Documento de estudio para Biología de 2º Bachillerato. IPEP de Córdoba. Profesoras: Carmen Rodríguez del Águila y Aurora López Quintela.

Introducción a los Glúcidos

Concepto y Composición

La palabra glúcido proviene del griego glykýs, cuyo significado es dulce.

Los glúcidos son biomoléculas orgánicas formadas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, generalmente en la proporción $\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_n$ (o $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_n$). En algunos casos, también podemos encontrar nitrógeno y fósforo.

Aunque a los glúcidos se les llama comúnmente azúcares, esta es una denominación incorrecta, ya que muchos glúcidos son dulces, pero otros muchos no lo son.

Tampoco es correcto el nombre de carbohidratos o hidratos de carbono, que es como aparecen en los envases de los alimentos, porque los glúcidos no son átomos de carbono hidratados. Esto quiere decir que el carbono no se une a moléculas de agua, sino a otros grupos funcionales.

Clasificación de los Glúcidos

Hay muchos glúcidos en la naturaleza. Para agruparlos, se utilizan dos criterios principales:

Criterio 1: Número de átomos de carbono

• Si la molécula tiene de 3 a 8 átomos de carbono, es un monosacárido u osa, que son los glúcidos más sencillos.

Criterio 2: Número de moléculas de monosacáridos asociadas

• Oligosacáridos: Están formados por la unión de 2 a 10 monosacáridos. Por ejemplo, los disacáridos están constituidos por dos moléculas de monosacáridos, los trisacáridos por tres, y así sucesivamente. En este estudio, solo nos centraremos en los disacáridos.

• Polisacáridos: Están formados por la unión de más de diez monosacáridos. Pueden presentar estructuras lineales o ramificadas.

Grupos Funcionales Esenciales en Bioquímica

Para este tema y para los demás, es muy importante conocer los grupos funcionales. Estos son combinaciones de los bioelementos primarios entre sí que confieren determinadas propiedades a las moléculas que los contienen. A continuación, se presentan los principales grupos que nos vamos a encontrar:

Monosacáridos: Estructura y Nomenclatura

Composición Química

Los monosacáridos son los glúcidos más sencillos, con tres a ocho átomos de carbono, y responden a la fórmula general $\text{C}_n\text{H}_{2n}\text{O}_n$. Podemos considerarlos los monómeros (ladrillos) con los que se construyen los demás glúcidos.

Son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas, ya que en todos ellos siempre existe un grupo funcional carbonilo ($\text{-C}=\text{O}$) en su molécula, es decir, un carbono unido a un átomo de oxígeno mediante doble enlace. Este grupo puede ser cetona o aldehído. Además, se denominan polihidroxi- porque llevan en su composición más de un grupo hidroxilo o alcohol ($\text{-OH}$).

Según el número de carbonos, un monosacárido será una triosa (3C), tetrosa (4C), pentosa (5C), hexosa (6C) o heptosa (7C). Además, se les agrega el prefijo ceto- o aldo- de acuerdo a la función que posean. Por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa.

Propiedades Físicas y Químicas

¿Cómo son y cómo se pueden distinguir?

• Son dulces, se disuelven en agua, cristalizan y son blancos.
• No se pueden descomponer en monosacáridos más sencillos (no se pueden hidrolizar).
• Presentan isómeros (compuestos que tienen la misma fórmula general, pero que poseen diferentes propiedades y funciones).

Tipos de Isomería en Monosacáridos

• Isómeros de función: Las sustancias tienen la misma fórmula general, pero distinto grupo funcional. Ejemplo: La glucosa y la fructosa tienen la fórmula $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$. Sin embargo, son compuestos distintos, ya que la glucosa lleva un grupo aldehído y la fructosa, un grupo cetona.

• Isómeros de posición (Estereoisómeros): Los compuestos tienen la misma fórmula general y el mismo grupo funcional, pero sus átomos (en este caso, los grupos $\text{-OH}$) tienen distinta distribución espacial. Ejemplo: La glucosa y la galactosa. Un ejemplo de la importancia de esta isomería es el caso de la talidomida (ver sección final).

Ciclación y Formación de Anómeros

Algunos monosacáridos se pueden ciclar al estar en disolución acuosa. Las pentosas y las hexosas suelen formar estructuras cíclicas. Al ciclarse la molécula, aparecen dos isómeros de la glucosa: la alfa-glucosa ($\alpha$-glucosa) y la beta-glucosa ($\beta$-glucosa), dependiendo de la posición del grupo $\text{-OH}$ en el carbono anomérico.

El cierre de la molécula de un monosacárido (una hexosa, por ejemplo) ocurre cuando el grupo carbonilo del C1 queda próximo al C5. Entre ellos reaccionan sus radicales en una reacción intramolecular entre un grupo aldehído (el del C1) y un grupo alcohol (el del C5), formándose un enlace hemiacetal. Ambos carbonos quedan unidos mediante un átomo de oxígeno.

