Carbohidratos - bioquímica PDF

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Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Tepic

Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica. Ingeniería Bioquímica 6A Química Orgánica II Unidad 5 “CARBOHIDRATOS” Docente: María Del Refugio Hernández Cortez. Equipo: Aguilar Borrego Ángel Irán. Arce Barrera Israel Ramsés. Bañuelos Morelos Kevin Sagir. Bueno Rojas Daniela Alejandra. Carrillo Gamboa José Fernando. Herrera Gómez Luis Ángel. Lara Isbella Rosario. o Palma Hernández Nelly Daniela. o Robles Estrada Kattia Adelein. o Romero Pérez María Itan Dehuí. o o o o o o o

5.1 ESTRUCTURA, CLASIFICACIÓN, PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS. Estructura Química: Los carbohidratos o hidratos de carbono están formados por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O) con la formula general (CH2O)n. Los carbohidratos incluyen azúcares, almidones, celulosa, y muchos otros compuestos que se encuentran en los organismos vivientes. Los carbohidratos básicos o azúcares simples se denominan monosacáridos. Azúcares simples pueden combinarse para formar carbohidratos más complejos. Los carbohidratos con dos azúcares simples se llaman disacáridos. Carbohidratos que consisten de dos a diez azúcares simples se llaman oligosacáridos, y los que tienen un número mayor se llaman polisacáridos. Los azúcares son hidratos de carbono generalmente son blancos y cristalinos, solubles en agua y con un sabor dulce. Los monosacáridos son azúcares simples Clasificación de monosacáridos basado en el número de carbonos: Número de Carbonos 4 5

Categoría

Ejemplos

Tetrosa Pentosa

6

Hexosa

7

Heptosa

Eritrosa, Treosa Arabinosa, Ribosa, Ribulosa, Xilosa, Xilulosa, Lixosa Alosa, Altrosa, Fructosa, Galactosa, Glucosa, Gulosa, Idosa, Manosa, Sorbosa, Talosa, Talantosa Sedoheptulosa, Manoheptulosa

Las estructuras de los sacáridos se distinguen principalmente por la orientación de los grupos hidroxilos (-OH). Esta pequeña diferencia estructural tiene un gran efecto en las propiedades bioquímicas, las características organolepticas (e.g., sabor), y en las propiedades físicas como el punto de fusión y la rotación específica de la luz polarizada. Un monosacárido de forma lineal que tiene un grupo carbonilo (C=O) en el carbono final formando un aldehído (-CHO) se clasifica como una aldosa. Cuando el grupo carbonilo está en un átomo interior formando una cetona, el monosacárido se clasifica como una cetosa.

Tetrosas

D-Eritrosa

D-Treosa

Pentosas

D-Ribosa

D-Xilosa

D-Arabinosa

D-Lixosa

La forma anular de la ribosa es un componente del ácido ribonucleico (ARN). La desoxirribosa, que se distingue de la ribosa por no tener un oxígeno en la posición 2, es un componente del ácido desoxirribonucleico (ADN). En los ácidos nucleicos, el grupo hidroxilo en el carbono número 1 se reemplaza con bases nucleótidas.

Ribosa

Desoxirribosa

Hexosas Hexosas, como las que están ilustradas aquí, tienen la fórmula molecular C6H12O6. El químico alemán Emil Fischer (1852-1919) identificó los estereoisómeros de estas aldohexosas en 1894. Por este trabajo recibió un Premio Nobel en 1902.

D-Alosa

D-Altrosa

D-Glucosa

D-Manosa

D-Gulosa

D-Idosa

D-Galactosa

D-Talosa

Estructuras que tienen configuraciones opuestas solamente en un grupo hidroxilo, como la glucosa y la manosa, se llaman epímeros. La glucosa, también llamada dextrosa, es el azúcar más predominante en las plantas y los animales, y es el azúcar presente en la sangre. La forma

lineal de la glucosa es un aldehído polihídrico. En otras palabras, es una cadena de carbonos con varios grupos hidroxilos y un grupo aldehído. La fructosa, también llamada levulosa, está ilustrada aquí en forma lineal y anular. La relación entre estas formas se discute más tarde. La fructosa y la glucosa son los principales hidratos de carbono en la miel.

