CAPÍTULO 7: Carbohidratos

Sinopsis

LOS CARBOHIDRATOS NO SON SÓLO UNA FUENTE IMPORTANTE DE PRODUCCIÓN RÁPIDA DE ENERGÍA EN LAS CÉLULAS, TAMBIÉN SON LAS ESTRUCTURAS fundamentales de las células y componentes de numerosas rutas metabólicas. En la actualidad se reconoce que los polímeros de azúcares unidos a proteínas y a lípidos son un sistema de codificación de alta densidad. Los seres vivos aprovechan la vasta diversidad estructural de estas moléculas para producir la capacidad informática necesaria para los procesos vitales. En este capítulo se describe la estructura y la química de moléculas de carbohidratos típicas que están presentes en los seres vivos, y se introduce la glucómica, la investigación del código de los azúcares.

Los carbohidratos, las biomoléculas con más abundancia en la naturaleza, son un vínculo directo entre la energía solar y la energía de los enlaces químicos de los seres vivos. (Más de la mitad de todo el carbono “orgánico” se encuentra en los carbohidratos.) Se forman durante la fotosíntesis (cap. 13), proceso bioquímico en el que se captura la energía luminosa y se utiliza para impulsar la biosíntesis de moléculas orgánicas con energía abundante a partir de las moléculas con poca energía: CO₂ y H₂O. La mayoría de los carbohidratos contienen carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción (CH₂O)n, de aquí su nombre. Se han adaptado a una amplia diversidad de funciones biológicas, como fuentes de energía (p. ej., la glucosa), como elementos estructurales (p. ej., la celulosa y la quitina en los vegetales y en los insectos, respectivamente) y como precursores de la producción de otras biomoléculas (p. ej., aminoácidos, lípidos, purinas y pirimidinas). Los carbohidratos se clasifican en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, según el número de unidades de azúcares sencillos que contengan; también son partes integrales de otras biomoléculas. Un grupo extenso de glucoconjugados (moléculas proteínicas y lipídicas con grupos de carbohidratos ligados de forma covalente) están repartidos entre todas las especies vivientes, de manera más notoria, entre los organismos eucariotas. Determinados carbohidratos (los azúcares ribosa y desoxirribosa) son elementos estructurales de los nucleótidos y de los ácidos nucleicos.

Este capítulo proporciona fundamentos para comprender los complejos procesos de los seres vivos, revisando la estructura y la función de los carbohidratos y de los glucoconjugados más comunes. El capítulo termina con una consideración del código de los azúcares, el mecanismo mediante el cual se utiliza la estructura de los carbohidratos para codificar información biológica.

Los monosacáridos o azúcares sencillos son aldehídos o cetonas polihidroxilados. Recuerde que en el capítulo 1 se menciona que los monosacáridos con un grupo funcional aldehído se denominan aldosas, mientras que los que tienen un grupo ceto se denominan cetosas (fig. 7.1). Las aldosas y las cetosas más sencillas son, respectivamente, el gliceraldehído y la dihidroxiacetona (fig. 7.2). Los azucares se clasifican también según el número de átomos de carbono que contienen. Por ejemplo, los azúcares más pequeños, denominados triosas, contienen tres átomos de carbono. Los azúcares de cuatro, cinco y seis átomos de carbono se llaman tetrosas, pentosas y hexosas, respectivamente. Los monosacáridos más abundantes en las células son las pentosas y las hexosas. A menudo se describe a los monosacáridos con nombres como aldohexosas y cetopentosas, que combinan información sobre el número de átomos de carbono y sobre los grupos funcionales. Por ejemplo, la glucosa, un azúcar de seis carbonos que contiene un aldehído, se denomina aldohexosa.

Las estructuras de los azúcares que se ilustran en las figuras 7.1 y 7.2 se denominan proyecciones de Fischer (en honor del gran químico alemán ganador del premio Nobel, Emil Fischer). En estas estructuras, el esqueleto hidrocarbonado se esquematiza de forma vertical con el carbono más oxidado en la parte superior. Se conjetura que las líneas horizontales se proyectan hacia el observador y que las líneas verticales se alejan de él.

Estereoisómeros de los monosacáridos

Cuando el número de átomos de carbono quirales aumenta en los compuestos con actividad óptica, también lo hace el número de isómeros ópticos posibles. El número total de éstos puede determinarse utilizando la regla de van’t Hoff: un compuesto con n átomos de carbono quirales tiene un máximo de 2ⁿ estereoisómeros posibles. Por ejemplo, cuando n es igual a 4, existen 2⁴ o 16 estereoisómeros (8 d y 8 l).

En los isómeros ópticos, el carbono de referencia es el carbono asimétrico que está más alejado del carbono carbonilo. Su configuración es semejante a la del carbono asimétrico en el d-gliceraldehído o en el l-gliceraldehído. Casi todos los azúcares naturales tienen la configuración d. Pueden considerarse derivados de la triosa d-gliceraldehído (las aldosas) o de la triosa no quiral dihidroxiacetona (las cetosas). (Obsérvese que aunque la dihidroxiacetona no tiene un carbono asimétrico, es claramente el compuesto de referencia para las cetosas.) En la familia de las d-aldosas (fig. 7.3), que contiene los monosacáridos biológicos más importantes, el grupo hidroxilo se encuentra hacia la derecha sobre el átomo de carbono quiral más alejado del carbono más oxidado (en este caso el grupo aldehído) de la molécula (p. ej., el carbono 5 en un azúcar de seis carbonos).

Los estereoisómeros que no son enantiómeros (isómeros especulares) se denominan diastereoisómeros. Por ejemplo, las aldopentosas d-ribosa y l-ribosa son enantiómeros, al igual que la d-arabinosa y la l-arabinosa (fig. 7.4). Los azúcares d-ribosa y d-arabinosa son diastereoisómeros porque son isómeros pero no imágenes especulares. Los diastereoisómeros que se diferencian en la configuración de un único átomo de carbono asimétrico se denominan epímeros. Por ejemplo, d-glucosa y d-galactosa son epímeros porque sus estructuras sólo se diferencian en la configuración del grupo OH del carbono 4 (fig. 7.3). La d-manosa y la d-galactosa no son epímeros, porque sus configuraciones difieren en más de un carbono.

Estructura cíclica de los monosacáridos

Los azúcares que contienen cuatro o más carbonos se encuentran principalmente en formas cíclicas. La formación del anillo se produce en solución acuosa debido a que los grupos aldehído y cetona reaccionan de manera reversible con los grupos hidroxilo presentes en el azúcar para formar hemiacetales y hemicetales cíclicos, respectivamente. Los hemiacetales y hemicetales ordinarios, que se forman cuando las moléculas que contienen un grupo funcional aldehído o cetona reaccionan con un alcohol, son inestables y revierten con facilidad a sus formas aldehído o cetona (fig. 7.5). Sin embargo, cuando el grupo aldehído o cetona y el grupo funcional alcohol son parte de la misma molécula se produce una reacción de ciclación intramolecular que puede formar productos estables. Los anillos cíclicos hemiacetal y hemicetal más estables contienen cinco o seis átomos. Al producirse la ciclación, el carbono carbonilo se transforma en un nuevo centro quiral. Este carbono se denomina átomo de carbono anomérico. Los dos diastereoisómeros posibles que pueden formarse durante la reacción de ciclación se denominan anómeros.

En los azúcares aldosas, el grupo hidroxilo del hemiacetal recién formado se produce en el carbono 1 (el carbono anomérico). Como el carbono anomérico es quiral, pueden formarse dos estereoisómeros de la aldosa: el α anómero o el β anómero. En las proyecciones de Fischer, el hidroxilo anomérico α se produce hacia la derecha y el β hidroxilo hacia la izquierda (fig. 7.6). Es importante señalar que los anómeros se definen con relación a la clasificación de azúcares d y l. Las reglas anteriores sólo se aplican a los azúcares d, los más comunes de la naturaleza. En los azúcares l el grupo OH anomérico α está por encima del anillo. La ciclación de los azúcares se observa mejor con las estructuras de Haworth.

ESTRUCTURAS DE HAWORTH Las proyecciones de Fischer de las moléculas de azúcar cíclicas utilizan un enlace largo para indicar la estructura de anillo. El químico inglés W. N. Haworth ideó una imagen más exacta de la estructura de los carbohidratos (fig. 7.7). Las estructuras de Haworth representan de forma más apropiada los ángulos y las longitudes de los enlaces que las representaciones de Fischer. En las presentaciones de Haworth de las aldosas, el grupo hidroxilo del carbono anomérico se encuentra sobre el anillo del mismo lado que el grupo CH₂OH (la posición “arriba”) o debajo del anillo al lado opuesto del grupo CH₂OH (la posición “abajo”). Para los azúcares d, cuando el grupo hidroxilo está abajo, la estructura es la forma anomérica α. Si el grupo hidroxilo está arriba, se trata de la forma anomérica β. En los azúcares l se invierte esta regla: el grupo OH anomérico α está arriba del anillo y el grupo OH anomérico β está debajo del anillo.