El C1, que es ahora asimétrico, se denomina carbono anomérico y, según la posición del grupo $\text{-OH}$, se originan dos anómeros ($\alpha$ y $\beta$). El estudio de la ciclación fue realizado por Haworth y se conoce como proyección de Haworth.

Monosacáridos Clave y sus Funciones Biológicas

• Ribosa y Desoxirribosa: Son pentosas que forman parte de los nucleótidos de los ácidos nucleicos. La ribosa se encuentra en el ARN y la desoxirribosa en el ADN.

• Ribulosa: Muy abundante en las plantas, es el compuesto al que se fijan las moléculas de $\text{CO}_2$ en la fotosíntesis.

• Glucosa: Es la principal fuente de energía celular, ya que casi todas las células la utilizan como combustible. Se encuentra en el citoplasma de las células y en la sangre (es el azúcar de la sangre). Su cantidad en sangre se llama glucemia y debe ser constante para evitar problemas de hipoglucemia o hiperglucemia (diabetes). La glucosa es, además, el monómero con el que se construyen la mayoría de los polisacáridos.

• Fructosa: Es una cetohexosa. Se encuentra libre en algunas frutas y en el líquido seminal, donde actúa como nutriente para los espermatozoides. Al ciclarse, adquiere forma pentagonal. Se une a la glucosa para formar la sacarosa.

Disacáridos: Formación y Ejemplos

Composición y Enlace O-Glucosídico

Los disacáridos son glúcidos formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico. Este es un enlace covalente que se establece entre dos grupos hidroxilo ($\text{-OH}$) de dos monosacáridos diferentes. En esta reacción de condensación, se pierde una molécula de agua ($\text{H}_2\text{O}$) y queda un átomo de oxígeno uniendo a los dos monosacáridos.

Generalmente, es necesario indicar el tipo de anómero que participa en el enlace ($\alpha$ o $\beta$) y el número de los carbonos que se enlazan. Por ejemplo, un enlace $\alpha(1,4)$ o un enlace $\beta(1,4)$, típico de las moléculas de celulosa.

Propiedades

¿Cómo son y cómo se pueden distinguir?

• Son dulces, se disuelven en agua, cristalizan y son blancos (como el azúcar de mesa).
• Sí se pueden descomponer en monosacáridos más sencillos. El enlace glucosídico se puede romper introduciendo una molécula de agua (Reacción de hidrólisis: hidro = agua y lisis = romper). El resultado son dos monosacáridos.

Disacáridos Principales y Funciones

• Maltosa: Conocida como azúcar de malta. Está formada por la unión de dos $\alpha$-glucosas.

• Lactosa: Es el azúcar de la leche de los mamíferos. Disacárido formado por la unión de una glucosa y una galactosa.

• Sacarosa: Azúcar de consumo habitual (azúcar de mesa). Se encuentra en la remolacha azucarera y en la caña de azúcar. Es el resultado de la unión de una glucosa y una fructosa.

Polisacáridos: Estructura y Clasificación

Composición

Los polisacáridos son glúcidos formados por la unión de muchos monosacáridos (más de 10) mediante enlaces glucosídicos, formando largas cadenas. Son macromoléculas de elevada masa molecular.

• Cuando los monosacáridos que forman la molécula son todos iguales, el polisacárido formado se llama homopolisacárido.

• Cuando los monosacáridos que forman la molécula son distintos entre sí (de más de un tipo), el polisacárido formado se llama heteropolisacárido.

Propiedades

¿Cómo son y cómo se pueden distinguir?

• No son dulces.
• No se disuelven bien en agua.
• No cristalizan (como la harina o la bechamel).
• Sí se pueden descomponer en monosacáridos más sencillos. Los enlaces glucosídicos se pueden romper introduciendo una molécula de agua por enlace (Reacción de hidrólisis). Para facilitar esta reacción en el organismo, se utilizan unas sustancias llamadas enzimas.

Polisacáridos Principales y Funciones

Almidón

Se origina en células vegetales. Es un homopolisacárido con función de reserva energética, que se acumula en el interior de las células vegetales, especialmente en raíces, tubérculos (patata) y semillas (trigo, maíz, arroz).

Está formado por la mezcla de dos moléculas: la amilosa y la amilopectina. La amilosa está formada por glucosas unidas por enlace $\alpha(1,4)$. La amilopectina está formada por glucosas unidas por enlaces $\alpha(1,4)$ y $\alpha(1,6)$. Estos enlaces $\alpha(1,6)$ originan ramificaciones, que se repiten en intervalos de secuencias desiguales. Ambas moléculas adquieren una estructura helicoidal.

El almidón es muy abundante en la dieta. Cuando lo ingerimos, atraviesa el tubo digestivo y se hidroliza con la ayuda de enzimas llamadas amilasas. Al final de su digestión, se convierte en miles de moléculas de glucosa libre que pasan a la sangre para ser repartidas a todas las células del organismo.

Glucógeno

Es el homopolisacárido con función de reserva energética del reino animal. Se acumula en las células de los músculos esqueléticos y en las del hígado.

