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B978-3-437-29695-6.50026-1

10.1016/B978-3-437-29695-6.50026-1

978-3-437-29695-6

(A) Helix der Amylose. (B) Amylopektin-Molekül. (C) Glykogen-Molekül. Bei (B) und (C) schematische Darstellung, um die Häufigkeit der 1,6-Verzweigungen sichtbar zu machen.

Oligosaccharide als Baustein eines Glykoproteins auf der Außenseite einer Membran.

Allgemeine Klassifizierung.

Tab. 20/1
Substanzklasse Zahl der Bausteine Beispiel
Monosaccharid 1 D-Glucose, D-Fructose
Disaccharid 2 Saccharose, Maltose
Trisaccharid 3 Streptomycin (Pseudotrisaccharid)
Oligosaccharid 4 – 10 Blutgruppen-Determinanten
Polysaccharid > 10 Cellulose, Stärke, Glykogen (Biopolymere)

Klassifikation der Monosaccharide.

Tab. 20/2
Zahl der C-Atome Klassifizierung Beispiel
3 Triose d-Glycerinaldehyd
4 Tetrose d-Threose
5 Pentose d-Ribose
6 Hexose d-Glucose
7 Heptose Sedoheptulose

Namen und Abkürzungen von acht Monosacchariden, die in Glykolipiden und Glykoproteinen eine Rolle spielen.

Tab. 20/3
Monosaccharid Abkürzung
d-Glucose Glc
N-Acetyl-d-glucosamin GlcNAc
d-Galactose Gal
N-Acetyl-d-galactosamin GalNAc
d-Mannose Man
l-Fucose Fuc
N-Acetyl-neuraminsäure (Sialinsäure) NeuNAc (Sia, auch NANA)
d-Xylose (Pentose) Xyl

Beispiele für synthetische Polymere, die als Biomaterialien Anwendung inden.

Tab. 20/4
Polymer Substanzklasse Anwendungsbeispiele
PU (Polyurethan)
  • [-NH-CO-O-]n

  • Am N mit Aromaten,

  • am O mit Glykol verbunden

Hautimplantate, Dialyse­membranen, Herzklappen
PGL (Poly-glycolid-co-lactid) Polyester aus Glykol- und Milchsäure Selbstabbauende Fäden, Anzucht von Gewebe
PHEMA (Polyhydroxy-ethylmethacrylate) Polymer aus einem Acrylsäurederivat Kontaktlinsen, implantierbare Linsen, Harnblasenkatheter
PMMA „Plexiglas” (Polymethylmethacrylate) Polymer aus einem Acrylsäurederivat Künstliche Augenlinsen, Kno­chenzement, Zahnfüllungen
PEEK (Polyether-etherketone) Aromatische Phenylether über Ketogruppen verbunden Osteosyntheseplatten, Hüft­gelenksschäfte
Polysiloxane „Silikon” Polymer aus Silicium-organi-schen Verbindungen (Ketten oder Netze) Künstliche Gelenke z. B. für Finger und Zehen, Herzklappen, Brustimplantate
PTFE „Teflon” (Polytetrafluorethylene) Polymer aus Tetrafluorethen Künstliche Blutgefäße

Kohlenhydrate

Orientierung

Mit Hilfe von Sonnenlicht als Energiequelle werden Kohlenhydrate von den grünen Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser jährlich in unvorstellbaren Mengen gebildet (Photosynthese). So wird Sonnenenergie als chemische Energie in den Kohlenhydraten „eingelagert” und steht in dieser Form für das Leben auf der Erde zur Verfügung.

Kohlenhydrate haben ganz unterschiedliche Funktionen: Sie dienen als Gerüstbaustein, als Energiequelle, als Vorstufen für die Biosynthese anderer Zellbausteine und bilden die immunologische Identität der Körperzellen aus. Die Zell-Zell-Erkennung und damit die Abgrenzung zwischen „Selbst” und „Nichtselbst” basiert auf einem Kohlenhydrat-Netzwerk (Glykokalix) an der Zelloberfläche.

Die Funktion der Kohlenhydrate ergibt sich aus ihrer chemischen Struktur, ihren physikalischen Eigenschaften und ihren typischen Reaktionen. Kenntnisse dieser mehr chemischen Aspekte erleichtern den Einstieg in die Biochemie.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Was sind Monosaccharide und worin unterscheiden sie sich?

  • Wie bildet sich die cyclische Halbacetalform der Glucose?

  • Was hat Vitamin C in diesem Kapitel zu suchen?

  • Woran erkennt man die glykosidische Bindung in Di- und Polysacchariden?

  • Was versteht man unter Lactoseintoleranz?

Bausteine und Biopolymere

Der Name „Kohlenhydrat” ist schon früh entstanden und drückt aus, dass eine Reihe verwandter Naturstoffe die allgemeine Summenformel Cn(H2O)n haben. Formal verbindet sich der Kohlenstoff mit Wasser, im übertragenen Sinn strukturiert er das Wasser.

Kohlenhydrat

In der Natur gibt es Kohlenhydrat-Bausteine mit 3 – 9 C-Atomen, die sog. Monosaccharide, die durch ihre funktionellen Gruppen als Polyhydroxy-aldehyde (Aldosen) oder Polyhydroxy-ketone (Ketosen) einzuordnen sind. Diese Verbindungen und alle anderen, die diese Bausteine enthalten oder durch einfache Umwandlung aus ihnen hervorgehen, rechnen zu den Kohlenhydraten. Im Namen geben sich viele Kohlenhydrate durch die Endsilbe „-ose” zu erkennen. Die größte Bedeutung haben die Bausteine mit sechs C-Atomen. Tabelle 20/1 gibt eine Übersicht über die Klassifizierung nach der Zahl der Bausteine.

Aldosen, Ketosen

Monosaccharide mit einer Aldehydgruppe bezeichnet man als Aldosen, solche mit einer Ketogruppe als Ketosen.

Kohlenhydrate entstehen in der grünen Pflanze durch Photosynthese. Neben Kohlendioxid und Wasser wird die Energie des Sonnenlichts benötigt, bei der sog. Lichtreaktion ist Chlorophyll der Katalysator. Die Photosynthese stellt eine Reduktion des Kohlendioxids dar und wird für den Fall von n = 6 formuliert. Glucose mit sechs C-Atomen (Hexose) ist das Zielmolekül der Photosynthese. Der Prozess läuft jedoch über mehrere Zwischenstufen.

Photosynthess : n CO 2 + n H 2 O + Sonnenlicht Chlorophyll C n ( H 2 O ) n + n O 2

Beispiele für Biopolymere.
Insbesondere Cellulose, ein Biopolymer aus Glucose-Bausteinen, macht den weitaus größten Teil organischen Materials auf der Erdoberfläche aus und wird jährlich in großen Mengen von den grünen Pflanzen produziert. Cellulose ist das Kohlenhydrat, das Pflanzen Festigkeit und Form gibt. Andere strukturbildende Kohlenhydrat-Biopolymere sind z. B. Chitin, das die feste Hülle von Insekten und Krebstieren ausmacht, oder Murein (Peptidoglykan), aus dem sich u. a. die Zellwände von Bakterien aufbauen. Ferner gibt es typische Speicherformen von Kohlenhydraten, z. B. Stärke (bei Pflanzen) und Glykogen (beim Menschen). Beide Biopolymere sind wie Cellulose nur aus Glucose-Bausteinen aufgebaut.

Cellulose

Chitin, Murein

Stärke,Glykogen

Verwertung von Kohlenhydraten.
Durch Oxidation wird die in den Kohlenhydraten gespeicherte Energie wieder freigesetzt. Dies kann im Stoffwechsel von Tier und Mensch geschehen oder durch Verbrennung.

