Los glúcidos son las biomoléculas orgánicas más sencillas pero ya presentan sus características más interesantes. Entre ellas destaca que su estructura se basa en la unión de moléculas básicas de bajo peso molecular (los monosacáridos) para construir moléculas más complejas (algunas resultado de la unión de miles de monosacáridos). Como veremos, en el resto de la biomoléculas este esquema es omnipresente. A estas moléculas complejas las solemos llamar macromoléculas.
Los glúcidos se han considerado tradicionalmente importantes por sus funciones energética y estructural. Sin embargo, en los últimos años se está desarrollando una nueva rama de la bioquímica (llamada glucómica) que se encarga del estudio de esta biomoléculas sobre todo en cuanto a sus funciones informativas. Se sabe que en la superficie de las células y los virus aparecen oligosacáridos unidos a proteínas y lípidos que juegan un papel importantísimo en las tareas de reconocimiento intercelular. Por ejemplo, en el virus SARS-CoV-2, las espinas que caracterizan su morfología (y que lo clasifica como coronavirus) son unas glucoproteínas que interaccionan con otras de la membrana de las células huéspedes para posibilitar la entrada en el interior.
Los monosacáridos más sencillos tienen una fórmula empírica general del tipo Cn(H2O)n. Por ese motivo los glúcidos reciben el nombre de hidratos de carbono (sobre todo en el ámbito de la alimentación, las etiquetas nutricionales...). Sin embargo, en las fórmulas desarrolladas de los monosacáridos lo más parecido que encontramos al agua son los radicales -H y -OH que vemos repetirse a lo largo de toda la cadena de carbonos que forman el esqueleto de la molécula. En realidad no hay moléculas de agua, pero veremos que estas moléculas tienen bastante que ver con el H2O...
Salvo en la dihidroxiacetona, en los monosacáridos encontramos carbonos asimétricos. Ello significa que presentan isómeros espaciales. De hecho el número de isómeros aumenta exponencialmente con el número de carbonos asimétricos según una potencia de base 2. Así, en las aldohexosas, que tienen 4 de estos carbonos, tendremos 16 moléculas que, teniendo la misma fórmula empírica (C6H12O6), serán geométricamente distintas. Unas se diferencian de las otras en las posiciones de los grupos -OH y -H presentes en los carbonos asimétricos. Como ya comentamos en el Tema-1, lo importante es que los sistemas biológicos son capaces de diferenciar unas de otras. De este modo, es más que necesario darles nombres distintos. Así, la glucosa, la manosa y la galactosa son químicamente equivalentes pero biológicamente distintas.
Un tipo de isomería especial es la que hace referencia al carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo (-C=O). En este caso, el grupo -OH puede estar a un lado u otro de la cadena de carbonos. Cuando se sitúa a la derecha decimos que el isómero es D, y cuando está a la izquierda decimos que es L. La posición en este caso no cambia el nombre del compuesto de modo que tendremos dos glucosas (D y L), dos manosas (D y L)... Lo más curioso de este tipo de isomería es que en la Naturaleza prácticamente todos los monosacáridos conocidos son de la forma D. No hay una explicación bioquímica a este fenómeno...
Cuando se encuentran disueltos en un medio acuoso, las moléculas de los monosacáridos se presentan formando ciclos. Como estos medios son los habituales en los seres vivos, las formas cíclicas son las que veremos casi siempre en cualquier tipo de publicación. La ciclación de una molécula carbonada lineal se produce porque 1) los enlaces sencillos C-C pueden rotar y 2) estos enlaces se distribuyen siguiendo los radios de un tetraedro (de modo que no forman en su conjunto una línea recta). Cuando se producen esas rotaciones podemos aproximar el carbono carbonílico (C=O) al carbono asimétrico más alejado. En ese caso, se produce un intercambio de enlaces y grupos funcionales que finaliza con un átomo de oxígeno que enlaza el C1 (en las aldosas) o el C2 (en las cetosas) con el penúltimo carbono de la cadena. El resultado es una molécula pentagonal (furanósidos) o hexagonal (piranósidos). Este proceso tiene lugar porque la molécula ciclada es más estable en medio acuoso que la molécula lineal y en la Naturaleza todo tiende hacia los estados de menor energía. Esta reflexión será importante tenerla en cuenta a lo largo del curso... En cualquier caso, como en tantas ocasiones, el proceso de ciclación establece un equilibrio entre las formas abiertas y cerradas. Lo que pasa es que las abiertas son mucho menos abundantes en la solución acuosa.
Un aspecto importantísimo desde el punto de vista biológico es que, al formarse este enlace que cierra la molécula, el C1 pasa a ser un carbono asimétrico. Eso implica que aparecen dos isómeros en función de cómo se colocan el grupo -OH y -H en este carbono. Por convenio, cuando el -OH del C1 apunta hacia abajo le denominamos anómero alfa y, cuando lo hace hacia arriba, beta. Como veremos en los oligosacáridos y polisacáridos, esto tiene una importancia trascendental. Como la molécula cambia continuamente de la forma abierta a la cerrada, ocurre que al cerrarse unas veces lo hace en forma alfa y otras en forma beta. Como cada uno de esos anómeros desvía el plano de polarización de la luz polarizada en un valor distinto al medirlo observamos el fenómeno denominado mutarrotación.
