Los monosacáridos

Los monosacáridos son los glúcidos o hidratos de carbono más sencillos. Químicamente están constituidos por una sola cadena de polialcoholes con un grupo aldehído o cetona, y por ello no pueden descomponerse mediante hidrólisis.

Los monosacáridos, gracias a su grupo aldehído o cetona, pueden reducir al Cu²⁺, propiedad que se utiliza en su reconocimiento químico; esta prueba es conocida como prueba de Felhing.

Son de sabor dulce, solubles en agua, y forman cristales blancos que con el calor pueden caramelizarse.

Su principal función en los organismos es energética, aunque algunos de ellos entran a formar parte de la composición de moléculas con funciones muy diferentes (en los ácidos nucleicos, ATP y otros nucleótidos,...).

Estructura de los monosacáridos

Los monosacáridos están formados por cadenas carbonatadas de 3 a 12 átomos de carbono. Se nombran añadiendo el sufijo -osa al prefijo que indica el número de carbonos de la molécula. Los más abundantes y de mayor importancia biológica son las triosas, pentosas y hexosas.

Aquellos monosacáridos que tienen un grupo funcional aldehído (-CHO), localizado siempre en el C₁, se denominan aldosas, y los que tienen un grupo cetona (-CO-) localizado siempre en el carbono C₂ se denominan cetosas. Se pueden combinar los prefijos que hacen referencia al grupo funcional con los que hacen referencia al número de átomos de carbono; por ejemplo, aldotretosa y cetotretosa.

Fórmulas estructurales de una aldosa y de una cetosa

La mayoría de los monosacáridos presentan carbonos asimétricos (carbonos que están unidos a cuatro grupos diferentes). Esto determina una isomería espacial o estereoisomería, es decir, la existencia de compuestos que aunque tienen la misma fórmula empírica sólo se diferencian entre sí por la distinta colocación de sus átomos en el espacio.

El monosacárido más simple con estereoisomería es el gliceraldehído, que sólo tiene un carbono asimétrico. Se observa que al cambiar la posición del grupo OH del carbono central (que es el asimétrico) se obtienen dos isómeros espaciales cuya estructura es imagen especular una de la otra. Por eso estos dos compuestos son un tipo de estereoisómeros que se denominan enantiómeros o enantiomorfos, y sólo diferen entre sí por su comportamiento respecto a la luz polarizada; el compuesto cuyo grupo OH queda a la derecha se denomina D-gliceraldehído y el compuesto cuyo grupo OH queda a la izquierda se denomina L-gliceraldehído.

Fórmulas de los dos esteroisómeros del gliceraldehído y sus estructuras tridimensionales

Cuando un rayo de luz pasa a través de un enantiómero, el plano de polarización gira. Más aún, los enantiómeros separados hacen girar el plano de la luz polarizada en cantidades iguales pero en direcciones opuestas.

Fórmulas de los dos esteroisómeros del gliceraldehído y sus estructuras tridimensionales

Los compuestos que desvían el plano de polarización de la luz a la derecha se dice que son dextrógiros, y se les representa por el signo +, y los compuestos que desvían el plano de polarización de la luz a la izquierda se llaman levógiros, y se les representa por el signo -. Debido al efecto que producen sobre la luz polarizada se dice que los enantiómeros son compuestos ópticamente activos.

La mayoría de los monosacáridos tienen más de un carbono asimétrico y en estos casos se cumple que cuantos más átomos de carbono asimétricos tiene un compuesto más esteroisómeros tendrá, de tal forma que si n es el número de átomos de carbono asimétricos, el número de estereoisómeros será 2ⁿ.

Fórmulas lineales de las principales aldosas de la serie D

Fórmulas lineales de las principales cetosas de la serie D

Todos los esteroisómeros de un monosacárido cuyo -OH del carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído o cetona queda a la derecha, se dice que son de la serie D, y aquellos esteroisómeros cuyo -OH del carbono asimétrico más alejado del gripo aldehído o cetona queda a la izquierda, se dice que son de la serie L. En la naturaleza, los monosacáridos más frecuentes pertenecen a la serie D. Las enzimas pueden diferenciar los distintos estereoisómeros y por tanto seleccionarlos, lo que tiene gran importancia biológica.

Como se vio anteriormente en el caso del gliceraldehído, los dos estereoisómeros que son imágenes especulares el uno del otro son enantiómeros y se denominan por el mismo nombre cambiando solamente la letra que hace referencia a la serie D o L. Así, por ejemplo, la L-glucosa tendrá una fórmula estructural que será la imagen especular de la D-glucosa, lo mismo que ocurre con el D y el L-gliceraldehído.

