1.3.2. Monosacáridos: estructura y funciones.
Son los glúcidos más sencillos. Químicamente están constituidos por una sola cadena de polialcoholes con un grupo aldehído o cetona, y por ello no pueden descomponerse mediante hidrólisis.
Son dulces, solubles en agua, y forman cristales blancos que por el calor pueden caramelizarse.
Los monosacáridos merced su grupo aldehído o cetónico pueden reducir al Cu2+, propiedad que se utiliza para su reconocimiento químico (prueba de Felhing).
Su principal función en los organismos es energética, aunque algunos de ellos entran a formar parte de la composición de moléculas con funciones muy diferentes (en los ácidos nucleicos, ATP y otros nucleótidos, etc.).
ESTRUCTURA DE LOS MONOSACÁRIDOS.
Los monosacáridos están formados por cadenas carbonadas de 3 a 12 átomos de carbono. Se nombran añadiendo el sufijo -osa al prefijo que indica el número de carbonos de la molécula. Los más abundantes y de mayor importancia biológica son las triosas, pentosas y hexosas.
Aquellos monosacáridos que tienen un grupo funcional aldehído (-CHO), localizado siempre en el C1, se denominan aldosas, y los que tienen un grupo cetona (-CO-), localizado siempre en el C2, se denominan cetosas. Se pueden combinar los prefijos que hacen referencia al grupo funcional con los que hacen referencia al número de átomos de carbono.
La mayoría de los monosacáridos presentan carbonos asimétricos (carbonos que están unidos a cuatro grupos diferentes). Esto determina un tipo de isomería espacial o estereoisomería, es decir, la existencia de compuestos que aunque tienen la misma fórmula empírica sólo se diferencian entre sí por la distinta colocación de sus átomos en el espacio.
Esquema de enantiómeros de gliceraldehido
Entre los estereoisómeros se distinguen:
· Enantiómeros: la posición de todos los -OH varía. Por tanto, una molécula es el reflejo de su enantiómero (son imágenes especulares).
· Diastereómeros o epímeros: cuando solo varía la posición de un grupo -OH de un carbono asimétrico.
Se representa en azul el carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo
Además, en el caso de los monosacáridos, la posición del grupo -OH del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar dos formas de estereoisómeros:
-La forma D cuando el -OH está a la derecha.
-La forma L si el -OH queda a la izquierda.
La presencia de carbonos asimétricos determina una importante propiedad de los monosacáridos en disolución: la actividad óptica. Esta es la capacidad que poseen para desviar el plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución. Cada molécula efectúa una rotación del plano de polarización un ángulo concreto hacia la derecha o hacia la izquierda.
· Cuando la rotación es en el sentido de las agujas del reloj, se denominan dextrógiros o (+).
· Cuando la rotación es contraria a las agujas del reloj, son levógiros o (-).
Estos isómeros ópticos no se corresponden necesariamente con las moléculas estereoisómeras D y L; puede ocurrir que un estereoisómero D sea levógiro o dextrógiro, y lo mismo ocurre con un estereoisómero L.
REPRESENTACIÓN DE LOS MONOSACÁRIDOS.
Fórmulas lineales.
La forma más frecuente de representar los monosacáridos en el plano es mediante proyecciones de Fischer, en las que los enlaces simples forman ángulos de 900 (resultado de proyectar en el plano las estructuras tetraédricas de los carbonos). Se sitúa el grupo funcional principal en la parte superior y los grupos hidroxilo a la derecha o la izquierda según se representen estereoisómeros D o L respectivamente. En la naturaleza, salvo raras excepciones, los monosacáridos se presentan en la forma D.
Fórmulas cíclicas.
Las aldopentosas y las hexosas en disolución no presentan estructura lineal, sino que adoptan estructuras cíclicas de forma pentagonal o hexagonal.
En 1929, Haworth diseñó unas fórmulas de proyección, conocidas como proyecciones de Haworth, que representan a los monosacáridos como estructuras cíclicas en un plano con los radicales de cada carbono en la parte superior o inferior de dicho plano.
