Chemie der Kohlenhydrate

Nomenklatur und Aufbau der Kohlenhydrate

Nomenklatur

Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Sie werden als Aldehyde oder Ketone von Polyalkoholen definiert und haben die allgemeine Summenformel C_n(H₂O)_n. Kohlenhydrate werden nach der Anzahl der im Molekül vorhandenen Zuckereinheiten definiert:

• Zucker: bestehend aus 1 oder 2 Zuckereinheiten
  • Monosaccharide:
    • Moleküle, die nur 1 Zuckerbaustein enthalten
    • Keine Hydrolysierung in kleinere Einheiten möglich
    • Am relevantesten sind die Hexosen (6 Kohlenstoffatome) und die Pentosen (5 Kohlenstoffatome).
    • Die Erythrose (4 Kohlenstoffatome) und die Seduheptolose (7 Kohlenstoffatome) spielen eine Rolle im Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg.
  • Disaccharide: Kombination von 2 Monosacchariden unter Eliminierung eines Wassermoleküls
• Oligosaccharide: Kombination von 3-10 Zuckereinheiten
• Polysaccharide:
  • Kombination von > 10 Einheiten
  • Homopolysaccharide: Polysaccharide mit nur einer Art von Monosacchariden
  • Heteropolysaccharide: Polysaccharide mit unterschiedlichen Monosacchariden
  • Glykosaminoglykane (GAGs):
    • Veraltet, bekannt als Mucopolysaccharide
    • Sich wiederholende Disaccharideinheiten mit Uronsäure und einem Aminozucker
  • Glykoproteine: an Proteine Proteine Proteine und Peptide gebundene Saccharide
  • Proteoglykan: an eine Polypeptidkette gebundene Kohlenhydratkette
• Glykolipide: Saccharidmolekül glykosidisch an ein Lipid gebunden

Aufbau der Kohlenhydrate

• Kohlenhydrate sind organische Verbindungen und bestehen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff.
• Die Basis aller Kohlenhydrate ist eine Monosaccharid-Einheit.
• Ein Monosaccharid kann ein Polyhydroxyaldehyd (Aldose) oder ein Polyhydroxyketon (Ketose) sein.
• Die Struktur der Kohlenhydrate kann in einer der 3 Formen dargestellt werden:
  • Offenkettige Form (Fischerprojektion):
    • Geradkettige Aneinanderreihung der Kohlenstoffatome
    • „Ta Tü Ta Ta“-Regel für die Anordnung der OH-Gruppen bei Glucose: Beginn beim ersten chiralen Kohlenstoffatom, wobei „Ta“ für eine OH-Gruppe rechts und „Tü“ für eine OH-Gruppe links steht
  • Halbacetalform:
    • Eine Hydroxylgruppe reagiert mit der Carbonylgruppe, wodurch eine Ringstruktur entsteht.
    • Exkurs: Der Ringschluss zu einer Pyranose (Sechsring) erfolgt bei Aldosen durch eine Reaktion zwischen der funktionellen Aldehydgruppe an C₁ und der OH-Gruppe an C₅. Das entstandene Molekül nennt man auch Halbacetal. Die dabei neu enstandene Carboxylgruppe am neuen chiralen Zentrum ist höchst reaktiv und da sie dem Zucker seine reduzierenden Fähigkeiten verleiht, hat sie sogar ihren eigenen Namen: glykosidische OH-Gruppe. Ein Halbketal (z.B. Fructose) entsteht, wenn die Ketogruppe an C₂ einer Ketose mit der Hydroxylgruppe an C₅ reagiert, dabei entsteht statt einer Pyranose eine Furanose (Fünfring).
  • Haworth-Projektion:
    • Darstellung ringförmiger fünf- oder sechsgliedriger Zuckermoleküle
    • Ist die OH-Gruppe am C₁ unten, ist es ein α-Molekül. Ist sie oben, ist es ein β-Molekül.
    • „FLOH“-Regel: Was bei Fischer links ist, ist oben bei Haworth!

Stereochemie und Isomeriebeziehungen

Mit diesem Flowchart lassen sich alle Isomerien, nicht nur die der Kohlenhydrate, sondern aller Isomere in der organischen Chemie, identifizieren.

