Los oligosacáridos

Los oligosacáridos son los glúcidos que se forman por la unión de 2 a 10 monosacáridos. Los más importantes son los disacáridos, que contienen dos monosacáridos unidos mediante un enlace O-glucosídico.

Enlace O-glucosídico

Ya hemos visto que en la ciclación de un monosacárido se forma un hemiacetal (o hemicetal). Si un hemiacetal (o hemicetal) reacciona con un alcohol da un acetal (o cetal) completo. Así, por ejemplo, si la glucosa reacciona con metanol:

El metilglucósido formado carece de poder reductor (al no tener libre el -OH del carbono anomérico) y no presenta mutarrotación (no se produce interconversión entre las formas α y β).

Igualmente se puede establecer un enlace O-glucosídico por condensación de dos grupos hidroxilo de diferentes monosacáridos, con pérdida de una molécula de agua:

• Si en el enlace interviene el grupo hidroxilo del carbono anomérico del primer monosacárido y otro grupo alcohol del segundo monosacárido (que no sea el de su carbono anomérico), se establece un enlace monocarbonílico.

• Si en el enlace intervienen los dos grupos hidroxilos de los carbonos anoméricos de los dos monosacáridos, se forma un enlace dicarbonílico.

Disacáridos

Los disacáridos se forman por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace O-glucosídico. La hidrólisis de este enlace desprendería de nuevo los monosacáridos lo forman:

Como en el enlace siempre participa el grupo hidroxilo del carbono anomérico del primer monosacárido, el poder reductor de un disacárido vendrá determinado por el segundo monosacárido:

• Los disacáridos unidos mediante enlace monocarbonílico tendrán poder reductor, pues el hidroxilo del carbono anomérico del segundo monosacárido permanece libre.

• Los disacáridos formados por un enlace dicarbonílico no tendrán poder reductor, ya que están implicados los hidroxilos de los dos monosacáridos.

Los principales disacáridos son:

• Maltosa: α-D-glucopiranosil-(1→4)-α-D-glucopiranosa. Está formado por dos moléculas de α-D-glucosa, unidas mediante enlace monocarbonílico α(1→4). Tiene carácter reductor. Llamado azúcar de malta, es producto de la hidrólisis del almidón o del glucógeno.

• Celobiosa: β-D-glucopiranosil-(1→4)-β-D-glucopiranosa. Está formado por dos moléculas de β-D-glucosa, unidas mediante enlace monocarbonílico β(1→4). Tiene poder reductor. Se obtiene por hidrólisis de la celulosa.

• Lactosa: β-D-galactopiranosil-(1→4)-β-D-glucopiranosa. Está formado por una molécula de β-D-galactosa y otra de β-D-glucosa, unidas mediante enlace monocarbonílico β(1→4). Tiene poder reductor. Se encuentra libre en la leche de los mamíferos y no forma polímeros.

• Sacarosa: α-D-glucopiranosil-(1→2)-β-D-fructofuranosa. Está formado por una molécula de α-D-glucosa y otra de β-D-fructosa, mediante un enlace dicarbonílico, por lo que NO tiene poder reductor. Se almacena como reserva energética en las células vegetales y es el azúcar de uso común, que se extrae de la caña de azúcar y la remolacha.

Otros Oligosacáridos

Además de los disacáridos, podemos encontrar oligosacáridos formados por tres, cuatro… hasta diez monosacáridos (trisacáridos, tetrasacáridos…).

Son muy variados y muchos son característicos del organismo que los sintetiza. No vamos a centrarnos en su estudio, pero a modo de ejemplo mostraremosla rafinosa:

Los oligosacáridos se encuentran con frecuencia unidos a proteínas, formando las glucoproteínas, como una forma común de modificación tras la síntesis proteica.

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Actividad óptica de los monosacáridos

La existencia de carbonos asimétricos determina una importante propiedad de los monosacáridos en disolución: la actividad óptica. Ésta es la capacidad para desviar el plano de polarización de un haz de luz polarizada que atraviesa la disolución.

Según la teoría ondulatoria, la luz es una onda electromagnética que se propaga gracias a la oscilación de un campo eléctrico asociado a un campo magnético. La luz del Sol o de una bombilla no está polarizada pues su vibración se produce en todas las direcciones del espacio. Sin embargo, si filtramos esta luz a través de un polarizador obtenemos un haz de luz polarizada, que se caracteriza por vibrar en una única dirección. Cuando un haz de luz polarizada atraviesa una disolución ópticamente activa se observa que se desvía un determinado ángulo, que denominamos rotación.

• Cuando la rotación se produce en el sentido de las agujas del reloj, la molécula se denomina dextrógira y se designa como (+)

• Cuando la rotación se produce en el sentido contrario al de las agujas del reloj, se denomina levógiros y se designa como (–)

No debemos cometer el error de identificar la actividad óptica dextrógira o levógira con su estereoisomería D o L, pues son independientes. Un monosacárido en su forma D puede ser dextrógiro (como la D-glucosa) o levógiro (como la D-fructosa).

