lunes, 23 de febrero de 2009

Los carbohidratos son los compuestos más abundantes y ampliamente distribuidos en la naturaleza, se hallan en todos los tejidos de animales como en vegetales. Las plantas verdes y algunas algas sintetizan la glucosa (carbohidrato) por medio del proceso denominado Fotosíntesis, a partir de dióxido de carbono y agua. También pueden formar parte de la estructura de soporte, como en el caso de la celulosa o la quitina. Aunque el hombre puede sintetizar la mayor parte de carbohidratos, una buena parte los obtiene de fuentes vegetales.

Definición

Por su estructura química, los carbohidratos pueden considerarse derivados aldehídicos o cetónicos de polialcoholes o alcoholes polihidroxílicos. Su fórmula general es Cn(H2O)n, indicando que existe una molécula de agua por átomo de carbono. Esto originó la aceptación del nombre de hidratos de carbono o carbohidratos.
No obstante, un hidrato por definición es un compuesto al que se fija una molécula de agua, pero esto no corresponde a las propiedades de estos compuestos, ya que los resultados de los espectros indican que no se hallan moléculas de agua individualizadas en la estructura del carbohidrato. Además, existen compuestos que siguen esa relación y no son caebohidratos, como el formol C(H2O) o el ácido acético C2(H2O)2 (Pacheco, 2001).
La denominación de azúcares, sacáridos o glúcidos (del latín glykos, que significa dulce) no son del todo acertada, debido a que no todos estos compuestos son dulces. Como es caso del almidón, que es insípido.

Isomería

Un isómero es un compuesto con igual formula molecular a otro, pero que difiere solo en la secuencia de los enlaces que forman al compuesto o en la orientación en el espacio de los átomos.
La presencia de átomos de carbono Asimétricos o Quirales (átomo de carbono al cual están unidos 4 átomos o grupos diferentes) en las moléculas de los carbohidratos, hace posible la formación de isómeros. Los compuestos que poseen la misma secuencia de enlaces, pero que difieren en la orientación de algunos átomos en el espacio, se conocen como Estereoisómeros o Isómeros Geométricos (Wade, 2004).


El número posible de isómeros de cualquier compuesto dado depende del número de átomos asimétricos de carbono que contenga la molécula. Esta relación puede considerarse por la siguiente expresión algebraica denominada Regla de n:


Ejemplo:

Si se aplica la Regla de n, se obtendría que la glucosa posee entonces 16 isómeros.

Los estereoisómeros se pueden dividir en dos nuevos grupos que difieren entre ellos en la configuración alrededor del centro quiral más alejado del grupo carbonilo de la molécula. Aquellos cuya configuración en ese carbono sea la misma que en el D-gliceraldehido, se denominan isómeros D. Mientras que aquellos que posean la misma configuración del L-gliceraldehido, se denominan isómeros L (Nelson, 2001).
Esta clase de isómeros se conocen como Enatiómeros (son imágenes especulares), siendo la configuración D la más presente en la naturaleza.

Según Nelson (2001), dos azucares que difieren entre sí solo en la configuración alrededor de un solo átomo de carbono presente en la estructura (con excepción del centro quiral más alejado del grupo funcional) se denominan Epímeros.


La presencia de átomos de carbono asimétricos también confiere una llamada Actividad Óptica a los compuestos. Cuando se pasa un haz de luz polarizada a través de una solución de un compuesto que contenga actividad óptica, el haz girará a la derecha o a la izquierda de acuerdo con el isómero óptico presente. El compuesto que produzca rotación de la luz polarizada a la derecha se denomina Dextrorrotatotio, y se designa con el signo positivo (+). Si la rotación se produce a la izquierda, la acción se denomina Levorrotatoria, y se designa en este caso con el signo negativo (-) (Wade, 2004).
La cetosa dihidroxiacetona, es el único monosacárido que no presenta actividad óptica, debido a que no posee en su estructura carbonos quirales.