Los anillos hemiacetálicos de cinco miembros se denominan furanosas por su semejanza estructural con el furano (fig. 7.8). Por ejemplo, la forma cíclica de la fructosa que se describe en la figura 7.9 se denomina fructofuranosa. Los anillos de seis miembros se denominan piranosas por su semejanza con el pirano. La glucosa, en la forma piranosa, se denomina glucopiranosa.

ESTRUCTURAS CONFORMACIONALES Aunque las fórmulas de proyección de Haworth suelen utilizarse para representar la estructura de los carbohidratos, son simplificaciones. El análisis de los ángulos de los enlaces y los estudios con rayos X han demostrado que las fórmulas conformacionales son representaciones más exactas de la estructura de los monosacáridos (fig. 7.10). Las estructuras conformacionales son más exactas porque ilustran la naturaleza fruncida de los anillos de los azúcares.

Los modelos espaciales, cuyas dimensiones son proporcionales a los radios de los átomos de van der Waals, proporcionan también información estructural útil (figs. 7.21, 7.22 y 7.23).

Los monosacáridos experimentan la mayoría de las reacciones que son típicas de los aldehídos, de las cetonas y de los alcoholes. A continuación se describen las más importantes de éstas en los seres vivos.

MUTARROTACIÓN Las formas α y β de los monosacáridos se interconvierten con facilidad cuando se disuelven en agua. Este proceso espontáneo, denominado mutarotación, produce una mezcla de equilibrio de las formas α y β en las estructuras de anillo de la furanosa y de la piranosa. La proporción de cada forma varía con cada tipo de azúcar. Por ejemplo, la glucosa se encuentra de forma predominante como una mezcla de las formas α piranosa (38%) y β piranosa (62%) (fig. 7.11). La mayoría de la fructosa se encuentra en las formas α furanosa y β furanosa. La cadena abierta que se forma durante la mutarrotación puede participar en reacciones de oxidación-reducción.

Reacciones de los monosacáridos

Los grupos carbonilo e hidroxilo de los azúcares pueden experimentar varias reacciones químicas. Entre las más importantes están la oxidación, la reducción, la isomerización, la esterificación, la formación de glucósidos y la glucosilación.

OXIDACIÓN En presencia de agentes oxidantes, de iones metálicos como el Cu²⁺ y de determinadas enzimas, los monosacáridos se oxidan con facilidad. La oxidación de un grupo aldehído origina un ácido aldónico, mientras que la oxidación de un grupo terminal CH₂OH (pero no del grupo aldehído) da lugar a un ácido urónico. La oxidación del aldehído y del CH₂OH produce un ácido aldárico (fig. 7.12).

Los grupos carbonilo de los ácidos aldónicos y de los ácidos urónicos pueden reaccionar con un grupo OH de la misma molécula para formar un éster cíclico conocido como lactona:

Las lactonas se encuentran de forma habitual en la naturaleza. Por ejemplo, el ácido l-ascórbico, también conocido como vitamina C (fig. 7.13), es un derivado lactona del ácido d-glucurónico. Es sintetizado por todos los mamíferos excepto por los cobayos, los simios, los murciélagos frugívoros y, por supuesto, los seres humanos. Estas especies deben obtenerlo de los alimentos, de aquí el nombre vitamina C. El ácido ascórbico es un potente reductor; es decir, protege a las células de las especies altamente reactivas de oxígeno y nitrógeno. Además, es necesario para las reacciones de hidroxilación del colágeno.

Los azúcares que pueden ser oxidados por agentes oxidantes débiles como el reactivo de Benedict se denominan azúcares reductores (fig. 7.14). La reacción sólo se produce con azúcares que pueden revertir a la forma de cadena abierta, todos los monosacáridos son azúcares reductores. Por lo tanto, todas las aldosas son azúcares reducidos. Las cetosas como la fructosa son azúcares reducidos porque se convierten en aldosas por reacciones de isomerización (véase más adelante).

REDUCCIÓN La reducción de los grupos aldehído y cetona de los monosacáridos produce los alcoholes azúcares (alditoles). Por ejemplo, la reducción de la d-glucosa proporciona d-glucitol, que también se conoce como d-sorbitol (fig. 7.15). Los alcoholes azúcares se utilizan de forma comercial en preparaciones alimentarias y farmacéuticas. Por ejemplo, el sorbitol mejora el periodo de conservación de los dulces porque ayuda a evitar la pérdida de humedad. La adición de jarabe de sorbitol a las frutas edulcoradas de forma artificial envasadas en latas reduce el regusto desagradable del edulcorante artificial sacarina. Una vez que se consume, el sorbitol se convierte en fructosa en el hígado.

ISOMERIZACIÓN Los monosacáridos experimentan varios tipos de isomerizaciones. Por ejemplo, tras varias horas una solución alcalina de d-glucosa también contiene d-manosa y d-fructosa. Ambas isomerizaciones implican un desplazamiento intramolecular de un átomo de hidrógeno y una nueva ubicación de un doble enlace (fig. 7.16). El intermediario que se forma se denomina enodiol. La transformación reversible de la glucosa en fructosa es un ejemplo de interconversión aldosa-cetosa. La conversión de glucosa en manosa se denomina epimerización, debido a que cambia la configuración de un solo carbono asimétrico. En el metabolismo de los carbohidratos tienen lugar varias reacciones catalizadas por enzimas que implican enodioles (cap. 8).

ESTERIFICACIÓN Como todos los grupos OH libres, los de los carbohidratos pueden convertirse en ésteres por reacciones con ácidos. La esterificación suele cambiar en gran medida las propiedades físicas y químicas de los azúcares. Los ésteres fosfato y sulfato de los carbohidratos se encuentran entre los más comunes de la naturaleza.

Los derivados fosforilados de determinados monosacáridos son componentes metabólicos importantes de las células que a menudo se forman durante reacciones con ATP. Son importantes porque muchas transformaciones bioquímicas utilizan reacciones de sustitución nucleófila. Éstas requieren un grupo saliente. En una molécula de carbohidrato lo más probable es que este grupo sea un OH. Sin embargo, como los grupos OH son malos grupos salientes, es poco probable cualquier reacción de sustitución. El problema se resuelve convirtiendo un grupo OH adecuado en un éster fosfato, que después puede ser desplazado por un nucleófilo entrante. Como consecuencia, una reacción lenta se produce ahora con mayor rapidez.

Los ésteres sulfato de las moléculas de carbohidratos se encuentran, de manera predominante en los componentes proteoglucanos del tejido conjuntivo. Como los ésteres sulfato están cargados, se unen a grandes cantidades de agua y de iones pequeños. Asimismo participan en la formación de puentes salinos entre las cadenas de carbohidratos.

FORMACIÓN DE GLUCÓSIDOS Los hemiacetales y hemicetales reaccionan con los alcoholes para formar el correspondiente acetal o cetal (fig. 7.17). Cuando la forma cíclica hemiacetal o hemicetal del monosacárido reacciona con un alcohol, el nuevo enlace se denomina enlace glucosídico, y el compuesto se denomina glucósido. El nombre del glucósido especifica el componente de azúcar. Por ejemplo, los acetales de la glucosa y los cetales de la fructosa se denominan glucósido y fructósido, respectivamente. Además, los glucósidos derivados de azúcares con anillos de cinco miembros se denominan furanósidos; los derivados de azúcares con anillos de seis integrantes se denominan piranósidos. El ejemplo relativamente sencillo que se muestra en la figura 7.18 ilustra la reacción de la glucosa con el metanol para formar dos tipos anoméricos de glucósidos metilados. Debido a que los glucósidos son acetales, son estables en soluciones básicas. Las moléculas de carbohidratos que sólo contienen grupos acetal no dan resultados positivos con el reactivo de Benedict. (La formación del acetal “bloquea” un anillo para que no pueda experimentar oxidación o mutarrotación.) Sólo los hemiacetales actúan como agentes reductores.

Si se forma un enlace acetal entre el grupo hidroxilo hemiacetal de un monosacárido y el grupo hidroxilo de otro monosacárido, el glucósido que se forma se denomina disacárido. Una molécula que contiene un gran número de monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos se denomina polisacárido.

REACCIONES DE GLUCOSILACIÓN Las reacciones de glucosilación unen azúcares o glucanos (polímeros de azúcar) a proteínas o a lípidos. Análogas a la formación de glucósidos entre moléculas de azúcar, las reacciones de glucosilación, catalizadas por las glucosil transferasas, forman enlaces glucosídicos entre carbonos anoméricos en determinados glucanos y entre átomos de nitrógeno u oxígeno en otros tipos de moléculas. Por ejemplo, los enlaces glucosídicos N y glucosídicos O son características estructurales notables de las glucoproteínas.

