Kohlenhydrate

Kohlenhydrate oder Saccharide sind die große Naturstoffklasse der Polyhydroxycarbonylverbindungen und deren Oligo- und Polykondensate. Ihre nicht-kondensierten Vertreter, die Monosaccharide, weisen Kohlenstoffketten mit mindestens drei C-Atomen und mindestens einem Chiralitätszentrum auf. Am verbreitetsten sind Monosaccharide mit fünf oder sechs C-Atomen. Da viele prominente Saccharide die Bruttoformel C_n(H₂O)_n aufweisen, kann man diese formal als Hydrate des Kohlenstoffs ansehen, weshalb K. Schmidt 1844 den bis heute verwendeten Begriff Kohlenhydrate prägte. Vertreter dieser Stoffklasse können jedoch erheblich von dieser Bruttoformel abweichen und weitere funktionelle Gruppen und auch Heteroatome wie Stickstoff oder Schwefel enthalten, während andere Verbindungen derselben Formel nicht zu den Kohlenhydraten gehören, da sie keine Hydroxycarbonylverbindungen sind. Zwei- und Mehrfachzucker bestehen aus über glykosidische Bindungen verketteten Einfachzuckern. Die Monosaccharide (Einfachzucker), Disaccharide (Zweifachzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker) sind in der Regel wasserlöslich und haben einen süßen Geschmack und werden auch als Zucker bezeichnet. Die Polysaccharide (Vielfachzucker) sind hingegen oftmals schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral.

Physiologische Synthese

Einfachzucker werden von Pflanzen durch Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser aufgebaut, und enthalten Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Zur Speicherung oder zum Zellaufbau werden diese Einfachzucker dann zu Mehrfachzuckern verkettet.

Tiere und der Mensch können keine Einfachzucker synthetisieren, allerdings können sie aus Einfachzuckern langkettige Zucker herstellen. So synthetisiert die Leber beispielsweise aus Glukose den langkettigen Speicherzucker Glykogen.

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Nahrung

Kohlenhydrate sind ein wesentlicher Teil der menschlichen Nahrung. Der Energiegehalt von 1 Gramm Kohlenhydrat beträgt rund 17,2 Kilojoule (kJ) (4,1 kcal). Pflanzenarten, die vor allem dazu beitragen, den Kohlenhydratbedarf in der Ernährung zu decken, sind im Artikel Nutzpflanzen zusammengestellt.

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Systematik

Insgesamt kann man die Kohlenhydrate auch in Strukturkohlenhydrate und Nicht-Strukturkohlenhydrate unterteilen:

• Nicht-Strukturkohlenhydrate sind u.a. Rohrzucker (Saccharose) sowie das Polysaccharid Stärke. Diese Zucker dienen dem Energiegewinn oder sind Speicherstoffe.
• Strukturkohlenhydrate sind am Aufbau der pflanzlichen Zellwand beteiligt und stellen einen Großteil des Fasermaterials der Pflanzen dar: Zellulose, Hemizellulose, u.a.

Strukturkohlenhydrate können von Säugern mit einhöhligem Magen nur bedingt verdaut werden, hingegen weitgehendst oder vollständig von Wiederkäuern (Ruminantia), Kamelartigen (Camelidae) (diese sind ebenfalls Wiederkäuer, allerdings nicht im systematischen Sinne, da sie das Wiederkäuen unabhängig "erfunden haben") und Pferdeartigen (Equidae).

Liste der Kohlenhydrate

• Einfachzucker (Monosaccharide)
  • Dextrose, auch Traubenzucker oder Glucose
  • Mannose, ein Epimer der Glucose
  • Fructose, auch Fruchtzucker
  • Ribose, Teil der Ribonukleinsäure (RNA)
  • Desoxyribose, Teil der Desoxyribonukleinsäure (DNA)
  • Galactose, auch Schleimzucker
• Zweifachzucker (Disaccharide)
  • Saccharose, auch Rübenzucker oder Rohrzucker (Glucose + Fructose)
  • Lactose, auch Milchzucker (Glucose + Galactose)
  • Lactulose, ein synthetisch abgewandelter Milchzucker
  • Maltose, auch Malzzucker (Glucose + Glucose)
  • Trehalose
• Vielfachzucker (Polysaccharide)
  • Stärke
  • Cellulose
  • Glykogen
  • Chitin

Chemie

Kohlenhydrate sind Polyhydroxycarbonylverbindungen, haben in ihrer offenkettigen Form also neben mehreren Hydroxygruppen auch mindestens eine Carbonylgruppe. Befindet sich diese Carbonylgruppe an einem terminalen C-Atom (Aldehyd), so spricht man von einer Aldose, befindet sie sich an einem internen C-Atom (Keton), dann bezeichnet man den Zucker als Ketose. Die Carbonylfunktion ist eine hoch reaktive Funktionelle Gruppe: Zu nennen sind hier besonders die leichte Oxidierbarkeit zur Carbonsäure,* die Reduktion zum Alkohol und der leichte nukleophile Angriff am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe.

