Mecanismos de bioquímica · Biomolecules
Carbohidratos: estructura, anómeros y glicósidos
Una lección resuelta gratis y 40 problemas de práctica en los que dibujas tú mismo cada flecha curva.
¿Atascado con carbohidratos: estructura, anómeros y glicósidos? Escanea el problema.
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Lo que aprenderás
- Read Fischer, Haworth and chair drawings of monosaccharides and assign D/L, α/β, pyranose/furanose, epimer and enantiomer relationships.
- Draw cyclic hemiacetal formation and acid- or base-catalysed mutarotation, and calculate anomer composition from optical rotation.
- Draw glycoside formation and hydrolysis through oxocarbenium ions, identify reducing and non-reducing sugars, and explain how a neighbouring acyl group controls anomeric configuration.
- Distinguish inverting from retaining glycosidases by their single- or double-displacement mechanisms and predict the anomer each releases.
- Predict the products of reduction, oxidation, base-catalysed epimerisation, Kiliani–Fischer chain extension and protein glycation at the open-chain carbonyl group.
Lección gratis
El texto de la lección resuelta. En Arrow Lab, cada paso incluye sus estructuras y sus flechas dibujadas.
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Aldosas, cetosas y la etiqueta D/L
Un monosacárido es un polihidroxialdehído (una aldosa) o una polihidroxicetona (una cetosa); la glucosa es una aldohexosa y la fructosa una cetohexosa. En una proyección de Fischer la cadena de carbono va en vertical con el C1 arriba, los enlaces horizontales apuntan hacia el observador y los verticales se alejan. La etiqueta D/L se refiere únicamente al estereocentro más alejado del grupo carbonilo (C5 en una hexosa): si su OH apunta a la derecha, como en el D-gliceraldehído, el azúcar es D. D y L no dicen nada sobre el signo de la rotación óptica: la D-glucosa es dextrorrotatoria, pero la D-fructosa es fuertemente levorrotatoria. Una aldohexosa de cadena abierta tiene cuatro estereocentros (C2–C5) y, por tanto, 2⁴ = 16 estereoisómeros, ocho D y ocho L; una 2-cetohexosa tiene tres (C3–C5) y 2³ = 8. Los enantiómeros difieren en todos los estereocentros (D- y L-glucosa). Los diastereómeros que difieren en exactamente un estereocentro son epímeros: la D-manosa es el epímero en C2 y la D-galactosa el epímero en C4 de la D-glucosa, mientras que la D-manosa y la D-galactosa difieren en dos centros y son diastereómeros, pero no epímeros.
Anillos: piranosas, furanosas y anómeros
Un grupo OH del azúcar se adiciona a su propio grupo carbonilo y da un hemiacetal cíclico (a partir de una aldosa) o un hemicetal (a partir de una cetosa). En la glucosa el oxígeno de C5 ataca al C1 y cierra un anillo de piranosa de seis miembros; en la fructosa el oxígeno de C5 ataca al C2 y da una furanosa de cinco miembros, el anillo que se encuentra en la sacarosa y en la fructosa 6-fosfato, aunque la fructosa libre en agua es mayoritariamente la piranosa que forma el oxígeno de C6. El carbono que era carbonilo es el carbono anomérico, y es un nuevo estereocentro, así que cada anillo existe como dos anómeros. En el dibujo de Haworth estándar de un azúcar D el grupo CH₂OH apunta hacia arriba; cada OH a la derecha de la proyección de Fischer apunta hacia abajo. El anómero α tiene su OH anomérico en la cara opuesta a ese CH₂OH (abajo), y el anómero β en la misma cara (arriba). En la conformación de silla ⁴C₁ de la β-D-glucopiranosa todos los sustituyentes, incluido el OH anomérico, son ecuatoriales; en el anómero α el OH anomérico es axial.
Mutarrotación
La α-D-glucopiranosa pura tiene una rotación específica de +112,2° y la β-D-glucopiranosa pura de +18,7°. Disueltas en agua, cualquiera de las dos tiende a +52,7°, porque el hemiacetal se reabre al aldehído libre y se vuelve a cerrar por cualquiera de las dos caras. Una mezcla lineal da la composición de equilibrio: fracción β = (112,2 − 52,7)/(112,2 − 18,7) ≈ 0,64, es decir, alrededor del 36 % de α y del 64 % de β, con bastante menos del 0,1 % de aldehído de cadena abierta. El ácido cataliza la apertura del anillo al protonar el oxígeno del anillo; la base la cataliza al sustraer el protón del OH anomérico, tras lo cual el alcóxido expulsa el oxígeno del anillo como alcóxido. El efecto anomérico, una interacción entre un par solitario del oxígeno del anillo y el orbital σ* del C1–O, favorece un grupo electronegativo axial en C1, pero en agua es más débil que la preferencia estérica por el anómero β con todos los sustituyentes ecuatoriales, así que para la glucosa predomina el β.
