Estructura y Función de las Biomoléculas: Carbohidratos

Unidad II: Estructura y Función de las Biomoléculas

• El propósito de esta unidad es que el estudiante demuestre las propiedades, estructuras y funciones de las biomoléculas para interpretar los procesos metabólicos y sus aplicaciones en los bioprocesos.

Fundamentos de las Biomoléculas

• Definición: Las biomoléculas son compuestos químicos fundamentales que constituyen la base de la vida. Se encuentran en todos los organismos vivos y participan en prácticamente todos los procesos biológicos.
• Composición Química: Están formadas principalmente por átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, fósforo y azufre ($C$, $H$, $O$, $N$, $P$, $S$).
• Diversidad de Funciones: Estos elementos se combinan de distintas formas para dar lugar a estructuras con funciones muy diversas, incluyendo:
  • Conformación de estructuras celulares (membranas, organelos y tejidos).
  • Intervención en el metabolismo.
  • Reproducción.
  • Transmisión de información genética.
  • Respuesta a estímulos del medio ambiente.
• Macromoléculas como Polímeros: También son conocidas como polímeros, término que proviene de dos vocablos griegos: $poli$ (muchos) y $meros$ (parte). Se forman mediante la unión de moléculas orgánicas pequeñas denominadas monómeros a través de enlaces covalentes.

Clasificación de las Biomoléculas

1. Biomoléculas Inorgánicas:
   • Ejemplos: Agua ($H_2O$) y sales minerales.
   • Características: Presentes tanto en seres vivos como fuera de ellos; son fundamentales para el mantenimiento de la vida.
2. Biomoléculas Orgánicas:
   • Ejemplos: Carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.
   • Características: Exclusivas de los organismos vivos; desempeñan funciones específicas y especializadas.

Carbohidratos (Glúcidos o Azúcares)

• Características Generales:

  • Son las biomoléculas más abundantes en la Tierra.
  • Fuente principal de energía.
  • Formados principalmente por $C$, $H$ y $O$; pueden contener $N$, $P$ y $S$.
  • Sinónimos: Hidratos de carbono, azúcares, sacáridos o glúcidos.
  • Unidades monoméricas: Monosacáridos.

• Funciones Principales:     | Función | Descripción | Ejemplos |     | :--- | :--- | :--- |     | Energética | Fuente principal e inmediata de energía celular. | Glucosa (respiración celular), almidón (plantas), glucógeno (animales) |     | Almacenamiento | Reserva energética acumulada. | Almidón en plantas, glucógeno en hígado y músculos |     | Estructural | Conforman parte de estructuras celulares. | Celulosa (pared vegetal), quitina (exoesqueleto de artrópodos y hongos) |     | Reconocimiento | Participan en la comunicación celular. | Glucoproteínas y glucolípidos de la membrana |     | Precursores | Intervienen en la síntesis de otros compuestos. | Ribosa y desoxirribosa en ARN y ADN |     | Protección | Cápsulas protectoras en bacterias. | Polisacáridos capsulares |

Estructura Química de Carbohidratos

• Definición Química: Son derivados aldehído o cetona de alcoholes polihídricos.
• Aldosa: Carbohidrato polihidroxialdehído. Posee grupos $-OH$ (por ejemplo, 5 grupos hidroxilo) y un grupo funcional aldehído localizado en el Carbono 1 ($C1$).
• Cetosa: Carbohidrato polihidroxicetona. Posee grupos $-OH$ y un grupo funcional cetona localizado, generalmente, en el Carbono 2 ($C2$).

Clasificación por Tamaño Molecular

• Monosacáridos: Azúcares simples.
• Oligosacáridos: Cadenas cortas de azúcares.
• Polisacáridos: Cadenas largas (polímeros) de azúcares.

