Kohlenhydrate (Saccharide)

Kohlenhydrate (Saccharide)
Kohlenhydrate sind aus drei Elementen aufgebaut,
Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O)
Summenformel: (C•H2O)n mit n ≥ 3
Kohlenhydrate existieren als einfache Zucker, sogenannte Monosaccharide, oder als
aus einfachen Zuckern aufgebaute Polysaccharide.
Kohlenhydrate spielen eine Rolle als:
ƒ
ƒ
ƒ
Energiequellen (Glukose, Glykogen, Stärke)
Bau- und Strukturmaterial (Cellulose, Chitin)
Bestandteil von:
Glykoproteinen
Glycolipiden
Peptidoglycan (in bakteriellen Zellwänden)
Monosaccharide
Monosaccharide:
Carbonylderivate (Aldehyde oder Ketone) von unverzweigten
Polyhydroxyalkoholen.
Aldehydmonosaccharide: Aldosen
H
C
Ketonmonosaccharide: Ketosen
O
(H C OH) n
CH2OH
Aldosen
CH2OH
C O
(H C OH) n
H
Ketosen
Monosaccharide enthalten drei oder mehr C-Atome und werden demnach als:
Triosen, Tetrose, Pentosen, Hexosen, Heptosen etc.
bezeichnet.
Schreibweise und Nomenklatur von Monosacchariden
Monosaccharide sind chirale Moleküle. Je nach Anordnung der chiralen Zentren sind
viele Stereoisomere möglich. Daher muss eine Nomenklatur festgelegt werden.
Fischerprojektion:
1.
2.
3.
4.
5.
2-dimensionale Molekülprojektion der Tetraeder um C-Atome nach
E. Fischer (1891)
Kohlenstoffkette senkrecht anordnen
höchstoxidiertes C-Atom nach oben
in rechtem Winkel rechts und links die Substituenten schreiben
C-C Bindungen zeigen nach hinten, Substituenten nach vorne
steht ein Substituent in dieser Projektion rechts („dexter“) so ist er in DKonfiguration, steht er links („levis“) so ist er in L-Konfiguration
Monosaccharide werden nach D- und L-Formen klassifiziert. Dazu betrachtet man das
von der Carbonylgruppe am weitesten entfernte, aber immer noch chirale C-Atom. Steht
in der Fischerprojektion die OH-Gruppe an diesem C-Atom rechts, so handelt es sich
um D-Aldosen oder D-Ketosen, steht die OH-Gruppe links, um L-Aldosen oder LKetosen.
H
C
O
(H C OH) n
H C OH
H
C
O
(H C OH)n
HO C H
CH2OH
CH2OH
C O
C O
(H C OH)n
H C OH
(H C OH)n
HO C H
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-Aldosen
L-Aldosen
D-Ketosen
L-Ketosen
D-Zucker kommen in der Natur viel häufiger vor.
Zucker haben je nach ihrer Gesamtzahl von C-Atomen mehrere Asymmetriezentren.
Aldosen haben (Gesamtzahl der C-Atome – 2) Asymmetriezentren.
Ketosen haben (Gesamtzahl der C-Atome – 3) Asymmetriezentren.
Man muss daher weitere Stereoisomere unterscheiden. Für die biologisch wichtigsten
Monosaccharide gibt es Eigennamen.
Ribose, ist zum Beispiel der Zuckerbestandteil der Ribonukleinsäure, RNA. Ribose
findet sich in den Nukleotiden. Es ist damit natürlich auch Bestandteil von ATP (wichtig
für Energiehaushalt).
Ketten- und Ringform von Monosacchariden
Pentosen und Hexosen existieren im Gleichgewicht zwischen Ring- und Kettenform,
weil die Carbonylgruppe mit der OH-Gruppe an C4 oder C5 ein intramolekulares
Hemiazetal oder Hemiketal bildet.
H
H
C O
+
R'
OH
R'
R
R
Hemiazetal
Alkohol
Aldehyd
R
C O
+
R
R''
OH
R'
Keton
O C OH
Alkohol
R''
O C OH
R'
Hemiketal
Es entstehen hierbei 5-gliedrige (Furanosen) oder 6-gliedrige (Pyranosen) Zuckerringe.
Aldopentosen können entweder Furanosen oder Pyranosen bilden (siehe Abbildung),
Ketopentosen können nur Furanosen bilden.
Sowohl Aldo- als auch Ketohexosen bilden Furanosen und Pyranosen.
