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La estructura de la glucosa puede representarse de tres maneras
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La fórmula estructural de cadena recta (aldohexosa; figura 15-1A) puede explicar algunas de las propiedades de la glucosa, pero una estructura cíclica (un hemiacetal formado por reacción entre el grupo aldehído y un grupo hidroxilo) es favorecida en el aspecto termodinámico y explica otras propiedades. La estructura cíclica normalmente se dibuja como se muestra en la figura 15-1B, la proyección de Haworth, en la cual la molécula se ve desde el lado y por arriba del plano del anillo; los enlaces más cercanos al observador son marcados y engrosados, y los grupos hidroxilo están por arriba o por debajo del plano del anillo. En esta figura no se muestran los átomos de hidrógeno fijos a cada carbono. El anillo en realidad tiene forma de una silla (figura 15-1C).
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Los azúcares muestran diversas formas de isomerismo
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La glucosa, con cuatro átomos de carbono asimétricos, puede formar 16 isómeros. Los tipos de isomerismo de mayor importancia encontrados con la glucosa son:
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Isomerismo d y l. La designación de un isómero de azúcar como la forma d o su imagen en espejo como la forma l está determinada por su relación espacial con el compuesto original de los carbohidratos, el azúcar de tres carbonos glicerosa (gliceraldehído). En la figura 15-2 se muestran las formas l y d de este azúcar, y de la glucosa. La orientación de los grupos —H y —OH alrededor del átomo de carbono adyacente al carbono alcohol primario terminal (carbón 5 en la glucosa) determina si el azúcar pertenece a la serie d o l. Cuando el grupo —OH en dicho carbono está a la derecha (figura 15-2), el azúcar es el isómero d; cuando está a la izquierda, es el isómero l. Casi todos los monosacáridos que se encuentran en mamíferos son azúcares d, y las enzimas de las cuales depende su metabolismo son específicas para esta configuración.
La presencia de átomos de carbono asimétricos también confiere actividad óptica al compuesto. Cuando un haz de luz polarizada por plano se hace pasar a través de una solución de un isómero óptico, rota hacia la derecha (es dextrorrotatorio [+]), o hacia la izquierda (es levorrotatorio [−]). La dirección de rotación de luz polarizada es independiente de la estereoquímica del azúcar, de modo que puede designarse d(–), d(+), l(−) o l(+); por ejemplo, la forma de fructosa que existe de manera natural es el isómero d(−). Dextrorrotatorio (+) en alguna época se denominó d-, y levorrotatorio (−) l-, lo cual genera confusión. Esta nomenclatura es obsoleta, pero puede encontrarse a veces; no se relaciona con el isomerismo d y l. En solución, la glucosa es dextrorrotatoria y las soluciones de glucosa a veces se conocen como dextrosa.
Estructuras en anillo piranosa y furanosa. Las estructuras en anillo de monosacáridos son similares a las estructuras en anillo de pirano (un anillo de seis miembros) o furano (un anillo de cinco miembros) (figuras 15-3 y 15-4). Para la glucosa en solución, más de 99% está en la forma de piranosa.
Anómeros α y β. La estructura en anillo de una aldosa es hemiacetal, porque se forma por la reacción entre un grupo aldehído y un alcohol. De modo similar, la estructura en anillo de una cetosa es un hemicetal. La glucosa cristalina es α-d-glucopiranosa. La estructura cíclica se retiene en solución, pero ocurre isomerismo alrededor de la posición 1, el carbonilo o átomo de carbono anomérico, para dar una mezcla de α-glucopiranosa (38%) y β-glucopiranosa (62%). Menos de 0.3% está representado por anómeros α y β de glucofuranosa.
Epímeros. Los isómeros que difieren como resultado de variaciones de configuración del –OH y –H en los átomos de carbono 2, 3 y 4 de la glucosa, se conocen como epímeros. Desde el punto de vista biológico, los epímeros de mayor importancia de la glucosa son manosa (epimerizada en el carbono 2) y galactosa (epimerizada en el carbono 4) (figura 15-5).
