Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests

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APUNTES BIOLOGÍA EBAU Cantabria AprenAI 2026-2027 Biomoléculas, célula, metabolismo, genética, biotecnología e inmunología para la EBAU de Cantabria. Con esquemas, 104 preguntas de test y resumen final. APREN.AI Índice Tema 1: Las biomoléculas 1 Bioelementos, agua y sales minerales 6 1. Clasificación y abundancia de los bioelementos 7 2. El agua: estructura molecular y propiedades biológicas 8 3. Las sales minerales: formas y funciones 8 4. Ósmosis: turgencia y plasmólisis 9 2 Monosacáridos: estructura y propiedades 11 1. Concepto y naturaleza química de los monosacáridos 12 2. Clasificación de los monosacáridos 12 3. Propiedades físicas 13 4.

Propiedades químicas: el poder reductor 13 3 Isomería y actividad óptica de los monosacáridos 14 El carbono asimétrico y la estereoisomería 14 Clasificación de los estereoisómeros: enantiómeros, diastereoisómeros y epímeros 15 Serie D y Serie L 17 Actividad óptica: sustancias dextrógiras y levógiras 18 4 Series aldosa-cetosa y ciclación de monosacáridos 19 1. Series estéricas de las D-aldosas y D-cetosas 19 2. Mecanismo químico de ciclación intramolecular 21 3.

Paso sistemático de la proyección de Fischer a la de Haworth 22 5 Formas anoméricas, conformación espacial y derivados 24 El carbono anomérico y el origen de los anómeros 24 El fenómeno de la mutarrotación 25 Conformación espacial real: formas en silla y bote 26 Monosacáridos de trascendencia biológica 27 Derivados de monosacáridos 30 6 Enlace O-glucosídico y disacáridos 31 1. Concepto de oligosacárido y naturaleza del enlace O-glucosídico 31 2. Tipos de enlaces: monocarbonílicos y dicarbonílicos 32 3.

Principales disacáridos de interés biológico 34 7 Polisacáridos de reserva y estructurales 37 Concepto y características generales de los polisacáridos 37 Criterios de clasificación: composición química y papel biológico 38 Estructura macromolecular del almidón: amilosa y amilopectina 39 Compartimentación en amiloplastos y ventaja osmótica 41 8 Glucógeno, celulosa, heteropolisacáridos e identificación 43 Glucógeno: reserva glucídica animal 43 Dextranos: polímeros de reserva en bacterias y levaduras 45 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 1 Celulosa: arquitectura molecular y soporte vegetal 45 Quitina: el homopolisacárido del exoesqueleto y hongos 48 Heteropolisacáridos estructurales y fisiológicos 48 Comparativa global: almidón, glucógeno y celulosa 50 9 Heterósidos y métodos de análisis experimental 51 1.

Concepto y clasificación de heterósidos 52 2. El peptidoglicano o mureína 53 3. Métodos analíticos de identificación glucídica 54 4. Prácticas de reconocimiento estructural de glúcidos 56 10 Lípidos saponificables e insaponificables 58 1. Clasificación general de los lípidos 58 2. Los ácidos grasos y su comportamiento químico 59 3. Reacciones de esterificación y saponificación 59 4. Diversidad de lípidos saponificables 59 5. Autoensamblaje y bicapas lipídicas 60 6.

Lípidos insaponificables: terpenos, esteroides y eicosanoides 60 11 Enzimas: concepto, estructura y centro activo 61 Concepto de biocatalizador y base proteica 61 Fundamentos de la estructura proteica 61 Organización molecular: holoenzimas y cofactores 62 Microarquitectura y organización del centro activo 63 12 Coenzimas y mecanismo de catálisis enzimática 66 Cofactores y coenzimas en la actividad enzimática 66 Principales coenzimas de transferencia 67 Dinámica del complejo enzima-sustrato (ES) 69 Termodinámica de la catálisis: energía de activación y estado de transición 70 Mecanismo de aceleración catalítica 71 13 Cinética enzimática y modelo de Michaelis-Menten 72 Modelos de interacción enzima-sustrato 72 Cinética hiperbólica y formulación de Michaelis-Menten 73 Significado biofísico de los parámetros cinéticos: Vmax y Km 75 Comparación gráfica de enzimas e isoenzimas 75 14 Factores que afectan a la velocidad enzimática 78 Factores fisicoquímicos que modulan la actividad enzimática 78 Estrategias celulares para optimizar la eficacia enzimática 82 15 Regulación e inhibición enzimática 86 1.

Necesidad biológica de la regulación enzimática 86 2. Enzimas alostéricas y regulación de rutas metabólicas 86 3. Inhibición enzimática reversible competitiva 88 4.

Resumen comparativo de la regulación enzimática 92 16 Tipos de inhibición y clasificación enzimática 93 Tipos de inhibición enzimática 93 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 2 Clasificación internacional de las enzimas (IUBMB) 96 17 Cinética lineal de Lineweaver-Burk y nomenclatura 98 Linealización de la cinética enzimática: ecuación de Lineweaver-Burk 98 Diagnóstico gráfico de la inhibición enzimática 99 Clasificación funcional de las enzimas según la IUBMB 100 Resolución de cinéticas numéricas paso a paso 100 18 Tema 2: Biología celular 102 1. La teoría celular y fundamentos de microscopía 102 2. Organización procariota y eucariota 103 3.

La membrana plasmática y los mecanismos de transporte 103 4. Ultraestructura y fisiología de los orgánulos citoplasmáticos 104 5. El ciclo celular y la dinámica cuantitativa del ADN 106 6. División celular: Mitosis y Meiosis 107 7. Formas acelulares: La organización de los virus 109 19 Tema 3: Metabolismo 111 1. Organización del metabolismo: catabolismo y anabolismo 111 2. Catabolismo aeróbico de la glucosa 112 3. Catabolismo lipídico: -oxidación de los ácidos grasos 113 4. El ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos) 113 5. Cadena de transporte electrónico y fosforilación oxidativa 115 6. Rutas anaeróbicas: Fermentaciones 116 7.

Anabolismo autótrofo: Fotosíntesis oxigénica y Quimiosíntesis 116 20 Tema 4: Genética molecular 120 1. Estructura molecular de los ácidos nucleicos 120 2. Replicación del ADN 122 3. Expresión génica: transcripción y procesamiento del ARN 123 4. El código genético 124 5. Traducción o biosíntesis de proteínas 125 6. Mutaciones: clasificación y relevancia evolutiva 125 7.

Genética mendeliana y patrones de herencia 127 Tema 5: Biotecnología 21 Técnicas de ADN recombinante, secuenciación y edición génica 131 Concepto y ramas de la biotecnología 131 La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) 131 Métodos de secuenciación de ácidos nucleicos 132 Otras técnicas moleculares: hibridación y mutagénesis dirigida 133 Tecnología del ADN recombinante y clonación génica 134 Edición génica de precisión: el sistema CRISPR-Cas9 135 22 Microbiología industrial y aplicaciones en alimentación y agricultura 136 Microbiología industrial y el cultivo en biorreactores 136 Procesos fermentativos en la industria alimentaria 137 Producción biotecnológica de moléculas de interés industrial 139 β Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 3 Biotecnología agropecuaria (Biotecnología verde) 140 Aplicaciones farmacéuticas y médicas 141 23 Biotecnología sanitaria y ambiental 143 Técnicas de diagnóstico molecular y medicina personalizada 143 Terapia génica, medicina regenerativa y xenotrasplantes 143 Biorremediación ambiental y fitorremediación 144 Depuración biológica de aguas residuales en EDAR 145 Gestión biológica de residuos sólidos: compostaje 146 Biolixiviación bacteriana y producción de bioplásticos 147 Tema 6: Inmunología 24 Componentes del sistema inmune y defensas innatas 149 1.

