Carbohidratos

Naturaleza química de los carbohidratos- aldehídos y cetonas polihidroxilados

Los carbohidratos constituyen una de las cuatro clases principales de moléculas orgánicas biológicamente activas, o biomoleculas. (Las otras clases son los lípidos, proteínas y ácidos nucleicos.) los carbohidratos son simples y complejos son la fuente principal de energía metabólica para todas las actividades del organismo, desde la locomoción hasta la construcción de otras moléculas.

La formula general de muchos carbohidratos comunes, que incluye glucosa y fructosa (C₆H₁₂O₆) y sacarosa y lactosa (C₁₂H₂₂O₁₁)- Es Cn(H₂O)m, la cual parecería apoyar el antiguo concepto de que estos compuestos son hidratos de carbono. Sin embargo, sus verdaderas estructuras químicas son las de aldehídos y cetonas polihidroxilados (con más de un grupo hidroxi, o grupos –OH) .

El termino carbohidrato se puede referir también a derivados y polímeros de aldehídos y cetonas polihidroxilados. Los carbohidratos contienen un grupo carbonilo como aldehído o cetona, así como más de un grupo alcohol.

Las dos moléculas de carbohidrato más simple ilustran esto.

Gliceraldehido (una aldosa, una triosa) Dihidroxiacetona

Estos dos compuestos tienen la misma fórmula molecular, C₃H₆O₃, y ambos contienen un grupo carbonilo- uno como aldehído y el otro como cetona- y también dos grupos alcohol (hidroxi). Además, son isómeros funcionales uno del otro

Nomenclatura de Carbohidratos

Cuando se comentan temas químicos o bioquímicos, es más frecuente referirse a los carbohidratos como sacáridos, de la palabra griega que significa algo dulce. Este término es un nombre inapropiado, pues muchos sacáridos, si no es que la mayor parte, no son dulces. Sin embargo, esta terminología nos permite hablar de manera conveniente acerca de unidades individuales de carbohidratos, los monosacáridos, así como de sus polímeros, los oligosacaridos (de dos a diez unidades) y polisacáridos (más de diez unidades).

En sistema IUPAC se designan según las reglas de nomenclatura. Ejemplo: el gliceraldehido es 2,3-dihidroxipropanal, mientras que las dihidroxiacetona seria 1,3- dihidroxipropanona.

Existen otras maneras generales de designar monosacáridos que, usando el sufijo –osa, para indicar un carbohidrato, pueden especificar el grupo funcional carbonilico (aldosa o cetosa), el numero de átomos de carbono (tri-, tetra-, penta-), o ambos cosas (aldohexosa, cetopentosa). Además, cada monosacáridos tiene su propio nombre individual que depende de la estructura global de la molécula.

Estructura de Monosacáridos

A. Aldosa:

El griceraldehido, la aldosa más sencilla, tiene un carbono quiral y, por tanto, dos isómeros ópticos.

Las designaciones L- y D- se refieren a la ubicación física del grupo –OH en el lado izquierdo y derecho del carbono quiral, respectivamente, y no tienen una correlación intencional con el sentido de rotación de la luz polarizada en un plano.

Las estructuras de monosacáridos con más de tres carbonos se pueden dibujar introduciendo un grupo CHOH en el gliceraldehido entre el grupo carbonilo y el carbono quiral. El nuevo CHOH sería otro centro de quiral con la posibilidad de dos orientaciones una con el grupo –OH a la derecha y la otra con el grupo –OH a la izquierda. Los L- y D- gliceraldehidos darán origen cada uno a dos aldotetrosas, para hacer un total de cuatros isómeros ópticos.

Estos dos compuestos son D-azucares porque el centro quiral mas alejado del carbonilo se deriva del D-gliceraldehido y tienen entre si una relación de diastereoisomeros. Los diastereoisomeros son entiedades químicas definidas que tienen propiedades físicas diferentes.

Casi todos los monosacáridos naturales proceden del D-gliceraldehido.

 Las aldosas más comunes son ribosa, glucosa y galactosa.

Diabetes

En Estados Unidos más de diez millones de personas sufren actualmente los efectos de una condición que se conoce como diabetes mellitus. Este trastorno puede adoptar varias formas, todas las cuales dan por resultado un metabolismo defectuoso de la glucosa, nuestra fuente primaria de energía. Normalmente, cuando ingerimos alimentos nuestros cuerpos activan la liberación de la hormona endocrina insulina de las células beta del páncreas. La insulina, a su vez, facilita la entrada y el metabolismo de la glucosa en nuestras células. Si la insulina está ausente o funciona mal, la glucosa que circula en la sangre aumenta en cuanto a concentración. Esta condición se le conoce como hiperglicemia. Los riñones se encargan de eliminar de la sangre los materiales innecesarios y normalmente reabsorberían las cantidades normales de glucosa para su metabolismo. Sin embargo, si la concentración de la glucosa sanguínea sobrepasa el umbral renal de 180mg/100ml (decilitro), la glucosa se derramara a la orina, donde se puede detectar mediante pruebas sencillas.