Die Carbonylgruppe wird zu einer OH-Gruppe und das C-Atom wird zu einem neuen
Asymmetriezentrum. Die beiden möglichen Anordnungen der OH-Gruppe werden mit αund β-Position bezeichnet und die resultierenden Ringstrukturen sind zueinander
anomer. Die Kettenform und die anomeren Ringformen liegen immer im Gleichgewicht
vor. Die Kettenform bildet meist weniger als 1% des Gleichgewichtes.
Haworthprojektion
Zuckerringe können auf mehrere vereinfachende Weisen geschrieben werden. Die
üblichste Art ist die Haworthprojektion. In dieser Projektion wird der Ring als planar
dargestellt und die Gruppen, die in der Fischerprojektion rechts stehen befinden sich
unterhalb der gezeichneten Ringebene, die links stehen, oberhalb. Die CH2OH
Gruppen, die nicht am Ring teilnehmen (wie z.B. bei Glukose) liegen bei D-Zuckern
immer oberhalb der Ebene.
Tatsächlich sind Zuckerringe natürlich nicht planar. Pyranosen können wie Cyclohexan
Sessel- oder Wannenkonformation einnehmen. Die Sesselkonformation ist für die
meisten Pyranosen günstiger.
Zuckerderivate
Aldonsäuren
Die Aldehydgruppe der Aldosen kann zur Carboxylgruppe oxidiert werden. So entsteht
z.B. aus Glukose, Glukonsäure.
Alduronsäuren
Durch Oxidation der primären OH-Gruppe zur Carboxylgruppe entstehen
Alduronsäruen, z.B. Glukuronsäure.
Alditole
Durch Reduktion der Aldehydgruppe zur OH-Gruppe entstehen azyklische
Polyhydroxyalkohole, Alditole. Aus Glukose entsteht so Glucitol, auch als Sorbitol
bekannt.
Aminozucker
Wenn eine oder mehrere OH-Gruppen durch NH2-Gruppen ersetzt werden, entstehen
Aminozucker. Sie werden durch die Endung –amin gekennzeichnet, z.B. Glukosamin
oder Galaktosamin.
Oftmals werden diese NH2-Gruppen auch acetyliert. Somit entsteht dann N-acetyl
Glukosamin.
Reduzierte Zucker
Wird eine OH-Gruppe durch ein H ersetzt, so entstehen Desoxyzucker. Der biologisch
wichtigste dieser Zucker ist β-D-2-Desoxyribose, die Zuckerkomponente der
Zuckerphosphatkette in DNA.
Phosphorylderivate
Die Zucker OH-Gruppen können mit Phosphatgruppen Ester bilden (z.B. DGlyceraldehyd-3-phosphat).
Glykoside
Die anomere Gruppe eines Zuckers kann mit einem anderen Alkohol oder einer NH2Gruppe kondensieren (Abspaltung von H2O). Es entstehen so N-glykosidische oder Oglykosidische Bindungen. D-Ribose und Purine oder Pyrimidine in Nukleinsäuren bilden
z.B. N-glykosidische Bindungen.
Abkürzungen für Monosaccharide und Derivate:
Disaccharide
Monosaccharide können über ihre anomere Gruppe mit anderen OH-Gruppen
glykosidische Bindungen eingehen. Stammt diese andere OH-Gruppe ebenfalls aus
einem Monosaccharid, so bilden sich Disaccharide. Je nachdem welche C-Atome über
die glykosidische Bindung verknüpft werden, spricht man z.B. von einer 1Æ2
glykosidischen, oder einer1Æ4 glykosidischen Bindung. Es können zwei Arten von
Disacchariden entstehen:
1. Reduzierende Disaccharide
Die anomere Gruppe des einen Zuckers reagiert mit einer OH-Gruppe des
anderen Zuckers, die nicht am anomeren C-Atom in diesem Zucker ist. Somit ist
die anomere Gruppe noch unreagiert in diesem Zucker.
2. Nichtreduzierende Disaccharide
Die anomere Gruppe des einen Zuckers reagiert mit der OH-Gruppe des
anderen Zuckers, die am anomeren C-Atom sitzt.
Beispiele:
Die Art der glykosidischen Bindung wird beschrieben, indem man die C-Atome benennt,
die verbunden werden, und die Konfiguration an den anomeren C-Atomen, die an der
Bindung teilnehmen, z.B. α(1Æ2)β in Sucrose oder β(1Æ4) in Maltose.
