QUIMICA DE LOS CARBOHIDRATOS

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Contenido
• Clasificación
• Monosacáridos simples
• Monosacáridos derivados
• Reacciones de los monosacáridos
• Otras reacciones de los monosacáridos
• Disacáridos
• Reacciones de los disacáridos
• Polisacáridos
• Glucoproteínas
• Proteoglucanos
 
 
Conceptos clave
1 Los carbohidratos son moléculas orgánicas cuyo carbono (C) se une a hidrógeno y oxígeno (H2O), teniendo la fórmula química
Cn(H2O)n.
2 Los monosacáridos son compuestos polihidroxilados cuyo grupo carbonilo puede ser un aldehído o cetona. Su nombre depende
del número de carbonos que presente y pueden formar monosacáridos simples y derivados. Los principales monosacáridos simples
son glucosa, galactosa y fructosa. Los monosacáridos derivados incluyen azúcares alcoholes, azúcares ácidos, azúcares
fosforilados, desoxiazúcares y aminoazúcares.
3 En los monosacáridos la existencia de uno o varios carbonos asimétricos puede generar diferentes configuraciones espaciales. Los
estereoisómeros (isómeros especulares) son compuestos en espejo de la molécula del otro y no son superponibles. La designación
D- y L- se basa en la orientación del grupo OH en relación al carbono quiral que está más alejado del carbonilo.
4 Las cetosas y aldosas de cinco y seis carbonos pueden reaccionar con grupos alcohol y formar estructuras de anillo muy estables
mediante la formación de un hemicetal y hemiacetal, respectivamente. Los monosacáridos cíclicos cuyos anillos tienen cinco
miembros se conocen como furanosas y los de seis miembros piranosas. Estos anillos forman un nuevo centro asimétrico o quiral
basado en el carbono 1 (carbono anomérico), dando lugar a los estereoisómeros α y β, que son capaces también de rotar el plano de
la luz polarizada.
5 La unión glucosídica o enlace glucosídico se da cuando el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido cíclico se
une al grupo hidroxilo de un segundo azúcar. La unión glucosídica permite la formación de disacáridos, oligosacáridos y
polisacáridos. Los disacáridos más comunes son la sacarosa, maltosa y lactosa.
6 Los polisacáridos son polímeros de múltiples monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Si el monosacárido repetido es uno
mismo se denominan homopolisacáridos, si son diferentes son heteropolisacáridos. El glucógeno, el almidón y la celulosa son
homopolisacáridos de glucosa. El glucógeno y el almidón presentan enlaces glucosídicos α(1→4) y α(1→6), la celulosa β(1→4).
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7 Glucoconjugados son oligosacáridos unidos de forma covalente a proteínas y lípidos. Los carbohidratos unidos a proteínas
pueden ser glucoproteínas y proteoglucanos. Las glucoproteínas tienen múltiples funciones en la célula y en las interacciones
celulares; pueden estar en formas solubles y como parte de la membrana plasmática. Los proteoglucanos forman parte de la matriz
extracelular de los tejidos y están a su vez formados por glucosaminoglucanos.
 
 
Los carbohidratos constituyen la mayor parte de la materia orgánica de la Tierra y tienen
varias funciones en los seres vivos. Sirven como almacén de energía, combustibles
energéticos, intermediarios metabólicos, componentes estructurales, forman
glucoconjugados y parte de moléculas como el ATP, de los ácidos nucleicos RNA y
DNA, coenzimas, entre otras (cuadro 13-1).
 
Cuadro 13-1. Principales funciones de los carbohidratos y algunos ejemplos
I. Almacenaje de energía
A. Plantas
B. Animales
Almidón
Glucógeno
II. Intermediarios en el metabolismo de los carbohidratos
A. Glucólisis y gluconeogénesis
 
 
 
Glucosa
Gliceraldehído
Dihidroxiacetona
Glucosa-6-fosfato
Fructosa 6-fosfato
B. Glucogenogénesis o glucogénesis Glucosa-6-fosfato
C. Glucogenólisis Glucosa-1-fosfato
D. Ruta de la pentosa fosfato Ribulosa
Ribosa
III. Elementos estructurales
A. Plantas
B. Invertebrados y hongos
C. Bacterias
Celulosa
Quitina
Mureína
IV. Formación de glucoconjugados
A. Glucoproteínas (secretadas, membranales, hormonales, estructurales,
entre otras)
Mucina
Inmunoglobulinas
Antígenos del sistema sanguíneo ABO (ver cuadro 13-
5)
B. Glucolípidos Gangliósidos
Cerebrósidos
Sulfátidos
C. Proteoglucanos Proteína central unida a glucosaminoglucanos (ver
cuadro 13-4)
V. Componente de moléculas
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A. Unidad de energía libre ATP
B. Coenzimas FAD
NAD+
Coenzima A
C. Ácidos nucleicos Ribosa
Desoxirribosa
 
 
Para comprender la importancia biológica de los carbohidratos en el metabolismo
celular, resulta conveniente precisar que constituyen sólo 0.3% del organismo, en
comparación con el 70% de agua, 16% de proteínas y 9% de lípidos. Sin embargo, cada
24 h, los carbohidratos se ingieren 4.75 veces más (380 g) que las proteínas (80 g) y 4.22
veces más que los lípidos (90 g). La ingestión referida permite la producción de 1 520
kcal, cifra equivalente a 57.3% de las calorías producidas por la combustión de
carbohidratos, lípidos y proteínas en conjunto. A pesar de la gran cantidad ingerida de
carbohidratos, constituyen una pequeña porción del peso corporal, lo que indica que son
objeto de un elevado recambio y metabolismo. Los carbohidratos, o hidratos de carbono,
se conocen también como azúcares, sacáridos o glúcidos.
 
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Clasificación
Los carbohidratos son compuestos orgánicos formados por carbono (C), hidrógeno (H) y
oxígeno (O), cuya fórmula general es:
 
 
Los carbohidratos se pueden clasificar de acuerdo al grupo funcional, el número de carbonos, y
por las unidades de azúcares que presentan.
 