Erklärung: 

• Konstitutionsisomere = Strukturisomere: gleiche Summenformel, unterschiedliche Bindungsmuster
• Stereoisomerie: gleiche Summenformel, gleiches Bindungsmuster, unterschiedliche räumliche Anordnung
  • Die räumliche Anordnung von H- und OH-Gruppen ist wichtig, da chirale Kohlenstoffatome (vier verschiedene Substituenten an einem Kohlenstoffatom) vorliegen.
  • Das Bezugsmolekül ist Glycerinaldehyd.
  • Die Zahl der möglichen Stereoisomere hängt von der Zahl der asymmetrischen Kohlenstoffatome ab und kann mit der Formel 2ⁿ bestimmt werden, wobei n = Zahl der asymmetrischen Kohlenstoffatome ist.
  • Die spiegelbildlichen Formen werden als Enantiomere bezeichnet. Das am weitesten von der Carbonylgruppe entfernte chirale Kohlenstoffatom wird dabei betrachtet. Ist die OH-Gruppe an jenem Atom in der Fischer-Projektion links, liegt die L-Form vor. Ist sie rechts, liegt die D-Form vor. Im menschlichen Körper kommen nur D-Zucker vor!
• Konformere: können mittels Drehung der Substituenten an C-C Einfachbindung ineinander überführt werden (Wannenform/ Sesselform)
• Konfigurationsisomere: Gleiches Bindungsmuster, unterschiedliche Anordnung der Substitituenten um ein Zentrum
• Cis-/trans-Isomere: 
  • Können nicht mittels Drehung der Substituenten ineinander überführt werden und die Substituenten stehen sich gegenüber (trans) oder auf der gleichen Seite (cis)
  • Oft bei Doppelbindungen
  • In der Sesselkonformation erkennt man die cis-trans-Isomerien und die räumliche Struktur von Molekülen am besten. Senkrechte Bindungslinien stehen für eine axiale Position, während die restlichen Bindungslinien eine äquatoriale Position bedeuten.
• Chiralität: C-Atom asymmetrisch substituiert (d.h. 4 verschiedene Bindungspartner)
• Enantiomere: spiegelbildliche Moleküle
• Diastereomere: Stereoisomere, die sich nicht wie Bild und Spiegelbild zueinander verhalten
  • Konfigurationsänderungen bezüglich der anderen Kohlenstoffatome
  • Ergibt 8 verschiedene Monosaccharide, von denen 3 im menschlichen Körper vorkommen: Glucose, Galactose und Mannose.
  • Ein Epimer ist ein Diastereomer, das sich nur durch ein Chiralitätszentrum unterscheidet. Mannose und Galactose sind Epimere der Glucose, wobei sich die Mannose am zweiten und die Galactose am vierten Kohlenstoffatom von der Glucose unterscheidet.

Anomerie:

Nach der Ringbildung entsteht ein neues Chiralitätszentrum am Kohlenstoffatom des ehemaligen Carbonyl-Kohlenstoffs. Es wird als anomeres Zentrum bezeichnet und ist bei Aldosen das 1. Kohlenstoffatom und bei Ketosen das 2. Kohlenstoffatom (stets das Kohlenstoffatom mit der Aldehyd- oder Ketogruppe).

α- und β- Glucosen sind Anomere und können über die offenkettige Form ineinander überführt werden. Da allerdings bei der α-Glucose die OH-Gruppen am C₁ und C₂– Atom näher beieinander sind als bei der β-Glucose und in der Natur dafür gesorgt wird, dass möglichst energiearme Zustände herrschen, ist das Gleichgewicht auf die Seite der β-Glucose verschoben.

Klassifikation

Kohlenhydrate werden anhand der Anzahl an Zuckereinheiten in einfache und komplexe Kohlenhydrate eingeteilt.