Concepto de inmunidad y reconocimiento molecular 149 2. Organización del sistema linfático 149 3. Inmunidad innata: defensas inespecíficas 150 4. Estructura y clases de inmunoglobulinas 151 25 Respuesta inmunitaria adaptativa e inmunización 153 1. Mecanismos celulares y cooperadores: Linfocitos T 153 2. Inmunidad humoral: Linfocitos B y células plasmáticas 154 3. Reacciones antígeno-anticuerpo 154 4. Dinámica de la respuesta humoral: Primaria frente a secundaria 155 5. Factores del hospedador, patogenicidad e infección 156 6. Modalidades de inmunidad adquirida 156 7. Inmunoterapia: Vacunas frente a sueros 157 26 Patologías inmunitarias, trasplantes e inmunología del cáncer 158 1.

Tolerancia inmunológica y selección clonal 158 2. Inmunodeficiencias: congénitas y adquiridas 159 3. Hipersensibilidad inmunitaria 160 4. Enfermedades autoinmunes 161 5. Inmunología de los trasplantes 162 6. Inmunología del cáncer e inmunoterapia avanzada 163 27 Resumen para repasar 165 1. Bioelementos, agua, sales minerales y ósmosis 165 2. Glúcidos: monosacáridos e isomería 165 3. Disacáridos, polisacáridos, heterósidos e identificación 166 4. Lípidos 167 5. Enzimas 167 6. Biología celular 168 7. Metabolismo 169 8. Genética molecular 170 9. Biotecnología 170 10.

Inmunología 171 Soluciones de las preguntas de repaso 173 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 4 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 5 1 Bioelementos,agua y sales minerales Todos los organismos vivos están constituidos por los mismos principios químicos fundamentales que la materia inerte, pero organizados con un grado extraordinario de complejidad funcional. Los elementos químicos que integran las estructuras biológicas reciben el nombre de bioelementos, y su combinación mediante enlaces químicos da lugar a las biomoléculas o principios inmediatos.

Las biomoléculas se catalogan en dos grandes conjuntos según su naturaleza química: Esquema de clasificación general de las biomoléculas en inorgánicas y orgánicas.

TEMA 1 Las biomoléculas 1 Bioelementos, agua y sales minerales 2 Monosacáridos: estructura y propiedades 3 Isomería y actividad óptica de los monosacáridos 4 Series aldosa-cetosa y ciclación de monosacáridos 5 Formas anoméricas, conformación espacial y derivados 6 Enlace O-glucosídico y disacáridos 7 Polisacáridos de reserva y estructurales 8 Glucógeno, celulosa, heteropolisacáridos e identificación 9 Heterósidos y métodos de análisis experimental 10 Lípidos saponificables e insaponificables 11 Enzimas: concepto, estructura y centro activo 12 Coenzimas y mecanismo de catálisis enzimática 13 Cinética enzimática y modelo de Michaelis- Menten 14 Factores que afectan a la velocidad enzimática 15 Regulación e inhibición enzimática 16 Tipos de inhibición y clasificación enzimática 17 Cinética lineal de Lineweaver-Burk y nomenclatura Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 6 Biomoléculas inorgánicas: presentes tanto en la materia viva como en la inerte (el agua y las sales minerales).

Biomoléculas orgánicas: exclusivas de los seres vivos y sustentadas en cadenas carbonadas (glúcidos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos). En el armazón carbonado de las moléculas orgánicas se insertan agrupaciones atómicas específicas, conocidas como grupos funcionales, que determinan su reactividad y propiedades físico-químicas: Esquema de los principales grupos funcionales de los compuestos orgánicos biológicos. 1. Clasificación y abundancia de los bioelementos De los más de un centenar de elementos de la tabla periódica, aproximadamente 70 forman parte de la materia viva, aunque solo unos 25 son universales para todos los seres vivos.

Según su proporción ponderal en el organismo, se clasifican en tres niveles: Categoría Proporción en masa Elementos integrantes Función y características principales Bioelementos primarios Aprox. 96 % - 99 % C, H, O, N, P, S Esqueleto de las macromoléculas. Poseen masa atómica baja y forman enlaces covalentes muy estables al compartir electrones. Bioelementos secundarios Aprox. 1 % - 4 % Na, K, Ca, Mg, Cl Funciones osmóticas, transmisión del impulso nervioso, contracción muscular y cofactores.

Oligoelementos (o elementos traza) Menos del 0,1 % Fe, Cu, Zn, Mn, I, F, Co, Se Imprescindibles pese a su baja cantidad; actúan como catalizadores en centros activos enzimáticos o componentes de hormonas. PARA RECORDARLO La regla mnemotécnica tradicional para memorizar los seis bioelementos primarios es el acrónimo CHONPS (Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno, Fósforo y Azufre).

Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 7 La idoneidad del carbono radica en sus cuatro electrones de valencia distribuidos tetraédricamente, lo que le permite formar enlaces covalentes simples, dobles o triples con otros átomos de carbono o con heteroátomos (O, N, S), generando esqueletos tridimensionales estables (lineales, ramificados y cíclicos). 2. El agua: estructura molecular y propiedades biológicas El agua ( ) es la biomolécula inorgánica más abundante de la biosfera, representando comúnmente entre el 65 % y el 95 % de la masa de un organismo. Cada molécula está formada por un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno con un ángulo de enlace de .

Debido a la marcada electronegatividad del oxígeno frente al hidrógeno, los electrones compartidos se desplazan hacia el oxígeno, generando una densidad de carga negativa ( ) en este y dos densidades de carga positiva ( ) sobre los hidrógenos. Esta asimetría convierte al agua en un dipolo eléctrico permanente. Esa condición dipolar posibilita la atracción electrostática intermolecular mediante puentes de hidrógeno, interacciones donde cada molécula de agua puede enlazar con hasta otras cuatro vecinas formando una red reticular fluida y cohesiva. Propiedad físico- química Base molecular Repercusión e importancia biológica Gran poder disolvente Dipolo eléctrico (alta constante dieléctrica).

Vehículo de transporte de sustancias y medio universal donde transcurren las reacciones metabólicas. Disuelve compuestos iónicos y polares formando capas de solvatación. Elevado calor específico Se requiere mucha energía para romper la extensa red de puentes de hidrógeno antes de acelerar las moléculas. Amortiguador térmico celular: protege a los organismos frente a fluctuaciones bruscas de la temperatura exterior. Alto calor de vaporización Ruptura total de los enlaces de hidrógeno al pasar de líquido a gas. Mecanismo refrigerante muy eficaz (por ejemplo, transpiración y sudoración). Elevada cohesión y adhesión Puentes de hidrógeno entre moléculas de agua y con superficies polares.

Da soporte hidrostático (esqueleto hidrostático) y explica los fenómenos de capilaridad en vasos conductores vegetales (xilema). Menor densidad en estado sólido Estructura cristalina hexagonal rígida que deja huecos al congelarse. El hielo flota sobre el agua líquida, actuando como aislante térmico y permitiendo la vida acuática en regiones polares y fondos lacustres. 3. Las sales minerales: formas y funciones Las sales minerales se presentan en los seres vivos bajo dos formas bien diferenciadas: A. Sales minerales precipitadas (insolubles) Se encuentran en estado sólido, asociadas a menudo con matrices orgánicas proteicas o polisacáridas.

Cumplen fundamentalmente una función de sostén mecánico y protección esquelética: Carbonato cálcico ( ): conforma caparazones de moluscos, exoesqueletos de corales y las espículas de ciertas esponjas. Fosfato cálcico ( ) e hidroxiapatito: constituye la fase mineral de los huesos y dientes en los vertebrados. Sílice ( ): forma los caparazones (frústulas) de diatomeas y refuerza tallos de gramíneas y equisetos. H O 2 104,5 δ δ+ CaCO 3 Ca (PO ) 3 4 2 SiO 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 8 B. Sales minerales disueltas (solubles) Se hallan disociadas en sus correspondientes iones en el citosol y en los líquidos extracelulares: Cationes principales: , , , .