Cuando existen cantidades iguales de isómeros dextrorrotatorios y levorrotatorios, la mezcla resultante no posee actividad óptica, ya que las actividades de cada isómero se cancelan entre si. Esta mezcla se tiende a denominar como Racémica (Thomas, 2004).

Clasificación

Los carbohidratos se pueden clasificar en dos grandes bloques dependientes del grupo funcional presente en la molécula. Si el grupo carbonilo se halla en un extremo de la cadena carbonada, el compuesto es un aldehído y recibe el nombre de Aldosa. Pero si el carbono carbonilo se encuentra en cualquier otra posición, el compuesto es una cetona, y recibe el nombre de Cetosa (Nelson, 2001).
También se pueden clasificar dependiendo del número de átomos de carbono presentes en la estructura:

Triosas: 3 átomos de carbono.
Tetrosas: 4 átomos de carbono
Pentosas: 5 átomos de carbono.
Hexosas: 6 átomos de carbono.

Si se conjugan las dos clasificaciones vistas hasta el momento, se pueden asignar nombres generales a los carbohidratos.


Otra categorización que se da para estos compuestos es dependiente del resultado de su hidrólisis (ruptura de un enlace covalente por adición de agua):


Monosacáridos: Son aquellos carbohidratos que no pueden ser hidrolizados en moléculas más simples.
Disacáridos: Son carbohidratos que al ser hidrolizados producen 2 moléculas del mismo o diferente monosacáridos.
Polisacáridos: son carbohidratos que producen al hidrolizarse más de 10 moléculas de monosacáridos.

En algunos textos se encontrara la denominación desusada Oligosacárido, la cual hace referencia a los compuestos que por hidrólisis producen de 2 a 10 moléculas de monosacáridos.
Monosacáridos
Estos azucares incluyen a las triosas, tetrosas, pentosas y heptosas. Las triosas se forman en el curso de la degradación metabólica de las hexosas. Las pentosas son constituyentes importantes de los ácidos nucleicos y de muchas coenzimas (Pacheco, 2001).
A continuación se muestran los nombres de los carbohidratos de los grupos aldosas y cetosas:



Los monosacáridos más comunes en la naturaleza y en los alimentos son las aldopentosas, aldohexosas, cetopentosas y algunas cetohexosas.

Cuadro 1
Importancia y Fuente de las Aldopentosas
Tomado de: Rodríguez, G. León, P. L. (1984). Bioquímica. Buenos Aires: Lizar.

Cuadro 2
Aldohexosas más importantes.

Tomado de: Rodríguez, G. León, P. L. (1984). Bioquímica. Buenos Aires: Lizar.



Estructuras Cíclicas


Los grupos aldehído y cetona de los carbohidratos pueden reaccionar intramolecularmente con un grupo OH presente en la misma estructura y formar un Hemiacetal (Stryer, 1979).

Los átomos de carbono de los carbohidratos poseen enlaces simples, a excepción del carbono carbonilo que posee un doble enlace. Esto trae consigo que sus ángulos de unión deben ser cercanos o iguales a 109º, lo que significa que los átomos o grupos unidos a él se encuentren en el espacio en forma de zig-zag, con facilidad para curvarse.





El carbono 1 de la D-glucosa que inicialmente no era quiral, se transforma en un carbono quiral. Este nuevo carbono recibe el nombre de Anomérico, y da lugar a dos anómeros, uno con el grupo hidroxilo del carbono 1 por debajo del anillo, denominado Anómero a (en posición trans). Otro con el grupo hidroxilo por encima del anillo, llamándose Anómero ß (en posición cis).
Por ciclación de la D-glucosa se obtiene los hemiacetales a-D-glucopiranosa y la ß-D-glucopiranosa.



De similar forma la D-fructosa también puede formar un ciclo, pero con cinco carbonos constituyentes, formándose los anómeros a-D-fructofuranosa y la ß-D-fructofuranosa.



