Kohlenhydrate [Chemie Oberstufe]

Kohlenhydrathaltige Nahrungsmittel sind, neben den Zuckern, Getreide und alle Getreideprodukte, Hülsenfrüchte, Kartoffeln, Gemüse und Obst. Kohlenhydrate sind eine wesentliche Energiequelle des Organismus. Der Aufbau der Kohlenhydrate in den Pflanzen erfolgt über die Photosynthese, bei der aus CO₂, Wasser und Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll Glucose aufgebaut wird.

Die Kohlenhydrate Zucker, Stärke, Glykogen, Dextrine und Zellulose sind aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufgebaut. Die Beobachtung, dass dabei die Elemente C, H und O im Verhältnis 1:2:1 auftreten, was sich in der Summenformel als (CH₂O)n darstellen lässt, hat zur Bezeichnung Kohlenhydrate, d.h. Hydrate des Kohlenstoffs geführt. Obwohl heute auch Verbindungen zu den Kohlenhydraten gezählt werden, welche dieser Bedingung nicht genügen, und zudem Substanzen bekannt sind, welche zwar den Bedingungen genügen, aber keine Kohlenhydrate sind, wie beispielsweise die Essigsäure (C₂H₄O₂) oder die Milchsäure (C₃H₆O₃), wurde die Bezeichnung beibehalten.

Heute werden Kohlenhydrate definiert als Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr Hydroxy-Gruppen.

Abb. 1: Aldehyde oder Ketone und Hydroxy-Gruppen bilden zusammen mit einem Kohlenstoffskelett die Kohlenhydrate.

Aldosen und Ketosen

Kohlenhydrate mit einem Aldehyd werden als Aldosen, Kohlenhydrate mit einem Keton als Ketosen bezeichnet.

Kohlenhydrate entstehen aus Polyalkoholen (= Alkohole mit mehreren OH-Gruppen) dadurch, dass eine Hydroxy-Gruppe zu einer Carbonyl-Gruppe dehydriert wird, was sich am einfachsten am Glycerin (Glycerol) zeigen lässt:

Abb. 2: Bildung der beiden einfachen Zucker Dihydroxyaceton (Ketose) und Glycerinaldehyd (Aldose) aus dem Polyalkohol Glycerin (Glycerol) durch Abgabe von 2 Wasserstoffatomen.

Bei den Aldosen ist die Carbonylgruppe (C=O) am Anfang der Kohlenstoffkette (C1-Atom), bei den Ketosen innerhalb der Kohlenstoffkette (in der Regel am C2-Atom).

Anzahl C-Atome

Entsprechend der Anzahl C-Atome in der Kohlenstoffkette werden Zucker unterteilt in:

Anzahl C-Atome	Bezeichnung
3	Triose
4	Tetrose
5	Pentose
6	Hexose
7	Heptose

Die einfachsten Zucker sind demnach Triosen mit 3 C-Atomen, d.h. sowohl Glycerinaldehyd (Aldose) wie auch Dihydroxyaceton (Ketose) sind Triosen.

Die in der Nahrung vorkommenden einfachen Zucker sind vorwiegend Hexosen. Ribose und Desoxyribose in der Erbsubstanz (Nucleinsäuren) gehören zu den Pentosen.

Nummerierung der C-Atome
Die Kohlenstoffatome des Kohlenhydratgerüstes werden numeriert. Dabei beginnt man bei demjenigen C-Atom, welches der Aldehyd-Gruppe bzw. der Keton-Gruppe am nächsten ist.

Abb.3: Nummerierung der Kohlenstoffatome bei Kohlenhydraten.

Chiralität: D- und L-Formen

Aldosen mit drei oder mehr C-Atomen und Ketosen mit vier oder mehr C-Atomen enthalten sogenannte asymmetrische Zentren, d.h. sie besitzen Kohlenstoffatome mit 4 verschiedenen Substituenten.

Je nach dem, ob die Hydroxy-Gruppe am zweitletzten C-Atom nach rechts oder links schaut, unterscheidet man zwischen D- und L-Formen. Moleküle, die sich in dieser Art spiegelbildlich verhalten, werden als Enantiomere oder Stereoisomere bezeichnet.

Abb. 4: Entsprechend der Stellung der OH-Gruppe am "zweitletzten" C-Atom unterscheidet man zwischen D- und L-Glycerinaldehyd.

