ÍNDICE
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13. Presentaciones de glúcidos 14. Concepto y clasificación 1. Monosacáridos 1. Estereoisomería 2. Anómeros 3. Derivados de los monosacáridos 15. En lace O-glucosídico 16. Ósidos 1. Oligosacáridos 2. Polisacáridos 1. Homopolisacáridos 2. Heteropolisacáridos 17. Heterósidos 18. Funciones de los glúcidos 19. Repaso 20. Prácticas 21. Otras `presentaciones 22. Cuestiones 23. Cuestiones con calificación |
1. Conocimientos previos
2. ESQUEMAS
3. PRESENTACIONES DE BIOELEMENTOS, AGUA Y SALES MINERALES
4. CONTENIDOS ANIMADOS
5. NIVELES DE ORGANIZACIÓN DE LA MATERIA
La materia viva e inerte se puede encontrar en diversos estados de agrupación diferentes. Esta agrupación u organización puede definirse en una escala de organización que sigue de la siguiente manera de menor a mayor organización.
Subatómico: este nivel es el más simple de todo y está formado por electrones, protones y neutrones, que son las distintas partículas que configuran el átomo.
Atómo: es el siguiente nivel de organización. Es un átomo de oxígeno, de hierro, de cualquier elemento químico.
Moléculas: las moléculas consisten en la unión de diversos átomos diferentes para fomar, por ejemplo, oxígeno en estado gaseoso (O2), dióxido de carbono, o simplemente carbohidratos, proteínas, lípidos...
Orgánulos celulares: Las células contienen numerosos complejos macromoleculares. Las macromoléculas constituyen estructuras complejas tales como las membranas, ribosomas, retículo endoplasmático ..... Algunas estructuras están presentes tanto en procariotas como en eucariotas, otras difieren de unos organismos a otrs: cloroplastos, citocentro , pared celular.....
Celular: los orgánulos celulares se agrupan en unidades celulares con vida propia y capacidad de autorreplicación.
Tisular: las células se organizan en tejidos: epitelial, adiposo, nervioso, muscular...
Organular: los tejidos están estructuras en órganos: corazón, bazo, pulmones, cerebro, riñones...Sistémico o de aparatos: los órganos se estructuran en aparatos digestivos, respiratorios, circulatorios, nerviosos...
Organismo: nivel de organización superior en el cual las células, tejidos, órganos y aparatos de funcionamiento forman una organización superior como seres vivos: animales, plantas, insectos,...
Población: los organismos de la misma especie se agrupan en determinado número para formar un núcleo poblacional: una manada de leones, o lobos, un bosque de arces, pinos...
Comunidad: es el conjunto de seres vivos de un lugar, por ejemplo, un conjunto de poblaciones de seres vivos diferentes. Está formada por distintas especies.
Ecosistema: es la interacción de la comunidad biológica con el medio físico, con una distribución espacial amplia.
Paisaje: es un nivel de organización superior que comprende varios ecosistemas diferentes dentro de una determinada unidad de superficie. Por ejemplo, el conjunto de vid, olivar y almendros características de las provincias del sureste español.
Región: es un nivel superior al de paisaje y supone una superficie geográfica que agrupa varios paisajes.
Bioma: Son ecosistemas de gran tamaño asociados a unas determinadas características ambientales:macroclimáticas como la humedad, temperatura, radiación y se basan en la dominancia de una especie aunque no son homogéneos. Un ejemplo es la taiga que se define por las coníferas que es un elemento identificador muy claro pero no homogéneo, también se define por la latitud y la temperatura.
Biosfera: es todo el conjunto de seres vivos y componentes inertes que comprenden el planeta tierra, o de igual modo es la capa de la atmósfera en la que existe vida y que se sustenta sobre la litosfera.
Cada nivel de organización engloba a los niveles inferiores anteriores. Por ejemplo, un elefante tiene un sistema respiratorio que consta de órganos como son los pulmones, que a su vez están compuestos de tejidos como el tejido respiratorio, el epitelial, que a su vez lo conforman células, y así sucesivamente.
1 km = 1 000 m
1 m = 1 000 mm
1 mm = 1 000 micres 1 micra = 1 000 nm (nanómetros) 1 nm = 10 angstroms |
6. LOS ELEMENTOS DE LA VIDA. BIOELEMENTOS
Todos los seres vivos están constituidos, cualitativa y cuantitativamente por los mismos elementos químicos. De todos los elementos que se hallan en la corteza terrestre, sólo unos 25 son componentes de los seres vivos . Esto confirma la idea de que la vida se ha desarrollado sobre unos elementos concretos que poseen unas propiedades físico-químicas idóneas acordes con los procesos químicos que se desarrollan en los seres vivos.
Porcentaje en peso de los
elementos en seres vivos y litosfera
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Elementos
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H
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C
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N
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O
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F
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Si
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S
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P
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Cl
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Na
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K
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Mg
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Ca
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Al
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Fe
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Universo
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Tierra
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Litosfera
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0.1
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0.2
|
0.05
|
47
|
0.1
|
26
|
0.1
|
0.1
|
0.1
|
2.4
|
2.3
|
2.1
|
3.2
|
8.0
|
4.7
|
Seres vivos
|
9
|
17
|
3
|
65
|
0.004
|
0.006
|
0.2
|
0.8
|
0.2
|
0.1
|
0.2
|
0.1
|
1.0
|
0.002
|
0.01
|
Humanos
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9.3
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19.4
|
5.1
|
62.8
|
0.6
|
0.6
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|||||||||
Alfalfa
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8.7
|
11.3
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0.8
|
77.9
|
0.1
|
0.7
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Bacteria
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9.9
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12.1
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3.0
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73.8
|
0.3
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0.6
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Se denominan elementos biogénicos o bioelementos a aquellos elementos químicos que forman parte de los seres vivos. Atendiendo a su abundancia (no importancia) se pueden agrupar en tres categorías:
6.1. Bioelementos primarios o principales: lC, H, O, N. Son los elementos mayoritarios de la materia viva, constituyen el 95% de la masa total.
Las propiedades físico-químicas que los hacen idóneos son las siguientes:
- Forman entre ellos enlaces covalentes, compartiendo electrones
- El carbono, nitrógeno y oxígeno, pueden compartir más de un par de electrones, formando enlaces dobles y triples, lo cual les dota de una gran versatilidad para el enlace químico
- Son los elementos más ligeros con capacidad de formar enlace covalente, por lo que dichos enlaces son muy estables.
6.1.1. El átomo de carbono tiene unas características especiales:
- A causa de la configuración tetraédrica de los enlaces del carbono, los diferentes tipos de moléculas orgánicas tienen estructuras tridimensionales diferentes. Esta conformación espacial es responsable de la actividad biológica.
- Las combinaciones del carbono con otros elementos, como el oxígeno, el hidrógeno, el nitrógeno, etc., permiten la aparición de una gran variedad de grupos funcionales que dan lugar a las diferentes familias de sustancias orgánicas . Estos presentan características físicas y químicas diferentes, y dan a las moléculas orgánicas propiedades específicas, lo que aumenta las posibilidades de cración de nuevas moléculas orgánicas por reacción entre los diferentes grupos.
Principales enlaces químicos en los seres vivos
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- Los enlaces entre los átomos de carbono pueden ser simples (C - C), dobles (C = C) o triples.
- El átomo de carbono puede combinarse consigo mismo lo que permite que puedan formarse cadenas más o menos largas, lineales, ramificadas y anillos.
Los principales grupos orgánicos funcionales son:
6.2. Bioelementos secundarios: los más importantes son: S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl.
Grupos orgánicos
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Metilo
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R-CH3
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Etilo
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R-CH2-CH3
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Metileno
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R-CH2-R
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Hidroxilo
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R-OH
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Alcohol
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Carbonilo
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R-(C=O)-R
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||||
Aldehido
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R-CHO
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Cetona
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R-CO-R
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||||
Carboxilo
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R-COOH
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Ácido Carboxílico
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R-COO-
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Amino
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R-NH2
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||||
Amida
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R-CO-NH2
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Éster
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R-CO-O-R
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Enlace Ácido + Alcohol
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|||
Enlace Amida
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R-CO-NH-R
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Enlace Ácido + Amina
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Sulfhidrilo
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R-SH
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Tiol
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R-CH2-SH
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||||
Bisulfuro
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R-S-S-R
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Enlace de dos grupos sulhidrilo
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|||
6.2. Bioelementos secundarios: los más importantes son: S, P, Mg, Ca, Na, K, Cl.
Los encontramos formando parte de todos los seres vivos, y en una proporción del 4,5%.
| Azufre | Se encuentra en dos aminoácidos (cisteína y metionina) , presentes en todas las proteínas. También en algunas sustancias como el Coenzima A | ||
| Fósforo | Forma parte de los nucleótidos, compuestos que forman los ácidos nucléicos. Forman parte de coenzimas y otras moléculas como fosfolípidos, sustancias fundamentales de las membranas celulares. También forma parte de los fosfatos, sales minerales abundantes en los seres vivos. | ||
| Magnesio | Forma parte de la molécula de clorofila, y en forma iónica actúa como catalizador, junto con las enzimas , en muchas reacciones químicas del organismo. | ||
| Calcio | Forma parte de los carbonatos de calcio de estructuras esqueléticas. En forma iónica interviene en la contracción muscular, coagulación sanguínea y transmisión del impulso nervioso. | ||
| Sodio | Catión abundante en el medio extracelular; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular | ||
| Potasio | Catión más abundante en el interior de las células; necesario para la conducción nerviosa y la contracción muscular | ||
| Cloro | Anión más frecuente; necesario para mantener el balance de agua en la sangre y fluído intersticial | ||
6.3. Oligoelementos: Se denominan así al conjunto de elementos químicos que están presentes en los organismos en forma vestigial, pero que son indispensables para el desarrollo armónico del organismo.
Se han aislado unos 60 oligoelementos en los seres vivos, pero solamente 14 de ellos pueden considerarse comunes para casi todos, y estos son: hierro, manganeso, cobre, zinc, flúor, iodo, boro, silicio, vanadio, cromo, cobalto, selenio, molibdeno y estaño. Las funciones que desempeñan, quedan reflejadas en el siguiente cuadro:
| Hierro | Fundamental para la síntesis de clorofila, catalizador en reacciones químicas y formando parte de citocromos que intervienen en la respiración celular, y en la hemoglobina que interviene en el transporte de oxígeno. | ||
| Manganeso | Interviene en la fotolisis del agua , durante el proceso de fotosíntesis en las plantas. | ||
| Iodo | Necesario para la síntesis de la tiroxina, hormona que interviene en el metabolismo | ||
| Flúor | Forma parte del esmalte dentario y de los huesos. | ||
| Cobalto | Forma parte de la vitamina B12, necesaria para la síntesis de hemoglobina . | ||
| Silicio | Proporciona resistencia al tejido conjuntivo, endurece tejidos vegetales como en las gramíneas. | ||
| Cromo | Interviene junto a la insulina en la regulación de glucosa en sangre. | ||
| Zinc | Actúa como catalizador en muchas reacciones del organismo. | ||
| Litio | Actúa sobre neurotransmisores y la permeabilidad celular. En dosis adecuada puede prevenir estados de depresiones. | ||
| Molibdeno | Forma parte de las enzimas vegetales que actúan en la reducción de los nitratos por parte de las plantas. | ||
ANIMACIONES
CUESTIONES: 1 2 3 4 6 7 8 9
7. BIOMOLÉCULAS
La molécula es la unidad física de la materia. Es la parte más pequeña de una sustancia que conserva sus propiedades. Está formada por un grupo de átomos unidos entre sí. Se llama sustancia pura la que está compuesta por moléculas iguales. Si las moléculas son de distinto tipo, se trata de una mezcla. Así, el aire es una mezcla de N2 y O2 fundamentalmente. El agua de mar es una mezcla de agua y sales minerales.
