Carbohydate

Monosaccharide

Isomere
Stereoisomere
Anzahl der Kohlenstoffatome
Asymmetrische Kohlenstoffatome
Triosen und Pentosen
Hexosen

Isomere

Die Monosaccharide lassen sich anhand der Anzahl der Kohlenstoffatome in den Molekülen in Gruppen einteilen, also: Triole haben 3-C-Atome, Tetrole haben 4-C-Atome, Pentosen haben 5-C-Atome und Hexosen haben 6-C-Atome. Innerhalb jeder dieser Gruppen gibt es verschiedene Verbindungen, die alle die gleiche Summenformel haben. So sind beispielsweise sowohl Glucose als auch Fructose Hexosen (C6H12O6), die jedoch unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften haben. Diese Arten von Verbindungen nennt man Isomere.

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Stereoisomere

Einige Isomere unterscheiden sich nur in der Art und Weise, wie die Atome im 3-D-Raum angeordnet sind, d.h. die Atome sind auf die gleiche Weise aneinander gebunden, aber im 3-D-Raum unterschiedlich angeordnet. Daher können Zucker als Paare von Stereoisomeren oder Enantiomeren vorliegen, die spiegelbildlich zueinander sind. Das zentrale C-Atom der Glycerose wird als asymmetrisches C-Atom bezeichnet, weil es im Raum so angeordnet werden kann, dass zwei verschiedene Strukturen entstehen. Diese Unterschiede wirken sich nicht auf die physikalischen Eigenschaften aus, können aber die biochemischen Eigenschaften beeinflussen, da sie die Form des Moleküls verändern. Beim L-Isomer befindet sich das OH links vom zentralen Kohlenstoff:

und beim D-Isomer befindet sich das OH rechts vom zentralen Kohlenstoff.

Um die Isomere zu unterscheiden, werden sie als L- und D-Isomere bezeichnet. Das L stammt vom lateinischen Wort für links, Laever, und das D vom lateinischen Wort für rechts, Dexter.

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Nummerierung der Kohlenstoffatome

Nummerierungstranskript:

Kohlenstoffatome werden beginnend mit dem reaktiven Ende des Moleküls, dem CHO (Aldehyd) oder „C“ doppelt gebundenen „O“ (Carbonyl) Ende des Moleküls nummeriert. Jedes Kohlenstoffatom wird dann in der Reihenfolge bis zum Ende der Kette nummeriert. Bei der Nummerierung von Stereoisomeren mit mehr als drei Kohlenstoffatomen wird die Position der OH-Gruppe am vorletzten oder vorvorletzten Kohlenstoffatom betrachtet, da diese bestimmt, ob es sich um ein L- oder D-Stereoisomer handelt. In diesem Beispiel betrachten wir die Nummerierung der D-Glucose. Zunächst müssen wir das reaktive Ende des Moleküls finden und seinem Kohlenstoff die Nummer eins zuweisen. Dann nummerieren wir die übrigen Kohlenstoffatome der Reihe nach bis zum Ende der Kette.

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Asymmetrische Kohlenstoffatome

Theoretisch könnte bei Glukose die Position der OH-Gruppe an jedem der asymmetrischen Kohlenstoffatome mit den Nummern zwei, drei, vier und fünf umgedreht werden, so dass jedes Mal ein anderes Stereoisomer entsteht, was insgesamt 16 oder 24 Stereoisomere ergibt. In der Natur kommen jedoch nicht alle davon vor. Bei Fructose gibt es nur drei asymmetrische Kohlenstoffe, so dass nur 8 oder 23 Stereoisomere entstehen können.

Glucose hat eine Aldehydgruppe (-CHO) am ersten Kohlenstoffatom und wird daher als „Aldose“ bezeichnet, außerdem hat sie sechs Kohlenstoffatome (eine Hexose), so dass sie als „Aldohexose“ bezeichnet werden kann. Die reaktive Gruppe der Fructose ist jedoch eine Ketongruppe (-C=0) am zweiten Kohlenstoffatom. Sie wird daher als „Ketose“ oder „Ketohexose“ bezeichnet.

