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B978-3-437-41103-8.00016-8

10.1016/B978-3-437-41103-8.00016-8

978-3-437-41103-8

Abb. 16.1a

Wichtige Kohlenhydrate

Abb. 16.1b

Wichtige Kohlenhydrate

Abb. 16.2

Ringschluss der D-Glucose

Abb. 16.3

α-D-Glucose als Beispiel einer Pyranose

Kohlenhydrate

  • 16.1

    Monosaccharide109

    • 16.1.1

      Monosaccharide in der Fischer-Projektion109

    • 16.1.2

      Monosaccharide als Haworth-Struktur110

    • 16.1.3

      Wichtige Reaktionen der Monosaccharide111

  • 16.2

    Disaccharide111

  • 16.3

    Polysaccharide112

  • 16.4

    Übungen113

Ihr habt mit Sicherheit schon eine grobe Vorstellung davon, was Kohlenhydrate sind. Chemisch gesehen lassen sich zumindest die Monosaccharide durch eine gemeinsame Summenformel beschreiben: Cn(H2nO)n. Jedem C-Atom wird quasi ein Wassermolekül zugeordnet, was auch den Namen Kohlenhydrat erklärt! Die einfachsten Zucker sind die Monosaccharide, die sich, ähnlich wie die Aminosäuren, zu größeren Oligo- oder Polysacchariden verknüpfen lassen.

Für die Klausur

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

Um die Struktur von Monosacchariden darzustellen, greifen wir auf die Fischer-Projektion zurück. Auf diese Weise können wir wichtige Klassifikationskriterien und Eigenschaften der Zucker erkennen (Abb. 16.1). Alle Zucker tragen eine Carbonylgruppe. Diese ist entweder endständig (Aldehyd) oder an ein C-Atom innerhalb der Kette (Keton) gebunden. Verschiedene Monosaccharide unterscheiden sich in ihrer Kettenlänge. 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 Aldohexose, 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.

Für Ahnungslose

C-6 ist nicht chiral, da es mit zwei H-Atomen verbunden ist. C-1 ist nicht chiral, da es sp2-hybridisiert ist.

Ihr müsst deshalb leider 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!
Ihr 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.

Lerntipp

Ein paar Eselsbrücken helfen einem dabei, sich die Konfigurationen der einzelnen Zucker einzuprägen. Bei der Glucose merkt man sich „ta tü ta ta“. Die Hydroxygruppen an C2, C4 und C5 zeigen also 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.

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.

Im 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:
  • 1.

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

  • 2.

    Das Sauerstoffatom der Hydroxygruppe wird als Sauerstoffbrücke Teil des Rings. Das Wasserstoffatom der Hydroxygruppe bildet mit dem Sauerstoff der Carbonylgruppe eine neue Hydroxygruppe.

  • 3.

    Der fertige Ring lässt sich in der Haworth-Struktur darstellen (Abb. 16.2).

Für Ahnungslose

Hier reagiert also eine Hydroxy- mit einer Carbonylgruppe. Wie nennen wir so eine Reaktion? Richtig, der entstehende Ring ist ein Halbacetal!

Monosaccharide als Haworth-Struktur

Um 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.

Lerntipp

FLOH: Fischer Links Oben Haworth. Eine Gruppe, die in der Fischer-Projektion 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 Furanosen. Einen Sechsring bezeichnet man als Pyranose (Abb. 16.3). 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 Mutarotation.

Lerntipp

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

Ihr wisst bereits, dass Monosaccharide sich verknüpfen lassen. Die Bindung zwischen den einzelnen Monosacchariden wird glykosidische Bindung genannt. Wir wissen, dass die Cyclisierung eines Monosaccharids eine Halbacetalbildung darstellt. 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:
  • Lactose (Milchzucker): Galaktose und Glucose sind β-1,4-glykosidisch verknüpft.

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

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

Lerntipp

Maltose ist als Malzzucker im Bier enthalten. Maltose besteht aus zwei Glucoseeinheiten, was als Glc-Glc abgekürzt wird. Wenn ihr versucht „Glc-Glc“ auszusprechen, werdet ihr sehen, dass das in etwa dasselbe Geräusch ist, was in eurem Hals beim Biertrinken entsteht.

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.

Für die Klausur

Enzyme, die Disaccharide spalten, haben denselben Namen wie der Zucker, mit dem Unterschied, dass sie auf „ase“ enden. Die Lactase spaltet folglich Lactose. Wenn sie fehlt, bekommt man Schwierigkeiten bei der Verdauung von Milchprodukten (die verbreitete Lactose-Unverträglichkeit).

Polysaccharide

Man kann Monosaccharide natürlich auch zu längeren Zuckern verknüpfen. Diese nennt man dann Polysaccharide. Man unterscheidet Polysaccharide, die aus identischen Monosaccharideinheiten aufgebaut sind (Homoglykane) und solche, die aus unterschiedlichen Monosaccharideinheiten bestehen (Heteroglykane).
Ihr solltet folgende Polysaccharide und natürlich die Verknüpfung von deren einzelnen Bausteinen kennen:
  • Zellulose: Zellulose gibt Pflanzen Struktur. Sie besteht aus Glucoseeinheiten, die β-1,4-glykosidisch verknüpft sind, ist also ein Homoglykan. Da der menschliche Körper keine β-Glucosidase besitzt, kann Zellulose nicht abgebaut werden. Man zählt sie deshalb zu den Ballaststoffen.

  • Stärke: Stärke ist der Speicherstoff pflanzlicher Zellen. Sie besteht aus Glucose, die α-glykosidisch verknüpft ist, ist also ebenfalls ein Homoglykan. Im Unterschied zur Zellulose können wir Stärke verdauen. Stärke besteht aus Amylose und Amylopektin. In der Amylose liegt Glucose in unverzweigten Ketten α-1,4-glycosidsch verknüpft vor. Im Amylopektin sitzen an diesen Ketten noch Verzweigungen, an denen die Glucosemoleküle α-1,6-glykosidisch verknüpft sind.

  • Glykogen: Glykogen ist der Speicherstoff tierischer und menschlicher Zellen. Glykogen ähnelt dem Amylopektin, wobei die Verzweigungen im Glykogen weitaus häufiger sind.

  • Hyaluronsäure: Hyaluronsäure ist ein Heteroglykan. Sie kann sehr gut Wasser binden und ist deshalb in allen Flüssigkeiten, die druckelastisch sein müssen, oder eine andere mechanische Schutzfunktion ausüben, reichlich vorhanden. Hyaluronsäure besteht aus aneinandergereihten Dimeren aus Glucuronsäure und N-Acetyl-Glucosamin. Mehr zu ihr erfahrt ihr mit Sicherheit in der Biochemie.

Übungen

  • 1.

    Inwiefern ist Zellulose für den Menschen von Bedeutung?

  • 2.

    Maltose ist ein Disaccharid. Aus welchen Monosacchariden besteht sie?

  • 3.

    Welche Aussage trifft zu?

    • a.

      In Lactose sind die Monosaccharide α-1,4-glykosidisch verknüpft.

    • b.

      Monosaccharide bilden unter Wasserabspaltung Ringe aus.

    • c.

      Bei der Bildung eines Rings entsteht ein zusätzliches Chiralitätszentrum.

    • d.

      Die biochemisch wichtigsten Zucker sind Tetrosen.

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