Las moléculas que integran los seres vivos son las biomoléculas. La biomolécula fundamental es el agua, pero también son importantes ciertos gases (O2, N2, CO2), aniones (HCO3-, Cl-, SO4=), cationes (Na+, K+, NH4+), azúcares (glucosa, almidón, celulosa), lípidos (grasas, esteroides), proteínas (hemoglobina, insulina), ácidos nucleicos (DNA, RNA) y metabolitos intermediarios (ácido acético, urea, etanol). La Figura de la derecha muestra el contenido de cada tipo de molécula en una célula bacteriana.
Clasificación de los compuestos de los seres vivos:
Agua
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Sales minerales
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Gases disueltos
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Orgánicos
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La representación química de las moléculas se realiza mediante las fórmulas, que informan sobre el número y clase de átomos que las constituyen y si es preciso, la forma como están unidos y su situación real en el espacio. Según el tipo de información que suministran, hay varios tipos de fórmulas
AMPLIACIÓN CONTENIDOS
CUESTIONES: 1 2 3 4
9. EL AGUA
El agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de las formas vivas es agua.
El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, posee una manifiesta reaccinabilidad y posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas propiedades del agua.
9.1. Estructura de la molécula de agua
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo
Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
9.2. Propiedades del agua
1. Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formarpuentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares
También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
En el caso de las disoluciones iónicas los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones :
2. Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.
3. Elevada fuerza de adhesión
Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad. Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presión capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
3. Gran calor específico
También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene latemperatura constante .
4. Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
9.3. Funciones del agua
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos :
En realidad esta disociación es muy débil en el agua pura, y así el producto iónico del agua a 25º centígrados es:
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según ésto:
En la figura se señala el pH de algunas soluciones. En general hay que decir que la vida se desarrolla a valores de pH próximos a la neutralidad.
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:
Si aumenta la concentración de hidrogeniones en el medio por cualquier proceso químico, el equilibrio se desplaza a la derecha y se elimina al exterior el exceso de CO2 producido. Si por el contrario disminuye la concentración de hidrogeniones del medio, el equilibrio se desplaza a la izquierda, para lo cual se toma CO2 del medio exterior.
2. Ósmosis y presión osmótica
Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto ), se pruduce el fenómeno de laósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida ( hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica ), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración ( isotónicas o isoosmóticas ).
Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan.
Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares es igual , ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacer hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes ( turgescencia ), llegando incluso a estallar.
Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos.
Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis , estos otros dos:
3. La diálisis.
En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada.
4. La difusión
Es el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable.
Así se realizan los intercambios de gases y de algunos nutrientes entre la célula y el medio en el que vive.
ANIMACIONES
CUESTIONES: 1 2 5 6 7 8
10. PRÁCTICAS SOBRE EL AGUA
11. SALES MINERALES
Además del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles en agua.
11.1. Sales insolubles en agua.
Forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como :
11.2. Sales solubles en agua.
Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones ) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones:
GLÚCIDOS
12. ESQUEMA DE GLÚCIDOS
13. PRESENTACIÓNES DE GLÚCIDOS
Bioelementos Primarios
Biomoléculas
BIOMOLECULAS
8. GRUPOS FUNCIONALES
ENLACES DE GRUPOS FUNCIONALES   
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El grupo carbonilo (>C=O), común a aldehídos y cetonas, confiere polaridad a la moléculas, aunque en menor cuantía que el grupo hidroxilo. Los aldehídos y cetonas pueden, por captación de un átomo de hidrógeno de un carbono contiguo, dar lugar a una reacción intramolecular con formación de un doble enlace y una función hidroxilo, es decir, un enol. Este proceso es fácilmente reversible y se conoce con el nombre de tautomería cetoenólica.
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9. EL AGUA
El agua, una molécula simple y extraña, puede ser considerada como el líquido de la vida. Es la sustancia más abundante en la biosfera, dónde la encontramos en sus tres estados y es además el componente mayoritario de los seres vivos, pues entre el 65 y el 95% del peso de de la mayor parte de las formas vivas es agua.
El agua fue además el soporte donde surgió la vida. Molécula con un extraño comportamiento que la convierten en una sustancia diferente a la mayoría de los líquidos, posee una manifiesta reaccinabilidad y posee unas extraordinarias propiedades físicas y químicas que van a ser responsables de su
Durante la evolución de la vida, los organismos se han adaptado al ambiente acuoso y han desarrollado sistemas que les permiten aprovechar las inusitadas propiedades del agua.
9.1. Estructura de la molécula de agua
La molécula de agua está formada por dos átomos de H unidos a un átomo de O por medio de dos enlaces covalentes. La disposición tetraédrica de los orbitales sp3 del oxígeno determina un ángulo entre los enlaces H-O-H aproximadamente de 104'5:, además el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno y atrae con más fuerza a los electrones de cada enlace.
El resultado es que la molécula de agua aunque tiene una carga total neutra (igual número de protones que de electrones ), presenta una distribución asimétrica de sus electrones, lo que la convierte en una molécula polar, alrededor del oxígeno se concentra una densidad de carga negativa , mientras que los núcleos de hidrógeno quedan desnudos, desprovistos parcialmente de sus electrones y manifiestan, por tanto, una densidad de carga positiva.
Por eso en la práctica la molécula de agua se comporta como un dipolo
Así se establecen interacciones dipolo-dipolo entre las propias moléculas de agua, formándose enlaces o puentes de hidrógeno, la carga parcial negativa del oxígeno de una molécula ejerce atracción electrostática sobre las cargas parciales positivas de los átomos de hidrógeno de otras moléculas adyacentes.
Aunque son uniones débiles, el hecho de que alrededor de cada molécula de agua se dispongan otras cuatro molécula unidas por puentes de hidrógeno permite que se forme en el agua (líquida o sólida) una estructura de tipo reticular, responsable en gran parte de su comportamiento anómalo y de la peculiaridad de sus propiedades físicoquímicas.
9.2. Propiedades del agua
1. Acción disolvente
El agua es el líquido que más sustancias disuelve, por eso decimos que es el disolvente universal. Esta propiedad, tal vez la más importante para la vida, se debe a su capacidad para formarpuentes de hidrógeno con otras sustancias que pueden presentar grupos polares o con carga iónica ( alcoholes, azúcares con grupos R-OH , aminoácidos y proteínas con grupos que presentan cargas + y - , lo que da lugar a disoluciones moleculares
También las moléculas de agua pueden disolver a sustancias salinas que se disocian formando disoluciones iónicas.
En el caso de las disoluciones iónicas los iones de las sales son atraídos por los dipolos del agua, quedando "atrapados" y recubiertos de moléculas de agua en forma de iones hidratados o solvatados.
La capacidad disolvente es la responsable de dos funciones :
- Medio donde ocurren las reacciones del metabolismo
- Sistemas de transporte: Este efecto puede verse en esta animacisn, donde vemos a las moliculas de agua separando los iones, e impidiendo que istos vuelvan a unirse.
2. Elevada fuerza de cohesión
Los puentes de hidrógeno mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incomprensible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.
3. Elevada fuerza de adhesión
Esta fuerza está también en relación con los puentes de hidrógeno que se establecen entre las moléculas de agua y otras moléculas polares y es responsable, junto con la cohesión del llamado fenómeno de la capilaridad. Cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente, donde la presión que ejerce la columna de agua , se equilibra con la presión capilar. A este fenómeno se debe en parte la ascensión de la savia bruta desde las raíces hasta las hojas, a través de los vasos leñosos.
3. Gran calor específico
También esta propiedad está en relación con los puentes de hidrógeno que se forman entre las moléculas de agua. El agua puede absorber grandes cantidades de "calor" que utiliza para romper los p.de h. por lo que la temperatura se eleva muy lentamente. Esto permite que el citoplasma acuoso sirva de protección ante los cambios de temperatura. Así se mantiene latemperatura constante .
4. Elevado calor de vaporización
Sirve el mismo razonamiento, también los p.de h. son los responsables de esta propiedad. Para evaporar el agua , primero hay que romper los puentes y posteriormente dotar a las moléculas de agua de la suficiente energía cinética para pasar de la fase líquida a la gaseosa.
Para evaporar un gramo de agua se precisan 540 calorías, a una temperatura de 20: C.
9.3. Funciones del agua
Las funciones del agua se relacionan íntimamente con las propiedades anteriormente descritas. Se podrían resumir en los siguientes puntos :
- Soporte o medio donde ocurren las reacciones metabólicas
- Amortiguador térmico
- Transporte de sustancias
- Lubricante, amortiguadora del roce entre órganos
- Favorece la circulación y turgencia
- Da flexibilidad y elasticidad a los tejidos
- Puede intervenir como reactivo en reacciones del metabolismo, aportando hidrogeniones o hidroxilos al medio.
- agua molecular (H2O )
- protones hidratados (H3O+ ) e
- iones hidroxilo (OH-)
Este producto iónico es constante. Como en el agua pura la concentración de hidrogeniones y de hidroxilos es la misma, significa que la concentración de hidrogeniones es de 1 x 10 -7. Para simplificar los cálculos Sorensen ideó expresar dichas concentraciones utilizando logaritmos, y así definió el pH como el logaritmo cambiado de signo de la concentración de hidrogeniones. Según ésto:
- disolución neutra pH = 7
- disolución ácida pH < 7
- disolución básica pH > 7
Los organismos vivos no soportan variaciones del pH mayores de unas décimas de unidad y por eso han desarrollado a lo largo de la evolución sistemas de tampón o buffer, que mantienen el pH constante mediante mecanismos homeostáticos. Los sistemas tampón consisten en un par ácido-base conjugada que actúan como dador y aceptor de protones respectivamente.
El tampón bicarbonato es común en los líquidos intercelulares, mantiene el pH en valores próximos a 7,4, gracias al equilibrio entre el ión bicarbonato y el ácido carbónico, que a su vez se disocia en dióxido de carbono y agua:
2. Ósmosis y presión osmótica
Si tenemos dos disoluciones acuosas de distinta concentración separadas por una membrana semipermeable (deja pasar el disolvente pero no el soluto ), se pruduce el fenómeno de laósmosis que sería un tipo de difusión pasiva caracterizada por el paso del agua ( disolvente ) a través de la membrana semipermeable desde la solución más diluida ( hipotónica ) a la más concentrada (hipertónica ), este trasiego continuará hasta que las dos soluciones tengan la misma concentración ( isotónicas o isoosmóticas ).
Y se entiende por presión osmótica la presión que sería necesaria para detener el flujo de agua a través de la membrana semipermeable. La membrana plasmática de la célula puede considerarse como semipermeable, y por ello las células deben permanecer en equilibrio osmótico con los líquidos que las bañan.