La formación del ciclo se realiza mediante un enlace hemiacetal, que supone un enlace covalente entre el grupo aldehído y un alcohol (en el caso de las aldosas) o un enlace hemicetal entre el grupo cetona y un alcohol (en el caso de las cetosas). Este enlace no implica pérdida ni ganancia de átomos, sino una reorganización de los mismos.
Formación de un hemiacetal (a) y de un hemicetal (b)
El ciclo resultante puede tener forma pentagonal (furano) o hexagonal (pirano), denominándose los monosacáridos furanosas o piranosas respectivamente.
El carbono carbonílico correspondiente a los grupos aldehído y cetona se designa en la fórmula cíclica con el nombre de carbono anomérico (/) y queda unido a un grupo -OH.
La posición del grupo -OH unido al carbono anomérico determina un nuevo tipo de estereoisomería conocido como anomería. Existen dos formas anoméricas:
- Forma alfa (α). El -OH del carbono anomérico queda bajo el plano.
- Forma beta (b). El -OH del carbono anomérico queda sobre el plano.
En disolución acuosa, las formas α. y b están continuamente interconvirtiéndose, a través del paso intermedio que es la forma lineal, que está siempre presente aproximadamente en un 1 %. Como el paso de un anómero a otro supone un cambio en los valores de rotación del plano de la luz polarizada, a este fenómeno se le denomina mutarrotación.
La conformación real de los monosacáridos en disolución varía con respecto a la propuesta por Haworth, ya que, debido a la presencia de enlaces covalentes sencillos, las moléculas no pueden ser planas. Se han sugerido otras formas de representación, en silla y en bote, en las que los carbonos C2, C3 y C5 y el oxígeno están en el mismo plano. La configuración en silla es más estable que la configuración en bote porque hay menos repulsiones electrostáticas.
IMPORTANCIA BIOLÓGICA DE LOS MONOSACÁRIDOS.
Los monosacáridos tienen gran interés, por ser los monómeros constituyentes de todos los glúcidos. También se presentan libres y actúan como nutrientes de las células para la obtención de energía, o como metabolitos intermediarios de importantes procesos biológicos, como la respiración celular y la fotosíntesis.
Los monosacáridos más importantes son:
Triosas
Contienen tres átomos de carbono. Existen dos triosas:
La dihidroxiacetona no presenta estereoisómeros, ya que no tiene carbonos asimétricos. Las dos triosas aparecen como productos intermedios (intermediarios metabólicos) en algunas reacciones biológicas.
Tetrosas
Son monosacáridos compuestos por cuatro átomos de carbono. El número de estereoisómeros es mayor que en el caso de las triosas. En los organismos vivos son menos abundantes que otros monosacáridos.
Pentosas
Presentan cinco átomos de carbono. Algunas pentosas desempeñan importantes funciones biológicas, como la D-ribosa (una aldopentosa) que es un componente fundamental de los ribonucleótidos que constituyen el ARN. Otra aldopentosa muy semejante, la desoxirribosa (sin grupo -OH en el carbono 2), se encuentra en los desoxirribonucleótidos que forman el ADN.
Una cetopentosa, la D-ribulosa, participa en la fotosíntesis como la molécula sobre la que se fija el CO2 en la formación de moléculas orgánicas. No presenta estructura cíclica.
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Hexosas
Son monosacáridos que tienen seis átomos de carbono en su molécula.
Entre las aldohexosas destaca la glucosa, la molécula energética más utilizada por los seres vivos. Se localiza en estado libre en el citoplasma celular, en el plasma sanguíneo (en concentraciones constantes) y en algunos frutos, como las uvas o los dátiles. Constituye, así mismo, la unidad componente de los polisacáridos más comunes.
Otra aldohexosa, la galactosa, se encuentra libre en la leche o formando parte de disacáridos como la lactosa (presente igualmente en la leche), de polisacáridos complejos y de ciertos glucolípidos.
La fructosa, también denominada levulosa (por ser levógira), es una cetohexosa que se encuentra en estado libre en frutos y en algunos medios líquidos biológicos, como el semen, además de formar parte del disacárido sacarosa.
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Formas lineales y cíclicas
Los monosacáridos pueden experimentar diversos cambios en su estructura química por adición de funciones, sustitución de radicales etc., originando moléculas de gran interés biológico