Enantiomere besitzen den gleichen Namen, allerdings mit unterschiedlichem Präfix L oder D. In der Natur dominieren bei den Kohlenhydraten die D-Formen.

Die Zahl der möglichen Aldosen wächst mit jedem C-Atom um den Faktor 2. Ausgangspunkt sind bei den Aldosen das D- und das L-Glycerinaldehyd. Die folgende Abbildung zeigt die möglichen Aldosen, wenn man vom D-Glycerinaldehyd ausgehend Kohlenstoffatome in die C-Kette einfügt.

Mögliche D-Aldosen mit 3 bis 6 C-Atomen, ausgehend vom D-Glycerinaldehyd. Alle hier gezeichneten Aldosen weisen am vorletzten C-Atom die gleiche Konfiguration auf.
In der gleichen Art lässt sich ein Schema entwickeln, welches auf dem L-Glycerinaldehyd basiert.

Die Ringbildung der Monosaccharide

In Lösung sind Zucker grösstenteils nicht in Kettenform vorhanden, sondern bilden durch kovalente Bindung der Carbonyl-Gruppe mit einer Hydroxy-Gruppe innerhalb der Kohlenstoffkette zyklische Strukturen.

Abb. 5: Ringbildung der Glucose
A: Glucose in Kettendarstellung
B: der Sauerstoff der Carbonylgruppe ist mit dem C5-Atom verbunden

Bewährt hat sich die Darstellung nach Haworth:

Abb. 6: Darstellung des Ringschlusses bei der Glucose nach Haworth.

Bei der üblichen Darstellung werden die Kohlenstoff- und und die Wasserstoffatome innerhalb des Ringes werden nicht geschrieben:

Abb.7: Die übliche Darstellung der Glucose. In blau die Nummer des jeweiligen C-Atoms.

Die Ringbildung ist möglich für Zucker, bei denen am Kohlenstoffatom mit der Carbonyl-Gruppe eine Kette von 3 oder mehr C-Atomen hängt.

Die a- und b-Konfiguration
Bei der Ringbildung entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom. Schaut die Hydroxygruppe am C1-Atom nach unten, so spricht man von einer a-Konfiguration, andernfalls von einer b-Konfiguration. Die beiden Konfigurationen werden als Anomere bezeichnet. a- und b-Konfiguration gehen leicht ineinander über (Mutarotation).

Pyranosen und Furanosen
Reagiert bei der Ringbildung von Aldohexosen die OH-Gruppe des C5-Atoms mit dem C1-Atom, so entsteht ein 6er-Ring, bestehend aus 5 Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom. Chemisch wird dieser Ring als Pyran bezeichnet, folglich heissen alle Zucker mit diesem 6er-Ring Pyranosen.

Es kann aber auch die OH-Gruppe am C4-Atom mit dem Kohlenstoffatom C1 reagieren. Dabei entsteht ein 5er Ring; diese Kohlenhydrate werden als Furanosen bezeichnet.

Abb. 8: Pyranose (links) und Furanose (rechts).

Unterteilung der Kohlenhydrate

Unterteilung aufgrund der Molekülgrösse
Die Kohlenhydrate lassen sich unterteilen in

Monosaccharide,
Disaccharide (2 Monosaccharide)
Oligosaccharide (3-10 Monosaccharide) und
Polysaccharide.

Unterteilung aufgrund der Funktion
Kohlenhydrate kommen in Form der Monosaccharide und Disaccharide als einzelne, kleine Moleküle vor. Diese können sich aber zu grösseren Einheiten zusammenschliessen, welche dann als Speicherform dienen oder aber strukturelle Aufgaben übernehmen. Zudem wirken Kohlenhydrate als Signalstoffe.

Nährstoffe und Reservestoffe
- Glucose
- Glycogen
- Stärke
Bau- und Gerüststoffe
- Cellulose
- Chitin
Signal- und Informationsträger
- Glycoproteine: Proteine mit einem Kohlenhydratanteil
Bestandteile der Erbsubstanz
- Desoxyribose in der DNS (Desoxyribonucleinsäure, DNA)
- Ribose in der RNS (Ribonucleinsäure, RNA).

2. Monosaccharide

Einteilung der Monosaccharide

Monosaccharide sind die kleinsten Einheiten der Kohlenhydrate. Sie sind durch Säuren nicht spaltbar. Zu den Monosacchariden zählen die einfachen Zucker sowie deren Derivate.

