METABOLISMO VEGETAL DE LOS GLUCIDOS II

1. OLIGOSACÁRIDOS Se entiende por oligosacáridos a aquellos carbohidratos solubles que por hidrólisis liberan monosas. Así los oligosacáridos más simples resultan ser los disacáridos. Estos compuestos se encuentran muy difundidos en el reino vegetal tanto en forma libre como combinada. 1.1 DISACARIDOS Cuando el enlace glicosídico se forma entre dos monosacáridos, el holósido resultante recibe el nombre de disacárido. Esta unión puede tener lugar de dos formas distintas: 

En el primer caso, el carbono anomérico de un monosacárido reacciona con un OH alcohólico de otro. Así, el segundo azúcar presenta libre su carbono anomérico, y por lo tanto seguirá teniendo propiedades reductoras, y podrá presentar el fenómeno de la mutarrotación. Los disacáridos así formados se llaman disacáridos reductores. A la hora de nombrarlos sistemáticamente, se considera monosacárido principal al que conserva su carbono anomérico libre, y se le antepone como sustituyente (entre paréntesis) el monosacárido que aporta su carbono anomérico al enlace glicosídico. Así, la maltosa (dos glucosas unidas por el OH del C1 en posición α de una y el OH del C4 de otra) será la 4-O(α-D-glucopiranosil)-D-glucopiranosa.

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En el segundo caso, el carbono anomérico de un monosacárido reacciona con el carbono anomérico del otro monosacárido. Así se forma un disacárido no reductor, donde no queda ningún carbono anomérico libre y que tampoco podrá presentar mutarrotación. En este caso, el enlace no es, estrictamente hablando, acetálico. Ejemplos son la sacarosa y la trehalosa. DISACÁRIDOS DE INTERÉS BIOLÓGICO

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La maltosa está formada por dos glucosas unidas por el OH del C1 en posición α de una y el OH del C4. Su nombre sistemático es 4-O-(α-Dglucopiranosil)- D-glucopiranosa. No existe como tal en la naturaleza, y se obtiene a partir de la hidrólisis del almidón (un polisacárido de reserva en vegetales).

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La sacarosa es el disacárido más abundante en las plantas superiores es la sacarosa (α-Dglucopiranosil --D-fructofuranósido), disacárido no reductor, el cual es la principal forma de transporte y de reserva de energía.

El transporte de los fotoasimilados hacia los órganos no fotosintetizantes o en crecimiento de la planta se efectúa en forma de sacarosa o de compuestos de la serie rafinosa, dependiendo de la especie de planta y del tipo de carga y descarga en el floema (vía simplasto o apoplasto). Para nombrarlo sistemáticamente hay dos opciones: o bien αDglucopiranosil- β-D-fructofuranósido (considerando la fructosa como monosacárido principal) o bien β-D-fructofuranosil)- α-D-glucopiranósido (si consideramos la glucosa como monosacárido principal). En forma abreviada se expresa como Glc(1α↔2β)Fru.

FUNCIONES -Transporte (es la forma en la cual el C asimilado en la fotosíntesis se trasloca hacia los diferentes órganos de la planta). -Reserva: Transitoria (Mesófilo de Hojas) -Permanente (Parénquima de reserva, en Vacuolas) -Fuente inmediata de Carbono -Energética. SINTESIS

Se realiza en el citosol.

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SACAROSA SINTETASA El punto de partida es el mismo que para el almidón: triosas fosfato que provienen del ciclo de Calvin y que pasan a fructosa 1, 6-bisfosfato, después a fructosa 6-fosfato y por isomerización a glucosa 1-fosfato. A diferencia del almidón se forma UDP-Glucosa que se une a fructosa 6-fosfato obteniéndose sacarosa fosfato. Una fosfatasa quita el fosfato y se obtiene la sacarosa.