La terminación –furanosa se emplea, ya que la estructura cíclica generada es similar a la del Furano.

Ahora bien, cuando se disuelve una aldohexosa en agua, su rotación óptica varía gradualmente hasta alcanzar una rotación constante característica de ese azúcar. Este fenómeno se conoce como Mutarrotación. En donde las formas alfa y beta se intercambian constantemente, a partir de las estructuras aldehídica y cetonica lineal (Rodríguez, 1984).

Disacáridos

Los disacáridos son azucares constituidos por dos monosacáridos unidos por un enlace glucosídico los cuales se forman cuando el grupo hidroxilo (OH) de un azúcar reacciona con el carbono anomérico de otra. Esta reacción produce un Acetal a partir de un hemiacetal (Nelson, 2001).


Nomenclatura de Disacáridos

Existen una serie de reglas con el fin nombrar sin confusión un disacárido de otro.
1. El compuesto se comienza a nombrar por el extremo no reductor que se encuentra a la izquierda
2. Se asigna la configuración alfa o beta al átomo de carbono anomérico del monosacárido.
3. Se nombra el residuo no reductor distinguiendo entre estructuras cíclicas de cinco (furanosa) y seis (piranosa) átomos de carbono.
4. El número de los átomos de carbono unidos por el enlace glucosídico se indican entre paréntesis, con una flecha o linea en medio (1-4).
5. Se nombra el segundo residuo de forma igual hasta el paso anterior.


La maltosa es el azúcar que se obtiene de la hidrólisis enzimática del almidón, habitualmente llevado a cabo por el enzima maltasa, que es un paso esencial de todos los procesos de aprovechamiento del almidón. Se encuentra constituida por dos monosacáridos glucosa.
Se acostumbra a agregar el sufijo –il, eliminando la letra a del residuo que se encuentra a la izquierda, y el sufijo –ido, eliminando la letra a del segundo residuo.

Ejemplo:

Otros disacáridos son:

La lactosa que es el disacárido presente en la leche de los mamíferos y consta de una molécula de galactosa unida a una de glucosa. La lactosa es sintetizada en sus monómeros por la enzima lactasa en el hombre y por una β-galactosidasa en algunos microorganismos.


La sacarosa que se encuentra constituida por la unión de una molécula de glucosa y otra de fructosa. La sacarosa es el azúcar de mesa y se extrae a gran escala de la caña de azúcar y de la remolacha.

Observese que el enlace glucosídico en la sacarosa se da entre los dos carbonos anoméricos de cada monosacarido.


Y la trehalosa que es el carbohidrato principal de la hemolinfa de los insectos. Al igual que la sacarosa, el enlace glucosídico se da entre los carbonos anoméricos.

Cuadro 3
Disacáridos y algunas fuentes de obtención.
Tomado de: Rodríguez, G. León, P. L. (1984). Bioquímica. Buenos Aires: Lizar.

Cuando alguno de los monosacáridos que forma a los disacáridos, tiene el carbono anomérico libre, puede sufrir una reacción de hidrólisis de equilibrio. Esto pasa por ejemplo con la lactosa. La forma que presenta el grupo aldehído libre se encuentra en muy pequeña proporción. La maltosa también experimenta este proceso, al igual que todo sacárido que tenga un carbono anomérico libre.



La galactosa de la lactosa no sufre este equilibrio porque el carbono anomérico está enlazado y por lo tanto no puede volver a formar el grupo carbonilo que corresponde a la forma abierta. La configuración α o β queda pues fijada cuando el monosacáridos está formando une enlace glucosídico, como en el almidón.
La sacarosa no experimenta este equilibrio porque tiene los dos carbonos anoméricos enlazados. Las aldosas que experimentan este equilibrio, ya sea solas o formando parte de otro sacárido, presentan, aunque en pequeña proporción, un grupo –CHO que puede ser oxidado a ácido. A éstos se les denomina azúcares reductores. Maltosa y lactosa son azúcares reductores. La sacarosa y trehalosa no lo son

Polisacáridos

Los polisacáridos más importantes son los siguientes.

