2. Teil: Kohlenhydrate
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C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) KOHLENHYDRATE 1. Herkunft und Definition Kohlenhydrate sind in Nahrungsmitteln wie Zucker, allen Getreide und Getreideprodukten, sowie auch im Holz (als Zellulose) enthalten. Der Begriff „Kohlenhydrate“ kommt von der Beobachtung, dass das Verhältnis der Atome in diesen Verbindungen C:H:O 1:2:1 beträgt, was zur Summenformel (CH2O)n führt, d.h. es liegen „Hydrate von Kohle“ vor. Aber nicht alle Kohlenhydrate besitzen diese Summenformel, und ebenso gibt es Substanzen mit dieser Summenformel, die keine Kohlenhydrate sind (z.B. Essigsäure, C2H4O2). Die Kohlenhydrate sind eine wesentliche Energiequelle des Organismus. Der Aufbau der Kohlenhydrate in den Pflanzen erfolgt über die Photosynthese, bei der aus CO2, H2O und Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll Glucose aufgebaut wird. Der Abbau der Kohlenhydrate erfolgt durch Oxidation und Energie wird produziert nach der Formel: Photosynthese C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energie (hν) Oxidation 1.1 Glucose Photosynthese Die Energie für die thermodynamisch ungünstige Reaktion kommt von der Sonne. Der Energie-Akzeptor in den Pflanzen ist das Chlorophyll (andere Chromophore wie z.B. die Karotenoide sind in der Lage das Licht bei anderen Wellenlängen als Chlorophyll - 650-700 nm - zu absorbieren). Ein Elektronentransport vom Wasser zu NADP+ führt zur Photolyse des Wassers (O2 und H+ entstehen) und NADP+ wird zu NADPH reduziert. Durch die Photolyse entsteht somit ein Protonengradient, der die ATP-Synthase zur ATP-Produktion aus ADP veranlasst (Photophosphorylierung). ATP und NADPH sind essentiell für den Calvin-Zyklus, bei dem der Zucker Ribulose-5phosphat zu Glucose konvertiert wird. 1 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) CH2O OH O O H OH CH2O CH2O O H OH H OH CH2O P O CO2 P P 2 O O H OH CH2O P Ribulose1,5-Diphosphat ATP P Glycerat3-Phosphat Calvin Zyklus CH2OH O H OH H OH CH2O P 2 ATP P O O H OH CH2O Ribulose5-Phosphat P Glycerat1,3-Diphosphat H O H OH CH2O 2 NADPH P Glycerin-aldehyd3-phosphat Fructose-6-phosphat (C6) CH2OH O HO H H OH H OH CH2O P P O O OH P O O OH HO OH HO OH OH OH α-Furanose Form β-Furanose Form Haworth Projektion Fischer Projektion Glucose-6-phosphat (C6) H HO H H CHO OH H OH OH CH2O P O OH HO OH OH P H H P HO O OH HO HO HO HO HO HO OH H OH OH HO H H OH OH H OH α-Pyranose Form β-Pyranose Form Haworth Projektion Fischer Projektion 1.2 O P P HO O Grundbegriffe Kohlenhydrate sind Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr Hydroxy-Gruppen: O R O R H Aldehyd R OH R1 Keton Hydroxy-Gruppe 1.2.1 Aldosen und Ketosen Aldosen: Kohlenhydrate mit einem Aldehyd (C-1 Atom) Ketosen: Kohlenhydrate mit einem Keton (C-2 Atom) 2 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) Der einfachste Zucker ist Glycerinaldehyd, das als Dehydrierungsprodukt von Glycerin (Glycerol) dargestellt werden kann: HC O HC OH H2C OH -H2 D-Glycerinaldehyd H2C OH HC OH H2C OH H2C OH C O H2C OH -H2 Glycerin Dihydroxyaceton 1.2.2 Anzahl und Nummerierung der C-Atome Anzahl der C-Atome Bezeichnung Beispiele 3 4 5 6 7 Triosen Tetrosen Pentosen