Die wichtigsten Vertreter der einfachen Zucker sind die Hexosen Glucose (Traubenzucker, Glc), Fructose (Fruchtzucker, Fru) sowie Galactose (Cerebrose, Gal) und die Pentosen Ribose und Desoxyribose.
Bei den Derivaten werden weitere Gruppen an die einfachen Zucker gebunden. Wichtige Funktionen nehmen die Aminozucker, die acetylierten Aminozucker und die sauren Monosaccharide ein.

Einfache Zucker

Aufbau von Glucose, Galactose und Fructose
Diese einfachen Zucker bestehen ausschliesslich aus den Elementen C, O und H.


a-D-Glucose	a-D-Galactose	b-D-Fructose

Abb. 1: Monosaccharide: Hexosen
Die beiden Aldosen Glucose und Galactose im Vergleich mit der Ketose Fructose.

Ribose und Desoxyribose


b-D-Ribose	b-D-Desoxyribose

Abb. 2: Monosaccharide: Pentosen. Ribose und Desoxyribose

Desoxyribose kommt in der DNA (= DNS, Desoxyribonucleinsäure), Ribose in der RNA (= RNS, Ribonucleinsäure) vor.

Fucose
Fucose (Fuc, 6-Desoxy-L-Galactose) ist ein Desoxyzucker (C₆H₁₂O₅), der als Bestandteil von Oligosacchariden der Frauenmilch, von Glycoproteinen der Blutgruppen und in Meeralgen vorkommt. Fucose ist einer der wenigen Zucker, die in der L-Form vorliegen.

a-L-Fucose

Abb.3: Fucose

Derivate der einfachen Zucker

Aminozucker und acetylierte Aminozucker

b-D-Glucosamin

Abb. 4: Beim b-D-Glucosamin ist die OH-Gruppe des C₂-Atoms durch eine Amino-Gruppe ersetzt worden.

Durch Bindung von Essigsäure an die Aminogruppe des Aminozuckers entstehen acetylierte Aminozucker.


	b-N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc)	b-N-Acetyl-D-Galactosamin (GlcNAc)

Abb. 5: GlcNAc leitet sich von der Glucose, GalNAc von der Galactose ab.

Galactosamin ist ein häufiger Bestandteil von Glycoproteinen.

Saure Monosaccharide
Eine Oxydation ist nur an den Enden der Zuckerkette möglich, also bei der Glucose am C₁- und C₆-Atom.

Abb. 6: Saure Monosaccharide

Die Glucuronsäure hat eine wichtige Funktion in der Leber bei der Entgiftung, so beispielsweise auch bei der Ausscheidung des Bilirubins durch die Galle.

Gluconsäure ist als Phosphat ein Zwischenprodukt im Pentosephosphatzyklus.

Phosphorsäureester

Eine zentrale Stellung im Stoffwechsel nehmen die Verbindungen der Monosaccharide, insbesondere der Glucose und Fructose, mit Phosphorsäure ein. Die Phosphat-Gruppe kann dabei vom C₁-Atom und/oder vom C₆-Atom gebunden werden.

Abb. 7: Glucose-6-Phosphat

Umwandlung von Monosacchariden

Epimerisierung: Umkehr der sterischen Anordnung an einem C-Atom
Beispiel: in der Leber wird Galactose in Glucose umgewandelt.
Isomerisierung: Umwandlung von Aldose in Ketose und umgekehrt.
Beispiel: beim Abbau der Glucose durch die Glycolyse wird Glucose-6-Phosphat in
Fructose-6-Phosphat umgewandelt.

3. Disaccharide

Bildung der Disaccharide

Disaccharide werden durch Verknüpfung von zwei Monosacchariden (glycosidische Bindung) gebildet.

Die wichtigsten Vertreter der Disaccharide sind:

Maltose (Malzzucker) = Glucose + Glucose,
Lactose (Milchzucker) = Galactose + Glucose
Saccharose (Rohrzucker) = Glucose + Fructose.

Maltose und Isomaltose

Maltose entsteht aus dem Zusammenschluss zweier Glukosemoleküle, wobei Wasser frei wird. Die Verknüpfung erfolgt zwischen den Kohlenstoffatomen C₁ mit einer Hydroxy-Gruppe in alpha-Stellung und C₄ des zweiten Moleküls, so dass eine a1,4-glycosidische Verbindung entsteht: Glucose-a1,4-Glucose.