 
El número de átomos de carbono presentes en cada carbohidrato define el nombre; por
ejemplo, las triosas son moléculas de carbohidrato que están constituidas por tres átomos
de carbono (3 C), las tetrosas por cuatro (4 C), pentosas por cinco (5 C), entre otras
(cuadro 13-2).
 
Cuadro 13-2. Clasificación de los carbohidratos. Los nombres en cursiva se refieren a
ejemplos comunes de cada grupo
I. Monosacáridos simples
A. Triosas
B. Tetrosas
C. Pentosas
D. Hexosa
E. Heptosas
Aldosas
gliceraldehído
eritrosa
ribosa
glucosa
Cetosas
dihidroxiacetona
eritrulosa
ribuloa
fructosa
seudoheptulosa
II. Monosacáridos derivados
A. Ésteres
B. Azúcares alcoholes
C. Azúcares ácidos
D. Azúcares aminados
glucosa-6-fosfato
glicerol
ácido glucurónico
glucosamina
III. Oligosacáridos
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A. Disacáridos
B. Trisacáridos
sacarosa
maltriosa
IV. Polímeros
A. Homopolisacáridos almidón
glucógeno
celulosa
B. Heteropolisacáridos
 
glucosaminoglucanos
proteoglucanos
 
 
Cuando por hidrólisis ya no es posible fragmentar una molécula de carbohidrato en la que se
encuentra un grupo carbonilo (aldehído o cetona) y varios grupos alcohol (al menos un alcohol primario
y un alcohol secundario), el compuesto se conoce como azúcar o monosacárido simple. El grupo
carbonilo, aldehído o cetona, presente en los carbohidratos define la existencia de dos tipos: las aldosas
y las cetosas. Las moléculas más simples que cumplen con esta definición son el gliceraldehído (aldosa)
y la dihidroxiacetona (cetosa) (figura 13-1).
 
 
 
Figura 13-1. Fórmula desarrollada de las triosas D- y L-gliceraldehído y la dihidroxiacetona. Nótese que el
carbono central del gliceraldehído* es asimétrico; es decir, tiene sus cuatro valencias saturadas por distintos
átomos o radicales (H — C = O arriba, H, y OH a los lados, y CH2 — OH abajo). Esta estructura le permite tener
dos estereoisómeros, el D y el L, dependiendo de la orientación del H y el OH vecinos del alcohol primario, —
CH2OH. En las células predominan los azúcares derivados del D-gliceraldehído. La dihidroxiacetona no tiene
carbono asimétrico.
 
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La sustitución de alguno de los grupos funcionales (aldehído, cetona o alcohol) de un
monosacárido por otro grupo funcional (p. ej., amino o carboxilo) da lugar a
monosacáridos derivados (cuadro 13-2). Por ejemplo, si el grupo funcional alcohol
primario reacciona con un ácido, se forman los ésteres correspondientes.
 
 
Figura 13-2. Fórmula desarrollada más simple de la glucosa.Los carbonos marcados con un asterisco
corresponden a los tres carbonos del gliceraldehído.
 
Cuando se ligan dos moléculas de monosacárido, iguales o diferentes, por medio de
una unión glucosídica, se forman los disacáridos. Lactosa, maltosa y celobiosa son
disacáridos con propiedades reductoras, debido a que contienen un grupo carbonilo libre.
La sacarosa también es un disacárido, pero es un azúcar no reductor, ya que no presenta
un grupo carbonilo libre. La hidrólisis de los disacáridos libera dos moléculas de
monosacárido; cada una de ellas es un azúcar reductor.
Los oligosacáridos están formados por tres o hasta algunas decenas monosacáridos
unidos entre sí por enlaces glucosídicos; en las células suelen unirse a proteínas y lípidos
formando glucoproteínas y glucolípidos.
Los polisacáridos, también llamados glucanos, están constituidos por mínimo 10 o
hasta miles de moléculas de monosacáridos. Cuando el polímero es de un sólo tipo de
monosacárido se denomina homopolisacárido (cuadro 13-2). Algunos de estos polímeros
son la celulosa, el glucógeno y el almidón; los tres son homopolímeros de glucosa. La
inulina es un homopolímero de la fructosa. Cuando la unidad monomérica de
monosacárido es variable, se obtienen heteropolisacáridos (cuadro 13-2), como el agar-
agar, el mucílago, la mucina y las gomas vegetales. Cuando los azúcares que contienen al
polisacárido contienen nitrógeno, se obtienen mucopolisacáridos o
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glucosaminoglucanos como heparina, condroitín-sulfato, ácido hialurónico y quitina.
Algunos otros compuestos derivados de carbohidratos son el ácido siálico, vitamina C,
estreptomicina, inositol, ácido glucurónico, sorbitol y xilitol.
 
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Monosacáridos simples
 
Estructura
Para entender la estructura y las propiedades fisicoquímicas generales de los
carbohidratos se hará referencia a la glucosa por su importancia en nuestro cuerpo y en la
bioquímica. La glucosa está formada por seis carbonos, 12 hidrógenos y seis oxígenos,
C6(H2O)6.
La fórmula desarrollada más simple de la glucosa muestra una molécula de cadena al
parecer recta, con cinco carbonos ocupados por funciones alcohólicas y uno con una
función aldehído (figura 13-2). Los carbonos 2, 3, 4 y 5 de la glucosa (figura 13-2) son
asimétricos (la definición de asimetría del carbono se encuentra en el pie de la figura 13-1),
por lo que el número de posibles isómeros es 2n, donde n representa el número de
carbonos asimétricos en el compuesto. Es decir, hay 16 isómeros que pueden tener esa
composición. Tres ejemplos muy comunes en la naturaleza son D-glucosa, D-galactosa y
D-manosa, cada una con su arreglo espacial característico (figura 13-3). Estos tres
monosacáridos derivan del D-gliceraldehído; la orientación espacial del OH en el carbono
asimétrico más alejado del carbonilo (el 5) es idéntica a la del carbono asimétrico del D-
gliceraldehído. Existe otra hexosa abundante en la naturaleza, la cetosa (carbonilo con
estructura cetónica, C = 0) D-fructosa, derivada también del D-gliceraldehído (figura 13-4).
 