Monosacáridos

• Propiedades Físicas: Sólidos, cristalinos, incoloros, solubles en agua y de sabor dulce.
• Propiedades Químicas:
  • No pueden ser hidrolizados a carbohidratos más pequeños.
  • Contienen de 3 a 8 átomos de carbono.
  • Actúan como sustancias reductoras en medio alcalino.
• Nomenclatura: Prefijo (número de carbonos) + sufijo "-osa".
  • $Triosas$ (3), $Tetrosas$ (4), $Pentosas$ (5), $Hexosas$ (6), $Heptosas$ (7), $Octosas$ (8).
  • Las más importantes son las hexosas, seguidas de las pentosas.
  • Heptosas: Se forman en la fotosíntesis.
  • Tetrosas y triosas: Intermedios metabólicos.

Ejemplos de Aldosas y Cetosas

• Aldosas:
  • $Aldotriosas$: D-gliceraldehído.
  • $Aldotetrosas$: D-eritrosa, D-treosa.
  • $Aldopentosas$: D-ribosa, D-arabinosa, D-xilosa, D-lixosa.
  • $Aldohexosas$: D-alosa, D-altrosa, D-glucosa, D-manosa, D-gulosa, D-idosa, D-galactosa, D-talosa.
• Cetosas:
  • $Cetotriosas$: Dihidroxiacetona.
  • $Cetotetrosas$: D-eritrulosa.
  • $Cetopentosas$: D-ribulosa, D-xilulosa.
  • $Cetohexosas$: D-psicosa, D-fructosa, D-sorbosa, D-tagatosa.

Isomería de Monosacáridos

• Carbono Quiral: Carbono asimétrico unido a cuatro grupos diferentes.
• Enantiómeros D y L: Isómeros que difieren en la orientación del grupo $-OH$ en el carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo.
  • Casi todos los monosacáridos en mamíferos son azúcares $D$.
  • Las enzimas metabólicas son específicas para la configuración $D$.
• Actividad Óptica: Propiedad de rotar la luz polarizada.
  • Dextrorrotatorio: Rota a la derecha ($[+]$).
  • Levorrotatorio: Rota a la izquierda ($[-]$).
  • La rotación es independiente de la estereoquímica $D/L$ (puede existir $D(-)$ o $L(+)$, etc.).
• Epímeros: Isómeros que difieren en la configuración de un solo carbono asimétrico específico.
  • Ejemplo: La galactosa y la manosa son epímeros de la glucosa.

Representación Estructural

• Proyección de Fischer: Representación lineal. El carbono más oxidado (aldehído/cetona) se coloca en la parte superior.
• Proyección de Haworth: Representación cíclica en formas de anillo.
  • Piranosa: Anillo de 6 miembros (5 carbonos, 1 oxígeno).
  • Furanosa: Anillo de 5 miembros (4 carbonos, 1 oxígeno).
• Anómeros: Isómeros que se forman al ciclarse la molécula, creando un Carbono anomérico.
  • Alfa (\alpha): El grupo $-OH$ está hacia abajo en el carbono 1 (o en dirección opuesta al $-CH_2OH$).
  • Beta (\beta): El grupo $-OH$ está hacia arriba en el carbono 1.
• Mutarrotación de la D-Glucosa en Solución:
  • $\beta$-D-Glucopiranosa: $63.6\%$
  • $\alpha$-D-Glucopiranosa: $36.4\%$
  • Forma lineal (D-Glucosa): $0.003\%$
• Conformación de Silla: Es la forma real en la que se encuentran los anillos de piranosa en la naturaleza.

Reacciones de Oxidación-Reducción

• Productos de Oxidación de la Glucosa:
  1. Ácido Aldónico (Ácido D-glucónico): Oxidación del grupo aldehído.
  2. Ácido Urónico (Ácido D-glucurónico): Oxidación del carbono terminal ($C6$).
  3. Ácido Aldárico (Ácido D-glucárico): Oxidación de ambos extremos.
• Azúcares Reductores:
  • Poseen un grupo carbonilo libre (aldehído o cetona) capaz de actuar como agente reductor.
  • Pueden ser oxidados por agentes suaves como el ion cúprico ($Cu^{2+}$).
  • Pruebas Químicas: Reactivo de Fehling ($Cu^{2+}/NaOH$) y Reactivo de Benedict ($Cu^{2+}/NaCO_3$).
  • Las cetosas (como la fructosa) son reductoras porque en medio alcalino se tautomerizan a aldosas.
• Capacidad Reductora por Tipo:
  • Monosacáridos: Todos son reductores (Glucosa, Fructosa).
  • Disacáridos: La mayoría son reductores (Lactosa, Maltosa), excepto si el carbono anomérico está ocupado (Sacarosa).
  • Polisacáridos: No son reductores (Almidón, Glucógeno, Celulosa).