Como se ha dicho antes, se utiliza UDP-Glucosa y la enzima que la forma es la UDPGlucosa pirofosforilasa; un punto de control clave para la síntesis de sacarosa (cosa que no ocurre con el almidón). Esto se debe a que la enzima se usa también en la síntesis de celulosa.

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FRUCTOSA 1, 6-BISFOSFATASA Y SACAROSA FOSFATO SINTASA Constituyen checkpoints en la síntesis de sacarosa. La primera regula en función de las necesidades de la planta la segunda, de una forma más general, regula la velocidad de síntesis. Al igual que en la síntesis de almidón, se forma fosfato inorgánico que puede usarse para intercambio por triosas fosfato con el translocador de fosfato del cloroplasto. El pirofosfato no se hidroliza tan rápido como en el cloroplasto porque tiene otros usos en el citosol, como por ejemplo, bomba de transporte en el tonoplasto. La sacarosa fosfato sintasa tiene una regulación bastante compleja. Los niveles de actividad dependen de la relación entre la glucosa 6-fosfato y el fosfato inorgánico. Si la

relación es alta, la actividad será alta; si la relación es baja, la actividad será baja. Por otro lado, la enzima alcanza el pico de actividad cuando está desfosforilada, estando controlada de esta manera por la sacarosa fosfato sintasa kinasa y por la sacarosa fosfato sintasa fosfatasa. Por otro lado, la glucosa 6-fosfato inhibe a la SPS kinasa pero además es un modulador alostérico de la SPS que al unirse a ella provoca el cambio conformacional que hace que aumente su actividad. El fosfato inorgánico por el contrario favorece la actividad de la SPS fosfatasa y además fosforila a la enzima provocando un cambio conformacional que reduce su actividad, es por tanto, un modulador alostérico negativo.

DEGRADACIÓN Participan principalmente dos familias de enzimas: sacarosa sintasa (que también participa en su síntesis) e invertasas. Las invertasas hidrolizan de forma irreversible la sacarosa en glucosa y fructosa.

Cada una de las isoenzimas se agrupen en función de su pH óptimo (invertasas ácidas y alcalinas o neutras) y se pueden encontrar en varios compartimentos celulares: Extracelulares: así encontramos invertasas apoplásmicas; invertasas de pared (unidas ionica o covalentemente), Intracelulares: invertasas citosólicas (generalmente las alcalinas) e invertasas vacuolares (invertasas ácidas). Estás enzimas cumplen una importante función en el proceso de traslocación de la sacarosa, ya que determina si el C se transporta como hexosas (glu+fru) o como sacarosa. Algunas membranas son impermeables a la sacarosa, de manera que las invertasas apoplásmicas o de pared hidrolizan la sacarosa en hexosas para su transporte al interior de la célula (ej caña de azúcar, Figura 1).

Figura 1: Descarga en los sumideros. Tipos de descarga: 1: descarga simplástica, 2: descarga apoplástica, 3: descarga apoplástica con hidrólisis por invertasa (inv). 4: descarga simplástica seguida por liberación al apoplasto

La sacarosa es utilizada en la alimentación como edulcorante y como excipiente de tabletas, comprimidos y otras formas farmacéuticas de suministro oral. Las principales fuentes industriales de sacarosa son la caña de azúcar y la remolacha azucarera. La caña de azúcar Saccharum officinarum, Gramineae, originaria de la India, es cultivada en las regiones tropicales y subtropicales. Su utilización como fuente de azúcar data desde el siglo XV; contiene entre 15 y 20% de sacarosa, obteniéndose por expresión en molinos, el zumo obtenido, es sometido a defecación por calor, filtrado y concentrado hasta cristalización. Las melazas residuales sirven para la fabricación de ron. La remolacha azucarera Beta vulgaris, Chenopodiaceae, es cultivada en las regiones templadas, de las raíces se extrae entre 15 y 20% de sacarosa.

