CURSO DE BIOLOGÍA

FORMAS ANOMÉRICAS DE LOS MONOSACÁRIDOS.

     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 y hemicetales (Figura 7.6), 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. Tal reacción intramolecular se representa en la siguiente animación.

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 (ver Figura 7.6). 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 o hemicetales intramoleculares. Por ejemplo, la D-fructosa (una cetohexosa) da lugar, por reacción intramolecular entre el grupo cetona del carbono 2 y elgrupo 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, que son las que se muestran en la Figura 7.6. 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 dosconformaciones representadas en la Figura 7.7, 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 o hemicetales 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. En la siguiente tabla se muestran las formas más estables en que aparecen los monosacáridos de 3 a 6 átomos de carbono. 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.

Nº de C	ALDOSAS	CETOSAS
3	CADENA ABIERTA	CADENA ABIERTA
4	CADENA ABIERTA	CADENA ABIERTA
5	FURANOSA	CADENA ABIERTA
6	PIRANOSA	FURANOSA