Almidón: esta formado por una cadena a-glucosídica entre monosacáridos glucosa y constituye la fuente más importante de carbohidratos en los alimentos y se encuentra en los cereales, en legumbres y algunos vegetales (Rodríguez, 1984).
El análisis minucioso de la estructura del almidón demuestra que es una mezcla de otros dos polisacáridos: la amilosa y la amilopectina. La proporción de ambos polisacáridos varía según la procedencia del almidón, pero por lo general, la amilopectina es la más abundante.

Amilasa

Amilopectina

Glucógeno: es el polisacariodo de reserva del organismo animal. Al igual que la amilopectina, es un carbohidrato constituido por monómeros de glucosa unidas por enlace a(1- 4) y con ramificaciones de a(1-6) (Nelson, 2001).


Quitina: el segundo azúcar más abundante de la naturaleza se encuentra en forma lineal compuesto por residuos de N-acetilglucosamina. Difiere de forma química con respecto a la celulosa es el carbono dos, donde existe el grupo amino acetilado en vez del grupo hidroxilo. La quitina es el principal componente de los exoesqueletos de la mayoría de los artrópodos (Nelson, 2001).


Insecto con Exoesqueleto

Celulosa: es el principal constituyente del armazón de las plantas. Las enzimas digestivas del ser humano no la degradan, por ello constituye una fuente importante de residuos alimenticios.



Dextrinas: son polisacáridos de reserva producidos por ciertas bacterias. Se forman durante el proceso de desintegración hidrolítica del almidón, en donde son los primeros compuestos formados (Pacheco, 2001).

Pruebas de Reconocimiento de Carbohidratos

Las más empleadas son las siguientes:

Prueba de Molisch: normalmente la primera prueba realizada para la identificación de los carbohidratos es la prueba de Molisch. Consiste en mezclar 2ml de la solución a determinar la presencia de carbohidratos con 2 gotas del reactivo de Molisch (alfa naftol al 10%) recién preparado y 2ml de H2SO4 concentrado, el cual causa hidrólisis de los enlaces glucosídicos del disacariodo o polisacárido presente. La aparición de un anillo de rojo violeta es indicativo de la presencia de carbohidratos en la muestra (Flores, 2002).


Prueba de Lugol: permite distinguir Almidón, Glucógeno, Dextrinas y otros polisacáridos.
Se agrega 1ml de la muestra problema, 3 gotas de HCl concentrado y luego 3 gotas del reactivo de Lugol, el cual esta constituido de yodo disuelto en yoduro de potasio, lo cual hace que se forme un complejo físico de iones triyoduro (I3-), los cuales se sitúan dentro de los espacios helicoidales que presenta la Amilosa o la Amilopectina (almidón) (Flores, 2002).



Prueba de Fehling: los reactivos de Fehling, Tollons y Benedict, son agentes oxidantes moderados, oxidando a los grupos aldehídos al mismo tiempo que estos se reducen.
A 1 ml de la muestra dada se adiciona 2 gotas del reactivo de Fehling, el cual consiste de dos partes: una parte esta constituida por una solución de Sulfato Cúprico, y la otra por Hidróxido de sodio y Tartrato de Sodio Potasio (Sal de Rochelle). Al mezclar cantidades iguales de estas dos soluciones, se forma un complejo soluble de Tartrato Cúprico, de color oscuro, el cual proporciona una pequeña concentración de iones Cúprico (Brewster, 1977). La presencia de carbohidratos reductores queda evidenciada, ya que el grupo aldehído reduce la solución de Fehling y forman un precipitado rojo ladrillo de Óxido Cuproso.



El Hidróxido de Sodio y el Tartrato que contiene el reactivo de Fehling, son empleados, ya que actúan como agentes quelantes, para que el ion cuproso no se precipite como Hidróxido Cúprico e interfiera con la reacción.