Cuando las concentraciones de los fluidos extracelulares e intracelulares es igual , ambas disoluciones son isotónicas.
Si los líquidos extracelulares aumentan su concentración de solutos se hacer hipertónicos respecto a la célula, y ésta pierde agua, se deshidrata y mueren (plamólisis).
Y si por el contrario los medios extracelulares se diluyen, se hacen hipotónicos respecto a la célula, el agua tiende a entrar y las células se hinchan, se vuelven turgentes ( turgescencia ), llegando incluso a estallar.
Los líquidos presentes en los organismos son dispersiones de diversas sustancias en el seno del agua. Según el tamaño de las partículas se formarán dispersiones moleculares o disoluciones verdaderas como ocurre con las que se forman con las sales minerales o por sustancias orgánicas de moléculas pequeñas, como los azúcares o aminoácidos.
Las partículas dispersas pueden provocar además del movimiento de ósmosis , estos otros dos:
3. La diálisis.
En este caso pueden atravesar la membrana además del disolvente, moléculas de bajo peso molecular y éstas pasan atravesando la membrana desde la solución más concentrada a la más diluida. Es el fundamento de la hemodiálisis que intenta sustituir la filtración renal deteriorada.
4. La difusión
Es el fenómeno por el cual las moléculas disueltas tienden a distribuirse uniformemente en el seno del agua. Puede ocurrir también a través de una membrana si es lo suficientemente permeable.
ANIMACIONES
CUESTIONES: 1 2 5 6 7 8
10. PRÁCTICAS SOBRE EL AGUA
11. SALES MINERALES
Además del agua existe otras biomoléculas inorgánicas como las sales minerales. En función de su solubilidad en agua se distinguen dos tipos: insolubles y solubles en agua.
11.1. Sales insolubles en agua.
Forman estructuras sólidas, que suelen tener función de sostén o protectora, como :
- Esqueleto interno de vertebrados, en el que encontramos : fosfatos, cloruros, y carbonatos de calcio
- Caparazones de carbonato cálcico de crustáceos y moluscos.
- Endurecimiento de células vegetales, como en gramíneas (impregnación con sílice).
- Otolitos del oído interno,formados por cristales de carbonato cálcico (equilibrio).
Se encuentran disociadas en sus iones (cationes y aniones ) que son los responsables de su actividad biológica. Desempeñan las siguientes funciones:
- Funciones catalíticas. Algunos iones, como el Cu+, Mn2+, Mg2+, Zn+,...actúan como cofactores enzimáticos
- Funciones osmóticas. Intervienen en los procesos relacionados con la distribucisn de agua entre el interior celular y el medio donde vive esa cilula. Los iones de Na, K, Cl y Ca, participan en la generacisn de gradientes electroqummicos, imprescindibles en el mantenimiento del potencial de membrana y del potencial de accisn y en la sinapsis neuronal.
- Función tamponadora. Se lleva a cabo por los sistemas carbonato-bicarbonato, y tambiin por el monofosfato-bifosfato.
GLÚCIDOS
12. ESQUEMA DE GLÚCIDOS
13. PRESENTACIÓNES DE GLÚCIDOS
14. CONCEPTO Y CLASIFICACIÓN.
Los glúcidos, también llamados azúcares o sacáridos, son un grupo de biomoléculas orgánicas muy abundante en la naturaleza. Concretamente la celulosa, el principal componente de la madera, que es de naturaleza glucídica, quizás sea la biomolécula más abundante en la biosfera.
Los glúcidos se definen sencillamente desde el punto de vista químico como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o bien sustancias que por hidrólisis dan lugar a este tipo de compuestos. Los polihidroxialdehídos son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxilo excepto uno de ellos que forma parte de un grupo aldehído, mientras que las polihidroxicetonas son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxilo excepto uno que forma parte de un grupo cetona.
Muchos glúcidos responden a fórmulas empíricas que se pueden escribir como (C H2O)n, por lo que antiguamente se pensó que eran algún tipo de combinación de carbono y agua y se les llamó hidratos de carbono. Hoy sabemos que esta denominación es químicamente engañosa, pero quizás esté demasiado arraigada como para que sea abandonada definitivamente; de todos modos no se recomienda su uso.
14.1. Tipos de glúcidos
Existen dos clases principales de glúcidos:
a) Monosacáridos. También llamados osas. Son azúcares simples, no hidrolizables, que consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona. Se clasifican a su vez en aldosas y cetosas.
b) Ósidos. Son azúcares complejos que, cuando sufren hidrólisis, liberan monosacáridos. Están formados por un número variable de monosacáridos unidos covalentemente entre sí.
Algunos ósidos se componen exclusivamente de monosacáridos y se denominan holósidos. Si están formados por un número de monosacáridos entre 2 y 10 se llaman oligosacáridos. Si están formados por más de 10 monosacáridos se llaman polisacáridos.
Si todos los monosacáridos son iguales (glucosa) se llaman homopolisacàridos. Si el pñolisacárido contienen distintas unidades de monosacáridso se llaman heteropolisacaridos.
Otros polisacáridos contienen además de monosacáridos otros componentes de naturaleza no glucídica y se denominan heterósidos.
En el siguiente recuadro aparece una clasificación de los distintos tipos de glúcidos.
14. 2.-MONOSACÁRIDOS.
Los monosacáridos son los azúcares más sencillos, pues no pueden descomponerse por hidrólisis para dar lugar a otros azúcares más simples. En la naturaleza se encuentran en estado libre, desempeñando importantes funciones, pero también se encuentran formando parte de otros azúcares más complejos, los ósidos, de los cuales son sus sillares estructurales.
La estructura básica de todos los monosacáridos es una cadena de átomos de carbono no ramificada en la que todos ellos están unidos por enlaces simples. Uno de estos átomos de carbono está unido a uno de oxígeno por un enlace doble formando un grupo carbonilo; todos los demás están unidos a grupos hidroxilo. Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena carbonada el monosacárido es un aldehído y recibe el nombre de aldosa; si el grupo carbonilo se encuentra en cualquier otra posición el monosacárido es una cetona y recibe el nombre de cetosa. Los monosacáridos naturales tienen entre tres y ocho átomos de carbono, aunque los de siete y ocho son relativamente raros.
Según tengan 3, 4, 5, 6... carbonos se denominan respectivamente triosas, tetrosas, pentosas, hexosas.... Existen aldosas y cetosas para cada una de estas longitudes de cadena. La nomenclatura de los monosacáridos se resume en la siguiente tabla:
Los monosacáridos son compuestos sólidos, cristalinos, de color blanco, solubles en agua y de característico sabor dulce. Entre sus propiedades químicas destaca su poder para reducir el licor de Fehling, siendo esta reacción de gran utilidad para identificarlos experimentalmente.
14.2.1. Estereoisomería de los monosacáridos
Todos los monosacáridos con excepción de la dihidroxiacetona (una cetotriosa) son compuestos que poseen uno o más átomos de carbono asimétricos (unidos a 4 sustituyentes distintos), y por lo tanto pueden aparecer en diferentes formas estereoisómeras ópticamente activas. La aldosa más simple, el gliceraldehído, tiene un átomo de carbono asimétrico, y presenta por lo tanto dos formas estereoisómeras que son imágenes especulares no superponibles una de la otra, es decir, dos enantiómeros.
Para representar sobre el papel las estructuras tridimensionales de los monosacáridos se suelen emplear las llamadas fórmulas en proyección de Fisher tales como las que aparecen en la parte superior de la Figura 7.2. Por convenio se establece que el estereoisómero que, en la proyección de Fisher, presenta el grupo hidroxilo unido al átomo de carbono asimétrico hacia la derecha es el D-gliceraldehído, y el que lo presenta hacia la izquierda es el L-gliceraldehído.
Los monosacáridos de mayor longitud tienen más de un átomo de carbono asimétrico, y por lo tanto aparecen en un número mayor de formas estereoisómeras. En general, un monosacárido con n átomos de carbono asimétricos presenta 2 elevado a n
estereoisómeros.
En las aldosas todos los átomos de carbono son asimétricos con excepción del carbono carbonílico y del que se encuentra en el otro extremo de la cadena. Las cetosas, por tener el grupo carbonilo en un carbono secundario, tienen un átomo de carbono asimétrico menos que las aldosas de igual longitud, y por lo tanto tendrán la mitad de estereoisómeros. Una aldosa con x átomos de carbono tendrá n= x-2 carbonos asimétricos; una cetosa tendrá n= x-3.
Los estereoisómeros de los monosacáridos de cada una de las diferentes longitudes de cadena se pueden dividir en dos grupos o series atendiendo a la configuración (D o L) del átomo de carbono asimétrico más alejado del átomo de carbono carbonílico. Si ésta es como la del D-gliceraldehído (grupo OH hacia la derecha) el monosacárido pertenece a la serie D; si es como la del L-gliceraldehído pertenece a la serie L. Con muy pocas excepciones, los monosacáridos presentes en la naturaleza pertenecen a la serie D. En la se representan las fórmulas estructurales en proyección de Fisher de las aldosas y cetosas de la serie D que tienen entre 3 y 6 átomos de carbono.
Para cada longitud de cadena existen otras tantas formas estereoisómeras pertenecientes a la serie L. Por ejemplo, las aldohexosas poseen 4 átomos de carbono asimétricos, por lo tanto podrán aparecer en 2 elevado a 4 = 16 formas estereoisómeras: las ocho que aparecen en la Figura 7.3 y otras ocho pertenecientes a la serie L. Cada uno de los estereoisómeros de la serie D es además enantiómero (imagen especular no superponible) de su homónimo de la serie L (la D-glucosa y la L-glucosa son enantiómeros).
Cuando dos estereoisómeros difieren solamente en la configuración de uno de sus átomos de carbono asimétricos se dice que son epímeros (por ejemplo la D-glucosa y la D-manosa).
Por el hecho de poseer carbonos asimétricos, los monosacáridos presentan actividad óptica, es decir, cuando se encuentran en disolución acuosa hacen girar el plano de vibración de la luz polarizada. Los monosacáridos que lo hacen girar hacia la derecha se denominan dextrógiros (+) y los que lo hacen girar hacia la izquierda se denominan levógiros (-). El hecho de que un monosacárido sea dextrógiro o levógiro es completamente independiente de su pertenencia a la serie D o a la serie L.
CUESTIONES: 1
14.2.2.-Formas anoméricas.
Cuando se estudiaron las propiedades físicas y químicas de los monosacáridos se pudo comprobar que algunos de ellos, particularmente la glucosa (una aldohexosa), exhibían algunas propiedades anómalas que no cabía esperar de compuestos que presentan las fórmulas estructurales representadas en los cuadros precedentes. En concreto, se observó que el grupo aldehído de la glucosa se comportaba de manera relativamente estable frente a sustancias con las que habitualmente reaccionan con los aldehídos; esto sugiere que el grupo aldehído de la glucosa se encuentra "enmascarado" en su estructura molecular de manera que resulta inaccesible a dichos reactivos.
Por otra parte, se observó que las disoluciones de D-glucosa exhibían un extraño comportamiento en relación con su rotación óptica característica. La rotación óptica es el ángulo que gira el plano de vibración de la luz polarizada al atravesar una disolución de una sustancia ópticamente activa.