Los azúcares reductores también pueden interactuar con átomos de nitrógeno nucleófilos en reacciones no enzimáticas. Estas reacciones de glucación ocurren con rapidez en presencia de calor (p. ej., al cocinar alimentos que contienen azúcar) o lentamente en el cuerpo cuando hay un exceso de moléculas de azúcar. El ejemplo mejor investigado es la reacción que ocurre entre la glucosa y el nitrógeno amino de la cadena lateral de residuos de lisina en las proteínas. La glucación no enzimática de proteínas, llamada reacción de Maillard (en honor al químico francés que la descubrió en 1912), comienza con el ataque nucleófilo del nitrógeno amino al carbono anomérico del azúcar reductor (fig. 7.20). La base de Schiff que se genera se reconfigura para formar una cetoamina estable llamada producto de Amadori. Tanto la base de Schiff unida a una proteína como el producto de Amadori pueden experimentar reacciones adicionales (p. ej., oxidaciones, transposiciones y deshidrataciones) para generar otros productos unidos a proteínas, llamados colectivamente productos finales avanzados de la glucación (AGE, advanced glycation ends products). Productos reactivos con carbonilo, como el compuesto dicarbonilo glioxal (CHOCHO), causan la formación rápida de enlaces cruzados con proteínas y la creación de aductos. (Un aducto es el producto de una reacción de adición, es decir, las reacciones de dos moléculas para formar una tercera molécula.) En consecuencia, la glucación cambia las propiedades estructurales y funcionales de las proteínas. Por ejemplo, la glucación de proteínas de larga vida como el colágeno y la elastina altera la estructura de los tejidos vascular y conjuntivo. Además, los AGE inducen la producción de moléculas como las citocinas, que promueven procesos inflamatorios. La acumulación de AGE se ha vinculado con trastornos relacionados con el envejecimiento como enfermedades vasculares, trastornos neurodegenerativos y artritis. En una enfermedad vascular, la ateroesclerosis, las células que recubren los vasos sanguíneos arteriales se dañan por la formación de AGE. El daño mediado por AGE inicia un proceso de reparación que incluye a los macrófagos y factores de crecimiento, lo que desencadena un proceso inflamatorio que conduce al desarrollo de depósitos llamados placa que ocluyen la arteria. Por último se ve afectada la capacidad de los vasos sanguíneos para nutrir los tejidos cercanos. Las concentraciones sanguíneas de glucosa demasiado altas que se observan en la diabetes mellitus causan una forma acelerada de ateroesclerosis, así como muchos otros cambios patológicos relacionados con los AGE.

Monosacáridos importantes

Entre los monosacáridos más importantes de los seres vivos se encuentran la glucosa, la fructosa y la galactosa. Se describen de forma breve las principales funciones de estas moléculas.

GLUCOSA La d-glucosa, que al principio se denominó dextrosa, se encuentra en cantidades importantes en todo el mundo vivo (fig. 7.21). Es el principal combustible de las células. En los animales, la glucosa es la fuente de energía preferida de las células cerebrales y de las células que tienen pocas mitocondrias o que carecen de ellas, como los eritrocitos. Las células que tienen un aporte limitado de oxígeno, como las del globo ocular, utilizan también grandes cantidades de glucosa para generar energía. Las fuentes de glucosa en la dieta son el almidón de las plantas y los disacáridos lactosa, maltosa y sacarosa.

FRUCTOSA La d-fructosa, originalmente denominada levulosa, suele llamarse azúcar de la fruta por su contenido elevado en los frutos. Se encuentra también en algunos vegetales y en la miel (fig. 7.22). Esta molécula es un miembro importante de la familia de azúcares cetosas. Por gramo, la fructosa es dos veces más dulce que la sacarosa. Por lo tanto, puede utilizarse en cantidades menores. Por esta razón, la fructosa se utiliza a menudo como edulcorante en los productos alimenticios procesados. Se utilizan cantidades importantes de fructosa en el sistema reproductor masculino. Ésta se sintetiza en las vesículas seminales y después se incorpora al semen. Los espermatozoides utilizan el azúcar como fuente de energía.

GALACTOSA La galactosa es necesaria para sintetizar diversas biomoléculas (fig. 7.23), entre las que se encuentran la lactosa (en las glándulas mamarias lactantes), los glucolípidos y determinados fosfolípidos, proteoglucanos y glucoproteínas. La síntesis de estas sustancias no disminuye por el consumo deficiente de galactosa o del disacárido lactosa (la fuente alimentaria principal de galactosa), porque el azúcar se sintetiza con facilidad a partir de la glucosa-1-fosfato.

En la galactosemia, una enfermedad genética, se carece de una enzima necesaria para metabolizar la galactosa. Se acumulan galactosa, galactosa-1-fosfato y galactitol (un derivado alcohol azúcar) que producen daño hepático, cataratas y retraso mental grave. El único tratamiento eficaz es el diagnóstico precoz y una alimentación sin galactosa.

Derivados de los monosacáridos

Los azúcares sencillos pueden convertirse en compuestos relacionados desde el punto de vista químico. Varios son componentes metabólicos y estructurales importantes en los seres vivos.

ÁCIDOS URÓNICOS Se debe recordar que los ácidos urónicos se forman cuando se oxida el grupo terminal CH₂OH de un monosacárido. Dos ácidos urónicos son importantes en los animales: el ácido d-glucurónico y su epímero, el ácido l-idurónico (α-d-glucuronato y β-l-iduronato en la fig. 7.24). En las células hepáticas el ácido glucurónico se combina con moléculas como los esteroides, determinados fármacos y la bilirrubina (un producto de degradación de la proteína transportadora de oxígeno hemoglobina) para mejorar su hidrosolubilidad. Este proceso ayuda a eliminar los productos de desecho del cuerpo. Tanto el ácido d-glucurónico como el ácido l-idurónico son abundantes en los componentes carbohidratos del tejido conjuntivo.

AMINOAZÚCARES En los aminoazúcares un grupo hidroxilo (con mayor frecuencia el del carbono 2) está sustituido por un grupo amino (fig. 7.25). Estos compuestos son constituyentes comunes de las moléculas complejas de carbohidratos unidas a las proteínas y a los lípidos celulares. Los aminoazúcares más comunes de las células animales son la d-glucosamina y la d-galactosamina y suelen estar acetilados. Una molécula de este tipo es la N-acetilglucosamina. El ácido N-acetilneuramínico (la forma más común de ácido siálico) es un producto de condensación de la d-manosamina y del ácido pirúvico, un ácido 2-cetocarboxílico. Los ácidos siálicos son cetosas que contienen nueve átomos de carbono que pueden amidarse con ácido acético o ácido glicólico (ácido hidroxiacético). Son componentes comunes de las glucoproteínas y los glucolípidos.

DESOXIAZÚCARES Los monosacáridos en los que un grupo OH se ha sustituido por un H se denominan desoxiazúcares. La l-fucosa (formada a partir de la d-manosa por reacciones de reducción) y la 2-desoxi-d-ribosa son dos desoxiazúcares importantes de las células (fig. 7.26). La fucosa suele encontrarse entre los componentes carbohidratos de las glucoproteínas, como las que determinan los grupos sanguíneos ABO sobre la superficie de los eritrocitos. Antes se mencionó la 2-desoxirribosa, el azúcar pentosa componente del DNA (fig. 1.10).

Los disacáridos son moléculas formadas por dos monosacáridos unidos mediante un enlace glucosídico. Cuando un monosacárido está unido a través de su átomo de carbono anomérico al grupo hidroxilo del carbono 4 de otro monosacárido, el enlace glucosídico se denomina 1,4. Debido a que el grupo hidroxilo anomérico potencialmente puede estar en la configuración α o en la β, pueden formarse dos disacáridos posibles cuando se unen dos moléculas de azúcar: α(1,4) o β(1,4). También se producen otras variedades de enlaces glucosídicos [p. ej., enlaces α o β(1,1), (1,2), (1,3) y (1,6)] (fig. 7.27).

La digestión de los disacáridos y de otros carbohidratos se produce a través de enzimas sintetizadas por las células que recubren el intestino delgado. La deficiencia de alguna de éstas produce síntomas desagradables cuando se ingiere el disacárido no digerible. Como los carbohidratos se absorben principalmente en forma de monosacáridos, cualquier molécula de disacárido sin digerir pasa al intestino delgado, donde la presión osmótica extrae agua de los tejidos circundantes (provocando diarrea). Las bacterias del colon digieren los disacáridos (los fermentan), produciendo gas (distensión y dolor cólico). La deficiencia más común que se conoce es la intolerancia a la lactosa, que puede producirse en la mayoría de los adultos excepto en aquellos con antepasados del norte de Europa y de determinados grupos africanos. Se origina por la gran reducción de la síntesis de la enzima lactasa tras la infancia, la intolerancia a la lactosa se trata eliminando el azúcar de la alimentación o (en algunos casos) tratando los alimentos con la enzima lactasa.

La lactosa es un disacárido que se encuentra en la leche. Está formado por una molécula de galactosa unida por el grupo hidroxilo del carbono 1, a través de un enlace glucosídico β, con el grupo hidroxilo del carbono 4 de una molécula de glucosa (fig. 7.28). Como el carbono anomérico de la galactosa está en la configuración β, el enlace entre los dos monosacáridos se denomina β(1,4). Como el componente de glucosa contiene un grupo hemiacetal, la lactosa es un azúcar reductor.

