Anómero

Na química dos glícidos, os anómeros son un tipo de isómeros característicos dos glícidos ciclados. Aparecen nos glícidos que presentan un carbono especial chamado carbono anomérico [1], no que estaba situado orixinalmente o grupo aldehido ou cetona do glícido, e que se fai asimétrico ao ciclarse a molécula, polo que o grupo osixenado unido a el (un OH xeralmente) pode estar en dúas posicións, das cales depende que se trate dun anómero alfa (α) ou beta (β). Este carbono é o carbono 1 ou 2 normalmente [2].

Anómeros α e β da D-glicopiranosa na proxección de Haworth e na de Fischer. Só se diferencian na posición do OH en vermello.
Anómeros α e β da D-glicopiranosa na fórmula conformacional en cadeira.

Aínda que se dará unha definición máis precisa máis abaixo, podemos dicir grosso modo que nos casos máis simples e colocando a molécula na posición habitual nas proxeccións de Haworth, ocorre o seguinte:

  • O anómero α ten o OH do carbono anomérico para abaixo nos isómeros da serie D.
  • O anómero β ten ese OH para arriba nos isómeros da serie D.
En realidade, a distinción depende das configuracións absolutas dos substituíntes de certos carbonos. É importante consultar a definición máis precisa no capítulo "Anómeros α e β" de máis abaixo.

Estruturalmente os isómeros α e β son absolutamente iguais en todo excepto na posición dese OH (ou o grupo de que se trate) do carbono anomérico, polo que son epímeros, é dicir, isómeros que só se diferencian na configuración nun carbono[3]. Estes anómeros poden existir tanto nos azucres da serie D coma nos da L.

A anomerización é a interconversión entre os isómeros α e β.

Formación do carbono anoméricoEditar

As moléculas liñais dos azucres de 5 ou máis átomos de carbono cíclanse espontaneamente en disolución debido á formación dun enlace intramolecular que orixina aneis pentagonais (furanosas) ou hexagonais (piranosas). Isto débese a que o grupo aldehido do carbono 1 das aldosas reacciona cun OH doutro carbono da molécula, xeralmente o penúltimo, formando un hemiacetal cíclico, ou a que o grupo cetona do carbono 2 das cetosas fai o mesmo e orixina un hemicetal cíclico. Os carbonos 1 e 2 que levaban o aldehido ou a cetona non eran carbonos asimétricos na molécula liñal, polo que non podían xerar isómeros. Pero cando a molécula se cicla ese carbono pasa a ser asimétrico, recibe o nome de carbono anomérico, e orixina os anómeros alfa e beta, co OH situado en posicións distintas. Esta é a razón pola que os anómeros só existen na molécula ciclada.

O carbono anomérico tamén se chama carbono hemiacetálico ou hemicetálico, segundo proveña dunha aldosa ou dunha cetosa, respectivamente.

Anómeros alfa e betaEditar

 
Diferentes proxeccións da fórmula da α-D-Glicopiranosa. Fig. 1 = Proxección de Fischer na que o carbono 1 do extremo é o centro anomérico e o carbono 5 é o átomo de referencia anomérico. Fig. 2 = proxección de Haworth. Fig. 3= fórmula conformacional. Fig. 4 = configuracións absolutas.

Para definir con máis precisión os anómeros α e β debemos fixarnos en dous átomos da molécula nos que deberemos ver a posición configuracional relativa dos seus substituíntes segundo as convencións de Cahn-Ingold-Prelog, os cales poden ter as configuracións absolutas R ou S. Estes dous átomos son o centro anomérico e o átomo de referencia anomérico [4].

  • O cento anomérico é o carbono anomérico (tamén chamado carbono hemiacetálico nas aldosas e hemicetálico nas cetosas). Será o carbono 1 nas aldosas (unido ao osíxeno do anel) e o carbono 2 nas cetosas [5].
  • O átomo de referencia anomérico nas aldohexosas como a glicosa e en carbohidratos máis pequenos é o último carbono asimétrico ou quiral do anel, é dicir, o carbono onde se definía se era un azucre D ou L, que na α-D-glicopiranosa é o carbono 5. Se o último carbono do anel non é asimétrico, o átomo de referencia anomérico será o último carbono que si o sexa.

