Kohlenhydrate

Allgemeines

Kohlenhydrate (auch Saccharide genannt) sind polyhydroxylierte Ketone oder Aldehyde, enthalten also mehrere Hydroxyl-Gruppen, und sind für alle Organismen essentiell. Man unterscheidet nach verschiedenen Polymerisationsstufen die Monosaccharide (Einfachzucker) von den Oligosacchariden, die aus 2-10 Monosacchariden aufgebaut sind, und den Polysacchariden, die aus mehr als 10 Monomeren aufgebaut sind.

• Energiespeicherung (z.B. Glykogen und Stärke)
• Metabolitspeicherung
• Grundgerüst der DNA und RNA (Ribose und Desoxyribose)>
• Strukturelement (z.B. Cellulose in Zellwänden)
• Zell-Zell-Erkennung

Funktionelle Gruppen und Stereochemie

Die Monosaccharide unterteilt man nach ihrer Carbonylfunktion in zwei Gruppen: Die Aldosen, die eine Aldehydgruppe enthalten und die Ketosen, die eine Ketongruppe enthalten. Ein Monosacharid muss aus mindestens drei Kohlenstoffatomen bestehen und lässt sich mir der allgemeinen Formel (CH₂O)_n beschreiben. Eine Einteilung lässt sich auch nach Anzahl der Kohlenstoffatome vornehmen: Triosen (3 Kohlenstoffatome), Tetrosen (4), Pentosen (5), Hexosen (6), Heptosen (7) usw. Eine genauere Beschreibung lässt sich dann noch durch das Präfix Aldo- oder Keto- machen (z.B. Aldopentose). Somit kann man die Anzahl der Kohlenstoffatome und die Carbonylfunktion ausdrücken.

Da Zucker asymmetrische C-Atome enthalten, muss man bei der Beschreibung eines Zuckers Angaben über die Konfiguration machen. Man benutzt hier meist die D,L-Nomenklatur und nicht das Cahn-Ingold-Prelog-System. In der Natur liegen hauptsächlich die D-Formen vor. Die Anzahl der möglichen Stereoisomere eines Zuckers lässt sich als Funktion der Anzahl der Kohlenstoffatomen darstellen. Bei den Aldosen, bei denen alle C-Atome bis auf die beiden endständigen als Chiralitätszentrum fungieren, gibt es bei n C-Atomen 2^n-2 mögliche Stereoisomere. Die Ketosen haben durch die Position des Sauerstoffatoms der Ketongruppe ein Chiralitätszentrum weniger. Die Anzahl der möglichen Stereoisomere lässt sich somit durch 2^n-3 wiedergeben.

Abb.: Stereochemische Beziehung zwischen den D-Aldosen mit drei, vier, fünf und sechs Kohlenstoffatomen.

Abb.: Stereochemische Beziehung zwischen den D-Ketosen mit drei, vier, fünf und sechs Kohlenstoffatomen.

Ist die Konfiguration zweier Zucker an nur einem Kohlenstoffatom unterschiedlich, so nennt diese Epimere.

Zyklisierung

Zucker liegen in der Natur nur selten in linearer Form vor. Meist entstehen durch intramolekulare Reaktion zyklische Halbacetale bzw. Halbketone. Zur Darstellung der Konfiguration bedient man sich der von Haworth (Nobelpreis für Chemie 1937) entwickelten und nach ihm benannten Haworth-Projektionsformel. Dabei nennt man Ringe mit 6 Gliedern Pyranosen (nach Pyran) und Ringe mit 5 Gliedern Furanosen (nach Furan). Durch Anhängen des entsprechenden Suffixes lässt sich die Konfiguration genauer beschreiben (z.B. Glucopyranose).

Durch die Zyklinisierung (Ringschluss) entsteht ein weiteres asymmetrisches Kohlenstoffatom, also ein zusätzliches Chiralitätszentrum. Die beiden zu unterscheidenden Diastomere werden Anomere genannt. Die Benennung wird mittels Haworth-Projektion vorgenommen: Liegt die anomere Hydroxylgruppe auf der anderen Seite der Ringebene als die CH2OH des der chiralen D-L-Konfiguration bestimmenden Zentrums so handelt es sich um die α-Form, andernfalls um die β-Form.

Die beiden anomere Formen könne über die offene Form ineinander überführt werde. Dies wird als Mutarotation bezeichnet.

Zudem sei noch angemerkt, dass Pyranosen und Furanosen keine planaren Moleküle darstellen, sondern in Sessel- oder Wannenform vorliegen.

Oligosacchraride und Polysaccharide

Bei den Oligosacchariden und Polysacchariden unterscheidet man zwischen Homoglycanen, die aus gleichen Monosacchariden aufgebaut sind, und den Heteroglycanen, die aus verschiedenen Monosacchariden bestehen. Zudem gibt es noch die Gruppe der Glykokonjugate, zu denen die Glykoproteine und Glykolipide gehören. Sie besitzen außer Zuckern noch andere Komponenten.

Die Verknüpfung der Zucker erfolgt über eine sogenannte o-glykosidische Bindung.

Beispiele mit Angabe der Monomere, der Bindung und des Vorkommens:

Disaccharide - Homoglycane:

• Maltose: O-α-D-Glucopyranosyl-(1,4)-α-D-Glucopyranose
• Isomaltose: O-α-D-Glucopyranosyl-(1,4)-α-D-Glucopyranose
• Cellobiose: O-β-D-Glucopyranosyl-(1,4)-β-D-Glucopyranose; Disaccharid der Cellulose
• Gentiobiose: O-β-D-Glucopyranosyl-(1,6)-D-Glucopyranose
• Trehalose: O-α-D-Glucopyranosyl-(1,1)-α-D-Glucopyranose; in Lymphe von Insekten, in Pilzen, Hefen, Flechten, Algen und Moosen

Disaccharide-Heteroglycan

• Lactose: (Milchzucker) O-β-D-Galactopyranosyl-(1,4)-β-D-Glucopyranose
• Saccharose: O-α-D-Glucopyranosyl-(1,2)-β-D-Fructopyranose; der handelsübliche Zucker

Polysaccharide

• Amylose: α-(1,4)-verknüpftes Glucosepolymer; unverzweigt
• Amylopektin: α-(1,4)-verknüpftes Glucosepolymer mit Verzweigungen nach allen 24 bis 30 Einheiten; die Verzweigung erfolgt mit α-1,6-verknüpften Glucoseeinheiten
• Glykogen: α-(1,4)-verknüpftes Glucosepolymer mit Verzweigungen nach allen 8 bis 12 Einheiten; die Verzweigung erfolgt mit α-1,6-verknüpften Glucoseeinheiten
• Cellulose: β-(1,4)-verknüpte Glucoseinheiten
• Pektin: α-(1,4)-verknüpftes Galacturonsäurepolymer
• Chitin: β-1,4-verknüfte N-Acteylglucosamineinheiten

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