1. Concepto y clasificación

Los glúcidos son biomoléculas constituidas por átomos de carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O), en la proporción que indica su fórmula empírica: CnH2nOn. Pueden contener excepcionalmente átomos de otros elementos, como nitrógeno (N), azufre (S) o fósforo (P). 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 (-OH). Los más complejos contienen, además, otros grupos funcionales orgánicos.

1.1. Tipos de glúcidos

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 o proteínas.

1.1.1. Clasificación de los ósidos

Los ósidos se pueden clasificar en varios grupos:

1.1.1.1. Holósidos

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

1.1.1.1.1. Oligosacáridos

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

1.1.1.1.2. 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.

1.1.1.2. 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 o fenoles.

2. Monosacáridos

2.1. Composición química

Los monosacáridos contienen entre 3 y 7 átomos de carbono: se denominan triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas si el número de átomos de carbono es, respectivamente, 3, 4, 5, 6 ó 7. Químicamente, son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, es decir, polialcoholes (poseen varios grupos -OH) con un grupo aldehído (-CHO) o cetona (-CO). 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:

2.2.1. 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 y la dihidroxiacetona, cuya fórmula molecular es C3H6O3.

2.2.2. 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:

• 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.
• 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 estas moléculas 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, los monosacáridos se denominan dextrógiros o (+).
• Cuando la rotación es contraria a las agujas del reloj, son levógiros o (-).

Estos isómeros ópticos no se corresponden necesariamente con las moléculas estereoisómeras D y L; puede ocurrir que un estereoisómero D sea levógiro o dextrógiro, y lo mismo ocurre con un estereoisómero L.

2.4. Fórmulas lineales

La forma más frecuente de representar los monosacáridos en el plano es mediante proyecciones de Fischer, en las que los enlaces simples forman ángulos de 90° (resultado de proyectar en el plano las estructuras tetraédricas de los carbonos). Se sitúa el grupo funcional principal en la parte superior, y los grupos hidroxilo a la derecha o a la izquierda según se representen estereoisómeros D o L, respectivamente. En la naturaleza, salvo raras excepciones, los monosacáridos se presentan en la forma D.

3. Fórmulas cíclicas

3.1. Enlace hemiacetálico

La formación del ciclo se realiza mediante un enlace hemiacetal, que supone un enlace covalente entre el grupo aldehído y un alcohol (en el caso de las aldosas), o un enlace hemicetal entre el grupo cetona y un alcohol (en el caso de las 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. Existen dos formas anoméricas:
  • Forma alfa (α). El -OH del carbono anomérico queda bajo el plano. Se denomina configuración trans, al quedar este -OH en el lado contrario al -OH del carbono exterior al ciclo.
  • Forma beta (β). El -OH del carbono anomérico queda sobre el plano. Se denomina también configuración cis, al quedar este -OH en el mismo lado que el del carbono exterior al ciclo.

La conformación real de los monosacáridos en disolución varía con respecto a la propuesta por Haworth, ya que, debido a la presencia de enlaces covalentes sencillos, las moléculas no pueden ser planas. Se han sugerido otras formas de representación, en silla y en bote, en las que los carbonos C2, C3 y C5, y el oxígeno están en el mismo plano. La configuración en silla es más estable que la configuración en bote porque hay menos repulsiones electrostáticas.

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.
• Arabinosa. Es uno de los pocos monosacáridos que en la naturaleza se presenta en forma L. Se encuentra en la goma arábiga.
• Ribulosa. Actúa como intermediario activo en la fijación del CO2 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 nutritivo 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. El 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. Los disacáridos

Se forman por la unión de dos monosacáridos mediante enlace O-glucosídico mono o dicarbonílico, que, además, puede ser α o β 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 de los dos monosacáridos están implicados.

6. Polisacáridos

Son polímeros constituidos por la unión de muchos monosacáridos mediante enlaces O-glucosídicos, que originan largas cadenas moleculares. Estas cadenas pueden ser lineales o ramificadas. Pueden contener enlaces glucosídicos tipo α o β. Los enlaces α son más débiles, y se rompen y forman con gran facilidad, por lo que se encuentran en los polisacáridos con función de reserva, como el almidón o el glucógeno. El enlace tipo β 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:

• Celulosa. Es un polímero lineal de moléculas de β-D-glucosa con enlaces β (1 → 4). Debido a este tipo de enlace, cada molécula de glucosa gira 180° 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. La unión de unas 60 ó 70 cadenas de celulosa forma la llamada micela de celulosa. A su vez, la asociación de 20 ó 30 micelas da lugar a una microfibrilla que se puede unir con otras para originar fibras de diferente grosor, que forman capas o láminas en dirección alternante y constituyen el entramado esencial de la pared celular vegetal. La celulosa es insoluble en agua y solo puede ser hidrolizada totalmente a glucosa por algunas enzimas (celulasas) producidas por microorganismos, como las bacterias de la flora intestinal de los animales herbívoros o como los protozoos que viven en el intestino de las termitas.
• Quitina. Es un polímero lineal de N-acetil-β-D-glucosamina con enlaces β (1 → 4). Forma parte del exoesqueleto de los artrópodos y de las paredes celulares de los hongos. 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:

• 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 α (1 → 4), que adoptan un arrollamiento helicoidal.
  • La amilopectina, muy ramificada, con un esqueleto de monómeros de α-D-glucosa con uniones α (1 → 4) y puntos de ramificación con enlaces α (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. El almidón se hidroliza por enzimas específicas, llamadas amilasas, que se sintetizan en la mayoría de los organismos, y rinden glucosa, maltosa y fragmentos que contienen los puntos de ramificación en α (1 → 6). La α-amilasa hidroliza al azar los enlaces α (1 → 4) del interior de las cadenas de amilosa y amilopectina, liberando glucosa y maltosa; mientras que la β-amilasa comienza a hidrolizar por los extremos no reductores, rindiendo maltosa. Estas enzimas no hidrolizan la maltosa, y es necesaria la actuación de otras para degradarla. Los fragmentos que contienen las ramificaciones requieren, además, de enzimas desramificadoras capaces de hidrolizar el enlace α (1 → 6), que tampoco es atacado por las amilasas. La acción de otras enzimas digestivas completa la degradación total a α-D-glucosa. El almidón es abundante en la dieta de numerosos seres vivos, y constituye la base de la dieta de la mayor parte de la humanidad (maíz, trigo, patatas, legumbres, etc.).

• Glucógeno. Es el homopolisacárido de reserva de las células animales. Su constitución es similar a la de las cadenas de amilopectina con enlaces α (1 → 4), aunque posee más ramificaciones en α (1 → 6); aproximadamente, 1 cada 8 ó 12 monómeros. 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. En una persona bien nutrida de 70 kg, la cantidad total de glucógeno es de 375 a 475 g; de ellos, aproximadamente, el 70% corresponde a glucógeno muscular, el 25% a glucógeno hepático y el 5% a glucosa sanguínea.
• Dextranos. Polímeros de α-D-glucosa con enlaces distintos de los α (1 → 4) del glucógeno y el almidón con múltiples ramificaciones. Según las especies, las ramificaciones pueden ser en 1 → 2, 1 → 3, 1 → 4 ó 1 → 6.