Por tanto, unha definición máis precisa de anómero alfa e beta, que fai referencia ás configuracións absolutas, é:

  • Os anómeros alfa teñen as configuracións absolutas do carbono anomérico e do átomo de referencia diferentes, é dicir, unha delas R e a outra S.
  • Os anómeros beta teñen as configuracións absolutas deses dous átomos iguais, é dicir, as dúas R ou as dúas S.

Agora veremos como se distingue isto nas fórmulas.

De forma práctica se a molécula cíclica está representada na proxección de Fischer cíclica (ver [2]) fixarémonos se no carbono anomérico o OH está á dereita ou á esquerda e se o O unido ao átomo de referencia está á dereita ou á esquerda. Cando ambos están para o mesmo lado é un anómero alfa (isomería cis) e cando están para distinto é beta (isomería trans) [6]. Na forma alfa unha das configuracións absolutas comparada é R e a outra é S. Na forma beta as dúas configuracións absolutas son R ou as dúas S. A proxección de Fischer cíclica úsase pouco para representar glícidos ciclados; é máis habitual representación de Haworth ou a representación conformacional en cadeira.

 
α-D-
glicopiranosa.
 
β-D-
glicopiranosa.

Nas moléculas que se representan en forma ciclada tamén hai que saber as configuracións absolutas.

Na α-D-Glicopiranosa o carbono anomérico é o 1 e o átomo de referencia é o carbono 5. A configuración absoluta neses átomos é S e R respectivamente, polo que son distintas e trátase do anómero α. Na β-D-glicopiranosa teñen a mesma configuración absoluta (ambos R), polo que é un anómero β.

Na α-L-arabinopiranosa, o carbono anomérico é o 1 e o átomo de referencia é o 4 (non é o 5 porque non é asimétrico). As configuracións absolutas deses carbonos son respectivamente R e S, polo que son diferentes e é unha forma α (a pesar de que ten os OH colocados de forma diferente á da α-D-glicopiranosa, pero en ambos os azucres as configuracións absolutas son distintas, polo que son α). Este exemplo da L-arabinosa fainos ver que non hai que fixarse simplemente se o OH do carbono anomérico está debuxado para "arriba" ou "abaixo", xa que hai que saber as configuracións absolutas e comparalas.

   
α-D-glicopiranosa
β-D-glicopiranosa
   
α-L-arabinopiranosa
β-L-arabinopiranosa

PropiedadesEditar

Os anómeros α e β, malia a pequena diferenza que hai entre eles, teñen propiedades diferentes. Por exemplo, a β-D-glicopiranosa ten maior rotación específica, punto de fusión, solubilidade en auga e velocidade relativa de oxidación pola glicosa oxidase ca a α-D-glicopiranosa.

O metabolismo celular distingue perfectamente entre os isómeros α e β. Por exemplo, a ribosa e a desoxirribosa dos nucleótidos sempre son isómeros β, e os polisacáridos con enlaces O-glicosídicos β, como a celulosa, non poden ser dixeridos directamente polos mamíferos, xa que carecen dos encimas precisos, pero si poden facilmente dixerir polisacáridos con enlaces O-glicosídicos α, como o amidón ou o glicóxeno.

O carbono hemiacetálico e o OH unido a el son especialmente reactivos, de modo que pode reducir facilmente a outras moléculas á vez que se oxida, polo que se di que ten poder redutor. Para que a molécula presente este poder redutor o OH do carbono hemiacetálico debe estar libre, é dicir, non debe estar formando un enlace con outras moléculas. Este poder redutor pode ser detectado por medio da reacción de Fehling.

Artigos principais: Reacción de Fehling e Oxidorredución.