Oxidation ( Verbrennung ) : C n ( H 2 O ) n + n O 2 n CO 2 H 2 O + Energie

Kohlenhydrate sollten nicht nur unter dem Blickwinkel „Energie” gesehen werden, gleichermaßen muss man den CO2-Kreislauf im Auge haben. Die Zunahme von CO2 als Treibhausgas in der Erdatmosphäre hängt mit der Verbrennung fossiler Rohstoffe (Kohle, Erdöl) zusammen, deren Bildung auf Kohlenhydrate zurückgeht, die im Verlauf der Erdgeschichte zu Kohlenstoff bzw. Kohlenwasserstoffen verwandelt worden sind. Die Brandrodung tropischer Regenwälder leistet einen doppelten Beitrag, einmal wird CO2 freigesetzt, gleichzeitig aber die „grüne Erdoberfläche” reduziert, die CO2 binden kann. Fossile Brennstoffe und Wälder sind gewissermaßen eine CO2-Senke, d. h., überschüssiges CO2 wurde und wird sicher verpackt und gelagert. Wenn der Mensch diese Senken in wenigen Jahrzehnten auflöst und die Möglichkeiten zur Regeneration zerstört, kann dies der Erde und dem Leben auf ihr nicht dienlich sein.

CO2-Kreislauf

Kohlenhydrate sind nachwachsende Rohstoffe. Ihre Nutzung, ohne zur direkten Verbrennung zu greifen, ist Gegenstand aktueller Forschung in der Biotechnologie. Unverdauliches Stroh in Treibstoff (z. B. Ethanol), Biogas oder verwertbare Futtermittel umzuwandeln hieße, aus Stroh „Gold” zu machen.

Monosaccharide

Die Monosaccharide (Einfachzucker) werden nach der Zahl der C-Atome klassifiziert (Tab. 20/2). Jedes Monosaccharid besitzt einen Trivialnamen, aus dem sich die Zahl der C-Atome jedoch nicht ergibt (siehe Beispiele in Tab. 20/2). Die Konstitution der d-Glucose z. B. lässt sich durch den systematischen Namen 2,3,4,5,6-Pentahydroxy-hexanal angeben. Im Namen d-Glucose ist somit versteckt, dass es sich um einen Polyhydroxyaldehyd mit sechs C-Atomen handelt. Zusätzlich ergibt sich aus den Namen auch die Konfiguration aller vier Chiralitätszentren. Um dies zu verstehen, benötigt man ein spezielles Zucker-Vokabular, das wir Ihnen nachfolgend vermitteln.

Monosaccharide

Triosen

Die einfachsten Monosaccharide enthalten nur drei C-Atome (Triosen), es sind Glycerinaldehyd und Dihydroxyaceton. Sie stehen als 3-Phosphate (Phosphatester in Position 3) unter Beteiligung eines Enzyms (Isomerase) miteinander im Gleichgewicht. In alkalischer Lösung stellt sich dieses Gleichgewicht auch zwischen den Triosen selbst ein. Zwischenprodukt ist das tautomere Endiol. Die CO-Gruppe kann also formal zwischen C-1 und C-2 ihren Platz wechseln.
Dihydroxyaceton besitzt kein Chiralitätszentrum. Beim Glycerinaldehyd haben wir die Enantiomere (d und l) schon kennen gelernt. Für die Darstellung der Konfiguration wurde die Fischer-Projektion eingeführt ( Kap. 18.1.4), in der d-Form weist die OH-Gruppe an C-2 nach rechts. (+) und (–) weisen auf die optische Aktivität hin ( Kap. 18.1.2).

Tetrosen

Aldotetrosen wie die Threose und Erythrose besitzen zwei Chiralitätszentren, es gibt 22 = 4 Stereoisomere. Sie erkennen zwei Enantiomerenpaare, anders kombiniert sind die Verbindungen zueinander diastereomer. Das „d” vor dem Trivialnamen gibt an, dass das Chiralitätszentrum, das von der CO-Gruppe am weitesten entfernt ist (also C-3), in seiner Konfiguration mit C-2 des d-Glycerinaldehyds übereinstimmt (OH grau unterlegt). Entsprechend gleichen Verbindungen der l-Reihe an diesem C-Atom dem l-Glycerinaldehyd.
Die Konfiguration am anderen Chiralitätszentrum der Tetrosen (in diesem Fall das C-Atom in Position 2) ist durch den Trivialnamen der Verbindungen festgelegt. Man muss sich also einprägen, dass in der Erythrose die Hydroxygruppen in der Fischer-Projektion auf derselben Seite, in der Threose entgegengesetzt stehen. d- und l-Erythrose sind Enantiomere. Dies bedeutet, dass nicht nur C-3, das die Einordnung in die d- oder l-Reihe bestimmt, entgegengesetzt konfiguriert ist, sondern auch C-2, damit Bild und Spiegelbild der Tetrosen entstehen. Die Begriffe „threo” und „erythro” kennzeichnen die Stereochemie zweier benachbarter C-Atome und leiten sich von den Tetrosen ab ( Kap. 18.2.1).

d/l-Reihe

Pentosen

Von den Aldopentosen mit drei Chiralitätszentren existieren schon 23 = 8 Stereoisomere. Die d-Ribose, ein Baustein der Ribonucleinsäuren (RNA, engl. ribonucleic acid), ist eines von diesen. Fehlt die OH-Gruppe an C-2, erhält man die 2-Desoxy-d-ribose, den Baustein der Desoxyribonucleinsäuren (DNA). Die zur d-Ribose gehörige Ketose ist die d-Ribulose (als Phosphat im Zellstoffwechsel vorkommend), die wie alle Ketosen ein Chiralitätszentrum weniger aufweist als Aldosen gleicher C-Atom-Zahl.
An C-2 von Ribulose-1,5-bisphosphat lagert sich bei der Photosynthese in Gegenwart des Enzyms Ribulose-1,5-bisphosphat-carboxylase (Rubisco) das Kohlendioxid aus der Luft an. Das instabile Primärprodukt zerfällt in zwei Moleküle 3-Phospho-glycerinsäure, von der aus der Aufbau der Monosaccharide unter Rückbildung der Ribulose beginnt.

Hexosen

Die wichtigsten Monosaccharide, die Hexosen, haben die Summenformel C6H12O6. Von den Aldohexosen gibt es 24 = 16 Stereoisomere, eines von diesen ist die weit verbreitete d-Glucose (= Dextrose, Traubenzucker). Die Konfiguration an C-5 bestimmt ihre Zugehörigkeit zur d-Reihe. Die Angabe „gluco” im Namen Glucose legt die Konfiguration der anderen Chiralitätszentren fest. Hier darf beim Aufschreiben nichts verwechselt werden, sonst erhält man einen anderen Zucker. Um sich die Anordnung der OH-Gruppen von C-1 kommend (rechts, links, rechts, rechts) zu merken, kann das „ta, tü, ta, ta” der Feuerwehr helfen.

d-Glucose enthält sechs C-Atome (Hexose), eine Aldehydgruppe (Aldose), vier sekundäre Alkoholgruppen, deren C-Atome chiral sind, und eine primäre Alkoholgruppe. Die d-Reihe ergibt sich, weil die OH-Gruppe an C-5 in der Fischer-Projektion rechts steht.

Aldose

Zwei andere Aldohexosen, die d-Mannose und d-Galactose, haben außerdem im Stoffwechsel Bedeutung. Sie unterscheiden sich von der d-Glucose jeweils nur in der Konfiguration an einem C-Atom, Mannose an C-2, Galactose an C-4. Man sagt, d-Glucose und d-Galactose sind an C-4, d-Glucose und d-Mannose an C-2 epimer. Alle drei Verbindungen sind diastereomer zueinander und optisch aktiv.

Monosaccharide, die sich nur an einem Chiralitätszentrum unterscheiden, bezeichnet man als Epimere.

Epimere

Ketose

d-Fructose (= Lävulose, Fruchtzucker) ist eine Ketohexose und enthält ein Chiralitätszentrum weniger als d-Glucose. In der Konfiguration der anderen drei Zentren stimmen beide jedoch überein. Der biologische Abbau von d-Glucose, die Glykolyse, ist universell für alle Lebewesen und stellt Energie bereit. Entscheidend ist hierbei das Eingreifen des Phosphors, denn die Glykolyse startet mit der Umwandlung von Glucose in Glucose-6-phosphat unter Verbrauch von ATP. Die nächsten Schritte sind die Isomerisierung zu Fructose-6-phosphat und dessen Phosphorylierung zu Fructose-1,6-bisphosphat unter erneutem Verbrauch von ATP. Erst jetzt ist die C6-Zuckerkette so vorbereitet, dass der Abbau durch das Enzym Aldolase in zwei C3-Bausteine (Glycerinaldehyd-3-phosphat und Dihydroxyaceton-phosphat) beginnen kann ( Kap. 14.8). Zweierlei ist hier bemerkenswert:
  • 1)

    Am Beginn der Glykolyse muss die Zelle Energie in Form von ATP „investieren”, diese wird dann erst in späteren Abbauschritten „zurückgewonnen”.