La maltosa, conocida también como azúcar de malta, es un producto intermediario de la hidrólisis del almidón y no parece existir en forma libre en la naturaleza. La maltosa es un disacárido con un enlace glucosídico α(1,4) entre dos moléculas de d-glucosa. En solución, el carbono anomérico libre experimenta una mutarrotación, que da lugar a una mezcla equilibrada de maltosas α y β (fig. 7.29).

La celobiosa, un producto de degradación de la celulosa, contiene dos moléculas de glucosa ligadas por un enlace β(1,4) glucosídico (fig. 7.30). Como la maltosa, cuya estructura es idéntica excepto por la dirección del enlace glucosídico, la celobiosa no existe en la naturaleza en forma libre.

La sacarosa (el azúcar común de mesa: azúcar de caña o azúcar de remolacha), se produce en las hojas y en los tallos de las plantas. Es una fuente de energía que se transporta por toda la planta. La sacarosa, que contiene un residuo de α glucosa y otro de β fructosa, se diferencia de los azúcares antes descritos en que los monosacáridos están unidos por un enlace glucosídico entre ambos carbonos anoméricos (fig. 7.31). Como ninguno de los anillos de monosacárido puede revertir a la forma de cadena abierta, la sacarosa es un azúcar no reductor.

Los polisacáridos, también llamados glucanos, están formados por grandes cantidades de monosacáridos conectados por enlaces glucosídicos. Los glucanos más pequeños, llamados oligosacáridos, son polímeros que contienen hasta unos 10 o 15 monómeros y que con mayor frecuencia se encuentran unidos a polipéptidos en ciertas glucoproteínas y a algunos glucolípidos. Entre los grupos de oligosacáridos mejor caracterizados están los unidos a la membrana y a proteínas secretoras. Existen dos grandes clases de oligosacáridos: con enlaces N y con enlaces O. Los oligosacáridos con enlaces N están unidos a polipéptidos por un enlace glucosídico N que se forma con el grupo amida de la cadena lateral del aminoácido asparagina. Existen tres tipos principales de oligosacáridos unidos a asparagina: los que tienen grandes cantidades de manosa, los híbridos y los complejos (fig. 7.32). Los oligosacáridos con enlaces O están unidos a polipéptidos por los grupos hidroxilo de las cadenas laterales de los aminoácidos serina o treonina en cadenas polipeptídicas o por los grupos hidroxilo de lípidos de la membrana. Estas moléculas pueden tener estructura lineal o ramificada. Los polisacáridos pueden dividirse en dos clases: homoglucanos, formados por un solo tipo de monosacárido, y heteroglucanos, que contienen dos o más tipos de monosacáridos.

Homoglucanos

Los homoglucanos que abundan en la naturaleza son el almidón, el glucógeno, la celulosa y la quitina. Cuando se hidrolizan el almidón, el glucógeno y la celulosa, todos producen d-glucosa. El almidón y el glucógeno son las moléculas de almacenamiento de glucosa de las plantas y de los animales, respectivamente. La celulosa es el componente estructural más importante de las células vegetales. Cuando se hidroliza la quitina, el principal componente de los exoesqueletos de los artrópodos (como los insectos y los crustáceos) y de las paredes celulares de muchos hongos, produce el derivado de glucosa N-acetilglucosamina.

Los polisacáridos como el almidón y el glucógeno, a diferencia de las proteínas y de los ácidos nucleicos, no tienen un peso molecular fijo. El tamaño de tales moléculas refleja el estado metabólico de la célula que las produce. Por ejemplo, cuando la glucemia es alta (p. ej., después de una comida), el hígado sintetiza glucógeno. Las moléculas de glucógeno en un animal bien nutrido pueden tener pesos moleculares hasta de 2 × 10⁷ Da. Cuando la glucemia desciende, las enzimas hepáticas comienzan a degradar las moléculas de glucógeno, liberando glucosa en el torrente sanguíneo. Si el animal sigue sin comer, el proceso continúa hasta que las reservas de glucógeno casi se agotan.

ALMIDÓN El almidón, la reserva energética de las células, es una fuente significativa de carbohidratos en la alimentación humana. La mayor parte del valor nutritivo de los principales alimentos mundiales (p. ej., las patatas, el arroz, el maíz y el trigo) proviene del almidón. En el almidón se encuentran juntos dos polisacáridos: la amilosa y la amilopectina.

La amilosa está formada por cadenas largas sin ramificar de residuos de d-glucosa que están unidos por enlaces glucosídicos α(1,4) (fig. 7.33). Varios polisacáridos, incluyendo los dos tipos de almidón, poseen un extremo reductor en el que el anillo puede abrirse para formar un grupo aldehído libre con propiedades reductoras. Los carbonos anoméricos internos de dichas moléculas participan en enlaces acetal y no son libres de actuar como agentes reductores.

El peso molecular de las moléculas de amilosa, en general con varios miles de residuos de glucosa, oscila entre 150 000 y 600 000 Da. Debido a que las moléculas lineales de amilosa forman largas hélices apretadas, su forma compacta es ideal para su función de almacenamiento. La prueba del yoduro para el almidón actúa porque el yodo molecular se inserta en estas hélices. (El color azul intenso de una prueba positiva procede de las interacciones electrónicas que ocurren entre las moléculas de yodo y los residuos de glucosa, que provienen de la amilosa, en orden helicoidal.)

La otra forma de almidón, la amilopectina, es un polímero ramificado que contiene enlaces glucosídicos α(1,4) y α(1,6). Los puntos de ramificación α(1,6) pueden producirse cada 20-25 residuos de glucosa e impiden la formación de una hélice (fig. 7.34a). El número de unidades de glucosa en la amilopectina puede variar desde unos pocos miles hasta un millón.

La digestión del almidón comienza en la boca, donde la enzima salival amilasa α inicia la hidrólisis de los enlaces glucosídicos. La digestión continúa en el intestino delgado, donde la amilasa α pancreática hidroliza al azar todos los enlaces glucosídicos α(1,4), excepto aquellos cercanos a los puntos de ramificación. Los productos de la amilasa α son la maltosa, el trisacárido maltotriosa y las dextrinas límite α [oligosacáridos que suelen contener ocho unidades de glucosa con uno o más puntos de ramificación α(1,6)]. Varias enzimas que segregan las células que recubren el intestino delgado convierten estos productos intermediarios en glucosa. Las moléculas de glucosa se absorben a continuación en las células intestinales. Tras pasar al torrente sanguíneo, son transportadas al hígado y después al resto del cuerpo.

GLUCÓGENO El glucógeno es el carbohidrato de almacenamiento de energía de los vertebrados. Se encuentra con mayor abundancia en las células hepáticas y en las musculares. (El glucógeno puede constituir hasta del 8 a 10% del peso húmedo de las células hepáticas y del 2 al 3% del de las células musculares.) El glucógeno (fig. 7.34b) tiene una estructura semejante a la de la amilopectina, excepto que tiene más puntos de ramificación, posiblemente cada cuatro residuos de glucosa en el centro de la molécula. En las regiones más externas de las moléculas de glucógeno, los puntos de ramificación no están tan cercanos (alrededor de cada ocho a 12 residuos). Como la molécula es más compacta que otros polisacáridos ocupa poco espacio, una característica importante en los cuerpos animales que se mueven. Como la hidrólisis de los monómeros de glucosa ocurre desde muchos extremos no reductores de la molécula de glucógeno, la movilización de energía puede ser muy rápida.

CELULOSA La celulosa es un polímero formado por residuos de d-glucopiranosa unidos por enlaces β(1,4) glucosídicos (fig. 7.35). Es el polisacárido estructural más importante de las plantas. Debido a que la celulosa representa casi un tercio de la biomasa de las plantas, es la sustancia orgánica más abundante de la tierra. Cada año se producen aproximadamente 100 trillones de kg de celulosa.

Las moléculas de celulosa sin ramificar, que pueden contener hasta 12 000 unidades de glucosa cada una, se mantienen juntas por enlaces de hidrógeno para formar flejes en forma de láminas denominadas microfibrillas (fig. 7.36). Con una fuerza tensil comparable a la del alambre de acero, las microfibrillas de celulosa son componentes de las paredes celulares primarias y secundarias de las plantas, en las que constituyen un marco estructural que protege y sostiene a la célula.

Sólo los microorganismos que poseen la enzima celulasa tienen la capacidad de digerir la celulosa. Determinadas especies animales (p. ej., las termitas y las vacas) utilizan dichos microorganismos en sus tubos digestivos para digerir la celulosa, cuya degradación produce glucosa tanto para el microorganismo como para el hospedador. Aunque muchos animales no pueden digerir las plantas que contienen celulosa, estas sustancias desempeñan una función vital en la nutrición. La celulosa es uno de numerosos productos vegetales que constituyen la fibra dietética, la cual en la actualidad se considera importante para mantener una buena salud.

Debido a sus propiedades estructurales, la celulosa posee una importancia económica enorme. Los productos textiles (p. ej., el algodón, el lino y la ramina), la madera y el papel deben muchas de sus características singulares a su contenido de celulosa.

