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Bases de la bioquímica - El agua y el pH - Aminoácidos - Proteínas - Estructura tridimensional de las proteínas - Enzimas - Carbohidratos y glucobiología - Lípidos - Membranas biológicas - Nucleótidos y Ácidos nucleicos - Procesos celulares de la informacion génica - Bioseñalización merged files: TE...

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TEMA 7. Carbohidratos y glucobiología.

1. Introducción. Definición, funciones biológicas y clasificación. Los carbohidratos son polihidroxialdehidos o polihidroxicetonas y derivan todos de gliceraldehido o de dihidroxiacetona, que son tautómeros (isómeros funcionales). Ambos son triosas (monosacáridos más simples). Responden a la fórmula (CH 2 O)n . Los carbohidratos pueden clasificarse en monosacáridos, oligosacáridos (menos de 10 monosacáridos) o polisacáridos. Los monosacáridos se unen entre sí mediante el enlace O-glucosídico. Los oligosacáridos y polisacáridos pueden estar compuestos por distintos monosacáridos (prefijo hetero-) o por repeticiones del mismo (prefijo homo-). Los carbohidratos poseen muy diferentes funciones: 1. Elementos estructurales: Su resistencia, rigidez y forma depende del enlace. Se da en celulosa, quitina, peptidoglicano… 2. Reserva energética: Su oxidación proporciona energía. Por ejemplo: almidón (en plantas), glucógeno (en animales). 3. Componentes de metabolitos: ATP, coenzimas, ácidos nucleicos. 4. Reconocimiento molecular: Asociados a lípidos (glucolípidos) o proteínas (glucoproteínas) con un papel importante. Por ejemplo, los antígenos.

2. Monosacáridos. 2.1. Características. Los monosacáridos son sólidos blancos cristalizables, sillares estructurales de los gúcidos. Son muy solubles en agua (gracias a sus grupos -OH) pero poco en etanol, y no se hidrolizan en condiciones ácidas suaves. Generalmente son dulces (capacidad edulcorante). El monosacárido más abundante es la glucosa. Se clasifican en función del número de carbonos y su grupo funcional. Por ejemplo: aldotriosa (función aldehído, tres carbonos), cetohexosa (función cetona, seis carbonos)…

2.2. Estereoisomería. Todos los carbohidratos presentan isomería óptica salvo la cetotriosa (dihidroxiacetona). El número de isómeros ópticos es 2 n siendo n el número de carbonos asimétricos (C*). Los isómeros ópticos desvían de forma diferente la luz polarizada. Hay diferentes tipos: • • •

Enantiómeros. Son imágenes especulares. En función del sentido en que rotan la luz polarizada pueden ser dextrógiros (más abundantes) o levógiros. Diasteroisómeros. Son isómeros ópticos pero no imágenes especulares. Epímeros. Diasteroisómeros que se diferencian en un solo C*. Por ejemplo, la manosa se diferencia de la glucosa en el carbono 2, y la galactosa de la glucosa en el carbono 4.

2.3. Configuración. Los carbohidratos pueden, además, ser D o L, en función de la posición del -OH del C* más alejado del grupo funcional en la fórmula plana: si está a la derecha, D; si está a la izquierda, L. La configuración D/L no es equivalente a dextrógiro/levógiro: por ejemplo, la fructosa es de tipo D pero es levógira. Las formas D son las más abundantes. D-Aldosas.

D-Cetosas.

2.4. Mutarrotación. Formas cíclicas: Cambio de poder rotatorio. Los monosacáridos en medio fisiológico se ciclan formando un enlace hemiacetal (o hemicetal) entre el grupo funcional y el -OH más alejado. Al ciclarse, aparece un carbono anomérico, que puede ser α o β en función de si su grupo -OH está orientado hacia abajo o hacia arriba respectivamente (para isómeros D). Los carbohidratos que se diferencian en este carbono se denominan anómeros. Además, todos los grupos que se sitúan a la derecha en la proyección de Fischer se dibujan hacia abajo en la proyección de Haworth (carbohidratos cíclicos). Se denomina mutarrotación al cambio de poder rotatorio que experimenta un azúcar en disolución debido a la existencia de formas cíclicas interconvertibles (anómeros), que puede ser espontáneo o inducido por enzimas. Estas formas anoméricas presentan distinta actividad óptica y el equilibrio entre sus formas depende de su estabilidad estérica (más estables cuando los grupos, más grandes están más alejados).