1.2 OLIGOSACARIDOS En los vegetales además se acumulan otros carbohidratos derivados de la glucosa por adición ya sea, de una o varias moléculas de galactosa, fructosa o glucosa (Tabla 1).

Tabla 1: Oligosacáridos presentes en vegetales

La incorporación de Glu puede realizarse sobre la en distintos puntos de la molécula y con enlaces tipo α como en la serie de la rafinosa o β como en la gencianosa; o sobre la mitad de fructosa tal el caso de la kestosa. El grado de polimerización de estos oligosacáridos no supera 9, resultando bastante inferior al de los fructosanos y almidón. De estos compuestos por su importancia y significación se destacan los de la familia de la rafinosa razón por la que profundizaremos en su estudio.

a

Figura 2: Oligosacáridos de la serie de la rafinosa (a: UDPGalactosil transferasa).

El galactinol (1-0- α-D-galactopiranosil-mioinositol, Figura 2) fue encontrado entre otros vegetales en remolacha azucarera. Como su nombre lo indica el galactinol es un galactósido del inositol. La biosíntesis del galactinol es efectuada por la enzima UDPGal: inositol galactotransferasa (UDPGalactosil transferasa). La enzima requiere Mn2+ para su actividad. El galactinol funciona como un donante de galactosa durante la biosíntesis de los galactosil-derivados de la sacarosa conocidos como “oligosacáridos de la serie de la rafinosa”. Los restantes miembros de la serie de la rafinosa se forman por añadido de una nueva molécula de galactosa unida por unión α (1-6) a la galactosa del término precedente. Se han aislado y caracterizado algunos miembros de la serie: un trisacárido (Rafinosa), un tetrasacárido (Estaquiosa), un pentasacárido (Verbascosa) y un hexasacárido (Ajugosa). La serie de la rafinosa puede ser encontrada en semillas de leguminosas, en cereales, en algodón, y en las Labiadas que se caracterizan por ser ricas en estaquiosa. 2. C, S y O Glicósidos Se trata de compuestos ampliamente distribuidos en el reino vegetal que se caracterizan por estar formados por una porción no glicosídica (aglicona) que puede tener distintos orígenes dentro del metabolismo primario y secundario; y una parte glicosídica constituída ya sea por mono u oligosacáridos. Inicialmente estos compuestos fueron considerados como productos finales del metabolismo; sin embargo hoy en día se acepta que pueden actuar como reservas de carbohidratos y como estabilizantes en forma no tóxica de compuestos fenólicos. También se ha sugerido que algunos glicósidos complejos tales como el flavonol glicósido que contiene oligosacáridos en su estructura pueden servir de “primer” para la biosíntesis de polisacáridos o glicoproteínas. Según el tipo de unión que presenten entre la porción aglicona y la mitad de azúcar, se clasifican en C, O y S glicósidos. 1. C-Glicósidos: la unión entre ambas mitades de la molécula es de tipo C—C. Se trata de glicósidos no muy conocidos y de distribución más bien restringida con relación a los otros grupos. Entre estos tenemos a la vitexina que es un derivado de flavona.

2. O-glicósidos: Entre estos tenemos a los denominados glicósidos cianogénicos. Como ejemplos podemos mencionar a la durrina (0-β-D-glucopiranosil-(1->2)-4-hidroxi-Lmadelonitrilo) aislada del sorgo y del lino y a la prunasina (O-β-D-glucopiranosil- (1->2)L-mandelonitrilo, obtenida de las almendras amargas. Estos glicósidos derivan de los aminoácidos tirosina y fenilalanina respectivamente. Otros O-glicósidos incluyen la arbutina (4-hidroxifenil-β-D-glucopiranósido) aislada de germen de trigo y la rutina (0-βramnosil-(1->6) β-D-glucopiranosil-(1->3) quercitina que se encuentra en la ruda (Ruta

