VL Biochemie 5

Kohlenhydrate
Prof. Dr. Albert Duschl
Kohlenhydrate in der Nahrung
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Kohlenhydrate sind in zwei Formen in unserer
Nahrung vorhanden: Als komplexe Zucker,
wie Stärke in Getreideprodukten, und als
einfache Zucker, wie das Disaccharid
Saccharose in Form von Speisezucker.
Zucker sind für den Menschen als
Nahrungsmittel besonders bevorzugt, weil sie
- mit Ausnahme einiger komplexer Zucker
(Cellulose, Chitin) vollständig verwertet
werden können
- unmittelbar in den Energiestoffwechsel
eingeschleust werden können
- nicht giftig oder karzinogen sind.
Gesundheitliche Risiken durch Zucker:
- Bei übermässiger Verwendung zu hohe
Kalorienzufuhr
- Karies
© The Good Housekeeping All-American Cookbook
Monosaccharide
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Monosaccaride sind monomere Zucker. Alle grösseren Zuckerstrukturen sind aus
solchen Monomeren aufgebaut.
Zucker gehören zu den Kohlenhydraten. Die Bezeichung "Kohlenhydrate" kommt
daher, daß diese Verbindungen formal aus Kohlenstoff und Wasser aufgebaut
werden können.
Viele Zucker haben die Summenformel (CH2O)n, also C + H2O.
Zucker haben mindestens drei C Atome, die einfachsten Zucker sind also Triosen.
Weiter ist definiert dass Zucker entweder eine Aldehydgruppe, oder eine Ketogruppe
enthalten. Man unterscheidet danach Aldosen und Ketosen.
© Stryer, Biochemistry
Chiralität
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Viele Zucker haben Asymmetriezentren, also
C-Atome mit 4 unterschiedlichen Liganden.
Es gibt entsprechend D- und L-Formen wie bei
den Aminosäuren. Tatsächlich sind ja die D- und
L-Aminosäuren so definiert dass sie den Zuckern
D- bzw. L-Glycerinaldehyd entsprechen.
Größere Zucker haben oft mehrere
Asymmetriezentren. Die Einteilung in D oder L
richtet sich nach dem C-Atom, das am weitesten
von der Aldehyd- oder Ketogruppe entfernt ist.
Diastereomere unterscheiden sich in einem oder
mehreren Asymmetriezentren voneinander. Sie
sind nicht spiegelbildlich zueinander.
Zucker die sich nur in einem einzigen
asymmetrischen Zentrum unterscheiden bilden
ein Paar von Enantiomeren. Sie sind zueinander
spiegelbildlich. D- und L-Glycerinaldehyd sind
also Enantiomere.
© all figures Stryer: Biochemistry
Life on Mars
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Im Gegensatz zu D-Aminosäuren sind D-Zucker nicht
gesundheitsschädlich. Wir verwenden allerdings nur die
D-Formen, obwohl einige Mikroorganismen auch mit LZuckern etwas anfangen können.
Die Wahl für L-Aminosäuren und D-Zucker ist in der
Evolution zufällig (?) getroffen worden. Es gibt keinen
Grund anzunehmen dass das allgemein so ist, deshalb
wurde etwa auf dem Mars nach biologischen
Umsetzungen von D-Glucose und L-Glucose gesucht.
Man hat bisher zwar keine Glucose-metabolisierenden
Mikroorganismen dort gefunden, aber eine interessante
Entdeckung gibt es doch: Chemisch hergestellte LGlukose schmeckt genau wie D-Glucose, obwohl sie
nicht metabolisiert wird. Das wäre also ein ideales
Süßungsmittel, mit null Kalorien!
http://spinoff.nasa.gov/Spinoff2004/ch_4.html
Ist leider nicht in den Markt gekommen. Zu teuer.
© http://twinqu.com/about-planet-mars/
Weitere Monosaccharide
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Zucker mit 4 C-Atomen sind eher
selten. Man nennt sie Tetrosen.
Die meisten biologisch wichtigen
Zucker haben entweder
5 C-Atome (Pentosen) oder
6 C-Atome (Hexosen). Größere
Zucker kommen aber durchaus
auch vor, z.B. die Heptose
Sedoheptulose.
Die wichtigste Hexose ist die
Glucose, die im
Energiestoffwechsel der Zelle
eine zentrale Rolle einnimmt.
Es gibt keine essentiellen Zucker
(yeah!).
© Stryer: Biochemistry
Ringform, offenkettige Form
Zucker liegen überwiegend nicht in der
offenkettigen Form, sondern als Ring vor, hier als
Haworth-Projektion gezeichnet. Die offenen Ketten,
wie in der Fischer-Projektion, gibt es aber auch.
Da bei der Ringschließung ein neues
Asymmetriezentrum entsteht, gibt es zwei Formen
des Rings: a und ß. Solche homologen Ringformen
nennt man Anomere.
Bei D-Glucose liegt ca. 2/3 als ß-D-Glucopyranose
vor, ca. 1/3 als a-D-Glucopyranose und < 1% in der
offenkettigen Form.