Los carbohidratos ciclados pueden ser pirano o furano en función de si el anillo está formado por 4 (con forma de pentágono) o por 5 carbonos (con forma de hexágono). Además, los monosacáridos pueden tomar diferentes conformaciones: forma de silla, de bote, C-3-endo y C-2-endo. Sus sustituciones serán axiales o ecuatoriales en función de si están paralelas al eje o al plano, respectivamente. La ciclación no hace que los azúcares pierdan sus propiedades, ya que pueden volver a abrirse. La forma lineal es la única que permite al monosacárido participar en reacciones. Además, los sustituyentes de los carbohidratos pueden ser axiales (paralelos al eje del ciclo) o ecuatoriales (en el plano del ciclo).

2.5. Carácter reductor. Los azúcares que, en medio fisiológico, tengan un grupo carbonilo libre presentan mutarrotación y tienen carácter reductor, es decir, se oxidan en el grupo en presencia de agentes oxidantes.

2.6. Derivados de monosacáridos. 1. Ésteres fosfato. Cualquier -OH esterificado con P. Por ejemplo, al fosforilar la glucosa a glucosa 6-P, se evita que salga de la célula. 2. Ésteres sulfato. Cualquier -OH esterificado con S. Por ejemplo: heparina, que es un anticoagulante con componentes muy ácidos que le otorgan cargan negativa a pH fisiológico. 3. Aminoazúcares. Sustitución de -OH por -amino. 4. Desoxiazúcares. -OH sustituido por -H (por ejemplo: 2-D-desoxirribosa) o reducción del C 6 (α-L-fructosa). 5. Glucosídicos. Enlaces entre el carbono del aldehído con otro grupo. Se elimina una molécula de agua. 5.1. O-glucosídico. Si el otro grupo es un -OH. Si es de otro monosacárido, se crea un disacárido. 5.2. N-glucosídico. Si el otro grupo es un -NH 2. Forma nucleótidos.

2.7. Reacciones de los monosacáridos. Productos de reducción (alditoles: grupo carbonilo reducido).

Productos de oxidación. Si la oxidación a ácido se produce en el C 1, se llaman ácidos aldónicos; si se da en cualquier otro carbono (normalmente el 6), ácidos urónicos, y si se produce en ambos carbonos, ácidos sarcáricos o aldáricos.

2.8. Símbolos y abreviaciones.

3. Disacáridos. 3.1. Enlace O-Glicosídico. Se trata de la unión covalente de dos monosacáridos. Reacciona el carbono carbonílico del primer monosacárido con un grupo -OH del segundo, eliminando una molécula de agua. Es un enlace estable en medio básico, pero fácilmente hidrolizable por ácidos concentrados (en el estómago) y por enzimas específicas (nombre del disacárido acabado en -asa). Para nombrarlos, se menciona primero el enlace (O-, N-), después el primer monosacárido acabado en -il, la posición del enlace y, por último, el segundo monosacárido acabado en -osa. Se debe tener en cuenta que el enlace O-glucosídico elimina el poder reductor y la mutarrotación de, al menos, uno de los monosacáridos; pudiendo incluso afectar a ambos si el enlace se produce entre los dos carbonos anoméricos. 3.2. Maltosa. (α-D-Glucopiranosil-(1-4)-α-D Glucopiranosa) isomaltosa: α-D-Glu (1-> 6) α-D-Glu. Se trata de un azúcar reductor que aparece en plantas por hidrólisis parcial del almidón por la β-amilasa (comercialmente se utilizan enciamas de Bacillus y de semillas de cebada y soja). En animales se hidroliza por la α-amilasa presente en saliva e intestino (secretada por el páncreas). A veces se utiliza de edulcorante. 3.3. Lactosa. (β-D-Galactopiranosil (1-> 4) β-D-Glucopiranosa) Solo existe en la leche, principalmente libre y como componente de otros oligosacáridos. Constituyen entre el 0.3 y 0.6% de la leche. Algunos de estos OG son importantes fuentes de energía para una variedad de Lactobacillus bifidus predominante en la flora intestinal de lactantes. Hidrolizable por β-galactosidasa (lactasa presente en células epiteliales del intestino delgado) y ácidos (aunque es más resistente que sacarosa). La concentración de lactosa es de un 4.5% en leche de vaca y cabra y del 7% en humanos y es la primera fuente de glúcidos durante el desarrollo de mamíferos (40% de la energía durante la lactancia). Estimula la absorción intestinal y la retención de calcio. Está presente en productos lácteos no fermentados.

