Carbohidratos: Estructura, Clasificación y Reacciones Bioquímicas Esenciales

Introducción a los Carbohidratos

Los carbohidratos son compuestos orgánicos formados por carbono (C), hidrógeno (H) y oxígeno (O). Se caracterizan por ser aldehídos o cetonas polihidroxilados. Su función principal es ser una fuente energética y materiales de reserva de energía.

Clasificación de los Carbohidratos

Monosacáridos

Los monosacáridos son los carbohidratos más sencillos, que no pueden hidrolizarse en moléculas más pequeñas. Se clasifican según el número de átomos de carbono en: triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas. Según su grupo funcional, se dividen en: aldosas (contienen un grupo aldehído) y cetosas (contienen un grupo cetónico).

La configuración D o L se determina por la posición del grupo hidroxilo (OH) en el carbono quiral más alejado del grupo carbonilo: derecha (D) e izquierda (L). La formación de un hemiacetal da lugar a dos estereoisómeros llamados anómeros (alfa y beta). En la proyección de Haworth, el OH anomérico en posición abajo corresponde al anómero alfa, y en posición arriba al anómero beta.

La mutarrotación es el equilibrio entre los anómeros alfa y beta en una solución.

Ejemplos de Monosacáridos

• Manosa: Epímero en C2 de la glucosa.
• Galactosa: Presente en la leche, epímero en C4 de la glucosa.
• Fructosa: Una cetohexosa común.

Oligosacáridos

Los oligosacáridos están formados por la unión de dos hasta doce moléculas de monosacáridos.

Disacáridos

Los disacáridos son oligosacáridos formados por la unión de dos monosacáridos mediante un enlace glicosídico. El enlace más común es entre el carbono anomérico (C1) de un monosacárido y el carbono 4 de otro.

• Maltosa: Formada por dos unidades de alfa-glucosa unidas por un enlace alfa-1,4 glicosídico. Es un azúcar reductor.
• Celobiosa: Compuesta por dos unidades de beta-glucosa unidas por un enlace beta-1,4 glicosídico. Es un azúcar reductor.
• Lactosa: Conocida como el azúcar de la leche, está formada por una unidad de glucosa y una de beta-galactosa. Es un azúcar reductor y es hidrolizada por la enzima lactasa.
• Sacarosa: Formada por una unidad de glucosa y una de fructosa, unidas por un enlace alfa-beta-1,2 glicosídico. Es un azúcar no reductor y se hidroliza por la enzima invertasa (o sacarasa).

Azúcares Reductores y No Reductores

Los azúcares reductores poseen un grupo aldehído o cetona libre que puede oxidarse. Reaccionan positivamente con reactivos como Fehling, Tollens, bromo (Br₂) y fenilhidrazina. Los azúcares no reductores no tienen un grupo carbonilo libre y, por lo tanto, no reaccionan con estos agentes oxidantes.

Polisacáridos

Los polisacáridos son macromoléculas de alto peso molecular, formadas por la unión de muchas unidades de monosacáridos. Generalmente, son no reductores.

• Almidón: Principal reserva energética en plantas. Está compuesto por dos polímeros de glucosa:
  • Amilosa: Fracción lineal e insoluble, con unidades de glucosa unidas por enlaces alfa-1,4 glicosídicos.
  • Amilopectina: Fracción ramificada y soluble, con unidades de glucosa unidas por enlaces alfa-1,4 glicosídicos y ramificaciones cada 20-30 unidades mediante enlaces alfa-1,6 glicosídicos.
  Reacciona con Lugol (I₂/KI) produciendo un color azul intenso.
• Glucógeno: Principal reserva energética en animales (especialmente en hígado y músculo). Es similar a la amilopectina, pero más ramificado (ramas cada 12-20 unidades) con enlaces alfa-1,4 y alfa-1,6 glicosídicos.
• Celulosa: Componente estructural principal de las paredes celulares de las plantas. Formada por unidades de glucosa unidas por enlaces beta-1,4 glicosídicos, lo que permite la formación de puentes de hidrógeno intercatenarios, confiriéndole gran resistencia.
• Heparina: Polisacárido con propiedades anticoagulantes.
• Quitina: Componente principal del exoesqueleto de artrópodos y paredes celulares de hongos. Está formada por unidades de N-acetilglucosamina unidas por enlaces beta-1,4 glicosídicos. La quitobiosa es un disacárido formado por dos unidades de N-acetilglucosamina.
• Quitosano: Derivado de la quitina (por remoción del grupo acetilo). Se utiliza en diversas aplicaciones, como la reconstrucción de tejidos, la remoción de cromo de aguas contaminadas y como floculante.

Reacciones Químicas de los Carbohidratos

Formación de Glicósidos (Acetales)

Los monosacáridos pueden reaccionar con un alcohol en medio ácido para formar acetales, también conocidos como glicósidos. Este enlace es fundamental en la formación de oligosacáridos y polisacáridos.

Reacciones de Identificación y Propiedades

• Reacción de Antrona: Produce un color verde.
• Reacción de Molisch: Utiliza alfa-naftol en etanol y produce un color violeta.
• Reacción de Seliwanoff: Emplea resorcinol y produce colores rosados, útil para diferenciar aldosas (reacción lenta) de cetosas (reacción rápida). Todas estas reacciones se realizan en medio ácido.

Reacciones de Oxidación

• Reacciones con Agentes Oxidantes Suaves (Fehling, Tollens): Los azúcares reductores reaccionan con Cu²⁺ (Fehling) o Ag⁺(NH₃)₂ (Tollens) en medio básico (OH^-) para formar un grupo carboxilato (-COO^-) y NH₄⁺ (en el caso de Tollens).
• Oxidación con Bromo (Br₂/H₂O): Convierte el grupo aldehído (-CHO) en un grupo carboxilo (-COOH), formando ácidos aldónicos. Esta reacción es específica para aldosas.
• Oxidación con Ácido Nítrico (HNO₃): Oxida tanto el grupo aldehído (-CHO) como el grupo alcohol primario (-CH₂OH) a grupos carboxilo (-COOH), formando ácidos aldáricos. También es específica para aldosas.

Formación de Osazonas

Los monosacáridos reaccionan con fenilhidrazina. Esta reacción ocurre en los carbonos C1 y C2, donde se abren los anillos, formando derivados cristalinos característicos (osazonas). La reacción general implica la adición de fenilhidrazina, liberando NH₂, NH₄⁺ y 2H₂O.