CURSO DE BIOLOGÍA

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, manosa y galactosa. Estos derivados se obtienen por sustitución de alguno de los grupos hidroxilo por algún otro grupo funcional, o bien por oxidación oreducción 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, manosamina y galactosamina, que son los más importantes. En ocasiones este grupo amino aparece acetilado, como en la N-acetil-glucosamina. (Figura 7.8)

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 laglicerina, 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 (Figura 7.8). Entre los azúcares-ácidos destacan los derivados de la glucosa denominados ácido glucónico (un ácido aldónico) y ácido galacturónico (un ácido urónico). Los azúcares-ácidos se encuentran normalmente ionizados a pH 7, por lo que se pueden nombrar correctamente como gluconato, glucuronato, etc.

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. Ello se debe a que estos derivados poseen cargas netas a pH 7, lo que evita su difusión a través de las membranas celulares.

6)         Glucósidos.- Es sabido que los hemiacetales y hemicetales pueden reaccionar con una segunda molécula dealcohol para, liberando una molécula de agua, dar lugar a acetales y cetales respectivamente (Figura 7.5). Un caso particular de este tipo de reacción lo constituye la que se produce entre un monosacárido en forma cíclica (que es un hemiacetal o hemicetal intramolecular) y un alcohol para formar un glucósido liberando una molécula de agua. El interés de este tipo de compuestos reside en que el tipo de enlace mediante el cual se unen los monosacáridos para formar ósidos puede considerarse como un caso particular de la reacción entre un monosacárido y un alcohol para formar un glucósido.

6.-EL ENLACE GLUCOSÍDICO. 

Los monosacáridos capaces de formar anillos de piranosa o furanosa, en tanto que hemiacetales o hemicetales intramoleculares, 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 medianteenlace 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 (Figura 7.9). 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).

7.-OLIGOSACÁRIDOS.

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 ypolisacáridos.

Los oligosacáridos (del griego oligos = poco) son holósidos compuestos por un número reducido de unidades monosacarídicas unidas mediante enlaces glucosídicos. El número de unidades monosacarídicas 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 (Figura 7.10). 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.

Los oligosacáridos más abundantes y de mayor importancia biológica son los disacáridos. En la siguiente tabla se muestra la composición de los disacáridos más relevantes.

MALTOSA	Glucosa-α(1—›4)-Glucosa
ISOMALTOSA	Glucosa-α(1—›6)-Glucosa
CELOBIOSA	Glucosa-β(1—›4)-Glucosa
LACTOSA	Galactosa-β(1—›4)-Glucosa
TREHALOSA	Glucosa-α(1—›1)-Glucosa
SACAROSA	Fructosa-β(2—›1)-Glucosa

 

La maltosa (Figura 7.11) y la isomaltosa son dos de los productos de la hidrólisis incompleta del almidón y delglucógeno (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 (Figura 7.11) se encuentra exclusivamente en la leche de los mamíferos. La trehalosa es el constituyente principal del fluido circulante (hemolinfa) de los insectos. 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 son disacáridos reductores, mientras que trehalosa y sacarosa, por poseer enlaces glucosídicos dicarbonílicos, son no reductores. La sacarosa se puede escribir también como Glucosa-α(1—›2)-Fructosa.

En cuanto a los trisacáridos, relativamente escasos en la naturaleza, cabe citar algunos como la rafinosa y la melicitosaque 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.

8.-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. Así como otras macromoléculas tienen tamaños y pesos moleculares definidos, en los polisacáridos éstos pueden variar en función del estado metabólico de la célula. 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, yheteropolisacáridos, formados por dos o más tipos de monosacáridos. 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 glucosídicos tipo αtienen 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 (Figura 7.12).

Amilopectina.- Es un polímero muy ramificado (Figura 7.13) 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 y 30, consisten en enlaces α(1—›6) (ver Figura 7.13). Su masa molecular relativa puede alcanzar hasta un millón de daltons.

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)(Figura 7.14). La diferencia con respecto a la amilopectina estriba en que las ramificaciones se encuentran menos espaciadas, concretamente cada 8 a 12restos de glucosa. Esta mayor proximidad entre los puntos de ramificación hace que el glucógeno sea mucho más compacto que el almidón, pudiendo alcanzar pesos moleculares del orden de varios millones de daltons. 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 (Figura 7.15).

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) (Figura 7.16). 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 (Figura 7.17). 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.

Además de los descritos, existen en la naturaleza otros homopolisacáridos, algunos de ellos formados por monosacáridos diferentes de la glucosa, como los fructanos, mananos y arabinanos. 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.

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.

9.-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 (Figura 7.18).

10.-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 la determinación de la estructura tridimensional de algunas proteínas, los procesos de reconocimiento de señales extracelulares o la acción de los anticuerpos.