Nur wenige der Monosaccharide kommen in der Natur frei vor. Die meisten von ihnen finden sich in der Regel als Zuckereinheiten in Polysacchariden oder in komplexeren Molekülen. Sie können dann durch Hydrolyse (Aufspaltung) der komplexen CHOs gewonnen werden. Monosaccharide werden oft als Einfachzucker bezeichnet und nach der Anzahl der C-Atome unterteilt.

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Triole und Pentosen

1. Triole: (C3H6O3)
Glycerose- hat zwei Isomere, Glyceraldehyd, das eine Aldehydgruppe (-CHO) enthält und Dihydroxyaceton, das eine Ketongruppe (-C=0) enthält. Diese Verbindungen sind wichtige metabolische Zwischenprodukte bei der Oxidation von Glukose zur Energiegewinnung. Die Konfiguration der Glycerose wird verwendet, um die D & L-Formen anderer Zucker zu bestimmen.

2. Pentosen (C5H10O5)
Drei wichtige Pentosen sind:

D-Ribose – ein Bestandteil von RNA, Ribonukleinsäure, Vitaminen (Riboflavin) und Coenzymen. Sie ist auch ein wichtiger Bestandteil der hochenergetischen Verbindungen ATP und ADP. In ihrer reduzierten Form, der Desoxyribose, ist sie ein Bestandteil der DNA.

L-Arabinose – kommt im Kernholz von Nadelbäumen vor und ist ein Bestandteil der Hemicellulosen, wo sie mit Xylose vorkommt. Sie ist auch ein Bestandteil von Pektin und kann ein Hauptbestandteil von Gummi (Gummi Arabicum) sein. Durch bakterielle Einwirkung bei der Silageherstellung kann freie Arabinose entstehen. Arabane sind Polymere aus Arabinose.

D-Xylose – D-Xylose ist in geringen Mengen frei in Früchten vorhanden, kommt aber hauptsächlich in Hemicellulose, als Xylane und Hetero-Xylane vor. Hemizellulose ist ein Polysaccharid aus Xylose und Arabinose (ein Heteroxylan). Das Verhältnis von Xylose zu Arabinose scheint die Verdaulichkeit zu beeinflussen, da die Verdaulichkeit mit steigendem Xyloseanteil abnimmt.

Hemicellulosen machen einen beträchtlichen Teil der Zellwände von Pflanzen aus, so dass Pflanzenfresser große Mengen davon fressen. Diese Zucker sind alle Aldopentosen.

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Hexosen

3. Hexosen (C6H12O6)

D-Glukose – eine Aldohexose mit verschiedenen gebräuchlichen Namen, darunter Traubenzucker, Dextrose, Maiszucker (aus Maisstärke hergestellt). Kommt frei in Pflanzen, Früchten, Honig, Körperflüssigkeiten, einschließlich Liquor, Blut und Lymphe vor. Er ist das wichtigste Endprodukt der CHO-Verdauung bei Nicht-Wiederkäuern und stellt daher eine primäre Energieform für Nicht-Wiederkäuer dar. Sie ist ein Hauptbestandteil vieler Oligosaccharide (mit Galaktose bildet sie Laktose) und Polysaccharide (wie Stärke und Zellulose).

D-Glukose Ringtranskript:

In Lösung liegt D-Glukose als Gleichgewichtsmischung der geradkettigen Form mit zwei Pyranoseringformen vor. Tatsächlich reagiert das Kohlenstoffatom Nummer eins mit dem Kohlenstoffatom Nummer fünf und bildet einen Ring. Tatsächlich existieren zwei Formen der Struktur, die als Anomere bezeichnet werden. Befindet sich das Wasserstoffatom über dem ersten Kohlenstoffatom, spricht man von einem Alpha-Anomer, befindet sich das Wasserstoffatom jedoch unter dem Kohlenstoffatom, spricht man von einem Beta-Anomer.