  • 2)

    Die eigentlich Stoffwechsel-aktive Zuckerkomponente ist nicht die universelle Glucose, sondern die Fructose. Durch die Umwandlung gelingt es in der Zelle, den Aufgabenbereich „Glykolyse” von anderen Aufgabenbereichen (z. B. Glykogenbildung, Glykoproteinbildung) zu trennen. Mit anderen Worten: Jede der oben abgebildeten Hexosen hat im Stoffwechsel ihre eigene Aufgabe.

Die Stereochemie der Monosaccharide wird von der d-Konfiguration, die der proteinogenen Aminosäuren von der l-Konfiguration bestimmt.

Eigenschaften und Reaktionen der Monosaccharide

Monosaccharide sind farblos und durch die hydrophilen Hydroxygruppen im Molekül gut wasserlöslich. Die wässrigen Lösungen schmecken mehr oder weniger süß. Beim Erhitzen werden die Verbindungen ohne zu schmelzen braun (karamellfarben). Konzentrierte Schwefelsäure entzieht den Verbindungen das Wasser, zurück bleibt schwarzer Kohlenstoff.
Aldosen sind an der Aldehydgruppe oxidierbar ( Kap. 14.3), aus d-Glucose entsteht dabei d-Gluconsäure (Anion: Gluconat). Diese Reaktion lässt sich mit Tollens-Reagenz ([Ag(NH3)2]) durchführen, es entsteht metallisches Silber (Ag). Auch Fehling-Lösung (tiefblauer Tartrat-Komplex von Cu2) als Oxidationsmittel ist ein geeignetes Reagenz; die Probe ist positiv, wenn sich rotes Kupfer(I)-oxid (Cu2O) abscheidet. Man kann so reduzierende Kohlenhydrate nachweisen.

Zuckersäuren

Auch d-Fructose reagiert mit Fehling-Lösung. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass die Reagenzlösungen alkalisch sind und unter diesen Bedingungen Ketosen und Aldosen über ein Endiol miteinander im Gleichgewicht stehen ( Kap. 20.2.1).
Im Zellstoffwechsel gibt es die Variante, dass die primäre Alkoholgruppe unter Erhalt der Aldehydgruppe oxidiert wird. Es entstehen die Uronsäuren, aus d-Glucose die d-Glucuronsäure (Anion: Glucuronat). Man behält hier die Fischer-Projektion der d-Glucose bei, obwohl das am höchsten oxidierte C-Atom jetzt unten steht.

Zuckeralkohole

Die Reduktion der Aldehydgruppe liefert Zuckeralkohole, aus d-Glucose wird d-Glucitol (= d-Sorbit), das als Zuckerersatzstoff Verwendung findet. Entsprechend entsteht aus d-Mannose das Mannitol (= Mannit), das als meso-Form optisch inaktiv ist.

Bildung cyclischer Halbacetale, Haworth-Formel

Aldehyde und Ketone bilden mit Alkoholen Halbacetale ( Kap. 14.5). Aus günstiger Position heraus kann sich auch eine Hydroxygruppe desselben Moleküls an die CO-Gruppe addieren. Dies beobachtet man bei den Pentosen und Hexosen, die in wässriger Lösung ganz überwiegend als cyclische Halbacetale vorliegen. Die offenkettige Schreibweise entspricht also nicht der Realität.

cyclisches Halbacetal

Um beim Aufschreiben der Ringe die Stereochemie der Monosaccharide richtig zu erfassen, gehen wir am Beispiel der d-Glucose von der offenkettigen Formel in der Fischer-Projektion aus und falten die Kette ringförmig. Die durch Striche markierten OH-Gruppen in gerader und gefalteter Kette entsprechen sich. Durch Drehung um die C-4/C-5-Bindung bringen wir die OH-Gruppe an C-5 (blau markiert) in die Position, die eine Addition dieser OH-Gruppe an die Aldehyd-CO-Gruppe erlaubt. Die Halbacetalbildung führt zu einem Sechsring, der ein Sauerstoffatom enthält und sich damit vom Heterocyclus „Pyran” ableitet. Monosaccharide in dieser Form bezeichnet man als Pyranosen.

Pyranose

Haworth-Formel

Die cyclischen Halbacetale sind jetzt in der sog. Haworth-Formel dargestellt. Die Ringatome legt man in eine Ebene, auf die man perspektivisch von schräg oben blickt. Das Sauerstoffatom liegt bei den Pyranosen rechts hinten. Die Substituenten stehen oberhalb und unterhalb der Ringebene und legen damit die Konfiguration der Chiralitätszentren im Ring fest. Es gilt die Floh-Regel: Was bei „Fischer links”, ist „oben bei Haworth”. Das Halbacetal-Strukturelement ist in den Formeln farbig markiert.
Anomere.
Beim Ringschluss zum cyclischen Halbacetal entsteht ein neues Chiralitätszentrum, weil das C-Atom der Aldehydgruppe vierbindig (tetraedrisch) wird und vier verschiedene Substituenten trägt. In der Haworth-Formel kann die neue OH-Gruppe (in Magenta hinterlegt) oberhalb der Ringebene liegen und in die gleiche Richtung weisen wie die CH2OH-Gruppe an C-5. Man spricht von der β-Form. Weist die OH-Gruppe nach unten, liegt die α-Form vor. Aus der offenkettigen d-Glucose bilden sich β-d-Glucopyranose und α-d-Glucopyranose (s. Formeln). Beide stehen in wässriger Lösung über die offenkettige Form (< 1 %) miteinander im Gleichgewicht (Verhältnis α/β = 36/64).

α/β-Form

Stereoisomere Kohlenhydrate in der cyclischen Halbacetalform, die sich in der Konfiguration am ehemaligen Carbonyl-C-Atom unterscheiden, heißen Anomere.

Anomere

Löst man das reine α-Anomer ([α]D = + 112°) in Wasser auf, dann nimmt der Drehwert langsam ab und erreicht nach einiger Zeit einen konstanten Wert ([α]D = + 53°). Bis zu diesem Betrag steigt der Drehwert, wenn man vom reinen β-Anomeren ausgeht ([α]D = + 19°). Den Vorgang bezeichnet man als Mutarotation. Sie tritt auf, weil sich das Gleichgewicht zwischen den Anomeren einstellt. Die Anomere der d-Glucopyranose sind Diastereomere und haben verschiedene physikalische Eigenschaften.

Mutarotation

Die Haworth-Formel für jeden Zucker anzugeben erfordert ein gutes Gedächtnis. Bei der d-Glucose geht man entweder von der Fischer-Projektion aus oder man baut sich folgende Gedächtnisbrücke:

Haworth-Formel für d-Glucose:

  • 1.

    Pyranosering zeichnen (O-Atom rechts hinten).

  • 2.

    CH2OH-Gruppe an C-5 (links hinten) zeigt nach oben. Dies gilt für alle Zucker der d-Reihe.

  • 3.

    Von C-5 ausgehend, sind die OH-Gruppen am Ring alternierend nach unten (C-4), oben (C-3), unten (C-2) angeordnet (Floh-Regel).

  • 4.

    Im β-Anomer weist die OH-Gruppe an C-1 nach oben (in dieselbe Richtung wie die CH2OH-Gruppe); beim α-Anomer nach unten.

Von d-Mannose und d-Galactose wissen wir, dass sie Epimere der Glucose sind. Wir schreiben die Verbindungen in der Haworth-Formel nebeneinander und lassen an C-1 durch die gewellte Bindung offen, welches der Anomere vorliegt. Am Gleichgewicht sind beide beteiligt.

