Monosacáridos

¿Qué son los monosacáridos?

Los monosacáridos son los carbohidratos más simples que constituyen la base estructural de carbohidratos más complejos. Varían en términos de su estructura y de su configuración estereoquímica.

El ejemplo más distinguido de un monosacárido, y también el más abundante en la naturaleza, es la d-glucosa, formada por seis átomos de carbono. La glucosa es una fuente indispensable de energía y es el componente básico de ciertos polímeros, como el almidón y la celulosa.

Los monosacáridos son compuestos derivados de aldehídos o cetonas y contienen al menos tres átomos de carbono en su estructura. No pueden sufrir procesos de hidrólisis para descomponerse en unidades más simples.

El número tan alto de moléculas que pueden formar los monosacáridos hace posible que sean ricos tanto en información como en función. De hecho, los carbohidratos son las biomoléculas más abundantes en los organismos.

La unión de los monosacáridos da lugar a los disacáridos –como sacarosa, lactosa y maltosa– y a polímeros de mayor tamaño, como glucógeno, almidón y celulosa, que desempeñan funciones de almacenamiento energético, además de funciones estructurales.

Características de los monosacáridos

• Estereoisomería. Los monosacáridos –con la excepción de la dihidroxiacetona– poseen átomos de carbono asimétrico, es decir, están enlazados a cuatro elementos o sustituyentes distintos. Estos carbonos son los responsables de la aparición de moléculas quirales y por tanto de isómeros ópticos. Por ejemplo, el gliceraldehído posee un solo átomo de carbono asimétrico y por ello existen dos formas de estereoisómeros designados con las letras d- y l-gliceraldehído. En el caso de las aldotetrosas poseen dos átomos de carbono asimétricos, mientras que las aldopentosas tienen tres. Las aldohexosas, como la glucosa, tienen cuatro átomos de carbono asimétricos, por lo tanto, pueden existir en las formas de 16 esteroisómeros diferentes. Estos carbonos asimétricos exhiben actividad óptica y las formas de monosacáridos varían en la naturaleza según esta propiedad. La forma más frecuente de la glucosa es la dextrorrotatoria, y la forma habitual de la fructosa es levorrotatoria. Cuando aparecen más de dos átomos de carbonos asimétricos, los prefijos d- y l- hacen referencia al átomo asimétrico más alejado del carbono carbonílico.
• Hemiaceles y hemicetales. Los monosacáridos tienen la capacidad de formar anillos gracias a la presencia de un grupo aldehído que reacciona con un alcohol y genera un hemiacetal. Igualmente, las cetonas pueden reaccionar con un alcohol y generar un hemicetal. Por ejemplo, en el caso de glucosa, el carbono en la posición 1 (en la forma lineal) reacciona con el carbono en la posición 5 de la misma estructura para formar un hemiacetal intramolecular. Según la configuración de los sustituyentes presentes en cada átomo de carbono, los azúcares en su forma cíclica pueden representarse siguiendo las fórmulas de proyección de Haworth. En estos diagramas, el borde del anillo que se encuentra más cercano al lector, y esta porción se representa con líneas gruesas. Así, un azúcar que posee seis términos es una piranosa y un anillo con cinco términos se denomina furanosa. De este modo, las formas cíclicas de la glucosa y de la fructosa se denominan glucopiranosa y fructofuranosa. Como se discutió anteriormente, la d-glucopiranosa puede existir en dos formas esteroisómeras, denotadas con las letras α y β.
• Conformaciones: silla y nave. Los diagramas de Haworth sugieren que la estructura de los monosacáridos posee una estructura plana, sin embargo, esta visión no es cierta. Los anillos no son planos por la geometría tetraédrica presente en sus átomos de carbono, por ello pueden adoptar dos tipos de conformaciones, llamadas silla y navío o nave. La conformación en forma de silla es, en comparación con la nave, más rígida y estable, por eso es la conformación que predomina en las disoluciones que contienen hexosas. En la forma de silla se pueden distinguir dos clases de sustituyentes, llamados axial y ecuatorial. En las piranosas, los grupos hidroxilo ecuatoriales sufren procesos de esterificación con mayor facilidad que los axiales.