Está formado por glucosas unidas por enlace $\alpha(1,4)$ y presenta ramificaciones formadas por enlaces $\alpha(1,6)$. Es parecido a la amilopectina, pero con más ramificaciones.

El glucógeno es la forma de guardar la glucosa. Si la célula almacenara la glucosa suelta, esta se disolvería en el agua celular, originando un medio hipertónico que haría estallar a la célula por ósmosis. Al unir las glucosas formando glucógeno, este no se disuelve en el agua, por lo que no perjudica osmóticamente a la célula.

Sin embargo, el glucógeno se almacena hidratado, lo que aumenta su peso. Esta es la razón por la que los animales no pueden tener grandes reservas de glucógeno, ya que dificultaría su movilidad. Cuando la sangre se queda sin glucosa (por ejemplo, durante el ayuno), el glucógeno del hígado y del músculo se rompe y la glucosa libre se envía a la sangre para su distribución.

Celulosa

Es un homopolisacárido formado por glucosas unidas por enlace $\beta(1,4)$. Las cadenas de celulosa siempre son lineales, nunca ramificadas. Muchas cadenas paralelas se unen entre sí por puentes de hidrógeno, formando la fibra vegetal.

La celulosa es una molécula de origen vegetal con función estructural, ya que forma parte de la pared celular de las células vegetales, dándoles resistencia y dureza.

Cada vez que comemos un alimento vegetal, estamos tomando celulosa (fibra vegetal). La celulosa se puede hidrolizar para obtener glucosas libres, pero para ello se necesitan enzimas llamadas celulasas, enzimas que la mayoría de los animales no tenemos en nuestro tubo digestivo. Por lo tanto, no podemos digerir la celulosa y la expulsamos por las heces fecales. La fibra vegetal es un alimento del que no obtenemos energía, pero es muy beneficioso consumirla porque estimula la motilidad intestinal y limpia el tubo digestivo. Los animales herbívoros o las termitas contienen microorganismos en su intestino que fabrican celulasa, permitiéndoles digerir la celulosa.

Quitina

Es un homopolisacárido lineal del monosacárido acetilglucosamina (un derivado de la glucosa), con enlaces $\beta(1,4)$. Las cadenas de quitina se disponen de forma paralela, formando capas en dirección alternante.

Tiene función estructural, ya que forma parte del exoesqueleto (esqueleto externo) de la mayoría de los Artrópodos y de otros seres vivos, ofreciendo gran resistencia y dureza.

Funciones Biológicas de los Glúcidos

La importancia biológica y las funciones de este tipo de moléculas dependen del glúcido específico:

• Función energética: Actúan como combustible de las células (la glucosa se puede oxidar totalmente, obteniendo unas 4 KCal/g).

• Función de reserva energética: El almidón (vegetales) y el glucógeno (animales) son sustancias que acumulan gran cantidad de energía en su molécula, sirviendo para guardar energía excedente y utilizarla en momentos de necesidad.

• Función estructural: Pueden formar parte de estructuras, tanto a nivel molecular (la desoxirribosa forma nucleótidos del ADN o ARN), como a nivel celular (la celulosa es el principal componente de la pared vegetal), o a nivel de organismo (la quitina forma el exoesqueleto de Artrópodos).

Caso de Estudio: La Talidomida y la Importancia de la Isomería

La talidomida no es un glúcido, pero sirve para entender la importancia que tienen los isómeros. Es un fármaco que fue comercializado entre 1958 y 1963 por la compañía alemana Grünenthal. Se utilizaba como sedante y como calmante de las náuseas durante los tres primeros meses de embarazo, alcanzando un gran éxito popular.

Aunque al principio se pensaba que no producía efectos secundarios, se comprobó que el fármaco era responsable del nacimiento de numerosos bebés con malformaciones congénitas, como la focomelia (ausencia de extremidades o extremidades excesivamente cortas).

Una vez comprobados los efectos teratogénicos nocivos que provocaba, el medicamento fue retirado con más o menos prisa en los países donde había sido comercializado bajo diferentes nombres (Imidan, Varian, Contergan, etc.). España fue de los últimos en retirarlo en 1963.

La alarma social provocada por los severos efectos secundarios impulsó a los responsables de Sanidad de muchos países a establecer un control estricto de los medicamentos antes de su comercialización. Se promulgaron leyes que exigían que los fármacos fueran sometidos a ensayos farmacológicos (pruebas en animales) y a ensayos clínicos (pruebas voluntarias en personas) antes de su venta.

Posteriormente, se descubrió que existían dos talidomidas distintas: tenían la misma fórmula molecular ($\text{C}_{13}\text{H}_{10}\text{N}_2\text{O}_4$), pero cambiaba la disposición espacial de los grupos. Se trataba, por tanto, de una sola molécula con dos isómeros quirales: una forma producía el efecto sedante que se buscaba y la otra provocaba los efectos teratogénicos.