Furanose

Furanosen.
Bei der d-Ribose bildet sich ebenfalls der Sechsring (Addition von 5-OH an die CO-Gruppe); in merklicher Menge (20 %) addiert sich jedoch auch 4-OH und schließt ein Fünfring-Halbacetal. Der gebildete Heterocyclus leitet sich vom Furan ab. Monosaccharide dieser Form heißen Furanosen. Pyranosen, Furanosen und offenkettige Form der d-Ribose stehen miteinander im Gleichgewicht.
d-Fructose bildet cyclische Halbacetale entweder durch Addition von 6-OH (Pyranosen) oder von 5-OH (Furanosen) an die Ketogruppe. In beiden Fällen entstehen Anomere. Bei den Furanosen hängen zwei CH2OH-Gruppen am Ring; man muss genau hinschauen, um die C-Atome richtig zu beziffern.

Sesselform-Schreibweise der Pyranosen

Haworth-Formeln beschreiben Pyranosen nicht vollständig. Konstitution und Konfiguration lassen sich erkennen, nicht jedoch die Konformation des Sechsringes. Es fehlt somit die Information über die räumliche Anordnung der Substituenten. Diese wird zugänglich, wenn man die Pyranosen in der Sesselform aufschreibt.

Sesselform

Aus Röntgenstrukturdaten geht hervor, dass sich der Sechsring mit dem Sauerstoffatom wie ein Cyclohexanring verhält und in der Regel die energetisch günstigere Sesselform einnimmt ( Kap. 11.3).
Der Sessel ist so geklappt, dass möglichst viele Substituenten äquatorial stehen, insbesondere die sperrige CH2OH-Gruppe an C-5. β-d-Glucopyranose weist nur äquatoriale (e, engl. equatorial) Substituenten auf, beim α-Anomer steht die anomere OH-Gruppe an C-1 axial (a).
In der Sesselform-Schreibweise der β-d-Glucopyranose erkennt man, dass alle Substituenten am Ring äquatorial (e) und damit benachbarte OH-Gruppen jeweils „trans” zueinander stehen (e,e-Anordnung = trans). Die Glucose ist damit das energieärmste Molekül aus der Reihe der Aldohexosen, was ein Grund für ihre universelle Rolle in der Natur ist. Für das anomere C-Atom beobachtet man bei anderen Monosacchariden häufig, dass ein axiales OH (α-Form) die Konformation besser stabilisiert als eine äquatoriale OH-Gruppe (β-Form). Dies wird als anomerer Effekt bezeichnet.
Für Monosaccharide der d-Reihe gilt:
Anomeres C-AtomHaworthSesselkonformation
α-Stellunguntenaxial (a)
β-Stellungobenäquatorial (e)
Allgemein wird der Pyranosering so aufzeichnet, dass das Ring-O-Atom rechts hinten steht. Bei den wichtigen Monosacchariden der d-Reihe ist der Pyranose-Sessel dann so geklappt, dass C-4 oben und C-1 unten steht. Diese Konformation wird durch die Abkürzung 4C1 gekennzeichnet. Klappt der Sessel um, liegt die 1C4-Konformation vor. So schreibt man in der Regel die Monosaccharide der l-Reihe. Abgebildet sind β-d- und β-l-Glucopyranose, die zueinander enantiomer sind, d. h., alle Chiralitätszentren sind entgegengesetzt konfiguriert. Die β-Form erkennt man daran, dass die anomere OH-Gruppe auf derselben Seite steht wie die CH2OH-Gruppe, in der d-Reihe weisen sie nach oben, in der l-Reihe nach unten.

4C1-Konformation

In den Biochemie-Lehrbüchern kommen sowohl Haworth-Formeln als auch die Sesselform-Schreibweise zur Anwendung. Es bleibt also nichts anderes übrig, als sich mit beiden vertraut zu machen. Sie sollten jedoch wissen, dass die Sesselform-Schreibweise einer Pyranose über die Molekülform und die Bindungswinkel sehr viel besser Auskunft gibt. Bei den Furanosen dagegen existiert keine sinnvolle Alternative zu den Haworth-Formeln, weil sich die verschiedenen Konformationen des Fünfrings energetisch kaum unterscheiden.
Für β-d-Galactopyranose sind nochmals beide Schreibweisen nebeneinander angegeben. Bitte achten Sie auf die axiale Position der OH-Gruppe an C-4, sie ist ein wichtiges Erkennungsmerkmal für dieses Monosaccharid.

Abgewandelte Monosaccharide

Vitamin C – ein Zuckerderivat

Im Stoffwechsel der Pflanzen gibt es Enzyme, die d-Glucose in Vitamin C umwandeln. Beim Menschen fehlt in dieser Reaktionskaskade ein Enzym. Daher muss Vitamin C mit der Nahrung zugeführt werden; es ist für den Menschen essenziell.
Vitamin C (= l-Ascorbinsäure) enthält alle sechs C-Atome der Glucose, jedoch nur noch zwei Chiralitätszentren (C-4 und C-5). Der γ-Lacton-Ring weist eine Endiol-Gruppe auf, die für die Acidität (pKs = 4,2) und die reduzierenden Eigenschaften verantwortlich ist. Bei der milden Oxidation (= Dehydrierung) entsteht Dehydroascorbinsäure. Dieser Prozess ist reversibel. Vitamin C löst sich gut in Wasser, wird beim Kochen jedoch durch Hydrolyse des Lactons zerstört.
Die Funktionen von Vitamin C im Stoffwechsel sind nicht alle bekannt. Es ist ein typisches Antioxidans, d. h., es fängt insbesondere reaktive Sauerstoffradikale (ROS) ab, die sich in wässriger Lösung bilden und ungesteuerte Oxidationen oder unerwünschte Mutationen auslösen können. Beim Aufbau des Kollagens, eines Strukturproteins von Knochen, Sehnen, Haut und Blutgefäßen, wird es gezielt benötigt. Bei einem Mangel an Vitamin C entsteht Skorbut. Der Tagesbedarf liegt bei 100 mg.
Aus der Vielzahl der Monosaccharide, die in der Natur – häufig in Verbindung mit anderen Bausteinen – vorkommen, sollen die 6-Desoxy-aldohexosen d-Rhamnose und l-Fucose sowie der Aminozucker d-Glucosamin genannt werden. Das N-Acetylderivat des d-Glucosamin ist Baustein des strukturbildenden Chitins. Das Exoskelett vieler Gliedertiere enthält Chitin, das sehr hart und in Wasser und organischen Lösungsmitteln unlöslich ist.
Als Baustein von Glykoproteinen (Plasmamembran) und Gangliosiden (Nervenzellen) ist die N-Acetyl-d-neuraminsäure (= Sialinsäure) erwähnenswert. Sie enthält neun C-Atome, die durch Zusammenfügen von N-Acetyl-d-mannosamin (C-4 bis C-9) und Pyruvat (C-1 bis C-3) entstehen. Kohlenhydratketten, die Sialinsäure enthalten, sind im physiologischen pH-Bereich negativ geladen.
Die Strukturvarianz der Monosaccharide, und damit der Kohlenhydrate, ist im niedermolekularen Bereich viel weitgehender als bei den Aminosäuren (Peptiden) und Fettsäuren (Lipiden). Variiert werden die funktionellen Gruppen und die Konfiguration der Chiralitätszentren. Allein von den Aldohexosen gibt es unter Einbeziehung der Pyranosen und Furanosen der d- und l-Reihe schon 64 Isomere, von einer einfachen Aminosäure hingegen nur zwei (d/l).

Glykoside

Wie die Halbacetale von Aldehyden und Ketonen ( Kap. 14.5) können auch die cyclischen Halbacetale der Monosaccharide (Pyranosen oder Furanosen) mit Alkoholen zu den Acetalen weiterreagieren. Man nennt die Acetale der Monosaccharide Glykoside (genauer: O-Glykoside). Bei der Bildung der Glykoside wird Wasser frei, man arbeitet daher bei ihrer Darstellung unter wasserfreien Bedingungen und benötigt eine starke Säure als Katalysator. Mit Methanol und einer Spur konzentrierter Schwefelsäure erhält man Methylglykoside. Diese Reaktion ist reversibel, d. h., Glykoside lassen sich mit wässriger Säure zu Monosaccharid und Alkoholkomponente hydrolysieren.

