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B978-3-437-42836-4.00023-0

10.1016/B978-3-437-42836-4.00023-0

978-3-437-42836-4

Abb. 23.1

[L253]

Wichtige Kohlenhydrate

Abb. 23.2

[L253]

Ringschluss der D-Glucose

Abb. 23.3

[L253]

α-D-Glucose als Beispiel einer Pyranose

Kohlenhydrate

KohlenhydrateIhr habt mit Sicherheit schon eine grobe Vorstellung davon, was Kohlenhydrate sind. Chemisch gesehen lassen sich zumindest die Monosaccharide durch eine gemeinsame Summenformel beschreiben: Cn(H2O)n. Jedem C-Atom wird quasi ein Wassermolekül zugeordnet, was auch den Namen Kohlenhydrat erklärt. Die einfachsten Zucker sind die MonosaccharideMonosaccharid, die sich, ähnlich wie die Aminosäuren, zu größeren Oligo- oder PolysaccharidenPolysaccharid verknüpfen lassen.

Die meisten Zucker erkennt ihr an der Endung „ose“. Das heißt aber nicht, dass alle Zucker diese Endung haben müssen.

Monosaccharide

Monosaccharide in der Fischer-Projektion

MonosaccharidUm die Struktur von Monosacchariden darzustellen, greifen wir auf die Fischer-Projektion zurück. Auf diese Weise können wir wichtige Klassifikationskriterien und Eigenschaften der Zucker erkennen. Alle Zucker tragen eine Carbonylgruppe. Diese ist entweder endständig (AldehydAldehyd) oder an ein C-Atom innerhalb der Kette (KetonKeton) gebunden. Verschiedene Monosaccharide unterscheiden sich in ihrer Kettenlänge (Abb. 23.1). Je nach Kettenlänge ordnet man sie unterschiedlichen Gruppen zu:
  • 3 C-Atome = Triose (z. B. Glycerinaldehyd)

  • 4 C-Atome = Tetrose

  • 5 C-Atome = Pentose (z. B. Ribose)

  • 6 C-Atome = Hexose (z. B. Glucose)

Aufgrund dieser beiden Unterscheidungsmerkmale (funktionelle Gruppe und Kettenlänge) ordnet man Zucker einer Gruppe zu. So ist z. B. Glucose eine AldohexoseAldohexose, da sie eine Aldehydgruppe trägt und aus 6 C-Atomen besteht.
Glucose und Galaktose sind beide Aldohexosen und trotzdem unterscheiden sie sich. Worin? In der Konfiguration an ihren Chiralitätszentren! Die C-Atome 2, 3, 4 und 5 sind bei diesen beiden Zuckern chiral.
C-6 ist nicht chiral, da es mit zwei H-Atomen verbunden ist. C-1 ist nicht chiral, da es nicht über vier verschiedene Substituenten verfügt.
Ihr solltet deshalb auch wissen, in welche Richtung die Hydroxygruppen bei einem Zucker zeigen, um ihn korrekt zeichnen zu können. Galaktose und Glucose sind Diastereomere, die sich nicht durch Spiegeln ineinander überführen lassen. Man bezeichnet sie auch als Epimere. Das sind Diastereomere, die sich lediglich in der Konfiguration an einem C-Atom unterscheiden.
D- und L-Zucker
D-ZuckerL-ZuckerIhr seht außerdem, dass Zucker, wie Aminosäuren auch, nach der D/L-Nomenklatur klassifiziert werden. Diese Klassifikation richtet sich danach, ob die Hydroxygruppe des Chiralitätszentrums, das am weitesten von der Aldehyd- oder Ketogruppe entfernt ist, nach rechts (D) oder nach links (L) zeigt. Im Gegensatz zu den Aminosäuren sind die meisten Zucker, die wir konsumieren, D-Zucker.
Macht es einen Unterschied, ob wir einen D- oder L-Zucker essen? Ja, und den kann man sogar schmecken. Den süßen Geschmack der D-Glucose kennt ihr, wohingegen L-Glucose bitter schmeckt.