Hexosen Heptosen Glycerinaldehyd/Dihydroxyaceton Erythrose, Threose Ribose, Deoxyribose (s. DNA), Xylose, Arabinose Glucose, Mannose, Galactose, Talose, Gulose, Fructose Die Nummerierung in den Aldosen beginnt mit dem Aldehyd; in den Ketosen mit dem Carbon-Atom, welches der Keton-Gruppe am nächsten ist: H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH 1 2 3 4 5 6 D-Glucose CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-Fructose 1.2.3 Chiralität: D- und L-Formen Aldosen mit drei oder mehr C-Atomen und Ketosen mit vier oder mehr C-Atomen enthalten eine oder mehrere chirale Zentren. Ein Zucker wird mit der Konfiguration des zweitletzten CAtoms bezeichnet: HC O H C OH H2C OH HC O HO C H H2C OH D-Glycerinaldehyd L-Glycerinaldehyd HC H H C H2C O OH OH OH D-Erythrose HC HO HO C H2C O H H OH L-Erythrose D-Konfiguration: in der Fischer Projektion schaut die Hydroxy-Gruppe nach rechts L-Konfiguration: in der Fischer Projektion schaut die Hydroxy-Gruppe nach links Epimere: Diastereomere, die sich an der Konfiguration von nur einem C-Atom unterscheiden: 3 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) HC HO H C H2C HC H H C H2C O H OH OH D-Threose O OH OH OH D-Erythrose Epimere D-Aldosen mit 3 bis 6 C-Atome: HC O H C OH H2C OH D-Glycerinaldehyd HC H H C H2C HC HO H C H2C O OH OH OH D-Erythrose HC HO H H C H2C D-Arabinose HC H HO H H C H2C O OH H OH OH OH D-Glucose HC HO HO H H C H2C D-Threose HC H H H C H2C O H OH OH OH O H H OH OH OH D-Mannose HC H HO H C H2C O OH OH OH OH O OH OH OH OH OH D-Allose HC HO HO H C H2C O OH H OH OH D-Xylose D-Ribose HC H H H H C H2C O H OH OH HC HO H H H C H2C O H OH OH OH OH HC H H HO H C H2C D-Altrose O OH OH H OH OH D-Gulose HC HO H HO H C H2C O H OH H OH OH D-Idose O H H OH OH D-Lyxose * HC H HO HO H C H2C O OH H H OH OH D-Galactose HC HO HO HO H C H2C O H H H OH OH D-Talose 1.2.4 Aufklärung der Stereochemie der Zucker nach Fischer 1888 begann Fischer mit der Strukturaufklärung der Zucker. Er verwendete folgende Methoden: - Messung der Schmelzpunkte - Optische Drehung - Chemische Reaktionen (Oxidation, Ruff Degradierung, Killiani-Fischer Synthese) Fischer wusste folgendes: - (+)-Glucose ist eine Aldohexose - 16 Stereoisomere (4 chirale Zentren, 24 = 16), 8 D-Zucker und 8 L-Zucker, sind möglich 4 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) - Da er die absolute Konfiguration von (+)-Glycerinaldehyd nicht bestimmen konnte, gab er D-(+)-Glycerinaldehyd willkürlich folgende Konfiguration (OH-Gruppe nach rechts): HC O H C OH H2C OH D-Glycerinaldehyd Später konnte man zeigen, dass Fischer die richtige Intuition gehabt hatte! - Die Konfiguration vom C-5 Atom in (+)-Glucose ist die gleiche wie in D-(+)Glycerinaldehyd. Also besitzt (+)-Glucose am C-5 Arom eine D-Konfiguration. In seinem Labor fand Fischer heraus, (a) dass die Oxidation von Glucose zu einer optisch aktiven Carbonsäure führt. Das bedeutete, dass (+)-Glucose nur in den Strukturen 1 bis 6 vorliegen konnte, da die zwei anderen meso-Verbindungen ergeben hätten: HO H H H CHO CHOH CHOH CHOH H OH CH2OH HNO3 D-Glucose COOH CHOH CHOH CHOH H OH COOH CHO H OH OH OH CH2OH 1 HO HO H H CHO H H OH OH CH2OH H HO H H 2 CHO OH H OH OH CH2OH 3 D-Glucose (sechs