Hidratos de Carbono QUÍM.

Categoria:

Química

Son compuestos formados por carbono, oxígeno e hidrógeno, de fórmula general Cn(H20)m y reciben el nombre de h. de c. o carbohidratos porque el hidrógeno y el oxígeno se encuentran en ellos en la misma proporción que en el agua. También se les llama azúcares o sacáridos porque el ejemplo más típico de este grupo de sustancias es el azúcar común o sacarosa. Cuando se les considera como uno de los grupos de principios biológicos inmediatos, se les da preferentemente el nombre de glúcidos. Los otros principios inmediatos son los lípidos (v.) y las proteínas (v.) Los h. de c. incluyen sustancias que son típicamente azúcares, así como otras más complejas que al ser hidrolizadas (v. HIDRÓLISIS) dan lugar a azúcares sencillos. Las primeras, no hidrolizables, se llaman osas o monosacáridos, y las segundas ósidos o polisacáridos, las cuales, cuando se someten a hidrólisis, dan lugar a moléculas de monosacárido. Los polisacáridos más sencillos (disacáridos y trisacáridos) se llaman también oligosacáridos.

Monosacáridos. Su naturaleza química es la de polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas y se nombran de acuerdo con el número de átomos de carbono que contienen y la naturaleza cetónica o aldehídica de su grupo C-0 (v. ALDEHIDOS; CETONAS). Su fórmula general será, por tanto,OHOCH2-(CHOH)?-CHpara las aldosas, y HOCH2-CO-(CHOH),-CH20H para las cetosas, n=3, 4, 5, 6, 7. Al aldehído glicólico C1-12011-CHOde dos átomos de carbono no se le considera realmente un azúcar por no ser ópticamente activo, propiedad de todos los azúcares naturales (v. ISOMERÍA), y por otra parte no son frecuentes las osas de ocho o más átomos de carbono. La triosa más importante es el gliceraldehído, aldosa de fórmula CH20H-CHOH-CHO con un carbono asimétrico, por lo que son posibles dos estereoisómeros. En general el número de estereoisómeros teóricos es 2n, siendo n el número de átomos de carbono asimétrico.

Los isómeros que presentan los glúcidos se dividen en dos series: serie D- y serie L-, y esta característica se refiere a la dirección del grupo -OH unido al carbono contiguo al grupo alcohólico primario. La mayoría de los glúcidos naturales pertenecen a la serie D. El tener carbonos asimétricos da lugar a actividad óptica; por tanto, los h. de c. pueden ser dextrógiros (+), o levógiros (-) según desvíen el plano de la luz polarizada a la derecha o a la izquierda, respectivamente. Así, la notación completa para describir estas sustancias incluye el signo referente a la serie a que pertenecen y el correspondiente a su actividad óptica; p. ej., las formas correctas para los dos isómeros del aldehído glicérico o glicerosa (fig. 1) son: D(+)glicerosa y L(-)glicerosa. La cetosa de tres átomos de carbonoHOCHZ-CO-CHZOHse llama dihidroxiacetona y tiene poca importancia, como las tetrosas, cuyo interés es únicamente teórico.

Las pentosas son especialmente abundantes en el mundo vegetal. Teóricamente son posibles 23=8 aldopentosas pero sólo son importantes la D-ribosa, que se encuentra formando parte de algunos ácidos nucleicos, la L-arabinosa de la goma arábiga y de las sustancias pécticas de los frutos, y la D-xilosa o azúcar de madera. Las cetopentosas son poco importantes y pueden existir en cuatro formas ópticamente activas que se pueden obtener artificialmente.

Las hexosas son los h. de c. más importantes, por sí mismas y porque constituyen las unidades que dan lugar a los más importantes polisacáridos. Su fórmula general es C6H1z06; teóricamente son posibles 16 aldohexosas aunque en la naturaleza han sido localizadas únicamente tres, de la serie D: D-glucosa, D-manosa y D-galactosa, que son las únicas de importancia; y entre las cetohexosas, la D-fructosa es la única importante.

La D(+)glucosa, llamada también dextrosa por ser dextrógira, es el azúcar más ampliamente distribuido en la naturaleza. Es abundante en los frutos, en especial en las uvas maduras; es el constituyente principal de la miel de las abejas, juega importante papel en el metabolismo de los glúcidos, por lo que se encuentra en la sangre en una concentración determinada (glucemia) próxima al 1°/oo y aparece frecuentemente en la degración de los polisacáridos. A escala industrial se prepara por tratamiento de un ósido, el almidón, por hidrólisis ácida en caliente. La D(+)glucosa pura es un producto cristalino blanco que funde a 146° C, muy soluble en agua y difícilmente soluble en disolventes orgánicos. La glucosa, y en general todas las aldohexosas, reaccionan con una seriede sustancias dando lugar a procesos típicos de aldehídos y alcoholes, por lo que no hay duda de que su fórmula es: HOCH,-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO.

Sin embargo, se ha demostrado que esta fórmula de cadena abierta no es adecuada para dar perfecta explicación a todas las propiedades y reacciones de estos compuestos, puesto que si se tratase de puros polihidroxialdehídos no fallarían en ensayos típicos de estos productos como son el ensayo de Schiff y la formación de compuestos estables con el bisulfito sódico (v. ALDEHÍDOS). Por otra parte se observa otra anomalía al analizar las propiedades ópticas de la glucosa: el cambio que experimentan en la rotación óptica las disoluciones recientemente preparadas de este azúcar. Así, p. ej., la D(+ )glucosa recientemente disuelta, tiene un poder rotatorio específico de +1090, que decrece lentamente hasta alcanzar un valor aparentemente de equilibrio de +52,5°. Este fenómeno se conoce como "mutarrotación" y sólo se explica admitiendo la existencia de dos modificaciones, que han podido ser aisladas, y que se han denominado a-glucosa y /3-glucosa y cuyas rotaciones son respectivamente de +109o y +19,80.

La mejor forma de explicar estas propiadades es admitir la formación de una estructura cíclica hemiacetálica. Puesto que los hemiacetales internos, como estos correspondientes a las hexosas, están en equilibrio en disolución acuosa con la forma de cadena abierta, se puede explicar el fenómeno de la mutarrotación de - las dos formas, a y /3, del azúcar a través de la forma abierta. Las características anómalas de la función aldehído terminal también se pueden explicar si se admite que la D(+)glucosa y demás monosacáridos que presentan mutarrotación existen preferentemente en estas formas de ciclos internos, intramoleculares. Así, se ha comprobado que la glucosa anhidra no existe prácticamente en la forma aldehídica abierta, sino que está constituida en su mayor parte por una mezcla de a-D(+ )glucosa y (3-D(+ )glucosa. Las últimas estructuras propuestas para la glucosa son anillos hexagonales basados en el anillo del pirano; de aquí que se la pueda llamar también D(+ )glucopiranosa. Esta estructura, no plana, es aplicable a casi todos los azúcares y ha sido confirmada al estudiar los cristales de azúcar por difracción de rayos X. Cuando la glucosa se trata con un agInte oxidante suave, como agua de bromo, se oxida a ácido glucónicoHOCHZ-(CHOH), COOH;si se oxida con un oxidante fuerte, como el ácido nítrico, se obtiene principalmente ácido sacárico HOOC-CHOH)a-COOH ; y si se oxida el grupo terminal -CH20H solamente, resulta ácido glucurónicoHOOC---(CHOH)4-CHO.

Estas reacciones son típicas de los azúcares, no sólo de la glucosa sino de los monosacáridos en general. En la glucosa son más importantes porque son más conocidas y se producen con más frecuencia en los organismos vivos y artificialmente. También es posible la fermentación enzimática de varios azúcares; sin embargo, la fermentación más importante es la obtención de alcohol etílico a partir de la glucosa, que se realiza al actuar sobre ella el enzima "zimasa" de la levadura, resultando dos moléculas de alcohol por cada una de glucosa:C^206+zimasa i 2CH3CH20H+2CO2.

Este proceso es el mismo que se efectúa en la fermentación del mosto de uva a vino. En el organismo animal, la glucosa desempeña un papel extraordinariamente importante, puesto que los monosacáridos aldohexosas que se forman en la digestión se convierten en el hígado todos en glucosa y es la base de los depósitos de glucógeno acumulados en el hígado y en los músculos.

La D(+)manosa no se encuentra libre en forma natural, sino polimerizada en ciertos polisacáridos, manosas o mananos, que se encuentran en numerosas plantas y especialmente en la corteza del marfil vegetal. Precisamente el principal procedimiento de obtención de manosa es la hidrólisis con ácido sulfúrico diluido de estos polisacáridos. Es un sólido cristalino de punto de fusión 132° C cuyo comportamiento químico es análogo al de la glucosa. Por reducción da lugar al alcohol a-manitol, muy abundante en la naturaleza.

La D(+)galactosa se encuentra en diversos polisacáridos (galactanos) y en la lactosa o azúcar de la leche, un disacárido formado por glucosa y galactosa, del cual se puede obtener por hidrólisis. Químicamente se comporta de forma análoga a la glucosa. Por oxidación puede dar ácido múcico, isómero del ácido sacárico, pero que a diferencia de éste es insoluble en agua.

La única cetohexosa importante es la D(-)fructosa, que con la glucosa es el monosacárido más importante. Se encuentra libre en muchos frutos y en la miel y, combinada con la glucosa, en la sacarosa o azúcar de caña, de la cual se puede obtener por hidrólisis. Comercialmente se prepara a partir de la inulina, un polisacárido que se encuentra en las raíces de algunas plantas compuestas, por hidrólisis en presencia de ácido sulfúrico: (C,H1o0s)?+H20 --> nC6HI206.

La fructosa es un sólido blanco cristalino que funde con descomposición a 1020C; es dulce, fácilmente soluble en agua y de naturaleza levógira por lo que también se la llama levulosa. Tiene el mismo valor alimenticio que la glucosa, pues se convierte en ésta al ser trasformada por el hígado.

Disacáridos. Son h. de c. de fórmula generalCI2H220Ii, formados mediante la unión de dos moléculas de monosacárido. La unión se puede llevar a cabo por reacción entre el OH hemiacetálico de un monosacárido y un -OH alcohólico de otro, y en tal caso el disacárido que resulta conserva las propiedades reductoras, mientras que si la unión se lleva a cabo entre los dos grupos -OH hemiacetálicos se pierden las propiedades reductoras. Los disacáridos más importantes son: lactosa, sacarosa, maltosa y celobiosa.

La lactosa se encuentra en la leche de todos los animales. Es un sólido cristalino de punto de fusión 203° C que se puede obtener con buen rendimiento de sueros y subproductos de la industria láctica. Está formada por una molécula de D(+ )glucosa y D(+ )galactosa, y por la acción de ácidos diluidos o del enzima lactasa se hidroliza para dar lugar a estos dos componentes. Tiene propiedades reductoras y presenta el fenómeno de la mutarrotación.

La sacarosa o azúcar de caña es uno de los azúcares más importantes en la naturaleza y, sin duda, el más importante comercialmente. Se obtiene de la caña de azúcar y de la remolacha azucarera mediante procesos industriales muy perfeccionados. Tiene un punto de fusión de 180° C, y no posee propiedades reductoras ni presenta mutarrotación. Químicamente su estructura está constituida por una molécula de a-D(+)glucosa y otra de /3-D(-)fructosa. La sacarosa es dextrógira con un poder rotatorio específico de +66,5°; al ser hidrolizada mediante ácidos diluidos o por acción de la enzima "invertasa" resulta una mezcla de glucosa y fructosa que se comporta como levógira. La mezcla originada se conoce como "azúcar invertido" y al fenómeno se le denomina "inversión de la sacarosa"; p. ej., la miel es azúcar invertido natural.

La maltosa o azúcar de malta se forma a partir de dos moléculas de a-D(+)glucosa. Se encuentra en el grano germinado de la cebada, en el cual se forma como producto de hidrólisis del almidón por el enzima "diastasa". Es sólido blanco cristalino, que funde a 160-165° C, dextrógira y de propiedades reductoras. La celobiosa no se encuentra en forma libre en la naturaleza. Se obtiene por hidrólisis ácida de la celulosa. Está constituida por a-D(+ )glucosa y /3-D(+ )glucosa, es un azúcar reductor, dextrógira, presenta el fenómeno de la mutarrotación y puede ser hidrolizada a dos moléculas de glucosa.

Polisacáridos. Son compuestos superiores, de elevado peso molecular y carácter polimérico (v. POLIMERIZACIóiv), formados por muchas unidades de monosacáridos. Los polisacáridos se encuentran en los seres vivos, vegetales y animales, cumpliendo funciones principalmente de sostén y reserva. Al unirse las moléculas sencillas de monosacáridos para dar lugar a los ósidos superiores pierden algunas de sus características y así, los polisacáridos no tienen carácter reductor, no son dulces, carecen de estructura macrocristalina, son insolubles o muy poco solubles, aunque muchos de ellos, en condiciones adecuadas, pueden dar lugar a dispersiones coloidales (v. COLOIDES). Normalmente se puede estudiar su composición analizando los productos resultantes de su hidrólisis. Pueden resultar de la unión de pentosas y en tal caso se llaman pentosanas, y si se han formado a partir de hexosas se llaman hexosanas.

Las pentosanas más conocidas y abundantes son la xilana y la arabana. La primera se encuentra en la madera y en distintos tejidos vegetales, generalmente asociada con la celulosa y juega sobre todo un papel estructural y de sostén. Por hidrólisis de las xilanas resulta la pentosa D-xilosa. La arabana se encuentra en las gomas vegetales, como la goma arábiga, la del cerezo y el melocotón, en los mucílagos y en jugos de frutas. Por hidrólisis da lugar únicamente a la L-arabinosa.

Las hexosanas tienen fórmula general (C6H,005)n ’ H2O,ya que al formarse a partir de n moléculas de hexosa se pierden n-1 moléculas de agua. Entre las más importantes se encuentran el almidón, el glucógeno, la celulosa y la inulina.

El almidón se encuentra ampliamente distribuido en el reino vegetal. Las plantas verdes lo almacenan como fondo de reserva y puede ser considerado como el producto final de la fotosíntesis. Se extrae de las plantas como un polvo blanquecino formado por los granos de almidón. Está constituido por muchas moléculas unidas por enlaces a-glucosídicos. Al tratar de disolver los granos de almidón se comprueba que no son homogéneos sino que están constituidos por una fracción soluble en agua caliente (amilosa) y por otra insoluble (amilopectina), que es la que da lugar al engrudo coloidal. Las principales fuentes para la obtención comercial del almidón son el maíz, trigo, cebada, arroz, patatas y sorgo. Se utiliza con fines analíticos por su afinidad con el yodo. Al hidrolizar completamente el almidón resulta únicamente glucosa, pero en las etapas intermedias se pueden aislar como productos de interés otros polisacáridos llamados dextrinas, solubles en agua, y que tienen gran. utilidad en la fabricación de adhesivos y como agentes espesantes.

El glucógeno o almidón animal se encuentra en casi todas las células animales, especialmente en el hígado, donde se acumula como depósito de reserva de hidratos de carbono del organismo. Su estructura a-glucosídica es idéntica a la del almidón pero de menor peso molecular, pues mientras las macromoléculas de almidón contienen de 2.000 a 3.000 unidades de glucosa, el glucógeno contiene únicamente 12-18 unidades.

La celulosa es prácticamente privativa del reino vegetal, donde se encuentra como constituyente principal de las paredes celulares de las plantas desempeñando una misión estructural. Químicamente la celulosa es un R-glucósido formado por largas cadenas de 100 a 200 restos de glucosa. Es insoluble en agua y en disolventes orgánicos, y por hidrólisis total se transforma cuantitativamente en glucosa. La celulosa se puede obtener del algodón, que es celulosa casi pura, y de la madera mediante tratamientos apropiados. Al contrario que el almidón no tiene valor nutritivo para el hombre puesto que no existen en el intestino enzimas que puedan hidrolizarla Los herbívoros la asimilan indirectamente porque poseen en su tubo digestivo microorganismos que la degradan. La celulosa presenta una importancia industrial cada vez mayor como materia prima en la fabricación de papel, nitrocelulosa, celofán, celuloide, acetato de celulosa y rayón o seda artificial.

La inulina es una fructosana compuesta por cadenas de aproximadamente 30 unidades de D-fructosa. Es soluble en agua caliente, levógira, y no da reacción con el yodo. Se encuentra como sustancia de reserva hidrocarbonada en las raíces de algunas plantas como la dalia, achicoria, y tupinambo, que pueden servir de materia prima para la obtención industrial de la fructosa.

V. t.:QUíMICA ORGÁNICA;CARBONO;COMPUESTOSQUIMIcos 11.

C. MENDOZA OCHARAN.

BIBL.: I. L. FINAR, Química orgánica. Principios fundamentales, Madrid 1966; E. A. DAvIDSON, Carbohydrate Chemistry, Londres 1967; W. PIGMAN, The Carbohydrates, Nueva York 1957; v. t. la del art. COMPUESTOS QUIMICOS II.