Formas cíclicas de los monosacáridos

Los aldehídos y las cetonas, en solución acuosa, reaccionan fácilmente con los grupos alcohol para dar lugar a hemiacetales y hemicetales respectivamente.

Formación de un hemiacetal y un hemicetal

Las cadenas lineales de monosacáridos no son rígidas, pues los enlaces de carbono forman ángulos próximos a los 120º, lo cual permite que en una cadena haya muchos giros y uno de ellos puede hacer que el penúltimo grupo OH se enfrente con el grupo aldehído o cetona.

Las cadenas carbonatadas giran en muchas direcciones. Los giros de sus enlaces hacen coincidir cerca, en el espacio, el segundo y el último carbono de una hexosa, con lo que la posibilidad de formación de un hemiacetal que cicle la cadena es fácil.

Cuando esta circunstancia se da, se forma un hemiacetal o un hemicetal y se origina una estructura cíclica del monosacárido.

Ciclación de la D-fructosa.

Ciclación de la D-glucosa.

Los anillos de cinco carbonos se llaman furanósicos por su semejanza con el furano, y los de seis se denominan piranósicos, por su parecido con el pirano. De ahí la denominación de fructofuranosa y glucopiranosa con las que se conocen las formas cíclicas de la fructosa y glucosa respectivamente.

Las estructuras cíclicas que se han representado hasta ahora son proyecciones de Haworth. El plano del anillo es perpendicular al plano del papel y la línea gruesa está más cerca del lector. Los grupos que en la estructura lineal quedan a la derecha de la cadena carbonatada, se sitúan arriba. Cuando el oxígeno se coloca detrás y el carbono 1 a la derecha, los monosacáridos de la serie D tienen el grupo CH₂OH arriba.

Al formarse las formas cíclicas, aparece en los monosacáridos un nuevo carbono asimétrico, aquel en el que estaba el grupo aldehído o cetona, que recibe el nombre de carbono anomérico. De esta forma, aparece la posibilidad de dos nuevos esteroisómeros, que reciben el nombre de anómeros o formas anoméricas y se nombran anteponiendo al nombre del monosacárido las letras griegas α o β según que el grupo OH quede abajo o arriba de la estructura cíclica; así tendríamos la α-D-glucopiranosa y la β-D-glucopiranosa.

Formación de la β-D-fructofuranosa y la α-D-glucopiranosa.

En disolución acuosa, las formas α y β están continuamente interconvirtiéndose, a través del paso intermedio que es la forma lineal, que está siempre presente aproximadamente en un 1%. Como el paso de un anómero a otro supone un cambio en los valores de rotación del plano de la luz polarizada, a este fenómeno se le denomina mutarrotación. Para el caso de la glucosa, el equilibrio se alcanza cuando existe en la disolución un 63.6% de forma β y un 36,4% de forma α, lo que da como resultado un valor de rotación del plano de la luz polarizada de +52,7º.

Por último, conviene advetir que las formas cíclicas representadas en las figuras son las que se presentan más comúnmente en la naturaleza.

Monosacáridos de interés biológico

Entre las triosas destacan el D-gliceraldehído y la de dihidroxiacetona, que si bien no se encuentran libres en grandes cantidades, son importantes intermediarios en el metabolismo energético de las células.

Entre las pentosas cabe destacar la D-ribosa, que se encuentra formado parte de las moléculas más importantes, como el ATP, el NAD⁺ y el ácido ribonucleico. La D-ribulosa interviene en la fijación del dióxido de carbono de en la fotosíntesis. Tampoco las pentosas se hayan libres en grandes cantidades en la naturaleza.

Entre las hexosas podemos destacar a dos que se encuentran libres en la naturaleza en cantidades considerables: la D-glucosa y la D-fructosa, que confieren el sabor dulce a numerosas frutas. También las dos forman parte de importantes disacáridos y polisacáridos, como veremos en los apartados correspondientes. Además, actúan como intermediarios del metabolismo energético celular, y en concreto, la D-glucosa constituye el azúcar más extendido en la naturaleza y el que más utilizan los organismos como fuente de energía. También se puede citar la D-galactosa, que forma parte del disacárido lactosa del que se hablará en el capítulo de los disacáridos.

Existen también muchos derivados de los monosacáridos que tienen una importantísima función biológica. Entre ellos se puede destacar la 2-D-desoxirribosa, que forma parte de la molécula de ADN; los aminoazúcares que forman parte de las paredes bacterianas, los glicolípidos, las glicoproteínas, los nucleótidos y los derivados fosforilados que son intermediarios del metabolismo energético celular.