Diese Strukturinformation ist sehr wichtig, da sie bestimmt, wie sich Glukosemoleküle zu größeren Molekülen zusammenfügen. Stärke ist ein Polymer der a-Form und ist wasserlöslich und durch tierische Enzyme verdaulich. Zellulose ist ein Polymer der b-Form, es ist nicht löslich und kann von tierischen Enzymen nicht verdaut werden.

Der Wechsel von a zu b über eine offene Kettenstruktur wird Mutarotation genannt und erfordert, dass die O-C-Bindung gebrochen wird, damit das C das H und OH auf den Kopf stellen kann. Anschließend wird die Bindung wiederhergestellt. Auch die anderen Monosaccharide bilden Ringformen.

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D-Fructose – eine Ketohexose, die in Honig, grünen Blättern, Samen und Stängeln vieler Pflanzen vorkommt, als Haupteinheit in Fructanen, die in jungen Gräsern häufig sind, in Wurzeln als Speicherpolysaccharid Inulin und als Bestandteil des Disaccharids Saccharose (mit Glucose).

Es bildet auch Pyranoseringe, aber wenn es reagiert, um Oligo- oder Polysaccharide zu bilden, tut es dies als FURANOSE-Ringstruktur (wie FURAN). In diesem Fall ist das anomere Kohlenstoffatom C-2, und das CH2OH befindet sich entweder oberhalb des anomeren Kohlenstoffs (Alpha-Anomer), wie bei Saccharose, oder unterhalb, wie bei FRUCTANS (Beta-Anomer).

D-Galaktose – eine Aldohexose, die nicht frei vorkommt, am wichtigsten als Bestandteil des Disaccharids Laktose, Milchzucker (mit Glukose). Sie kommt auch in anderen komplexen CHOs und komplexen Lipiden im Gehirn und Nervengewebe vor (Galaktoglyceride und Cerebroside).

D-Mannose – Hauptsächlich als Mannane in Hefen, Schimmelpilzen und Bakterien.

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Hexose-Reaktionen

Hexose-Verbindungen können eine Reihe von chemischen Reaktionen eingehen.

1. Oxidation zu Säuren
   • z.B. Glukose, Oxidation von CH2OH zu COOH erzeugt Glucuronsäure, die ein wichtiger Bestandteil von Heteropolysacchariden wie Pektinen ist.
2. Kombiniert mit NH3 zur Herstellung von Hexosaminen, z.B. Glucosamin – ein Bestandteil von Chitin.
3. Bildung von Alkoholen, z.B. Glukose bildet Sorbitol.
4. Phosphorylierung zu Hexosephosphaten, z.B. Glukose-l-Phosphat und Glukose-6-Phosphat; diese sind wichtige Zwischenprodukte bei der Oxidation von Glukose zu CO2 + H2O zur Energiegewinnung.
5. Glykosidbildung zur Herstellung von Di-, Tri-, Tetra-, Oligo- und Polysacchariden.

Glykosidbildung

Die Kombination des H einer Hydroxylgruppe eines Zuckers mit einer Alkoholgruppe oder einer anderen Hydroxylgruppe führt zu einer Veresterungs- oder Kondensationsreaktion, die ein Glykosid ergibt. Dies geschieht am ersten C-Atom, dem anomeren C-Atom.

Da Zucker Alkohol- und Hydroxylgruppen enthalten, können sie sich mit anderen Zuckern zu Disacchariden, Tri, Tetra, etc. und Polysaccharide, die alle durch glykosidische Bindungen verbunden sind.

Beispiele:

• Gluc-Gluc, a-1-4 ist Maltose
• Kann in der a- oder b-Form reagieren, um a- oder b-Bindungen zu bilden
• Kann auch in der 6-Position reagieren und a-1, 6-Bindungen ergeben. Dies ist ein Verzweigungspunkt in Polymeren.

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