(C) 2014 - SchulLV 1 von 5 Kohlenhydrate Funktion der Kohlenhydrate Draußen ist es sonnig und die Lufttemperatur beträgt 20. Das perfekte Wetter um mal wieder eine Runde joggen zu gehen. Joggingschuhe anziehen und schon kann es los gehen. Hoch motiviert nimmst dir vor, heute 5 km zu laufen. Die ersten 3 km sind für dich kein Problem, doch bei Kilometer 4 wird dir auf einmal ganz schwindelig und es wird für dich immer schwerer zu laufen. Völlig erschöpft musst du anhalten. Was ist denn jetzt los? Woher kommt dieser Leistungseinbruch? Viele Ausdauersportler kennen dieses Phänomen, oftmals ist es auf einen akuten Kohlehydratmangel zurückzuführen. Kohlenhydrate? Was ist denn das und wofür werden sie benötigt? Ein Synonym für das Wort Kohlenhydrate Produkt Kohlenhydratgehalt [g/100g] ist der Begriff Saccharide. Saccharide sind unsere täglichen Begleiter. Es sind Reis 78 organische Verbindungen und gehören zu Kartoffel 70 den wichtigsten Makronährstoffen für viele Lebewesen. Oftmals enden Saccharide auf Nudeln 30 die Endung -ose, wie z.b. Amylose, Banane 22 Lactose oder Galactose. Saccharide sind Apfel 13 die wichtigsten Energielieferanten. Wird beispielsweise Glucose verstoffwechselt, Naturjoghurt 4 entsteht die körpereigene Energiewährung Salat 2 ATP. Genaueres hierzu findest du im Skript Stoffwechsel. Nichtverdauliche Kohlenhydrate wie Cellulose heißen Ballaststoffe. Sie helfen unsere Darmtätigkeit zu regulieren. Alle süßlich schmeckenden Saccharide, werden unter der Bezeichnung Zucker zusammengefasst. Neben den Zuckern gehören auch die Stärken zu den Sacchariden. In der nebenstehenden Tabelle sind einige Lebensmittel mit ihrem durchschnittlichen Kohlehydrat aufgelistet. Bausteine Saccharide können detaillierter eingeteilt werden, denn nicht alle Kohlenhydrate sind gleich aufgebaut. Man unterscheidet Einfachzucker (= Monosaccharide), Zweifachzucker (= Disaccharide), Mehrfachzucker (= Oligosaccharide) und Vielfachzucker (= Polysaccharide). Ihr Aufbau wird dabei immer komplexer, immer größere Moleküle entstehen. Abbildung 1 gibt dir
(C) 2014 - SchulLV 2 von 5 einen Überblick über die Stoffklasse der Kohlenhydrate. Die einzelnen Stoffgruppen werden dir dann genauer vorgestellt. Abb. 1: Stoffklasse der Kohlenhydrate Monosaccaride Monosaccharide sind die Grundbausteine aller Kohlenhydrate. Charakteristisch ist eine Kette aus mindestens drei Kohlenstoffatomen, mindestens eine Hydroxylgruppe (-OH) und eine Carbonylgruppe (-CO). Unterscheiden lassen sich die Monosaccharide u.a. anhand ihrer Anzahl an Kohlenstoffatomen. Triosen besitzen drei Kohlenstoffatome, Tetrosen vier, Pentosen fünf und Hexosen sechs Kohlenstoffatome. Disaccharide und Polysaccharide sind aus vielen Monosacchariden zusammen gebaut. Das häufigste Monosaccharid ist die Glucose (=Traubenzucker, ). Abbildung 2 zeigt eine -Glucose in Haworth- Schreibweise. Autotrophe Lebewesen wie Pflanzen können Glucose selbst herstellen. Dies geschieht bei der Dunkelreaktion, einem Teilschritt der Photsynthese (weiteres siehe Skript "Photosynthese"). Heterotrophe Organismen, zu denen auch der Mensch gehört, müssen Glucose mit der Nahrung aufnehmen. Bei der Glycolyse, einem Teilschritt der Zellatmung, wird diese Glucose verbraucht, wodurch letztlich ATP entsteht. Abb. 2: Glucose ( -Glucopyranose) Abb. 3: Fructose ( -D-Fructofuranose) Glucose findet sich vor allem als Baustein von Stärke, aber auch in Milchzucker und Rohzucker. Ein weiteres Monosaccharid ist Fructose (=Fruchtzucker). Auch ihre Summenformel lautet
(C) 2014 - SchulLV 3 von 5, allerdings sind die Atome anders angeordnet als bei der Glucose. Eine mögliche chemischen Ausprägung siehst du in Abbildung 3. Fructose findet sich u.a. in Früchten, Honig und ist Baustein von Rohzucker. Disaccaride Zwei Monosaccharide bilden zusammen ein Disaccharid. Je nachdem welche zwei Monosaccharide sich verbinden, entsteht ein anderes Disaccharid. Ein Disaccharid das dir sicherlich gut bekannt ist, ist handelüblicher weißer Haushaltszucker oder brauner Abb. 4: Saccharose Rohrzucker. Hierbei handelt es sich um das gleiche Zuckermolekül. In der Fachsprache wird dieser Zucker als Saccharose bezeichnet, sie hat die Summenformel. Die Bausteine der Saccharose sind die beiden Monosaccharide Glucose und Fructose. Unser Haushaltszucker wird aus verschiedenen Zuckerpflanzen gewonnen. Zu diesen zählen Zuckerrüben Beta vulgaris subsp. vulgaris und Zuckerrohr Saccharum