Neben den Proteinen und Fetten gehören die Kohlenhydrate zu den drei Hauptnahrungsbestandteilen. Sie sind die wichtigsten Energielieferanten des menschlichen Körpers. Glucose ist dabei der bekannteste Vertreter. Aber was sind Kohlenhydrate aus chemischer Sicht? Welche anderen Zucker spielen für uns noch eine Rolle? Wie werden sie zu Makromolekülen verknüpft? Damit beschäftigt sich der folgende Beitrag.
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Bild: „Sugar Lips“ von Jeanny. Lizenz: CC BY 2.0


Aufbau eines Monosaccharids

Kohlenhydrate sind chemisch gesehen Polyhydroxy-Aldehyde bzw. -Ketone. Man nennt sie je nach dem Aldosen oder Ketosen. Es handelt sich um Kohlenstoffketten, die mit Hydroxylgruppen substituiert sind und endständig eine Aldehyd-, bzw. mittelständig eine Ketogruppe aufweisen. Formell kommt auf jedes Kohlenstoff ein Molekül Wasser =

Cn(H2O)n (= Kohlen-Hydrat).

Die Nomenklatur kann sich auch nach der Anzahl der C-Atome richten. Triosen bestehen aus 3, Tetrosen aus 4, Pentosen aus 5 C-Atomen usw.. Eine besondere Stellung nehmen die Hexosen ein.

Da sie mehr als ein asymmetrisches C-Atom aufweisen treten stereoisomere Strukturen auf. Man kann sie einer L- oder R-Reihe zuordnen. Ausschlaggebend ist das Chiralitätszentrum, das am weitesten von der Aldehyd- oder Ketogruppe entfernt liegt. Bei den Hexosen wäre das das C5-Atom.

Monosaccharide sind die Einzelbausteine großer Kohlenhydrate. Der wichtigste Vertreter ist die D-Glucose. Sie ist eine Aldohexose. Neben ihrer Kettenform tritt sie durch intramolekulare Halbacetalbildung auch in ihrer Ringform auf. Die reduzierende Aldehydgruppe verknüpft sich mit der sog. halbacetalischen OH-Gruppe des C5-Atoms (alle anderen OH-Gruppen werden als alkoholische OH-Gruppe bezeichnet). Das C1 wird zum neuen asymmetrischen C-Atom, wodurch zwei mögliche isomere Strukturen auftreten können: Bei der α-Form ragt die neue halbacetalische OH-Gruppe des C1 nach unten, bei der β-Form nach oben.

In einer Lösung stellt sich zwischen diesen beiden Ringformen ein Gleichgewicht ein. Sie wandeln sich über die Kettenform in einander über. Das Verhältnis zwischen α-Form – offenkettig – β-Form beträgt ca. 36% – 0,1% – 64%.

Die D-Glucose ist durch ihre Hydroxylgruppen sehr gut in Wasser und Ethanol löslich, allerdings schlecht in organischen, unpolaren Lösungsmitteln. Sie wirkt über ihre Aldehydgruppe reduzierend. Diese Eigenschaft kann mit Fehling’scher Lösung nachgewiesen werden. Eine positive Reaktion wird durch Rotfärbung der Lösung angezeigt.

Ein weiterer Vertreter der Monosaccharide ist die D-Fructose. Sie ist im Gegensatz zur Glucose eine Ketohexose. Die Ketogruppe befindet sich am C2-Atom. Auch hier beobachtet man eine intramolekulare Halbacetalbildung, wobei sich eine pyranoide Ringform (Pyranose, 6-Ring) bildet, wenn C6 und C2 eine Bindung eingehen. Eine furanoide Form (Furanose, 5-Ring) entsteht nach Ringschluss zwischen C5 und C2. Für jede Ringstruktur existieren wieder jeweils 2 Isomere: Eine α- und eine β-Form.

Auch die Fructose ist polar und löst sich somit in polaren Lösungsmitteln, wie Wasser. Es besitzt keine Aldehydgruppe, kann aber dennoch reduzierend wirken. Voraussetzung ist ein basisches Milieu. Bei Anwesenheit von Hydroxidionen wandelt sich die Fructose in ihre sog. Endiol-Form um, die sich weiter zur D-Glucose umlagern kann (Keto-Enol-Tautomerie). Das bedeutet, die Fehling’sche Reaktion ist positiv.

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D-Fructose und ihre Ringformen

Die Galaktose und Mannose sind Diastereomere der D-Glucose. Man sollte auch sie in ihrer Struktur kennen, da sie Bausteine der im Körper auftretenden Kohlenhydrate sein können.