Glykosid

Die Bindung vom Sauerstoffatom eines Alkohols oder Phenols zum anomeren C-Atom eines Monosaccharids heißt glykosidische Bindung. Sie ist in den Formeln in Magenta markiert.

glykosidische Bindung

Von der d-Glucose ausgehend, entstehen die anomeren Methyl-d-glucopyranoside. Glucoside sind also die Glykoside der Glucose. Der Anteil der Anomeren im Reaktionsgemisch entspricht nicht dem Anteil der Anomere bei der d-Glucose selbst. Das α-Methylglucosid bildet sich wegen des anomeren Effektes bevorzugt.
Eigenschaften.
Glykoside unterscheiden sich deutlich von den freien Monosacchariden. Es stellt sich in wässriger Lösung kein Anomeren-Gleichgewicht mehr ein, da es keinen Aldehydanteil mehr gibt. Glykoside reagieren daher nicht mehr mit Fehling-Lösung oder Tollens-Reagenz. Sie sind nichtreduzierend.
Vorkommen.
Glykoside verschiedener Monosaccharide sind in der Natur weit verbreitet und werden häufig gebildet, um einen Alkohol oder ein Phenol wasserlöslich zu machen (Glykokonjugate). Insbesondere bei den sekundären Metaboliten aus Pflanzen und Mikroorganismen kann man dies beobachten. Ist die Alkoholkomponente ein größeres Molekül, bezeichnet man diese als Aglykon. Ein Glykosid der genannten Art ist z. B. das von Mikroorganismen produzierte Adriamycin, das in der Krebstherapie Anwendung findet. Es enthält als Aglykon ein Chinonsystem, das mit dem Aminozucker l-Daunosamin in α-glykosidischer Bindung verknüpft ist.

Glykokonjugate

Aglykon

Für die biliäre oder renale Ausscheidung von Arzneimitteln werden häufig auch die Glykoside der Glucuronsäure ( Kap. 20.2.5) verwendet. In einer sog. Glucuronidierungs-Reaktionen wird z. B. Morphin ( Kap. 18, Aufgabe 13) an der phenolischen OH-Gruppe enzymatisch in das pharmakologisch inaktive Morphin-3-glucuronid umgewandelt und dann ausgeschieden. Glucoronide sind besser wasserlöslich als z. B. Glucoside.

Glucoronide

N-Glykosid

N-Glykoside.
Monosaccharide können auch über Stickstoffatome glykosidisch gebunden sein. In Analogie zu den O-Glykosiden spricht man dann von N-Glykosiden, für die Kennzeichnung der Anomere gelten die oben besprochenen Regeln.
Im ersten Beispiel ist die Aminosäure Serin als Bestandteil einer Peptidkette β-O-glykosidisch mit N-Acetyl-glucosamin (GlcNAc) verbunden, im zweiten Beispiel hängt N-Acetyl-galactosamin (GalNAc) β-N-glykosidisch am amidischen Stickstoffatom der Aminosäure Asparagin. Beide Strukturelemente kommen in Glykoproteinen vor.

O-Glykosid

Bei den Bausteinen der Nucleinsäuren, den Nucleosiden, findet man, dass die Pentosen d-Ribose (in RNA) und 2-Desoxy-d-ribose (in DNA) als Furanoside mit den Nucleinbasen β-N-glykosidisch verbunden sind ( Kap. 21.4).

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Formeln, Gleichungen oder Beispiele angeben können:

Kohlenhydrat – Monosaccharid – Pentose – Hexose – Aldose – Ketose – d-Reihe – Epimere – Zuckersäuren – Zuckeralkohole – cyclisches Halbacetal – Pyranose – Furanose – Haworth-Formel – Anomere – α-/β-Form – 4C1-Konformation – Glykosid/Glucosid – glykosidische Bindung – Aglykon – O-Glykosid – N-Glykosid.

Aufgaben

  • 1.

    Schreiben Sie die d-Glucose in der offenkettigen Form (Fischer-Projektion), als α- und β-Pyranose mit Haworth-Formeln und in der Sesselform aus dem Kopf auf. Üben Sie es so lange, bis Sie es wirklich können!

  • 2.

    Warum ist d-Glucose die in der Natur am häufigsten vorkommende Aldohexose?

  • 3.

    Welche Formel (offenkettig) hat l-Glucose?

  • 4.

    Sind d-Mannose und d-Galactose Epimere?

  • 5.

    Sind α-d-Ribopyranose und β-d-Ribopyranose Anomere?

  • 6.

    Welche Formeln haben α-d-Mannopyranose und β-d-Galactopyranose (Haworth- und Sesselform-Schreibweisen)? Reduzieren sie Fehling-Lösung?

  • 7.

    Vitamin C wirkt reduzierend. Warum?

  • 8.

    Schreiben Sie das Monoanion der l-Ascorbinsäure auf! Ist die negative Ladung mesomeriestabilisiert?

  • 9.

    Wie kann man experimentell eine glykosidische Bindung von einer Etherbindung unterscheiden?

  • 10.

    Welche Formel hat das Methyl-β-d-fructofuranosid? Reagiert es mit Tollens-Reagenz?

  • 11.

    Die Reaktion von d-Ribose mit Methanol/HCl führt zu vier Produkten. Geben Sie Namen und Strukturen an!

  • 12.

    Sie sollen d-Fructose an der Ketogruppe reduzieren. Welche Produkte erwarten Sie?

  • 13.

    Was müssen Sie tun, um einen lipophilen Alkohol (z. B. Cholesterin, Kap. 13.1.4) wasserlöslich zu machen?

  • 14.

    Das Zytostatikum Adriamycin darf nicht oral verabreicht werden. Was passiert, wenn es mit wässriger Säure (Magensaft) in Berührung kommt?

  • 15.

    Was sind Glucuronide? Setzen Sie aus den Angaben im Text (S. 367) die Formel von Morphin-3-glucuronid zusammen!

Disaccharide

Allgemeines

Monosaccharide bilden mit Alkoholen unter Wasserabspaltung Glykoside. Ist der Alkohol selbst ein Monosaccharid, führt die Kondensation zu einem Disaccharid. Da ein Monosaccharid in der Halbacetalform zwei Arten von OH-Gruppen aufweist, einerseits die alkoholischen und andererseits eine anomere, sind zwei Typen von Disacchariden möglich. Beide Arten kommen in der Natur vor.

Disaccharid

Typ I:
Die Aldose A reagiert als Pyranose am anomeren C-Atom (C-1) mit einer der alkoholischen Gruppen des Moleküls B, z. B. der sekundären OH-Gruppe C-4. Das Disaccharid vom Typ I ist 1,4-verknüpft und enthält den Baustein A als Acetal, während B ein Halbacetal bleibt. Somit hat dieses Disaccharid reduzierende Eigenschaften.

1,4-Verknüpfung

reduzierend

Typ II:
Zwei Aldosen reagieren aus der Pyranose-Form heraus an den anomeren OH-Gruppen miteinander (1,1-Verknüpfung). Im Disaccharid vom Typ II sind die anomeren C-Atome beider Bausteine über eine Glykosidbindung verbunden. Die ehemaligen Monosaccharide A und B werden beide zu Acetalen. Dieses Disaccharid gleicht damit in seinen Eigenschaften den o. g. Methylglykosiden, d. h., es ist nichtreduzierend. Erst durch säurekatalysierte Hydrolyse werden die Monosaccharide wieder freigesetzt, und in der Reaktionslösung lassen sich die dann reduzierenden Komponenten nachweisen.

1,1-Verknüpfung

nichtreduzierend

Disaccharide vom Typ I (reduzierend) sind Maltose, Cellobiose, Lactose, Isomaltose.

Disaccharide vom Typ II (nicht reduzierend) sind Saccharose, Trehalose.

Für die Molekülform und Eigenschaften der Disaccharide spielt es eine große Rolle, ob α-oder β-glykosidische Bindungen vorliegen. Bei der Darstellung der Struktur führen die Haworth-Formeln zu sehr skurrilen Formen der Glykosidbindung. Die Sesselform-Schreibweise spiegelt die Realität in jedem Fall besser wieder. Für beide Arten der Darstellung ist es jedoch erforderlich, einzelne Ringe aus der gewohnten Anordnung herauszudrehen, damit die C-Atome, die über die Glykosidbindung verknüpft werden, auch räumlich richtig liegen.