mögliche Strukturen) HO HO HO H Dicarbonsäure optisch aktiv CHO H H H OH CH2OH H H HO H CHO OH OH H OH CH2OH HO H HO H 5 4 CHO H OH H OH CH2OH 6 (b) Die Ruff Degradierung von (+)-Glucose führt zu (-)-Arabinose und dessen Oxidation zu einer optisch aktiven Carbonsäure. Das bedeutete, dass (-)-Arabinose nur die Strukturen 7 oder 8 besitzen konnte, da die zwei anderen meso-Verbindungen ergeben hätten: Ruff D-Glucose (1-6) Degradierung HNO3 Arabinose COOH CHOH CHOH H OH COOH Dicarbonsäure optisch aktiv HO H H CHO H OH OH CH2OH 7 HO HO H CHO H H OH CH2OH 8 D-Arabinose (c) Durch die Killiani-Fischer Reaktion wurde (-)-Arabinose zu (+)-Glucose und (+)-Mannose konvertiert. Diese zwei Hexosen konnten zu zwei unterschiedlichen optisch aktiven Carbonsäuren konvertiert werden. Das bedeutete, dass (+)-Glucose und (+)-Mannose die Strukturen 9 bzw. 10 hatten: 5 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) KettenVerlängerung D-Glucose HNO3 + D-Arabinose (7-8) D-Mannose COOH CHOH H HO CHOH H OH COOH H HO H H Zwei Dicarbonsäuren optisch aktiv CHO OH H OH OH CH2OH 9 HO HO H H CHO H H OH OH CH2OH 10 D-Glucose D-Mannose Aber welche Struktur gehört zu (+)-Glucose? (d) Fischer wusste, dass der Umtausch von den CHO und CH2OH Gruppen in (+)-Glucose in einem neuen Zucker, Gulose, resultiert. Derselbe Umtausch in Mannose bringt jedoch immer noch zu Mannose. Das bedeutete, dass nur Struktur 9 (+)-Glucose sein konnte, und die Struktur 10 (+)-Mannose zuzuordnen war, und dass Gulose und Glucose invertierte Konfigurationen am C-5 Atom enthielten: CHO H OH HO H H OH H OH CH2OH 9 D-Glucose CHO/CH2OH Glucose Gulose Umtausch HO HO H H CHO/CH2OH Mannose Mannose Umtausch CHO H H OH OH CH2OH CHO/CH2OH Umtausch CHO/CH2OH Umtausch CHO H H OH H CH2OH 11 L-Gulose HO HO H HO HO HO H H 10 D-Mannose 2. CHO H H OH OH CH2OH 10 D-Mannose Die Ringbildung der Monosaccharide, α- und β-Konfigurationen Die Aldohexosen und Ketohexosen liegen in Lösung als zyklische Halbacetale bzw. Halbketale vor: - Sechsgliedrige Ringe werden als Pyranosen bezeichnet. - Fünfgliedrige Ringe werden als Furanosen bezeichnet. Die Pyranosen und Furanosen werden mittels Haworth-Projektion oder mit der SesselKonformation für das Cyclohexan dargestellt. Bei der Ringbildung entsteht ein neues asymmetrisches Zentrum am C-1 bzw. C-2 Atom. Zeigt die OH-Gruppe in der Haworth-Projektion nach unten (axiale Position in der SesselKonformation), spricht man von einer α-Konfiguration, andernfalls von einer β-Konfiguration. Die α- und β-Isomere von einem Zucker unterscheiden sich nur in der Konfiguration an 6 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) einem C-Atom und werden als Anomere bezeichnet. α- und β-Anomere gehen leicht ineinander über (Mutarotation). α- und β-D-Glucopyranose HO H OH H H H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH D-Glucose Fischer Projektion O HO HO HO OH H HO OH OH OH OH Haworth Projektion α-Pyranose Form Mutarotation HO H OH O OH HO HO HO H H OH OH OH H HO OH Haworth Projektion β-Pyranose Form α- und β-D-Fructofuranose HO OH O HO OH Haworth Projektion OH CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH α-Furanose Form Mutarotation D-Fructose Fischer Projektion HO O OH Haworth HO