La consecuencia trágica de este exceso de glucosa es:

1. La inanición, porque el cerebro, los músculos y otros órganos no pueden utilizar la glucosa.

2. Todos los tejidos del organismo están en contacto con una solución concentrada de azúcar que puede modificar las proteínas del cuerpo y alterar severamente el metabolismo.

3. La aterosclerosis (estrechamiento de los vasos sanguíneos)

4. Ceguera (retinopatía)

5. Insuficiencia renal y coma, todo lo cual podría conducir a una muerte prematura.

El tratamiento de la diabetes depende del tipo y gravedad de la enfermedad:

1. Las personas que producen poca o ninguna insulina, requieren inyecciones diarias de insulina.

2. La diabetes mellitus tipo II, en la cual produce insulina pero esta no es eficaz, afecta con frecuencia a las personas con sobrepeso o con predisposición genética. Se puede controlar por medio de una dieta, ejercicio y administración de fármacos orales como tolbutamida o glipzida. Estos medicamentos favorecen la liberación de insulina del páncreas y aumentan la utilización de glucosa por las células.

Cetosas

Una aldosa es un monosacárido (un glúcido simple) cuya molécula contiene un grupo aldehído, es decir, un carbonilo en el extremo de la misma. Su fórmula química general es CnH2nOn (n>=3). Los carbonos se numeran desde el grupo aldehído (el más oxidado de la molécula) hacia abajo. Con solo 3 átomos de carbono, el gliceraldehído es la más simple de todas las aldosas.

Las aldosas isomerizan a cetosas en la transformación de Lobry-de Bruyn-van Ekenstein (lectura en inglés). Las aldosas difieren de las cetosas en que tienen un grupo carbonilo al final de la cadena carbonosa, mientras que el grupo carbonilo de las cetosas lo tienen en el medio.

La representación lineal, sin embargo, no es propia de las aldosas disueltas en agua u otro solvente, ya que éstas se encuentran en su mayor parte (cerca del 99%), en su forma cíclica, donde el grupo aldehído forma un enlace hemiacetal con un grupo hidroxilo, generalmente el quinto o el sexto, con la consecuente eliminación de una molécula de agua.

La detección de aldosas en el laboratorio puede realizarse mediante el test de Seliwanoff, que si bien es para detectar cetosas, un resultado negativo indicará la presencia de aldosas en la muestra.

Una cetosa es un monosacárido con un grupo cetona por molécula, Con tres átomos de carbono, la dihidroxiacetona es la más simple de todas las cetosas, y es el único que no tiene actividad óptica. Las cetosas pueden isomerizar en aldosas cuando el grupo carbonilo se encuentra al final de la molécula. Este tipo de moléculas se denominan azúcares reducidos.

Con el fin de determinar si un compuesto pertenece al grupo de las cetosas o de las aldosas se suele llevar a cabo una reacción química denominada test de Seliwanoff.

Formación de Hemiacetales Cíclicos

a. Reacción de formación de anillos: El hemiacetal resulta de una reacción intramolecular forma un anillo, un hemiacetal cíclico. Al tratar las estructuras ciclicas, los anillos de cinco y seis miembros son estables. Lo mismo es válido para los hemiacetales cíclicos con la unica diferencia de que un miembro del anillo es un oxigeno.

b. Representaciones estructurales: Estructuras de Haworth: las formas ciclicas se representan más a menudo usando la formula de haworth en la cual se dibuja un pentagono o hexagono plano que se proyecta hacia afuera del papel, hacia el lector. Al dibujar una estructura de haworth, el carbono hemiacetalico se coloca en el extremo derecho del anillo.

c. Estructura de conformación: Al igual que el ciclo hexeno los monosacáridos se pueden dibujar en una estructura de conformación, e decir en forma de bote o de silla. La forma de silla hace muy estable a los azucares, por la colocación de los grupos ----OH de nuevo hacia arriba y hacia abajo pero esta vez con relación a posiciones axiales y ecuatoriales alrededor del anillo.

Cabe mencionar que los enlaces axiales y ecuatoriales alternan en cuanto al que está arriba del anillo conforme se recorre el mismo.

Además es importante decir que la B-D-glucosa es probablemente la forma de carbono más abundante en la biosfera por ser unas estructuras estables.

d. Conversión de estructura cíclica a formulas de Fisher de cadena abierta. Esto ocurre cuando los hemiacetales o hemicetales cíclicos se pueden convertir a sus estructuras de aldosa o hexosa de cadena abierta invirtiendo la reacción que les dio su origen en este caso el oxigeno

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