Cuando se medía la rotación óptica de diferentes disoluciones de D-glucosa se comprobó con sorpresa que en unos casos ésta tenía un valor inicial de +112,2º mientras que en otros este valor era de +18,7º. Resultaba sin embargo todavía más sorprendente que al cabo de unos minutos de haber preparado la disolución la rotación óptica cambiaba para estabilizarse en todos los casos en un valor de +52,7º. Este cambio en la rotación óptica se denomina mutarrotación. El fenómeno de la mutarrotación sugiere que deben existir dos formas estereoisómeras de la D-glucosa con propiedades físicas diferentes.
La causa de que la D-glucosa (y también otros monosacáridos) exhiba estas anómalas propiedades reside en que este azúcar no se encuentra habitualmente en disolución en la forma de cadena abierta, tal y como se representa mediante la proyección de Fisher, sino en una forma cíclica denominada anillo de piranosa.
Los aldehídos y las cetonas en general reaccionan con los alcoholes para formar unos compuestos llamados respectivamente hemiacetales, que poseen un átomo de carbono asimétrico adicional y pueden por lo tanto existir en dos formas estereoisómeras . Un caso particular de este tipo de reacción se da en la D-glucosa cuando el grupo aldehído del átomo de carbono 1 reacciona con el grupo hidroxilo del átomo de carbono 5 para formar un hemiacetal intramolecular de forma cíclica que, por analogía con el compuesto con el compuesto heterocíclico de seis átomos denominado pirano, recibe el nombre de anillo de piranosa.
Como consecuencia de esta reacción intramolecular, el átomo de carbono carbonílico de la D-glucosa, que no era asimétrico en la forma de cadena abierta, se transforma en un átomo de carbono asimétrico. Por ello, la D-glucosa puede existir en dos formas estereoisómeras denominadas respectivamente α-D-glucosa y β-D-glucosa. Este tipo particular de estereoisómeros reciben el nombre de anómeros o formas anoméricas y el átomo de carbono carbonílico, responsable de su aparición, el de carbono anomérico.
La existencia de estas dos formas anoméricas de la glucosa explica sus propiedades anómalas. En primer lugar, es lógico que no reaccione como lo hacen los aldehídos, ya que su grupo carbonilo no existe en realidad como tal, sino que ha reaccionado previamente para formar el hemiacetal intramolecular. En segundo lugar, el fenómeno de la mutarrotación adquiere sentido si consideramos que existen dos estereoisómeros (α y β) cada uno de los cuales exhibirá en disolución una rotación óptica característica. Estas dos formas anoméricas son interconvertibles a través de la forma de cadena abierta. Cuando se prepara una disolución, ya sea de α o de β-D-glucosa, se alcanza al cabo de unos minutos una mezcla de ambas que en el equilibrio estará formada por 2/3 de β-D-glucosa y 1/3 de α-D-glucosa. Esta mezcla en el equilibrio es la que presenta una rotación óptica de +52,7º.
Además de la glucosa, otros muchos monosacáridos pueden dar lugar a hemiacetales intramoleculares. Por ejemplo, la D-fructosa (una cetohexosa) da lugar, por reacción intramolecular entre el grupo cetona del carbono 2 y el grupo hidroxilo del carbono 5, a una forma cíclica diferente, que, por analogía con el compuesto heterocíclico de cinco átomos denominado furano, recibe el nombre de anillo de furanosa. Como consecuencia, la D-fructosa presenta dos formas anoméricas: la α-D-fructosa y la β-D-fructosa. La glucosa también puede dar lugar a anillos de furanosa por reacción entre C1 y C4, pero el anillo de piranosa resulta más estable.
Las fórmulas de proyección de Fisher no resultan útiles para representar los monosacáridos en forma cíclica, por lo que habitualmente se utilizan para ello las llamadas fórmulas en perspectiva de Haworth. En estas fórmulas los anillos de piranosa y furanosa se representan como anillos planares con los distintos sustituyentes de los átomos de carbono proyectándose por encima y por debajo del plano del anillo. Los sustituyentes que aparecen a izquierda y derecha de la proyección de Fisher en la fórmula de Haworth aparecen hacia arriba y hacia abajo respectivamente. Los anómeros α se representan con el grupo -OH del carbono anomérico hacia abajo y los anómeros β con dicho grupo -OH hacia arriba.
Aunque las fórmulas de Haworth proporcionan una idea bastante próxima a la realidad acerca de las estructuras cíclicas de los monosacáridos, hay que tener en cuenta que en realidad, si bien el anillo de furanosa es casi totalmente planar, el de piranosa, debido a las restricciones que impone la geometría de los orbitales del carbono, tiende a adoptar una de las dos conformaciones , que reciben el nombre de "silla" y "nave". Existen dos tipos de "silla" que se interconvierten a través de la forma "nave".
No todos los monosacáridos pueden dar lugar a hemiacetales intramoleculares. Para que éstos se formen es necesario que los dos grupos funcionales (carbonilo e hidroxilo) que han de reaccionar se acerquen lo suficiente para hacerlo, y esto sólo sucede si la cadena carbonada es lo bastante larga como para que la libre rotación de los enlaces simples permita este acercamiento. Por ello, los monosacáridos de 3 y 4 átomos de carbono se encuentran siempre en forma de cadena abierta, mientras que los de 5 ó más carbonos tienden a formar anillos de piranosa o furanosa en función de cual de ellos sea más estable en cada caso. Obsérvese que las cetosas necesitan una mayor longitud de cadena para poder dar lugar a formas cíclicas; ello se debe a que su átomo de carbono carbonílico no está al final de la cadena como en las aldosas.
ANIMACIONES
14.2.3.-Derivados de los monosacáridos
Además de los monosacáridos simples, existe en la naturaleza una serie de derivados de los mismos que tienen una gran importancia biológica, sobre todo los derivados de algunas aldohexosas como la glucosa. Estos derivados se obtienen por sustitución de alguno de los grupos hidroxilo por algún otro grupo funcional, o bien por oxidación o reducción de alguno de los átomos de carbono del monosacárido original.
Entre ellos cabe destacar los siguientes:
1) Aminoazúcares. En ellos el grupo hidroxilo unido al carbono 2 del monosacárido de origen está sustituido por un grupo amino. Así sucede por ejemplo en la glucosamina. En ocasiones este grupo amino aparece acetilado, como en la N-acetil-glucosamina.
2) Azúcares-alcoholes. Se obtienen por reducción del grupo carbonilo a grupo hidroxilo, de manera que en ellos todos los átomos de carbono están unidos a grupos hidroxilo. Entre los azúcares-alcoholes destaca la glicerina, un polialcohol de tres átomos de carbono que se encuentra formando parte de muchos lípidos.
3) Azúcares-ácidos. Se obtienen por oxidación de algún átomo de carbono del monosacárido de origen a grupo carboxilo. Si el carbono oxidado es el carbono carbonílico se obtienen los ácidos aldónicos; si es el carbono hidroxílico del otro extremo de la cadena se obtienen los ácidos urónicos. Entre los azúcares-ácidos destacan los derivados de la glucosa denominados ácido glucónico (un ácido aldónico) y ácido galacturónico (un ácido urónico).
4) Desoxiazúcares. En ellos, alguno de los grupos hidroxilo del monosacárido de origen está sustituido por un átomo de hidrógeno. El más importante es la 2´-desoxirribosa, que forma parte de los ácidos nucleicos.
5) Azúcares-fosfato. Son azúcares fosforilados (unidos a un grupo fosfato mediante enlace éster) en alguno de sus grupos hidroxilo. En la síntesis y degradación de los glúcidos, los compuestos intermedios no suelen ser los propios azúcares sino sus derivados fosforilados.
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15. EL ENLACE O-GLUCOSÍDICO
Los monosacáridos capaces de formar anillos de piranosa o furanosa, en tanto que hemiacetales, pueden reaccionar con los alcoholes para formar glucósidos liberándose en el proceso una molécula de agua.
Un caso particular de este tipo de reacción se da cuando el grupo hidroxilo de la molécula de alcohol es aportado por un segundo monosacárido. El compuesto resultante, un disacárido, estará formado por dos monosacáridos unidos mediante enlace glucosídico. Así pues, el enlace glucosídico resulta de la formación de un acetal (o cetal) entre el carbono carbonílico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido.
Este segundo monosacárido posee otro carbono carbonílico libre que a su vez puede reaccionar con un grupo hidroxilo de un tercer monosacárido para formar otro enlace glucosídico, y así sucesivamente. De este modo, mediante sucesivos enlaces glucosídicos, se puede unir un número ilimitado de monosacáridos para formar largas cadenas que pueden ser lineales o ramificadas. En todos los ósidos, azúcares formados por un número variable de monosacáridos unidos entre sí, la unión entre los mismos se realiza mediante este tipo de enlace.
El enlace glucosídico puede ser de dos tipos, α o β, según sea α o β la configuración del monosacárido que aporta al enlace el átomo de carbono carbonílico. Por otra parte, se distinguen enlaces glucosídicos monocarbonílicos, en los que sólo está implicado el carbono carbonílico de un monosacárido, y enlaces glucosídicos dicarbonílicos, en los que están implicados los carbonos carbonílicos de los dos monosacáridos enlazados.
La estructura de un enlace glucosídico se suele especificar escribiendo el tipo de enlace, α o β, seguido entre paréntesis por los números de los átomos de carbono implicados en él; el número que se escribe en primer lugar corresponde al átomo de carbono carbonílico. Algunos ejemplos son α(1—›4), α(1—›6), β(1—›4), β(1—›2), etc. Puesto que los monosacáridos tienen muchos grupos hidroxilo, la variedad de enlaces glucosídicos posibles es enorme; no obstante, los más abundantes en la naturaleza son los α(1—›4) y los β(1—›4).
ANIMACIONES
Enlace O-glucosídico
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16. ÓSIDOS
Los ósidos, glúcidos formados por la unión de varios monosacáridos, pueden ser holósidos, si están formados exclusivamente por monosacáridos, o heterósidos, si además contienen otros componentes de naturaleza no azucarada. Entre los holósidos se distinguen, en función del número de unidades que los forman, dos tipos: oligosacáridos y polisacáridos.
16.1. Oligosacáridos
Los oligosacáridos (del griego oligos = poco) son holósidos compuestos por un número reducido de monosacáridos unidos mediante enlaces glucosídicos. El número de monosacários que forman parte de un oligosacárido puede oscilar entre 2 y 10.
Si están formados por sólo dos monosacáridos se denominan disacáridos, si lo están por tres trisacáridos; a los que están formados por más de tres monosacáridos no se le suele asignar ninguna denominación específica y se suelen nombrar sencillamente como oligosacáridos.
Sus propiedades físicas son muy similares a las de los monosacáridos: también son sólidos cristalinos, de color blanco, sabor dulce y solubles en agua. La mayoría de ellos conserva el poder reductor característico de los monosacáridos. Este poder reductor reside en los átomos de carbono carbonílicos y se pierde cuando éstos participan en un enlace glucosídico.
Por ello, cuando dos monosacáridos se unen mediante un enlace glucosídico monocarbonílico el disacárido resultante tendrá poder reductor, ya que conserva un carbono carbonílico libre. Por el contrario, si el enlace es dicarbonílico el disacárido resultante, al tener sus dos carbonos carbonílicos implicados en el enlace, habrá perdido el poder reductor. En general, los oligosacáridos, independientemente de su longitud, tendrán poder reductor siempre que conserven algún carbono carbonílico libre en uno de sus extremos, que se denomina extremo reductor.
