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4. CARBOHIDRATOS.Fundamentos de Biotecnología 3007815-1

DEPARTAMENTO DE PROCESOS Y ENERGÍA

FACULTAD DE MINAS

●Definición, funciones, particularidades●Algunos carbohidratos importantes●Monosacáridos● Polisacáridos y características● Propiedades de algunos monosacáridos y sus

derivados●Disacáridos●Otros polisacáridos importantes●Otras propiedades de monosacáridos



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Químicamente se definen como poli-hidroxi-aldehidos o poli-hidroxi-cetonas.

✓ Son hidratos de carbono y por lo tanto contienen C, H y O.

✓ Algunas moléculas con N y S se consideran también carbohidratos.

Polihidroxialdehido polihidroxicetona

Estructura cíclica de carbohidratos

http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/carbohydrates/glucose.sw f



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Funciones biológicas:

✓ Importantes en el metabolismo energético

✓ Bloques de construcción de pared celular

✓ Estructura en RNA y DNA (Desoxi/Ribosa)

✓ Con proteínas y lípidos participan en sistemas de protección de las células



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Particularidades de los Carbohidratos



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✓ 60-90% del peso seco de las plantas

http://www.cartoonstock.com/lowres/vsh0236l.jpg

✓ 80% del aporte calórico a seres humanos

✓ Plantas producen carbohidratos a partir de CO2

✓ Son fuente de carbono y energía para Microorganismos



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Algunos carbohidratos importantes

Ribosa y Desoxiribosa, participan en los ácidos nucleicos como estructura:

✓ Son azúcares de 5 carbonos (pentosas)

✓ Se conocen como Monosacáridos (una sola molécula de azúcar)



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Glucosa y fructosa, participan en estructura y como fuente de energía.

✓ Son azúcares de 6 carbonos (hexosas)

✓ Son también Monosacáridos (una sola molécula de azúcar)



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Monosacáridos

✓ Una sola unidad de polihidroxialdehído o polihidroxicetona

✓ Según el número de carbonos pueden ser: Triosas, Tetrosas, Pentosas, Hexosas, Heptosas, …

✓ Según grupo funcional pueden ser:

✓ Aldosa → Aldehído

✓ Cetosa → Cetona

✓ Usualmente se encuentran en la naturaleza como polisacáridos



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Polisacáridos

Los azúcares simples pueden unirse con otras unidades de azúcar para producir cadenas de dos o más unidades. Se unen mediante enlaces Glicosídicos.

El enlace glicosídico se da por la reacción de dos grupos OH liberando agua.



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Formación de enlaces glucosídicos (video)

http://www.youtube.com/watch?v=EMtRoffOF1Q

Polisacáridos

Dependiendo del número de unidades de azúcar que se unan se obtienen:

Disacáridos: 2 unidades

Trisacáridos: 3 unidades

Oligosacáridos: n unidades n<10

Polisacáridos: n unidades n>10



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http://www.Academic.brooklyn.cuny.edu/…/page/starch.html



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Polisacáridos: Almidón

Unidades repetidas de glucosa unidas por enlaces α-1,4

Reservas de carbono y energía en bacterias y plantas Almidón (Amilosa)

Academic.brooklyn.cuny.edu/…/page/starch.html

Almidón (Amilopectina)



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Polisacáridos: Glucógeno

Unidades repetidas de glucosa unidas por enlaces α-1,4 y α-1,6

Reservas de carbono y energía en animales



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Polisacáridos: celulosa

Unidades repetidas de glucosa unidas por enlaces β-1,4

Material rígido que le da estructura a plantas

http://www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/wood/figures/cellulose.png



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Polisacáridos

❑ Homopolisacárido: misma unidad de azúcar

❑ Heteropolisacárido: diferentes unidades de azúcar



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Son compuestos amorfos, insolubles, insípidos y de alto peso molecular

http://www.germes-online.com/direct/dbimage/50282938/Potato_Starch.jpg



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Estructura y propiedades de algunos monosacáridos y sus derivados.