D-Tagatosa (una cetosa)

D-Fructosa

Fructosa

Galactosa

Manosa

Heptosas La sedoheptulosa tiene la misma estructura que la fructosa, pero con un carbono adicional. La sedoheptulosa se encuentra en las zanahorias. La manoheptulosa es un cetoazúcar de 7 carbonos que posee la configuración de la manosa y se encuentra en los aguacates.

D-Sedoheptulosa

D-Manoheptulosa

Los disacáridos La sucrosa (o sacarosa), es el azúcar común refinado de la caña de azúcar y la remolacha azucarera. La sucrosa es el carbohidrato principal del azúcar moreno, del azúcar tamizado, y de la melaza. La lactosa está formada por una molécula de glucosa y otra de galactosa.

Descripción y componentes de los disacáridos:

Disacárido Sucrosa Maltosa Trehalosa Lactosa Melibiosa

Descripción Azúcar común Producto de la hidrólisis del almidón se encuentra en los hongos El azúcar principal de la leche Se encuentra en plantas leguminosas

Componentes Glucosa 1α→2 fructosa Glucosa 1α→4 glucosa Glucosa 1α→1 glucosa Galactosa 1β→4 glucosa Galactosa 1α→6 glucosa

Lactosa

Maltosa

Los polisacáridos son polímeros de azúcares simples Muchos polisacáridos, a diferencia de los azúcares, son insolubles en agua. La fibra dietética consiste de polisacáridos y oligosacáridos que resisten la digestión y la absorción en el intestino delgado, pero son completamente o parcialmente fermentados por microorganismos en el intestino grueso. Los polisacáridos que se describen a continuación son muy importantes en la nutrición, la biología, o la preparación de alimentos. Almidón El almidón es la forma principal de reservas de carbohidratos en los vegetales. El almidón es una mezcla de dos sustancias: amilosa, un polisacárido esencialmente lineal, y amilopectina, un polisacárido con una estructura muy ramificada. Las dos formas de almidón son polímeros de α-D-Glucosa. Los almidones naturales contienen 10-20% de amilosa y 80-90% de amilopectina. La amilosa forma una dispersión coloidal en agua caliente que ayuda a espesar caldos o salsas, mientras que la amilopectina es completamente insoluble. 

Las moléculas de amilosa consisten típicamente de 200 a 20,000 unidades de glucosa que se despliegan en forma de hélix como consecuencia de los ángulos en los enlaces entre las moléculas de glucosa.

Clasificación: Los carbohidratos se clasifican en función del número de unidades de sacárido (la forma más simple de carbohidrato); los monosacáridos son aquellos que no se pueden dividir en una forma más simple, los disacáridos pueden hacerlo en dos moléculas de monosacáridos, los oligosacáridos producen de 3 a 10 unidades y los polisacáridos desde 10 a más de 10000 unidades de monosacáridos.

 Monosacáridos o azucares simples De interés nutricional son las hexosas (glucosa, fructosa y galactosa). Las pentosas (ribosa, xilosa y arabinosa) forman parte de los ácidos nucleicos. TIPOS DE MONOSACÁRIDOS

FUENTES

Pentosas (5 carbonos): 1.- Ribosa 2.- Xilosa 3.- Arabinosa

-Frutas, frutos secos, verduras, dulces

Hexosas (6 carbonos): 1.- Glucosa 2.- Fructosa 3.- Galactosa

-No están en forma libre en los alimentos

Pentosas  Ribosa: una de las proteínas oligosacáridas más solubles en agua que existen en la tierra. No es un nutriente esencial. Aunque es un azúcar común presente en el cuerpo de los animales y las plantas, las fuentes alimenticias no suministran las dosis recomendadas. Forma parte del ARN y su base nitrogenada es: adenina, guanina, citosina y uracilo. Éste está presente tanto en las células procariotas como en las eucariotas, y es el único material genético de ciertos virus. La ribosa es un carbohidrato vital para que el cuerpo produzca ATP, una fuente principal de energía usada por nuestras células y que se produce durante la fotosíntesis y la respiración celular, y es consumido por muchas enzimas en la catálisis de numerosos procesos químicos.