En la siguiente tabla se muestra la composición de los disacáridos más relevantes.
La maltosa y la isomaltosa son dos de los productos de la hidrólisis incompleta del almidón y del glucógeno (dos polisacáridos de reserva) durante la digestión.
La celobiosa, que no se encuentra libre en la naturaleza, se obtiene por hidrólisis de la celulosa (un polisacárido estructural).
La lactosa se encuentra exclusivamente en la leche de los mamíferos.
La sacarosa (azúcar de mesa) es un disacárido de especial importancia; se encuentra exclusivamente en el mundo vegetal y es uno de los productos directos de la fotosíntesis que estos realizan, constituyendo la principal forma de transporte de azúcares desde las hojas hacia otras partes de la planta.
Obsérvese que maltosa, isomaltosa, celobiosa y lactosa sondisacáridos reductores, mientras que trehalosa y sacarosa, por poseer enlaces glucosídicos dicarbonílicos, son no reductores.
En cuanto a los trisacáridos, relativamente escasos en la naturaleza, cabe citar algunos como la rafinosa que se encuentran en la savia de determinadas plantas.
Además de los disacáridos y trisacáridos, existe una gran variedad de oligosacáridos naturales con estructuras químicas muy diversas. Se trata de compuestos formados por un número de monosacáridos que oscila entre 4 y 10 unidos entre sí por enlaces glucosídicos dando lugar a cadenas que pueden ser lineales o ramificadas. Normalmente no se encuentran en estado libre, sino unidos covalentemente a otras biomoléculas como lípidos o proteínas. La cara externa de las membranas celulares se halla cuajada de cadenas oligosacarídicas unidas a los lípidos y proteínas de membrana que cumplen importantes funciones en los procesos de reconocimiento de la superficie celular.
16.2. Polisacáridos
Los polisacáridos son glúcidos formados por un número elevado de monosacáridos unidos entre sí mediante enlaces glucosídicos. En el proceso de unión de n monosacáridos para formar un polisacárido se liberan (n-1) moléculas de agua, una por cada enlace glucosídico. Aunque el límite entre oligosacáridos y polisacáridos se suele fijar arbitrariamente en 10 unidades monosacarídicas constituyentes, lo cierto es que la mayoría de los polisacáridos naturales están formados por centenares o miles de estas unidades monoméricas.
Los polisacáridos son macromoléculas de elevado peso molecular y estructura compleja. Se puede considerar que los monosacáridos son los sillares estructurales de los polisacáridos, al igual que los aminoácidos lo son de las proteínas o los nucleótidos de los ácidos nucleicos.
Las propiedades físicas y químicas de los polisacáridos son en cierto modo contrarias a las que exhiben monosacáridos y oligosacáridos: no cristalizan, no tienen sabor dulce, carecen de poder reductor, y, aunque son sustancias hidrofílicas, son poco soluble en agua debido a su elevado peso molecular.
Los distintos tipos de polisacáridos difieren entre sí en el tipo de unidades monosacarídicas que los forman, en el tipo de enlace glucosídico (α o β) que las une, y en el mayor o menor grado de ramificación que presentan sus cadenas.
Se distinguen dos tipos principales de polisacáridos, los homopolisacáridos, formados por un sólo tipo de monosacárido, y los heteropolisacáridos, formados por dos o más tipos de monosacáridos.
16.2.1. Homopolisacáridos
Los homopolisacáridos de la D-glucosa, denominados glucanos, son los polisacáridos más abundantes en la naturaleza y los que tienen una mayor importancia biológica. Algunos de ellos desempeñan una función energética, como el almidón y el glucógeno, mientras que otros, como la celulosa, realizan una función de tipo estructural. Hay que destacar que aquéllos que presentan enlaces glucosídicostipo α tienen función energética, mientras que los que los presentan tipo β tienen función estructural. A continuación analizaremos la estructura y la función de los tres glucanos más importantes: el almidón, el glucógeno y la celulosa.
A) Almidón. Es un polisacárido formado por moléculas de α-D-glucosa unidas por enlaces glucosídicos α(1—›4) y α(1—›6). En la molécula de almidón se distinguen dos tipos de polímero:
Amilosa. Es un polímero no ramificado formado por largas cadenas por varios centenares de unidades de α-D-glucosa unidas por enlaces α-(1—›4). Estas cadenas adoptan una disposición helicoidal con 6 moléculas por vuelta, y tienen masas moleculares relativas que oscilan entre unos pocos miles y 500.000 daltons.
Amilopectina. Es un polímero muy ramificado formado por moléculas de α-D-glucosa. Los sucesivos restos de glucosa a lo largo de las cadenas están unidos por enlaces α(1—›4), y los puntos de ramificación, que se encuentran espaciados por un número de restos de glucosa que oscila entre 24 y30, consisten en enlaces α(1—›6) .
El almidón actúa como sustancia de reserva en las células vegetales. Una parte sustancial de los glúcidos producidos en la fotosíntesis se almacenan en forma de almidón, dando lugar a unos agregados insolubles de gran tamaño, los granos de almidón, que se encuentran en todas las células vegetales, siendo especialmente abundantes en las de las semillas, frutos y tubérculos.
B) Glucógeno. Es un polisacárido con estructura muy similar a la de la amilopectina . Al igual que ésta, está formado por moléculas de α-D-glucosa unidas por enlaces glucosídicos α(1—›4) a lo largo de las cadenas, y con puntos de ramificación consistentes en enlaces α(1—›6). La diferencia con respecto a la amilopectina estriba en que las ramificaciones se encuentran menos espaciadas, concretamente cada 8 a 12 restos de glucosa. Esta mayor proximidad entre los puntos de ramificación hace que el glucógeno sea mucho más compacto que el almidón. Las moléculas de glucógeno presentan un núcleo de naturaleza proteica consistente en una molécula de glucogenina, una proteína enzimática que cataliza la unión glucosídica de las primeras moléculas de glucosa, que quedan covalentemente ancladas a la propia proteína formando un núcleo alrededor del cual van creciendo y ramificándose las cadenas del glucógeno mediante la acción del enzima glucógeno sintetasa
El glucógeno actúa como sustancia de reserva en las células animales. Es especialmente abundante en el hígado, donde puede llegar a representar el 7% de su peso; también abunda en el músculo esquelético. En el interior de las células el glucógeno se encuentra almacenado en forma de gránulos insolubles de gran tamaño.
Cuando las células recurren a sus reservas de almidón o de glucógeno, determinados enzimas van liberando una a una moléculas de glucosa, en forma de derivados fosforilados, las cuales pueden después ser utilizadas como combustible metabólico. La naturaleza ramificada de ambos polisacáridos favorece el que estos enzimas degradativos puedan actuar simultáneamente en muchas ramas aumentando así la velocidad de liberación de glucosa, lo que resulta de gran utilidad para las células cuando necesitan un aporte energético importante de una manera inmediata. Cada molécula de almidón o de glucógeno posee tantos extremos no reductores como ramas y un solo extremo reductor, lo que explica que estos polisacáridos carezcan de poder reductor. Los enzimas degradativos actúan a partir de los extremos no reductores.
Los polisacáridos, dada la gran rapidez con que pueden ser movilizados, constituyen una excelente forma de almacenar energía metabólica a corto plazo. Puede resultar sorprendente que las células almacenen su combustible energético en forma de polisacáridos cuando podrían hacerlo en forma de glucosa libre evitándose así el trabajo químico de sintetizarlos y degradarlos. La razón de que ello sea así estriba en que los polisacáridos se almacenan en forma esencialmente insoluble, contribuyendo muy poco a la presión osmótica del citoplasma. Una cantidad equivalente de glucosa disuelta generaría una presión osmótica muy elevada que podría ser peligrosa para la célula.
Tanto el almidón como el glucógeno pueden ser degradados en el aparato digestivo de los animales por la acción de unos enzimas llamados amilasas. Las amilasas liberan moléculas de glucosa que pueden posteriormente ser absorbidas.
C) Celulosa. Es un polímero lineal (no ramificado) formado por moléculas de β-D-glucosa unidas mediante enlaces glucosídicos β(1—›4) . Cada cadena de celulosa contiene entre 10.000 y 15.000 restos de glucosa.
Estas cadenas, debido a la configuración β de sus enlaces glucosídicos, adoptan conformaciones muy extendidas que favorecen la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de los distintos restos de glucosa de una misma cadena o de cadenas vecinas . De este modo se forman fibras supramoleculares que contienen muchas cadenas individuales de celulosa en disposición paralela e íntimamente unidas entre sí por puentes de hidrógeno.
Tal estructura es la que confiere a la celulosa su insolubilidad en agua y su resistencia mecánica características, propiedades estas que la hacen idónea para desempeñar en las células una función de carácter estructural. La celulosa es el principal componente de las paredes celulares vegetales, las cuales proporcionan a las células de las plantas y las algas sostén mecánico y protección frente a los fenómenos osmóticos desfavorables. Una gran parte de la masa de la madera es celulosa.
Las amilasas que degradan el almidón y el glucógeno no pueden romper los enlaces β glucosídico de la celulosa. El intestino humano (y el de la mayoría de los animales) carece de enzimas que puedan romper este tipo de enlace, por lo que este polisacárido tiene para el hombre un valor alimenticio prácticamente nulo. Este hecho está compensado con creces por la capacidad de la celulosa para generar una gran cantidad de residuos que a su paso limpian y facilitan el buen funcionamiento del aparato digestivo. Algunos animales como las termitas o los rumiantes viven en simbiosis con determinados microorganismos poseedores de enzimas específicos, llamados celulasas, que sí son capaces de degradar la celulosa, por lo que estos animales pueden aprovechar su valor nutritivo.
También hay homopolisacáridos formados por derivados de la glucosa, como la quitina, un polímero de la N-acetil-glucosamina, que es el componente principal del exoesqueleto de los artrópodos.
16.2.2. Heteropolisacáridos
Entre los heteropolisacáridos los más importantes son los que están formados por dos tipos de unidades monosacarídicas que se alternan a lo largo de sus cadenas. Algunos de ellos son el ácido hialurónico, que se encuentra en el tejido conjuntivo de los animales ejerciendo un papel lubricante, la hemicelulosa, que forma parte de la pared celular vegetal, y la heparina, con notables propiedades anticoagulantes; todos ellos están formados por derivados complejos de la glucosa.
CUESTIONES: 1
17. HETERÓSIDOS.
Como se dijo anteriormente, están formados por monosacáridos y otros componentes de naturaleza no azucarada. Ente ellos cabe citar a los glucolípidos, y a las glucoproteínas, que son asociaciones covalentes de cadenas oligosacarídicas con lípidos y proteínas respectivamente; los glucolípidos y glucoproteínas están presentes en muchos lugares de la célula, sobre todo en la cara externa de la membrana plasmática.
Un tipo especial de heterósido es el peptidoglucano, componente esencial de las paredes celulares bacterianas, que está constituido por cadenas paralelas de un heteropolisacárido en el que se alternan unidades de N-acetil-glucosamina y de ácido N-acetil-murámico (dos derivados de la glucosa) unidas transversalmente por cadenas de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos .
ANIMACIONES
CUESTIONES: 1 2 3 4 5 6
18. FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS
Los glúcidos desempeñan con carácter general en los seres vivos dos tipos de funciones: energéticas y estructurales.
1) Función energética. La oxidación de los glúcidos libera energía que las células pueden utilizar para realizar sus funciones. La glucosa es el azúcar que con más frecuencia utilizan las células como combustible metabólico primario. Por otra parte, algunos polisacáridos actúan como material de reserva energética que puede ser rápidamente movilizado cuando es necesario. Una ventaja que poseen los glúcidos sobre otras biomoléculas como material energético es que, dada la solubilidad en agua de muchos de ellos, pueden ser transportados muy rápidamente en medio acuoso allí donde resultan necesarios.
2) Función estructural. Algunos polisacáridos como la celulosa o la quitina presentan propiedades que los hacen idóneos para formar parte de estructuras que deben ofrecer una gran resistencia mecánica, como las paredes celulares vegetales o el exoesqueleto de los artrópodos.
Aunque tradicionalmente se consideraba a los glúcidos como componentes "pasivos" de la maquinaria celular, destinados a servir de combustible metabólico o a formar parte de estructuras más o menos permanentes de las células, en los últimos años se está percibiendo cada vez con mayor claridad que algunos de ellos pueden jugar otros papeles de extraordinaria importancia biológica, como los procesos de reconocimiento de señales extracelulares o la acción de los anticuerpos.
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19. REPASO
Test: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
20. PRÁCTICAS
Práctica Porcentaje agua
Actividad agua
Laboratorio virtual
Escala pH 2
Determinac. pH
Cálculo pH
Escala de pH
Ionización
Ácido_base 2 3 5
Tampón acético
Tampónes
Bioelementos, agua y sales
Bioelementos y agua
Agua y solubilidad
Agua
Bioelementos. Propiedades del agua
Sales minerales. Ósmosis
22. CUESTIONES
Biomoléculas
El agua.
Cuestiones resueltas
Agua y sales minerales
Bioelemntos
Biomoléculas
Biomoléculas con soluciones
Preguntas y respuestas
Glúcidos (test).
Cuestiones
Glúcidos
Cuestiones resueltas 1
Cuestiones resueltas 2
Cuestiones resueltas 3
Ejercicios química orgánica
Cuestiones sobre glúcidos
Test glúcidos
Test glúcidos 2
Test glúcidos 3
Test glúcidos 4
23. CUESTIONES CON CALIFICACIÓN
Los glúcidos, también llamados azúcares o sacáridos, son un grupo de biomoléculas orgánicas muy abundante en la naturaleza. Concretamente la celulosa, el principal componente de la madera, que es de naturaleza glucídica, quizás sea la biomolécula más abundante en la biosfera.
Los glúcidos se definen sencillamente desde el punto de vista químico como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, o bien sustancias que por hidrólisis dan lugar a este tipo de compuestos. Los polihidroxialdehídos son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxilo excepto uno de ellos que forma parte de un grupo aldehído, mientras que las polihidroxicetonas son compuestos orgánicos en los que todos los átomos de carbono están unidos a un grupo hidroxilo excepto uno que forma parte de un grupo cetona.
Muchos glúcidos responden a fórmulas empíricas que se pueden escribir como (C H2O)n, por lo que antiguamente se pensó que eran algún tipo de combinación de carbono y agua y se les llamó hidratos de carbono. Hoy sabemos que esta denominación es químicamente engañosa, pero quizás esté demasiado arraigada como para que sea abandonada definitivamente; de todos modos no se recomienda su uso.
14.1. Tipos de glúcidos
Existen dos clases principales de glúcidos:
a) Monosacáridos. También llamados osas. Son azúcares simples, no hidrolizables, que consisten en una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona. Se clasifican a su vez en aldosas y cetosas.
b) Ósidos. Son azúcares complejos que, cuando sufren hidrólisis, liberan monosacáridos. Están formados por un número variable de monosacáridos unidos covalentemente entre sí.
Si todos los monosacáridos son iguales (glucosa) se llaman homopolisacàridos. Si el pñolisacárido contienen distintas unidades de monosacáridso se llaman heteropolisacaridos.
Otros polisacáridos contienen además de monosacáridos otros componentes de naturaleza no glucídica y se denominan heterósidos.
En el siguiente recuadro aparece una clasificación de los distintos tipos de glúcidos.
Los monosacáridos son los azúcares más sencillos, pues no pueden descomponerse por hidrólisis para dar lugar a otros azúcares más simples. En la naturaleza se encuentran en estado libre, desempeñando importantes funciones, pero también se encuentran formando parte de otros azúcares más complejos, los ósidos, de los cuales son sus sillares estructurales.
La estructura básica de todos los monosacáridos es una cadena de átomos de carbono no ramificada en la que todos ellos están unidos por enlaces simples. Uno de estos átomos de carbono está unido a uno de oxígeno por un enlace doble formando un grupo carbonilo; todos los demás están unidos a grupos hidroxilo. Si el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la cadena carbonada el monosacárido es un aldehído y recibe el nombre de aldosa; si el grupo carbonilo se encuentra en cualquier otra posición el monosacárido es una cetona y recibe el nombre de cetosa. Los monosacáridos naturales tienen entre tres y ocho átomos de carbono, aunque los de siete y ocho son relativamente raros.
Según tengan 3, 4, 5, 6... carbonos se denominan respectivamente triosas, tetrosas, pentosas, hexosas.... Existen aldosas y cetosas para cada una de estas longitudes de cadena. La nomenclatura de los monosacáridos se resume en la siguiente tabla:
14.2.1. Estereoisomería de los monosacáridos
Todos los monosacáridos con excepción de la dihidroxiacetona (una cetotriosa) son compuestos que poseen uno o más átomos de carbono asimétricos (unidos a 4 sustituyentes distintos), y por lo tanto pueden aparecer en diferentes formas estereoisómeras ópticamente activas. La aldosa más simple, el gliceraldehído, tiene un átomo de carbono asimétrico, y presenta por lo tanto dos formas estereoisómeras que son imágenes especulares no superponibles una de la otra, es decir, dos enantiómeros.
Para representar sobre el papel las estructuras tridimensionales de los monosacáridos se suelen emplear las llamadas fórmulas en proyección de Fisher tales como las que aparecen en la parte superior de la Figura 7.2. Por convenio se establece que el estereoisómero que, en la proyección de Fisher, presenta el grupo hidroxilo unido al átomo de carbono asimétrico hacia la derecha es el D-gliceraldehído, y el que lo presenta hacia la izquierda es el L-gliceraldehído.
Los monosacáridos de mayor longitud tienen más de un átomo de carbono asimétrico, y por lo tanto aparecen en un número mayor de formas estereoisómeras. En general, un monosacárido con n átomos de carbono asimétricos presenta 2 elevado a n
estereoisómeros.
En las aldosas todos los átomos de carbono son asimétricos con excepción del carbono carbonílico y del que se encuentra en el otro extremo de la cadena. Las cetosas, por tener el grupo carbonilo en un carbono secundario, tienen un átomo de carbono asimétrico menos que las aldosas de igual longitud, y por lo tanto tendrán la mitad de estereoisómeros. Una aldosa con x átomos de carbono tendrá n= x-2 carbonos asimétricos; una cetosa tendrá n= x-3.
Para cada longitud de cadena existen otras tantas formas estereoisómeras pertenecientes a la serie L. Por ejemplo, las aldohexosas poseen 4 átomos de carbono asimétricos, por lo tanto podrán aparecer en 2 elevado a 4 = 16 formas estereoisómeras: las ocho que aparecen en la Figura 7.3 y otras ocho pertenecientes a la serie L. Cada uno de los estereoisómeros de la serie D es además enantiómero (imagen especular no superponible) de su homónimo de la serie L (la D-glucosa y la L-glucosa son enantiómeros).
Cuando dos estereoisómeros difieren solamente en la configuración de uno de sus átomos de carbono asimétricos se dice que son epímeros (por ejemplo la D-glucosa y la D-manosa).
Por el hecho de poseer carbonos asimétricos, los monosacáridos presentan actividad óptica, es decir, cuando se encuentran en disolución acuosa hacen girar el plano de vibración de la luz polarizada. Los monosacáridos que lo hacen girar hacia la derecha se denominan dextrógiros (+) y los que lo hacen girar hacia la izquierda se denominan levógiros (-). El hecho de que un monosacárido sea dextrógiro o levógiro es completamente independiente de su pertenencia a la serie D o a la serie L.
14.2.2.-Formas anoméricas.
Cuando se estudiaron las propiedades físicas y químicas de los monosacáridos se pudo comprobar que algunos de ellos, particularmente la glucosa (una aldohexosa), exhibían algunas propiedades anómalas que no cabía esperar de compuestos que presentan las fórmulas estructurales representadas en los cuadros precedentes. En concreto, se observó que el grupo aldehído de la glucosa se comportaba de manera relativamente estable frente a sustancias con las que habitualmente reaccionan con los aldehídos; esto sugiere que el grupo aldehído de la glucosa se encuentra "enmascarado" en su estructura molecular de manera que resulta inaccesible a dichos reactivos.
Por otra parte, se observó que las disoluciones de D-glucosa exhibían un extraño comportamiento en relación con su rotación óptica característica. La rotación óptica es el ángulo que gira el plano de vibración de la luz polarizada al atravesar una disolución de una sustancia ópticamente activa.
Cuando se medía la rotación óptica de diferentes disoluciones de D-glucosa se comprobó con sorpresa que en unos casos ésta tenía un valor inicial de +112,2º mientras que en otros este valor era de +18,7º. Resultaba sin embargo todavía más sorprendente que al cabo de unos minutos de haber preparado la disolución la rotación óptica cambiaba para estabilizarse en todos los casos en un valor de +52,7º. Este cambio en la rotación óptica se denomina mutarrotación. El fenómeno de la mutarrotación sugiere que deben existir dos formas estereoisómeras de la D-glucosa con propiedades físicas diferentes.
Los aldehídos y las cetonas en general reaccionan con los alcoholes para formar unos compuestos llamados respectivamente hemiacetales, que poseen un átomo de carbono asimétrico adicional y pueden por lo tanto existir en dos formas estereoisómeras . Un caso particular de este tipo de reacción se da en la D-glucosa cuando el grupo aldehído del átomo de carbono 1 reacciona con el grupo hidroxilo del átomo de carbono 5 para formar un hemiacetal intramolecular de forma cíclica que, por analogía con el compuesto con el compuesto heterocíclico de seis átomos denominado pirano, recibe el nombre de anillo de piranosa.
Como consecuencia de esta reacción intramolecular, el átomo de carbono carbonílico de la D-glucosa, que no era asimétrico en la forma de cadena abierta, se transforma en un átomo de carbono asimétrico. Por ello, la D-glucosa puede existir en dos formas estereoisómeras denominadas respectivamente α-D-glucosa y β-D-glucosa. Este tipo particular de estereoisómeros reciben el nombre de anómeros o formas anoméricas y el átomo de carbono carbonílico, responsable de su aparición, el de carbono anomérico.