Eselsbrücke: Konfigurationen der Zucker

Glucose Glucose
ta tü ta ta: Die Hydroxygruppen an C2, C4 und C5 zeigen auf dieselbe Seite, wohingegen C3 auf die andere Seite zeigt. Ob die Gruppen nach rechts oder links zeigen, hängt davon ab, ob ihr D- oder L-Glucose zeichnet.
GalaktoseGalaktose und FructoseFructose
Bei der Galaktose sehen die Hydroxygruppen aus wie die Spitze einer Rakete, die durch die Galaxis fliegt. Fructose sieht aus wie Glucose, nur eben als Ketose.
Ringbildung
RingbildungIm Körper (der hauptsächlich aus Wasser besteht) liegen Monosaccharide meistens nicht als Kette vor, sondern bilden Ringsysteme. Der Ringschluss läuft dabei immer nach einem ähnlichen Schema ab (Abb. 23.2):
  • 1.

    Die Hydroxygruppe des letzten chiralen C-Atoms greift an der Aldehyd- oder Ketogruppe an.

  • 2.

    Das Sauerstoff-Atom der Hydroxygruppe wird als Sauerstoffbrücke Teil des Rings. Das Wasserstoff-Atom der Hydroxygruppe bildet mit dem Sauerstoff der Carbonylgruppe eine neue Hydroxygruppe.

  • 3.

    Der fertige Ring lässt sich in der Haworth-Struktur darstellen.

Monosaccharide als Haworth-Struktur

Haworth-StrukturUm aus der Fischer-Projektion auf die Struktur des Rings in der Haworth-Struktur zu kommen, muss man verschiedene Punkte beachten. Euch wird auffallen, dass einige OH-Gruppen über und andere unter der Ringebene stehen. Ob ein Atom über oder unter dem Ring steht, könnt ihr euch aus der Fischer-Projektion herleiten. Beachtet bitte, welches C-Atom aus der Fischer-Projektion an welchem Ort in der Haworth-Struktur landet und versucht vielleicht auch mal, einige der anderen Monosaccharide selbst zu zeichnen.

FLOH: Fischer Links Oben Haworth

Eine Gruppe, die in der Fischer-Schreibweise auf der linken Seite des Moleküls steht, zeichnet man in der Haworth-Schreibweise nach oben.

In der Ringform kann man noch eine weitere Unterscheidung zwischen den Zuckern machen. Liegen sie als Fünfring vor, spricht man von FuranosenFuranose. Einen Sechsring bezeichnet man als PyranosePyranose (Abb. 23.3). Außerdem seht ihr, dass an C1, das früher die Aldehydgruppe trug, nun ein Chiralitätszentrum entstanden ist. Dieses Zentrum wird im Fall von Zuckern auch als anomeres C-Atom bezeichnet. Je nachdem, ob die Hydroxygruppe nach unten oder oben zeigt, bezeichnet nach den Zucker als α oder β. Bei der Glucose in unserem Körper stehen die α-, die β- und die offenkettige Form im Gleichgewicht. Man spricht von MutarotationMutarotation.

Furanose = Fünfring (4 C- und 1 O-Atom)

Pyranose = Sechsring (5 C- und 1 O-Atom)

Alpha = abwärts

Beta = oben

Wichtige Reaktionen der Monosaccharide

Selbstverständlich können auch die funktionellen Gruppen der Monosaccharide oxidiert oder reduziert werden. Im Folgenden sind die wichtigsten Reaktionsmechanismen für euch zusammengefasst, wobei es Punkte bringen kann, euch den Reaktionsmechanismus und das Produkt einzuprägen. Schaut gelegentlich mal auf die Fischer-Projektionen der Zucker, um euch die Reaktion und das Produkt besser vorstellen zu können.
  • Aus Glucose entsteht durch Oxidation an C1 Gluconsäure.

  • Aus Glucose entsteht durch Oxidation an C6 Glucuronsäure.