Aniones principales: , , , . Desempeñan tres funciones indispensables: mantenimiento del equilibrio osmótico celular, amortiguación del pH fisiológico (sistemas tampón o buffer como el tampón bicarbonato en el medio extracelular y el tampón fosfato en el intracelular) y participación en funciones catalíticas y de excitabilidad (sinapsis, contracción muscular y activación enzimática). 4.

Ósmosis: turgencia y plasmólisis La ósmosis es el paso espontáneo de disolvente (agua) a través de una membrana semipermeable que separa dos disoluciones de diferente concentración de solutos, desde el medio más diluido (hipotónico) hacia el más concentrado (hipertónico), hasta igualar las concentraciones (medio isotónico). ESQUEMA Fenómenos osmóticos celulares El comportamiento de la célula depende de la presencia o ausencia de pared celular y del medio externo en el que se encuentre: Medio extracelular Célula vegetal (con pared celular) Célula animal (sin pared celular) Medio hipotónico (baja concentración exterior) El agua penetra en la célula hinchando la vacuola.

La pared celulósica rígida resiste la presión interior: estado de turgencia. El agua entra de forma masiva. Al carecer de pared, la membrana no soporta la presión osmótica y sufre lisis celular (en eritrocitos, hemólisis). Medio isotónico (igual concentración) Flujo neto nulo de agua. Estado fisiológico de equilibrio normal. Flujo neto nulo de agua. Volumen y morfología celular estables. Medio hipertónico (alta concentración exterior) El agua sale hacia el exterior; la vacuola mengua y la membrana plasmática se despega de la pared celular: proceso de plasmólisis. El agua sale al exterior; la célula pierde volumen, se arruga y se deshidrata: fenómeno de crenación.

Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl HCO 3 HPO 4 2 SO 4 2 Medio hipotónico Entrada de agua Turgencia vegetal Pared resiste la presión Lisis animal La célula estalla Medio hipertónico Salida de agua Plasmólisis vegetal Membrana se retrae de la pared Crenación animal Célula se arruga Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 9 PAU · 2025, EXTRAORDINARIA (APARTADO 1 - OPCIÓN 2) Opción 2 [1,25 puntos] . La materia que constituye a los seres vivos está formada por biomoléculas, las cuales están compuestas por átomos, también denominados bioelementos. a) ¿En qué tres categorías se dividen los bioelementos?

Tres categorías: b) ¿Cuáles son los 6 bioelementos que forman parte de la primera categoría y qué característica común tienen? Los 6 bioelementos: Característica común: c) Enumere los cuatro grupos de biomoléculas e indique cuáles de estos 6 bioelementos forman parte de su composición. Cuatro grupos de biomoléculas y su composición elemental: Resolución a) Categorías de los bioelementos: Se dividen en función de su abundancia porcentual relativa en el organismo en: bioelementos primarios (mayoritarios, en torno al 96-99 %), bioelementos secundarios (entre el 1 y el 4 %) y oligoelementos (presentes en concentraciones inferiores al 0,1 %).

b) Bioelementos primarios y su rasgo común: Los 6 elementos son: carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). Su característica común fundamental radica en que poseen masas atómicas bajas y capas electrónicas externas incompletas, lo que les permite compartir electrones con gran estabilidad para formar enlaces covalentes fuertes (simples, dobles o triples) y ser perfectamente compatibles e interactuar en disolución acuosa.

c) Grupos de biomoléculas orgánicas y bioelementos que las integran: IDEAS CLAVE Los bioelementos primarios (C, H, O, N, P, S) representan cerca del 96-99 % de la masa celular gracias a su aptitud para establecer enlaces covalentes estables. El dipolo permanente del agua y los puentes de hidrógeno intermoleculares originan su elevado calor específico, gran poder disolvente y alta cohesión. Las sales precipitadas desempeñan papeles de sostén esquelético pasivo, mientras que las solubles regulan la presión osmótica y amortiguan las variaciones de pH.

En soluciones hipotónicas las células vegetales adquieren turgencia y las animales sufren lisis; en soluciones hipertónicas se produce plasmólisis vegetal o crenación animal. Glúcidos (hidratos de carbono): integrados principalmente por C, H y O (el P aparece también en intermediarios metabólicos fosforilados). 1 Lípidos: formados fundamentalmente por C, H y O (incorporan P y a menudo N en fosfolípidos). 2 Proteínas: constituidas siempre por C, H, O y N, conteniendo además S de manera característica en aminoácidos como la cisteína y la metionina (pueden llevar P si sufren fosforilación).

3 Ácidos nucleicos (ADN y ARN): contienen obligatoriamente C, H, O, N y P (el grupo fosfato forma los enlaces fosfodiéster del esqueleto). 4 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 10 COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 1. ¿Por qué el carbono es el elemento estructural base de las biomoléculas y no el silicio? 2. ¿Cuál es la causa fisicoquímica de que el agua actúe como un eficaz amortiguador de la temperatura corporal? 3. ¿Qué diferencia existe en la respuesta osmótica entre un glóbulo rojo y una célula epidérmica vegetal en agua destilada?

TEMA 1: LAS BIOMOLÉCULAS 2 Monosacáridos: estructura y propiedades Los glúcidos (clásicamente denominados hidratos de carbono o carbohidratos) son biomoléculas orgánicas formadas fundamentalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción que responde aproximadamente a la fórmula empírica general . En determinados derivados biológicos pueden incorporar también nitrógeno, fósforo o azufre. Desde una perspectiva funcional, los glúcidos actúan como combustible metabólico inmediato y almacén de reserva, aunque también desempeñan papeles estructurales decisivos en paredes vegetales y exoesqueletos de artrópodos.

Para abordar el estudio sistemático de esta familia molecular, conviene disponer de un esquema global de su jerarquía: ESQUEMA Clasificación de los glúcidos (CH O) 2 n Monosacáridos (Osas) Monómeros no hidrolizables Ósidos Cadenas formadas por unión de osas Holósidos Formados exclusivamente por monosacáridos Oligosacáridos De 2 a 10 monosacáridos Disacáridos Unión de 2 osas Polisacáridos Más de 10 unidades de monosacárido Homopolisac Un solo tipo de monosacárido Heteropolisa Distintos tipos de monosacárido Heterósidos Glúcido unido a fracción aglucón Glucoproteínas Glúcido unido a fracción proteica Glucolípidos Glúcido unido a fracción lipídica Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 11 1.

Concepto y naturaleza química de los monosacáridos DEFINICIÓN Los monosacáridos u osas son los monómeros constituyentes de los glúcidos; se definen químicamente como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas no hidrolizables, compuestos por una sola cadena carbonada de tres a siete átomos de carbono. Al ser las unidades más elementales, las células pueden utilizarlos de manera inmediata sin requerir digestión hidrolítica previa (a diferencia de los disacáridos y polisacáridos). Cada monosacárido posee un esqueleto de carbonos en el que todos los átomos portan un grupo hidroxilo ( ) excepto uno, que alberga un grupo carbonilo ( ). 2.

Clasificación de los monosacáridos La catalogación de las osas se fundamenta en dos criterios simultáneos: la naturaleza del grupo carbonilo y la longitud de la cadena carbonada. A. Según la posición del grupo carbonilo Aldosas: presentan el carbonilo en un extremo de la cadena, formando un grupo aldehído (o formilo, -CHO) situado obligatoriamente en el carbono 1 ( ). Cetosas: presentan el carbonilo en una posición intermedia de la cadena, constituyendo un grupo cetona (u oxo, ), habitualmente localizado en el carbono 2 ( ). Esquema estructural comparativo entre una aldosa (glucosa) y una cetosa (fructosa). B.