Beispiele wichtiger Disaccharide

Bei den nachfolgenden Disacchariden sind verschiedene Formelbilder nebeneinander angegeben, damit Sie sich in den Biochemie-Büchern besser zurechtfinden. Ferner werden die bei der säurekatalysierten Hydrolyse entstehenden Monosaccharide genannt, und Sie finden Synonyma der jeweiligen Verbindung, Angaben zu ihrer Herkunft und Informationen darüber, ob das jeweilige Disaccharid reduzierende Eigenschaften besitzt. Außerdem finden Sie die systematische Bezeichnung der Disaccharide einmal ausgeschrieben und in abgekürzter Form (in eckigen Klammern).
Die Saccharose ist der allen bekannte Haushaltszucker, den man aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben gewinnt und der in der Pflanzenwelt weit verbreitet ist. Saccharose ist ein Typ-II-Disaccharid, d. h. nichtreduzierend. Der hohe Pro-Kopf-Verbrauch an Saccharose (35 – 40 kg pro Jahr) in den Industrieländern wird als ein Grund für das Auftreten von Zivilisationskrankheiten angesehen. Saccharose ist eines der wenigen Nahrungsmittel, das große Kristalle bildet und durch Kristallisation gereinigt in den Handel kommt. Es ist somit eine interessante Frage, ob Saccharose durch den Kristallisationsprozess entscheidende Qualitäten als Lebensmittel einbüßt und nur noch Energielieferant bzw. Genussmittel ist.
Beim Behandeln von Rohrzuckerlösungen mit dem Enzym Invertase entsteht der sog. Invertzucker, ein 1:1-Gemisch aus d-Glucose und d-Fructose. Bei dieser enzymatischen Hydrolyse der Glykosidbindung ändert der Drehwert der Lösung sein Vorzeichen (von + nach –), daher rührt der Name. Invertzucker ist im Honig enthalten.

Invertzucker

Das Typ-II-Disaccharid Trehalose ist in Pilzen, Hefen und der Hämolymphe von Insekten enthalten. Die Trehalose wird in der Biotechnologie zum Schutz von Zellen bei der Kryokonservierung verwendet. Das Enzym Trehalase kann die 1,1-glykosidische Bindung spalten, es entstehen wie bei der säurekatalysierten Hydrolyse zwei Moleküle d-Glucose.

Karies und Saccharose

Wenn die Zähne fortschreitend unter Bildung von Löchern zerfallen, spricht man von Karies (Zahnfäule). Verantwortlich dafür sind Speichelbakterien (z. B. Streptococcus mutans), die auf den Zähnen Beläge (Plaques) bilden und durch die Ausscheidung von Milchsäure eine Entkalkung der Zahnsubstanz herbeiführen. Bei der Belagbildung spielen Dextrane (Polysaccharid aus d-Glucose-Bausteinen) eine Rolle, die von den Bakterien ebenso wie die Milchsäure aus Saccharose gebildet werden. Mit Hilfe des Dextrans haften die Bakterien am Zahn. Zuckerkonsum fördert Karies. Vorbeugende Maßnahmen zielen auf eine Hemmung der Belagbildung durch die Verwendung von Zuckeraustauschstoffen (z. B. d-Xylit) und eine gesunde Mineralisation der Zähne.

Lactoseintoleranz und Galaktosämie

Bei Säuglingen wird Lactose (= Milchzucker) durch das im Darm verfügbare Enzym β-Galactosidase (= Lactase) in die Monosaccharide gespalten. Die gebildete Galactose wird enzymatisch durch eine Epimerase in Glucose umgewandelt und im Stoffwechsel genutzt. Störungen in diesem Verwertungsablauf führen zu zwei Krankheitsbildern:
  • 1.

    Beim heranwachsenden Menschen kann die Bereitstellung von β-Galactosidase verloren gehen. Wird Lactose mit der Nahrung aufgenommen, gelangt sie unverändert bis in den Dickdarm und wird auf ihrem Weg von den Darmbakterien unter starker Gas- und Säurebildung verstoffwechselt. Dies führt zu Verdauungsstörungen, die man als Lactoseintoleranz bezeichnet.

  • 2.

    Fehlt die Epimerase, die Galactose in Glucose umwandelt, führt dies zu einem Anstieg des Galactosespiegels im Blut (Galaktosämie), was bei Säuglingen Entwicklungsstörungen verursacht und Intelligenzdefekte zur Folge hat. Eine milchfreie Diät ist hier die einzige Rettung.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Formeln, Gleichungen oder Beispiele angeben können:

Disaccharid – 1,4-Verknüpfung – 1,1-Verknüpfung – reduzierende Disaccharide – nichtreduzierende Disaccharide – α/β-glykosidische Bindung.

Aufgaben

  • 1.

    Sie erhalten zwei Substanzen, die Lactose oder Saccharose sein können. Wie treffen Sie durch ein Experiment die Entscheidung, welche der Substanzen welches Disaccharid ist?

  • 2.

    Existieren von der Lactose Anomere?

  • 3.

    Sind Maltose und Cellobiose Enantiomere oder Diastereomere?

  • 4.

    Nachfolgend ist das Amygdalin abgebildet, das Bestandteil der bitteren Mandeln ist und bei der Hydrolyse u. a. giftige Blausäure freisetzt.

    Welche Monosaccharide sind enthalten? Welcher Art sind die Glykosidbindungen? Formulieren Sie Aglykon und Disaccharid, die bei der Hydrolyse entstehen!

  • 5.

    Wozu führt die enzymatische Hydrolyse von Saccharose?

  • 6.

    Wie viel verschiedene Disaccharide kann man aus zwei Molekülen d-Glucose theoretisch herstellen?

  • 7.

    Womit könnte es zusammenhängen, dass in Dänemark nur 3 % der Erwachsenen Lactoseintoleranz aufweisen, in Thailand hingegen 97 %?

  • 8.

    d-Galactose ist am Aufbau der Gehirnsubstanz beteiligt (Ganglioside, Cerebroside). Warum ist es so wichtig, dass Säuglinge Muttermilch bekommen, die 7 % Lactose enthält (Kuhmilch nur 4 %)?

  • 9.

    d-Fructose kann von Diabetikern leichter verwertet werden als d-Glucose. Was könnte der Grund hierfür sein?

  • 10.

    Bakterienzellwände enthalten das Biopolymer Murein. Die Bausteine sind β-N-Acetyl-glucosamin (GlcNAc) und β-N-Acetyl-muraminsäure (MurNAc, 3-O-Milchsäureether von GlcNAc). Wie lautet die Strukturformel eines Disaccharids GlcNAc(1-→ 4)MurNAc?

Polysaccharide

Monosaccharide können durch glykosidische Bindungen auch über die besprochenen Disaccharide hinaus miteinander verknüpft werden. Die entstehenden Polysaccharide (= Glykane) gehören wie die Polypeptide und Nucleinsäuren zu den Biopolymeren, die durch Polykondensation der Bausteine (= Polymerisation unter Wasserabspaltung) entstehen. Die wichtigsten Polysaccharide sind Cellulose, Stärke und Glykogen. Sie gehören zu den Homoglykanen, weil sie nur aus einer Sorte Monosaccharid (d-Glucose) aufgebaut sind. Es gibt auch Heteroglykane, die aus zwei oder mehr verschiedenen Monosacchariden aufgebaut sind, dazu gehören z. B. Heparin, Hyaluronsäuren und das Murein von Bakterienzellwänden.

Polysaccharide

Homoglykan

Heteroglykan

Cellulose

Cellulose ist das Strukturmaterial der Pflanzen. Auf der Erde werden jährlich etwa 1012 Tonnen auf- und abgebaut. Cellulose enthält d-Glucopyranosid-Bausteine, die β(1-→4)-glykosidisch verknüpft sind. Das Disaccharid Cellobiose spiegelt den ersten Schritt des Aufbaus wider, formal wird es nach beiden Seiten verlängert. Die lineare unverzweigte Polysaccharidkette enthält einige Tausend Glucose-Moleküle.