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Figura 13-3. Fórmula lineal de las tres aldohexosas más importantes en bioquímica.
 
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Figura 13-4. Fórmula lineal de la cetohexosa más frecuente en la naturaleza: la fructosa.
 
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Configuración espacial de los monosacáridos. La fórmula lineal de la glucosa no explica
algunas de sus propiedades, que sí se explican cuando se le representa como una estructura lineal pero
transformable a una forma cíclica, a través de la formación de un enlace hemiacetal interno entre el
carbonilo del carbono 1 y el alcohol del carbono 5. De esta manera, el carbono 1 se convierte en un
nuevo centro de asimetría al poseer cuatro sustituyentes distintos; por lo tanto, da lugar a dos nuevos
isómeros, llamados anómeros, el α y el β, en donde el carbono 1 se denomina anomérico (figura 13-5).
Una solución de glucosa en agua contiene en equilibrio dinámico 34% de la forma α y 66% de la β,
además de una muy pequeña proporción de la forma aldehídica lineal.
 
 
 
Figura 13-5. Formación de un hemiacetal interno a partir de la forma lineal del monosacárido. La función
alcohólica del carbono 5 y la aldehídica del carbono 1 reaccionan y dan lugar a un grupo funcional, el hemiacetal.
Así se establece un puente de oxígeno entre los carbonos 1 y 5, por lo que el carbono 1, ahora asimétrico,
permite la existencia de dos nuevos isómeros (anómeros), el α y el β.
 
Debido a que un ciclo de seis miembros, en el que uno de ellos es un átomo de
oxígeno, se parece al núcleo heterocíclico del pirano, esta forma de hexosa se denomina
piranósica; así, la forma cíclica de la glucosa constituye la glucopiranosa (figura 13-6).
 
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Figura 13-6. Fórmula cíclica de una hexopiranosa y comparación con la molécula del pirano.
 
Haworth representó esta estructura en perspectiva, con los grupos H y OH colocados de manera
convencional arriba o abajo del plano del anillo. En esta convención, los grupos OH de los átomos de
los carbonos 2 y 4, que en la forma lineal se representan en el lado derecho, se encuentran en la parte
baja, y el OH del carbono 3, a la izquierda en la forma lineal, se localiza hacia arriba en el ciclo. Los
isómeros α y β se distinguen en el modelo por la posición hacia arriba o hacia abajo del H y el OH en el
carbono 1 (figura 13-7). Los estudios con difracción de rayos X revelan que los anillos de seis miembros
están dispuestos en forma de “bote” o de “silla” (figura 13-8). Las pentosas, las hexosas e inclusive los
disacáridos lactosa y maltosa, son azúcares con estructuras cíclicas. En la fructosa se forma un puente
de oxígeno entre los carbonos 2 y 5, por lo que dicho azúcar se asemeja al furano, y es un azúcar de
tipo furanosa (figura 13-9), que en los estudios de difracción de rayos X revela en un solo plano los
azúcares con anillos de cinco miembros (furanósicos) (figura 13-10).
 
 
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Figura 13-7. Representación de Haworth de los anómeros α y β de la glucosa, en su forma cíclica, como
glucopiranosa. La molécula de la izquierda tiene numerados los carbonos para su comparación con la fórmula
lineal. La molécula de la derecha sólo tiene numerado el carbono anomérico, el 1.
 
 
Figura 13-8. Fórmulas de “silla” de los anómeros α y β de la D-glucopiranosa. En línea discontinua se
representan los enlaces llamados axiales y en línea continua los enlaces ecuatoriales.
 
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Figura 13-9. Representación de la fructosa.
 
 
Figura 13-10. Representación de Haworth de las pentosas presentes en los ácidos nucleicos.
 
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Monosacáridos derivados
 
Azúcares alcoholes
La reducción de las aldosas y las cetosas convierte el grupo aldehídico o cetónico en un
alcohol, –CH2OH, y el monosacárido en un alcohol polihidroxílico. Así, de la D-glucosa
se obtiene D-sorbitol. Otro ejemplo de este tipo de alcoholes es el glicerol, importante por
formar parte de los triacilglicéridos y varios fosfolípidos (figura 13-11). Hay otros
alcoholes, como los ciclitoles; el más abundante en la naturaleza es el meso-inositol
(figura 13-12), que forma parte de algunos fosfolípidos.
 
 
Figura 13-11. Molécula del glicerol.
 
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Figura 13-12. Molécula del meso-inositol o mioinositol.
 
Los azúcares alcoholes, también llamados polioles, se utilizan como edulcorantes
alternativos al azúcar ya que no elevan la glucemia con rapidez en el cuerpo y no
requieren insulina para metabolizarse. Xilitol, manitol y sorbitol son los más frecuentes
azúcares alcoholes utilizados para endulzar alimentos como goma de mascar y chocolate.
El xilitol también es usado en las pastas de dientes, ya que no puede procesarse por las
bacterias de la boca y de esta manera ayuda a reducir las caries.
 