graveolens). Con relación al metabolismo de los O-glicósidos, se ha demostrado en las plantas enteras que dichos compuestos son degradados hasta aminoácidos, especialmente asparagina. El primer paso en el metabolismo incluye la liberación de la mitad glicosídica por acción de β-glicosidasas. Por el contrario en las plantas lesionadas o dañadas el metabolismo conduce a la liberación de ácido cianhídrico en una reacción catalizada por enzimas específicas. Entre estas enzimas podemos mencionar la emulsina que se encuentra en las almendras amargas y que resulta específica para glicósidos cianogénicos aromáticos; y la linamerasa aislada del lino que cataliza la hidrólisis de glicósidos tanto aromáticos como alifáticos. El ácido cianhídrico liberado resulta tóxico para los herbívoros que ingieren las plantas que contienen tales compuestos. El hecho de que ácido cianhídrico se libere solo cuando las plantas sufren daño llevan a suponer que dichos glicósidos tendrían también una función disuasoria frente al posible ataque de organismos depredadores. Con relación a la quimiotaxonomía se ha demostrado que en el caso de las plantas inferiores (helechos) los glicósidos cianogénicos derivan de la fenilalanina; en las gimnospermas lo hacen de la tirosina; en tanto que en las angiospermas lo hacen de ambos aminoácidos. Una excepción a esto lo constituyen los compuestos aislados de las acacias de Sudáfrica que provienen de la leucina. Glicósido

Fuente vegetal

Amigdalina

Prunus amigdalus

Linamarina

Linum usitatissimum

Prulaurasina

Prunus laurocerasus

Manihotoxina

Manihot utilissima

Durrina

Sorghum vilgare

Sambunigrina

Sambucus nigra

Prunasina

Prunus serotina

3. S-glicósidos: son compuestos que contienen S en su molécula (tioglicósidos). Entre estos tenemos a los glucosinolatos. La porción aglicona de los glucosinolatos es parecida a la de los glicósidos cianogénicos y deriva también de aminoácidos. Son abundantes en plantas dicotiledóneas. Como ejemplos de estos compuestos tenemos el desulfobenzilglucosinolato (glucotropaeolina) aislado de T. majus que deriva de la fenilalanina. El triptófano sirve como precursor de los indolglucosinolatos, los cuales se encuentran ampliamente distribuidos entre las Cruciferaceas. Como ejemplo podemos mencionar la

glucobrassicina que se halla en el repollo. Con relación al metabolismo de estos compuesto cuando las plantas son dañadas se produce la liberación de isotiocianatos, tiocianatos, nitrilos y S elemental. Las reacciones que conducen a estos productos son catalizadas por enzimas genéricamente denominadas tioglicosidasas como ejemplo de ellas podemos mencionas la mirosinasa que se encuentra en la mostaza. Los isiotiocianatos son los responsables de los sabores picantes y olores característicos que presentan los vegetales ricos en glucosinolatos.

Aunque menos tóxicos que los glicósidos cianogénicos los glucosinolatos también causan efectos nocivos en los predadores; por lo que al igual que aquellos cumplen funciones de protección. En lo referente a la quimiotaxonomía los glucosinolatos son principalmente abundantes en las familias cruciferasa, capparidacea y moringácea. 3. POLISACÁRIDOS

La unión de muchas unidades de monosacáridos (más de 20) mediante enlaces glicosídicos da lugar a polímeros, algunos de ellos de elevadísimo peso molecular, llamados polisacáridos. Se dividen en dos grandes grupos: polisacáridos simples (si están formados a partir de monosacáridos simples) y polisacáridos derivados (si están formados a partir de monosacáridos y moléculas más complejas). También es posible distinguir entre homopolisacáridos, en los que siempre se repite el mismo monosacárido y heteropolisacáridos, compuestos por más de un monosacárido que puede considerarse como la repetición de un disacárido. Tanto unos como otros pueden ser polímeros lineales o ramificados (Figura 3).

