de la degradación de la glucosa. Los seres vivos almacenan este monosacárido en forma de polisacáridos de reserva, que se acumula en gránulos insolubles en el citoplasma celular. Este tipo de almacenamiento no provoca aumento de la presión osmótica, como ocurriría si se almacenaran moléculas libres de glucosa. Los homopolisacáridos de reserva de mayor interés biológico son:

A) Almidón

Es el homopolisacárido de reserva de las células vegetales. Está formado por una mezcla de dos componentes con diferentes estructuras:

• La amilosa, constituida por cadenas largas no ramificadas de moléculas de α-D-glucosa unidas mediante enlaces alfa (1→4), que adoptan un arrollamiento helicoidal.
• La amilopectina, muy ramificada, con un esqueleto de monómeros de α-D-glucosa con uniones alfa (1→4) y puntos de ramificación con enlaces alfa (1→6) cada 15 ó 30 monómeros.

El almidón se encuentra en los plastos de las células vegetales y es abundante en los órganos de reserva de las plantas, como tubérculos o raíces, y en las semillas.

B) Glucógeno

Es el homopolisacárido de reserva de las células animales. Su constitución es similar a la de las cadenas de amilopectina, aunque posee más ramificaciones. Se almacena en forma de gránulos en el hígado y en el músculo esquelético, donde se hidroliza fácilmente y rinde gran cantidad de glucosa cuando se requiere.

7) Heteropolisacáridos

Son polisacáridos formados por diferentes monosacáridos. Los principales heteropolisacáridos, por su importancia biológica, son:

7.1) Pectinas

Son polímeros del ácido galacturónico, que es un derivado de la galactosa. Los monómeros se unen mediante enlaces alfa (1→4). Además, presentan intercalados otros monosacáridos -como la ramnosa- de los que surgen ramificaciones. Se encuentran en la pared celular de las células vegetales, donde forman una matriz en la que se disponen las fibras de celulosa.

7.2) Agar-agar

Polímero de D y L galactosa que se extrae de las algas rojas (rodofíceas). Actúa como espesante de líquidos y es muy difícil su digestión. Se utiliza, con frecuencia, como espesante en la industria alimentaria. También sirve como base para elaborar medios de cultivo sólidos para microorganismos.

A) Peptidoglucanos

Son polímeros de N-acetilglucosamina y N-acetilmurámico unidos mediante enlace beta (1→4). A esta cadena principal se unen cadenas cortas de aminoácidos. Forman parte de la pared bacteriana y su función es proteger a las bacterias de la deformación o destrucción en condiciones de presión osmótica desfavorable. También reciben el nombre de mureína.

B) Glucosaminoglucanos

Son polímeros lineales de N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina y ácido glucurónico. Se encuentran en la matriz extracelular de los tejidos conectivos, donde cumplen diversas funciones. Están muy hidratados y forman un gel. Existen varios tipos de glucosaminoglucanos. Algunos de ellos son:

B.1) El ácido hialurónico

Se encuentra en el tejido conjuntivo, humor vítreo del ojo y líquidos sinoviales.

B.2) El condroitín sulfato

Está presente en el tejido cartilaginoso y en el tejido óseo.

B.3) La heparina

Se localiza en pulmón, hígado y piel. Actúa como sustancia anticoagulante.

Tanto el condroitín sulfato como la heparina se encuentran unidos covalentemente a una proteína central, por lo que forman heterósidos llamados proteoglucanos. A cada proteína central se unen hasta más de 100 cadenas de glucosaminoglucanos, formando estructuras de gran tamaño.

8) Heterósidos

Los heterósidos son moléculas de enorme variedad, constituidas por un glúcido unido a otra molécula no glucídica denominada aglucón. Atendiendo a la naturaleza de la fracción no glucocídica, se distinguen las siguientes clases:

8.1) Glucolípidos (esfingoglucolípidos)

El aglucón es un lípido denominado ceramida. Los más importantes son los cerebrósidos, que contienen galactosa o glucosa; y los gangliósidos, con un oligosacárido ramificado. Los glucolípidos son moléculas de membrana, presentes, fundamentalmente, en la superficie externa de las células del tejido nervioso; aunque también existen en otros tejidos animales. Existe una gran variedad de glucolípidos. Se piensa que intervienen en el reconocimiento celular, proporcionando a las células sus señas de identidad. Probablemente, también tengan la función de receptores de moléculas extracelulares que actúen como señales. Algunas bacterias y virus se unen a estas moléculas como paso previo a la infección de las células.

8.2) Glucoproteínas

El aglucón es la fracción no glucídica de una molécula de naturaleza proteica. Se diferencian de los peptidoglucanos y de los proteoglucanos -citados anteriormente- porque en las glucoproteínas, el porcentaje de proteína es mayor que el de glúcido. En este grupo se encuentran glucoproteínas sanguíneas o séricas como la protrombina, que interviene en el proceso de coagulación; o las inmunoglobulinas, con función defensiva. También son glucoproteínas diversos tipos de hormonas, como la luteinizante (LH), que provoca la ovulación en las hembras o la producción de testosterona en los machos; o la foliculoestimulante (FSH), que estimula la secreción de los folículos de De Graaf en el ovario. Otras glucoproteínas de importancia biológica son las presentes en la superficie externa de la membrana. Pueden actuar como receptores de mensajeros químicos y de microorganismos infecciosos, o en procesos de reconocimiento celular. En los trasplantes, actúan como determinantes antigénicos, provocando fenómenos de rechazo.