Heteroglucanos

Los heteroglucanos son polímeros de carbohidratos de alto peso molecular que contienen más de una clase de monosacárido. Las principales clases de heteroglucanos hallados en los mamíferos son heteropolisacáridos con enlaces N y con enlaces O (glucanos N y glucanos O) unidos a proteínas, los glucosaminoglucanos de la matriz extracelular y los componentes de glucano de los glucolípidos y de las anclas de GPI (glucosilfosfatidilinositol). A continuación se exponen la estructura y las propiedades de los glucanos N, de los glucanos O y de los glucosaminoglucanos. La revisión sobre los glucolípidos y las anclas de GPI, un medio de fijación de proteínas periféricas a la membrana, se difiere al capítulo 11.

GLUCANOS N Y GLUCANOS O Muchas proteínas tienen oligosacáridos con enlaces N y con enlaces O, los cuales pueden constituir una proporción significativa del peso molecular de la molécula. Los oligosacáridos con enlaces N (glucanos N) están unidos por un enlace β glucosídico entre el carbono anomérico central de la N-acetilglucosamina y un nitrógeno amida de la cadena lateral de un residuo de asparagina. Además de la N-acetilglucosamina, los azúcares más comunes entre los glucanos N son la manosa, la galactosa, el ácido N-acetilneuramínico, la glucosa. Observe que todos los glucanos N tienen la misma estructura central:

Los oligosacáridos con enlaces O (glucanos O) tienen un disacárido central de galactosil-β-(1,3)-N-acetilgalactosamina unido a una proteína a través de un enlace α glucosídico con el oxígeno hidroxilo de residuos de serina o de treonina. En los colágenos, el disacárido central con enlace β puede ser Gal-Gal o Glc-Gal y está unido al oxígeno hidroxilo de la cadena lateral de la 5-hidroxilisina. Otros azúcares presentes en los glucanos O son el ácido N-acetilneuramínico, la xilosa, el ácido siálico y la fucosa.

GLUCOSAMINOGLUCANOS Los glucosaminoglucanos (GAG) son polímeros lineales con unidades repetitivas de disacáridos (fig. 7.37). Muchos de los residuos de azúcares son aminoderivados. Existen cinco clases de GAG: ácido hialurónico, sulfato de condroitina, sulfato de dermatano, heparina y sulfato de heparano, y sulfato de queratano. Las unidades repetitivas contienen un ácido hexurónico (un ácido urónico que contiene seis átomos de carbono), excepto el sulfato de queratán, que contiene galactosa. En general, también se encuentra presente un sulfato de N-acetilhexosamina, excepto en el ácido hialurónico, que contiene N-acetilglucosamina. Muchas unidades disacárido contienen grupos funcionales carboxilo y sulfato. Los GAG se clasifican según sus residuos de azúcares, los enlaces entre estos residuos y la presencia y la localización de los grupos sulfato.

A pH fisiológico los GAG tienen muchas cargas negativas. La repulsión de carga separa a los GAG entre ellos. Además, las cadenas polipeptídicas relativamente inflexibles son muy hidrófilas. Los GAG ocupan un enorme volumen con relación a su masa porque atraen grandes cantidades de agua. Por ejemplo, el ácido hialurónico hidratado ocupa un volumen 1 000 veces mayor que en su estado seco.

Los compuestos que se producen por enlaces covalentes entre moléculas de carbohidratos y moléculas proteínicas y lipídicas se denominan de forma genérica glucoconjugados. Estas sustancias tienen efectos significativos sobre la función de las células individuales, así como sobre las interacciones célula-célula de los organismos multicelulares. Existen dos clases de conjugados carbohidrato-proteína: los proteoglucanos y las glucoproteínas. Aunque ambos tipos moleculares contienen carbohidratos y proteínas, sus estructuras y funciones parecen, en general, ser bastante diferentes. Los glucolípidos (cap. 11), que son moléculas lipídicas que contienen oligosacáridos, se encuentran de forma predominante en la superficie externa de las membranas plasmáticas.

Proteoglucanos

Los proteoglucanos se distinguen de las glucoproteínas más comunes por su contenido muy elevado de carbohidratos, que pueden constituir hasta 95% del peso seco en dichas moléculas. Éstas se encuentran en superficies celulares o se secretan dentro de la matriz extracelular. Todos los proteoglucanos contienen cadenas de GAG. Estas cadenas están unidas a moléculas proteínicas (conocidas como proteínas centrales) por enlaces N u O glucosídicos. La diversidad de los proteoglucanos es consecuencia del número de diferentes proteínas centrales y de la gran variedad de clases y de longitudes de las cadenas de carbohidratos. Entre los ejemplos se incluyen los sindecanos, los glipicanos y el agrecano. Los sindecanos son una clase de proteoglucanos con sulfato de heparán y sulfato de condroitina en los cuales la proteína central es una proteína transmembrana. Los glipicanos son proteoglucanos que contienen sulfato de heparán y que están unidos a la membrana celular por anclas de GPI. El agrecano, un proteoglucano que abunda en los cartílagos, consta de una proteína central a la que se unen más de 100 cadenas de sulfato de condroitina y unas 40 cadenas de sulfato de queratán. A su vez, al ácido hialurónico se unen hasta 100 monómeros de agrecano para formar un agregado de proteoglucano (fig. 7.38).

Además de sus funciones, en la organización de las matrices extracelulares, participan en todos los procesos celulares que implican acciones en las superficies celulares. Por ejemplo, los sindecanos unidos a la membrana y los glipicanos que se unen a moléculas de señal específicas (como los factores de crecimiento) son componentes de varias vías de transducción de señales que regulan el ciclo celular. Debido a su gran cantidad de cadenas de GAG poliónicas, los agrecanos capturan grandes volúmenes de agua. En consecuencia, estas moléculas ocupan miles de veces más espacio que una molécula densamente empaquetada con la misma masa. La fortaleza, la flexibilidad y la elasticidad del cartílago son posibles gracias a la combinación de una rigidez compresiva debida a la repulsión entre los GAG con carga negativa y la resistencia a la tensión de las fibras de colágeno.

Se han identificado varias enfermedades genéticas, conocidas como mucopolisacaridosis, asociadas con el metabolismo de los proteoglucanos. Debido a que estos últimos se sintetizan y se degradan de forma constante, su acumulación excesiva (producida por la ausencia o por la deficiencia de enzimas lisosómicas) tiene consecuencias graves. En el síndrome de Hurler, por ejemplo, la deficiencia de una enzima específica produce la acumulación de sulfato de dermatán. Entre los síntomas se encuentran retraso mental, deformaciones del esqueleto y la muerte a una edad temprana. Como la enfermedad de Tay-Sachs, el síndrome de Hurler es un trastorno autosómico recesivo (p. ej., se hereda de cada progenitor una copia del gen defectuoso).

Glucoproteínas

Las glucoproteínas se definen habitualmente como proteínas unidas de forma covalente a carbohidratos por enlaces N u O. La composición de carbohidratos de las glucoproteínas varía del 1% a más del 85% del peso total. Los carbohidratos que se encuentran son monosacáridos y disacáridos como los unidos a la proteína estructural colágeno y oligosacáridos ramificados sobre las glucoproteínas plasmáticas. Aunque a veces se considera que las glucoproteínas incluyen a los proteoglucanos, por razones estructurales se consideran de forma separada. En las glucoproteínas hay una ausencia relativa de ácidos urónicos, de grupos sulfato y de unidades disacárido repetidas que son característicos de los proteoglucanos.

Como se mencionó, los grupos carbohidrato de las glucoproteínas están unidos al polipéptido por un enlace glucosídico N entre la N-acetilglucosamina (GlcNAc) y el aminoácido asparagina (Asn), o a través de un enlace glucosídico O entre la N-acetilgalactosamina (GalNAc) y el grupo hidroxilo de un aminoácido, serina (Ser) o treonina (Thr). La primera clase de glucoproteínas se denomina ligadas a la asparagina y la última es la de tipo mucina. Los oligosacáridos unidos a la asparagina se construyen en una molécula lipídica unida a la membrana y se unen de modo covalente con residuos asparagina durante la síntesis de proteínas (cap. 19). Varias reacciones adicionales en la luz del retículo endoplásmico y en el complejo de Golgi forman las estructuras finales de los oligosacáridos con enlaces N. Son ejemplos de proteínas con oligosacáridos unidos a asparagina la proteína transportadora de hierro transferrina y la ovalbúmina, una proteína de almacenamiento nutricional de los huevos de las gallinas. Las unidades de carbohidrato (glucano O) tipo mucina varían de forma considerable en cuanto a tamaño y a estructura, desde disacáridos como la Gal-1,3-GalNAc, hallada en la glucoproteína anticongelante de algunos peces antárticos, hasta los complejos oligosacáridos de grupo sanguíneo como los del sistema ABO.