1,4-Verknüpfung

β-glykosidisch

Benachbarte Ketten lagern sich über Wasserstoffbrückenbindungen der seitlichen OH-Gruppen aneinander und bilden z. T. mikrokristalline Bereiche. Dadurch entsteht ein unlösliches, festes und faseriges Material. Baumwolle ist nahezu reine Cellulose, Holz enthält etwa zur Hälfte Cellulose. Der Mensch kann Cellulose nicht verdauen, weil die Enzyme zur Spaltung der β-Glucosid-Bindungen (Cellulasen, β-Glucosidasen) fehlen. Wiederkäuer können Cellulose verwerten, weil symbiontische Bakterien im Verdauungstrakt den Abbau vornehmen.

Stärke

Stärke kommt in allen Pflanzen als Speicherstoff (Reservekohlenhydrat) vor. Sie enthält ebenfalls nur d-Glucopyranose-Einheiten, die hier jedoch ausschließlich α-glykosidisch verknüpft sind.
Stärke ist kein einheitlicher Stoff. Mit heißem Wasser löst sich ein Teil (ca. 25 %) heraus und wird als Amylose bezeichnet. Der unlösliche Rückstand ist das Amylopektin.
In der Amylose sind die d-Glucose-Moleküle α(14)-glykosidisch verknüpft. Durch die α-Glykosid-Bindungen entstehen keine gestreckten Ketten. Die Pyranosidringe bilden einen Winkel, wie man es schon beim Disaccharid Maltose sehen kann. Eine Kette mit 200 – 5000 Glucose-Molekülen windet sich zu einer Schraube (Helix) mit einem Hohlraum (Abb. 20/1 A). In diesen kann sich Iod einlagern, dessen Farbe von braun (in wässriger Lösung) nach tiefblau umschlägt. Diese Farbreaktion dient zum Nachweis von Iod, aber auch von Amylose. Hydrolysiert man Amylose mit wässriger Säure, lässt sich in Abhängigkeit von der Hydrolysedauer beobachten, wie die Fähigkeit zur Iodfärbung verloren geht. Die Kette wird letztlich zu d-Glucose abgebaut.

1,4-Verknüpfung

α-glykosidisch

Amylopektin enthält ebenfalls α(1 → 4)-glykosidisch verknüpfte Ketten, die sich jedoch nach 24 – 30 Glucopyranosid-Einheiten verzweigen, so dass ein Netzwerk entsteht. Für die Verzweigung findet an OH-Gruppen in Position 6 der 1,4-verknüpften Kette eine α(16)-Verknüpfung statt. Eine derartige Verzweigungsstelle zeigt der Formelausschnitt des Amylopektins (s. o.). Durch die Verzweigung kann sich keine Helix mehr ausbilden, die Blaufärbung mit Iod bleibt aus. Amylopektin enthält einige Tausend Glucose-Bausteine.

verzweigtes Polysaccharid

1,6-Verknüpfung

Der Abbau von Stärke bei der Verdauung erfolgt durch Amylasen (α-Glucosidasen) und beginnt beim Einspeicheln der Nahrung. Dabei entstehen zunächst die Disaccharide Maltose und aufgrund der 1,6-Verzweigungen auch Isomaltose. Aus beiden wird durch die weitere enzymatische Hydrolyse insbesondere im Dünndarm d-Glucose freigesetzt. Sind diese sog. α-Glucosidasen irgendwie defekt, kommt es zu Verdauungsstörungen.
Im Gegensatz zu Cellulose ist Stärke als Nahrungsbestandteil für den Menschen geeignet, obwohl beide nichts anderes als d-Glucose enthalten. Hier wird einmal mehr deutlich, dass die Enzyme stereoselektiv arbeiten ( Kap. 18.1.3) und der Mensch nur einen Bruchteil der Enzyme verfügbar hat, die für den Auf- und Abbau von Biomolekülen in der Lebenssphäre existieren.

Glykogen

Glykogen ist dem Amylopektin sehr ähnlich, die α(1 → 4)-verknüpften Ketten sind jedoch durch häufigere α(1 → 6)-Verknüpfungen stärker verzweigt (Abb. 20/1 B). Uns begegnet hier das Reserve-Polysaccharid der Säugetiere und des Menschen, das in der Leber und im Muskel gespeichert wird. Dort kann aus Glykogen bei Bedarf d-Glucose als α-d-Glucopyranose-1-phosphat durch enzymatische Spaltung der α(1 → 4)-Glucopyranosid-Bindungen vom Ende der Ketten her freigesetzt werden.

Reservekohlenhydrat

Glykogen wird aus einigen Hunderttausend Glucose-Molekülen aufgebaut. Die starke Verzweigung der Ketten im Vergleich zum Amylopektin hat ihren Sinn darin, dass d-Glucose häufig rasch und in großer Menge für den Energiestoffwechsel benötigt wird. Dieser Stoßbedarf besteht bei den Pflanzen nicht, also wird keine so starke Verzweigung der d-Glucose-liefernden Ketten benötigt. Hier wird sichtbar, dass sich der Bauplan der Biopolymere nach der Funktion im Organismus richtet.

Hyaluronsäure und Heparin – Glykosaminoglykane mit besonderen Eigenschaften

Glykosamino-glykane

Glykosaminoglykane sind unverzweigte Polysaccharide, die abwechselnd aus einer Uronsäure- und einer Hexosamin-Einheit bestehen. Hyaluronsäure ist ein wichtiger Bestandteil z. B. des Bindegewebes, der Gelenkschmiere und des Glaskörpers im Auge. Die Disaccharid-Grundeinheit besteht aus d-Glucuronsäure und N-Acetyl-glucosamin (GlcNAc) in β(1 → 3)-glykosidischer Bindung. Bis zu 25 000 solcher Einheiten können verknüpft sein. Die zahlreichen Carboxylatgruppen, die im Zellmilieu geladen vorliegen, sorgen für ein starkes Quellverhalten des Biopolymers. Die Lösungen zeigen ein viskoelastisches Verhalten und sind u. a. biologische Stoßdämpfer und Gleitsubstanzen.
Heparin liegt eine Tetrasaccharid-Einheit zugrunde, in der abwechselnd auf eine Uronsäure (d-Glucuronsäure oder l-Iduronsäure) d-Glucosamin folgt, jeweils in α- bzw. β(1 → 4)-glykosidischer Bindung. Das Polysaccharid ist partiell sulfatiert, es liegen Schwefelsäurehalbester bzw. Schwefelsäureamide vor. Heparin ist somit eine starke Säure und bildet ein Polyanion. Seine Zusammensetzung ist bezüglich der Reihenfolge der Bausteine, der Gesamtzahl der Bausteine und des Sulfatierungsgrades nicht konstant. Es kommt in den Mastzellen entlang der Arterienwände vor und verhindert die Blutgerinnung. Aus Tierorganen gewonnen, wird es als Antikoagulans, z. B. für die Thromboseprophylaxe bei einem Herzinfarkt, klinisch genutzt.

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Formeln, Gleichungen oder Beispiele angeben können:

Polysaccharid – Stärke – Cellulose – Glykogen – Homoglykan – Heteroglykan – verzweigte Polysaccharide – 1,4-Verknüpfung – 1,6-Verknüpfung – Reservekohlenhydrat – Glykosaminoglykane.

Aufgaben

  • 1.

    Es gibt Enzyme, die Stärke bis zum Disaccharid abbauen. Welche beiden Disaccharide entstehen? Formeln angeben!

  • 2.

    Nachfolgend ist ein Ausschnitt der Polysaccharid-Kette des Chitins angegeben. Wie viele verschiedene Bausteine können Sie erkennen und wie heißen sie? Welche Verknüpfung liegt vor? Ist Chitin ein Homo- oder Heteroglykan?

  • 3.

    Wenn Sie die Polysaccharide Stärke und Glykogen mit einem Polypeptid vergleichen, welche Unterschiede fallen Ihnen auf?

  • 4.

    Bei der Freisetzung von Glucose-1-phosphat aus Glykogen im Muskel gibt es eine rasche und eine langsamere Phase. Welchen Grund könnte das haben?

  • 5.

    Spaltet man im Chitin partiell die Acetylgruppe vom Stickstoff ab, dann erhält man Chitosan, ein zu Fäden und Folien verarbeitbares Biopolymer. Wie könnte man die Acetylgruppen abspalten? Was entsteht?