Vier Eigenschaften unterscheiden also Disaccharide voneinander:
1. Die beiden Monosaccharide.
2. Die C-Atome, die an der Verknüpfung teilnehmen.
3. Die Reihenfolge der Monosaccharide, wenn sie unterschiedlich sind.
4. Die Konfiguration der OH-Gruppe an anomeren C-Atomen, die an der Bindung
beteiligt sind.
Polysaccharide
Polysaccharide sind aus Monosacchariden aufgebaut, die über glykosidische
Bindungen miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu Proteinen oder
Nukleinsäuren bilden Polysaccharide nicht nur lineare Polymere, sondern auch
verzweigte Polymere. Der Grund ist, dass glykosidische Bindungen zu jeder beliebigen
OH-Gruppe eingegangen werden können. Die meisten Polysaccharide sind
Homopolysaccharide, aber es gibt auch Heteropolysaccharide.
Struktur-bildende Polysaccharide
Zellulose
Zellulose ist die struktur-bildende Hauptkomponente von Pflanzenzellwänden. Zellulose
bildet ein lineares Polymer mit bis zu 15 000 D-Glukoseeinheiten. Die Bindung ist
β(1Æ4) glykosidisch.
Zellulose bildet planare Ketten, wobei jeder Glukoserest 180° gegenüber dem
benachbarten Glukoserest gedreht ist. Die einzelnen Ketten können sich so aneinander
lagern und ein Netzwerk von H-Brücken ausbilden.
Chitin
Chitin ist die Hauptkomponente des Exoskeletts von Schalentieren. Chitin ist ein
Homopolymer von β(1Æ4)-verbundenen N-acetyl-D-Glukosaminen. Es hat eine
ähnliche Struktur wie Zellulose.
Glykosaminoglycane
Glykosaminoglycane sind unverzweigte Heteropolysaccharide, die aus abwechselnden
Uronsäure- und Hexosaminresten aufgebaut sind. Die folgende Abbildung zeigt
Beispiele von Glykosaminoglycanen. Sie bilden die extrazelluläre gelartige Matrix im
Bindegewebe wie z.B. Knorpel, Sehnen, Haut etc. .
Speicher Polysaccharide
Stärke
Stärke ist eine Mischung aus Glykanen (aus Glukose aufgebaute Homopolymere), der
α-Amylose und dem Amylopektin. Stärke ist das Speicherpolysaccharid der Pflanzen.
Es wird abgebaut durch Amylasen und Glukosidasen.
In α-Amylose sind mehrere tausend Glukoseeinheiten α(1Æ4) glykosidisch verknüpft.
Im Gegensatz zu der β(1Æ4) Verknüfpung von Zellulose, führt diese Art der
Verknüpfung zur Ausbildung einer helikalen Struktur.
Amylopektin
Amylopektin besteht ebenfalls haupsächlich aus α(1Æ4) glykosidisch verknüpften
Glukoseeinheiten, hat aber auch α(1Æ6) glykosidische Verzweigungen alle 25-30
Reste.
Amylopektin enthält bis zu 1 Mio Glukosereste.
Glykogen
Glyokogen ist ebenfalls ein Glykan aus α(1Æ4) verknüpften Glukoseeinheiten. Alle 7-12
Reste gibt es eine α(1Æ6) Verzweigung. Glykogen ist das Speicherpolysaccharid der
Tiere und ist in allen Zellen, vor allem aber Muskel und Leberzellen, vorhanden. Durch
seine verzweigte Struktur kann es sehr schnell abgebaut werden (es gibt viele nicht
reduzierende Enden, von denen aus abgebaut werden kann durch
Glykogenphosphorylase) und Glukose kann somit schnell mobilisiert werden.
Glykoproteine
Viele Proteine gehen kovalente Bindungen mit Sacchariden ein. Die Proteine werden
wie üblich von DNA Vorlagen transkribiert und dann translatiert, d.h. sie sind genetisch
kodiert. Die Kohlenhydratanteile werden aber enzymatisch hergestellt und mit den
Proteinen verbunden. Glykoroteine haben daher oft heterogene Zusammensetzung.
Proteoglykane
Proteoglykane sind wichtig für die Organisation von Gewebe.
Proteoglykane bestehen aus einem Rückgrat (meist aus Hyaluronsäurefilamenten
(4000 – 40000 A lang)), an die kleine „Bürsten“ (bis zu 100) nichtkovalent gebunden
sind. Diese „Bürsten“ bestehen aus einer Polypeptidkette an die kovalent bis zu 150
Glykosaminoglykane (meist Keratansulfat oder Chondroitinsulfat) über die OH-Gruppen
von Ser or Thr Resten gebunden sind. Zusätzlich sind noch kleinere Oligosaccharide an
Asn Reste der Polypeptidkette gebunden.