Según el número de átomos de carbono La longitud de la cadena oscila entre 3 y 7 carbonos, designándose con el prefijo numérico correspondiente terminado en el sufijo -osa: OH C = O C 1 C = O C 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 12 N.º de carbonos Denominación Aldosa representativa Cetosa representativa 3 Triosas Gliceraldehído (aldotriosa) Dihidroxiacetona (cetotriosa) 4 Tetrosas Eritrosa (aldotetrosa) Eritrulosa (cetotetrosa) 5 Pentosas Ribosa (aldopentosa) Ribulosa (cetopentosa) 6 Hexosas Glucosa, Galactosa (aldohexosas) Fructosa (cetohexosa) 7 Heptosas Glucoheptosa (aldoheptosa) Sedoheptulosa (cetoheptosa) Las triosas ( ) constituyen los monosacáridos más pequeños posibles.

El gliceraldehído y la dihidroxiacetona son metabolitos intermediarios imprescindibles en la degradación de la glucosa (véase «Tema 3: Metabolismo»). 3. Propiedades físicas Las propiedades organolépticas y físicas de los monosacáridos derivan de su abundancia de grupos polares: Estado físico y aspecto: son sólidos cristalinos, de color blanco y no volátiles. Sabor dulce: estimulan las papilas gustativas específicas de la cavidad bucal. Elevada solubilidad en agua: el oxígeno electronegativo de los numerosos grupos hidroxilo ( ) y del grupo carbonilo genera densidades de carga parciales ( , ), lo que les permite establecer múltiples interacciones por puentes de hidrógeno con el agua solvente.

Son insolubles en disolventes apolares. Actividad óptica: a excepción de la dihidroxiacetona, desvían el plano de la luz polarizada debido a la asimetría de sus carbonos (véase «Tema 1: Las biomoléculas — Isomería y actividad óptica de los monosacáridos»). 4. Propiedades químicas: el poder reductor La reactividad más destacada de los monosacáridos reside en la capacidad del grupo carbonilo libre para oxidarse a carboxilo (-COOH), cediendo electrones y actuando consecuentemente como agentes reductores en medio alcalino. Esquema de la oxidación del grupo aldehído a ácido carboxílico.

Esta propiedad es la base de ensayos analíticos clásicos como la reacción de Fehling (y la de Benedict), en los que el ion cúprico en disolución alcalina se reduce a óxido cuproso insoluble (véase «Tema 1: Las biomoléculas — Disacáridos y reacción de Fehling»): C H O 3 6 3 OH Oδ Hδ+ R CHO + 2Cu + 5OH R COO + Cu O (rojo) + 3H O 2+ 2 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 13 El viraje de un color azul intenso a un precipitado rojo ladrillo evidencia la presencia de un azúcar reductor.

Aunque las cetonas puras no se oxidan con facilidad, las cetosas dan positivo en esta prueba porque el medio fuertemente básico induce una tautomerización que las transforma temporalmente en aldosas. EJEMPLO En el diagnóstico clínico, la detección de poder reductor en orina mediante tiras reactivas o Fehling permite evidenciar glucosuria. En condiciones fisiológicas normales, la concentración de glucosa en sangre o glucemia se sitúa en torno a 1 g/L; valores que superan ampliamente este umbral saturan la reabsorción renal y alertan de patologías como la diabetes. ERROR FRECUENTE Creer que las cetosas carecen de poder reductor.

En disolución acuosa alcalina (como en el reactivo de Fehling), las cetosas sufren un equilibrio ceto-enólico que genera intermediarios enodiol, exhibiendo una clara capacidad reductora al igual que las aldosas. IDEAS CLAVE Los glúcidos responden genéricamente a la fórmula y químicamente son polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Los monosacáridos son las unidades monoméricas no hidrolizables, clasificadas por su grupo funcional (aldosas y cetosas) y número de carbonos (triosas a heptosas). Las triosas (gliceraldehído y dihidroxiacetona) son los monosacáridos más simples y actúan como intermediarios metabólicos cruciales.

Presentan alta solubilidad acuosa, sabor dulce y aspecto cristalino gracias a la abundancia de grupos hidroxilo polares. Todos los monosacáridos poseen poder reductor debido a la capacidad de su grupo carbonilo libre de oxidarse frente a reactivos como el de Fehling. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 4. ¿Por qué un monosacárido se disuelve con tanta facilidad en agua? 5. ¿Cuál es la diferencia estructural básica entre una aldosa y una cetosa? 6. ¿Qué cambio químico experimenta el cobre en la prueba de Fehling ante un monosacárido?

TEMA 1: LAS BIOMOLÉCULAS 3 Isomería y actividad óptica de los monosacáridos El carbono asimétrico y la estereoisomería En el estudio de los monosacáridos (véase «Tema 1: Las biomoléculas — Monosacáridos: estructura y propiedades»), la fórmula empírica o molecular común no basta para describir las propiedades de un azúcar. Por ejemplo, la fórmula molecular engloba tres glúcidos distintos: la dihidroxiacetona, el D- gliceraldehído y el L-gliceraldehído. La causa fundamental de esta diversidad es la presencia de carbonos asimétricos.

(CH O) 2 n C H O 3 6 3 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 14 DEFINICIÓN Un carbono asimétrico o quiral es aquel átomo de carbono que tiene sus cuatro valencias saturadas por cuatro sustituyentes o grupos químicos diferentes entre sí. Todos los monosacáridos naturales presentan uno o más centros quirales, con una única excepción: la dihidroxiacetona, una cetotriosa simétrica cuyo carbono secundario contiene el grupo carbonilo ( ) y sus dos carbonos primarios portan grupos alcohol idénticos ( ).

La existencia de centros quirales da lugar a la estereoisomería, fenómeno por el cual compuestos que comparten la misma secuencia de enlaces covalentes difieren en la disposición tridimensional de sus átomos en el espacio. El número total de estereoisómeros que puede presentar una molécula depende directamente del número de carbonos quirales que contenga: donde representa el número de carbonos asimétricos de la molécula.

EJEMPLO: CÁLCULO DE ESTEREOISÓMEROS PASO A PASO Determinemos el número de estereoisómeros posibles para una aldohexosa como la glucosa y para una cetohexosa como la fructosa: Clasificación de los estereoisómeros: enantiómeros, diastereoisómeros y epímeros La orientación espacial relativa de los grupos hidroxilo ( ) permite clasificar los estereoisómeros en distintas categorías: C = O CH OH 2 N = 2n n Identificar los carbonos asimétricos de la aldohexosa: En una cadena de 6 carbonos con función aldehído en C1, el C1 carece de quiralidad (doble enlace con el oxígeno) y el C6 no es asimétrico (unido a dos hidrógenos). Por tanto, los carbonos C2, C3, C4 y C5 son asimétricos ( ).

1 n = 4 Calcular los estereoisómeros de la aldohexosa: Aplicando la regla, obtenemos estereoisómeros (8 pertenecen a la serie D y 8 a la serie L). 2 2 = 4 16 Identificar los carbonos asimétricos de la cetohexosa: En una cetohexosa con el grupo carbonilo en C2, los carbonos C1 y C6 carecen de asimetría por tener dos hidrógenos, y el C2 carece de ella por su doble enlace. Solo C3, C4 y C5 son quirales ( ). 3 n = 3 Calcular los estereoisómeros de la cetohexosa: Resultan estereoisómeros (4 de la serie D y 4 de la serie L).