Azúcares ácidos
La oxidación de las aldosas ocurre a nivel del grupo aldehídico o delgrupo alcohólico del
carbono 6, o en ambos sitios, por lo que pueden formarse tres tipos de derivados
oxidados:
Ácidos aldónicos. Cuando se oxida el grupo aldehídico de una aldosa, se convierte en
un grupo carboxilo (ácido), COOH, formando así los ácidos aldónicos. La glucosa forma
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el ácido glucónico, y la manosa el ácido manónico, entre otros.
Ácidos sacáricos. En un grado más avanzado de la oxidación se forman grupos ácidos
tanto en el aldehído como en el alcohol primario, y se producen ácidos dicarboxílicos,
llamados de forma genérica sacáridos.
Ácidos urónicos. Cuando la oxidación de la aldosa sólo forma un grupo carboxílico en
el alcohol primario y se conserva intacto el aldehído, se obtiene un ácido urónico, de los
cuales el más importante es el ácido D-glucurónico (figura 13-13). En los mamíferos, el
ácido glucurónico se combina con diversos compuestos poco solubles en agua; a través
de dicha unión, éstos se hacen más hidrosolubles y pueden excretarse por la bilis o la
orina; entre tales compuestos están las hormonas sexuales y el pigmento biliar bilirrubina,
así como varios fármacos y compuestos tóxicos. El ácido glucurónico forma parte de
diversos polisacáridos, como los ácidos condroitín-sulfúrico y mucoitín-sulfúrico,
componentes de las sustancias fundamentales del tejido conectivo y de la heparina, un
anticoagulante sanguíneo.
 
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Figura 13-13. Representación de Haworth del ácido D-glucurónico.
 
Ácido ascórbico. Uno de los azúcares ácidos de mayor importancia bioquímica es el
ácido ascórbico, o vitamina C, presente en las hortalizas verdes y en los cítricos. Es
esencial para el ser humano, y su carencia produce el escorbuto. Sus propiedades ácidas
provienen de la ionización de los hidrógenos de sus OH enólicos. Se oxida con facilidad y
se convierte en ácido L-dehidroascórbico, el cual puede ser nuevamente reducido para
que continúe actuando como antioxidante o agente reductor (figura 13-14).
 
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Figura 13-14. Fórmulas de los ácidos ascórbico y dehidroascórbico.
 
 
Desoxiazúcares
En algunos azúcares, la pérdida del oxígeno de una función alcohol forma los
desoxiazúcares; un buen ejemplo es la D-2-desoxirribosa, componente de los ácidos
nucleicos.
 
Azúcares fosforilados
Se forman entre uno o más grupos hidroxilo de un monosacárido y el ácido fosfórico,
como los de la figura 13-15.
 
 
Figura 13-15. Representaciones tipo Haworth de monosacáridos fosforilados importantes en bioquímica. En las
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fórmulas, P representa H2PO3.
 
 
Las pentosas D-ribosa y D-desoxirribosa se combinan con ácido fosfórico a través de
uniones ésteres y así intervienen en el metabolismo de las hexosas y de las pentosas.
Además, están presentes en las moléculas de los nucleótidos libres como el ATP y los
ácidos nucleicos.
 
Aminoazúcares
Cuando uno o varios grupos OH de los azúcares se sustituyen por grupos amino, NH2,
se forman los aminoazúcares, como la glucosamina y la galactosamina, en las cuales
suele estar acetilado el grupo amino (figura 13-16). La glucosamina forma parte de las
glucoproteínas presentes en la sustancia fundamental del tejido conectivo, por lo que su
administración oral se prescribe a menudo para el tratamiento de la osteoartritis, ya que
es un precursor de los glucosaminoglucanos del cartílago. La galactosamina puede formar
ciertas glucoproteínas con funciones hormonales como las hormonas foliculoestimulante
o luteinizante; también forma parte de las proteínas del cartílago.
 
 
Figura 13-16. Representaciones de Haworth de aminoazúcares.
 
Existen monosacáridos aminados más complejos constituidos por una hexosa, un grupo
amino –por lo común acetilado– y un ácido de tres carbonos unido a la hexosa, como son
los ácidos N-acetilmurámico y N-acetilneuramínico; éste último y sus derivados son
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llamados de forma genérica ácidos siálicos. El ácido N-acetilmurámico se encuentra en
la pared celular de las bacterias grampositivas, mientras que el ácido N-acetilneuramínico
(figura 13-17) forma parte de las membranas y cubiertas de las células de los animales
superiores. Un ejemplo de ello son los gangliósidos, que son glucoesfingolípidos de las
membranas neuronales, por lo que resultan fundamentales para el funcionamiento y
desarrollo cerebrales.
 
 
Figura 13-17. Fórmula desarrollada del ácido N-acetilmurámico.
 
 
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Reacciones de los monosacáridos
La información sobre las reacciones generales y particulares de los monosacáridos puede
consultarse en libros especializados. Aquí sólo se revisa de manera breve la formación de
los glucósidos.
 
Formación de glucósidos. Cuando un aldehído reacciona con un alcohol, se forma un hemiacetal
(figura 13- 18). El radical OH del hemiacetal puede combinarse con otra molécula de alcohol para formar
un acetal. Por ejemplo, el OH del carbono anomérico 1 de la glucosa se combina con el metanol para
dar el metil-glucósido correspondiente (figura 13-19). Si al grupo OH del carbono anomérico del
monosacárido se une al grupo hidroxilo de otro monosacárido, genera un disacárido; si se une a una
molécula que no es un carbohidrato, forma un glucósido; en ambos casos, la unión se denomina
glucosídica. La porción de la molécula no azúcar se llama aglicona o aglucona y puede ser sencilla
como el CH3 del metanol, o compleja como la formada por los glucósidos cardiacos de la digoxina, y
como la estreptosa constituyente del antibiótico estreptomicina, ambos fármacos de gran uso en la
medicina.
 
 
 
Figura 13-18. Formación de un hemiacetal a partir de un aldehído y el alcohol metanol.
 
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Figura 13-19. Formación de un acetal entre el alcohol en posición 1 de la β–D–glucosa y el metanol.
 
 
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Otras reacciones de los monosacáridos
Ciertos carbohidratos, en un medio muy alcalino y en presencia de oxígeno o de diversos
agentes oxidantes (Cu2+, Ag+, entre otros), dan las llamadas reacciones de reducción, que
dependen de la existencia de un grupo carbonilo libre como el presente en la glucosa,
galactosa, fructosa, maltosa, lactosa, y ausente en la sacarosa, por lo que ésta es el típico
azúcar no reductor.
 