Ribosa y deoxiribosa

● Se encuentran en los ácidos nucleicos en forma furanosa

● La D-ribosa también es un intermediario en la ruta metabólica de los carbohidratos y un compuesto de algunas coenzimas (ATP, NAD, NADP).



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Xilulosa y Ribulosa

Participan en la síntesis de carbohidratos en la fotosíntesis

Glucosa, galactosa, manosa y fructosa



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Estos azúcares son los más abundantes y participan activamente en el metabolismo celular

La fructosa es la única cetohexosa presente en la naturaleza.

También importantes:

Ramnosa y fucosa (ver estructuras)

D-glucosamina y D-galatosamina

Son aminoazúcares y se encuentran en tejidos como polisacárido estructural

Componente de glucolípidos y glucoproteínas



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Disacáridos: Maltosa, celobiosa, isomaltosa, trealosa

Usualmente se obtienen de la hidrólisis de polisacáridos. En la hidrólisis ácida o enzimática se obtienen 2 moléculas de glucosa

La diferencia radica básicamente en el tipo de enlace que presentan



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Disacárido: Lactosa

Se encuentra naturalmente en la leche. Su hidrólisis produce 1 molécula de D-glucosa y una de D-galactosa. Presenta un enlace β 1,4



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Es un azúcar reductor.



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Disacárido: Sacarosa

Es el azúcar común, muy abundante. Su hidrólisis ácida o enzimática produce 1 mol de D-glucosa y 1 mol de D-fructosa

Presenta un enlace α1,2 que lo hace un azúcar no reductor



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Otros polisacáridos importantes

A parte del almidón, el glucógeno y la celulosa se encuentran en la naturaleza:

Hemicelulosa: Formado por pentosas (D-xilosa) y (arabinosa) con enlaces β1,4

Pectina: Formado por ácido D-galacturónico, arabinosa y galactosa

Ácido hialurónico: Formado por ácido D-glucurónico y N-acetil-glucosamina. Cubierta viscosa y delgada en las células enlaces β1,3 y β1,4. Presente en células animales y bacterias



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Peptidoglicano: Formado por N-acetil-D-glucosamina y A. N-acetil-murámico. Heteropolímero lineal que presenta enlaces β1,4. Hacen parte de la pared bacteriana, resistentes al ataque de enzimas, excepto lisozimas



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Propiedades de monosacáridos:

Enolización: Bases diluidas inducen reordenaciones sobre el carbono anomérico ( lectura)



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Deshidratación: Usualmente los monosacáridos son estables en un medio de ácido mineral diluido, aun cuando se eleva su temperatura.

Cuando las aldohexosas se calientan con ácidos de minerales fuertes, se deshidratan y se transforman en hidroximetilfurfural, las pentosas en furfural



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Oxidación-Reducción: Algunos azúcares actúan como reductores debido a que en su molécula están presentes radicales aldehídicos o cetónicos, ya sean libres o potencialmente libres como en las formas hemiacetálicas (revisar) cíclicas. Tienen capacidad para reducir iones metálicos (Cu++ y Ag+) en solución alcalina. La oxidación de carbohidratos también puede ser enzimática



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Formación de disacáridos:

Si a un hemiacetal se le adiciona otro alcohol y ese alcohol es un monosacárido, entonces se forma un disacárido unido por un enlace glicosídico.

http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/cho/monosaccharides.htm



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Azúcares reductores

Azúcares que forman un aldehído en su carbono 1 ó tienen un grupo α-hidroximetilcetona que se puede hidrolizar en medio básico (fructosa).