Monosaccharide

• Einfache Zucker, die die grundlegendste Kohlenhydrateinheit bilden
• Keine weitere Hydrolysierung in kleinere Einheiten möglich
• Glucose (Hexose, Aldose) ist das bekannteste Monosaccharid:
  • Häufigstes Monosaccharid
  • Zentrale Rolle im Stoffwechsel als Energiequelle für den Körper
  • Speicherung in Pflanzen als Stärke und in Tieren als Glykogen
• Weitere Klassifikation je nach Anzahl der Kohlenstoffatome: Triose (C3), Tetrose (C4), Pentose (C5), Hexose (C6), Heptose (C7) usw.

Disaccharide

• 2 Monosaccharide, die über eine glykosidische Bindung miteinander verbunden sind
• Wasserlöslich
• Die glykosidische Bindung wird durch eine Kondensationsreaktion (d.h. durch die Abspaltung eines Wassermoleküls) gebildet.
• Weitere Hydrolysierung durch Enzyme Enzyme Grundlagen der Enzyme, die als Disaccharidasen bezeichnet werden
• Es gibt 2 funktionell unterschiedliche Klassen von Disacchariden:
  • Reduzierende Disaccharide
  • Nicht-reduzierende Disaccharide
  • Um reduzierende von nicht-reduzierenden Disacchariden zu unterscheiden, gilt: Nicht-reduzierende Disaccharide haben in ihrem Namen 2 griechische Buchstaben (Saccharose: α-Glc-(1,2)-β-Fru) und reduzierende nur einen (Maltose: α-Glc-(1,4)-Glc).
• 3 Disaccharide sind merkenswert:
  • Saccharose:
    • α-Glc-(1,2)-β-Fru
    • Nicht-reduzierend
  • Lactose (Milchzucker):
    • β-Gal-(1,4)-Glc
    • Die β-glykosidische Bindung der Lactose ist die einzige β-glykosidische Bindung, die vom Menschen gespalten werden kann (ausgenommen bei Lactoseintoleranz).
  • Maltose (Bierzucker):
    • α-Glc-(1,4)-Glc
    • Reduzierend
    • Maltose entsteht unter anderem durch die Spaltung von Stärke durch die α-Amylase.

Oligosaccharide

• Polymer mit 3 bis 10 Monosaccharid-Einheiten
• Häufig als Glykane vorhanden, d.h. durch N- oder O-glykosidische Bindungen an Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide (Glykolipide) oder an Proteine Proteine Proteine und Peptide (Glykoproteine) gebunden
• Hauptfunktionen
  • Oberflächendifferenzierung (z.B. im Blutgruppensystem)
  • Zelladhäsion

Polysaccharide

• > 10 glykosidisch verbundene Monosaccharid-Einheiten
• Weitere Einteilung in Homo- und Heteroglykane
• Homoglykane:
  • Aneinanderreihung mehrerer gleicher Monosaccharide
  • Stärke und Glykogen sind 2 Homoglykane, die Pflanzen bzw. Tieren als Energiereserven dienen. Sie bestehen beide aus mehreren Glucosemolekülen. Stärke besteht zu 70 % aus Amylopektin (α-1,4- und α-1,6-glykosidische Bindungen) und zu 30 % aus Amylose (α-1,4-glykosidische Bindungen). Glykogen besteht aus α-1,4- und α-1,6-glykosidischen Bindungen. Da Glykogen mehr α-1,6-glykosidische Bindungen enthält, ist es verzweigter als Amylopektin.
  • Die Cellulose dient als Ballaststoff und unterstützt den Darm bei seiner Funktion. Sie besteht ebenfalls aus mehreren Glucosemolekülen (β-1,4-glykosidische Bindungen).
• Heteroglykane:
  • Mehrere unterschiedliche Monosaccharidarten
  • Häufig zusätzliche Verknüpfung mit Proteinen, Lipiden und Peptiden
  • Peptidoglykan ist ein Beispiel und besteht aus Polysaccharidketten, die mit kurzen Peptidketten verbunden sind.
  • Einteilung in Glykosaminoglykane, Glykoproteine und Proteoglykane

Glykosaminoglykane (GAGs)