La existencia de estas dos formas anoméricas de la glucosa explica sus propiedades anómalas. En primer lugar, es lógico que no reaccione como lo hacen los aldehídos, ya que su grupo carbonilo no existe en realidad como tal, sino que ha reaccionado previamente para formar el hemiacetal intramolecular. En segundo lugar, el fenómeno de la mutarrotación adquiere sentido si consideramos que existen dos estereoisómeros (α y β) cada uno de los cuales exhibirá en disolución una rotación óptica característica. Estas dos formas anoméricas son interconvertibles a través de la forma de cadena abierta. Cuando se prepara una disolución, ya sea de α o de β-D-glucosa, se alcanza al cabo de unos minutos una mezcla de ambas que en el equilibrio estará formada por 2/3 de β-D-glucosa y 1/3 de α-D-glucosa. Esta mezcla en el equilibrio es la que presenta una rotación óptica de +52,7º.
Además de la glucosa, otros muchos monosacáridos pueden dar lugar a hemiacetales intramoleculares. Por ejemplo, la D-fructosa (una cetohexosa) da lugar, por reacción intramolecular entre el grupo cetona del carbono 2 y el grupo hidroxilo del carbono 5, a una forma cíclica diferente, que, por analogía con el compuesto heterocíclico de cinco átomos denominado furano, recibe el nombre de anillo de furanosa. Como consecuencia, la D-fructosa presenta dos formas anoméricas: la α-D-fructosa y la β-D-fructosa. La glucosa también puede dar lugar a anillos de furanosa por reacción entre C1 y C4, pero el anillo de piranosa resulta más estable.
Aunque las fórmulas de Haworth proporcionan una idea bastante próxima a la realidad acerca de las estructuras cíclicas de los monosacáridos, hay que tener en cuenta que en realidad, si bien el anillo de furanosa es casi totalmente planar, el de piranosa, debido a las restricciones que impone la geometría de los orbitales del carbono, tiende a adoptar una de las dos conformaciones , que reciben el nombre de "silla" y "nave". Existen dos tipos de "silla" que se interconvierten a través de la forma "nave".
No todos los monosacáridos pueden dar lugar a hemiacetales intramoleculares. Para que éstos se formen es necesario que los dos grupos funcionales (carbonilo e hidroxilo) que han de reaccionar se acerquen lo suficiente para hacerlo, y esto sólo sucede si la cadena carbonada es lo bastante larga como para que la libre rotación de los enlaces simples permita este acercamiento. Por ello, los monosacáridos de 3 y 4 átomos de carbono se encuentran siempre en forma de cadena abierta, mientras que los de 5 ó más carbonos tienden a formar anillos de piranosa o furanosa en función de cual de ellos sea más estable en cada caso. Obsérvese que las cetosas necesitan una mayor longitud de cadena para poder dar lugar a formas cíclicas; ello se debe a que su átomo de carbono carbonílico no está al final de la cadena como en las aldosas.
ANIMACIONES
14.2.3.-Derivados de los monosacáridos
Además de los monosacáridos simples, existe en la naturaleza una serie de derivados de los mismos que tienen una gran importancia biológica, sobre todo los derivados de algunas aldohexosas como la glucosa. Estos derivados se obtienen por sustitución de alguno de los grupos hidroxilo por algún otro grupo funcional, o bien por oxidación o reducción de alguno de los átomos de carbono del monosacárido original.
Entre ellos cabe destacar los siguientes:
1) Aminoazúcares. En ellos el grupo hidroxilo unido al carbono 2 del monosacárido de origen está sustituido por un grupo amino. Así sucede por ejemplo en la glucosamina. En ocasiones este grupo amino aparece acetilado, como en la N-acetil-glucosamina.
2) Azúcares-alcoholes. Se obtienen por reducción del grupo carbonilo a grupo hidroxilo, de manera que en ellos todos los átomos de carbono están unidos a grupos hidroxilo. Entre los azúcares-alcoholes destaca la glicerina, un polialcohol de tres átomos de carbono que se encuentra formando parte de muchos lípidos.
3) Azúcares-ácidos. Se obtienen por oxidación de algún átomo de carbono del monosacárido de origen a grupo carboxilo. Si el carbono oxidado es el carbono carbonílico se obtienen los ácidos aldónicos; si es el carbono hidroxílico del otro extremo de la cadena se obtienen los ácidos urónicos. Entre los azúcares-ácidos destacan los derivados de la glucosa denominados ácido glucónico (un ácido aldónico) y ácido galacturónico (un ácido urónico).
4) Desoxiazúcares. En ellos, alguno de los grupos hidroxilo del monosacárido de origen está sustituido por un átomo de hidrógeno. El más importante es la 2´-desoxirribosa, que forma parte de los ácidos nucleicos.
5) Azúcares-fosfato. Son azúcares fosforilados (unidos a un grupo fosfato mediante enlace éster) en alguno de sus grupos hidroxilo. En la síntesis y degradación de los glúcidos, los compuestos intermedios no suelen ser los propios azúcares sino sus derivados fosforilados.
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15. EL ENLACE O-GLUCOSÍDICO
Los monosacáridos capaces de formar anillos de piranosa o furanosa, en tanto que hemiacetales, pueden reaccionar con los alcoholes para formar glucósidos liberándose en el proceso una molécula de agua.
Un caso particular de este tipo de reacción se da cuando el grupo hidroxilo de la molécula de alcohol es aportado por un segundo monosacárido. El compuesto resultante, un disacárido, estará formado por dos monosacáridos unidos mediante enlace glucosídico. Así pues, el enlace glucosídico resulta de la formación de un acetal (o cetal) entre el carbono carbonílico de un monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido.
Este segundo monosacárido posee otro carbono carbonílico libre que a su vez puede reaccionar con un grupo hidroxilo de un tercer monosacárido para formar otro enlace glucosídico, y así sucesivamente. De este modo, mediante sucesivos enlaces glucosídicos, se puede unir un número ilimitado de monosacáridos para formar largas cadenas que pueden ser lineales o ramificadas. En todos los ósidos, azúcares formados por un número variable de monosacáridos unidos entre sí, la unión entre los mismos se realiza mediante este tipo de enlace.
El enlace glucosídico puede ser de dos tipos, α o β, según sea α o β la configuración del monosacárido que aporta al enlace el átomo de carbono carbonílico. Por otra parte, se distinguen enlaces glucosídicos monocarbonílicos, en los que sólo está implicado el carbono carbonílico de un monosacárido, y enlaces glucosídicos dicarbonílicos, en los que están implicados los carbonos carbonílicos de los dos monosacáridos enlazados.
La estructura de un enlace glucosídico se suele especificar escribiendo el tipo de enlace, α o β, seguido entre paréntesis por los números de los átomos de carbono implicados en él; el número que se escribe en primer lugar corresponde al átomo de carbono carbonílico. Algunos ejemplos son α(1—›4), α(1—›6), β(1—›4), β(1—›2), etc. Puesto que los monosacáridos tienen muchos grupos hidroxilo, la variedad de enlaces glucosídicos posibles es enorme; no obstante, los más abundantes en la naturaleza son los α(1—›4) y los β(1—›4).
Enlace O-glucosídico
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16. ÓSIDOS
Los ósidos, glúcidos formados por la unión de varios monosacáridos, pueden ser holósidos, si están formados exclusivamente por monosacáridos, o heterósidos, si además contienen otros componentes de naturaleza no azucarada. Entre los holósidos se distinguen, en función del número de unidades que los forman, dos tipos: oligosacáridos y polisacáridos.
16.1. Oligosacáridos
Los oligosacáridos (del griego oligos = poco) son holósidos compuestos por un número reducido de monosacáridos unidos mediante enlaces glucosídicos. El número de monosacários que forman parte de un oligosacárido puede oscilar entre 2 y 10.
Si están formados por sólo dos monosacáridos se denominan disacáridos, si lo están por tres trisacáridos; a los que están formados por más de tres monosacáridos no se le suele asignar ninguna denominación específica y se suelen nombrar sencillamente como oligosacáridos.
Sus propiedades físicas son muy similares a las de los monosacáridos: también son sólidos cristalinos, de color blanco, sabor dulce y solubles en agua. La mayoría de ellos conserva el poder reductor característico de los monosacáridos. Este poder reductor reside en los átomos de carbono carbonílicos y se pierde cuando éstos participan en un enlace glucosídico.
Por ello, cuando dos monosacáridos se unen mediante un enlace glucosídico monocarbonílico el disacárido resultante tendrá poder reductor, ya que conserva un carbono carbonílico libre. Por el contrario, si el enlace es dicarbonílico el disacárido resultante, al tener sus dos carbonos carbonílicos implicados en el enlace, habrá perdido el poder reductor. En general, los oligosacáridos, independientemente de su longitud, tendrán poder reductor siempre que conserven algún carbono carbonílico libre en uno de sus extremos, que se denomina extremo reductor.
La celobiosa, que no se encuentra libre en la naturaleza, se obtiene por hidrólisis de la celulosa (un polisacárido estructural).
La lactosa se encuentra exclusivamente en la leche de los mamíferos.
La sacarosa (azúcar de mesa) es un disacárido de especial importancia; se encuentra exclusivamente en el mundo vegetal y es uno de los productos directos de la fotosíntesis que estos realizan, constituyendo la principal forma de transporte de azúcares desde las hojas hacia otras partes de la planta.
Obsérvese que maltosa, isomaltosa, celobiosa y lactosa sondisacáridos reductores, mientras que trehalosa y sacarosa, por poseer enlaces glucosídicos dicarbonílicos, son no reductores.
En cuanto a los trisacáridos, relativamente escasos en la naturaleza, cabe citar algunos como la rafinosa que se encuentran en la savia de determinadas plantas.
Además de los disacáridos y trisacáridos, existe una gran variedad de oligosacáridos naturales con estructuras químicas muy diversas. Se trata de compuestos formados por un número de monosacáridos que oscila entre 4 y 10 unidos entre sí por enlaces glucosídicos dando lugar a cadenas que pueden ser lineales o ramificadas. Normalmente no se encuentran en estado libre, sino unidos covalentemente a otras biomoléculas como lípidos o proteínas. La cara externa de las membranas celulares se halla cuajada de cadenas oligosacarídicas unidas a los lípidos y proteínas de membrana que cumplen importantes funciones en los procesos de reconocimiento de la superficie celular.
16.2. Polisacáridos
Los polisacáridos son glúcidos formados por un número elevado de monosacáridos unidos entre sí mediante enlaces glucosídicos. En el proceso de unión de n monosacáridos para formar un polisacárido se liberan (n-1) moléculas de agua, una por cada enlace glucosídico. Aunque el límite entre oligosacáridos y polisacáridos se suele fijar arbitrariamente en 10 unidades monosacarídicas constituyentes, lo cierto es que la mayoría de los polisacáridos naturales están formados por centenares o miles de estas unidades monoméricas.
Los polisacáridos son macromoléculas de elevado peso molecular y estructura compleja. Se puede considerar que los monosacáridos son los sillares estructurales de los polisacáridos, al igual que los aminoácidos lo son de las proteínas o los nucleótidos de los ácidos nucleicos.
Las propiedades físicas y químicas de los polisacáridos son en cierto modo contrarias a las que exhiben monosacáridos y oligosacáridos: no cristalizan, no tienen sabor dulce, carecen de poder reductor, y, aunque son sustancias hidrofílicas, son poco soluble en agua debido a su elevado peso molecular.