Figura 3: Estructura de los polisacáridos Desde el punto de vista funcional, encontramos polisacáridos de reserva como el almidón, el glucógeno y los dextranos, y polisacáridos estructurales como la celulosa, la quitina y los glicosaminoglicanos. La función informativa que caracteriza a los oligosacáridos no está presente en los polisacáridos, ya que su estructura repetitiva no contiene, obviamente, información. Los polisacáridos pueden unirse con las proteínas para dar lugar a los proteoglicanos del tejido conjuntivo y al peptidoglicano de la pared bacteriana.

3.1 ALMIDÓN Constituye la forma más generalizada, aunque no la única, de reserva energética en vegetales. Se almacena en forma de gránulos, y puede llegar a constituir hasta el 70% del peso de granos (maíz y trigo) o de tubérculos de papa. El análisis de la estructura del almidón demuestra que es una mezcla de otros dos polisacáridos: la amilosa y la amilopectina (Figura 4). La proporción de ambos polisacáridos varía según la procedencia del almidón pero, por lo general, la amilopectina es la más abundante (alrededor del 80% del total). La longitud de las cadenas de glucano, proporción de amilosa-amilopectina y el grado de ramificación de esta última define drásticamente el tamaño, estructura del gránulo y utilidad del almidón particular de cada especie (Tabla1). Una característica determinante del almidón es la cristalinidad que puede medirse por la amplitud de la dispersión del ángulo de difracción de los rayos X y hace referencia a los almidones tipo A (encontrado en la mayoría de los cereales), tipo B (encontrado en la mayoría de los tubérculos) y tipo C (mezcla de ambas formas encontrada en las legumbres).

La amilosa es un polímero lineal formado por unidades de α-D-glucopiranosa, unidas exclusivamente por enlaces (1α-4). El número de monómeros de la molécula depende de la procedencia del almidón: alrededor de 1000 en el caso de la papa y 4000 en el caso del trigo. La amilosa se disuelve fácilmente en agua, adquiriendo una estructura secundaria característica, de forma helicoidal, en la que cada vuelta de la hélice comprende 6 unidades de glucosa. El iodo se une a esta hélice y permite teñir el almidón de un color azul muy intenso. La amilopectina tiene un peso molecular mucho mayor que la amilosa puede contener cientos de miles o millones de monómeros de α-D-glucopiranosa. Es un polímero ramificado, en el que las cadenas principales están formadas por mosacáridos unidos mediante enlaces glicosídicos (1α-4) y donde cada rama se une a la cadena principal mediante enlaces glicosídicos (1α-6). Estas ramificaciones están regularmente espaciadas (cada 25-30 residuos de glucosa) y cada rama está formada exclusivamente por uniones (1α-4). Síntesis: Aparentemente la ruta postulada para la biosíntesis de almidón es relativamente simple e involucra tres enzimas: la ADP- glucosa pirofosforilasa (AGPasa), la sintetasa de almidón (SS) y la