4 2 = 3 8 OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 15 ESQUEMA Tipos de isomería en monosacáridos Esquema de clasificación de estereoisómeros en enantiómeros, diastereoisómeros y epímeros. Enantiómeros: Son moléculas que constituyen imágenes especulares no superponibles entre sí. Para que dos azúcares sean enantiómeros, la posición de los sustituyentes debe estar invertida en todos y cada uno de sus carbonos asimétricos. Presentan idénticas propiedades físicas y químicas generales (punto de fusión, densidad, reactividad básica), pero desvían la luz polarizada en sentidos opuestos y presentan reactividad enzimática distinta.

Diastereoisómeros: Son estereoisómeros que no guardan relación de imagen especular mutua. Ocurren cuando difieren en la configuración de al menos uno, pero no de todos, sus centros asimétricos. Poseen propiedades fisicoquímicas diferentes (solubilidad, punto de fusión). Epímeros: Son un subtipo particular de diastereoisómeros en el que dos monosacáridos se diferencian en la orientación del grupo de un único carbono asimétrico.

Isomería constitucional Diferente conectividad de átomos De función Aldosas frente a cetosas Estereoisomería Misma conectividad, distinta orientación espacial Enantiómeros Imágenes especulares no superponibles (serie D y L) Diastereoisómeros No son imágenes especulares entre sí Epímeros Difieren en un solo carbono quiral OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 16 Diagrama de relaciones enantioméricas y epiméricas en aldotetrosas.

Serie D y Serie L La pertenencia de un monosacárido a la serie D o a la serie L se establece por convención tomando como referencia el del carbono asimétrico más alejado del grupo carbonilo (el de número localizador más alto): Forma D: El grupo del último carbono quiral queda a la derecha en la proyección de Fischer. Forma L: El grupo de dicho carbono quiral queda a la izquierda. En los seres vivos, la inmensa mayoría de los glúcidos naturales pertenecen a la serie D, lo cual condiciona la especificidad de las enzimas metabólicas celulares. Diagrama de epimería entre D-glucosa y D-galactosa en C4.

En el caso concreto de la D-glucosa, sus relaciones estereoquímicas con otras aldohexosas ilustran claramente la distinción entre enantiómeros y epímeros: OH OH OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 17 Molécula de referencia Molécula comparada Tipo de relación Diferencia estructural D-glucosa L-glucosa Enantiómeros Configuración invertida en los 4 carbonos asimétricos (C2, C3, C4 y C5) D-glucosa D-galactosa Epímeros en C4 El grupo en C4 está hacia la derecha en la glucosa y a la izquierda en la galactosa D-glucosa D-manosa Epímeros en C2 El grupo en C2 está hacia la derecha en la glucosa y a la izquierda en la manosa D-manosa D-galactosa Diastereoisómeros (no epímeros) Difieren en la configuración de dos carbonos asimétricos (C2 y C4 a la vez) Actividad óptica: sustancias dextrógiras y levógiras La asimetría molecular confiere a los monosacáridos la propiedad física de la actividad óptica: la capacidad de desviar el plano de oscilación de la luz polarizada plana cuando esta atraviesa una disolución de la sustancia.

Esquema de medición de la actividad óptica en un polarímetro. Un polarímetro permite cuantificar esta desviación: Sustancia dextrógira o (+): Desvía el plano de polarización hacia la derecha (en sentido de giro horario). Sustancia levógira o (-): Desvía el plano de polarización hacia la izquierda (en sentido antihorario). OH OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 18 ERROR FRECUENTE Es muy habitual confundir la pertenencia a las series D / L con la actividad óptica (+) / (-). Son conceptos completamente independientes: La nomenclatura D o L se refiere a la configuración estructural del último carbono asimétrico.

El signo (+) o (-) mide una propiedad física experimental (el sentido de rotación de la luz). Así, un monosacárido de la serie D puede ser dextrógiro (como la D-glucosa o dextrosa, que es D-(+)- glucosa) o levógiro (como la D-fructosa o levulosa, que es D-(-)-fructosa). IDEAS CLAVE Un carbono asimétrico posee cuatro sustituyentes químicos distintos, otorgando quiralidad a la molécula. El número máximo de estereoisómeros posibles para un monosacárido con carbonos quirales es de . Los enantiómeros son imágenes especulares no superponibles con inversión en todos los carbonos asimétricos. Los epímeros son diastereoisómeros que difieren en la orientación de un solo carbono asimétrico.

La configuración estructural de la serie D o L es independiente del signo dextrógiro (+) o levógiro (-) de la actividad óptica. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 7. ¿Por qué la dihidroxiacetona es el único monosacárido que carece de estereoisómeros y de actividad óptica? 8. Si una aldotetrosa tiene dos carbonos asimétricos, ¿cuántos estereoisómeros existen y cuántos pares de enantiómeros forman? 9. ¿Puede un monosacárido pertenecer a la serie D y desviar la luz polarizada hacia la izquierda? TEMA 1: LAS BIOMOLÉCULAS 4 Series aldosa-cetosa y ciclación de monosacáridos Los monosacáridos no existen únicamente como cadenas abiertas lineales.

Aunque la proyección de Fischer resulta idónea para estudiar la estereoquímica teórica y las familias estructurales, en un entorno acuoso las moléculas de cinco o más átomos de carbono adoptan de manera espontánea conformaciones cíclicas estables mediante enlaces intramoleculares. 1. Series estéricas de las D-aldosas y D-cetosas La configuración D o L de un monosacárido depende de la posición del grupo hidroxilo ( ) en el centro quiral más alejado del grupo carbonilo, tomando como referencia el gliceraldehído (como se ha visto en «Tema 1: Las biomoléculas — Isomería y actividad óptica de los monosacáridos»). En los seres vivos predominan de forma casi exclusiva los azúcares de la serie D.

n 2n OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 19 A partir de la triosa inicial, la adición sucesiva de grupos -CHOH- inmediatamente por debajo del carbono carbonilo genera dos nuevos epímeros por cada nivel de longitud de cadena. Esquema del árbol genealógico de las D-aldosas desde triosa a hexosas. En la genealogía de las aldosas, la cadena arranca en el D-gliceraldehído ( ): Aldotetrosas ( ): D-eritrosa y D-treosa. Aldopentosas ( ): D-ribosa y D-arabinosa (derivadas de la eritrosa); D-xilosa y D-lixosa (derivadas de la treosa).

Aldohexosas ( ): D-alosa y D-altrosa (de ribosa); D-glucosa y D-manosa (de arabinosa); D-gulosa y D- idosa (de xilosa); D-galactosa y D-talosa (de lixosa). 3C 4C 5C 6C Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 20 Esquema del árbol genealógico de las D-cetosas desde triosa a hexosas. En las cetosas, la serie parte de la dihidroxiacetona ( , que carece de centros quirales): Cetotetrosa ( ): D-eritrulosa. Cetopentosas ( ): D-ribulosa y D-xilulosa. Cetohexosas ( ): D-psicosa y D-fructosa (de ribulosa); D-sorbosa y D-tagatosa (de xilulosa).

CÁLCULO DE ESTEREOISÓMEROS Aplicando la regla (como se ha visto en «Tema 1: Las biomoléculas — Isomería y actividad óptica de los monosacáridos»): en una cetopentosa lineal ( ), el carbonilo se ubica en el C-2, por lo que únicamente C-3 y C-4 son asimétricos ( ). En consecuencia, existen formas ópticas en total (dos de la serie D y dos de la serie L). 2. Mecanismo químico de ciclación intramolecular En disolución acuosa, la estructura abierta de los azúcares de cadena media o larga resulta energéticamente desfavorable frente al cierre en anillo.