El Tartrato no puede formar complejos con el ión cuproso, de manera que la reducción del ion cuproso a cúprico, al reaccionar con los carbohidrados, provoca la formación de un precipitado rojo ladrillo, proveniente del óxido cuproso, cuando la reacción es positiva. Pero, las Cetosas también dan positiva a la reacción de Fehling, ya que en condiciones básicas se tautomerizan a aldosas, debido a un equilibrio ceto-enolico, catalizado por el medio básico y la adicción de energía, en este caso representados por el Hidróxido de Sodio y el calentamiento. En el caso de la fructosa, esta se isomeriza a Glucosa y Manosa (Velázquez, 2008).



Prueba de Seliwanoff: esta prueba se realiza para la identificación de cetosas y aldosas. Se agregan 0,5 ml de la solución problema y 2 ml del reactivo, el cual, para Flores (ob. cit), esta constituido por el compuesto fenólico Resorcinol (m-dihidroxibenceno) disuelto en acido clorhídrico concentrado. Una tonalidad rojo cereza indica la presencia de cetosas.
El ácido clorhídrico deshidrata más rápidamente las cetohexosas que las aldohexosas, ya que éstas deben isomerizarse a aquellas, para formar el Hidroximetilfurfural por deshidratación (Velázquez, 2008).


El hidroximetilfurfural es condensado por el resorcinol para formar un complejo de color rosado salmón.


Prueba de Bial: se emplea para diferenciar hexosas de pentosas. Se mezclan 2 o 3ml de la muestra a identificar caliente con 5ml del reactivo, el cual se encuentra constituido por el compuesto fenólico Orcinol (3,5-dihidroxitolueno), disuelto en HCl concentrado y cloruro ferrico. La aparición de un color o precipitado verde, indica que existen pentosas en la muestra.
La identificación para las pentosas se fundamenta, en que estas se deshidratan más rápidamente por la acción del HCl, que las hexosas, debido a que estas se tienes que isomerizar en las primeras. El furfural generado reacciona con el Orcinol para dar compuestos de color verde-azulado en un lapso de 2 a 5 minutos (Velázquez, 2008).




Referencias

Brewster, R. Q. y McEwen, W, E. (1977). Química Orgánica: Un Curso Breve
(2° ed). México: C.E.C.S.A

Flores, J. (2002). Reacciones de Identificación de Carbohidratos. [Guía de Estudio].
Caracas: UPEL.

Nelson, D. L. y Cox, M. M. (2001). Lehninger: Principios de Bioquímica (4° ed).
Estados Unidos: W.H. Freeman and Company.

Pacheco, D. (2001). Bioquímica Estructural y Aplicada a la Medicina. Instituto
Politécnico Nacional.

Rodríguez, G. León, P. L. (1984). Bioquímica. Buenos Aires: Lizar

Stryer, L. (1979). Bioquímica (2°ed). Barcelona: Reverté, S. A.

Thomas, M. D. (2004). Bioquímica: Libro de Texto con Aplicaciones Clínicas
(4° ed). Barcelona: Reverté

Velásquez, M. y Ordorica, M. (2008). Estructura de Glúcidos. [Documento en
Línea]. Disponible: http://ww.ugr.es/~quiored/espec/ms1.htm. [Consulta: 2008,
Octubre 29].

Wade, L. G. (2004). Química Orgánica (4° ed). Madrid: Pearson Prentice Hal

2 comentarios:

  1. QUE BUENO ESTE BLOG ME AYUDO MUCHO PARA MI DIAGRAMA v Daniel felicitaciones por tu recopilación y trabajo final excelente hermano es Tulio

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  2. Muchas gracias por tus palabras Tulio. Esa es la idea sustancial de estas herramientas, el aportar una ayuda entre nosotros los estudiantes y el publico en general.
    Suerte y mucho exito en Bioquimica.

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