 Xilosa: también llamada azúcar de madera que forma parte de los polisacáridos de las plantas. En el hombre la xilosa prácticamente no es metabolizada y la mayoría se elimina por la orina. Está extensamente distribuida en diferentes materiales vegetales como la paja y el tronco del cerezo. También se puede encontrar en los tejidos conectores como en el páncreas o el hígado. Su función es principalmente alimenticia pero también se utiliza para hacer pruebas de la absorción intestinal. La positividad de dicha prueba excluiría una afectación pancreática al 200%. Es uno de los ocho azúcares que son esenciales para la nutrición humana (galactosa, glucosa, manosa, N-acetilglucosaminíco, N-acetilgalactosamínico, fructosa y ácido siálico).

• Arabinosa: literalmente ‘‘azúcar árabe’’, por su gran concentración en la goma arábiga, es un monosacárido de cinco carbonos con un grupo aldehído por lo que pertenece al grupo de las aldosas y dentro de este al de las aldopentosas. Su extracción procede fundamentalmente de la goma de cerezo o de las pectinas de la remolacha azucarera. Particularmente, este monosacárido proviene de la galactosa que no es más que otra azúcar simple. La arabinosa no se localiza por sí sola en el ambiente, siempre se encuentra formando parte de glucósidos naturales, formando de esta manera el único elemento azucarado en forma homogénea. Se usa como fuente de carbono en cultivos bacterianos.

Hexosas  Glucosa (o dextrosa): se encuentra en las frutas y la miel. Es el principal producto final de los otros carbohidratos más complejos. Es el azúcar que se encuentra en la sangre, y utilizado por todos los tejidos del organismo (siendo para el sistema nervioso central la única fuente de energía posible). Se almacena en el hígado y músculo en forma de glucógeno.

 Fructosa (o levulosa): es el azúcar de las frutas, y también se encuentra en vegetales y miel. Es el más dulce de los azúcares.

 Galactosa: es producida a partir de la lactosa de la leche. Al enlazarse con la glucosa, forman el dímero lactosa. Funciona como componente estructural de las membranas de células nerviosas, es indispensable para la lactancia en mamíferos y puede servir como fuente de energía. Se convierte en glucosa en el hígado como aporte energético. Desde el punto de vista químico es una aldosa, es decir su grupo químico funcional es un aldehído (CHO).

 Oligosacáridos Los oligosacáridos son moléculas constituidas por la unión de 2 a 10 monosacáridos cíclicos, pueden ser lineales o ramificados mediante enlaces de tipo glucosídicos, un enlace covalente que se establece entre grupos alcohol de dos monosacáridos, con desprendimiento de una molécula de agua. El grupo más importante de los oligosacáridos es el de los disacáridos, o azúcares dobles, que son la unión de dos monosacáridos, mediante pérdida de una molécula de agua formando así un enlace tipo éter:

La lactosa o azúcar de leche (glucosa + galactosa), que aparece en los productos lácteos y se forma por la unión de una molécula de glucosa y otra de galactosa. La galactosa es una variedad de azúcar simple. La sacarosa o azúcar de mesa (glucosa + fructosa) que aparece en los productos azucarados, como la remolacha y la caña. La maltosa (glucosa + glucosa) obtenida del azúcar de malta, está formada por dos moléculas de glucosa. Los oligosacáridos compuestos por más de dos monosacáricos (trisacáridos, tetrasacáridos, etc.) suelen estar unidos a las proteínas (glucoproteínas) y lípidos (glicolípidos) y se hallan asociados a la cara externa de la membrana plasmática formando parte del glicocálix, con la función de reconocimiento, señalización y adhesión celulares.

Reacciones de los disacáridos: Las reacciones de los disacáridos dependen de sus monosacáridos constituyentes y del tipo de enlace que los une; una típica es la de la hidrólisis, para liberar los monosacáridos que los forman; la hidrólisis puede ser enzimática y no enzimática. La hidrólisis por medio de enzimas es específica para los monosacáridos constituyentes y para el enlace que los une, sea α o β.

