Kohlenhydrate Einleitung

Transkript

1 Einleitung Kohlenhydrate (Saccharide) sind Polyhydroxycarbonyl-Verbindungen, die neben Kohlenstoff noch Wasserstoff und Sauerstoff im Stoffmengenverhältnis 2:1 enthalten. Der Begriff Kohlenhydrate ist eine Sammelbezeichnung für verschiedene Verbindungen, die sich von Einfachzuckern ableiten. Die allgemeine Summenformel der Kohlenhydrate C n ( 2 ) m m bzw. C n ( 2 ) m. Mono- und ligosaccharide werden als Zucker bezeichnet. Kohlenhydrate ligosaccharide Polysaccharide Einfachzucker C n ( 2 ) m z.b. Glucose, Fructose 2 bis 10 verbundene (Sauerstoffbrücken) z.b. Rohrzucker Verknüpfung vieler z.b. Stärke, Glykogen 2

2 Der größte Teil der organischen Materie besteht aus Kohlenhydraten. Sie entstehen unter Einwirkung von Sonnenlicht in den Blättern der grünen Pflanzen aus C 2 und 2. Dieser Vorgang, bei dem Sauerstoff freigesetzt wird, heißt Fotosynthese. 6 C Licht C Bei der Zellatmung, einem Stoffwechselvorgang, werden Kohlenhydrate mithilfe von Sauerstoff zu C 2 und 2 umgesetzt. Es findet der umgekehrte Weg der Fotosynthese statt. Dabei wird lebensnotwendige Energie frei. C C Energie 3

3 bestehen aus einem Kohlenstoffgerüst mit 3 bis 7 C-Atomen, mehreren ydroxy-gruppen und einer Aldehyd- oder Keto-Gruppe. Sie stellen die Grundbausteine aller Kohlenhydrate dar. Polyhydroxycarbonylverbindung Nach der Anzahl der Kohlenstoffatome unterteilt man die in Triosen, Tetrosen, Pentosen etc. Glycerinaldehyd C Dihydroxyaceton C C C C 2 C 2 C C 2 4

4 Konstitutions und Stereoisomerie von n Das chemische Verhalten der wird durch die Art der Carbonyl- Gruppe bestimmt. Man unterteilt sie daher in Aldosen, die eine Aldehyd-Gruppe am C 1 -Atom tragen, und in Ketosen, bei denen sich eine Keto-Gruppe am C 2 -Atom befindet 1 1 C 2 1 C 2 2* 3* 4* 2* xidation xidation 3* - 2 4* - 2 2* 3* 4* 5* 5* 5* C 2 6 D-Glucose *: chirales C-Atom C 2 6 D-Sorbit C 2 6 D-Fructose 5

5 Konstitutions und Stereoisomerie von n Die xidation am C 2 -Atom von D-Sorbit führt zur Bildung von Konstitutionsisomeren. Bei gleichartigen Aldosen bzw. exosen existieren verschiedene Stereoisomere, die geringfügig unterschiedliche chemische Eigenschaften zeigen. Es gibt 16 verschiedene Aldohexosen mit der Summenformel C Acht der Zucker gehören der D-Reihe an, acht der L-Reihe. L-Enantiomere spielen in der Natur keine Rolle. Für den Menschen physiologisch bedeutsam sind die D- Glucose, D-Galactose und die D-Mannose. 6

6 D-Glucose, Traubenzucker Glucose ist eine Aldohexose und kann in einer offenkettigen sowie zwei ringförmigen Strukturen auftreten. Die α- und β-glucose unterscheiden sich nur durch die Stellung der ydroxy-gruppe am anomeren Kohlenstoffatom. Den Vorgang der Umwandlung von α-glucosen über die offenkettige Form in β- Glukose nennt man Mutarotation. 7

7 D-Glucose, Traubenzucker α-d-glucose Smp.: = 146 C, [α] D = + 112,2 ( 2 ) β-d-glucose Smp.: = 150 C, [α] D = + 18,7 ( 2 ) C 2 axial 1 2* 3* 4* 5* C 2 equatorial 6 C 2 C 2 C 2 aworth - Schreibweise 8

8 Reduzierende Wirkung von Zucker Fähigkeit zur Bildung der offenkettigen Form Vorhandensein einer Aldehyd-Gruppe 1 1 2* 3* 4* + 2 Cu S Na * 3* 4* + 4 Na S Cu * 5* C 2 6 C 2 6 Folgereaktion: 2 Cu Cu Cu

9 D-Fructose, Fruchtzucker Fructose ist eine Ketohexose, die neben der offenkettigen Form zwei ringförmige Isomere mit unterschiedlicher Ringgröße bilden kann. D-Fructose ist die physiologisch wichtigste Kette C 2 1 C 2 2* 3* 4* 5* 2 C C 2 6 C C 2 aworth - Schreibweise 6 C