Glucósidos, disacáridos y azúcares reductores
Sustituir el OH anomérico por OR convierte el hemiacetal en un acetal, un glucósido. En la glucosidación de Fischer (metanol y HCl) el OH anomérico protonado se va como agua mientras el par solitario del oxígeno del anillo forma un ion oxocarbenio; el metanol se adiciona por cualquiera de las dos caras y, tras el equilibrio, predomina el α-D-glucopiranósido de metilo. El ácido acuoso invierte el proceso a través del mismo catión. Un glucósido no puede abrirse a aldehído, así que ni mutarrota ni reduce el reactivo de Tollens o el de Benedict; un azúcar con hemiacetal libre (un extremo reductor) hace ambas cosas. La maltosa es Glcα(1→4)Glc, la celobiosa Glcβ(1→4)Glc y la lactosa Galβ(1→4)Glc, y las tres son reductoras. La sacarosa (que se muestra, junto con la lactosa) une el C1 de la glucosa al C2 de la fructosa, así que ningún carbono anomérico queda libre y es no reductora. El ácido escinde la sacarosa por el lado de la fructosa a través de un ion oxocarbenio fructofuranosilo terciario, y da azúcar invertido, una mezcla equimolar de glucosa y fructosa cuya rotación es negativa. En síntesis, un grupo 2-O-acetilo captura el catión glucosilo como un ion dioxolenio fusionado en cis, de modo que el alcohol solo puede adicionarse por la cara opuesta y da el glucósido 1,2-trans.
Glucosidasas: inversoras y retenedoras
Las glucosidasas usan dos grupos carboxilo. En una enzima inversora, como la glucoamilasa, los dos grupos carboxilo están a unos 10 Å de distancia: un carboxilato desprotona una molécula de agua que ataca al carbono anomérico desde la cara opuesta al grupo saliente, mientras que el otro ácido carboxílico protona al oxígeno glucosídico que se va. Un desplazamiento da una inversión, así que la glucoamilasa corta los enlaces α(1→4) y libera β-D-glucosa. En una enzima retenedora, como la β-galactosidasa, los grupos carboxilo están a unos 5,5 Å de distancia: un carboxilato ataca al C1 y forma un éster glucosilo-enzima covalente mientras el otro protona al grupo saliente, y luego ese segundo carboxilato activa una molécula de agua para que ataque de nuevo al C1. Dos inversiones dan una retención neta. Ambos pasos pasan por estados de transición de tipo oxocarbenio. Un sustituyente 2-fluoro frena ambos pasos y, con un buen grupo saliente en C1, el intermediario covalente se acumula y puede detectarse. Como una enzima retenedora retiene el azúcar como éster, un alcohol puede reemplazar al agua: la β-galactosidasa usa glucosa como aceptor para formar alolactosa. Las células construyen enlaces glucosídicos a partir de donadores activados con buenos grupos salientes anoméricos, como la UDP-glucosa para la glucógeno sintasa.
Reacciones en el carbonilo de la cadena abierta
La pequeña fracción de cadena abierta reacciona como cualquier aldehído, y el equilibrio del anillo la repone. El NaBH₄ reduce una aldosa a un alditol: la D-glucosa da D-glucitol (sorbitol) ópticamente activo, pero la D-galactosa da galactitol (que se muestra), que tiene un plano de simetría y es meso. El agua de bromo oxida el aldehído a un ácido aldónico (ácido D-glucónico); el ácido nítrico oxida ambos extremos a un ácido aldárico. Una base diluida sustrae el protón de C2 contiguo al aldehído y da un enediolato; la reprotonación por cualquiera de las dos caras interconvierte la D-glucosa y la D-manosa, y la protonación en C1 da D-fructosa. En la síntesis de Kiliani–Fischer el cianuro se adiciona al C1 de una aldosa por ambas caras, así que la D-arabinosa da dos cianohidrinas que conducen a D-glucosa y D-manosa. En el organismo la glucosa se condensa con los grupos amino de las proteínas y forma una imina, que tautomeriza a través de un enaminol a una 1-amino-1-desoxicetosa estable (el producto de Amadori); la hemoglobina glicada, HbA1c, registra la glucosa sanguínea promedio de los dos o tres meses anteriores.
Lo que conviene recordar
Localiza primero el carbono anomérico. Si lleva OH, el azúcar es un hemiacetal que se abre, mutarrota, reduce iones metálicos y reacciona como aldehído o cetona; si lleva OR, es un glucósido que solo el ácido o una enzima abren, a través de un ion oxocarbenio o de un estado de transición de tipo oxocarbenio. Cuenta las inversiones en C1 para predecir el anómero que libera una glucosidasa: una en una enzima inversora, dos (retención neta) en una retenedora. En síntesis, un grupo 2-O-acilo participante bloquea una cara del catión glucosilo, así que el alcohol se adiciona en trans respecto a él y da el glucósido 1,2-trans.