FUNCIONES DE LAS GLUCOPROTEÍNAS Las glucoproteínas son un grupo diverso de moléculas que son constituyentes ubicuos de la mayoría de los seres vivos (cuadro 7.1). Se encuentran en las células, en formas solubles y unidas a la membrana, y en los líquidos extracelulares. Los animales vertebrados, en especial, poseen abundantes glucoproteínas. Entre estas sustancias se encuentran las proteínas transportadoras de metales transferrina y ceruloplasmina, los factores de la coagulación de la sangre y muchos de los componentes del complemento (proteínas que participan en la destrucción celular durante las reacciones inmunitarias). Varias hormonas son glucoproteínas. Considérese, por ejemplo, la hormona estimulante del folículo (FSH), producida por la glándula hipófisis anterior. La FSH estimula el desarrollo de los óvulos y de los espermatozoides. Además, muchas enzimas son glucoproteínas. Un ejemplo muy estudiado es la ribonucleasa (RNasa), la enzima que degrada el ácido ribonucleico. Otras glucoproteínas son proteínas integrales de la membrana (cap. 11). De éstas, son ejemplos muy interesantes la Na⁺-K⁺-ATPasa (una bomba iónica que se encuentra en la membrana plasmática de las células animales) y los antígenos principales de histocompatibilidad (marcadores celulares de superficie que se utilizan para determinar la compatibilidad entre los donantes y los receptores de órganos).

Investigaciones recientes se han concentrado en estudiar el modo en que los carbohidratos estabilizan las proteínas e intervienen en procesos de reconocimiento en organismos multicelulares. La presencia de carbohidratos en moléculas proteínicas las protege de la desnaturalización. Por ejemplo, la RNasa A bovina es más susceptible a la desnaturalización por calor que su contraparte glucosilada la RNasa B. Otros estudios han demostrado que las glucoproteínas con azúcares abundantes son relativamente resistentes a la proteólisis (digestión de los polipéptidos por reacciones hidrolíticas catalizadas por enzimas). Como los carbohidratos se encuentran en la superficie de las moléculas, pueden proteger a las cadenas polipeptídicas de las enzimas proteolíticas.

En las glucoproteínas, los carbohidratos parecen afectar la función biológica. En algunas glucoproteínas esta contribución se entiende mejor que en otras. Por ejemplo, un contenido elevado de residuos de ácido siálico es la causa de la viscosidad elevada de las mucinas salivales (las proteínas lubricantes de la saliva). Los residuos de disacáridos de las glucoproteínas anticongelantes de los peces antárticos forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua. Este proceso retarda el desarrollo de los cristales de hielo.

Ahora se sabe que las glucoproteínas, como los componentes del glucocáliz, son importantes en fenómenos complejos de reconocimiento. Un ejemplo notable es el receptor de insulina, cuya unión a la insulina facilita el transporte de moléculas de glucosa al interior de células de numerosos tipos. Lo realiza en parte reclutando transportadores de glucosa en la membrana plasmática. Una variedad de glucoproteínas de la superficie de las células participa además en la adhesión celular, un proceso crítico en las interacciones célula-célula de crecimiento y diferenciación (fig. 7.39). De estas sustancias, las mejor caracterizadas se denominan moléculas de adhesión celular (CAM, cell adhesion molecules). Entre los ejemplos se incluyen las selectinas (interacciones célula-célula transitorias), las integrinas (implicadas en la fijación celular a los componentes de la matriz extracelular) y las cadherinas (responsables de la unión dependiente de Ca²⁺ de células dentro de un tejido). Las funciones de los glucoconjugados en los procesos vitales se revisan con más detalle en la siguiente sección.

Los seres vivos requieren capacidades de codificación extraordinariamente grandes porque cada suceso de transferencia de información, sea la conversión de un sustrato en un producto dentro del sitio activo de una enzima, la transducción de una señal hormonal o la interiorización de una célula bacteriana por un macrófago, es iniciado por la unión específica de una molécula única a otra que ha sido seleccionada entre millones de moléculas cercanas. En otras palabras, el funcionamiento de sistemas tan complejos como los seres vivos requiere de un repertorio correspondientemente grande de códigos moleculares. Para tener éxito como mecanismo de codificación, una clase de moléculas debe tener una gran capacidad de variaciones morfológicas, debido al colosal número de mensajes distintos que deben descifrarse de manera rápida y sin ambigüedades.

Desde hace más de 50 años los esfuerzos de las investigaciones para entender el flujo de información en los biosistemas se centraron principalmente en los ácidos nucleicos DNA y RNA. Como resultado de este trabajo monumental, los científicos estaban convencidos que hallarían que unos 100 000 genes codificaban las proteínas en el ser humano. En cambio, el análisis de los datos generados por el Proyecto del Genoma Humano reveló un número mucho menor: las estimaciones varían (dependiendo de la metodología y de los programas informáticos utilizados) entre 20 000 y 25 000 genes codificadores de proteínas.

Cualesquiera que sean las razones de esta cantidad sorpresivamente baja, se sabe que los seres vivos tienen dos estrategias para expandir la capacidad de codificación de sus genes: el corte y empalme alternativo y la modificación covalente. El corte y empalme alternativo (descrito en el cap. 18) es un mecanismo por el cual las eucariotas producen varios polipéptidos a partir del mismo gen cortando transcritos de mRNA y luego empalmando varias combinaciones de fragmentos de RNA. Cada tipo de producto de mRNA empalmado se traduce en un polipéptido único. Las modificaciones postraduccionales (descritas en el cap. 19) son cambios catalizados por enzimas en la estructura de una proteína que ocurren después de su síntesis.

De todos los tipos de modificaciones postraduccionales (p. ej., la fosforilación, la acetilación y la escisión proteolítica), la glucosilación es el más importante en términos de capacidad codificadora, como lo ilustra el siguiente ejemplo. Se debe recordar que sólo 20 aminoácidos explican la enorme diversidad de proteínas observada en los seres vivos. El número total de hexapéptidos que pueden sintetizarse a partir de estos aminoácidos es impresionante: 6.4 × 10⁷ = 20⁶. Los carbohidratos tienen propiedades estructurales (p. ej., variaciones de enlaces glucosídicos, ramificaciones e isómeros anoméricos) que les dan una capacidad codificadora significativa. A diferencia de los enlaces peptídicos, que se forman sólo entre los grupos amino y carboxilo de los aminoácidos para crear una molécula peptídica lineal, los enlaces glucosídicos entre monosacáridos pueden ser mucho más variables. En consecuencia, el número potencial de permutaciones en los oligosacáridos es sustancialmente mayor que el pronosticado para los péptidos. Por ejemplo, el número total de hexasacáridos lineales y ramificados posibles que pueden formarse a partir de 20 monosacáridos simples o modificados es 1.44 × 10¹⁵. Además de sus inmensas posibilidades combinatorias, los oligosacáridos (unidos a proteínas o a lípidos) tienen una propiedad más: su inflexibilidad relativa (en comparación con los péptidos), lo cual les permite unirse de manera más precisa con ligandos.

Lectinas: traductoras del código de los azúcares

Una vez que la información se ha codificado, debe traducirse. La interpretación del código de los azúcares la realizan las lectinas. Éstas son proteínas de unión a carbohidratos (CBP, carbohydrate-binding proteins) que no son anticuerpos ni tienen actividad enzimática. Originalmente descubiertas en plantas, ahora se sabe que existen en todos los organismos. Las lectinas, que suelen estar formadas por dos o cuatro subunidades, poseen dominios de reconocimiento que se unen a grupos carbohidrato específicos a través de enlaces de hidrógeno, de fuerzas de van der Waals y de interacciones hidrófobas. Entre los procesos biológicos que implican unión a lectina se incluye una gama de interacciones célula-célula (fig. 7.40). Son ejemplos notables las infecciones por microorganismos, los mecanismos de muchas toxinas y procesos fisiológicos como la adhesión por rodamiento de los leucocitos.

Muchas infecciones bacterianas se inician cuando los microorganismos se fijan con firmeza a las células del hospedador. A menudo la fijación es mediada por el enlace de lectinas bacterianas a oligosacáridos ubicados en la superficie celular. Helicobacter pylori, agente causal de gastritis y de úlceras estomacales, posee varias lectinas que le permiten establecer una infección crónica en la capa mucosa que recubre al estómago. Una de estas lectinas se une con gran afinidad a una porción del determinante de grupo sanguíneo tipo O, un oligosacárido. Tal circunstancia explica la observación de que las personas con sangre tipo O tienen un riesgo mucho mayor de desarrollar úlceras que los sujetos con otros tipos sanguíneos. Sin embargo, los individuos con sangre tipo A o B no son inmunes a la infección, dado que la bacteria también puede usar otras lectinas para adherirse.

Los efectos dañinos de muchas toxinas bacterianas ocurren sólo después de la endocitosis en las células del hospedador, un proceso que inicia con la asociación ligando-lectina. La unión de la subunidad B de la toxina del cólera a un glucolípido localizado en la superficie de las células intestinales causa la captación de la subunidad A, tóxica. Una vez interiorizada, la subunidad A interrumpe el mecanismo que regula el transporte de cloruros, un proceso que causa diarrea potencialmente letal.