Disacáridos

• Enlace O-glucosídico: Enlace covalente que une dos monosacáridos. Se forma cuando un hidroxilo de un azúcar reacciona con el carbono anomérico del otro, liberando agua y formando un acetal.
• Disacáridos de Importancia Biológica:
  • Sacarosa:
    • Composición: $O-\alpha-D-glucopiranosil-(1 \rightarrow 2)-\beta-D-fructofuranosida$.
    • Fuente: Azúcar de caña y remolacha.
    • Nota: Es un azúcar no reductor.
  • Lactosa:
    • Composición: $O-\alpha-D-galactopiranosil-(1 \rightarrow 4)-\beta-D-glucopiranosa$.
    • Fuente: Leche.
    • Nota: Es un azúcar reductor.
  • Maltosa:
    • Composición: $O-\alpha-D-glucopiranosil-(1 \rightarrow 4)-\alpha-D-glucopiranosa$.
    • Fuente: Hidrólisis de almidón.
    • Nota: Es un azúcar reductor.
  • Celobiosa:
    • Composición: Dos unidades de $\beta-D-glucosa$ unidas por enlace $\beta-1,4-glucosídico$.
    • Fuente: Hidrólisis parcial de la celulosa.
    • Nota: Es un azúcar reductor.
  • Isomaltosa: Enlace $\alpha-1,6$. Proviene de la hidrólisis de ramificaciones de amilopectina.
  • Trehalosa: Enlace $\alpha-1,1$. Presente en levaduras, hongos e insectos.
  • Lactulosa: Compuesta por galactosa y fructosa; principalmente sintética.

Polisacáridos (Polímeros de azúcar)

• Homopolisacáridos: Formados por un solo tipo de monosacárido.
  • Almidón: Reserva energética en plantas (semillas, tubérculos).
    • Contiene Amilosa ($20-25\%$, lineal, enlace $\alpha-1,4$) y Amilopectina ($72-80\%$, ramificada, enlaces $\alpha-1,4$ y $\alpha-1,6$).
  • Glucógeno: Reserva energética en vertebrados (hígado y músculos) y bacterias.
    • Estructura muy ramificada (enlaces $\alpha-1,4$ y $\alpha-1,6$ cada 8-12 residuos).
    • Un adulto almacena aproximadamente $350\,g$.
  • Celulosa: Estructural, pared celular vegetal, madera, algodón (celulosa pura).
    • Polímero lineal de $\beta-D-glucosa$ con enlaces $\beta-1,4$.
    • Peso molecular promedio: $400,000$.
  • Quitina: Estructural, exoesqueleto de artrópodos.
    • Polímero lineal de $N$-acetilglucosamina ($GlcNAc$) con enlaces $\beta-1,4$.
• Heteropolisacáridos: Formados por más de una clase de monosacárido.

Detalles de Heteropolisacáridos

Glucoconjugados

• Son glúcidos unidos covalentemente con proteínas o lípidos.
• Tipos:
  • Proteoglucanos: Predomina el carbohidrato.
  • Glucoproteínas: Proteínas con cadenas de oligosacáridos.
  • Glucolípidos: Lípidos de membrana con carbohidratos expuestos al medio extracelular.

Estructuras de Paredes Celulares Bacterianas

• Bacterias Grampositivas (e.g., Staphylococcus aureus): Poseen una capa de peptidoglucano gruesa. Las cadenas de polisacáridos se cruzan mediante pentapéptidos de glicina.
• Bacterias Gramnegativas (e.g., Escherichia coli): Poseen una capa de peptidoglucano fina y una membrana lipídica externa adicional. Los enlaces cruzados ocurren entre tetrapéptidos unidos a los residuos de NAM de cadenas adyacentes.