Las moléculas son estructuras tridimensionales y, en el caso de las biomoléculas, pueden llegar a ser extraordinariamente complejas. Nosotros sobre el papel de un libro o un examen (no online) no podemos representar algo 3D porque el papel es 2D. Sin embargo, no todo está perdido, porque somos capaces de recrear esos cuerpos tridimensionales mediante un código gráfico. El más utilizado en el caso de los monosacáridos es la llamada proyección de Hawort. En ella se marcan hacia arriba o hacia abajo los grupos -OH y -H (aunque en la realidad, que vemos en cualquier visor molecular como el que os pongo al final en la sección de enlaces, no estén formando esos ángulos rectos...); también se traza más grueso el enlace C-C más próximo al lector (el de abajo); y se pone el oxígeno puente (-O-, que se llama heciacetal o hemicetal, según sea de un aldehído o de una cetona) en la parte superior. Finalmente, la numeración de los carbonos de la cadena sigue el sentido de las agujas del reloj.
El programa biológico de los mononsacáridos pasa más bien por unirse unos con otros que por mantenerse aislados. Esta unión se realiza mediante el denominado enlace O-glicosídico (O-glucosídico, según fuentes...). Este es un enlace covalente que se establece entre dos carbonos de sendos monosacáridos /ciclados/ a través de los grupos hidroxilo. La reacción es -OH + -OH = -O- + H2O. Es decir, se libera una molécula de agua y se establece una unión entre los monosacáridos mediante un átomo de oxígeno. Este es el primer ejemplo que vemos de una reacción química en la que el agua aparece como reactivo/producto. Cuando se forma el enlace se produce agua, pero también podemos imaginar la reacción inversa. En este caso, la rotura de una molécula de agua (hidrolisis) permitiría romper el enlace glicosídico y/ separar/ los dos monosacáridos. Este tipo reacciones es muy habitual en la bioquímica y, como todas, requiere la intervención de enzimas específicas.
Si se enlazan dos monosacáridos se generan disacáridos. Si lo hacen pocos, obtenemos oligosacáridos, y si son muchos, polisacáridos. Parecen nombre lógicos... Más interesante es el papel que juegan los carbonos que se enlazan. Uno de ellos es siempre el C1, pero el otro puede variar. Además, el C1 en las formas cicladas es asimétrico y permite poner el -OH abajo (alfa) o arriba (beta) y eso tiene sus consecuencias. Y son importantísimas... Los enlaces tipo alfa(1-4) aparecen en muchos polisacáridos. Hemos visto que los más importantes (el almidón y el glucógeno) tienen una función de reserva energética. La geometría del enlace determina que ls cadenas de monosacáridos tengan un morfología espiral similar a un tirabuzón, relativamente abierta y difícil de organizar. Por otro lado, este enlace es fácilmente hidrolizable con la ayuda de la enzima amilasa. Sin embargo, el enlace beta(1-4) es hidrolizado con mucha mayor dificultad. Además, la geometría que genera en la cadena de monosacáridos es fibrosa, lo que pernite construir filamentos por la unión de múltiples cadenas del polisacárido que se pueden empaquetar fácilmente y unirse entre sí mediante múltiples puentes de hidrógeno debido a la presencia de muchos grupos -OH y -H. Esto convierte a los polisacáridos beta en magníficas macromoléculas para construir estructuras resistentes. La celulosa y la quitina son los ejemplos que hemos estudiado. En caso de la celulosa, sólo algunas bacterias, hongos y protozoos contienen la enzima celulasa capaz de hidrolizar la molécula y liberar las inmensas cantidades de glucosa almacenadas en ella. Estos microorganismos viven en simbiosis con los animales hervíboros en sus aparatos digestivos, pero no los tenemos nosotros en el nuestro. Ellos les proporcionan la mayor parte de la glucosa que consiguen por hidrólisis de la celulosa a cambio de un medio calentito y seguro con todo lo necesario para vivir.
Es muy importante comprender la ventaja que supone almacenar grandes cantidades de glucosa en forma de almidón (en las plantas) o (glucógeno) en los animales. Una de las más importantes es que no intervienen en los procesos osmóticos por tratarse de macromoléculas (pueden tener decenas de miles de moléculas de glucosa). Por ello no forman disoluciones verdaderas (no es soluble como la glucosa) sino dispersiones coloidales. Ello evita generar en el interior de la célula un medio hipertónico que produciría una entrada masiva de agua en ella y la destruiría. El inconveniente es que la glucosa del almidón y glucógeno no está disponible para su uso energético inmediato. Por eso sería bueno hidrolizar ambas moléculas con cierta facilidad. Para ello incluyen ramificaciones alfa(1-6). Ello se debe a que las enzimas hidrolíticas sólo pueden iniciar su trabajo por los extremos no reductores de las cadenas de polisacáridos (cosas de la geometría y la especificidad de las enzimas...). Por eso, cuantos más extremos de estos haya, más rápida será la hidrólisis. Como en los animales los requerimientos de energía son más apremiantes, el glucógeno tiene más conexiones alfa(1-6) que el almidón. La principal reserva de glucógeno en los animales se encuentra en el hígado. Allí se va hidrolizando a medida que es necesario (especialmente durante el ayuno) y la glucosa pasa a la sangre para ser distribuida por el cuerpo. El otro gran almacén de glucógeno son las células musculares, que tienen grandes requerimientos energéticos, claro...