• Veraltet, bekannt als Mucopolysaccharide
• In Tieren und Bakterien vorhanden
• Lange, lineare Polysaccharide, die aus sich wiederholenden Disaccharideinheiten bestehen
• Die sich wiederholenden Disaccharideinheiten bestehen aus einer Uronsäure und einem Aminozucker.
• Ausnahme: Keratansulfat, das statt aus einer Uronsäure aus Galactose besteht
• Stark polar (negative Ladung) und hydrophi → Wirkung als Schmiermittel oder Stoßdämpfer
• Bestandteil der extrazellulären Matrix (Die Kosmetikindustrie macht sich die aufgrund der Hydrophilie straffende Hyaluronsäure zunutze.)
• Wichtige GAGs:
  • Hyaluronsäure
  • Heparansulfat
  • Chondroitinsulfat
  • Keratansulfat

Glykoproteine

• An Proteine Proteine Proteine und Peptide gebundene Saccharide
• Mehr Proteine Proteine Proteine und Peptide als Kohlenhydrate, verzweigte Kette
• Glykosylierung: Anheftung der Oligosaccharide an ein Protein (posttranslationale Modifikation, die überwiegend im Golgi-Apparat stattfindet). Bis auf das Albumin sind fast alle Blutzellen glykosyliert.
• Funktionen:
  • Integrale Membranproteine
  • Zell-Zell-Interaktionen
  • Immunabwehr ( Immunglobuline Immunglobuline Immunglobuline, MHC-Moleküle)
  • AB0-System
  • Zelldifferenzierung
  • Hormonhaushalt (z.B. follikelstimulierendes Hormon [FSH], Erythropoetin)

Proteoglykane (Mucoproteine)

• GAGs, die kovalent an ein Proteinrückgrat (Core-Protein) gebunden sind
• Mehr Kohlenhydrate als Proteine Proteine Proteine und Peptide, nicht verzweigte Kette
• Bindung von Kationen und Wasser
• Funktionen:
  • Vorkommen in mukösen Sekreten, im Magen-Darm-Trakt und in der Synovialflüssigkeit
  • Zellwandkomponente von Bakterien
  • Signaltransduktion
  • Regulation des Stofftransports innerhalb der extrazellulären Matrix

Überblick

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

• Glykosidische Bindungen:
  • Bindung zwischen dem anomeren Kohlenstoffatom eines Zuckers und einer weiteren chemischen Gruppe. Die Nomenklatur dieser Bindungen besteht wieder aus der α- bzw. β-Konformation und der Nennung der Nummern der jeweiligen anomeren Zentren.
  • Kondensationsreaktionen unter Abspaltung eines H₂O-Moleküls
  • O-glykosidische Bindung: Reaktion zweier Hydroxylgruppen (z.B. mit Serin Serin Synthese nicht-essenzieller Aminosäuren, Threonin oder Tyrosin)
  • N-glykosidische Bindung: Bindung zwischen einer Hydroxyl- und einer Aminogruppe (z.B. Bindung zwischen Ribose und DNA-Basen, Bindung mit Asparagin)
  • Phosphoglykosylierung: Zuckermolekülbindung über Phosphodiesterbindung an Serin-Reste
  • Glypiation: Proteinbindung an Glycosylphosphatidylinositol-Anker (GPI-Anker)
  • C-Glykosylierung: Zuckerbindung an Tryptophan
• Oxidations- und Reduktionsreaktionen:
  • Benedict-Reaktion:
    • Das Benedict-Reagenz wird häufig verwendet, um das Vorhandensein von reduzierenden Zuckern (typischerweise Glucose) im Urin nachzuweisen.
    • Prinzip: reduzierende Zucker reduzieren im alkalischen Milieu Cu²⁺ (Cu²⁺ ist in Lösung normalerweise blau.) zu Cu⁺, wodurch das orangefarbene Cu₂O entsteht. Der Farbwechsel ist der Beweis für das Vorhandensein eines reduzierenden Zuckers.
    • Zucker mit einer freien Aldehyd-/Ketogruppe werden als reduzierende Zucker bezeichnet.
  • Oxidation:
    • Monosaccharide sind reduzierende Zucker, wenn ihre Carbonylgruppen zu Carboxylgruppen oxidiert werden können. Ihre Reaktionspartner werden dabei reduziert.
    • Die meisten Monosaccharide (und manche Disaccharide) haben reduzierende Eigenschaften.
    • Unter milden Oxidationsbedingungen (hypobromige Säure) wird die Aldehydgruppe zu einer Carboxylgruppe oxidiert, wodurch eine Aldonsäure entsteht.
    • Unter starken Oxidationsbedingungen (Salpetersäure + Hitze) werden das erste und das letzte Kohlenstoffatom gleichzeitig zu Dicarbonsäuren oxidiert und es entstehen Zuckersäuren.
  • Reduktion zu Alkoholen:
    • Die C=O-Gruppen in den offenkettigen Formen der Kohlenhydrate können mittels Natriumborhydrid oder katalytischer Hydrierung zu Alkoholen reduziert werden.
    • Endprodukte = Alditole