Sacarosa Propiedades: Entre sus propiedades físicas presenta sabor dulce, puede cristalizar, es soluble en agua y puede atravesar las membranas celulares por difusión facilitada, aunque antes tiene que ser reducida en glucosa y fructosa. Entre sus propiedades químicas, las osas simples que la forman ( glucosa y fructosa) son alcoholes polivalentes con un grupo aldehído o cetónico. Alta solubilidad en agua (a 20°C se solubilizan 203.9g de azúcar en 100g de agua, aumentando a 478.2 gramos cada 100 gramos de agua a 100 °C) La síntesis de la sacarosa se obtiene mediante la condensación de dos monosacáridos, la glucosa e la fructosa, liberando una molécula de agua. Desde el punto de vista químico, los sacáridos presentan moléculas bastante complejas, con grupos funcionales hidroxilos (-OH) y carbonilos (aldehídos, cetonas). Usos: Este es el edulcorante más utilizado en el mundo industrializado, aunque ha sido en parte reemplazada en la preparación industrial de alimentos por otros endulzantes tales como jarabes de glucosa, o por combinaciones de ingredientes funcionales y endulzantes de alta intensidad.

Lactosa Propiedades: La lactosa es el componente hidrocarbonado de le leche. Es menos dulce que la sacarosa. Es hidrolizada por la lactasa en el intestino delgado a glucosa y galactosa, que son absorbidas. El pH de la leche es ligeramente ácido (pH comprendido entre 6,6 y 6,8).Otra propiedad química importante es la acidez, o cantidad de ácido láctico, que suele ser de 0,15-0,16% de la leche. La lactosa es un disacárido presente únicamente en leches, representando el principal y único hidrato de carbono.Sin embargo, se han identificado pequeñas cantidades de glucosa, galactosa, sacarosa. Usos: La lactosa representa una fuente energética de fácil utilización y favorece la absorción de calcio y magnesio. Las bacterias del ácido láctico incluyen, entre otras, las especies de los géneros Streptococcus y Lactobacillus que producen yogur. Maltosa Propiedades: La maltosa o azúcar de malta, se encuentra en los granos de cebada germinada, se presenta en pequeñas cantidades en la naturaleza Es un producto de la hidrolisis del almidón, cuando se encuentra en el tracto digestivo se hidroliza en dos moléculas de glucosa que posteriormente pasan al torrente circulatorio Los mamíferos suelen digerir la maltosa con cierta facilidad. La maltosa es un azúcar de fórmula C12H22O11, que se forma por la acción de la Amilosa sobre el Almidón. La maltosa es soluble en Agua, ligeramente soluble en Alcohol y cristaliza en finas agujas. Es incolora. Tiene una densidad de 1540 kg/m³. Su punto de ebullición es a los 102 C, o 375 K. Es soluble en agua Usos: La levadura de cerveza contiene enzimas que hidrolizan el almidón de los brotes de cebada en maltosa y después en glucosa, la cual se fermenta para fabricar cerveza. Por hidrólisis parcial del almidón con ácido acuoso puede obtenerse ( +(-maltosa, entre otros productos. También se forma ( +(-maltosa en una de las etapas de la fermentación del almidón a alcohol etílico. En este proceso, la reacción es catalizada por la enzima diastasa que se encuentra en la malta (cebada germinada).

 Polisacáridos: Están constituidos por un gran número de monosacáridos unidos mediante enlaces glucosídicos, formando largas cadenas. Los polisacáridos pueden ser homopolímeros, cuando la unidad repetitiva es un solo tipo de monosacárido, o heteropolímeros, cuando las unidades repetitivas están constituidas al menos por dos monómeros diferentes, un ejemplo es el ácido hialurónico, formado por los monómeros N-acetilglucosamina y el ácido glucurónico. El ácido hialurónico se encuentra en el tejido conectivo donde actúa como pegamento para mantener unidas las células, es de importancia para el ensamble en el tejido conjuntivo y óseo.