Abb.1: Maltose besteht aus 2 Glucosemolekülen, die mit einer a-1,4-Bindung verbunden sind.

Isomaltose
Bei der Isomaltose erfolgt die Verknüpfung der beiden Glucosemoleküle zwischen dem C₁- und dem C₆-Atom.

Abb.2: Isomaltose (Glucose-a1,6-Glucose)

Lactose

Die nur schwach süsse Lactose (Galactose-b1,4-Glucose) kommt ausschliesslich in der Milch vor und besteht aus Galactose und Glucose. Da es sich um eine b-glycosidische Verbindung der beiden Monosaccharide handelt, kann das Molekül auf zwei Arten dargestellt werden:

Abb.3: Zwei verschiedene Darstellungsmöglichkeiten des Lactosemoleküls

Lactose kann durch das Enzym Lactase gespalten werden.

Saccharose

Saccharose besteht aus Glucose und Fructose ( Glucose-a1,b2-Fructose).

Im Pflanzenreich ist die Saccharose die Transportform der Kohlenhydrate und dient auch als lösliche Kohlenhydrat-Reserve. Da sie sehr süss ist, wird sie zum Zuckern von Speisen geschätzt. Besonders reich an Saccharose sind Zuckerrohr und Zuckerrüben.

Durch enzymatische Hydrolyse des saccharosehaltigen Blüten-Nektars im Verdauungstrakt der Bienen entsteht der Honig, eine Mischung zwischen Glucose und Fructose.

4. Polysaccharide

Polysaccharide

Durch glycosidische Verknüpfung vieler Monosaccharide entstehen Oligo- bzw. Polysaccharide.

Polysaccharide haben sehr unterschiedliche Funktionen:

Glycogen und Stärke sind Speicherformen der Glucose
Cellulose ist ein wesentlicher Bestandteil der Pflanzenzellwände
Proteoglycane bilden die Grundsubstanz des Interzellularraums
Glycoproteine sind zusammen mit den Glycolipiden wichtige Bestandteile der Zellmembranen.

Stärke

Stärke besteht aus unverzweigter Amylose und aus verzweigtem Amylopectin.

Amylose ist poly-a1,4-Glucose:

Abb.1: Die in der Stärke vorkommenden Amylose besteht aus linearen Ketten von a1-4 verknüpften Glucosemolekülen.

Amylopectin ist poly-a1,4-a1,6-Glucose. durch die Verbindung zwischen den C1- und C6-Atomen entstehen Verzweigungen.

Abb.2: Amylopectin

Im Mittel verzweigt sich die Kette jeweils nach 25 Glucosemolekülen.

Glycogen

Glykogen ist eine verzweigte Kette, aufgebaut aus bis zu 100’000 Glucosemolekülen. Glykogen ist die Kohlenhydratreserve des Menschen und wird vorallem in Leber und Muskulatur gespeichert.

Abb.3: Schematische Darstellung eines Glycogenmoleküls. Durch a1,4-glycosidische Bindungen entstehen lineare Ketten, a1,6-glycosidische Bindungen führen zu Verzweigungen.

Glycogen ist wesentlich stärker verzweigt als Amylopectin, nach jedem 8. bis 12. Glucosemolekül tritt eine Verzweigung auf.

Cellulose

Cellulose bildet ein lineares, unverzweigtes Molekül aus b1-4 verknüpften Glucosemolekülen.
Cellulosemoleküle können mehr als 10’000 Glucosereste enthalten und eine Länge von 6-8 mm erreichen. Sie sind mechanisch stabil, wasserunlöslich und gegenüber chemischer und enzymatischer Hydrolyse sehr widerstandsfähig. Im menschlichen Darmtrakt kann Cellulose nicht abgebaut werden.

Pflanzliche Zellwände bestehen fast zur Hälfte aus Cellulose, bei Baumwollfasern liegt der Celluloseanteil sogar bei 98%.

Mucopolysaccharide

Die sauren Mucopolysaccharide, auch als Glykosaminglykane bezeichnet, bestehen aus Disaccharideinheiten, welche 1-4-glykosidisch zu linearen Polysacchariden verbunden sind.

Diese Disaccharideinheiten bestehen aus Glucuronsäure und Aminozuckern, die 1-3-glykosidisch verbunden sind. Diese Einheiten können zudem noch sulfatiert oder acetyliert sein.