3.4. Sacarosa. (α-D-Glucopiranosil (1-> 2) β-D-Fructofuranosa) Los dos carbonos anoméricos están bloqueados, por lo que carece de poder reductor y de poder reductor. Es exclusiva de vegetales como forma de transporte. Se produce en la fotosíntesis y, en tubérculos, se transforma en almidón. Se obtiene de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera. Puede utilizarse para la producción de bioetanol. Es hidrolizable por invertasa (glucosa + sacarosa) en el tracto intestinal y es fácilmente hidrolizada por ácidos a azúcares invertidos.

4. Polisacáridos. La mayor parte de los glúcidos son polisacáridos. Poseen un elevado peso molecular y están formados por monosacáridos unidos por enlaces O-Glucosídicos. Pueden ser lineales o ramificados y se hidrolizan por ácidos y enzimas. No poseen PM fijo no son moléculas portadoras de información. Los polisacáridos varían en función de la naturaleza de sus monosacáridos y la posición de sus enlaces, de la longitud de la cadena y del grado de ramificación. Pueden ser homopolisacáridos (un solo monómero repetido; celulosa, almidón, glucógeno) o heteropolisacáridos (varios monómeros; ácido hialurónico, peptidoglicano). Las funciones principales de los polisacáridos son de reserva energética (almidón, glucógeno), estructural (celulosa, peptidoglicano, quitina) y de reconocimiento molecular.

4.1. Polisacáridos de reserva. Forman gránulos en el citoplasma y en cloroplastos. Se encuentran en estado semiinsoluble para evitar problemas osmóticos. Están asociados a enzimas de síntesis y degradación para su metabolismo. 4.1.1. Almidón. Es la principal reserva de energía en vegetales. Se encuentra en semillas, tubérculos… Es una mezcla de α-amilosa y amilopectina. La α-amilosa es una estructura lineal de glucosa (la unidad repetitiva es maltosa: α-D-Glu (1-4) α-D-Glu) con un extremo reductor. Tiene estructura helicodal con 60º de curvatura. La amilopectina presenta cadenas lineales de maltosa y ramificaciones (cadenas laterales: : α-D-Glu (1-6) α-D-Glu) cada 24-30 residuos.

4.1.2. Glucógeno. Es la principal reserva energética en animales, algas, bacterias y levaduras. Abundante en el hígado (7% de su peso húmedo, [glu]=0.4M). En sangre, la concentración de glucosa es de 5μM. La concentración real de glucógeno, que es insoluble y contribuye poco a la osmolaridad del citosol, es de aproximadamente un 0.01μM. Posee la misma estructura que la amilopectina, pero con ramificaciones cada 8-12 residuos. Tanto el glucógeno como el almidón se hidrolizan por amilasas. La α-amilasa (presente en el jugo pancreático y la saliva) rompe enlaces α(1-4) al azar, liberando glucosa, maltosa e isomaltosa. La β-amilasa (en malta) rompe enlaces α(1-4) alternos desde el extremo no reductor, liberando maltosa y dextrina. Los enlaces α(1-6) se hidrolizan por enzimas desramificantes y α(1,6) glucosidasas. 4.1.3. Dextranos. Son polisacáridos de D-glucosa de bacterias, de levaduras y de la placa bacteriana dental (sarro). Existen dextranos sintéticos como el Sephadex con diferente porosidad en función del tipo de ramificación. Los dextranos poseen cadenas lineales de D-glucosa α(1-6) y cadenas laterales de Dglucosa α(1-3), α(1-2) o α(1-4).