Projektion OH OH β-Furanose Form 7 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) Mutarotation von D-Glucose H OH H OH HO HO HO H H HO HO H OH OH H OH OH HO HO HO O H OH H H OH H OH H H β-D-Glucopyranose 64 % Aldohexose 0.02 % α-D-Glucopyranose 36 % 3. H Reaktionen der Monosaccharide a) Bildung von Acetalen (Glycoside) Die Hydroxy-Gruppe des Halbacetals besitzt eine unterschiedliche Reaktivität als die anderen OH-Gruppen. So wird das Halbacetal leicht zum Acetal konvertiert: H OH HO HO HO H H H OH H OH H+ OH OH H HO HO HO CH3OH H H OH H O CH 3 HO HO + H OH H O CH 3 Methyl α-D-Glucopyranosid Methyl β-D-Glucopyranosid β-D-Glucopyranose HO H Glycoside sind Moleküle, bei denen ein Molekülteil (das sogenannte Aglykon) chemisch mit einem oder mehreren Zuckermolekülen verbunden ist. Der eigentliche Träger der Wirkung ist das Aglykon. Der chemisch gebundene Zucker bewirkt, dass sich das Glykosid besser in wässrigen Flüssigkeiten (z.B. Blut) löst als das reine Aglykon und somit besser vom Organismus aufgenommen (resorbiert) werden kann. Entsprechend erhöht sich auch die Wirkung. Einige Glykoside sind: Amygdalin, ein cyanogenes Glykosid, in dem Blausäure (Cyanwasserstoff) chemisch gebunden ist. Diese Blausäure kann durch Einwirkung bestimmter Enzyme wieder freigesetzt werden. Blausäure ist sehr giftig und kann z.B. aus bitteren Mandeln freigesetzt werden. Für das typische Bittermandelaroma ist übrigens Benzaldehyd verantwortlich, eine ungiftige Chemikalie, die auch industriell für alle möglichen Zwecke hergestellt wird. H OH HO HO HO H OH H H O H OH H HO H2O O HO HO H H Enzyme OH H HO 2 HO HO H H N OH + HCN OH H O Amygdalin + H Arbutin ist ein Glykosid in dem Hydrochinon chemisch gebunden ist. Arbutin ist in Bärentrauben-, Preiselbeer- und Heidelbeerblättern enthalten. Hydrochinon kann 8 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) enzymatisch abgespalten und durch Luftoxidation zu einem schwarzen Farbstoff umgewandelt werden. H OH HO HO H2O O H OH H H OH H OH HO Enzyme OH HO HO HO H H Arbutin OH O2 + OH H Schwarzer Farbstoff OH b) Bildung von Osazonen, Oximen und Cyanhydrinen H OH H OH HO HO HO H H HO HO OH OH H H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH H H β-D-Glucopyranose H OH OH O 2 PhNHNH2 Ac2O OH H H AcO H H OH HO HO NNHPh H NNHPh H Aldohexose HC NOH H OH NH2OH HO H H OH H OH CH2OH D-Glucose H Osazon CN CN OAc H OH -HCN NaOCH3 H HO H OAc H OH OAc H OH CH2OAc CH2OH Oxim HO H H CHO H OH OH CH2OH D-Arabinose Cyanhydrin c) Oxidation Die Aldosen und Ketosen sind, ähnlich wie α-Hydroxy-Aldehyde / -Ketone leicht oxidierbar: H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH D-Glucose O3 HN H HO H H COOH OH H OH OH COOH Glucarsäure Br 2, H 2O H HO H H COOH OH H OH OH CH2OH H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH NaIO4* -H2O H O O + 3 O H Oxalaldehyd H D-Glucose * Das Periodat oxidiert nur die 1,2-Diole Gluconsäure 9 O + OH H H C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) Ascorbinsäure (Vitamin C, Antioxidant) und Glucuronsäure O C HO O HO H HO H CH2OH O C O O O H HO H CH2OH [O] [H] H HO H H CHO OH H OH OH COOH COOH O OH HO OH α-Anomer D-Glucuronsäure Ascorbinsäure OH d) Reduktion Die CO-Gruppen der Aldosen