Problemas de práctica (40)
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Dibuja el mecanismo 12
Reacciones del carbonilo de cadena abierta
- Glicación: reordenamiento de Amadori de una base de Schiff glucosa–aminaDibuja la tautomerización catalizada por ácido y base de la imina formada a partir de D-glucosa y una amina, a través del enaminol, hasta la 1-amino-1-desoxi-D-fructosa (producto de Amadori).
- Epimerización de D-glucosa a D-manosa catalizada por baseDibuja cómo el hidróxido le quita el protón de C2 a la D-glucosa de cadena abierta para formar un enediolato, y cómo la reprotonación por la otra cara da el epímero en C2, la D-manosa.
- Síntesis de Kiliani–Fischer: el cianuro se adiciona a la D-arabinosaDibuja la adición de cianuro al carbono aldehídico de la D-arabinosa y la protonación que da las dos cianohidrinas epiméricas de la síntesis de Kiliani–Fischer.
- El borohidruro de sodio reduce la D-galactosa a galactitolDibuja la transferencia de hidruro desde el borohidruro al aldehído de cadena abierta de la D-galactosa y la protonación del alcóxido por el agua, lo que da el alditol galactitol.
Glucosidasas y transferencia de glucosilo
- β-Galactosidasa: hidrólisis de la lactosa por doble desplazamientoDibuja los dos desplazamientos de una glucosidasa retenedora sobre la lactosa: formación del éster covalente α-galactosil-enzima con liberación de glucosa, y luego ataque del agua en C1 que libera β-D-galactosa con retención neta.
- Glucoamilasa: hidrólisis invirtiente de la maltosaDibuja la hidrólisis por desplazamiento simple de la maltosa por una glicosidasa invirtiente, en la que un carboxilato activa el agua para el ataque por el lado opuesto en C1 mientras un ácido carboxílico protona el oxígeno saliente, liberando β-D-glucosa.
Glucósidos y disacáridos
- Glicosidación de Fischer: D-glucosa a metil α-D-glucopiranósidoDibuja la conversión catalizada por ácido de glucopiranosa en metil α-D-glucopiranósido a través del ion oxocarbenio, usando metanol protonado como ácido y metanol como base.
- Glicosilación de Koenigs–Knorr: la participación del grupo vecino da el β-glucósidoDibuja la ionización del acetobromoglucosa asistida por plata, la captura del ion oxocarbenio por el grupo 2-O-acetilo y la apertura del ion acetoxonio por el metanol sobre la cara β para dar el metil β-glucósido 1,2-trans.
- Hidrólisis ácida de la sacarosa a través de un catión fructofuranosiloDibuja la hidrólisis catalizada por ácido de la sacarosa en la que se rompe el lado de la fructosa del oxígeno glucosídico, a través de un ion oxocarbenio fructofuranosilo terciario, para dar glucosa y fructosa.
Anillos, anómeros y mutarrotación
- La D-fructosa se cierra a β-D-fructofuranosaDibuja el ataque catalizado por ácido del grupo hidroxilo de C5 de la D-fructosa de cadena abierta sobre su cetona en C2, dando el hemicetal cíclico de cinco miembros β-D-fructofuranosa.
- Mutarrotación de la α-D-glucopiranosa catalizada por baseDibuja cómo el hidróxido catalítico abre la α-D-glucopiranosa hacia el aldehído de cadena abierta y cómo el anillo se vuelve a cerrar sobre la cara opuesta para dar β-D-glucopiranosa.
- La D-glucosa se cierra hacia β-D-glucopiranosaDibuja el ataque catalizado por ácido del grupo hidroxilo en C5 de la D-glucosa de cadena abierta sobre su propio carbono aldehídico, dando el hemiacetal cíclico de seis miembros β-D-glucopiranosa.
Predice el producto 5
Glucosidasas y transferencia de glucosilo
- Cuando la glucosa reemplaza al aguaPredice el producto de transglicosidación que se forma cuando un hidroxilo de azúcar intercepta el intermediario covalente de una glucosidasa retenedora.
Reacciones del carbonilo de cadena abierta
- Agua de bromo y glucosaPredice el producto de la oxidación selectiva de una aldosa con agua de bromo.
- Reduce la D-glucosaPredice el alditol que se forma cuando el borohidruro de sodio reduce una aldosa.
Glucósidos y disacáridos
- Participación del grupo vecino con un dador de manosaPredice el anómero que se forma por participación del grupo vecino cuando el sustituyente en C2 apunta hacia la otra cara, como en la manosa.