© all figures Stryer: Biochemistry
Stars der Pentosen
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Die wichtigsten Pentosen sind
natürlich Ribose und die davon
abgeleitete Desoxyribose, die in
Nukleinsäuren vorliegen.
Da diese Moleküle als Furanosen
vorliegen (also in Ringform) gibt es
auch hier zwei Anomere, die a- und
die ß-Form. Verwendet werden die
rechts gezeigten ß-Formen.
Konventionell ist dass man für die
ß-Form die OH-Gruppe der
ringschließenden Gruppe oben
darstellt.
© Moore/Lagley: Biochemie für Dummies
Sessel, Boot, Envelope
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In der Ringform nimmt der Zucker
keine plane Konformation ein, weil
sich die Seitengruppen dabei
gegenseitig behindern und diese
Form daher energetisch ungünstig
wäre.
Hexosen liegen in der Regel in der
"Sessel"-Konformation vor, die
"Wannen"-oder "Boots"-Form tritt
seltener auf.
Pentosen liegen in einer
"Envelope"-Form vor.
"Envelope" Form von ß-DRibose. In der Regel
knickt entweder das C2oder das C3-Atom so
hoch, daß es in einer
Richtung mit der CH2OHGruppe steht. Gezeigt ist
die C3-endo Konformation.
© all figures Stryer: Biochemistry
Reduzierende Zucker
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In der offenkettigen Form können die freien
Aldehydgruppen von Monosacchariden durch relativ
milde Agenzien oxidiert werden.
Traditionell verwendet man Fehling'sche Lösung um zu
bestimmen ob reduzierende Zucker vorhanden sind.
Bei diesem Test wird Cu++ unter basischen
Bedingungen zu Cu+ reduziert, das als unlösliches,
rotes Cu(I)Oxid ausfällt.
Auch Zucker mit Ketogruppen, wie Fructose, können
im Fehling-Test positiv sein, weil sich unter basischen
Bedingungen die C=O Doppelbindung in einer
komplexen Reaktion so verschieben kann, daß
Glucose entsteht. Eine solche Reaktion nennt man
Tautomerisierung.
Der Fehling-Test hatte früher große Bedeutung weil
damit Blutglucose nachgewiesen wurde. Heute
verwendet man dafür einen enzymatischen Test mit
Glucoseoxidase (machen Sie in den
Molekularbiologischen und Biochemischen Übungen ).
© Nelson/Cox: Lehninger
Principles of Biochemistry
Glycosidische Bindung
Zucker binden an Alkohole und Amine über
glycosidische Bindungen.
O-glycosidische Bindung: Bindung an Alkohol
N-glycosidische Bindung: Bindung an Amin
Da Zucker selber Alkohole sind, können sie sich über
O-glycosidische Bindungen auch untereinander
verbinden. Auf diese Weise entstehen Disaccharide,
Oligosaccharide und Polysaccharide.
Über glycosidische Bindungen können Lipide gebunden
werden (Glycolipide). Die Aussenseite der
Plasmamembran enthält besonders viele Glycolipide,
ebenso wie bakterielle Membranen.
Glycosidische Bindungen mit Proteinen ergeben
Glycoproteine, das sind in der Regel membranständige
oder sezernierte Proteine. Zucker-Protein-Komplexe
ergeben über die Maillard-Reaktion die aromatischen
Bräunungsstoffe beim Kochen.
© Stryer: Biochemistry
Häufige Reaktionen
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Am Beispiel der Glucose sind
hier nochmal einige häufige
Reaktionstypen zusammengefasst. Diese Arten von
Umsetzungen finden Sie auch
bei anderen vergleichbaren
Zuckern.
© Koolman/Röhm: Taschenatlas der Biochemie
Disaccharide
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Viele Disaccharide sind wichtige Nahrungsmittel
und Stoffwechselprodukte.
Saccharose (engl. Sucrose, chemisch α-Glucosyl(1→2)-ß-fructosid). Das ist der Zucker den Sie
sich in den Tee oder Kaffee tun. Nehmen Sie
braunen Zucker, so verwenden Sie Saccharose
die hochgereinigt und dann mit Molasse versetzt
wurde damit Sie mehr dafür zahlen.
Lactose ist das wichtigste Kohlenhydrat in Milch.
Menschliche Milch enthält ca. 7.5% Lactose. Im
Erwachsenenalter wird Lactose meist nicht mehr
vertragen (Lactoseintoleranz).
Maltose (Malzzucker) ist u.a. ein Abbauprodukt der
Stärke in Malz. Es hat eine a-(1→4) glycosidische
Bindung. Die selben Zucker in ß-(1→4)
glyosidischer Bindung ergeben Cellobiose (hatten
wir vor zwei Folien).
© Stryer: Biochemistry
Muttermilch
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Moment mal. Warum enthält Milch (alle
Spezies!) nicht einfach Glukose? Oder
wenigstens Saccharose?
Haben wir mit der Milchviehhaltung einen
Riesenfehler gemacht?
Ja! Die Lebenserwartung ist bei Beginn der
Landwirtschaft gesunken! Gesundheitsstatus
und Körpergröße auch (see references in Diamond J:
Guns, Germs and Steel, ch. 4-10, 1998).