4.2. Polisacáridos estructurales. Son elementos estructurales en las paredes de microorganismos y plantas, y cubiertas celulares de animales. 4.2.1. Celulosa. Principal componente de la pared celular (junto con pectinas, hemicelulosa y extensina), supone el 50% del carbono terrestre. Es un homopolisacárido lineal de D-glucosa β(1-4) (repeticiones del disacárido celobiosa : β -D-Glu (1- 4) β-D-Glu). Se forman dos puentes de hidrógeno entre cada dos moléculas de glucosa. Las fibras de celulosa son muy fuertes y constituyen la mayor parte de la fibra de nuestra dieta (no pueden ser hidrolizadas por humanos). Se hidroliza por calentamiento en ácidos fuertes y por enzimas como las celulasas. 4.2.2. Quitina. Homopolisacárido lineal formado por resíduos de N-acetilglucosamina unidos por enlaces β. La quitina forma fibras extendidassimilares a las de celulosa y no es digerible por los vertebrados.

4.2.3. Peptidoglicano. Heteropolisacárido β(1-4) formado por Nacetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico que se encuentra en las paredes celulares bacterianas. Del ácido N-acetilmurámico cuelga un tetrapéptido, y están unidos entre sí por puentes peptídicos de glicina. La enzima lisozima (presente en virus, en las lágrimas…) destruye las bacterias hidrolizando el enlace glucosídico entre la N-acetilglucosamina y el ácido N-acetilmurámico. Otros antibióticos como la penicilina impiden la síntesis de entrecruzamiento, dejando la pared bacteriana demasiado débil como para resistir la lisis osmótica. 4.2.4. Agar. Heteropolisacárido de agarosa y agaropectina presente en algas rojas. Si el agar está sulfatado, se compone de galactosa y de derivados sulfatados de galactosa. Es utilizado en microbiología y en biología molecular y como recubrimiento de pastillas en farmacia.

5. Glucoconjugados. El espacio extracelular de los tejidos animales multicelulares está ocupado por un material gelatinoso, la matriz extracelular. Está compuesta por una compleja red de moléculas interconectadas de heteropolisacáridos (glucosaminoglucanos) y proteínas fibrosas (colágeno, elastina, fibronectina, laminina...). 5.1. Glucosaminoglucanos. Son heteropolisacáridos ácidos, componentes importantes de la matriz extracelular. Polímeros lineales formados por unidades repetitivas de disacáridos: azúcar aminado (Nacetilglucosamina (GlcNAc) o N-acetilgalactosamina (GalNAc)) + ácido glucurónico (GlcA) o ácido L-idurónico. En algunos glucosaminoglucanos, uno o más de los hidroxilos delaminoazucar se encuentra esterificado con un grupo sulfato. Por ello, poseen una elevada densidad de carga negativa. 5.1.1. Ácido hialurónico. Más de 50000 repeticiones del disacárido GlcA+GlcNAc, unidos por enlaces β(1→4) y (β1→3). Su masa molecular es mayor a 10 6 Da. Se enrolla en forma helicoidal (3 disacáridos por vuelta de hélice). 1 → 31 → 41 → 3