No todos los monosacáridos tienen una fórmula empírica tan sencilla como la que tienen la glucosa o la ribosa. Por ello, la composición química puede llegar a ser bastante más compleja y estar alejada del simple hidrato de carbono. El ejemplo más simple de esta situación es la desoxirribosa, que es una aldopentosa. En ella, un grupo -OH es sustituido por un -H. De este modo su fórmula empírica es C5H10O4. Sin embargo, hay casos mucho más complejos, en los que hay sustituciones por grupos de tipos muy variados. En este tema hemos visto la N-acetil-glucosamina, que es muy frecuente (y no sólo porque sea el monosacárido de la quitina...), pero en la glucómica prácticamente todos los glúcidos son de composición compleja. En los polisacáridos ya hemos visto la posibilidad de unir moléculas distintas de monosacáridos (heteropolisacáridos como la hemicelulosa, en la que unimos pentosas como la xilosa y arabinosa con hexosas como la glucosa y la manosa). En realidad esta mezcla es lo más habitual en el mundo de las biomoléculas, donde apenas existen las razas puras y predomina el mestizaje. Así, hemos hablado de combinaciones de glúcidos con lípidos (glucolípidos) y con aminoácidos. En este último caso, cuando predomina la parte glucídica hablamos de proteoglucanos y cuando predomina la protéica hablamos de glicoproteínas.
Debéis tener muy en cuenta que la bioquímica no es más que (como muy bien dice el título del primer bloque de la asignatura...) la base molecular de la Vida. Como biólogoas, nos interesan los seres vivos sobre todo a nivel orgánico y ecológico: qué necesitan para sobrevivir, cómo se relacionan, reproducen... y muchas de esas cuestiones tienen parte de sus respuestas en la bioquímica. Por eso es muy importante relacionar todos los niveles de organización. Un grano de cereal es un magnífico ejemplo para el estudio de los glúcidos. Como todas las semillas, este órgano incluye el embrión que germinará si se dan las circunstancias adecuadas. Pero para ello necesita una cierta cantidad de energía (sin energía nada es posible...) por lo que el embrión está rodeado un tejido llamado endospermo cuyas células presentan unos orgánulos especiales (los amiloplastos) que almacenan una biomolécula llamada almidón. Sin embargo, la semilla no tiene como único objetivo biológico proporcionar una reserva energética al embrión. También, y no menos importante, está pensada para favorecer la dispersión de los organismos. Piensa que malamente podrían vivir todas las plantas de trigo si sus semillas cayeran todas a los pies de la planta madre... Para esa dispersión es necesaria una cierta protección del embrión y los tejidos de reserva. Para ello no vienen muy bien los polisacáridos con función estructural como la celulosa (homopolisacárido) y la hemicelulola (heteropolisacárido). Ellos son los constituyentes principales del pericarpio, el tejido que forma la cáscara protectora del grano. Esa cáscara se quita a la hora de fabricar las harinas refinadas y se mantiene cuando se quiere obtener una harina integral. Como puedes imaginar, estas últimas son ricas en polisacáridos que no podemos digerir y, por tanto, ayudan a generar mayor volumen de heces y que nuestro aparato digestivo funcione mejor y nosotros, como organismo tengamos mejor salud. Estos alimentos ricos en celulosa y hemicelulosa decimos que son ricos en fibra. Protegido por esa envuelta estructuralmente resistente por sus enlace betaglucosídicos, los granos podrán resistir durante mucho tiempo y ser dispersados por los animales (algunos granos sobreviven al paso por el aparato digestivo y caen rodeados de fértil excremento lejos de la planta madre; en otras ocasiones son dispersados con la intención de servir como alimento, como hacen las hormigas que se llevan los granos a sus hormigueros...). Como los polisacáridos son hidrófilos, la humedad del suelo será absorbida fácilmente. El grano se hinchará y el embrión saldrá de su estado de letargo y lo primero que hará será empezar a producir las enzimas necesarias para hidrolizar el almidón (p.e. amilasa y maltasa) y extraer de él la glucosa necesaria para obtener la energía necesaria para el crecimiento de la plántula hasta que, con sus raicillas y pequeñas hojitas (los cotiledones) sea capaz de sintetizar ella misma la glucosa mediante la fotosíntesis.