und Ketosen können mit Natriumborhydrid oder durch katalytische Hydrogenation zu Hydroxy-Gruppen reduziert werden. Die entstehenden Polyhydroxylate kommen in Pflanzen reichlich vor (so sind z.B. Sorbitol und Mannitol in Algen und Obst vorhanden): H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH NaBH4 H HO H H CH2OH OH H OH OH CH2OH HO HO H H Sorbitol D-Glucose CHO H H OH OH CH2OH NaBH4 HO HO H H CH2OH H H OH OH CH2OH Mannitol D-Mannose e) Aldose-Ketose Isomerie Die Isomerie Glucose-Fructose wird von Basen katalysiert. Da in dem Endiol die Stereochemie am C-2 Atom verloren geht, können Isomere entstehen: H HO H H CHO OH H OH OH CH2OH D-Glucose OH CHOH OH HO H H OH H OH CH2OH Endiol OH CH2OH O HO H H OH H OH CH2OH D-Fructose OH - HO HO H H CHO H H OH OH CH2OH D-Mannose 10 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) 4. Unterteilung der Kohlenhydrate 4.1 Unterteilung nach Molekülgröße • • • • Monosaccharide: eine Zuckereinheit (einfache Zucker) Disaccharide: zwei kovalent-gebundene Zuckereinheiten Oligosaccharide: drei bis zehn kovalent-gebundene Zuckereinheiten Polysaccharide: über zehn kovalent-gebundene Zuckereinheiten 4.2 Unterteilung nach biologischer Funktion • • • Nähr- und Reservestoffe: Glucose (Traubenzucker), Glycogen, Stärke Bau- und Gerüststoffe: Cellulose, Chitin, Proteoglycane (Biomoleküle aus Polysacchariden (80-94 %) und Proteinen, die am Aufbau der extrazellulären Bindegewebsmatrix beteiligt sind und ein hohes Wasserbindungsvermögen besitzen). Signalund Informationsträger: Glycoproteine (Proteine mit einem Kohlenhydratanteil in Form von Oligosacchariden). Bestandteile der Erbsubstanz: Desoxyribose in der DNS und Ribose in der RNS. 5. Monosaccharide • 5.1. Einige Beispiele: CH2OH CH2OH HO O OH O OH CH3 OH OH α-D-Galactose α-D-Glucose HOH2C O OH HOH2C O OH OH OH OH OH OH 5.2 O OH OH HO α-L-Fucose 6-Desoxy-L-Galactose (in Muttermilch, Glycoproteinen der Blutgruppen, Meeralgen) OH β-D-Ribose HO β-D-Desoxyribose Derivate der Monosaccharide Aminozucker und acetylierte Aminozucker CH2OH CH2OH O OH OH OH HO O OH OH OH OH NH2 β-D-Glucosamin 6. CH2OH O OH NHCOCH3 β-N-Acetyl-D-Glucosamin NHCOCH3 β-N-Acetyl-D-Galactosamin Disaccharide a) Saccharose: besteht aus α-D-Glucose und β-D-Fructose. Sie zeigt keine Mutarotation und lässt sich nicht leicht oxidieren. 11 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) CH2OH D O 1-α OH OH HOH2C D OH O glycosidische Bindung C1-α-O-C2-β O 2-β HO CH2OH HO α-D-Glucopyranosyl-β-D-Fructofuranosid b) Maltose: besteht aus zwei Einheiten D-Glucose und kann durch enzymatische oder säurekatalysierte Partiellhydrolyse der Stärke erhalten werden. Maltose zeigt Mutarotation und ist leicht oxidierbar. CH2OH D glycosidische Bindung C1-α-O-C4 OH CH2OH CH2OH D OH OH D OH O OH O 1-α O OH O 1-α O OH CH 2 D glycosidische Bindung C1-α-O-C6 O OH OH OH OH 4-O-α-D-Glucopyranosyl-D-Glucopyranosid Maltose OH OH 6-O-α-D-Glucopyranosyl-D-Glucopyranosid Isomaltose c) Cellobiose: besteht aus zwei D-Glucose-Einheiten und kann durch enzymatische oder säurekatalysierte Partiellhydrolyse der Cellulose erhalten werden. Sie zeigt Mutarotation und ist leicht oxidierbar. Der Unterschied zwischen Cellobiose und Maltose liegt in