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D-Galaktose und D-Mannose als Diastereomere der D-Glucose

Die Verknüpfung zu Disacchariden

Die Verknüpfung der Ringformen zweier Monosaccharide führt zu einem Disaccharid. Man spricht von einer monogykosidischen Bindung, wenn sie sich zwischen einer halbacetalischen OH-Gruppe und einer alkoholischen OH-Gruppe des anderen Monosaccharids unter Wasserabspaltung ausbildet. An einer diglykosidischen Bindung sind zwei halbacetalische OH-Gruppen beteiligt.
Als „Vornamen“ kann noch angegeben werden, von welchen C-Atomen die OH-Gruppen stammen.

Ein Beispiel für ein Disaccharid ist die Maltose. Sie ist aus zwei D-Glucose-Molekülen aufgebaut, wobei die erste in ihrer α-Form auftritt. Die Sauerstoffbrücke befindet sich zwischen dem C1 und dem C4. Man nennt sie daher α1-4-monoglykosidische Bindung. Welche Konfiguration das zweite Molekül aufweist, spielt keine Rolle. Wichtig ist lediglich, dass noch eine weitere halbacetalische OH-Gruppe vorhanden ist. Dadurch besitzt auch die Maltose eine reduzierende Wirkung.

Ein anderes Disaccharid ist die Lactose. Sie besteht aus einer D-Galaktose in β-Ringform und einer D-Glucose, die über eine β1-4-monoglykosidische Bindung verbunden sind. Um Lactose aus der Nahrung zu spalten, bedarf es deshalb einem speziellen Enzym, der Lactase. Manche Menschen habe diese nicht und sind dadurch laktoseintolerant.

Die Saccharose unterscheidet sich in einem wichtigen Punkt von der Maltose und der Lactose. Hier haben sich eine α-D-Glucose und eine β-D-Fructo-Furanose verknüpft, sodass man von einer α1-β2-diglykosidischen Bindung spricht. Dieses Disaccharid besitzt nun keine halbacetalische OH-Gruppe mehr und kann keine reduzierende Wirkung entfalten.

Polysaccharide – Ketten aus Monosacchariden

Gehen viele Monosaccharide gykosidische Bindungen ein, so nennt man sie Polysaccharide. Voraussetzung ist, dass jeder angehängte Baustein über eine halbacetalische OH-Gruppe verfügt, damit weitere Monosaccharide hinzu kommen können. Die für den Menschen wichtigen Polysaccharide werden im Folgenden vorgestellt.

Bei den in der Nahrung vorkommenden Kohlenhydraten handelt es sich meist um Stärke. Es ist ein Stoffgemisch aus 25% Amylose (nicht zu verwechseln mit dem Enzym Amylase!) und 75% Amylopektin. In der Amylose sind 300-1200 α-D-Glucose-Moleküle über α1-4-monoglykosidische Bindungen zusammengefügt.

Die Kette windet sich zu einer Helixstruktur auf. In dem so erzeugten Hohlraum können sich andere Moleküle, wie Jod einlagern. Die typische Blaufärbung bei Jod-Zugabe kann daher als Stärkenachweis genutzt werden.

Das Amylopektin besteht aus bis zu 12 000 Glucosebausteinen und verfügt zusätzlich über α1-6-monoglykosidische Bindungen. Somit nimmt es eine verzweigte Struktur ein.

Die Stärke wird über das Verdauungssystem in ihre Einzelbausteine zerlegt und für die Energieversorgung zur Verfügung gestellt. In Muskel und Leber kann überschüssige Glucose als Glykogen gespeichert werden. Es ist dem Amylopektin sehr ähnlich, nur der Verzweigungsgrad und die Anzahl an Monomeren ist deutlich höher. Dadurch lässt sich nicht nur Platz sparen. Bei Glucosemangel gibt es viele Ansatzpunkte, über die Glucose schnell aus dem Glykogen abgebaut werden kann. Ein Glykogen besteht aus bis zu 100 000 Glucosebausteinen.

Dem gegenüber gestellt, handelt es sich bei der Cellulose um einen pflanzlichen Gerüststoff. Lange β1-4-monoglykosidisch verbundene β-D-Glucose-Ketten lagern sich aneinander und werden über Wasserstoffbrückenbindungen zusammen gehalten. So entsteht ein unlösliches, faseriges Material. Anders als Glykogen oder Stärke können die meisten Säugetiere diese β-glykosidische Bindung nicht aufspalten und Cellulose somit nicht verdauen. Wiederkäuer sind dazu in der Lage, weil sie Bakterien besitzen, die über die Cellulase verfügen – das Cellulose spaltende Enzym.

Die Reihe „Chemie für Mediziner“ erscheint regelmäßig.

Auswahl vergangener Beiträge:

Warum reagieren Stoffe?

Reaktionsenthalpie

Chemische Bindungsarten

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