officinarum. Die Farbe des Zucker ergibt sich übrigens aus unterschiedlichen Herstellungsprozessen der beiden Zuckerarten. Pflanzen transportieren Saccharose von den Blättern zu den Wurzeln, um sie dort in Form des Speicherstoffes Stärke einzulagern. Abb. 5: Verschiedene Zuckersorten Quelle: wikipedia.org - Romain Behar, Beschriftung: BioLV Natürlich lassen sich noch weitere Zucker den Disacchriden zuordnen, beispielsweise Lactose (= Milchzucker) oder Maltose (= Malzzucker). Lactose ist dabei aus den Monosaccariden Galactose und Glucose zusammengesetzt, Maltose besteht aus zwei Glucose-Molekülen. Abb. 6: Zuckerrohr und Zuckerrübe Quelle: wikipedia.org - Esskay und Markus Hagenlocher (CC BY-SA 3.0), Beschriftung: BioLV
(C) 2014 - SchulLV 4 von 5 Oligosaccharide und Polysaccharide Abb. 7: Amylose Oligo- und Polysaccharide gehen fließend ineinander über. Allgemein werden alle Moleküle als Oligosaccharide bezeichnet, die aus drei oder mehr Monosacchariden zusammengesetzt sind. Polysaccharide bestehen aus sehr vielen Monossachariden und bilden riesige Makromoleküle. Polysaccharide sind oftmals Speicherstoffe, die erst dann verstoffwechselt werden, wenn Zuckernachschub verlangt wird. Ein für Pflanzen essenzielles Polysaccharid, das als Speicherstoff dient, ist die Stärke. Hauptbestandteile der Stärke sind die Polysaccharide Amylopektin und Amylose. Beide Polysaccaride sind aus Glucose aufgebaut. Die Stärkestruktur besteht zu 70-80% aus Amylopektin und zu 20-30% aus Amylose. Beispielsweise ist die Stärkespeicherung in den Sprossknollen für die Kartoffelpflanze von großer Bedeutung. Die Knollen dienen der Pflanze als Überwinterungsorgan. Im Frühjahr Abb. 8: Kartoffelknolle Quelle: wikipedia.org - 3268zauber (CC BY-SA 3.0) ist dadurch auch bereits genug Energie in Form von Stärke vorhanden, um neue Sprosse auszubilden. Auch für die ungeschlechtliche (vegetative) Fortpflanzung der Kartoffelpflanze ist die Stärkespeicherung wichtig. Hierbei entwickeln sich an der Knolle Knospen die junge Triebe, die später Wurzeln und den Spross ausbilden. Die Stärke ist damit die "Startenergie" der neuen Kartoffelpflanze. Polysaccharide sind nicht nur "Energiespeicher", sie haben ein breit gefächertes Aufgabengebiet. Sie sind bspw. Hauptbestandteile in Schleimstoffen oder erfüllen Stützfunktionen. Ein Beispiel hierfür ist das Polysaccharid Cellulose, ein Bestandteil von Zellwänden. Dieses Makromolekül kann aus bis zu 10.000 Glucoseeinheiten aufgebaut sein.
(C) 2014 - SchulLV 5 von 5 Beispiel Glykogen Das Makromolekül Glykogen lässt sich der Stoffklasse Polysaccharide zuordnen. Es besteht aus unzähligen Glucoseeinheiten und wird dann gebildet, wenn dem Körper besonders viele Kohlenhydrate zugeführt werden. Glykogen reichert sich in der Leber und den Muskeln an, dort bilden sich sogenannten Gykogenspeicher. Diese Speicher sind sehr wichtig für den menschlichen Körper. Um den Blutzuckerspiegel aufrecht zu halten wird das Glykogen aus der Leber verwendet. Glykogen aus den Muskeln wird zur Herstellung von ATP, das bei der Muskelkontraktion benötigt wird, genutzt. Abb. 9: Lauftraining Quelle: fotolia.com -Dudarev Mikhail Im Normalfall reicht das Glykogen aus den Glykogenspeichern einen Tag um unseren Blutzuckerspiegel konstant zu halten und genügend ATP für die Muskeln zu produzieren. Dann müssen wieder kohlehydrathaltige Nahrungsmittel aufgenommen werden, damit der Blutzuckerspiegel auch weiterhin konstant gehalten werden kann. Treibt man Sport, leeren sich die Glykogenspeicher aufgrund der erhöhten Muskelkontraktion schneller. Das Glykogen ist nach ca. 90 Minuten verbraucht. Beim Joggen musst du daher darauf achten, dass du dich nicht überanstrengst. Zu schnelles Loslaufen bewirkt eine rasche Leerung der Glykogenspeicher. Auch solltest du nie hungrig ein Lauftraining beginnen. Denn dabei kann es passieren, dass Glykogenreserven aus der Leber genutzt werden, um Energie zu gewinnen. Der Blutzuckerspiegel sinkt daraufhin schnell, Schwindel und Müdigkeit sind die Folge. Um das zu vermeiden, ist es sinnvoll eine Kleinigkeit vor dem Joggen zu essen (z.b. eine Banane). Dann kann sich genügend Glykogen in den Speichern anreichern kann. Nach dem Sport sollten die Glykogenspeicher wieder aufgefüllt werden. Wahrscheinlich wurden diese Tipps beim Eingangsbeispiel nicht beherzigt. Mit neuem Wissen und Motivation kann das Lauftraining weiter gehen. Also: Laufschuhe an und nichts wie raus!