Polarímetro

El instrumento empleado para la medir la actividad óptica de una disolución es el polarímetro:

Su fácil manejo permite su uso en la caracterización de compuestos ópticamente activos. Incluso permite identificar enantiómeros, pues se comprueba que de cada par de enantiómeros, uno es levógiro y otro es dextrógiro (la rotación es la misma en ambos, pero lo hacen en direcciones opuestas).

Las formas cíclicas de los monosacáridos

Los monosacáridos de mayor tamaño (aldopentosas y hexosas) cuando se encuentran en disolución no presentan estructuras lineales sino estructuras cíclicas, con forma pentagonal o hexagonal. Si el ciclo resultante tiene forma pentagonal se denomina furanosa y si es hexagonal se llama piranosa, por su similitud con las moléculas de furano y pirano:

Las formas cíclicas se representan mediante las proyecciones de Haworth, en las cuales los sustituyentes se sitúan por encima y por debajo del plano de la molécula.

Ciclación de la glucosa

La glucosa es una aldohexosa y, como tal, se cicla formando un anillo hexagonal que llamamos glucopiranosa. En el proceso de ciclación se produce una reorganización de los átomos con formación de un enlace hemiacetálico entre el grupo aldehído y un grupo hidroxilo:

El grupo hidroxilo que participa en este enlace es justamente el que determina la forma D o L de la molécula. Ya que la forma D es predominante, estudiaremos cómo se forma la D-glucopiranosa:

El carbono carbonílico (el que posee el grupo carbonilo) en su forma cíclica se denomina carbono anomérico y determinará un nuevo tipo de isomería conocida como anomería, según sea la posición de su nuevo grupo hidroxilo: en la forma α el grupo hidroxilo del carbono anomérico queda por debajo del plano de la molécula y en la forma β el hidroxilo se sitúa sobre dicho plano. Así, para la glucopiranosa:

Este grupo hidroxilo es importante pues condiciona el tipo de enlace que se forma en la polimerización de monoscáridos. Como podemos comprobar todos estos procesos son reversibles y se establece un equilibrio entre todas ellas en disolución. La conversión de una estructura en otra se conoce como mutarrotación.

Conviene aclarar que, aunque sean la manera más útil para nosotros de visualizar los monosacáridos, las proyecciones de Haworth son unas representaciones planas de la estructura cíclica de las moléculas, y que existen maneras más realistas de representarlas, en las que se identifica con más precisión la estructura tridimensional de estas moléculas debida a la configuración tetraédrica del carbono. Se conocen como representaciones de silla y de bote:

Representación con forma de «silla» de la glucosa. Las dos formas anoméricas están en equilibrio (mutarrotación), siendo la forma β la más estable. 

Todo lo descrito anteriormente es aplicable al resto de aldohexosas como, por ejemplo, la galactosa:

β-D-galactopìranosa

Ciclación de la fructosa

La molécula de fructosa es una cetohexosa, por lo que en su ciclación se favorece la estructura pentagonal (el ciclo se cierra entre el carbono 2 y el 5). El enlace que se produce entre el grupo cetónico y el hidroxilo se denomina enlace hemicetal, y es análogo al que se produce en los aldehídos.

La ciclación de la D-fructosa conduce a la D-fructofuranosa:

Igualmente, existen dos anómeros de la fructofuranosa, según sea la posición del grupo hidroxilo en el carbono anomérico (la de la imagen anterior es la forma β, por estar el grupo -OH por encima del plano de la molécula).

Además de las cetohexosas, las aldopentosas también tienen formas cíclicas pentagonales y forman furanosas. Así ocurre con la ribosa:

Finalmente, es importante recalcar que los monosacáridos poseen poder reductor debido a la presencia del grupo carbonilo. El poder reductor se conserva en las formas cíclicas, aunque el grupo carbonilo no sea explícito, ya que la ciclación es un proceso reversible, y todas sus formas coexisten en el equilibrio (el grupo carbonilo puede estar disponible en cualquier momento y actuar como reductor en un reacción).

La isomería de los monosacáridos

Entre los compuestos orgánicos es muy frecuente la existencia de isómeros, es decir, moléculas con diferente estructura que se pueden representar por la misma fórmula molecular.

Los monosacáridos presentan con frecuencia esta característica y va a definir algunas propiedades particulares en cada uno de ellos. A grandes rasgos, podemos distinguir dos tipos de isomería: la isomería constitucional, en la que los átomos se enlazan de manera diferente, y la estereoisomería, según la cual las moléculas se diferencian sólo en la disposición espacial de sus átomos.