Physikalische Eigenschaften

Optische Aktivität:

Die optische Aktivität ist die Fähigkeit von Stereoisomeren, die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht zu drehen. Je nach Richtung der Lichtrotation werden die Moleküle als rechtsdrehend (+) oder linksdrehend (-) bezeichnet.

• Die D- und L-Form der Enantiomere haben nichts mit der optischen Aktivität zu tun.
• Äquimolare Mischung zweier Enantiomere = Racemat
  • Kein Vorliegen optischer Aktivität

Ernährung und Funktionen

Kohlenhydrate haben viele Funktionen. Kohlenhydrate dienen in erster Linie als Nahrungsquelle. Darüber hinaus sind sie strukturelle Bestandteile von Zellen und sind an der Immunabwehr und der intrazellulären Kommunikation beteiligt.

Ernährung

• Zusammen mit Fetten und Proteinen gehören Kohlenhydrate zu den drei Makronährstoffen
• Wichtigste Energiequelle des Körpers:
  • Gehirnzellen und Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten sind fast vollständig auf Kohlenhydrate als Energiequelle angewiesen.
  • Kohlenhydrate dienen als sofortige Energiequelle (z.B. Abbau von Glucose in der Glykolyse Glykolyse Glykolyse).
  • Die empfohlene Kohlenhydratzufuhr pro Tag bei einer Zufuhr von 2000 Kalorien pro Tag beträgt 275 Gramm.
  • 45-65 % der Gesamtkalorien
  • 1 Gramm Kohlenhydrate liefert 4 Kilokalorien.
• Quellen:
  • Gemüse, Obst, Vollkornprodukte und Milchprodukte sind wichtige Kohlenhydratquellen.
  • Getreide und bestimmte Gemüsesorten, einschließlich Mais und Kartoffeln, sind reich an Stärke. Süßkartoffeln enthalten hauptsächlich Saccharose und keine Stärke.
  • Obst und dunkelgrünes Gemüse enthalten kaum oder keine Stärke, liefern jedoch Zucker und Ballaststoffe.
• Speicherfunktion:
  • Energiespeicher: Glykogen in Tieren und Stärke in Pflanzen
  • Anstelle von Proteinen können gespeicherte Kohlenhydrate als Energiequelle verwendet werden.

Funktionen

• Zwischenprodukte bei der Biosynthese von Fetten und Proteinen
• Bindung an Lipide Lipide Fettsäuren und Lipide und Proteine Proteine Proteine und Peptide, um Oberflächenantigene, Rezeptormoleküle, Vitamine und Antibiotika zu bilden
  • Wichtig für die Zell-Zell-Kommunikation und für Interaktionen zwischen Zellen und anderen Elementen in der Zellumgebung
• Wichtiger Bestandteil des Bindegewebes bei Tieren
• Ballaststoffreiche Kohlenhydrate helfen, Verstopfung vorzubeugen.
• Rückgrat der RNA RNA Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA und DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA

Stoffwechsel

Kohlenhydrate sind für viele Stoffwechselprozesse im Körper von zentraler Bedeutung und umfassen die gesamten biochemischen Prozesse, die für die Bildung, den Abbau und die Umwandlung von Kohlenhydraten in lebenden Organismen verantwortlich sind.