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Disacáridos
Entre los disacáridos formados por la unión de un OH del carbono anomérico de un
monosacárido y un grupo hidroxilo de otro monosacárido se encuentran la sacarosa, la
lactosa y la maltosa, que tienen importancia fisiológica.
La maltosa es el resultado de la unión glucosídica de dos moléculas de α-D-glucosa, en
donde el OH del carbono 4 de una se une al OH del carbono anomérico, el número 1, de
otra glucosa. Desde el punto de vista químico, la maltosa es el 4α-D-glucopiranosil-α-D-
glucopiranósido o α-D-glucósido de la α-D-glucosa (figura 13-20). La maltosa no existe libre
en la naturaleza; se obtiene por hidrólisis parcial de los polisacáridos de almidón y
glucógeno, ya que forma parte de su larga estructura.
 
 
Figura 13-20. Representación del disacárido maltosa. La unión entre los dos monosacáridos es entre los
carbonos 1 con el OH en posición α de una glucosa y el OH del carbono 4 de otra glucosa, se trata de una unión
α-1,4. El nombre químico del compuesto es α-D-glucósido de α-D-glucosa.
 
La lactosa, presente en la leche, se forma en las glándulas mamarias de las hembras de
los mamíferos; es un galactósido con un enlace glucosídico de configuración β (figura 13-
21). La incapacidad para hidrolizar la lactosa produce un cuadro clínico característico (ver
Cuadro clínico).
 
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Figura 13-21. Representación del disacárido lactosa. Se unen el OH en posición β del carbono 1 de la galactosa
con el OH del carbono 4 de la glucosa, se trata de una unión β-1,4. El nombre químico es el de D-galactósido de
β-D-glucosa.
 
Cuadro clínico
Deficiencia de la lactasa en el adulto o intolerancia a los disacáridos tipo III
La lactasaes una enzima disacaridasa de tipo de β-galacto​sidasa que hidroliza la lactosa, el disacárido presente en la leche y otros
productos lácteos, en sus componentes glucosa y galactosa. Esta enzima se produce en el borde en cepillo del intestino delgado y
se sintetiza durante la infancia de los mamíferos. La producción de la lactasa en humanos por lo general declina con la edad, siendo
su producción máxima en la infancia. Por los niveles reducidos de lactasa intestinal los alimentos que contienen lactosa no pueden
digerirse, y por lo tanto la lactosa es fermentada por las bacterias de íleon distal y colon causando diarrea, flatulencia, distensión y
dolor abdominal. Esta enfermedad se le llama también intolerancia a la lactosa.
 
 
La sacarosa o azúcar de mesa es el disacárido formado por glucosa y fructosa. La
glucosa está en forma piranósica y la fructosa adopta la estructura de cinco miembros de
tipo furanosa (figura 13-22). A partir de la sustitución selectiva de tres átomos de los
grupos hidroxilo por tres átomos de cloro de la sacarosa se obtiene la sucralosa, un
edulcorante en extremo dulce y estable, que se elimina casi en su totalidad por las heces
y en menor porcentaje por la orina (11 a 27%) sin modificación alguna, por lo que su
consumo no aporta energía.
 
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Figura 13-22. Representación del disacárido sacarosa. El OH en posición α del carbono de la glucosa se une al
OH en posición β del carbono 2 de la fructosa; es una unión 1,2 α. β. El nombre químico es β-D-fructofuranósido
de α-D-glucopiranósido.
 
 
Reacciones de los disacáridos
Las reacciones de los disacáridos dependen de los monosacáridos que los constituyen y
del tipo de enlace que los une. Una reacción típica es la hidrólisis, que libera los
monosacáridos que los forman, ya sea de manera enzimática o no enzimática. La
hidrólisis por medio de enzimas es específica para los monosacáridos constituyentes y
para el enlace que los une, sea α o β. Un ejemplo de ello es la hidrólisis de la sacarosa
por acción de la sacarasa intestinal. La hidrólisis no enzimática puede llevarse a cabo por
medio de ácidos diluidos.
 
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Polisacáridos
Los polisacáridos o glucanos son polímeros de monosacáridos constituidos por algunas decenas
a muchos miles de unidades de monosacáridos y pueden alcanzar pesos moleculares de varios millones.
Su función en los organismos suele ser estructural o de almacenamiento energético. Se dice que son
homopolisacáridos cuando la unidad que se repite es siempre la misma (p. ej., glucosa), y si son dos
monosacáridos diferentes los que integran la unidad de repetición se habla de heteropolisacáridos
(cuadro 13-2). Los polisacáridos se diferencian entre sí por el tipo de monosacáridos, por el largo de la
cadena, el tipo de unión química entre sus monosacáridos, o el grado de ramificación.
 
 
Almidón
Constituye la sustancia de reserva de carbohidratos en las plantas, y abunda en los
tubérculos (papa, yuca) y en las semillas de los cereales. El almidón está formado por
unidades de glucosa combinadas entre sí por uniones glucosídicas. La unidad estructural
de disacárido, repetida de manera periódica, es la maltosa, la cual da origen a dos tipos
de moléculas, la amilosa y la amilopectina.
La amilosa forma entre 10 y 20% del almidón; es un polímero lineal de 300 a 350
unidades de glucosa con uniones α-D-(1→4). La amilopectina, más abundante, es un
polímero ramificado de la glucosa y, aparte de las uniones α-D-(1→4) entre las moléculas
sucesivas de glucosa, muestra otro tipo de unión, a nivel de la ramificación, en posición
α-D-(1→6) (figura 13-23). Existen, como promedio, de 24 a 30 moléculas de glucosa por
ramificación, con un total de unos 1 800 residuos de glucosa por molécula, para alcanzar
pesos moleculares de cerca de 300 000 Da.
 
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Figura 13-23. Esquema de la ramificación de un polímero de glucosa. Se incluyen dos cadenas de glucosa en
unión α 1-4, y la flecha en la figura señala la unión α 1-6, lo que permite precisamente la ramificación del
polímero.
 
