20: Carbohidratos

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Los carbohidratos son una clase importante de compuestos orgánicos naturales, los cuales vienen por su nombre porque suelen tener, o aproximarse, la fórmula general\(\ce{C}_n \ce{(H_2O)}_m\), con\(n\) igual o mayor a tres. Entre los carbohidratos conocidos se encuentran diversos azúcares, almidones y celulosa, todos los cuales son importantes para el mantenimiento de la vida tanto en plantas como en animales. Si bien las estructuras de muchos carbohidratos parecen ser bastante complejas, la química de estas sustancias generalmente involucra solo dos grupos funcionales: carbonilos cetónicos o aldehídos y grupos hidroxilo de alcohol. Los grupos carbonilo normalmente no ocurren como tales, sino que se combinan con grupos hidroxilo para formar enlaces hemiacetales o acetales del tipo discutido en la Sección 15-4E. La comprensión de la estereoquímica es particularmente importante para comprender las propiedades de los carbohidratos. El isomerismo configuracional y conformacional juega un papel importante. Por esta razón, es posible que desee revisar el Capítulo 5 y las Secciones 12-3 y 19-5.

20.1: Preludio a los Carbohidratos
Si bien las estructuras de muchos carbohidratos parecen ser bastante complejas, la química de estas sustancias generalmente involucra solo dos grupos funcionales: carbonilos cetónicos o aldehídos y grupos hidroxilo de alcohol. Los grupos carbonilo normalmente no ocurren como tales, sino que se combinan con grupos hidroxilo para formar enlaces hemiacetal o acetal.
20.2: Clasificación y Ocurrencia de Carbohidratos
Los azúcares simples, o monosacáridos, son los componentes básicos de la química de los carbohidratos. Son polihidroxialdehídos o cetonas con cinco, seis, siete u ocho átomos de carbono que se clasifican apropiadamente como pentosas, hexosas, heptosis u pulpos, respectivamente. Pueden designarse con nombres más específicos, como aldohexosa o cetohexosa, para denotar el tipo de compuesto carbonilo que representan.
20.3: La estructura y propiedades de la D-glucosa
La glucosa es, con mucho, el monosacárido más abundante; se presenta libre en frutos, plantas, miel, en la sangre de animales, y combinada en muchos glucósidos, disacáridos y polisacáridos. La estructura y propiedades de la glucosa serán consideradas con mayor detalle que las de los otros monosacáridos, no sólo por su importancia, sino porque gran parte de lo que se puede decir sobre la glucosa también se puede decir de los otros monosacáridos.
20.4: Convenciones para indicar el tamaño del anillo y las configuraciones de anómeros de monosacáridos
El anillo de óxido es de seis eslabones en algunos azúcares y cinco en otros, y es útil usar nombres que indiquen el tamaño del anillo. Los anillos de óxido de cinco y seis eslabones tienen una relación formal con oxa-2,5-ciclohexadieno y oxa-2,4-ciclopentadieno que comúnmente se conocen como pirano y furano, respectivamente. Por esta razón, los nombres furanosa y piranosa han sido acuñados para denotar anillos de cinco y seis eslabones en azúcares cíclicos.
20.5: Derivados de la Glucosa
Aunque ahora contamos con potentes métodos espectroscópicos disponibles para determinar los tamaños de los anillos de óxido formados por los monosacáridos simples, la forma en que esto se hizo químicamente para la glucosa resalta la diferencia en la reactividad entre las funciones éter y alcohol. La metilación catalizada por ácido de glucosa con metanol para dar dos glucósidos distintos corresponde al desplazamiento del hidroxilo hemiacetal por metoxilo para formar un acetal.
20.6: Glucósidos
Aunque se encuentran abundantes cantidades de glucosa y fructosa en estado libre, éstas y azúcares menos comunes ocurren ampliamente en plantas y animales combinados con diversos compuestos hidroxi. El enlace es a través del oxígeno al carbono carbonilo, como en los αα- y ββ-metilglucósidos discutidos en la Sección 20-4A, para dar estructuras acetales o cetales. Estas sustancias a veces se llaman simplemente glucósidos.
20.7: Disacáridos
Las combinaciones de dos o más de los azúcares simples a través de enlaces glucósidos dan sustancias conocidas como polisacáridos. También se les llama oligosacáridos si están hechos de dos a diez unidades de azúcar. Los oligosacáridos más simples son los disacáridos hechos de dos moléculas de azúcares simples.
20.8: Polisacáridos
El tejido fibroso en las paredes celulares de las plantas contiene la celulosa polisacárida, la cual consiste en largas cadenas de unidades de glucosa. Un segundo polisacárido muy ampliamente distribuido es el almidón, que se almacena en las semillas, raíces y fibras de las plantas como reserva de alimentos, una fuente potencial de glucosa. La composición química del almidón varía, pero hay dos polisacáridos estructuralmente diferentes. Una es una estructura lineal (amilosa) y la otra es una estructura ramificada (amilopectina).
20.9: Vitamina C
El factor “antiescorbútico” de las frutas frescas, que impide el desarrollo de los síntomas típicos del escorbuto en humanos, es un derivado carbohidrato conocido como vitamina C o ácido ascórbico. Esta sustancia no es un ácido carboxílico, sino una lactona, y debe sus propiedades ácidas (y facilidad de oxidación) a la presencia de una agrupación enediol. Pertenece a la serie L por la convención de gliceraldehído.
20.10: Formación de Carbohidratos por Fotosíntesis
Los carbohidratos se forman en las plantas verdes por fotosíntesis, que es la combinación química, o “fijación”, de dióxido de carbono y agua mediante la utilización de energía de la absorción de la luz visible. El resultado general es la reducción del dióxido de carbono a carbohidratos y la formación de oxígeno. Si el carbohidrato formado es celulosa, entonces la reacción en efecto es la inversa de la quema de madera, y obviamente requiere un aporte considerable de energía.
20.11: La generación de energía a partir del metabolismo de carbohidratos
Esta sección se ocupa principalmente de la vía por la cual la glucosa es metabolizada por el proceso conocido como glucólisis. Inicialmente, los combustibles de almacenamiento o alimentos (grasas, carbohidratos y proteínas) se hidrolizan en componentes más pequeños (ácidos grasos y glicerol, glucosa y otros azúcares simples, y aminoácidos). En la siguiente etapa, estos combustibles simples se degradan aún más a fragmentos de dos carbonos.
20.E: Carbohidratos (Ejercicios)
Estos son los ejercicios de tarea para acompañar al Capítulo 20 del Textmap for Basic Principles of Organic Chemistry (Roberts y Caserio).

Colaboradores y Atribuciones

John D. Robert and Marjorie C. Caserio (1977) Basic Principles of Organic Chemistry, second edition. W. A. Benjamin, Inc. , Menlo Park, CA. ISBN 0-8053-8329-8. This content is copyrighted under the following conditions, "You are granted permission for individual, educational, research and non-commercial reproduction, distribution, display and performance of this work in any format."