10 D-Fructose, Fruchtzucker Kohlenhydrate Fructose kommt wie Glucose in süßen Früchten und onig vor, schmeckt süßer und wird schneller abgebaut und beeinflusst den Blutzuckerspiegel kaum. Wenn man versucht, Fructose mit der Fehling schen Lösung zu testen, verläuft die Reaktion positiv, obwohl Fructose keine Aldehydgruppe hat. Das liegt daran, dass sich Fructose in wässriger alkalischer Lösung in Glucose umwandeln kann. In der stark alkalischen Fehling schen Lösung liegt deshalb ein Großteil der Fructose als Glukose vor. 11

11 Bedeutung wichtiger Ribose Glycerinaldehyd wichtiges Stoffwechselprodukt C 2 Ribose, Desoxyribose Zuckerkomponenten der Nucleinsäuren RNA und DNA sowie der Zellkern-Nucleoside D-Glucose Baustein vieler ligosaccharide, spezieller Lipide und Proteine Energielieferant im Kohlenhydratstoffwechsel C 2 D-Fructose Traubenzucker, Dextrose als Nahrungsmittel für Sportler und Kleinkinder Baustein höherer Kohlenhydrate 2 - Desoxyribose Fruchtzucker als Nahrungsmittel, Süßstoff oder als Zuckeraustauschstoff für Diabetiker 12

12 Anomere: durch Ringschluss wird das C-Atom der Carbonylgruppe asymmetrisch anomeres C-Atom; unterschiedliche Anordnung der Substituenten Anomere (unterscheidung durch vorangestellte Buchstaben α und β albacetal: R C + R R C R Aldehyd Alkohol albacetal aworth-projektion: In einem Ring ist das Sauerstoffatom nach oben angeordnet; das anomere C-Atom ist immer rechts C 2 α-d-glucose C 2 Aldehydform C 2 β-d-glucose C 2 C 2 C2 C 2 C 2 C2 α-d-fruktose Ketoform β-d-fruktose 13

13 Wichtige Fachbegriffe im Überblick. Pyranosen, Furanosen: Grundgerüst heterocyclischer Ringe Sechserring-System: Pyran Pyranosen Fünferring-System: Furan Furanosen C 2 C 2 + C 2 C 2 C C 2 14

14 Disaccharide Die Verbindung von zwei n führt unter Abspaltung von Wasser (Kondensation) zu Disacchariden. Natürliche Disaccharide haben die Summenformel C und können je nach Art der Monosaccharidbausteine und deren Verknüpfung eine Vielzahl von Isomeren mit unterschiedlichen Eigenschaften bilden. glykosidische Bindung: Verknüpfung einer -Gruppe mit dem einem halbacetalischen Kohlenstoffatom. 15

15 Disaccharide Saccharose Das bekannteste Kohlenhydrat (Rohrzucker, Rübenzucker). Sie entsteht aus einem Molekül Glucose und einem Molekül Fructose unter Abspaltung von Wasser. C C C Glucose + Fructose Saccharose + Wasser Die beiden Molekülen sind über eine glykosidische Bindung verknüpft. Saccharose reagiert nicht mit der Fehling schen Lösung, weil durch die Verknüpfung die funktionellen Gruppen blockiert sind. 16

16 Disaccharide Überblick über die häufigsten Disaccharide C 2 α C Maltose (Malzzucker), reduzierend C 2 β C Lactose (Milchzucker), reduzierend C 2 C 2 α C2 Saccarose (Rohrzucker), nicht reduzierend 17

17 Polysaccharide sind makromolekulare Naturstoffe, die durch die Kondensation vieler Moleküle eines s entstehen. Die wichtigsten Polysaccharide sind: Kohlenhydrate Polysaccharide Cellulose: Gerüststoff von Pflanzen, β-glykosidisch Verknüpfte β-d-glucose Einheiten. Durch Wasserstoffbrücken zu benachbarten Ketten entsteht ein unlöslich faseriges Material. C 2 C 2 C 2 C 2 Wirtschaftliche Bedeutung von Cellulose: Ausgangsstoff bei der Papierherstellung; Grundbaustein bei Textilfasern wie Baumwolle und Leinen. Glykogen: α-glykosidisch Verknüpfte α-d-glucose Einheiten. Struktur ähnlich dem Amylopektin, jedoch deutlich höherer Verzweigungsgrad. 18

18 Polysaccharide Struktur von Cellulose 19

19 Polysaccharide Stärke: α-glykosidisch Verknüpfte α-d-glucose Einheiten, Stoffgemisch aus 25 % Amylose und 75 % Amylopektin 20

20 Polysaccharide Stärke: α-glykosidisch Verknüpfte α-d-glucose Einheiten, Stoffgemisch aus 25 % Amylose und 75 % Amylopektin C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 21