5.2: Tutorial de carbohidratos de biomasa

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5.2 Tutorial de carbohidratos de biomasa

Cuando se usa la palabra carbohidrato, normalmente pienso en los carbohidratos en los alimentos. Los carbohidratos son los azúcares y unidades complejas compuestas por azúcares. En esta sección se describirá cada uno.

Los azúcares también se llaman sacáridos. Las unidades monoméricas son unidades individuales de azúcares llamadas monosacáridos. Las unidades dímeras son unidades dobles de azúcares llamadas disacáridos. Los polímeros contienen múltiples unidades de monómeros y dímeros y se denominan polisacáridos.

Entonces, ¿qué son los monosacáridos típicos? Están conformadas por una molécula que se encuentra en una estructura de anillo con carbonos y oxígeno. La Figura 5.9a muestra la estructura de la glucosa; está conformada por C ₆ H ₁₂ O ₆. La glucosa se distingue por su estructura: cinco carbonos en el anillo con un oxígeno; CH ₂ OH unido a un carbono; y grupos OH y H unidos a los otros carbonos. Este azúcar se conoce como azúcar en la sangre y es una fuente inmediata de energía para la respiración celular. La Figura 5.9b muestra galactosa junto a la glucosa, y podemos ver que la galactosa es casi como la glucosa, excepto en el carbono No. 4 el OH y H son un isómero y apenas ligeramente diferentes (resaltados en rojo en la molécula de galactosa). La galactosa es un monómero de azúcar en leche y yogur. La Figura 5.9c muestra fructosa; aunque todavía tiene una fórmula química similar a la glucosa (C ₆ H ₁₂ O ₅), es un anillo de cinco miembros con carbonos y oxígenos, pero dos grupos CH ₂ OH. Este es un azúcar que se encuentra en la miel y las frutas.

Figura 5.9a: Estructura de glucosa con carbonos numerados.

*Crédito: Palaeos.com*

Estructura de galactosa junto a glucosa para resaltar la principal diferencia en las estructuras (H y OH se voltean en C4) — Figura 5.9b: Estructura de galactosa junto a glucosa para resaltar la principal diferencia en las estructuras.

*Crédito: Palaeos.com*

Figura 5.9c: Estructura de fructosa.

*Crédito: Palaeos.com*

También tenemos disacáridos como azúcares en los alimentos. Los disacáridos son dímeros de los monómeros que acabamos de discutir y se muestran a continuación. Uno de los disacáridos más comunes es la sacarosa, que es azúcar de mesa común y se muestra en la Figura 5.10a. Es un dímero de glucosa y fructosa. Otro dímero común de azúcar es la lactosa. Es el azúcar principal en la leche y un dímero de galactosa y glucosa (ver Figura 5.10b). La maltosa (5.10c) también es un dímero de azúcar pero es un producto de la digestión del almidón. Es un dímero compuesto por glucosa y glucosa. En la siguiente sección, discutiremos en qué están compuestos el almidón y la celulosa para ver por qué la maltosa es un producto de la digestión del almidón.

Estructura química de sacarosa (glucosa + fructosa). — Figura 5.10a: Estructura química de la sacarosa (glucosa + fructosa).

*Crédito: Mundo de Moléculas*

Figura 5.10b: Lactosa (galactosa + glucosa).

*Crédito: Optushome.com*

Figura 5.10c: Estructura química de maltosa (glucosa + glucosa).

*Crédito: Maltosa Haworth: de Wikimedia Commons*

Estructura de hidratos de carbono

Todos los polímeros de carbohidratos son monómeros que conectan con lo que se llama un enlace glicosídico. Por ejemplo, la sacarosa es un dímero de glucosa y fructosa. Para que se forme el vínculo, hay una pérdida de H y OH. Entonces, otra forma de mostrar esto es:

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ = 2 C ₆ H ₁₂ O ₆ − H ₂ O

Y como se pueden formar dímeros, se formarán polímeros y se llaman polisacáridos. Los polisacáridos típicos incluyen 1) glucógeno, 2) almidón y 3) celulosa. El glucógeno es una molécula en la que los animales almacenan glucosa mediante la polimerización de glucosa, como se muestra en la Figura 5.11.

Macromolécula: espiral grande de moléculas de azúcar. nivel de enlace: cadenas rectas de azúcares y algunas ramificaciones de otras cadenas de azúcar — Figura 5.11: Glucógeno como a) macromolécula y a b) el nivel de enlace.

*Crédito: Glico*

Los almidones son similares al glucógeno, con una estructura un poco diferente. El almidón está compuesto por dos moléculas poliméricas, amilosa y amilopectina. Las estructuras de ambos se muestran en la Figura 5.12a y 5.12b.

Amilosa, la parte del almidón que no está ramificada. Enlacesalfa-1,4-glicosídicos — Figura 5.12a: Amilosa, la parte del almidón que no está ramificada.

*Crédito: Marshall.edu*

La amilopectina, la parte del almidón que se ramifica, el enlace alfa 1,6-glicosídico hace que la rama — Figura 5.12b: Amilopectina, la parte del almidón que está ramificada.

*Crédito: nutricionalbiochem.blogspot.com*

Alrededor del 20% del almidón está compuesto por amilosa y es una cadena lineal que se forma en forma helicoidal con enlaces glicosídicos α-1,4 y el resto del almidón es amilopectina, que se ramifica con enlaces glicosídicos α-1,4 y α-1,6. La Figura 5.13 muestra la estructura de la celulosa. La celulosa es una molécula importante en el mundo vegetal; también es la molécula más abundante en la biosfera. Es un polímero de glucosa y tiene conectores de la molécula de glucosa que son diferentes al almidón; los enlaces son enlaces glicosídicos β-1,4. El polímero de la celulosa es tal que puede formar estrechos enlaces de hidrógeno con el oxígeno, por lo que es más rígido y cristalino que las moléculas de almidón. La rigidez hace que sea difícil de romper.

Figura 5.13: Estructura de celulosa. Los enlaces glicosídicos son enlaces β-1,4.

Crédito: Z.H. Gao, J.Y. Gu, X‐M. Wang, Z.G. Li, X.D. Bai, (2005) “Estudio FTIR y XPS de la reacción de isocianato de fenilo y celulosa con diferentes contenidos de humedad”, Pigment & Resin Technology, Vol. 34 Iss: 5, pp.282 - 289