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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.
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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.
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PREGUNTA 7.1
Identifique la clase de cada uno de los siguientes azúcares. Por ejemplo, la glucosa es una aldohexosa

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Estereoisómeros de los monosacáridos
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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).
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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).
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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.
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Estructura cíclica de los monosacáridos
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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.
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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.
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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.
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CONCEPTOS CLAVE 
Los monosacáridos, que pueden se polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas son aldosas o cetosas.
Los azúcares que contienen cuatro o más carbonos tienen principalmente formas cíclicas.
Las aldosas o las cetosas cíclicas son hemiacetales o hemicetales, respectivamente.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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Reacciones de los monosacáridos
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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.
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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).
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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:
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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.
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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PREGUNTA 7.2
Dibuje los siguientes compuestos:
α y β anómeros de la d-galactosa
derivados de la galactosa en forma de ácido aldónico, de ácido urónico y de ácido aldárico
galactitol
δ-lactona del ácido galactónico
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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.
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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.
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PREGUNTA 7.3
Dibuje la estructura de una molécula de d-glucosamina unida a treonina a través de un enlace β glucosídico.
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PREGUNTA 7.4
Los glucósidos se encuentran frecuentemente en la naturaleza. Un ejemplo es la salicina (fig. 7.19), un compuesto presente en la corteza de los sauces, que posee propiedades antipiréticas (reductoras de la fiebre) y analgésicas. Identifique los componentes carbohidrato y aglucona (no carbohidrato) de la salicina.
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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.
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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.
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Ateroesclerosis y placa 
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Monosacáridos importantes
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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.
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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.
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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.
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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.
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CONCEPTO CLAVE 
La glucosa, la fructosa y la galactosa se encuentran entre los monosacáridos más importantes de los seres vivos.
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Galactosemia 
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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.
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Derivados de los monosacáridos
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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.
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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.
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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.
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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).
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