Hyaluronsäure

Abb.4: Hyaluronsäure: Glucuronsäure-b-1-3-N-Acetyl-Glucosamin.

Hyaluronsäure ist ein wichtiger Bestandteil verschiedener Gewebe:

Bindegewebsgrundsubstanz
Synovialflüssigkeit
Glaskörper des Auges
Haut
Knorpel

Hyaluronsäure ist in der Lage Wasser bis zum 10’000-fachen des Eigenvolumens gelartig zu fixieren. So enthält der Glaskörper des Auges ca. 1% Hyaluronsäure und 98% Wasser.

Hyaluronidasen können Hyalinsäure rasch spalten, wodurch Fremdsubstanzen sowie Bakterien leicht in das Gewebe eindringen können.

Chondroitinsulfat C
(Glucuronsäure-N-Acetyl-Sulfo-Galactosamin)
Chondroitinsulfat kommt vorallem vor in Bindegewebe, Knochen und Haut.

Keratansulfat
(D-Galactose-N-Acetyl-Glucosamin-6-sulfat)
Keratansulfat spielt eine Rolle als Bestandteil der Kornea und des Knorpels.

Proteoglycane

Werden Mucopolysaccharide im Gewebe kovalent über die Aminosäuren Serin oder Threonin an Proteine geknüpft, entstehen Proteoglykane. Sie sind durch einen grossen Glykananteil (=Polysaccharidanteil) von 80-94% und einen kleinen Proteinanteil (6-20%) gekennzeichnet.
Proteoglykane sind am Aufbau der extrazellulären Bindegewebsmatrix beteiligt und besitzen ein hohes Wasserbindungsvermögen.

Anmerkung: im Gegensatz dazu bestehen Glykoproteine vorwiegend aus Proteinen, wobei der Kohlenhydratanteil in Form von Oligosaccharidketten vorliegt. Glycoproteine findet man vorallem an der Aussenseite von Zellmembranen als "Erkennungsmoleküle".

Zusammenfassung zu Kohlenhydraten

Kohlenhydrate sind eine Gruppe von organischen Verbindungen, die aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen bestehen. Unser menschlicher Körper benötigt sie unter anderem als Energiequelle.

Kohlenhydrate werden aufgrund ihrer chemischen Struktur in drei Kategorien unterteilt: Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide.

Monosaccharide sind die einfachste Forme von Kohlenhydraten. Sie sind die kleinsten Einheiten der Kohlenhydrate. Sie sind durch Säuren nicht spaltbar. Zu den Monosacchariden zählen die einfachen Zucker sowie deren Derivate. Die wichtigsten Vertreter der einfachen Zucker sind die Hexosen Glucose (Traubenzucker, Glc), Fructose (Fruchtzucker, Fru) sowie Galactose (Cerebrose, Gal) und die Pentosen Ribose und Desoxyribose.

Disaccharide sind Kohlenhydrate, die aus zwei Monosacchariden durch eine glykosidische Bindung gebildet werden.

Die wichtigsten Vertreter der Disaccharide sind: Maltose (Malzzucker) = Glucose + Glucose, Lactose (Milchzucker) = Galactose + Glucose und Saccharose (Rohrzucker) = Glucose + Fructose.

Polysaccharide hingegen sind komplexe Kohlenhydrate, die aus vielen Monosacchariden bestehen und in Form von Stärke, Cellulose und Glykogen in Pflanzen und Tieren vorkommen. Polysaccharide haben sehr unterschiedliche Funktionen: Glycogen und Stärke sind Speicherformen der Glucose, Cellulose ist ein wesentlicher Bestandteil der Pflanzenzellwände, Proteoglycane bilden die Grundsubstanz des Interzellularraums und Glycoproteine sind zusammen mit den Glycolipiden wichtige Bestandteile der Zellmembranen.

Kohlenhydrate mit einem Aldehyd werden als Aldosen, Kohlenhydrate mit einem Keton als Ketosen bezeichnet.

Kohlenhydrate spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Organismen und dienen meist als primäre Energiequelle. Sie sind an der Bildung von Zellwänden, DNA und RNA beteiligt. Kohlenhydrate werden in der Natur durch Photosynthese von Pflanzen produziert und sind in vielen Nahrungsmitteln, insbesondere in Brot und Kartoffeln enthalten.

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