El grupo carbonilo electrofílico reacciona con uno de los grupos hidroxilo nucleofílicos de la propia molécula: Aldehído + Alcohol Hemiacetal: el ataque nucleofílico del oxígeno del alcohol sobre el carbono aldehídico genera un enlace hemiacetal intramolecular. Cetona + Alcohol Hemicetal: el enlace análogo formado entre el grupo cetónico y un alcohol se denomina hemicetal intramolecular. 3C 4C 5C 6C 2n 5C n = 2 2 = 2 4 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 21 Reacciones generales de formación de enlaces hemiacetal y hemicetal.

Esta adición nucleofílica transforma el enlace doble en un enlace simple y un grupo , originando un nuevo centro asimétrico que recibe el nombre de carbono anomérico (cuyas propiedades se profundizan en «Tema 1: Las biomoléculas — Formas anoméricas, conformación espacial y derivados»). PROCESO Mecanismo general de ciclación intramolecular 1 Forma abierta Monosacárido lineal en disolución acuosa 2 Plegamiento Aproximación del hidro xilo al carbono carbonilo 3 Ataque nu cleofílico El oxígeno del -OH ata ca al carbono electrofílico 4 Enlace hemi acetal/hemicetal Cierre del anillo y apari ción del carbono anomérico 3.

Paso sistemático de la proyección de Fischer a la de Haworth La proyección de Haworth dibuja los anillos moleculares como planos perpendiculares a la página, donde el borde inferior engrosado apunta hacia el observador y los sustituyentes ( y ) se proyectan por encima o por debajo de dicho plano.

Según el número de vértices del ciclo, se diferencian dos arquitecturas principales inspiradas en heterociclos oxigenados: Tipo de anillo Heterociclo de referencia Tamaño del ciclo Ejemplos habituales Pirano (anillo piranósico) Pirano Hexágono (5 carbonos + 1 oxígeno) D-glucopiranosa, D- galactopiranosa Furano (anillo furanósico) Furano Pentágono (4 carbonos + 1 oxígeno) D-ribofuranosa, D- fructofuranosa Para construir la fórmula de Haworth de una aldohexosa como la D-glucosa a partir de su forma lineal de Fischer, se aplica el siguiente procedimiento secuencial: C = O OH H OH Rotación de la proyección lineal: se inclina la fórmula de Fischer hacia la derecha en azúcares D.

Aquellos sustituyentes que se encontraban a la derecha en la cadena vertical quedan situados hacia abajo, mientras que los orientados a la izquierda quedan hacia arriba. 1 90 Curvatura espacial en hexágono: la cadena carbonada se pliega para aproximar el C-1 (carbonilo) y el C- 5 (que porta el hidroxilo que atacará), situando el oxígeno del puente en la parte superior derecha. 2 Reorientación del C-5: para que el hidroxilo de C-5 quede alineado y pueda formar el enlace hemiacetal, sus enlaces rotan, lo que proyecta el grupo terminal (C-6) por encima del plano del anillo para las formas de la serie D.

3 CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 22 Esquema del mecanismo de ciclación de Haworth para la D-glucosa. REGLA NEMOTÉCNICA DE HAWORTH En las formas D: todo lo que en la fórmula lineal de Fischer mira a la Derecha, en Haworth se sitúa hacia aBajo («derecha-abajo»). Por el contrario, los grupos a la izquierda se dirigen hacia arriba. El grupo terminal en azúcares D siempre queda orientado hacia arriba del anillo. CICLACIÓN DE LA D-RIBOSA A D-RIBOFURANOSA La D-ribosa es una aldopentosa con los tres grupos hidroxilo de los carbonos quirales (C-2, C-3 y C-4) ubicados hacia la derecha en la proyección lineal de Fischer.

Esquema de las formas abierta y furanósica de la D-ribosa. Al reaccionar el hidroxilo de C-4 con el aldehído de C-1 se forma un anillo furanósico de cinco eslabones. Aplicando la correspondencia directa: Los grupos de C-2 y C-3, al estar a la derecha en Fischer, se proyectan hacia abajo en el plano furanósico de Haworth. El grupo (C-5), al pertenecer a la serie D, se ubica hacia arriba del anillo sobre el C-4. Cierre del anillo hemiacetálico: el ataque nucleofílico del oxígeno de C-5 sobre el carbono carbonílico C-1 cierra el ciclo, fijando los sustituyentes del anillo.

4 CH OH 2 OH CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 23 IDEAS CLAVE Las familias de aldosas y cetosas se estructuran jerárquicamente a partir de las triosas D- gliceraldehído y dihidroxiacetona. La ciclación en disolución acuosa se produce por adición nucleofílica intramolecular entre el grupo carbonilo y un hidroxilo, dando un hemiacetal o hemicetal. Los ciclos estables corresponden a formas piranósicas (seis miembros) o furanósicas (cinco miembros). En la proyección de Haworth de azúcares D, los sustituyentes a la derecha en Fischer se dibujan hacia abajo y el terminal hacia arriba. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 10.

¿Qué diferencia química existe entre un enlace hemiacetal y uno hemicetal? 11. En la ciclación de una aldopentosa para originar un anillo de furano, ¿cuántos carbonos y cuántos oxígenos componen el esqueleto del ciclo? 12. Si un grupo hidroxilo se sitúa a la izquierda en la proyección de Fischer de una D-hexosa, ¿hacia dónde apunta en la proyección de Haworth?

TEMA 1: LAS BIOMOLÉCULAS 5 Formas anoméricas,conformación espacial y derivados El carbono anomérico y el origen de los anómeros Al disolverse en agua, las pentosas y hexosas (tanto aldosas como cetosas) no permanecen en cadena abierta, sino que experimentan una reacción intramolecular reversible que genera anillos hemiacetálicos o hemicetálicos (como se ha visto en «Tema 1: Las biomoléculas — Series aldosa-cetosa y ciclación de monosacáridos»). En este proceso, el carbono carbonílico sp2 (plano y carente de quiralidad) sufre el ataque nucleófilo de un grupo hidroxilo y pasa a tener hibridación sp3 tetraédrica.

Como consecuencia directa, este átomo se transforma en un nuevo centro quiral denominado carbono anomérico (el C-1 en aldosas o el C-2 en cetosas). Dado que el ataque nucleofílico sobre el carbonilo puede ocurrir por cualquiera de sus dos caras, surgen dos nuevas configuraciones espaciales diastereoméricas, conocidas específicamente como anómeros: las formas α (alfa) y β (beta). CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 24 Esquema de ciclación de la D-glucosa y equilibrio de mutarrotación.

CRITERIO ANOMÉRICO EN LA PROYECCIÓN DE HAWORTH Para la serie D (la predominante en los seres vivos): Forma α: el grupo hidroxilo anomérico ( unido al carbono anomérico) se sitúa hacia abajo respecto al plano medio del anillo, es decir, en posición trans respecto al grupo terminal (que en la serie D se dibuja siempre hacia arriba). Forma β: el grupo hidroxilo anomérico se dispone hacia arriba, situándose en posición cis respecto al sustituyente de referencia. La posición de este hidroxilo hemiacetálico no es un detalle menor: define la geometría tridimensional de los polímeros biológicos.

Por ejemplo, los enlaces formados a partir de α-glucosa originan estructuras helicoidales aptas para el almacenamiento energético, mientras que los derivados de β-glucosa generan cadenas lineales extendidas que dan lugar a microfibrillas de gran resistencia estructural. El fenómeno de la mutarrotación Cuando se cristaliza de forma pura la α-D-glucopiranosa y se disuelve en agua pura, muestra inicialmente un poder rotatorio específico de +112^°. Si por el contrario se prepara una disolución con cristales puros de β-D- glucopiranosa, el ángulo de rotación medido al inicio es de tan solo +18,7^°.