der C1Anomerie (α in Maltose und β in Cellobiose). Dieser Unterschied ist sehr wichtig, da er von den Enzymen erkannt wird: so hydrolysiert z.B. das Enzym α-Glucosidase (Maltase) ausschließlich die α-Bindung, während das Enzym β-Glucosidase nur die β-Bindung der Glucose hydrolysiert. CH2OH D CH2OH D O OH O OH O OH OH 1-β glycosidische Bindung C1-β-O-C4 OH OH 4-O-β-D-Glucopyranosyl-D-Glucopyranosid Cellobiose d) Lactose: besteht aus D-Glucose und D-Galactose. CH2OH D CH2OH O HO D O 1-β OH O OH OH OH glycosidische Bindung C1-β-O-C4 OH 4-O-β-D-Galactopyranosyl-D-Glucopyranosid Lactose 12 C. Cabrele 7. Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) Polysaccharide a) Stärke: besteht aus α-D-Glucose. Diese Untereinheiten bilden lineare (Amylose, bis zu 300 Zuckereinheiten), aber auch verzweigte (Amylopectin, bis zu 1000 Zuckereinheiten) Ketten. Stärke ist die Kohlenhydratreserve der Pflanzen. Amylose ist im Gegensatz zu Amylopectin im warmen Wasser löslich. Durch partielle Hydrolyse von Amylopectin erhält man Isomaltose. Im Durchschnitt verzweigt sich die Amylopectinkette jeweils nach 25 Zuckereinheiten. CH2OH D CH2OH D 1-α OH glycosidische Bindung C1-α-O-C4 HO OH O CH2OH D O 1-α O OH O OH D OH HO D OH O 1-α O OH 1-α n H2C O D CH2OH 1-α glycosidische Bindung C1-α-O-C6 O OH CH2OH CH2OH O OH D H 1-α OH O OH HO n Amylose O OH O 1-α H O OH O OH n Amylopectin b) Glycogen: besteht aus einer verzweigten Kette von bis zu 100000 α-D-GlucoseEinheiten. Eine Verzweigung tritt im Mittel alle acht bis zehn Einheiten auf. Glycogen ist die Kohlenhydratreserve des Menschen und wird in Leber und Muskulatur gespeichert. c) Cellulose: besteht aus einer unverzweigten Kette von bis zu 100000 β-D-GlucoseEinheiten. Cellulosefasern können bis zu 8 mm lang sein, sind wasserunlöslich und unempfindlich gegenüber Hydrolyse. Die Menschen besitzen keine Enzyme, die die glycosidische β-Bindung der Glucose hydrolysieren könnten. 50% der pflanzlichen Zellwände bestehen aus Cellulose, in Baumwollefasern liegt der Celluloseanteil sogar bei 98%. Die chemische Modifizierung der Hydroxygruppen der Cellulose führt zu folgenden Cellulose-Derivaten: durch eine Nitrierung entsteht Celluloid, durch Acetylierung bekommt man die Textilfaser Rayon-Acetat, durch Behandlung mit NaOH/CS2 bekommt man Cellulose-Xanthat, auch als Viskose bezeichnet. Viskose kann nach Behandlung mit H2O/H2SO4 zu Rayon-Viskose bzw. Cellophan umgewandelt werden. d) Hyaluronsäure: besteht aus Disaccharideinheiten, die aus D-Glucuronsäure und β-DGlucosamin bestehen. Hyaluronsäure ist ein Bestandteil des Bindegewebes, der Synovialflüssigkeit, des Knorpels und des Glaskörper des Auges. glycosidische Bindung C1-β-O-C3 COOH D OO 1-β OH HO CH2OH O O 1-β D H OH OH NHCOCH3 n D-Glucuronsäure-β-1-3-N-Acetyl-D-Glucosamin Hyaluronsäure 13 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) e) Chondroitinsulfat: besteht aus Disaccharideinheiten aus D-Glucuronsäure und β-DGalactosamin. Es ist ein Bestandteil des Knorpels. glycosidische Bindung C1-β-O-C3 HO3SO COOH O O 1-β OH D CH2OH D O O 1-β H NHCOCH3 HO OH n D-Glucuronsäure-β-1-3-N-Acetyl-D-Galactosamin-4-Sulfat Chondroitinsulfat f) Chitin: besteht aus N-Acetyl-β-D-Glucosamin. Chitin