enzima de ramificación del almidón (SBE). Sin embargo, se ha demostrado la participación de varias isoformas de estas enzimas y otras enzimas adicionales que están de alguna manera involucradas en el proceso. Las isoformas difieren en su expresión tisular y temporal, en las propiedades cinéticas y en los productos (Dennis y Blakeley, 2000; Santacruz et al.,2002). La síntesis del almidón comienza con la unión de dos triosas fosfato formando fructosa 2, 6-Bisfosfato. Una fosfatasa (fructosa 1, 6 bisfosfatasa) elimina uno de los fosfatos formando fructosa 6-fosfato que es isomerizada a glucosa 6-fosfato para pasar después a glucosa 1-fosfato por acción de la ADP glucosa pirofosforilasa; se invierte una molécula de ATP y se obtiene la ADP-Glucosa y pirofosfato que es hidrolizado a fosfato inorgánico por acción de una pirofosforilasa. La ADP-Glu es la unidad que se acaba añadiendo a la cadena en formación por acción de la almidón sintasa. Degradación: La amilasa apoplástica (β- amilasa) presente en las paredes celulares de los órganos en crecimiento de gramíneas cataliza la hidrólisis y remoción de unidades sucesivas de maltosa del extremo no reducido de la cadena de glucanos. La α-amilasa hidroliza los enlaces glucosil α-(1-4) del almidón, genera malto oligosacáridos lineales y ramificados que a su vez producen glucosa, maltosa y un amplio rango de α-dextrinas límite. La fosforilasa del almidón también puede degradar los enlaces glicosílicos produciendo glucosa fosfato libre. Los almidones constituyen la principal fuente de carbohidratos para el ser humano. La industria de almidones genera mundialmente riqueza económica y social (valor estimado de US$20 mil millones). En el caso del maíz existe una amplia variabilidad de mutaciones que dan lugar a diferentes tipos de almidón (ceroso, dulce, opaco, tipo crispeta, etc) las cuales han sido ampliamente explotadas. En otros cultivos, entre ellos la yuca, no se han identificado mutaciones naturales del almidón (FAO/FIDA, 2000). El almidón también es muy usado como excipiente en formas farmacéuticas. Desde el punto de vista alimenticio, las metas dietéticas actuales recomiendan un 48% en el consumo de almidones

en relación a la dieta total. Los almidones son menos cariogénicos. Más aún, estos polisacáridos reducen las posibilidades de una hipoglicemia reactiva, ya que debido a su estructura compleja, entran en la sangre lentamente, lo cual no aumenta súbitamente los niveles de glucosa en la sangre ni estimula la producción exagerada y continua de insulina. Además, las féculas son fuentes de diversas vitaminas y minerales (particularmente en su forma granulada). 3.2. CELULOSA Se puede considerar como la molécula orgánica más abundante en la naturaleza. Es un polímero lineal de varios miles de glucosas unidas por enlaces (1β-4). Es muy estable químicamente e insoluble en agua. Las cadenas lineales de celulosa forman unas estructuras cristalinas denominadas microfibrillas, con un diámetro de entre 20 y 30 nm y formadas por unas 2000 moléculas de

celulosa entre las cuales se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de cadenas de celulosa yuxtapuestas, haciéndolas impenetrables al agua, y originando unas fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales

En las plantas cumple la función de sostén y estructurales de las células: soporta la presión osmótica y

proporciona turgencia a las células; otorga protección mecánica entre otras funciones (ver

Capítulo 1). Desde el punto de vista alimenticio, constituye las llamadas fibras insolubles ya que

pueden absorber volúmenes de agua relativamente grandes. Alrededor del 43% de la celulosa que entra en los intestinos puede ser digerida por la flora bacterial que se encuentra allí.

3.3. Mucopolisacáridos Representan polisacáridos altamente ramificados. Su cadena principal se compone de ácido manoso-galacturónico, y ácido ramnóso-galaturónico. Los mucilagos contienen en adición, una molécula de arabinosa-xilosa. Se encuentran en las estructuras secretorias de plantas, en exudados en látex de ciertas plantas como Hevea brasiliensis, salvado de avena, avena, cebada, y en semillas como en el caso de los mucilagos (Plantago major, Llanten sp). Entre sus aplicaciones en la industria farmacéutica, constituyen las llamadas fibras solubles, por lo que son usados como laxantes naturales ya que al absorber agua aumentan el volumen intestinal favoreciendo el peristaltismo y con ello la evacuación. Encontramos, además que sirven para disminuir el vaciado gástrico, provee material fermentable para las bacterias colónicas con producción de gas y ácidos grasos volátiles, se enlaza con agua y los ácidos biliares Forman gomas vegetales (arábica, tragacanto, guar y xanthan); se utilizan en muchos productos como

sustancias hidrófilas, espesadoras y estabilizadoras; forma gel por lo que se usa en la industria farmacéutica para la preparación de formas farmacéuticas semisólidas.