Kohlenhydrate

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate oder Saccharide sind die große Naturstoffklasse der Polyhydroxycarbonylverbindungen und deren Oligo- und Polykondensate.

Im Allgemeinen wird unter Kohlenhydraten Zucker verstanden. Kohlenhydrate stellen zusammen mit den Fetten und Proteinen den quantitativ größten verwertbaren (u. a. Stärke) und nicht-verwertbaren (Ballaststoffe) Anteil an der Nahrung.

Neben ihrer zentralen Rolle als physiologischer Energieträger, spielen sie als Stützsubstanz vor allem im Pflanzenreich und in biologischen Signal- und Erkennungsprozessen (z. B. Zell-Zell-Erkennung, Blutgruppen) eine wichtige Rolle.

Ihre nicht-kondensierten Vertreter, die Monosaccharide, weisen Kohlenstoffketten mit mindestens drei C-Atomen (Kohlenstoff-Atomen) und mindestens einem Chiralitätszentrum auf. Am verbreitetsten sind Monosaccharide mit fünf oder sechs C-Atomen.

Zwei- und Mehrfachzucker bestehen aus über glykosidische Bindungen verketteten Einfachzuckern. Die Monosaccharide (Einfachzucker, z. B. Traubenzucker, Fruchtzucker), Disaccharide (Zweifachzucker, z. B. Kristallzucker, Milchzucker, Malzzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker, z. B. Raffinose) sind in der Regel wasserlöslich, haben einen süßen Geschmack und werden im engeren Sinne als Zucker bezeichnet. Die Polysaccharide (Vielfachzucker, z. B. Stärke, Cellulose, Chitin) sind hingegen oftmals schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral.

Da viele prominente Saccharide die Bruttoformel Cn(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.

Kohlenhydrate sind ein wesentlicher Teil der menschlichen Nahrung, jedoch nicht essenziell. Eine Kohlenhydratfreie Ernährung ist (anders als häufig angenommen) möglich. Der Energiegehalt von 1 Gramm Kohlenhydrat beträgt rund 17,2 Kilojoule (kJ), das sind 4,1 kcal. Pflanzenarten, die vor allem zur Kohlenhydrataufnahme in der Ernährung beitragen, sind im Artikel Nutzpflanzen zusammengestellt. Die physiologische Energieerzeugung aus Kohlenhydraten erfolgt in der nicht-oxidativen Glycolyse und im oxidativen Citrat-Zyklus.

Allgemeine Infos

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 der Energiegewinnung 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).

Eine 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
  • Callose

Kohlenhydrate in der Chemie

Kohlenhydrate sind Polyhydroxycarbonylverbindungen. Sie haben in ihrer offenkettigen Form, also neben mehreren Hydroxygruppen auch mindestens eine Carbonylgruppe. Befindet sich diese Carbonylgruppe an einem terminalen C-Atom (Kohlenstoff-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. Ferner entsteht ein neues Chiralitätszentrum. Die beiden resultierenden Diastereomere werden mit a und ß bezeichnet.

In wässriger Lösung bilden a- und ß-pyranose und -furanose Form eine Gleichgewichtsreaktion miteinander und mit der offenkettigen Form. Eine wässrige Lösung von reiner a-Glukopyranose wird daher nach einiger Zeit zu einer Gleichgewichtsmischung aus a- und ß-Glucopyranose und -furanose (38 % a-Glcp, 62 % ß-Glcp, 0 % a-Glcf, 0,14 % ß-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´ R-N=CH-CH(OH)-R´ (Imin) R-NH-CH2-C(O)-R´ (Amadori-Produkt)

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.

 

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