• Durch Oxidationsmittel werden Kohlenhydrate daher zu Glykonsäuren oxidiert. Dies gilt unter basischen Bedingungen nicht nur für die Aldosen, sondern auch für die Ketosen, die durch die Base in einer komplexen Reaktion umgelagert werden (dabei wird die im Zuge der Keto-Enol-Tautomerie auftretende Aldose Form stabilisiert). Beim Nachweis durch das Fehling-Reagenz wird ein blauer Cu(II)-Weinsäure-Komplex zu unlöslichem, roten Cu(I)oxid reduziert.

• Wird die Carbonylfunktion zur Hydroxygruppe reduziert, erhält man ein so genanntes Alditol.

• Durch intramolekularen nukleophilen Angriff einer der Hydroxygruppen auf das Carbonylkohlenstoffatom bildet sich ein zyklisches Halbacetal, welches energetisch meist sehr günstig ist. Hierbei werden überwiegend Sechsringe (pyranose Form) gebildet, die eine sehr niedrige Ringspannung aufweisen, es entstehen aber auch in geringerem Maße Fünfringe (furanose Form). Andere Ringgrößen treten nicht auf, da sie eine zu hohe Ringspannung aufweisen. Es entsteht ferner ein neues Chiralitätszentrum. Die beiden resultierenden Diastereomere werden mit α und β bezeichnet. In wässriger Lösung bilden α- und β-pyranose und -furanose Form eine Gleichgewichtsreaktion miteinander und mit der offenkettigen Form. Eine wässrige Lösung von reiner α-Glukopyranose wird daher nach einiger Zeit zu einer Gleichgewichtsmischung aus α- und β-Glucopyranose und -furanose (38 % α-Glcp, 62 % β-Glcp, 0 % α-Glcf, 0,14 % β-Glcf, 0,002 % offenkettig). Die hierbei messbare Veränderung des Drehwertes wird als Mutarotation bezeichnet.

(*) Während aliphatische Aldehyde bereits von Luftsauerstoff allmählich zur Carbonsäure oxidiert werden, sind Kohlenhydrate durch die Acetalbildung erheblich unempfindlicher, was zweifelsohne für eine so wichtige Biomolekülklasse von enormer Bedeutung ist.

• Von zentraler Bedeutung in der Kohlenhydratchemie ist ferner die glykosidische Bindung. Das hierbei gebildete zyklische Vollacetal eines Zuckers bezeichnet man als Glykosid.

• Mit Aminen (z.B. in Aminosäuren, Proteinen) reagiert der offenkettige Aldehyd des Kohlenhydrates über ein Imin reversibel zum Amadori-Produkt, welches wiederum ebenfalls mit Amin(osäur)en kondensieren kann und sich irreversibel umlagert:

R-NH₂ + OHC-CH(OH)-R´ $\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;$ R-N=CH-CH(OH)-R´ (Imin) $\;{\overrightarrow {\leftarrow }}\;$ R-NH-CH₂-C(O)-R´ (Amadori-Produkt) $\rightarrow$Umlagerungsprodukte

Diese nichtenzymatische Reaktion erfolgt im Organismus mit Aminosäuren und Eiweißen relativ häufig und ist einer der zentralen Vorgänge beim Altern (z.B. Altersflecken), da die Reaktionsprodukte vom Körper nicht abgebaut werden können. Ferner spielt sie eine wichtige Rolle bei der thermischen Zubereitung von Lebensmitteln, z.B. beim Braten und Kochen. Es kommt zu der typischen Bräunung, da sich konjugierte Ringsysteme bilden, die farbig sind. Diese Produkte der sogenannten Maillard-Reaktion sind auch für den Geschmack zubereiteter Lebensmittel entscheidend.

Siehe auch: Polysaccharid

Chemiker, die bei der Erforschung der Kohlenhydrate mitgewirkt haben

• Emil Fischer
• Bernhard Tollens
• Walter Norman Haworth

Literatur

• Thisbe K. Lindhorst: Struktur und Funktion von Kohlenhydraten. Chemie in unserer Zeit 34, 2000, 1, S. 38 - 52. ISSN 0009-2851
• Thomas K. Ritter, Chi-Huey Wong: Kohlenhydrate in der Antibiotikaforschung - ein neuer Ansatz zur Resistenzbekämpfung. Angewandte Chemie 113, 2001,19, S. 3616 - 3641. ISSN 0044-8249
• Jochen Lehmann: Kohlenhydrate. Chemie und Biologie. Thieme, Stuttgart-New York 1996, 2001 (2. Aufl.) ISBN 3-13-532902-X

Weblinks

• Repetitorium Biochemie
• Biochemie online - Grundlagen
• 3D Molekülstruturen von Kohlenhydraten