Isomería Constitucional

Dentro de este tipo, en los monosacáridos destaca la denominada isomería de función, según la cual aquellos que, presentando la misma fórmula molecular, se caracterizan por tener grupos funcionales distintos. Esto es debido a la posibilidad del grupo carbonilo de formar parte del monosacárido como aldehído o cetona. Así ocurre, por ejemplo, entre el gliceraldehído y la dihidroxiacetona:

Estereoisomería

Este tipo de isómeros se diferencian en la orientación o disposición espacial de sus átomos.

Es conveniente recordar que aunque estemos acostumbrados a representar los enlaces de los átomos de carbono como ángulos rectos sobre el papel (proyecciones de Fischer), su geometría tridimensional es tetraédrica, y sus enlaces pueden rotar de tal manera que ofrecen multitud de posiciones alternativas. Esto permite la existencia de los diferentes estereoisómeros de los monosacáridos. ¿Pero cómo sabemos si dos moléculas son realmente isómeros? Pues imaginaremos que superponemos una sobre la otra: si coinciden es que hablamos de la misma molécula, sin embargo, si al superponerlas no coinciden, resulta que son dos moléculas distintas isómeras entre sí. Quizá cueste un poco imaginarse esta situación, pero echa un vistazo a las siguientes imágenes:

Un espejo siempre nos proporciona una imagen invertida de la imagen real. En el caso de la silla, la imagen especular coincide con la imagen real, si superponemos una sobre otra todas sus partes coinciden (debido a su simetría). Sin embargo, la imagen especular de una mano siempre nos proporciona la imagen de la otra mano y éstas no son superponibles (debido a su asimetría).

Imaginemos que colocamos un espejo frente a una molécula. Si la molécula del espejo se puede superponer a la molécula original, será que ambas representan a la misma molécula:

Pero si la imagen especular de una molécula nos proporciona otra molécula no superponible, esta será un estereoisómero de la primera:

Este tipo de isomería se debe a la presencia de carbonos asimétricos en la molécula, es decir, carbonos unidos a cuatro sustituyentes o radicales distintos. Una consecuencia de la existencia de carbonos asimétricos en estas moléculas es que presentan actividad óptica.

Cuando dos isómeros son imagenes especulares no superponibles se les denomina enantiómeros, y en ellos las posiciones de todos los grupos hidroxilo (-OH) cambia. Pero también existen otro tipo de estereoisómeros que se diferencian en la posición de un solo grupo hidroxilo y se denominan diastereoisómeros o epímeros. Observa las diferencias entre unos y otros en las siguientes tetrosas:

Además, en el caso de los monosacáridos, la posición del grupo hidroxilo del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo permite diferenciar dos formas de estereoisómeros: la forma D, cuando el -OH está a la derecha, y la forma L, cuando el -OH está a la izquierda.

Esta distinción es relevante en Biología pues los monosacáridos más abundantes en la Naturaleza pertenecen a la serie D, y las enzimas son capaces de distinguir entre un estereoisómero y otro y, por tanto, seleccionarlos en su actividad biocatalizadora.

Existe otro tipo de isomería llamada anomería que surge de la ciclación de los monosacáridos en en disolución.

Los monosacáridos

Son los glúcidos más sencillos. Son sólidos cristalinos, de color blanco, no hidrolizables, solubles en agua y con sabor dulce. Todos ellos tienen poder reductor. Contienen entre 3 y 7 átomos de carbono (con más átomos de carbono son inestables) y según sea el caso se denominan triosas, tetrosas, pentosas, hexosas o heptosas.

Los monosacáridos cuyo grupo carbonilo sea un aldehído se denominan aldosas, mientras que si es cetónico se denominan cetosas. Incluso podemos incorporar a la denominación el número de átomos de carbono que contiene, de modo que podemos distinguir aldotriosas, cetotriosas, aldotetrosas, cetotetrosas…

Los monosacáridos participan como monómeros en los oligosacáridos y los polisacáridos.

Los principales monosacáridos son:

Triosas

Son dos: el gliceraldehído (aldotriosa) y la dihidroxiacetona (cetotriosa). Aparecen fosforilados como intermediarios en el metabolismo de la glucosa.

TetROSAS

Destacamos la eritrosa (aldotetrosa), como intermediario del metabolismo autótrofo.

PentoSAS

Destacamos la ribosa (aldopentosa), componente estructural de los nucleótidos y ácidos nucleicos, y la ribulosa (cetopentosa), intermediario de la fijación del dióxido de carbono en los seres autótrofos.

HexoSAS

• Glucosa (aldohexosa). Se encuentra libre en los frutos o formando polisacáridos de reserva (almidón, glucógeno) o estructurales (celulosa). Su degradación en la respiración celular supone la principal fuente energética celular.

• Galactosa (aldohexosa). Con la glucosa forma el disacárido lactosa. Forma parte de polisacáridos (gomas, pectina, mucílagos). Asociada a lípidos forma cerebrósidos.

• Fructosa (cetohexosa). Se encuentra libre en las frutas o unida a la glucosa formando el disacárido sacarosa.