Posee gran capacidad para ligar iones Ca2+ e hidratarse: pueden fijar agua hasta 10000 veces su propio volumen. Forman disoluciones viscosas: lubricante, líquido sinovial, humor vítreo (ácido hialurónico y 98% agua), matriz extracelular de cartílagos y tendones. 5.1.2. Sulfato de condroitina. Polímero más corto unido covalentemente a proteínas (Proteoglucanos), constituido por GlcA y GalNAc sulfatado en el carbono 4.  1 → 34  1 → 4  1 → 34 Contribuye a la resistencia a la tensión de los cartílagos, tendones, ligamentos y paredes de la aorta. 5.1.3. Heparina. Es un anticoagulante natural producido por un tipo de leucocitos y liberado en la sangre, donde inhibe la coagulación al unirse a la proteína antitrombina. Es un compuesto muy sulfatado y está cargado negativamente. 2 1 → 43, 6  1 → 4 … 5.1.4. Sulfato de Queratán. No tiene ácidos urónicos, pero tiene una cantidad de sulfato variable. Presente en córnea, cartílagos, huesos, estructuras córneas formadas por células muertas (cuernos, pezuñas, uñas, etc.).  1 → 46  1 → 3 … 5.1.5. Sulfato de Dermatán. Proporciona flexibilidad a piel, vasos sanguineos, válvulas cardiacas, etc. 4 1 → 34, 6  1 → 4 … 5.2. Proteoglucanos. Macromoléculas de la superficie celular o de la matriz extracelular (principales componentes de todas las matrices extracelulares; existen unos 40 tipos distintos) en las que una o más cadenas de glucosaminoglucano están unidas covalentemente a una proteína de membrana o de secreción. La unión suele ser a través de un residuo de Ser (-Ser-Gly-X-Gly-), mediante un puente tetrasacárido. Poseen zonas sulfatadas (NS, con carga negativa a las que se unen otras moléculas) y zonas sin sulfatar (NA).

Existen dos familias: • •

SINDECANOS: tienen un único dominio transmembrana y un dominio extracelular, con entre 3 y 5 cadenas de sulfato de heparán. GLUPICANOS: unidos a la membrana por lípidos.

5.3. Glucoproteínas. Poseen uno o varios oligosacáridos de diversa complejidad unidos covalentemente a una proteína. Hay una mayor proporción de proteínas que de glúcidos, al contrario que en proteoglucanos. Se encuentran en la matriz extracelular, en el lado externo de la membrana y en la sangre, así como en Golgi, gránulos de secreción y lisosomas. Forman sitios altamente específicos para el reconocimiento y la unión de lectinas, que son proteínas que se unen a glúcidos con una elevada afinidad y especificidad. Presentan dos tipos de unión: O y N. La unión O se produce por el grupo -OH de serina (Ser), mientras que la unión N se produce por el grupo -NH 2 de la asparagina (Asn). Las glucoproteínas presentan diversas funciones: proteínas secretadas de la sangre, de la leche, inmunoglobulinas, hormona luteinizante, estimuladora del tiroides, estimuladora del folículo… 5.4. Glucolípidos. Son esfingolípidos de membrana (gangliósidos) en los que los grupos hidrofílicos (polares) de cabeza son oligosacáridos. Actúan como sitios específicos para el reconocimiento por lectinas (cerebro y neuronas), en la cara externa de la membrana plasmática Los lipopolisacáridos son los componentes principales de la membrana externa de las bacterias Gram negativas como E. coli y Salmonella typhimurium, por lo que constituyen las dianas principales de los anticuerpos en respuesta a las infecciones bacterianas.

6. Carbohidratos como moléculas informativas. Los polisacáridos son transportadores de información, sirviendo como etiquetas de destino de algunas proteínas y actuando como mediadores de las interacciones específicas intercelulares y entre las células y la matriz extracelular. Los oligosacáridos poseen mucha información estructural y presentan un aspecto tridimensional único. En los sitios de unión a glúcidos (CBD), las lectinas poseen una sutil complementariedad para permitir la interacción tan solo con los glúcidos adecuados.

7. Principales rutas metabólicas. Los glúcidos tienen un papel muy importante en el metabolismo, ya que son moléculas que poseen mucha energía. Las principales rutas catabólicas de carbohidratos son la glicólisis (fase preparativa y fase de rendimiento, en la que se empieza a generar energía) y la ruta de las pentosas fosfato. La principal ruta anabólica es la gluconeogénesis, que sintetiza glucosa. Se produce en el hígado. El ciclo de Cori integra la gluconeogénesis del hígado con la glicólisis, producida principalmente en músculo....