Los productos de la hidrólisis incompleta del almidón se llaman de manera genérica
dextrinas. Un ejemplo es la maltodextrina, fácil de digerir y que se absorbe casi con la
misma rapidez que la glucosa, por lo que se utiliza como aporte de carbohidratos en
alimentación infantil y geriátrica, así como en alimentos para convalecientes y
suplementos alimenticios.
 
Glucógeno
Está presente en gránulos o cúmulos de forma globular en los tejidos animales y en gran
cantidad en el hígado y los músculos. Su peso molecular oscila alrededor de varias
decenas de miles, gana o pierde moléculas de glucosa con gran facilidad, y es un material
de reserva ideal para conservar el equilibrio adecuado entre la utilización y el
almacenamiento de la glucosa.
El glucógeno se parece a la amilopectina por mostrar numerosas ramificaciones (figura
13-24) y tiene 8 a 12 unidades de glucosa por ramificación. Los residuos de glucosa están
unidos en posición α-D-(1→4) y, a nivel de las ramificaciones, en posición α-D-(1→6).
Defectos en las enzimas que participan en el metabolismo del glucógeno, producen
trastornos descritos como glucogénosis (ver cuadro 18-2 del capítulo 18), una de ellas es la
Enfermedad de Von Gierke (ver Cuadro clínico).
 
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Figura 13-24. Representación esquemática de la molécula de glucógeno. Las ramificaciones suelen iniciarse
después de 2, 3 o más unidades de glucosa.
 
Cuadro clínico
Enfermedad de Von Gierke o glucogenosis tipo I
 
En esta enfermedad hay una deficiencia de la enzima glucosa-6-fosfatasa, la cual cataliza la hidrólisis de la glucosa-6-fosfato a
glucosa y fosfato libres. Esta enzima por lo general participa en la glucólisis y gluconeogénesis manteniendo la homeostasis de la
glucosa en sangre, o glucemia. La carencia de esta enzima lleva a una acumulación anormal de glucógeno, el homopolímero de la
glucosa que sirve de almacén energético en el cuerpo. Esto lleva a que los pacientes cursen con hepatomegalia e hipoglucemia, es
decir, con hígado aumentado de tamaño por el depósito incrementado de glucógeno en el hígado, y bajas concentraciones de glucosa
sanguínea por la imposibilidad de la enzima de producir glucosa libre a partir de la glucosa-6-fosfato.
 
 
Celulosa
La celulosa, el compuesto orgánico más abundante en la naturaleza, está constituida por
cadenas no ramificadas de unidades de glucosa enlazadas por uniones glucosídicas β-D-
(1→4). La celulosa y la hemicelulosa son los principales componentes de las paredes
celulares de las plantas, y son sustancias fibrosas que el ser humano no puede romper
para liberar la glucosa que la constituye por carecer de la enzima celulasa. Sin embargo,
la celulosa conforma lo que se llama la fibra de nuestra dieta y regula el tránsito intestinal
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y la absorción de nutrientes. Al igual que los almidones, la celulosa se obtiene de los
granos de cereales, pero de manera específica de la cascarilla o salvado, ya que el
endospermo está formado en su mayor parte por almidón.
Con el incremento tan significativo de la prevalencia mundial del síndrome metabólico
ha crecido el interés en la fibra alimentaria. Las personas con alimentación deficiente en
fibra consumen una gran cantidad de harina blanca o refinada (pan blanco, galletas,
pasteles, pastas, entre otros), la cual es rica en almidones por contener sólo el
endospermo, dado que antes se le removió el salvado y el germen del grano. La
estructura muy ramificada de la amilopectina, el polímero más abundante del almidón,
facilita la acción hidrolítica de la amilasa. Esto lleva a una rápida liberación y absorción
de la glucosa, que a su vez incrementa su concentración sérica y estimula la rápida
liberación de insulina, desestabilizando los niveles de glucosa en sangre y generando
episodios frecuentes de hambre. En contraste, la harina integral se obtiene del grano de
trigo entero, cuyas fibras promuevenla absorción gradual de la glucosa, que a su vez
favorece una sensación de saciedad más prolongada que evita los episodios de liberación
rápida de insulina y de hipoglucemia reactiva. Los alimentos procesados con harinas
refinadas presentan un índice glucémico alto, mientras que aquellos con harinas integrales
presentan un índice glucémico bajo (cuadro 13-3). El índice glucémico permite cuantificar
la respuesta glucémica de un alimento con respecto a un alimento de referencia.
 
Cuadro 13-3. Índices glucémicos de algunos carbohidratos representativos. Los valores de
índices glucémicos son relativos a la glucosa (glucosa = 100) 
Azúcares Frutas Cereales y
panificados
Hortalizas y
leguminosas
Otros
Glucosa 100 Manzana 36 Baguette 95 Papa hervida 78 Leche entera 39
Maltosa 110 Naranja 43 Pan blanco 70 Zanahoria
hervida
39 Leche
descremada
37
Miel 73 Plátano 51 Pan de centeno 50 Garbanzos 33 Chocolate 40
Sacarosa 65 Mango 51 Tortilla de maíz 46 Lentejas 29
Lactosa 46 Jugo de
manzana
41 Espagueti 37 Frijoles 40
Fructosa 23 Jugo de naranja 50 Arroz blanco hervido 73
Arroz integral hervido 68
Trigo 41
Centeno 34
 
 
 
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Glucoconjugados
Cuando los carbohidratos se unen de manera covalente a proteínas o lípidos forman
glucoconjugados. Estos compuestos no solo cumplen funciones muy diversas en las
células de manera individual como en las interacciones entre varias células, sino que
pueden ser marcadores del estado de salud. Por ejemplo, la hemoglobina glucosilada o
hemoglobina A1c se forma de manera fisiológica al unirse de manera no enzimática la
hemoglobina con carbohidratos libres, como la glucosa. En persona con glucemias
normales los niveles de la hemoglobina A1c son bajos (5.7–6.4% o 39-47 mmol/mol).
Sin embargo, la exposición crónica a hiperglucemia, como sucede en los pacientes
diabéticos, incrementa estos valores (≥ 6.5% o 48 mmol/mol). Como la hemoglobina Ac1
es resultado de la exposición a la glucosa en el eritrocito a lo largo de tres meses, cambios
repentinos en la glucemia no la modifican, por lo que nos muestra el estado promedio o
control de la glucemia en la persona de los últimos tres meses.
 