Los distintos tipos de polisacáridos difieren entre sí en el tipo de unidades monosacarídicas que los forman, en el tipo de enlace glucosídico (α o β) que las une, y en el mayor o menor grado de ramificación que presentan sus cadenas.
Se distinguen dos tipos principales de polisacáridos, los homopolisacáridos, formados por un sólo tipo de monosacárido, y los heteropolisacáridos, formados por dos o más tipos de monosacáridos.
16.2.1. Homopolisacáridos
Los homopolisacáridos de la D-glucosa, denominados glucanos, son los polisacáridos más abundantes en la naturaleza y los que tienen una mayor importancia biológica. Algunos de ellos desempeñan una función energética, como el almidón y el glucógeno, mientras que otros, como la celulosa, realizan una función de tipo estructural. Hay que destacar que aquéllos que presentan enlaces glucosídicostipo α tienen función energética, mientras que los que los presentan tipo β tienen función estructural. A continuación analizaremos la estructura y la función de los tres glucanos más importantes: el almidón, el glucógeno y la celulosa.
A) Almidón. Es un polisacárido formado por moléculas de α-D-glucosa unidas por enlaces glucosídicos α(1—›4) y α(1—›6). En la molécula de almidón se distinguen dos tipos de polímero:
Amilosa. Es un polímero no ramificado formado por largas cadenas por varios centenares de unidades de α-D-glucosa unidas por enlaces α-(1—›4). Estas cadenas adoptan una disposición helicoidal con 6 moléculas por vuelta, y tienen masas moleculares relativas que oscilan entre unos pocos miles y 500.000 daltons.
Amilopectina. Es un polímero muy ramificado formado por moléculas de α-D-glucosa. Los sucesivos restos de glucosa a lo largo de las cadenas están unidos por enlaces α(1—›4), y los puntos de ramificación, que se encuentran espaciados por un número de restos de glucosa que oscila entre 24 y30, consisten en enlaces α(1—›6) .
El almidón actúa como sustancia de reserva en las células vegetales. Una parte sustancial de los glúcidos producidos en la fotosíntesis se almacenan en forma de almidón, dando lugar a unos agregados insolubles de gran tamaño, los granos de almidón, que se encuentran en todas las células vegetales, siendo especialmente abundantes en las de las semillas, frutos y tubérculos.
B) Glucógeno. Es un polisacárido con estructura muy similar a la de la amilopectina . Al igual que ésta, está formado por moléculas de α-D-glucosa unidas por enlaces glucosídicos α(1—›4) a lo largo de las cadenas, y con puntos de ramificación consistentes en enlaces α(1—›6). La diferencia con respecto a la amilopectina estriba en que las ramificaciones se encuentran menos espaciadas, concretamente cada 8 a 12 restos de glucosa. Esta mayor proximidad entre los puntos de ramificación hace que el glucógeno sea mucho más compacto que el almidón. Las moléculas de glucógeno presentan un núcleo de naturaleza proteica consistente en una molécula de glucogenina, una proteína enzimática que cataliza la unión glucosídica de las primeras moléculas de glucosa, que quedan covalentemente ancladas a la propia proteína formando un núcleo alrededor del cual van creciendo y ramificándose las cadenas del glucógeno mediante la acción del enzima glucógeno sintetasa
El glucógeno actúa como sustancia de reserva en las células animales. Es especialmente abundante en el hígado, donde puede llegar a representar el 7% de su peso; también abunda en el músculo esquelético. En el interior de las células el glucógeno se encuentra almacenado en forma de gránulos insolubles de gran tamaño.
Cuando las células recurren a sus reservas de almidón o de glucógeno, determinados enzimas van liberando una a una moléculas de glucosa, en forma de derivados fosforilados, las cuales pueden después ser utilizadas como combustible metabólico. La naturaleza ramificada de ambos polisacáridos favorece el que estos enzimas degradativos puedan actuar simultáneamente en muchas ramas aumentando así la velocidad de liberación de glucosa, lo que resulta de gran utilidad para las células cuando necesitan un aporte energético importante de una manera inmediata. Cada molécula de almidón o de glucógeno posee tantos extremos no reductores como ramas y un solo extremo reductor, lo que explica que estos polisacáridos carezcan de poder reductor. Los enzimas degradativos actúan a partir de los extremos no reductores.
Los polisacáridos, dada la gran rapidez con que pueden ser movilizados, constituyen una excelente forma de almacenar energía metabólica a corto plazo. Puede resultar sorprendente que las células almacenen su combustible energético en forma de polisacáridos cuando podrían hacerlo en forma de glucosa libre evitándose así el trabajo químico de sintetizarlos y degradarlos. La razón de que ello sea así estriba en que los polisacáridos se almacenan en forma esencialmente insoluble, contribuyendo muy poco a la presión osmótica del citoplasma. Una cantidad equivalente de glucosa disuelta generaría una presión osmótica muy elevada que podría ser peligrosa para la célula.
Tanto el almidón como el glucógeno pueden ser degradados en el aparato digestivo de los animales por la acción de unos enzimas llamados amilasas. Las amilasas liberan moléculas de glucosa que pueden posteriormente ser absorbidas.
C) Celulosa. Es un polímero lineal (no ramificado) formado por moléculas de β-D-glucosa unidas mediante enlaces glucosídicos β(1—›4) . Cada cadena de celulosa contiene entre 10.000 y 15.000 restos de glucosa.
Estas cadenas, debido a la configuración β de sus enlaces glucosídicos, adoptan conformaciones muy extendidas que favorecen la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de los distintos restos de glucosa de una misma cadena o de cadenas vecinas . De este modo se forman fibras supramoleculares que contienen muchas cadenas individuales de celulosa en disposición paralela e íntimamente unidas entre sí por puentes de hidrógeno.
Tal estructura es la que confiere a la celulosa su insolubilidad en agua y su resistencia mecánica características, propiedades estas que la hacen idónea para desempeñar en las células una función de carácter estructural. La celulosa es el principal componente de las paredes celulares vegetales, las cuales proporcionan a las células de las plantas y las algas sostén mecánico y protección frente a los fenómenos osmóticos desfavorables. Una gran parte de la masa de la madera es celulosa.
Las amilasas que degradan el almidón y el glucógeno no pueden romper los enlaces β glucosídico de la celulosa. El intestino humano (y el de la mayoría de los animales) carece de enzimas que puedan romper este tipo de enlace, por lo que este polisacárido tiene para el hombre un valor alimenticio prácticamente nulo. Este hecho está compensado con creces por la capacidad de la celulosa para generar una gran cantidad de residuos que a su paso limpian y facilitan el buen funcionamiento del aparato digestivo. Algunos animales como las termitas o los rumiantes viven en simbiosis con determinados microorganismos poseedores de enzimas específicos, llamados celulasas, que sí son capaces de degradar la celulosa, por lo que estos animales pueden aprovechar su valor nutritivo.
También hay homopolisacáridos formados por derivados de la glucosa, como la quitina, un polímero de la N-acetil-glucosamina, que es el componente principal del exoesqueleto de los artrópodos.
16.2.2. Heteropolisacáridos
Entre los heteropolisacáridos los más importantes son los que están formados por dos tipos de unidades monosacarídicas que se alternan a lo largo de sus cadenas. Algunos de ellos son el ácido hialurónico, que se encuentra en el tejido conjuntivo de los animales ejerciendo un papel lubricante, la hemicelulosa, que forma parte de la pared celular vegetal, y la heparina, con notables propiedades anticoagulantes; todos ellos están formados por derivados complejos de la glucosa.
CUESTIONES: 1
17. HETERÓSIDOS.
Como se dijo anteriormente, están formados por monosacáridos y otros componentes de naturaleza no azucarada. Ente ellos cabe citar a los glucolípidos, y a las glucoproteínas, que son asociaciones covalentes de cadenas oligosacarídicas con lípidos y proteínas respectivamente; los glucolípidos y glucoproteínas están presentes en muchos lugares de la célula, sobre todo en la cara externa de la membrana plasmática.
Un tipo especial de heterósido es el peptidoglucano, componente esencial de las paredes celulares bacterianas, que está constituido por cadenas paralelas de un heteropolisacárido en el que se alternan unidades de N-acetil-glucosamina y de ácido N-acetil-murámico (dos derivados de la glucosa) unidas transversalmente por cadenas de aminoácidos unidos mediante enlaces peptídicos .
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18. FUNCIONES DE LOS GLÚCIDOS
Los glúcidos desempeñan con carácter general en los seres vivos dos tipos de funciones: energéticas y estructurales.
1) Función energética. La oxidación de los glúcidos libera energía que las células pueden utilizar para realizar sus funciones. La glucosa es el azúcar que con más frecuencia utilizan las células como combustible metabólico primario. Por otra parte, algunos polisacáridos actúan como material de reserva energética que puede ser rápidamente movilizado cuando es necesario. Una ventaja que poseen los glúcidos sobre otras biomoléculas como material energético es que, dada la solubilidad en agua de muchos de ellos, pueden ser transportados muy rápidamente en medio acuoso allí donde resultan necesarios.
2) Función estructural. Algunos polisacáridos como la celulosa o la quitina presentan propiedades que los hacen idóneos para formar parte de estructuras que deben ofrecer una gran resistencia mecánica, como las paredes celulares vegetales o el exoesqueleto de los artrópodos.
Aunque tradicionalmente se consideraba a los glúcidos como componentes "pasivos" de la maquinaria celular, destinados a servir de combustible metabólico o a formar parte de estructuras más o menos permanentes de las células, en los últimos años se está percibiendo cada vez con mayor claridad que algunos de ellos pueden jugar otros papeles de extraordinaria importancia biológica, como los procesos de reconocimiento de señales extracelulares o la acción de los anticuerpos.
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19. REPASO
Test: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
20. PRÁCTICAS
Práctica Porcentaje agua
Actividad agua
Laboratorio virtual
Escala pH 2
Determinac. pH
Cálculo pH
Escala de pH
Ionización
Ácido_base 2 3 5
Tampón acético
Tampónes
Identificación de glúcidos
Identificación de glúcidos
Guión de prácticas, en formato doc
Reconocimiento glúcidos reductores. Texto
Fermentación alcohólica. Texto
Reconocimiento de glúcidos. Texto
21. OTRAS PRESENTACIONESIdentificación de glúcidos
Reconocimiento glúcidos reductores. Texto
Fermentación alcohólica. Texto
Reconocimiento de glúcidos. Texto
Bioelementos, agua y sales
Bioelementos y agua
Agua y solubilidad
Agua
Bioelementos. Propiedades del agua
Sales minerales. Ósmosis
22. CUESTIONES
Biomoléculas
El agua.
Cuestiones resueltas
Agua y sales minerales
Bioelemntos
Biomoléculas
Biomoléculas con soluciones
Preguntas y respuestas
Glúcidos (test).
Cuestiones
Glúcidos
Cuestiones resueltas 1
Cuestiones resueltas 2
Cuestiones resueltas 3
Ejercicios química orgánica
Cuestiones sobre glúcidos
Test glúcidos
Test glúcidos 2
Test glúcidos 3
Test glúcidos 4
23. CUESTIONES CON CALIFICACIÓN
Biomoléculas
BIOMOLECULAS
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