  • Aus Glucose entsteht durch Reduktion der Aldehydgruppe Sorbitol (ein Polyalkohol).

  • Aus Mannose entsteht durch Reduktion der Aldehydgruppe Mannitol (ebenfalls ein Polyalkohol). Mannitol ist wie die [R, S]-Weinsäure eine Mesoform.

Disaccharide

DisaccharidIhr wisst bereits, dass Monosaccharide sich verknüpfen lassen. Die Bindung zwischen den einzelnen Monosacchariden wird glykosidische BindungBindungglykosidische genannt. Wir wissen, dass die Zyklisierung eines Monosaccharids eine Halbacetalbildung darstellt (Kap. 18). Wie „normale“ Halbacetale können unsere Zuckerringe ebenfalls weiterreagieren und Acetale bilden. An dieser Acetalbildung ist immer das anomere C-Atom des einen Monosaccharids beteiligt. Das andere Monosaccharid muss nicht zwingend mit seinem anomere C-Atom binden. Es muss sich auch nicht um ein Monosaccharid derselben Sorte handeln. Auch die glykosidische Bindung wird als α oder β klassifiziert. Je nachdem, ob die OH-Gruppe am anomeren C-Atom in α- oder β-Stellung steht.
Man gibt bei Disacchariden immer die beteiligten Zucker, die Nummern der beteiligten Atome und die α- oder β-Klassifikation an. Die wichtigsten Disaccharide und die zugrunde liegende Bindung solltet ihr kennen:
  • LactoseLactose (Milchzucker): Galaktose und Glucose sind β-1,4-glykosidisch verknüpft.

  • MaltoseMaltose (Malzzucker): Glucose und Glucose sind α-1,4-glykosidisch verknüpft.

  • SaccharoseSaccharose (Haushaltszucker): α-Glucose und β-Fructose sind 1,2-glykosidisch verknüpft. Beide anomeren C-Atome sind an der glykosidischen Bindung beteiligt.

Maltose ist als Malzzucker im Bier enthalten. Maltose besteht aus zwei Glucoseeinheiten und wird als Glc-Glc abgekürzt.

Wenn ihr „Glc-Glc“ aussprecht, klingt das wie das Geräusch beim Biertrinken.

Man unterscheidet bei den Disacchariden reduzierende und nicht-reduzierende Zucker. Besitzt ein Zucker eine Aldehydgruppe, kann er an dieser oxidiert werden und ist damit selbst ein reduzierender Zucker. Ein Disaccharid besitzt nur dann eine Aldehydgruppe, wenn sich mindestens einer der beiden Zucker aus der Ringform in die Kettenform öffnen kann. Das wiederum ist nur dann möglich, wenn eins der anomeren C-Atome nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt ist, da dort die Ringöffnung stattfinden muss. Somit ist Saccharose kein reduzierender Zucker, Lactose und Maltose dagegen schon.
Enzymspaltung
Enzyme, die Dissacharide spalten, haben denselben Namen wie der Zucker, mit dem Unterschied, dass sie auf „ase“ enden. Die LactaseLactase spaltet folglich Lactose. Wenn sie fehlt, bekommt man Schwierigkeiten bei der Verdauung von Milchprodukten (die verbreitete Lactose-Unverträglichkeit).

Polysaccharide

PolysaccharidMan kann Monosaccharide auch zu längeren Zuckern verknüpfen. Diese nennt man dann Polysaccharide. Man unterscheidet Polysaccharide, die aus identischen Monosaccharideinheiten aufgebaut sind (HomoglykaneHomoglykan) und solche, die aus unterschiedlichen Monosaccharideinheiten bestehen (HeteroglykaneHeteroglykan).

Zusammenfassung

  • Zucker enden häufig auf „ose“.

  • Wenn ihr einen Zucker kennenlernt, achtet auf die Anzahl der C-Atome und die Konfiguration an den Chiralitätszentren.

  • Soll ein Zucker als Ring dargestellt werden, verwendet man die Haworth-Struktur.

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