Isomerismo de aldosa-cetosa. La fructosa tiene la misma fórmula molecular que la glucosa, pero difieren en su estructura, porque hay un grupo ceto potencial en la posición 2, el carbono anomérico de la fructosa, mientras que hay un grupo aldehído potencial en la posición 1, el carbono anomérico de la glucosa En las figuras 15-6 y 15-7 se muestran ejemplos de azúcares aldosa y cetosa. Desde el punto de vista químico, las aldosas son compuestos reductores y a veces se conocen como azúcares reductores. Esto proporciona la base para una prueba química simple para glucosa en orina en pacientes con diabetes mellitus mal controlada, mediante reducción de una solución de cobre alcalina (capítulo 48).
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Muchos monosacáridos son importantes en el aspecto fisiológico
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Los derivados de triosas, tetrosas y pentosas, y de un azúcar de siete carbonos (sedoheptulosa) se forman como intermediarios metabólicos en la glucólisis (capítulo 17) y la vía de la pentosa fosfato (capítulo 20). Las pentosas son importantes en nucleótidos, ácidos nucleicos y varias coenzimas (cuadro 15-2). La glucosa, galactosa, fructosa y manosa son las hexosas de mayor importancia fisiológica (cuadro 15-3). Las cetosas importantes desde el punto de vista bioquímico se muestran en la figura 15-6, y las aldosas, en la figura 15-7.
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Además, los derivados de la glucosa, del ácido carboxílico, son importantes, entre ellos el D-glucuronato (para la formación de glucurónido y en glucosaminoglucanos) y su derivado metabólico, l-iduronato (en glucosaminoglucanos) (figura 15-8) y l-gulonato (un intermediario de la vía del ácido urónico; figura 20-4).
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Los azúcares forman glucósidos con otros compuestos y entre sí
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Los glucósidos se forman por condensación entre el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido, y un segundo compuesto que puede ser otro monosacárido o, en el caso de una aglucona, no es un azúcar. Si el segundo grupo es un hidroxilo, el enlace O-glucosídico es un enlace acetal porque se produce por una reacción entre un grupo hemiacetal (formado a partir de un aldehído y un grupo —OH) y otro grupo —OH. Si la porción hemiacetal es glucosa, el compuesto resultante es un glucósido; si es galactosa, un galactósido, y así sucesivamente. Si el segundo grupo es una amina, se forma un enlace N-glucosídico, por ejemplo, entre adenina y ribosa en nucleótidos como ATP (figura 11-4).
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Los glucósidos están ampliamente distribuidos en la Naturaleza; la aglucona puede ser metanol, glicerol, un esterol, un fenol, o una base como adenina. Los glucósidos importantes en medicina debido a su acción sobre el corazón (glucósidos cardíacos) contienen esteroides como la aglucona. Éstos incluyen derivados de la digital y del estrofanto, como ouabaína, un inhibidor de la Na+−K+- ATPasa de las membranas celulares. Otros glucósidos comprenden antibióticos como la estreptomicina.
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Los azúcares desoxi carecen de un átomo de oxígeno
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Los azúcares desoxi son aquellos en los cuales un grupo hidroxilo ha quedado reemplazado por hidrógeno. Un ejemplo es la desoxirribosa (figura 15-9) en el DNA. El azúcar desoxi l-fucosa (figura 15-15) existe en glucoproteínas; la 2-desoxiglucosa se usa de forma experimental como un inhibidor del metabolismo de la glucosa.
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Los azúcares amino (hexosaminas) son componentes de glucoproteínas, gangliósidos y glucosaminoglucanos
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Los azúcares amino incluyen D-glucosamina, un constituyente del ácido hialurónico (figura 15-10), D-galactosamina (también conocida como condrosamina), un constituyente de la condroitina y la D-manosamina. Varios antibióticos (p. ej., eritromicina) contienen azúcares amino, que son importantes para su actividad antibiótica.
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La maltosa, la sacarosa y la lactosa son disacáridos importantes
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Los disacáridos son azúcares compuestos de dos residuos monosacárido unidos por un enlace glucósido (figura 15-11). Los disacáridos importantes en el aspecto fisiológico son maltosa, sacarosa y lactosa (cuadro 15-4). La hidrólisis de la sacarosa da una mezcla de glucosa y fructosa denominada “azúcar invertido” porque la fructosa es fuertemente levorrotatoria y cambia (invierte) la acción dextrorrotatoria más débil de la sacarosa.
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