ist Bestandteil des Exoskeletts von Muscheln und Insekten. CH2OH O O OH 1-β D H HO glycosidische Bindung C1-β-O-C4 NHCOCH3 n Chitin 7. Metabolismus der Kohlenhydrate a) Verdauung und Aufnahme (Resorption) Die Verdauung der Kohlenhydrate beginnt im Mund, wo die glycosidischen α-Bindungen in Stärke und Glycogen abgespalten werden. Man bekommt Kohlenhydratbruchstücke verschiedener Größe (Dextrine) und Maltose, deren Spaltung zu Monosacchariden im Darm weitergeführt wird. Diese werden dann von den Darmzellen aufgenommen und über das Blut zur Leber transportiert. b) Abbau der Glucose: Glycolyse Die Glycolyse - nach ihren Entdeckern auch Embden-Meyerhoff-Weg genannt - verläuft bei fast allen Organismen im Zellplasma. Die Enzyme der Glycolyse sind nicht membrangebunden, sondern liegen frei im Plasma vor. Der erste Schritt der Glycolyse ist die Übertragung eines Phosphat-Restes auf die Glucose. Das katalysierende Enzym heißt Hexokinase (oder Glukokinase in den Leberzellen) und kann durch das Reaktionsprodukt Glucose-6-Phosphat allosterisch gehemmt werden. Der zweite Schritt ist die Umwandlung von Glucose-6-Phosphat in Fructose-6-Phosphat. Das katalysierende Enzym ist die Glucose-6-Phosphat-Isomerase. Diese Umwandlung Glucose/Fructose ist notwendig, um ein Molekül zu bekommen, das zwei Phosphatgruppen enthalten kann (Glucose kann nur eine Phosphatgruppe am C6-Atom tragen. Die Fructose dagegen kann zwei Phosphatgruppen am C1- und am C6-Atom tragen). Im dritten Schritt wird das Fructose-6-Phosphat noch einmal phosphoryliert. Das katalysierende Enzym heißt Phosphofructokinase und kann durch ADP aktiviert sowie durch ATP und Fettsäuren gehemmt werden. 14 C. Cabrele Naturstoffe Vorlesung (SS 2004) Im vierten Schritt wird das Fructose-1,6-diphosphat in ein Glycerinaldehyd-Phosphat- und ein Dihydroxyaceton-Phosphat-Molekül gespalten. Die Reaktion wird durch das Enzym Aldolase katalysiert. Im fünften Schritt wird das Glycerinaldehyd-Phosphat zu Glycerat-3-phosphat oxidiert und das NAD+ zu NADH reduziert. Im sechsten Schritt lagert sich das Glycerat-3-Phosphat in das isomere Glycerat-2-Phosphat um. Im siebten Schritt findet die Abspaltung von Wasser statt. Im neunten Schritt entsteht das Endprodukt der Glycolyse, das Pyruvat. Die Pyruvatkinase, das Enzym, welches diesen Schritt katalysiert, wird durch Fructose-1,6-diphosphat aktiviert und durch Citrat (ein sehr wichtiges Zwischenprodukt der aeroben Glucose-Oxidation) gehemmt. Weiterhin wird das Enzym durch Kalium- und Magnesiumionen aktiviert und durch Calciumionen, ATP und Fettsäuren gehemmt. Insgesamt wurden aus einem Glucose-Molekül zwei Pyruvat Moleküle hergestellt, dabei wurden gleichzeitig jeweils zwei ATP und NADH Moleküle gewonnen. CH2OH ADP ATP O P O OH2C CH2OH O HO OH OH OH P CH2O OH Hexokinase OH P Phosphohexoisomerase OH OH OH OH2C CH2O HO P P OH2C Phosphofructokinase OH P ATP ADP OH2C O Aldolase OH P + C O CH2OH CH2O O HO OH2C CHOH CHO OH NAD+ P CH2OH CHOH CH2OH NADH HOH2C P CH O C O OH2C P ATP CHOH C O OH P OH2C ADP CHOH C O OH O H2O CH2 C C O O ADP P ATP CH3 O O C C OH OH Unter anaeroben Bedingungen wird Pyruvat in Lactat umgewandelt: CH3 C C OH O O NADH NAD+ Lactatdehydrogenase 15 CH3 CHOH C O OH PP Lipide P