Sin embargo, tras dejar reposar cualquiera de las dos disoluciones durante unas horas, el valor de la rotación óptica cambia progresivamente hasta estabilizarse en un valor común de +52,7^°. MUTARROTACIÓN La mutarrotación es la variación espontánea del poder rotatorio de una disolución acuosa de un monosacárido hasta alcanzar el equilibrio dinámico entre sus diferentes formas isoméricas (α, β y abierta). OH CH OH 2 CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 25 Este fenómeno ocurre porque el anillo hemiacetálico se abre y se cierra de manera continua a través de la forma lineal intermedia.

Al llegar al equilibrio termodinámico a temperatura ambiente, la disolución de D-glucosa consta de aproximadamente un 64 \% de la forma β-D-glucopiranosa, un 36 \% de la forma α-D-glucopiranosa y menos del 0,02 % en forma de cadena abierta. La mayor proporción del anómero β responde a su menor impedimento estérico, puesto que sitúa todos sus grupos hidroxilo en posiciones ecuatoriales más estables.

PROCESO Mecanismo de ciclación y equilibrio anomérico 1 Forma abierta Carbonilo planar sp2 li bre en equilibrio 2 Ataque nu cleófilo El hidroxilo ataca al car bono carbonílico 3 Carbono anomérico El carbonilo pasa a cen tro quiral sp3 4 Equilibrio mu tarrotatorio Conviven anómeros alfa y beta en disolución Conformación espacial real: formas en silla y bote Aunque la proyección de Haworth resulta muy útil para identificar la orientación relativa de los sustituyentes en el papel, no refleja fielmente la geometría real de las moléculas.

Los enlaces sencillos carbono-carbono y carbono-oxígeno del anillo mantienen ángulos tetraédricos cercanos a , por lo que el anillo hexagonal de seis miembros de las piranosas no es plano. Para liberar la tensión angular y los rozamientos entre sustituyentes, la piranosa adopta conformaciones espaciales tridimensionales plegadas, de las cuales destacan dos: Diagrama de conformaciones tridimensionales en nave y silla de la glucosa. Conformación Disposición de los extremos Estabilidad termodinámica Relevancia biológica Silla Los carbonos C-1 y C-4 se desvían hacia lados opuestos respecto al plano medio formado por C-2, C-3, C-5 y el oxígeno.

Máxima estabilidad: minimiza las repulsiones electrónicas y torsionales al orientar los grupos voluminosos en posiciones ecuatoriales. Es la conformación natural en la que se encuentran prácticamente todas las aldohexosas en los medios celulares. 109,5° Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 26 Conformación Disposición de los extremos Estabilidad termodinámica Relevancia biológica Bote (o nave) Los átomos C-1 y C-4 se curvan hacia el mismo lado del plano medio. Inestable: los sustituyentes sufren interacciones dipolares y estéricas desfavorables (choque entre extremos). Estado transitorio de alta energía, apenas observable en disolución libre.

Modelo molecular de la conformación inestable en bote de la beta-D-glucopiranosa. PARA RECORDARLO En la conformación en silla de la β-D-glucopiranosa, absolutamente todos los grupos y el voluminoso sustituyente ocupan posiciones ecuatoriales (hacia el plano ecuatorial del anillo), reduciendo al mínimo cualquier choque estérico. Por eso la glucosa es la aldosa más extendida y abundante en la naturaleza. Monosacáridos de trascendencia biológica Entre la enorme diversidad de glúcidos, unos pocos desempeñan un papel central e insustituible en el funcionamiento celular, tanto como combustibles metabólicos como en calidad de componentes de biomoléculas mayores.

OH CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 27 Estructuras cíclicas de pentosas y hexosas biológicas habituales. 1. Hexosas D-Glucosa: aldohexosa que cicla preferentemente como piranosa (glucopiranosa). Constituye la principal fuente de combustible metabólico universal para la respiración celular y el único sustrato energético directo de las neuronas en condiciones normales. En el plasma humano se mantiene a una concentración cercana a 1 g/L (normoglucemia). Libre es abundante en frutas como la uva; polimerizada integra macromoléculas como el almidón y el glucógeno. D-Galactosa: aldohexosa que forma piranosa (galactopiranosa).

Se diferencia de la glucosa en la configuración del carbono 4 (es su epímero en C-4, teniendo el hacia arriba en Haworth). Rara vez se halla libre en grandes cantidades: se asocia a la glucosa para constituir la lactosa de la leche y forma parte de glucolípidos de membrana y polisacáridos como las pectinas. D-Fructosa: cetohexosa que en disolución acuosa cicla tanto en forma piranósica como furanósica (predominando en disolución libre la piranosa, mientras que en la sacarosa se halla como fructofuranosa) mediante un enlace hemicetal entre su C-2 cetónico y el C-5 (forma furanósica) o el C-6 (forma piranósica).

Posee un marcado sabor dulce, abunda en frutos y en la miel, y en el metabolismo hepático animal se canaliza hacia derivados de la glucosa. Se une a la glucosa para formar sacarosa. OH Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 28 2. Pentosas Esquema de ciclación furanósica de la D-ribosa en disolución acuosa. D-Ribosa: aldopentosa que cicla en forma furanósica (β-D-ribofuranosa). Es el componente glucídico indispensable de los ribonucleótidos, incluyendo el ATP y el ácido ribonucleico (ARN).

D-Ribulosa: cetopentosa que permanece como molécula abierta o furanósica, clave en la fotosíntesis: su forma difosforada fija el atmosférico en la fase oscura del ciclo de Calvin catalizada por la enzima RuBisCO. Otras pentosas: la D-xilosa (presente en polisacáridos de la madera) y la L-arabinosa (abundante en gomas vegetales como la goma arábiga) actúan como constituyentes fundamentales de paredes celulares vegetales. Fórmulas de pentosas de relevancia biológica estructural y metabólica.

CO 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 29 Derivados de monosacáridos La modificación funcional de los grupos hidroxilo o de los extremos de la cadena da origen a derivados esenciales para la fisiología y la estructura celular: EJEMPLO RESUELTO: IDENTIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE UNA PENTOSA Cuestión: Se analiza un glúcido ciclado en forma furanósica. Posee 5 átomos de carbono. En su carbono 1 el grupo hidroxilo está orientado hacia arriba, en el carbono 2 cuenta únicamente con dos átomos de hidrógeno unidos (sin grupo hidroxilo) y el carbono 5 se encuentra fuera del anillo como . Indica su nombre sistemático completo.

Resolución paso a paso: Resultado final: Se trata de la β-D-2-desoxirribofuranosa (habitualmente llamada β-D-desoxirribosa), el azúcar del ADN. Desoxiazúcares: monosacáridos en los que un grupo alcohol ha sido sustituido por un átomo de hidrógeno (pérdida de un átomo de oxígeno). El caso más importante es la 2-desoxi-D-ribosa, que carece del hidroxilo en el carbono C-2 (posee dos hidrógenos unidos a C-2), lo que confiere una estabilidad química muy superior al esqueleto del ADN frente a la hidrólisis alcalina.

1 Monosacáridos fosforilados: glúcidos modificados mediante la adición de un grupo fosfato a través de un enlace éster fosfórico (como la glucosa-6-fosfato o la ribulosa-1,5-bisfosfato). La fosforilación cumple dos funciones cruciales: otorga carga eléctrica negativa a la molécula, impidiendo que atraviese la membrana plasmática hacia el exterior, y la activa químicamente para entrar en las rutas del metabolismo celular. 2 Aminoazúcares: derivados en los que un alcohólico (comúnmente el de C-2) es sustituido por un grupo amino ( ), a menudo acetilado, como en la N-acetilglucosamina y la galactosamina, que forman matrices extracelulares y exoesqueletos de artrópodos.