Tamén é diferente a estabilidade de cada un dos anómeros. No caso da D-glicopiranosa, o anómero β é o máis estable. O principal efecto que intervén neste caso é a ausencia de interaccións 1,3-diaxiais. Na D-manopiranosa, o anómero α é o máis estable porque esta forma evita a repulsión dipolar entre o hidroxilo anomérico e o hidroxilo do seguinte carbono do anel.

Os principais efectos que contribúen á estabilidade dun anómero son:

  • O efecto anomérico, que estabiliza o anómero que ten un grupo que tende a captar electróns (normalmente un osíxeno ou un nitróxeno) en orientación axial no anel. Este efecto desaparece en solventes polares como a auga.
  • As interaccións 1,3-diaxiais, que normañmente desestabilizan o anómero que ten o grupo anomérico en orientación axial no anel. Este efecto é especialmente notable nas piranosas e outros compostos cíclicos de seis membros. Este é o factor principal en auga.
  • As pontes de hidróxeno entre o grupo anomérico e outros grupos no anel, o que favorece a estabilización do anómero.
  • A repulsión dipolar entre o grupo anomérico e outros grupos do anel, o que desestabiliza o anómero.

AnomerizaciónEditar

 
A forma de cadea aberta é un intermediato entre os anómeros α e β.

A anomerización é a interconversión dos anómeros α e β. Os anómeros α e β en disolución poden interconverterse ata que se chega a un estado de equilibrio a unha determinada proporción das formas α e β na disolución. Por exemplo, se empezamos cunha disolución de D-glicosa na forma β pura (β-D-glicopiranosa), co paso do tempo parte das moléculas β transfórmanse en α, de modo que ao final, cando se chega ao equilibrio, na disolución hai unha proporción de 64% da forma β e 36% da forma α (noutros azucres habería outras proporcións características). Este cambio pódese detectar medindo cun polarímetro a rotación óptica da disolución (capacidade de desviar o plano da luz polarizada que a atravesa), que empeza sendo de +112,2 na disolución da forma β pura e acaba sendo de +52,7 na disolución en equilibrio na que están presentes os dous anómeros. Este cambio na rotación óptica denomínase mutarrotación.

Artigo principal: Mutarrotación.

A anomerización débese a que en disolución hai un equilibrio entre as formas dos azucres de cadea aberta e as cicladas, e as moléculas rompen o seu enlace hemiacetálico ou hemicetálico para formar a forma de cadea aberta ou liñal, que axiña se cerra de novo formando o ciclo. Cando se volve a cerrar pode formar o isómero α ou β, dependendo de por cal dos dous lados estereoquímicos é atacado o grupo aldehido ou cetona polo OH doutro carbono da molécula.

Pode incrementarse moito a rapidez da reacción de anomerización se esta ten lugar nun medio anfótero, como unha solución de 2-piridona [7].

 
Interconversión entre os anómeros α e β en presenza do catalizador 2-piridona.

Outros glícidos con isómeros α e βEditar

Aínda se puxeron como exemplos de anómeros os monosacáridos, outros glícidos poden presentar tamén isómeros α e β. Por exemplo, a maioría dos disacáridos poderían aparecer nas formas α e β se teñen o OH dun carbono anomérico libre, polo que poden existir, por exemplo, maltosas α e maltosas β [8].

 
Dous isómeros anoméricos do disacárido maltosa: maltosa α (esquerda) e β (dereita).

NotasEditar

  1. Francis Carey (2000). Organic Chemistry, McGraw-Hill Higher Education press (4th ed.). 
  2. IUPAC Goldbook Anómero
  3. IUPAC Goldbook Epímero
  4. IUPAC Gold Book α (alpha), β (beta) Arquivado 22 de novembro de 2016 en Wayback Machine.
  5. IUPAC Goldbook Centro anomérico e átomo de referencia
  6. Nomenclature of Carbohydrates (Recommendations 1996)  PDF
  7. Floyd H. Dean, Pyranose mutarotation. Journal of Colloid and Interface Science,1967,24(2) Pages 280-281 [1] doi 10.1016/0021-9797(67)90235-4
  8. Lehninger A. Principios de Bioquímica (1988). Omega. Páxinas 284-285. ISBN 84-282-0738-0