  • 6.

    Der menschliche Organismus kann Stärke verwerten, nicht jedoch Cellulose. Was sagt das über die Stereoselektivität der beteiligten Enzyme aus?

Glykolipide und Glykoproteine

Glykolipide sind zuckerhaltige Lipide, die z. B. im Gehirn und im Nervengewebe vorkommen. Alkoholbaustein ist das Sphingosin, das an der primären Aminogruppe mit einer höheren Fettsäure (C16 – C24) zum Ceramid acyliert werden kann. Nachfolgende Glykosylierung mit d-Galactose an der primären Alkoholgruppe liefert Cerebrosid.
Bei den Gangliosiden hängt d-Glucose am Ceramid; sie wird mit weiteren Zuckerbausteinen (u. a. d-Galactose, N-Acetyl-d-muraminsäure) zu einem Oligosaccharid ergänzt. Es offenbart sich, dass im Nervensystem die d-Galactose vorrangig genutzt wird, während im Stoffwechsel d-Glucose und d-Fructose die Hauptrolle spielen. Glykolipide sind z. B. in die Plasmamembran von Neuronen integriert und beeinflussen deren Eigenschaften und Funktionen.
Um Oligosaccharid-Strukturen zu beschreiben, bedient man sich wie bei den Aminosäuren geläufiger Abkürzungen (Tab. 20/3). Zwischen den Zuckern markiert man die Art der glykosidischen Bindung (α oder β) sowie die Verknüpfungsstellen. So bedeutet z. B. die Angabe β1,3, dass eine β-glykosidische Bindung (in Magenta markiert) von C-1 des links stehenden Zuckers nach C-3 des rechts stehenden Zuckers führt, wobei zwischen diesen C-Atomen ein Sauerstoffatom steht, das in den schematischen Bildern weggelassen wurde.

Glykoproteine

Glykoproteine sind als Bestandteil von Zellmembranen weit verbreitet. Die Zuckerbausteine, z. B. O-glykosidisch an Serin oder N-glykosidisch an Asparagin eines Proteins gebunden ( Kap. 20.2.9), ragen aus der Zellmembranoberfläche nach außen (Abb. 20/2) und „dekorieren” diese gewissermaßen. Man bezeichnet diese kovalent gebundene „Zuckerdekoration” als Glykokalix. Ihr Aufbau unterscheidet sich spezifisch nach Zelltyp und individuell zwischen den Menschen, d. h., in der Glykokalix prägt sich die Individualität aus. Die Glykokalix dient der Zell-Zell-Interaktion, schützt die Zelloberfläche vor Fremdeinwirkung und besitzt z. T. Rezeptorstrukturen.

Glykokalix

Die erforderliche Variabilität kann durch vergleichsweise wenige Zuckerbausteine erreicht werden. Dies hat folgende Gründe:
  • 1.

    Für die Verknüpfung der Monosaccharide untereinander gibt es mehrere Positionen (z. B. 1 → 2, 1 → 3, 1 → 4, 1 → 6).

  • 2.

    Die glykosidische Bindung kann α oder β sein.

  • 3.

    Es kommen unterschiedliche funktionellen Gruppen (z. B. OH, N-Acetyl) vor.

  • 4.

    Es gibt Variationen in der Aufeinanderfolge und Verzweigung der Monosaccharide.

Die Glykoproteine der Glykokalix werden durch das Immunsystem erkannt. Körperfremde Glykoproteine lösen starke Immunreaktionen aus. Die Glykokalix bestimmt die antigenen Eigenschaften von Zellen und hilft „Selbst” und „Nichtselbst” zu unterscheiden. Die vom Immunsystem gebildeten Antikörper versuchen alles, was „Nichtselbst” ist, selektiv zu binden und zu beseitigen.
Ein gutes Beispiel für die Bedeutung der Glykokalix sind die Erythrozyten. Die antigene Determinante der Blutgruppe B ist abgebildet. Vier Monosaccharide bilden die „Kommunikationsfront”. Die Blutgruppe A unterscheidet sich von B lediglich dadurch, dass statt der zweiten d-Galactose (Gal) N-Acetyl-d-galactosamin (GalNAc) gebunden ist. Der Unterschied scheint gemessen an der Größe und sonstigen Strukturvielfalt an der Zelloberfläche marginal. Dennoch kommt es, wenn bei einer Bluttransfusion Blut der Blutgruppe A statt B übertragen wird, zu einer zerstörerischen Immunantwort.

Gibt es essenzielle Monosaccharide?

Bei den Aminosäuren und Fettsäuren sind einige essenziell, d. h., sie müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, damit der Mensch gesund bleibt. Wie steht es da mit den Monosacchariden?
Glykolipide und Glykoproteine benötigen acht Monosaccharide (Tab. 20/3), um die gesamte Varianz z. B. der Zelloberflächen zu gestalten. Die Feinheiten der Zell-Zell-Kommunikation und des Immunsystems hinsichtlich des Kohlenhydratanteils aufzuklären ist Forschungsthema in der Glykobiologie. Für jede Zelle, die sich im Körper neu bildet, müssen die benötigten Monosaccharide zur rechten Zeit am richtigen Ort verfügbar sein. Es gibt Hinweise, dass manche Erkrankungen auf einen Mangel an Glykonährstoffen zurückgeführt werden können.
Man findet die acht benötigten Monosaccharide in Pflanzen und Pilzen, aber nicht alle in einer Nahrungsquelle. Solange die Ernährung ausgewogen ist, wird der Mangel nicht sichtbar. Eine Ursache für die Zunahme der Zivilisationskrankheiten (z. B. Asthma, Allergien, Krebs, Diabetes) sind ungesunde Essgewohnheiten. Da es für eine kausale Therapie dieser Erkrankungen bislang kaum Ansätze gibt, erscheint es sinnvoll, die Kohlenhydratzufuhr und die Verfügbarkeit der acht Monosaccharide in den Blick zu nehmen. Es könnte z. B. sein, dass bei bestimmten Erkrankungen einzelne der „Achterbande” essenziell sind.

Medizinisch relevante Werkstoffe

Werkstoffe, die mit dem menschlichen Körper direkt in Kontakt treten, z. B. um schadhaftes oder verbrauchtes körpereigenes Gewebe zu unterstützen oder zu ersetzen, bezeichnet man ganz allgemein als Biomaterialien. Die Anwendungen reichen von Wundverbänden, Zahnfüllungen oder Kontaktlinsen bis hin zu Stents, Endoprothesen oder gar Organersatz. Bei so vielen Anwendungsbereichen ist klar, dass es nicht einen Werkstoff für Alles geben kann. Bei Endoprothesen z. B. müssen die verwendeten Materialien inert, langlebig und mechanisch stabil sein, sie dürfen nicht allergen wirken, Entzündungen auslösen oder toxische Abbauprodukte freisetzen und sie sollen die Regeneration von Gewebe und Knochen fördern. In anderen Fällen soll sich der verwendete Werkstoff nach erfolgter Wundheilung auflösen, ohne toxische Spuren zu hinterlassen, z. B. bei chirurgischem Nahtmaterial.
Schauen wir mit einem chemischen Auge auf die sog. Biomaterialien, dann können diese aus natürlicher Quelle stammen (z. B. Seide, Kollagen, Polysaccharide) oder sie werden chemisch gewonnen (z. B. Legierungen, Polymere). Die größte Einsatzbreite haben heute neben den Legierungen auf der Basis von V2A-Stahl und Titan, den Keramik-Materialien auf der Basis von Porzellan, Calciumphosphaten und Zirkonoxid ( Kap. 3.2), die synthetischen Polymere ( Kap. 11.5.3). In Tabelle 20/4 sind einige der heute verwendeten Polymere aufgelistet und geben Ihnen weitere Orientierung bezüglich der Anwendung. An der Weiterentwicklung dieser Materialien, an Verfahren zu ihrer Herstellung in höchster Reinheit und an ihrer Beschichtung z. B. mit Antibiotika als Entzündungsschutz wird intensiv gearbeitet.

Bedeutung für den Menschen

Kohlenhydrate

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