La adhesión por rodamiento leucocitario es un ejemplo bien conocido de una interacción célula-célula mediada por la unión a lectina. Cuando un tejido animal es dañado por un microorganismo infeccioso o por un traumatismo físico, emite moléculas de señal que desencadenan un proceso inflamatorio. En respuesta a algunas de estas moléculas, las células endoteliales que recubren los vasos sanguíneos cercanos producen e insertan en su membrana plasmática una proteína llamada selectina. Las selectinas, una familia de lectinas que actúan como moléculas de adhesión celular, son exhibidas en la superficie de las células endoteliales. Se unen de manera transitoria al ligando selectina (un oligosacárido) que se encuentra sobre leucocitos como los neutrófilos. Estos sucesos de unión relativamente débil pueden servir para frenar el rápido movimiento de los neutrófilos que fluyen en la sangre, lo que da la apariencia de que ruedan en la superficie de la luz del vaso sanguíneo. Una vez que inicia el rodamiento y que los leucocitos se acercan al sitio de inflamación, éstos encuentran otras moléculas de señal que los hacen expresar en sus superficies otra lectina llamada integrina. La unión de la integrina con su ligando oligosacárido en la superficie endotelial del vaso sanguíneo hace que los neutrófilos dejen de rodar, tras lo cual experimentan cambios que les permiten abrirse paso entre las células del endotelio y migrar al sitio infectado, donde consumen y degradan las bacterias y los desechos celulares.

Glucidoma

El término glucidoma, derivado de glúcido (dulce) y oma (como en genoma), se creó para describir el conjunto total de azúcares y glucanos que una célula u organismo produce. Los glucidomas están en flujo constante, porque al reaccionar a las señales ambientales las células realizan ajustes biológicos finos modificando las estructuras de los glucanos fijas a proteínas y a lípidos. Esta capacidad se debe en gran medida a que no hay un molde para la biosíntesis de glucanos. En comparación con las biosíntesis de ácidos nucleicos y de proteínas, que son procesos mediados por moldes (p. ej., se producen múltiples copias idénticas utilizando una secuencia de bases nucleotídicas), los glucanos se construyen de forma escalonada, en una línea de montaje dentro del retículo endoplasmático y del complejo de Golgi. Debido a factores como variaciones en las concentraciones de precursores nucleotídicos de azúcares y la localización de enzimas procesadoras de glucano, los componentes glucano de cada tipo de glucoproteína pueden producirse en varias formas ligeramente distintas que reciben el nombre de glucoformas. Se ha sugerido que este fenómeno, llamado microheterogeneidad, podría ser un medio por el cual las células están en posibilidad de generar ligandos para la transducción de señales específicos de células o de tejidos, o bien un mecanismo por el que las células eluden patógenos cuya unión a determinados glucanos inicia un proceso infeccioso, o ambas cosas.

Resumen del capítulo

1. Los carbohidratos, las moléculas orgánicas más abundantes de la naturaleza, se clasifican en monosacáridos, disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos, según el número de unidades de azúcares sencillos que contengan. Los carbohidratos también son componentes de otras biomoléculas. Los glucoconjugados son moléculas de proteínas y de lípidos con grupos carbohidrato unidos de forma covalente. Entre ellos están los proteoglucanos, las glucoproteínas y los glucolípidos.

2. Los monosacáridos con un grupo funcional aldehído se denominan aldosas y los que tienen un grupo cetona se conocen como cetosas. Los azúcares sencillos pertenecen a la familia d o a la l cuando la configuración del carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído o cetona se asemeja al isómero d o al l del gliceraldehído. La familia de las d-aldosas contiene los azúcares de mayor importancia biológica.

3. Los monosacáridos que contienen cinco o seis carbonos existen en formas cíclicas, resultado de las reacciones entre los grupos hidroxilo y grupos aldehído (producto hemiacetal) o cetona (producto hemicetal). Tanto en los anillos de cinco miembros (furanosas) como en los de seis carbonos (piranosas), el grupo hidroxilo unido con el carbono anomérico se encuentra debajo (α) o arriba (β) del plano del anillo para los azúcares d. La interconversión espontánea entre las formas α y β se llama mutarrotación.

4. Los azúcares sencillos experimentan diversas reacciones químicas. Los derivados de estas moléculas, como los ácidos urónicos, los aminoazúcares, los desoxiazúcares y los azúcares fosforilados, tienen funciones importantes en el metabolismo celular. Las reacciones de glucosilación unen azúcares a proteínas y a lípidos. Las reacciones de glucación son reacciones no enzimáticas en las cuales azúcares reductores reaccionan con nitrógenos nucleófilos.

5. Los hemiacetales y los hemicetales reaccionan con alcoholes para formar acetales y cetales, respectivamente. Cuando las formas hemiacetal o hemicetal cíclicas de un monosacárido reaccionan con un alcohol, el nuevo enlace se denomina enlace glucosídico y el compuesto se llama glucósido. Las moléculas en las que el azúcar se une con una fracción no carbohidrato (aglucona) mediante un enlace glucosídico se llaman glucósidos.

6. Los enlaces glucosídicos se forman entre el carbono anomérico de un monosacárido y uno de los grupos hidroxilo libres de otro monosacárido. Los disacáridos son carbohidratos formados por dos monosacáridos. Los oligosacáridos, carbohidratos que contienen hasta 10 a 15 monosacáridos, suelen encontrarse unidos a proteínas y a lípidos. Los polisacáridos, que están formados por un gran número de monosacáridos, pueden tener una estructura lineal, como la celulosa y la amilosa, o ramificada, como el glucógeno y la amilopectina. En la actualidad se denominan glucanos a los oligosacáridos y a los polisacáridos. Pueden constar de un solo tipo de azúcar (homoglucanos) o de varios tipos (heteroglucanos).

7. Cuando se hidrolizan los tres homopolisacáridos más comunes que se encuentran en la naturaleza (almidón, glucógeno y celulosa) todos producen glucosa d. La celulosa es un material estructural de los vegetales; el almidón y el glucógeno son medios de almacenamiento de glucosa en las células vegetales y en las animales, respectivamente. La quitina, el material estructural principal de los exoesqueletos de los insectos, está formada por residuos de N-acetilglucosamina unidos en cadenas no ramificadas. Las principales clases de heteroglucanos, polímeros de carbohidratos que contienen más de un tipo de monosacárido, son los glucanos N y los glucanos O, los glucosaminoglucanos y los componentes glucano de los glucolípidos y de las anclas de GPI.

8. La heterogeneidad enorme de los proteoglucanos, que se encuentran de manera predominante en la matriz extracelular de los tejidos, les permite desempeñar diversas funciones, aún mal entendidas, en los seres vivos. Las glucoproteínas se encuentran en las células en formas solubles y unidas a las membranas y en los líquidos extracelulares. Las estructuras diversas de los glucoconjugados, entre los que se encuentran los proteoglucanos, las glucoproteínas y los glucolípidos, les permiten desempeñar funciones importantes en la transferencia de información en los seres vivos. El glucidoma es el conjunto total de azúcares y de glucanos que una célula u organismo produce.

Lecturas recomendadas

Palabras clave

• acetal

• ácido aldárico

• ácido aldónico

• ácido urónico

• aducto

• alditoles

• aldosas

• amilopectina

• amilosa

• anómeros

• azúcares reductores

• celobiosa

• celulosa

• cetal

• diastereoisómeros

• disacárido

• enodiol

• enlace glucosídico

• epimerización

• epímeros

• glucanos

• glucanos N

• glucanos O

• glucoconjugados

• glucoformas

• glucógeno

• glucidoma

• glucosaminoglucanos

• glucósido

• hemiacetales

• hemicetales

• heteroglucanos

• homoglucanos

• lactona

• lactosa

• lectinas

• maltosa

• microheterogeneidad

• monosacáridos

• mutarrotación

• oligosacárido

• polisacárido

• proteoglucanos

• quitina

• sacarosa

Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

1. Definir los siguientes términos:

   1. Hemiacetal

   2. Hemicetal

   3. Anómero

   4. Furano

   5. Pirano

2. Definir los siguientes términos:

   1. Reacción de Maillard

   2. Base de Schiff

   3. Producto Amadori

   4. Aducto

   5. Producto que contiene un carbonilo reactivo

3. Definir los siguientes términos:

   1. Homoglucano

   2. Heteroglucano

   3. Amilosa

   4. Amilopectina

   5. Enterocito

4. Presentar un ejemplo de cada uno de los siguientes:

   1. Epímero

   2. Enlace glucosídico

   3. Azúcar reductor

   4. Monosacárido

   5. Anómero

   6. Diastereómero

5. ¿Qué relación estructural se indica con el término azúcar d? ¿Por qué tanto la glucosa (+) (desvía la luz polarizada a la derecha) y la fructosa (−) (desvía la luz polarizada a la izquierda) se clasifican como azúcares d?

6. Mencione un ejemplo de cada una de las siguientes clases de compuestos:

   1. Glucoproteína

   2. Proteoglucano

   3. Disacárido

   4. Glucosaminoglucano (GAG)

7. ¿Cuál es la diferencia entre un heteroglucano y un homoglucano? Mencione ejemplos.