Homopolisacáridos Cuando las moléculas del polisacárido están formadas por el mismo tipo de monosacáridos, el polisacárido se clasifica como un homopolisacárido. El almidón, el glucógeno y la celulosa son homopolisacáridos, ya que están formados por cientos de moléculas de monosacáridos de un solo tipo, la glucosa, unidas por enlaces glicosídicos.

Clasificación:

Pentosas (Arabanas y Xilanas) f. Quím. Cualquiera de los compuestos que, por hidrólisis, proceden de las pentosas. Las pentosanas (C5H8O4) son hemicelulosas (carbohidratos complejos) que están presentes dentro de la celulosa en muchos tejidos de plantas leñosas.

Dato de interés acerca del Furfural: Este producto ha suscitado interés porque ayuda en la factibilidad de convertir los suministros relativamente abundantes de materias primas de lignocelulosa (es decir, los materiales utilizados para la transformación en su procesamiento) en etanol y coproductos químicos de mayor valor.

“El furfural es un disolvente producido a partir de las pentosanas de las plantas, complejos de hidratos de carbono contenidos en la celulosa de los tejidos vegetales”. Las fuentes comunes de pentosanas son:         

El maíz y zuros de maíz (fuente principal) El bagazo de caña de azúcar. Residuo de pulpa de papel. Bambú. Kenaf. Cascarillas de cereales, trigo y la cascarilla de arroz. Cáscaras de frutos secos. Semillas de algodón. Madera dura y blanda.

Dato de interés ambiental: Kenaf una planta tiene la propiedad de absorber de tres a ocho veces más CO2 que muchas otras especies de árboles del mundo. Es originaria de África, pero se cultiva en India y China desde hace siglos y ha sido implementada en proyectos ecológicos y de restauración en Haití y Sudáfrica, a causa de sus numerosas propiedades.

FORD ESCAPE; -25% del peso de sus puertas, contribuyendo al ahorro de energía. BMW la utilizo en su modelo BMW i3, siendo el primer auto eléctrico y sostenible que esta marca ha lanzado al mercado. Arabanas Pectinas de plantas. Fábricas de pectinas: Fábricas de zumos de manzana o naranja de pulpas prensadas y cortezas, en caliente se extraen y se precipitan con alcohol (o Al y descomponer luego el pectato con ácido). NOTA: En la maduración de los frutos, las pectinas se degradan (fácil hidrolisis tanto de los enlaces Ester como de los glicosídicos) y los tejidos se hacen blandos. Las pectinas se encuentran corrientemente asociadas con arabanas (poliarabinosa). Arabinosa (Fórmula:C5H10O5) ¿Qué es? La arabinosa es un monosacárido de cinco carbonos con un grupo aldehído por lo que pertenece al grupo de las aldosas y dentro de este al de las aldopentosas. ¿Dónde se encuentra?

Es un componente de las gomas y los mucílagos (Tipos de fibra alimentaria) de los vegetales. Xilanas Xilano: polisacárido formado por una cadena lineal de moléculas de D-xilosa (pentosa, monosacárido) con algunas ramificaciones y sustituciones, con enlaces β-1,4. Componente principal de la hemicelulosa. Se presentan en la celulosa de la madera y, particularmente, en la paja y el salvado de cereal.

Hexosas (Almidón, glucógeno, celulosa, fructosanas) f. Quím. Cualquiera de los compuestos que, por hidrólisis, proceden de las hexosas. Almidón: el almidón constituye un producto de reserva en las plantas y se encuentra en forma de gránulos blancos. El examen microscópico de estos gránulos permite reconocer su origen. Cuando el almidón procede de tubérculos se llama fécula, y así se dice: almidón de trigo, de cebada, de arroz, etc. Y fécula de patata, de batata (camote), etc.

El arroz contiene 75% de almidón; el trigo 50% y las patatas 20%, datos que conviene tener presentes para juzgar el valor alimenticio de estos productos. El almidón es insoluble en agua fría, pero por calentamiento se hincha y se forma engrudo. Produce una coloración intensa con el yodo, formándose un compuesto de adsorción. En caliente desaparece la coloración, que reaparece por enfriamiento. La dextrina da una coloración entre rojo y violeta. Desde el punto de...