Propiedades de los monosacáridos

• Mutarrotación y formas anoméricas de la d-glucosa. Cuando se encuentran en disoluciones acuosas, algunos azúcares se comportan como si tuvieran un centro asimétrico adicional. Por ejemplo, la d-glucosa existe en dos formas isómeras que se diferencian en la rotación específica: la α-d-glucosa β-d-glucosa. A pesar de que la composición elemental es idéntica, ambas especies varían en términos de sus propiedades físicas y químicas. Cuando estos isómeros entran en solución acuosa, se evidencia un cambio en la rotación óptica a medida que pasa el tiempo, alcanzando un valor final en el equilibrio. Este fenómeno se denomina mutarrotación y ocurre cuando se mezclan un tercio de isómero alfa con dos tercios del isómero beta, a una temperatura promedio de 20 °C.
• Modificación de los monosacáridos. Los monosacáridos pueden formar enlaces glicosídicos con alcoholes y aminas para formar moléculas modificadas. Del mismo modo, pueden ser fosforilados, es decir, un grupo fosfato puede añadirse al monosacárido. Este fenómeno es de gran importancia en diversas rutas metabólicas, por ejemplo, el primer paso de la vía glucolítica implica la fosforilación de la glucosa para dar el intermediario glucosa 6-fosfato. A medida que la glicólisis avanza, se generan otros intermediarios metabólicos, como la dihidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato, que son azúcares fosforilados. El proceso de fosforilación otorga una carga negativa a los azúcares, evitando que estas moléculas puedan abandonar la célula fácilmente. Además, les da reactividad para que puedan formar enlaces con otras moléculas.
• Acción del pH en los monosacáridos. Los monosacáridos son estables en ambientes a altas temperaturas y con ácidos minerales diluidos. En contraste, cuando son expuestos a ácidos muy concentrados, los azúcares sufren un proceso de deshidratación que produce derivados aldehídicos del furano, llamados furfurales. Por ejemplo, al calentar d-glucosa junto con ácido clorhídrico concentrado se genera un compuesto denominado 5-hidroximetilfurfural. Cuando los furfurales se condensan con los fenoles, producen sustancias coloreadas que pueden utilizarse como marcadores en el análisis de los azúcares. Por otro lado, los ambientes alcalinos suaves producen reordenaciones en torno al carbono anomérico y al carbón contiguo. Cuando se trata a la d-glucosa con sustancias básicas se crea una mezcla de d-glucosa, d-frutosa y d-manosa. Estos productos ocurren a temperatura ambiente. Cuando ocurre un incremento de la temperatura o de las concentraciones de sustancias alcalinas, los monosacáridos sufren procesos de fragmentación, polimerización o reordenación.

Funciones de los monosacáridos

• Cetonas y aldehídos. Los monosacáridos se clasifican de dos maneras. La primera depende de la naturaleza química del grupo carbonilo, ya que este puede ser una cetona o un aldehído. La segunda se enfoca en el número de átomos de carbono presente en el azúcar.
• Cetosas y aldosas. Por ejemplo, la dihidroxiacetona contiene un grupo cetona y por ello se le llama “cetosa”, en contraste con el gliceraldehído que contiene un grupo aldehído y se considera una “aldosa”. A los monosacáridos se les asigna un nombre en específico, dependiendo del número de carbonos que contenga su estructura. Así, un azúcar con dos, tres, cuatro, cinco, seis y siete átomos de carbono se denominan diosas, triosas, tetrosas, pentosas, hexosas y heptosas, respectivamente. De todas las clases de monosacáridos mencionados, las hexosas son, por mucho, el grupo más abundante. Ambas clasificaciones pueden combinarse y el nombre otorgado a la molécula es una mezcla del número de carbonos y del tipo de grupo carbonilo. En el caso de la glucosa (C₆H₁₂O₆), se considera una hexosa porque presenta seis átomos de carbono y además es una aldosa. Según las dos clasificaciones, esta molécula es una aldohexosa. Del mismo modo, la ribulosa es una cetopentosa.

Derivados importantes de los monosacáridos

• Glucósidos. En presencia de un ácido mineral, las aldopiranosas pueden reaccionar con alcoholes y formar los glucósidos. Estos son acetales mixtos asimétricos constituidos por la reacción del átomo de carbono anomérico proveniente del hemiacetal con un grupo hidroxilo de un alcohol. El enlace formado recibe el nombre de enlace glucosídico, y también puede formarse por la reacción entre el carbono anomérico de un monosacárido con el grupo hidroxilo de otro monosacárido para formar un disacárido. De esta manera, se forman las cadenas de oligosacáridos y polisacáridos. Pueden ser hidrolizados por ciertas enzimas, como las glucosidasas, o cuando se somete a condición de acidez y altas temperaturas.
• N-glucosilaminas o N-glucósidos. Las aldosas y las cetosas son capaces de reaccionar con aminas y dar como resultado los N-glucósidos. Estas moléculas tienen un papel importante en los ácidos nucleicos y en los nucleótidos, donde los átomos de nitrógeno de las bases se encuentran formando enlaces N-glucosilamina con el átomo de carbono de la posición 1 de la d-ribosa (en el ARN) o de la 2-desoxi-d-ribosa (en el ADN).
• Ácido murámico y ácido neuramínico. Estos dos derivados de los aminoazúcares poseen nueve átomos de carbono en su estructura y son componentes estructurales importantes de la arquitectura bacteriana y en la cubierta de las células animales, respectivamente. La base estructural de la pared celular bacteriana es el ácido N-acetilmurámico y está formado por el aminoazúcar N-acetil-d-glucosamina enlazado al ácido láctico. En el caso del ácido N-acetil-neuramínico, es un derivado del N-acetil-d-manosamina y el ácido pirúvico. El compuesto se encuentra en las glucoproteínas y en los glucolípidos de las células animales.
• Azúcares-alcoholes. En los monosacáridos, el grupo carbonilo es capaz de reducirse y formar azúcares-alcoholes. Esta reacción ocurre con la presencia de hidrógeno gaseoso y catalizadores metálicos. En el caso de la d-glucosa, la reacción da origen al azúcar-alcohol d-glucitol. Del mismo modo, la reacción por parte de la d-manosa rinde al d-manitol. Naturalmente, existen dos azúcares muy abundantes, la glicerina y el inositol, ambos con una importancia biológica resaltante. El primero es el componente de ciertos lípidos mientras que el segundo se encuentra en el fosfaditil-inositol y en al ácido fítico. La sal proveniente del ácido fítico es la fitina, un material de sostén indispensable en los tejidos vegetales.

Ejemplos de monosacáridos

Dividiremos los ejemplos en los dos principales tipos de monosacáridos: aldosas y cetosas.

• Aldosas. Este grupo es el formado por el carbonilo en uno de los extremos de la cadena carbonatada.
  • Diosas
    • Glicoaldehído. Es la única diosa que existe, compuesta por dos átomos de carbono.
  • Triosas
    • Gliceraldehído. Es el único de las aldosas formado por tres átomos de carbono. por lo que se conoce como una triosa. Es el primer monosacárido que se obtiene en la fotosíntesis. Además de que forma parte de rutas metabólicas como la glucólisis.
  • Tetrosas
    • Eritrosa y treosa. Cuentan con cuatro átomos de carbono y un grupo aldehído. La eritrosa y la treosa se diferencian en la conformación de los carbonos quirales. En la treosa se encuentran en conformaciones D-L o L-D mientras que en la eritrosa las conformaciones de ambos carbonos son D-D o L-L
  • Pentosas. En este grupo encontramos las cadenas carbonatadas que cuentan con cinco átomos de carbono. Según la posición del carbonilo diferenciamos los monosacáridos ribosa, desoxirribosa, arabinosa, xilosa y lixosa.
    • La ribosa es uno de los componentes principales del ARN y ayuda a formar nucleótidos como el ATP que proporcionan energía a las células de los seres vivos.
    • La desoxirribosa es un desoxiazúcar derivado de un monosacárido de cinco átomos de carbono (pentosa, de fórmula empírica C5H10O4).
    • La arabinosa es uno de los monosacáridos que aparecen en la pectina y en la hemicelulosa. Se utiliza en cultivos bacterianos como fuente de carbono.
    • La xilosa, conocida vulgarmente como azúcar de madera. Su función principal está relacionada con la nutrición humana, y es uno de los ocho azúcares esenciales para el cuerpo humano.
    • La lixosa es un monosacárido poco común en la naturaleza y se encuentra en las paredes bacterianas de algunas especies.
  • Hexosas. En este grupo se encuentran seis átomos de carbono. También se clasifican dependiendo del lugar donde se encuentre su carbonilo:
    • La alosa es poco común, se ha logrado obtener de las hojas de un árbol africano únicamente.
    • La altrosa se encuentra en algunas cepas de la bacteria Butyrivibrio fibrisolvens.
    • La glucosa compuesta por una cadena carbonatada de seis átomos de carbono, y complementada con doce átomos de hidrógeno y seis de oxígeno. Es el monosacárido más importante que se encuentra en todos los seres vivos. Esta cadena carbonatada es necesaria para que las células puedan existir, ya que les proporciona energía.
    • La manosa tiene una composición similar a la glucosa y su función principal es producir energía para las células.
    • La gulosa es un monosacárido artificial de sabor dulce que no es fermentado por las levaduras.
    • La idosa es un epímero de la glucosa y se utiliza como fuente de energía de la matriz extracelular de las células de los seres vivos.
    • La galactosa es un monosacárido que forma parte de los glucolípidos y glucoproteínas y se encuentra sobre todo en las neuronas del cerebro.
    • La talosa es otro monosacárido artificial, soluble en agua y con sabor dulce
• Cetosas. Dependiendo del número de átomos de carbono podemos distinguir la dihidroxiacetona, formada por tres átomos de carbono, y la eritrulosa, formada por cuatro. Asimismo, si tienen cinco átomos de carbono y atendiendo a la posición del carbonilo, nos encontramos la ribulosa y la xilulosa. Formada por seis átomos de carbono tenemos la sicosa, la fructosa, la sorbosa y la tagatosa.

Referencias

1. Audesirk, T., Audesirk, G., Byers, B.E. Biología: La vida en la Tierra. Pearson educación.
2. Curtis, H., Schnek, A. Curtis. Biología. Ed. Médica Panamericana.
3. AKSELROD, S. et al. Glucose/_/-. J. Physiol.
4. VALENZUELA, A. Monosacáridos estructura y función.
5. KARP, G. Biología celular y molecular: conceptos y experimentos (6a. McGraw Hill.