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Azúcares reductores


Gliceraldehído y Dihidroxiacetona



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Se encuentran en células vegetales y animales, participan en metabolismo de carbohidratos.http://employees.csbsju.edu/hjakubowski/classes/ch331/cho/monosaccharides.htm

Aplicación de la propiedad Oxidación-Reducción:

El azúcar se oxida al ácido mientras que los metales o el NADP+ se reducen



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Reducción de monosacáridos:

Las funciones aldehídicas o cetónicas de los monosacáridos se pueden reducir químicamente (con H2 o NaBH4) o con enzimas, dando lugar a los alcoholes de azúcar correspondientes.



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D-glucosa, D-manosa, D-xilosa y el D-gliceraldehído se reducen a D-sorbitol, D-manitol, D-xilitol y glicerina, respectivamente

Reducción de monosacáridos:



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Isomerismo

La presencia de isómeros en la naturaleza es de gran importancia.

Se tienen:

Isómeros estructurales

Misma fórmula molecular, diferente estructura

✓ Isómeros de cadena

Diferente posición de los átomos de carbono



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2-metil propano



✓ Isómeros de posición

Diferente posición de grupo sustituyente



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n-propanol

2-propanol, isopropyl alcohol,iso-propanol



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✓ Isómeros de grupo funcional

Poseen diferentes grupos funcionales

n-propanal



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Propanona

Recorderis para aplicar en el ejemplo anterior.

La fórmula general de los aldehídos es:

donde la R representa cualquier hidrocarburo.

Los alcoholes secundarios reaccionan también con los reactivos oxidantes, pero no se produce un aldehído, sino una cetona. La terminación utilizada en los nombres de las cetonas es –ona. Para formar estos compuestos es necesaria también la eliminación de dos átomos de hidrógeno, como se observa a continuación:



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Estereoisómeros

Misma fórmula molecular, misma estructura, diferente configuración

✓ Isómeros geométricos

Misma fórmula molecular, dos isómeros (cis – trans)

cis-2-buteno



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trans-2-buteno

Estereoisómeros

Misma fórmula molecular, misma estructura, diferente configuración

✓ Isómeros ópticos

Poseen átomos de C asimétricos (actividad óptica)

Muy comunes en carbohidratos.



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Isómeros de alanina

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/D%2BL-Alanine.gif



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Isómeros ópticos

Hacen girar el plano de la luz polarizada

- En sentido de las manecillas del reloj (+)

- En sentido contrario (-)

Se presenta quiralidad, imágenes especulares

✓ Las moléculas no se pueden superponer entre sí (enantiómeros)

Debe existir un átomo de carbono asimétrico (quiral) que tiene cuatro grupos distintos unidos a él



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Isómeros ópticos

Cuando se tiene una mezcla con igual concentración del enantiómero (-) y del enantiómero (+) se conoce como Mezcla Racémica o Racemato y no es ópticamente activa.

Ejemplo: Ácido Láctico

Enantiómero (+) se encuentra en el músculo

La mezcla racémica en la leche ácida



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http://www.creative-chemistry.org.uk/molecules/optical.htm#



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Isómeros ópticos

!!Pilas¡¡

La nomenclatura puede llevar a confusión

(+) Dextrógiro, hacen girar la luz en sentido

de manecillas del reloj

(-) Levógiro, hacen girar la luz en sentido

contrario de las manecillas

(L) Y (D), Analogía con la molécula de

Gliceraldehído (referencia)

D o L depende del grupo OH en

la molécula.



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Isómeros ópticos

Ejercicio

Con base en la molécula de Gliceraldehído, nombre los enantiómeros del ácido láctico usando la nomenclatura D, L



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Nombres importantes con los que se distingue a los isómeros

http://www.youtube.com/watch?v=3WZZXPOsPNI&feature=related

Enantiómeros: imágenes especulares


Diastereoisómeros: No son imágenes especulares



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Anómeros: Difieren en configuración sobre el C anomérico o hemiacetal.

Epímeros : difieren sólo en la configuración alrededor de un sólo átomo de carbono asimétrico




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Mutarrotación: Cambio gradual de la rotación óptica hasta alcanzar equilibrio

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