Knorpelgewebe z.B. enthält ein Netzwerk aus Kollagen, das von Proteoglycan umgeben
ist. Proteoglycan ist sehr stark hydriert (Anionen aus Sulfatgruppen in Keratan und
Chondroitinsulfat).
Peptidoglycan in Bakterienzellwänden
Im Gegensatz zu Eukaryonten haben Bakterien zusätzlich zur Zellmembran noch eine
Zellwand.
Bakterienzellwände bestehen aus kovalent verbundenen Polysacchariden und
Polypeptiden, die gemeinsam ein grosses Makromolekül bilden, das die Zelle wie ein
Beutel vollkommen umschliesst und so Festigkeit und Struktur verleiht.
Das Polysaccharid β(1Æ4)-verknüpft abwechselnd N-Acetylglukosamin und NAcetylmuraminsäure. Die Milchsäuregruppe in N-Acetylmuraminsäure bildet eine
Amidbindung mit einem Tetrapeptid, das D-Aminosäuren enthält. Die Tetrapeptide der
verschiedenen Peptidoglycanketten sind miteinander entweder direkt (gram-negative
Bakterien) über Peptidlinker (gram-positive Bakterien) verbunden.
Glykosilierte Proteine
Fast alle sekretierten und membran-assoziierten Proteine in Eukaryonten sind
glykosyliert. Die Glycosilierung findet im ER und im Golgi-Apparat statt.
Proteine, die sekretiert oder in Membranen eingebaut werden sollen, werden von
Ribosomen translatiert, die an das rER gebunden sind (blaue Punkte). Cotranslational
werden sie in das ER Lumen oder in die Membran eingebracht und während dieses
Vorgangs findet die erste Glycosylierung statt. Im ER Lumen und später im GolgiApparat werden die Saccharidkomponenten weiter modifiziert und danach die fertigen
Glycoproteine in die entsprechenden Membranen gebracht oder sekretiert.
Die Glykosilierung findet entweder über eine N-glykosidische oder eine O-glykosidische
Bindung statt.
N-Glykosylierung
Bei der N-Glykosilierung ist immer ein N-acetyl Glucosamin β-verknüpft mit dem Amid
N-Atom eines Asn Restes in der Sequenz Asn-X-Ser/Thr.
N-Glykosilierung findet cotranslational folgendermassen statt:
1. Heptasaccharid wird an einen Membrananker (Dolichol) synthetisiert, der ins
Zytosol zeigt. Nach Synthese des Heptasaccharids klappt der Anker um ins ER
Lumen. Dort werden nochmals ein paar Mannose-Einheiten drangehängt.
2. Ribosom ist an die ER-Membran gebunden und synthetisiert Polypeptid. Das
Oligosaccharid, das nun aus 9 Mannose, 3 Glukose und 2 GlcNAc Resten
besteht, wird von dem Membrananker auf die entstehende, noch Ribosomgebundene Kette übertragen. Die Bindung erfolgt N-glykosidsisch an ein Asn.
3. Im ER Lumen wird nun das Polypeptid-gebundene Oligosaccharid weiter
verändert, Zucker werden entfernt und hinzugefügt. Dies wird von Glukosidasen
und Mannasen und von Glykosyltransferasen bewerkstelligt.
4. Im Golgi finden weitere Veränderungen statt und Ser/Thr-Reste werden Oglykosiliert.
O-Glykosilierung
O-Glykosilierung findet im Golgi Apparat an komplett synthetisierten Proteinen statt.
Meist wird ein Galaktosyl-N-acetyl-Glukosaminrest an eine Ser oder Thr Seitenkette
gebunden. Die Sekundär- und Tertiärstruktur des Proteins bestimmt hierbei wo die
Glykosilierung stattfindet, nicht die Sequenz. Glykosyltransferasen fügen dann
schrittweise Zucker zur bestehenden Zuckerkette hinzu.
Bei den endgültigen Glykoproteinen unterscheidet man nach Oligosaccharid drei
Klassen. All drei haben ein „Kernpentasaccharid“ gemeinsam.
Man unterscheidet:
1. Oligosaccharide mit hohem Mannose-Anteil.
2. Komplexe Oligosaccharide, die GlcNAc Reste enthalten und zusätzlich noch
Sialinsäure- und Fukose-Reste.
3. Hybride Oligosaccharide, die Elemente von sowohl 1. als auch 2. enthalten.