3 OH NH 2 CH OH 2 Número de carbonos y tipo de ciclo: Tiene 5 carbonos e integra un anillo pentagonal de cuatro carbonos y un oxígeno, por lo que es una furanosa. 1 Detección de sustitución desoxi: Al carecer de grupo oxhidrilo en la posición 2 y tener dos hidrógenos, se trata de una 2-desoxipentosa (derivada de la ribosa: desoxirribofuranosa). 2 Configuración D/L: El sustituyente terminal (C-5) se proyecta hacia arriba del plano, lo que define la serie D. 3 CH OH 2 Configuración anomérica: El carbono anomérico (C-1) porta el grupo orientado hacia arriba, en la misma cara (cis) que el grupo de C-5. Por tanto, es el anómero β.

4 OH CH OH 2 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 30 IDEAS CLAVE La ciclación convierte el carbono carbonílico en un centro asimétrico nuevo denominado carbono anomérico (C-1 en aldosas, C-2 en cetosas). Los anómeros α y β se distinguen en Haworth por la posición del grupo hidroxilo anomérico respecto al grupo terminal (trans en α, cis en β para la serie D). La mutarrotación es el cambio gradual del poder rotatorio de una disolución acuosa hasta el equilibrio entre los anómeros y la forma abierta. El anillo de piranosa no es plano y adopta preferentemente la conformación en silla, que minimiza los impedimentos estéricos.

La 2-desoxirribosa carece del hidroxilo en C-2, mientras que la ribulosa es la cetopentosa fijadora de en el ciclo de Calvin. COMPRUEBA LO QUE HAS APRENDIDO 13. ¿Por qué el carbono carbonílico se transforma en quiral durante el proceso de ciclación? 14. ¿Cuál es la causa química de que la conformación en silla sea más estable que la conformación en bote para la glucosa? 15. ¿Qué diferencia química y funcional distingue a la D-ribosa de la 2-desoxi-D-ribosa? TEMA 1: LAS BIOMOLÉCULAS 6 Enlace O-glucosídico y disacáridos 1. Concepto de oligosacárido y naturaleza del enlace O-glucosídico Los oligosacáridos son glúcidos formados por la unión covalente de 2 a 10 monosacáridos.

Presentan propiedades físicas comunes con los azúcares sencillos: son sólidos cristalizables, solubles en medio acuoso y de sabor dulce. Dentro de este grupo destacan cuantitativa y funcionalmente los disacáridos, constituidos exactamente por dos unidades de monosacárido. La unión entre los monosacáridos se establece a través del enlace O-glucosídico, un enlace éter covalente que se genera mediante una reacción de condensación: el grupo hidroxilo (--OH) del carbono anomérico de un monosacárido reacciona con un grupo hidroxilo de otra molécula glucosídica, con la subsiguiente liberación de una molécula de agua ( ).

Como se estudió en «Tema 1: Las biomoléculas — Formas anoméricas, conformación espacial y derivados», la configuración geométrica de este enlace queda determinada por la posición anomérica ( o ) del primer azúcar implicado. El proceso inverso es la hidrólisis, en la que se fragmenta el enlace glucosídico incorporando una molécula de agua, separando de nuevo los monosacáridos originales. Esta hidrólisis ocurre en los seres vivos mediante catalizadores enzimáticos específicos (disacaridasas) o por catálisis ácida. CH OH 2 CO 2 H O 2 α β Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 31 Esquema de condensación del enlace glucosídico con liberación de agua.

PROCESO Dinámica del enlace O-glucosídico 1 Monosacári dos libres Disponen de grupos hi droxilo en sus carbonos anoméricos. 2 Condensa ción Reacción con pérdida de una molécula de agua. 3 Disacárido formado Unidades unidas a tra vés de un puente de oxígeno covalente. 4 Hidrólisis en zimática Entrada de agua y rege neración de monosacá ridos originales. 2. Tipos de enlaces: monocarbonílicos y dicarbonílicos El carácter reductor de un disacárido depende de si mantiene o no su carbono carbonílico (anomérico) libre (tal como se analizó en «Tema 1: Las biomoléculas — Monosacáridos: estructura y propiedades»).

La reactividad del grupo carbonilo libre permite reducir cationes metálicos (véase «Tema 1: Las biomoléculas — Monosacáridos: estructura y propiedades» para el reactivo de Fehling). En función de qué grupos hidroxilo participan en la condensación, los enlaces O-glucosídicos se clasifican en dos categorías: A. Enlace monocarbonílico Se produce cuando reacciona el hidroxilo anomérico del primer monosacárido con un hidroxilo alcohólico no anomérico (típicamente de la posición o ) del segundo monosacárido. En esta configuración, el segundo monosacárido mantiene su carbono anomérico libre, capaz de abrir su anillo y conservar el grupo aldehído o cetona funcional.

Por consiguiente, el disacárido conserva su capacidad reductora y puede experimentar mutarrotación. C 4 C 6 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 32 Esquema funcional de disacárido monocarbonílico con grupo aldehído reductor libre. B. Enlace dicarbonílico Tiene lugar cuando reaccionan directamente entre sí los hidroxilos anoméricos de ambos monosacáridos. Al quedar bloqueados simultáneamente los dos carbonos anoméricos en el puente de oxígeno, ninguna de las dos unidades puede abrir su ciclo ni disponer de un grupo carbonilo reactivo. Como resultado, la molécula carece de poder reductor frente a sales de cobre y no exhibe mutarrotación.

Esquema de disacárido dicarbonílico con ambos carbonos anoméricos bloqueados. Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 33 ESQUEMA Clasificación de disacáridos según el enlace REGLA DE NOMENCLATURA DE DISACÁRIDOS Para nombrar un disacárido de forma sistemática: 3. Principales disacáridos de interés biológico Entre los disacáridos naturales más relevantes destacan la maltosa, la lactosa y la sacarosa, junto con la celobiosa como intermediario estructural vegetal. Maltosa Está constituida por dos moléculas de D-glucosa unidas mediante un enlace . Al ser un enlace monocarbonílico entre el de la primera glucosa y el de la segunda, es un disacárido reductor.

No suele encontrarse en estado libre de forma abundante en los tejidos vivos; se obtiene fisiológicamente como producto intermedio de la degradación enzimática del almidón y del glucógeno. Se halla libre transitoriamente en las semillas en germinación (por ejemplo, en la cebada malteada utilizada en la industria cervecera y sucedáneos del café). Monocarbonílicos C anomérico unido a C no anomérico; conservan poder reductor. Maltosa alfa-Glucosa + Glucosa (1->4) Lactosa beta-Galactosa + Glucosa (1->4) Celobiosa beta-Glucosa + Glucosa (1->4) Dicarbonílicos Unión entre dos C anoméricos; carecen de poder reductor.

Sacarosa alfa-Glucosa (1->2) beta- Fructosa Se nombra el primer monosacárido indicando su configuración (α o β, D o L), la forma del ciclo (piranosa o furanosa) y cambiando la terminación por -osil. 1 Entre paréntesis se especifica la numeración de los carbonos unidos mediante una flecha: por ejemplo, o . 2 (1 4) (1 2) Si el enlace es monocarbonílico, el segundo monosacárido conserva la terminación -osa (indicando que tiene carbono reductor libre). Si el enlace es dicarbonílico, el segundo monosacárido termina en -ósido (sin poder reductor).

3 α-D-glucopiranosil-(1 4)-α-D-glucopiranosa C 1 C 4 Apuntes de Biología EBAU Cantabria con esquemas y tests 34 Esquema del enlace alfa-(1->4) en la molécula de maltosa. Estructura química de la maltosa mostrando su extremo reductor libre. Lactosa Es el azúcar característico de la leche de los mamíferos. Su estructura química corresponde a una molécula de β-D-galactosa unida a una de D-glucosa mediante un enlace monocarbonílico (o α según el anómero de la glucosa). Dado que…