- Ordena la hidrólisis de un glucósido de metiloOrdena los sucesos elementales de la hidrólisis ácida de un glucósido a través del ion oxocarbenio.
Clasificar 7
Estructuras de azúcares: Fischer, Haworth y sillas
- El epímero en C4 de la D-glucosaReconoce el epímero en C4 de la D-glucosa entre aldohexosas de cadena abierta que difieren en uno o dos centros.
- ¿Aldosa o cetosa?Clasifica un monosacárido de cadena abierta según el tipo de carbonilo y el número de carbonos.
- Encuentra la L-glucosaIdentifica el enantiómero de la D-glucosa y distínguelo de un azúcar que difiere solo en C5.
- Manosa y galactosaClasifica la relación estereoquímica entre dos aldohexosas que difieren en dos estereocentros.
Anillos, anómeros y mutarrotación
- El carbono anomérico de la fructofuranosaUbica el carbono anomérico y el tamaño del anillo de una cetosa en su forma furanosa.
- Encuentra la α-D-glucopiranosaIdentifica la α-D-glucopiranosa entre su anómero, su enantiómero y su epímero en C2.
Glucósidos y disacáridos
- ¿Qué azúcar es no reductor?Identifica un disacárido no reductor comprobando si alguno de los carbonos anoméricos lleva un OH libre.
Comparar 1
- Cuenta los grupos hidroxilo axialesOrdena las D-piranosas según el número de grupos hidroxilo axiales en la conformación de silla ⁴C₁, usando sus relaciones epiméricas con la β-D-glucosa.
Calcular 5
Anillos, anómeros y mutarrotación
- Diferencia de energía libre entre los anómeros de la glucosaConvierte una relación de anómeros en el equilibrio en un cambio de energía libre estándar.
- Composición a partir de la mutarrotaciónCalcula la composición de anómeros de la glucosa en el equilibrio a partir de las rotaciones específicas de los anómeros puros y de la mezcla en equilibrio.
Glucósidos y disacáridos
- Rotación del azúcar invertidoCalcula la rotación específica del azúcar invertido a partir de las rotaciones específicas de sus componentes.
Estructuras de azúcares: Fischer, Haworth y sillas
- Estereoisómeros de una 2-cetohexosaCuenta los estereoisómeros de una 2-cetohexosa de cadena abierta a partir de su número de estereocentros.
- Estereoisómeros de una aldohexopiranosaCuenta los estereoisómeros de la piranosa incluyendo el carbono anomérico como estereocentro.
Encuentra el error 1
- Encuentra el fallo en un mecanismo de glucosidasaDiagnostica un mecanismo de glucosidasa cuyo número de sustituciones contradice el resultado anomérico observado.
Interpreta la evidencia 3
Glucosidasas y transferencia de glucosilo
- Interpreta la geometría del sitio activoDeduce el mecanismo y el primer anómero formado por una glucosidasa a partir de la separación entre sus grupos carboxilo catalíticos.
Estructuras de azúcares: Fischer, Haworth y sillas
- ¿Qué grupos OH apuntan hacia arriba?Convierte una proyección de Fischer en una proyección de Haworth y ubica cada grupo hidroxilo del anillo de una β-D-piranosa.
Glucósidos y disacáridos
- Lee el enlace glucosídicoNombra el enlace de un disacárido identificando el residuo no reductor, su configuración anomérica y el carbono aceptor.
Trabaja hacia atrás 1
- ¿Qué aldosa da un alditol meso?Trabaja hacia atrás desde un alditol ópticamente inactivo hasta la aldohexosa cuya reducción lo produce.
Planea una síntesis 1
- Elige el donante de glucosiloElige el donante de azúcar activado que una glucosiltransferasa necesita para formar un enlace glucosídico.
Explica por qué 4
Estructuras de azúcares: Fischer, Haworth y sillas
- ¿Por qué la fructosa levógira se llama D?Explica que la etiqueta D/L describe la configuración en el estereocentro más alejado del carbonilo, no el signo de la rotación óptica.
Glucosidasas y transferencia de glucosilo
- Atrapamiento de la glucosilo-enzima con un azúcar fluoradoExplica cómo un 2-desoxi-2-fluoroglucósido con un buen grupo saliente atrapa el intermediario covalente de una glucosidasa retenedora.
Reacciones del carbonilo de cadena abierta
- Por qué la glucosa glica las proteínas lentamenteExplica la glicación no enzimática lenta de las proteínas por la glucosa en términos de su equilibrio anillo–cadena.
Anillos, anómeros y mutarrotación
- Por qué gana la β en aguaExplica la preferencia del equilibrio del D-glucosa por el anómero β en términos de la conformación de silla y el efecto anomérico.
¿Atascado con carbohidratos: estructura, anómeros y glicósidos? Escanea el problema.
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