La unión de carbohidratos a proteínas forma las glucoproteínas y los proteoglicanos, los cuales
a su vez están formados por glucosaminoglucanos. La unión de los carbohidratos a los lípidos forma
glucolípidos (ver capítulo 14: Química de los lípidos).
 
 
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Glucoproteínas
Son proteínas con pesos moleculares de 15 000 a más de un millón, a las cuales se unen
de modo covalente una o varias cadenas de oligosacáridos, con menos de 15 residuos
azúcar, que llegan a formar de 1 a 60% del peso total de la molécula. Las glucoproteínas
tienen distribución universal; la inmensa mayoría de las proteínas de la membrana celular
y de las secretadas por las células son glucoproteínas. El cuadro 13-4 incluye una lista
parcial de las funciones desempeñadas por estas moléculas con los ejemplos
correspondientes.
 
Cuadro 13-4. Funciones de las glucoproteínas; se incluyen ejemplos representativos
Función Glucoproteína
Almacenamiento Ovoalbúmina
Hormonal Gonadotropina coriónica
Tirotropina
Transporte Transportadora de vitaminas, lípidos, entre otros
Lubricante Mucina
Protectora Secreción mucosa
Fibrinógeno
Estructural Colágenos
Paredes celulares
Inmunitaria Inmunoglobulinas
Antígenos de histocompatibilidad
Complemento
Interferón
Reconocimiento Entre células
Células y bacterias
Células y virus
Receptores hormonales
 
 
En las glucoproteínas hay dos tipos de enlaces químicos entre los aminoácidos y los
azúcares: las uniones O-glucosídicas, donde intervienen sobre todo los aminoácidos
serina y treonina, y las uniones N-glucosídicas, a través del grupo amida de la asparagina
(figura 13-25). Existen nueve diferentes azúcares en las cadenas de oligosacáridos unidas a
las glucoproteínas; entre ellos, los más frecuentes son N-acetil-D-galactosamina, N-acetil-
D-glucosamina, galactosa, manosa y ácido N-acetilmurámico (un ácido siálico). La
adición de carbohidratos, a través del proceso de modificación postranscripcional de las
proteínas, se realiza en el retículo endoplasmático rugoso y en el sistema membranal del
aparato de Golgi. Por último, los oligosacáridos de la superficie de las células intervienen
en otras funciones; destacan los contactos sinápticos entre las neuronas, y el
reconocimiento celular, responsable también del rechazo de injertos, o la falta de
“inhibición de crecimiento por contacto” (observable en las células cancerosas con
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superficies distintas a las células normales, en las que sí ocurre dicha inhibición).
 
 
Figura 13-25. Esquema de la unión entre la porción de carbohidrato y la porción proteínica de una glucoproteína.
Se representa la cadena de aminoácidos de la proteína y se anota el nombre del aminoácido, al cual se le une el
monosacárido inicial del segmento de carbohidrato. Por simplificación, en el esquema no se indican los átomos
participantes en la unión.
 
 
Glucosaminoglucanos
Son polímeros no ramificados de polisacáridos, compuestos por unidades repetidas de un
disacárido; antes se llamaban mucopolisacáridos. La unidad de disacárido contiene un
aminoazúcar, N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina, y ácido D-glucurónico (o L-
idurónico) más uno o dos grupos sulfato. Hay dos excepciones importantes: en el
queratán-sulfato, el ácido urónico es reemplazado por D-galactosa; y en el ácido
hialurónico, el sulfato está ausente. Todos los glucosaminoglucanos tienen en su molécula
grupos químicos con carga negativa, unos con carboxilatos, otros con sulfatos y los más
con carboxilatos y sulfatos. Además, se comportan como polianiones.
Con base en sus características químicas se identifican siete tipos de
glucosaminoglucanos (cuadro 13-5). El menos típico de éstos es el ácido hialurónico, que
al no contener sulfato no se une de modo covalente a proteínas, y no tiene otros
componentes de tipo carbohidrato en su molécula. El ácido hialurónico abunda en la
matriz extracelular; al hidratarse se hincha y ocupa un gran volumen. Es producido sobre
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todo por los tejidos en desarrollo o en proceso de cicatrización, sitios donde se ha
observado la migración de células, de manera que su degradación por hialuronidasa
provoca el cese de la migración celular.
 
Cuadro 13-5. Glucosaminoglucanos
Tipo Disacárido, unidad repetitiva
 
Número de veces que se
repite el disacárido
Localización
Monosacárido
A
Monosacárido
B
Ácido
hialurónico
Ácido D-
glucurónico
N-acetil-D-
glucosamina
8 a 16 000 Tejido conectivo, piel,
cartílago, líquido sinovial
Condroitín 4-
sulfato
Ácido D-
glucurónico
N-acetil-D-
galactosamina
10 a 100 Arterias, piel, hueso, cartílago,
corneas
Condroitín 6-
sulfato
 
Ácido D-
glucurónico
N-acetil-D-
galactosamina
10 a 100 Hueso, piel, arterias, córneas
Dermatán
sulfato
Ácido D-
glucurónico o
Ácido L-idurónico
N-acetil-D-
galactosamina
30 a 80 Válvulas cardiacas, corazón,
vasos, sangre, piel
Heparán
sulfato
Ácido D-
glucurónico o
Ácido L-idurónico
N-acetil-D-
glucosamina
10 a 25 Superficies celulares,
pulmones, arterias
Heparina Ácido D-
glucurónico o
Ácido L-idurónico
N-acetil-D-
glucosamina
 
12 a 50 Pulmones, hígado, piel,
células cebadas
Queratán
sulfato
C-galactosa N-acetil-D-
glucosamina
8 a 38 Cartílago, córneas, discos
intervertebrales
 