Wichtige Stoffwechselwege:

• Glykolyse Glykolyse Glykolyse: Umwandlung von Glucose in Pyruvat Pyruvat Glykolyse unter aeroben Bedingungen und in Lactat unter anaeroben Bedingungen, wodurch 50 % des täglichen Energiebedarfs gedeckt werden
• Gluconeogenese Gluconeogenese Gluconeogenese: Neubildung von Glucose aus zwei Pyruvat-Molekülen
• Glykogenolyse Glykogenolyse Glykogenstoffwechsel: Abbau von Glykogen in Leber Leber Leber, Muskeln und Nieren Nieren Niere
• Glykogenese Glykogenese Glykogenstoffwechsel: Umwandlung von Glucose in Glykogen
• Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg Pentosephosphatweg (PPW):
  • Alternativer Weg zur Oxidation von Glucose
  • Anaboler Stoffwechselweg
  • Hauptsächlich in Erythrozyten Erythrozyten Erythrozyten
  • Erzeugung von Pentosen (u.a. Ribose-5-phophat) und Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADPH)
• Fructose-Stoffwechsel: Phosphorylierung der Fructose zu Fructose-1-phosphat durch die Fructokinase und Umwandlung in Glycerinaldehyd-3-phosphat, woraufhin der Eintritt in die Glykolyse Glykolyse Glykolyse oder Gluconeogenese Gluconeogenese Gluconeogenese folgt
• Galactose-Stoffwechsel: Phosphorylierung von Galactose zu Galactose-1-phosphatdurch die Galactokinase und anschließend Umwandlung in Glucose-6-phosphat, um in die Glykolyse Glykolyse Glykolyse oder Gluconeogenese Gluconeogenese Gluconeogenese einzutreten

Klinische Relevanz

• Störungen der Glykogenspeicherung: Es gibt mehrere Erkrankungen, bei denen die Glykogenspeicherung gestört ist. Die häufigsten Erkrankungen aus diesem Spektrum sind die Von-Gierke-Krankheit, der Morbus Pompe Morbus Pompe Glykogenspeicherkrankheiten und die McArdle-Krankheit. Die Behandlung hängt von der Erkrankung ab und kann eine Ernährungsumstellung, eine Enzymersatztherapie oder eine Behandlung mit Medikamenten wie Allopurinol Allopurinol Medikamente zur Behandlung von Gicht umfassen.
• Galaktosämie Galaktosämie Galaktosämie: Dies ist eine autosomal-rezessiv vererbbare Erkrankung, die aufgrund eines Mangels an Galactose-1-Phosphat-Uridyltransferase einen gestörten Galactose-Metabolismus verursacht. Die Galaktosämie Galaktosämie Galaktosämie präsentiert sich bei Säuglingen mit Symptomen wie Lethargie, Übelkeit, Erbrechen Erbrechen Erbrechen im Kindesalter, Durchfall Durchfall Durchfall (Diarrhö) und akutem Leberversagen. Die Therapie beinhaltet eine lebenslange lactose- und galactosefreie Diät. Zu den schwerwiegenden neurologischen Komplikationen zählen sprachliche und motorische Defizite.
• Störungen des Fructosestoffwechsels Störungen des Fructosestoffwechsels Störungen des Fruktosestoffwechsels: Die essenzielle Fructosurie, die hereditäre Fructoseintoleranz und die intestinale Fructoseintoleranz zählen zu den wichtigsten Pathologien des Fructosestoffwechsels. Abhängig von der Erkrankung können die Betroffene asymptomatisch sein oder Symptome wie Erbrechen Erbrechen Erbrechen im Kindesalter, Blähungen und Durchfall Durchfall Durchfall (Diarrhö) aufweisen. Die grundlegende Behandlung ist eine Ernährungsumstellung.
• Lactoseintoleranz: beschreibt eine Erkrankung, die durch einen Mangel des Enzyms Lactase im Dünndarm Dünndarm Dünndarm verursacht wird. Es gibt vier Formen dieser Krankheit: primär, sekundär, entwicklungsbedingt und angeboren. Eine Lactoseintoleranz führt zu einer verminderten Fähigkeit, Lactose zu verdauen, wodurch diese im Darmlumen verbleibt und der Umgebung osmotisch Wasser entzieht. Zu den Symptomen zählen Bauchschmerzen, Blähungen, Durchfall Durchfall Durchfall (Diarrhö) und Übelkeit.