8. ¿Cuáles de los siguientes carbohidratos son reductores y cuáles son no reductores?

   1. Almidón

   2. Celulosa

   3. Fructosa

   4. Sacarosa

   5. Ribosa

9. La rafinosa, el trisacárido más abundante en la naturaleza, se encuentra en los cereales y en numerosas verduras (p. ej., espárragos, col y frijoles). La hidrólisis de la rafinosa produce galactosa y sacarosa.

   1. Presente un nombre sistemático para este trisacárido.

   2. ¿La rafinosa es un azúcar reductor o no reductor?

   3. ¿La rafinosa es capaz de mutarrotación?

      

10. Presente al menos una función de cada uno de los siguientes:

    1. Glucógeno

    2. Glucosaminoglucanos

    3. Glucoconjugados

    4. Proteoglucanos

    5. Glucoproteínas

    6. Polisacáridos

11. Las cadenas de polímero de los glucosaminoglucanos están muy separadas y se unen con gran cantidad de agua.

    1. ¿Cuáles grupos funcionales del polímero hacen posible esta unión con el agua?

    2. ¿Qué tipo de enlace participa?

12. En las glucoproteínas, ¿cuáles son los tres aminoácidos a los que se unen más a menudo los grupos carbohidrato? ¿Con qué grupo funcional se une el glucano en cada caso?

13. Las cadenas de sulfato de condroitina se han comparado con una red grande para pescar, por su matriz pasan las moléculas pequeñas, pero no las grandes. Utilice la estructura del sulfato de condroitina y la de los proteoglucanos para explicar esta analogía.

14. Definir el término azúcar reductor. ¿Qué característica estructural tiene un azúcar reductor?

15. Comparar las estructuras de los proteoglucanos y las glucoproteínas. ¿Cómo se relacionan sus diferencias estructurales con sus funciones?

16. Clasifique los siguientes pares de azúcares como enantiómeros, diastereómeros, epímeros o un par aldosa-cetosa.

    1. d-eritrosa y d-treosa

    2. d-glucosa y d-manosa

    3. d-ribosa y l-ribosa

    4. d-alosa y d-galactosa

    5. d-gliceraldehído y dihidroxiacetona

El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

1. La β galactosidasa es una enzima que hidroliza sólo los enlaces β(1,4) de la lactosa. Un trisacárido desconocido se convierte en maltosa y galactosa por acción de la galactosidasa β. Dibujar la estructura del trisacárido.

2. Los esteroides son moléculas policíclicas, liposolubles, derivadas del colesterol que son muy insolubles en agua. La reacción con el ácido glucurónico vuelve mucho más hidrosoluble al esteroide y permite su transporte en la sangre. ¿Qué características estructurales del ácido glucurónico aumentan su solubilidad?

3. Muchas bacterias están rodeadas por una cubierta de proteoglucano. Utilice su conocimiento sobre las propiedades de esta sustancia para sugerir una función de tal cubierta.

4. Desde hace tiempo se reconoce que la leche materna protege a los lactantes de las enfermedades infecciosas, sobre todo las que afectan el tubo digestivo. La principal razón de esta protección parece ser un grupo grande de oligosacáridos que son componentes de la leche materna. Sugiera una explicación del efecto protector de tales oligosacáridos.

5. La cubierta de los artrópodos (p. ej., langostas y saltamontes) y de los moluscos (p. ej., ostras y caracoles) contiene un polisacárido. Puede extraerse de estas fuentes si se sumergen las cubiertas en ácido clorhídrico diluido frío para disolver el carbonato de calcio. La sustancia filiforme que se forma está compuesta por moléculas lineales de cadena larga. La hidrólisis con ácido hirviente produce d-glucosamina y ácido acético en cantidades equimolares. La hidrólisis enzimática más ligera produce N-acetil-d-glucosamina como único producto. Los enlaces del polisacárido son idénticos a los de la celulosa. ¿Cuál es la estructura de este polímero?

6. El ácido algínico, aislado del alga marina y usado como agente espesante en helados y otros alimentos, es un polímero de ácido d-manurónico con enlaces β(1,4) glucosídicos.

   1. Dibuje la estructura del ácido algínico.

   2. ¿Por qué esta sustancia actúa como agente espesante?

      

7. ¿Cuál es el número máximo de estereoisómeros para el ácido d-manurónico?

8. Cuando la glucosa se reduce sólo se produce un alditol. Sin embargo, cuando la fructosa se somete a la misma reacción se producen dos azúcares diasterioméricos. Dibuje sus estructuras.

9. Se descubrió que un oligosacárido aislado de un organismo contiene dos residuos de glucosa y uno de galactosa. La metilación exhaustiva seguida de hidrólisis produjo dos glucosas con grupos metoxi en las posiciones 2, 3 y 6, y galactosa con grupos metoxi en las posiciones 2, 3, 4 y 6. ¿Cuál es la estructura del oligosacárido original?

10. El compuesto olestra se ha usado en ciertos bocadillos como alternativa a las grasas y aceites. Su estructura consiste en una molécula de sacarosa en la que todos los grupos hidroxilo libres formaron ésteres con ácido oleico (un ácido graso monoinsaturado de 18 carbonos). Las moléculas de olestra no contienen calorías porque son enormes y no pueden digerirse. Dibuje la estructura del olestra. Utilice la abreviatura R—COOH para referirse al ácido oleico.

7.1

1. Aldotetrosa,

2. Cetopentosa,

3. Cetohexosa.

7.2

7.3

7.4

7.5

1. Glucosa: azúcar reductor.

2. Fructosa: azúcar reductor.

3. α-metil-d-glucósido: no reductor.

4. Sacarosa: no reductor.

Los azúcares a y b son capaces de mutarrotación.

7.6

La molécula de glucógeno insoluble más grande contribuye poco con la presión osmótica de la célula. Por el contrario, cada molécula de un número equivalente de moléculas de glucosa contribuye con la presión osmótica. Si las moléculas de glucosa no se unieran para formar glucógeno, la célula estallaría.

7.7

En un sistema analógico, la información se codifica como una señal continua. Por ejemplo, en los relojes antiguos las manecillas se mueven de manera continua y no a saltos. En los sistemas analógicos, las pequeñas fluctuaciones en el procesamiento de la información pueden ser significativas. El código de los azúcares es un sistema analógico por la microheterogeneidad, el espectro continuo de estructuras de carbohidrato que las células pueden sintetizar para codificar información señalizadora biológicamente relevante. En un sistema digital, la información se representa con valores discretos (“dígitos”) de una cantidad física. Los relojes digitales exhiben la hora como una progresión de números discretos sin valores intermedios. El código de DNA es un sistema digital constituido por cuatro dígitos (bases). Durante la síntesis de proteínas, cada triplete de bases de DNA que en última instancia codifica un aminoácido tiene un significado específico.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

2.

1. reacción de Maillard: la glucosilación no enzimática de la proteína; el ataque nucleofílico de un nitrógeno amino en el carbono anomérico de un azúcar reductor

2. base de Schiff: el producto imina de una reacción entre un grupo amino primario y un grupo carbonilo

3. producto Amadori: una cetoamina estable formada por el reacomodo de una base de Schiff; un intermediario en los procesos de glucosilación que generan los productos finales de la glucosilación avanzada

4. aducto: el producto de una reacción por adición

5. producto que contiene carbonilo reactivo: moléculas muy reactivas generadas por productos Amadori que inducen enlaces cruzados en las proteínas y formación de aductos; el compuesto dicarbonilo glioxal (CHOCHO) es un ejemplo

4

1. La glucosa y manosa son ejemplos de epímeros.

2. 

3. La glucosa es un azúcar reductor.

4. La ribosa es un monosacárido.

5. La glucosa α y β son monómeros.

6. La d-ribosa y d-arabinosa son diastereoisómeros.

7

Los heteroglucanos están conformados por más de un tipo de residuos de monosacáridos, pero los homoglucanos sólo tienen un tipo. El almidón es un ejemplo de homoglucano, el ácido hialurónico de heteroglucano.

11

1. Los grupos carboxilato, sulfato e hidroxilo se unen con grandes cantidades de agua.

2. El puente de hidrógeno es el tipo principal de enlace entre el agua y los glucosaminoglucanos.

14

Un azúcar reductor reduce el Cu(II) en el reactivo de Benedict. Esta reducción ocurre porque la porción hemiacetal de un azúcar puede formar un grupo funcional aldehído, que puede oxidarse a un ácido carboxílico.

16

1. d-eritrosa y d-treosa son epímeros.

2. d-glucosa y d-manosa son epímeros.

3. d-ribosa y l-ribosa son enantiómeros.

4. d-alosa y d-galactosa son diastereoisómeros.

5. d-gliceraldehído y dihidroxiacetona son un par aldosa-cetona.

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

19

La cubierta gruesa de proteoglucano protege a las bacterias evitando la unión de anticuerpos a sus antígenos de superficie.

21

22

1. 

2. El polímero actúa para inmovilizar el agua mediante extensos puentes de hidrógeno.

26

La estructura del olestra es la siguiente: