Monosacáridos

En la vida cotidiana, los monosacáridos juegan un papel principal. Son las concepciones más sencillas de los glúcidos, o comúnmente y malllamados carbohidratos y azúcares. Son buenos conservadores de energía, y en la destrucción de los glúcidos las células usan la energia liberada para ejecutar muchas de sus funciones vitales. Vamos a hacer una pequeña monografía sobre quienes son los monosacáridos.

De forma general, un glúcido es un compuestos complejos formado por uno o más monosacáridos. Si un glúcido contiene dos monosacáridos, se le denomina disacárido, si tiene entre tres y nueve uniones de monosacáridos se le denomina oligosacárido, y de diez en adelante uniones de monosacáridos, polisacárido. Así, concluimos que un monosacárido es el tipo de glúcido más sencillo, o dicho de otro y mejor modo, el glúcido basal.

Tipos de monosacáridos, existen muchos. La característica común de todos los monosacáridos es que poseen una hebra principal de carbonos unidos entre sí, y estos a su vez unidos a átomos de hidrógeno y oxígeno de diversas formas. La cantidad de carbonos que puede tener dicha hebra de carbonos, oscila entre 3 y 6 carbonos; también existen monosacáridos con más de 6 carbonos, pero todos ellos son inestables y poco comunes.

Hace falta recordar que los carbonos tienen cuatro electrones de valencia, el hidrógeno un electrón de valencia, y el oxígeno dos. La valencia de un átomo es la cantidad de enlaces libres de los que dispone para asociarse con otros átomos (aunque no todas los átomos se enlazan con las demás mediante electrones de valencia, véase electronegatividad, enlace iónico, enlace covalente y enlace metálico).

Un primer criterio de clasificación de los monosacáridos es la cantidad de átomos de carbono que posea, así, si tiene tres, se le denomina triosa, si tiene cuatro, tetrosa, para cinco, pentosa y para seis, hexosa

Un grupo hidroxilo no es más que la unión de un átomo de hidrógeno con uno de oxígeno. Como la molécula de hidrógeno tiene valencia 1, solo gasta una de las dos valencias del oxígeno, quedando una libre para que el grupo se una a cualquier otra sustancia. Por ejemplo, en la imagen del gliceraldehído, se puede observar cómo existen dos grupos hidroxilo en la molécula (pelota blanca, unida a la pelota roja). Como aún queda una valencia libre, ésta se usa para unirse al carbono del esqueleto de la molécula. En la glucosa existen cinco grupos hidroxilo.

Un grupo carbonilo es la unión de un átomo de oxígeno a un átomo de carbono, usando las dos valencias del oxígeno. Se puede observar cómo existe un grupo carbonilo en cada una de las dos moléculas, y también se vé cómo se ha representado la unión con dos barritas, cada una representando a uno de los dos electrones de valencia compartidos.

Un segundo criterio de clasificación viene relacionado con la forma en que se distribuyen en la molécula los átomos de hidrógeno y oxígeno que se unen a la hebra de carbonos. En las imágenes vemos una representación 3D del gliceraldehído (abajo) y la glucosa (izquierda). Los átomos de carbono vienen en color gris, los de oxígeno en rojo, y los hidrógenos en color blanco. Vemos que el gliceraldehído tiene tres átomos de carbono, por lo tanto es un triosa. La glucosa por contra tiene seis, por tanto es una hexosa.

Antes de ver en qué consiste en concreto esta clasificación, antes hablemos un poco sobre los distintos compuestos químicos relacionados con los monosacáridos:

• Hidroxilo
• Carbonilo
• Aldehído
• Cetosa

En todos los monosacáridos existe presente la misma estructura. Si la molécula tiene x átomos de carbono, existen x-1 grupos hidroxilo, y un sólo grupo carbonilo. La segunda forma de clasificar a los monosacáridos es dependiendo de la posición del grupo carbonilo en la molécula. Al carbonilo y al hidroxilo se les denominan grupos funcionales porque no son moléculas completas, es decir, son moléculas que tienen valencias libres a esperar de unirse a otras moléculas, y que le dan unas propiedades químicas concretas a la molécula a la que se le una:

Un aldehído es un compuesto orgánico que posee un grupo CHO. En un monosacárido, esto se puede lograr cuando el grupo carbonilo se encuentra en un extremo de la molécula, por lo que el grupo carbonilo CO gasta dos valencias de las cuatro del carbono, la tercera se usa para unirse al esqueleto de carbonos de la molécula, y la cuarta valencia se reyenaría con un átomo de hidrógeno, obteniendose en el extremo el grupo CHO, conviertiéndose el monosacárido en un aldehído. De nuestros gráficos, tanto la glucosa como el gliceraldehído son aldehídos, pués el grupo carbonilo se encuentran en el extremo de la molécula.

La cetona es cualquier compuesto orgánico que contenga el grupo CO. En un monosacárido esto se logra cuándo el carbono que forma el grupo carbonílo no está en un extremo de la molécula. Es decir, que en los monosacáridos, como siempre existe un grupo carbonilo, si éste está en un extremo es un aldehído, y cuándo no, una cetona. En la naturaleza, todos los monosacáridos cetónicos contienen el grupo carbonilo en la segunda posición, es decir, que el carbono del grupo CO se encuentra unido a un extremo de la molécula.

Eritrosa Treosa Xilosa Lixosa Talosa

Ribulosa Xilulosa

Si nos fijamos en las dos aldotetrosas presentadas (eritrosa y treosa), vemos que tienen casi la misma estructura, y solo cambia la disposición de los grupos. Por ejemplo, en el carbono 3 de la xilosa, el grupo hidroxilo se encuentra a su derecha, y en la lixosa a la izquierda. y lo mismo ocurre entre la ribulosa y la xilulosa. En general, todas los monosacáridos que presenten un mismo número de carbonos presentan una idéntica formula química, es decir, que tienen igual cantidad de átomos distribuidos en la molécula, sólo cambia la forma en que se combinan entre sí. A esta propiedad de los compuestos químicos se le llama isomería: dos moléculas distintas son isómeras una de la otra si presentan igual fórmula química. Así por ejemplo, todos los isómeros de la tetrosa responden a la fórmula química C4H8O4, y todos los isómeros de la hexosa, a C6H12O6. En general, la fórmula de los monosacáridos es (CH2O)n, con n>2.

Existen los distintos tipos de isomería:

• Isomería plana: los átomos están conectados de distinta forma. A su vez existen distintos tipos de isomería plana: isomería plana de cadena, funcional y de posición. Dos moléculas son isómeras de cadena si tienen los átomos de carbono conectados entre sí de distinta forma, es decir, que el esqueleto de carbono del compuesto orgánico es distinto. Luego veremos que entre los monosacáridos existen isomerías de cadena. Dos moléculas son isómeras de función si no son isómeros de cadena y tienen distintos grupos funcionales anexados al esqueleto, por ejemplo, cualquier aldotetrosa es isómera funcional de cualquier cetotetrosa, y cualquier aldohexosa es isómera funcional de cualquier cetohexosa, pues los grupos funcionales son los que cambian (el aldehído por la cetona). Por último, dos moleculas son isómeras de posición si no son isómeras de función, pero tienen los grupos funcionales distribuidos de forma distinta. Los monosacáridos no son nunca isómeros de función, puesto que las aldosas tienen siempre el grupo aldehído en la primera molécula de carbono, y las cetosas siempre tienen el grupo cetona en la segunda molécula de carbono.
  
• Isomería espacial (o estereoisometría): los átomos están conectados entre sí de la misma forma, pero cambia la orientación espacial de la molécula. Por ejemplo, la eritrosa y la treosa son estereoisómeros, porque a cada carbono le unen los mismo átomos, pero sin embargo, estos presentan variación según su disposición espacial: en la eritrosa, el grupo hidroxilo del segundo carbono se encuentra a la derecha, y en la treosa se encuentra a la izquierda. La xilosa y la lixosa también son isómeros espaciales uno del otro. Si los estereoisómeros son imágenes especulares uno con respecto al otro (como las manos, que son una el reflejo de la otra), a los estereoisómeros se les denomina enantiómeros. En caso contrario, los estereoisómeros son diasteroisómeros.
  

Con esto, vamos a enunciar un último criterio a la hora de clasificar monosacáridos. Si vemos las imágenes expuestas a la derecha, ambos corresponden a gliceraldehídos, solo que cambia la orientación espacial del grupo hidroxilo y el átomo de hidrógeno enlazados a la molécula central de carbono. En este caso, podemos ver que las dos moléculas son enantiómeras. En la tercera imágen se puede observar con más claridad este hecho.

En los monosacáridos, todas los átomos de carbono del esqueleto del monosacárido, salvo las de los extremos (esto es, todas los carbonos centrales), son las responsables de que pueda haber estereoisómeros: basta invertir los grupos conectados a cualquiera de sus carbonos, para conseguir un nuevo estereoisómero; son los llamados carbonos quirales. En el caso del gliceraldehído, al invertir los grupos del único carbono central, obtenemos un nuevo compuesto, que al ser enantiómeros uno del otro, no reciben nombre distinto, ambos son gliceraldehídos. Para identificar con cuál de los dos isómeros estamos tratando, se le identifica según la posición del grupo hidroxilo. En el primer caso, el grupo hidroxilo se encuentra a la derecha, y por ello se le denomina D-gliceraldehído. En el segundo caso, el grupo hidroxilo está a la izquierda, entonces se le nombre como L-gliceraldehído (D para la derecha, L para la izquierda).

Si existe más de un átomo quiral, para identificar a dos enantiómeros distintos, se usa la posición del grupo hidroxilo que esté más alejado del grupo carbonilo de la molécula (es decir, el del penúltimo carbono). Obviamente no pueden existir más de dos enantiómeros; todo estereoisómero adicional sería diasteroisómero. Como las aldotriosas sólo tienen un carbono quiral, no pueden existir diasteroisómeros, y todas las aldotriosas son gliceraldehídos. Y con las cetotriosas, ni siquiera tenemos enantiómeros, pues el único carbono central lleva asociado el grupo carbonilo, por lo que no existe estereoisomería (también llamado quiralidad). Así tenemos que en realidad, las aldosas y las cetosas presentadas anteriormente son en realidad, y respectivamente: D-eritrosa, D-treosa, D-xilosa, D-lixosa, D-talosa, D-ribulosa y L-xilulosa. La mayoría de los monosacáridos se presentan en la naturaleza habitualmente en su forma D-glúcida.

Muchas veces, en vez de presentarse las moléculas en su forma lineal, como hemos estado viendo hasta ahora (el esqueleto de carbonos presentado como una linea), los monosacáridos pueden "ciclarse". Los monosacáridos que presentan formas cíclicas son las pentosas y las hexosas. Siempre se ciclan uniendo el carbono unido al grupo funcional principal, es decir, el carbono primero en el caso de las aldosas o el carbono segundo en el caso de las cetosas, con el último carbono quiral, esto es, el penúltimo. Si el monosacárido ciclado era una pentosa, el monosacárido recibe el nombre de furanosa, y si era una hexosa, el compuesto ciclado se denomina piranosa, así, la ribosa, una aldopentosa, en su forma ciclada se denomina ribofuranosa; y la forma cicliada de la fructosa, una cetohexosa, fructopiranosa. Cuándo el monosacárido cliclado es una aldosa, el enlace que "cierra" el círculo se llama enlace hemiacetal, y si es una cetosa, enlace hemicetal.

Entre el gráfico y la animación podemos observar cómo se cicla un monosacárido, en este caso dos aldosas. Además en la animación se observa cómo el pentagono que forma la D-glucopiranosa forma un plano, y que el carbono 1 ahora se convierte en un nuevo carbono quiral, por lo que tenemos dos nuevos estereoisómeros, en este caso llamados anómeros. Estos anómeros son una forma de isomería plana de cadena con respecto a las formas lineales de un mismo monosacárido, como anunciamos más arriba.

Por último, si el grupo hidroxilo del nuevo átomo quiral queda por debajo del plano, al compuesto se le pondrá de prefijo α-, y si queda por encima, β-. Así, como en la D-glucopiranosa de la animación, el grupo hidroxilo quedó por debajo, el monosacárido se denomina α-D-glucopiranosa; en caso contrario se hubiera denominado β-D-glucopiranosa.