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Nein! Laktose erhöht die Calcium-Aufnahme
im Darm. Calcium-Mangel resultiert in
Rachitis und anderen Mangelkrankheiten.
Laktose in der Muttermilch ist also besser als
Glukose (Keak et al. International Dairy Journal 22:47–
151 (2012).
© fotocommunity.de
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Ca
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Mangel
In unseren Breiten wurde die
Melaninproduktion in der Haut deutlich
abgesenkt (helle Hautfarbe), trotz eines
höheren Risikos für Hautkrebs.
Laktose wird von den meisten
Einheimischen zeitlebens im Darm
gespalten, so dass wir Milch trinken
können. Das ist ganz untypisch.
Eine Pest-oder-Cholera Situation
(nehmen Sie Cholera): Diese
Modifikationen erhöhen die Ca++
Versorgung. Die Pest ist in dem Fall die
Rachitis.
Polysaccharide
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Oligosaccharide (ca. 3-10 Monomere)
kommen frei eher selten vor, sind aber
oft in Glycoproteinen oder Glycolipiden
enthalten.
Polysaccharide gehören zu den
wichtigsten strukturgebenden
Komponenten. Sie können dabei so hart
wie Chitin oder so weich wie Dextran
sein. Es gibt unverzweigte
Polysaccharide wir Amylose und
verzweigte wie Amylopectin.
Polysaccharide sind für die Speicherung
von Glucose im Energiestoffwechsel
unverzichtbar.
© Koolman/Röhm: Taschenatlas der Biochemie
Glycolyse
Glucose ist die zentrale Hexose. Ein
aufgenommener Zucker wird - falls er metabolisierbar ist - normalerweise in Glucose überführt.
Es gibt keinen wesentlichen Unterschied im
Energiegehalt einfacher und komplexer Zucker.
Der Energieaufwand zum Spalten komplexer
Zucker ist sehr gering.
Glucose wird normalerweise in die Glycolyse
eingeschleust. Dabei wird der C6-Körper Glucose
in zwei Pyruvatmoleküle umgebaut, also in zwei
C3-Körper.
In der Glycolyse werden 2 ATP benötigt, aber
4 gewonnen. Der Nettogewinn pro Glucose
beträgt also 2 ATP, plus 2 NADH.
In der anaeroben Gärung ist das schon alles. Unter
aeroben Verhältnissen wird das Pyruvat unter
weiterem Energiegewinn in Citratzyklus und
Atmungskette eingeschleust.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Glycolyse/Gluconeogenese
Die Bildung von Zucker aus Pyruvat erfolgt in der
Gluconeogenese.
Zum grössten Teil ist die Gluconeogenese eine rückwärts
laufende Glycolyse, bei der auch die gleichen Enzyme
verwendet werden. Drei kritische Reaktionen werden aber
in den beiden Stoffwechselwegen durch andere Enzyme
katalysiert, so daß eine unabhängige Regulation möglich
ist.
Die drei umgangenen Reaktionen haben alle eine hohe
negative freie Energie, sie sind also praktisch irreversibel.
Diese Reaktionen sind Glucose → Glucose-6-P,
Fructose-6-P → Fructose 1,6-bisphosphat und
Phosphoeneolpyruvat → Pyruvat.
Gluconeogenese läuft vor allem dann ab, wenn mehr
Energie zur Verfügung steht als momentan benötigt wird.
Diese Gelegenheit wird genützt um Glucose zu produzieren
die dann in Form von Glycogen oder in Pflanzen in Form
von Stärke als Reservezucker gelagert wird.
© Nelson/Cox: Lehninger Principles of Biochemistry
Ribose
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Ribose ist eine wichtige Komponente
zellärer Verbindungen, wie den
verschiedenen Ribonukleinsäuren
(RNA) dem Energieübertragungsmolekül ATP, und den Coenzymen
NADH und NADPH.
Ribose wird von der Zelle durch den
Pentosephosphatweg erzeugt, der mit
dem Energiestoffwechsel verbunden
ist (siehe da).
Desoxyribose ist Bestandteil von DNA.
Obwohl der Name länger ist, ist die
Verbindung kleiner (Desoxy!). Aus
diesem Grund ist DNA auch weniger
dicht als RNA, so daß man die beiden
Verbindungen durch Dichtegradientenzentrifugation voneinander trennen
kann.
© Löffler/Petrides: Biochemie und Pathobiochemie
Charakterisierung von Zuckern
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Wieviele C-Atome?
Aldose oder Ketose?
D- oder L-Form
Falls ein Ring vorliegt: a- oder ß- Form?
Reduzierende Eigenschaften (Fehling-Test)?
Desoxydierte Form?
Monomer, Oligomer oder Polymer?
Falls keine Monomer, welcher Art ist die
glycosidische Bindung?
Für Polysaccharide: Verzweigt oder
unverzweigt? Homo- oder Heteropolymer?
Für Polysaccharide: Ist der Zucker
verdaubar, oder handelt es sich um einen
Ballaststoff?
Bei Zuckern immer genau auf die richtige
Bezeichnung achten!
© Martin Perscheid