 
 
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Proteoglucanos
Son de mayor tamaño en comparación con las glucoproteínas, su peso molecular es de
varios millones, contienen de 90 a 95% de carbohidrato y están constituidos por múltiples
cadenas de glucosaminoglucanos unidos por enlaces covalentes a proteínas; por ejemplo,
cada 12 residuos de aminoácidos –con gran frecuencia la serina– se une un polisacárido.
La figura 13-26 representa el esquema de un proteoglucano de cartílago. A un soporte de
ácido hialurónico se adosan proteínas lineales y proteínas de enlace, y a las primerasse
unen queratán-sulfato y condroitín-sulfato. La heparina es un proteoglucano que, de
manera peculiar, se almacena de manera intracelular en los gránulos de las células
cebadas. La proteína de la heparina está compuesta por residuos de glicina y serina; a
más de la mitad de las serinas se le unen cadenas de polisacáridos con 20 a 60 o más
residuos azúcares. A pesar de su localización intracelular, la heparina pasa al torrente
sanguíneo, donde exhibe su acción anticoagulante, debido a su efecto sobre la
antitrombina III que provoca la inactivación de la trombina. Además, se une de manera
específica con la enzima lipasa, lipoproteínica situada en las paredes de los capilares; de
esta forma pasa a la circulación, donde hidroliza los triacilglicéridos allí presentes. En el
aspecto estructural, es de importancia la unión electrostática entre las glucoproteínas, el
colágeno y los proteoglucanos con grupos sulfato y carboxilato. Por defectos en diversas
enzimas que contribuyen a la hidrólisis de los glucosaminoglucanos presentes en los
proteoglucanos, se producen trastornos bioquímicos del tipo de las mucopolisacaridosis
(cuadro 13-6).
 
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Figura 13-26. Esquema de un proteoglucano de cartílago.
 
Cuadro 13-6. Principales mucopolisacaridosis
Tipo Síndrome Hallazgos bioquímicos Características clínicas
I Hurler Existencia de condroitín sulfato en la orina y
en algunos tejidos
 
Retraso mental importante, deformidades esqueléticas,
opacidad de la córnea
 
II
 
Hunter
 
Igual al anterior
 
Retraso mental moderado, deformidades esqueléticas
importantes
 
III Sanfilippo Existencia de heparán sulfato en tejidos y en
la orina
 
Retraso mental importante, deformidades esqueléticas
 
IV Morquio
 
Presencia de queratán sulfato y condroitín
sulfato en la orina
No hay retraso mental, deformidades esqueléticas
importantes
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V
 
Scheie
 
Deficiencia de irudonidasa
Presencia de dermatán sulfato en la orina
 
No hay retraso mental, deformidades esqueléticas
moderadas
 
VI Maroteaux-
Lamy
Presencia de dermatán sulfato en la orina No hay retraso mental, deformidades esqueléticas graves,
opacidad de la córnea
 
 
 
Paredes de células bacterianas
Con base en su tinción de Gram, las bacterias se clasifican en grampositivas y
gramnegativas. Las bacterias gramnegativas tienen una pared muy compleja que contiene
proteínas, lípidos, lipopolisacáridos y proteoglucanos. La pared de las bacterias
grampositivas contiene proteoglucanos y ácido teicoico, cuya síntesis es impedida por la
penicilina. La especificidad de las reacciones inmunitarias a las bacterias depende en
parte de los carbohidratos presentes en la pared bacteriana. El peptidoglucano de
distribución más universal entre las bacterias es la mureína, que integra una verdadera
malla en donde la urdimbre está formada por los carbohidratos (N-acetilglucosamina y N-
acetilmurámico) y la trama por aminoácidos, en especial glicina.
 
Preguntas de reforzamiento
1 Dentro de las propiedades del glucógeno:
 
a) Es un homopolisacárido estructural.
b) Está en mayor concentración en músculo que en hígado.
c) Los enlaces glucosídicos que posee son de tipo α.
d) Tiene ramificaciones cada tres moléculas de glucosa.
2 Las siguientes moléculas son isómeros:
 
a) Eritrosa y ribulosa.
b) Galactosa y glucosa.
c) Ribosa y 2-desoxirribosa.
d) Manitol y manosa.
3 La siguiente molécula es ejemplo de una cetosa:
 
a) Ribulosa.
b) Gliceraldehído.
c) Glucosa.
d) Galactosa.
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4 ¿En cuál de los siguientes carbohidratos el enlace glucosídico es de tipo β?
 
a) Lactosa.
b) Amilosa.
c) Maltosa.
d) Isomaltosa.
5 Para formar la galactosamina:
 
a) Hubo una oxidación.
b) Se redujo el grupo carbonilo.
c) Se sustituyó el OH por NH2.
d) Tiene un fosfato unido.
6 Si se une una molécula que no es un carbohidrato al grupo hidroxilo del carbono anomérico se forma un:
 
a) Glucógeno.
b) Glucósido.
c) Glucolítico.
d) Glucolípido.
7 Homopolímero de cadenas lineales que forma el exoesqueleto de insectos y crustáceos:
 
a) Almidón.
b) Celulosa.
c) Quitina.
d) Pectinas.
8 Son monosacáridos en los que un hidroxilo es reemplazado por un hidrógeno:
 
a) Aminoácidos.
b) Aminoazúcares.
c) Desoxiazúcares.
d) Desoxiácidos.
9 Son azúcares que no pueden hidrolizarse a otros más simples:
 
a) Disacáridos.
b) Polisacáridos.
c) Oligosacáridos.
d) Monosacáridos.
10 La unión α(1→6) en los polisacáridos:
 
a) Permite su hidrólisis.
b) Forma ramificaciones.
c) Está presente en la amilosa.
d) Es de polímeros lineales.
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Respuestas: 1. c, 2. b, 3. a, 4. a, 5. c, 6. b, 7. c, 8. c, 9. d, 10. b.
 
Referencias
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