Tag 4

1_WS_07_08
Chemisches Praktikum für Mediziner
Vorlesungsnummer 13.862
PRAKTIKUMSUNTERLAGEN
4. PRAKTIKUMSTAG
Themen:
- Kunststoffe
- Naturstoffe
Hinweis:
•
Fette
•
Aminosäuren
•
Proteine
•
Kohlenhydrate
Informieren Sie sich über die angegebenen Themen bitte vor dem jeweiligen
Praktikumstag in den Ihnen zur Verfügung stehenden Lehrbüchern (s. Liste
Merkblatt). Im Praktikum können nicht alle Themen behandelt werden, die
für die Abschlussklausur in Chemie und die ärztliche Vorprüfung relevant
sind.
Entsorgung:
Entsorgungsbehälter A
Entsorgungsbehälter B
Entsorgungsbehälter C
Entsorgungsbehälter D
Entsorgungsbehälter H
Entsorgungsbehälter K
Entsorgungsbehälter L
Andere Organische Lösemittel, halogenfrei (blau)
Halogenorganische Lösemittel (rot)
Anorg. Säuren, Nitrit-/Nitrathaltig
Metallsalzlösungen, pH-neutral
Andere Säuren, schwermetallsalzhaltig
Kontaminiertes Laborglas
Kontaminierte Betriebsmittel
4. Praktikumstag
Seite 2
Zu Beginn des Praktikumstages den Trockenschrank auf 100 °C anschalten und darin befindliche
Kunststoffteile heraus nehmen!!!!!
4.1. Kunststoffe
Als Kunststoffe bezeichnet man synthetisch erzeugte makromolekulare Verbindungen;
„Einzelbausteine“ bezeichnet man als „Monomere“.
die
Styrenpolymerisation (radikalische Polymerisation)
Alkene sind häufig in der Lage, mit sich selber und anderen Alkenen zu hochmolekularen
Verbindungen, sogenannten Polymeren, zu reagieren.
Häufigste Methode zur Herstellung von Polymeren ist die Radikalkettenpolymerisation. Als
Startreagenz verwendet man Radikale, die aus organischen Peroxiden (z. B. Dibenzoylperoxid)
durch Erwärmen erzeugt werden.
Versuch 4.1: Darstellung von Polystyrol (Polystyren)
H
H
H
H H
C C
H
n
n
Styren
(Styrol)
Polystyren
(Polystyrol)
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
•
•
Geräte
•
•
•
•
Styren
Dibenzoylperoxid
Reagenzglas
Alufolie
Technoklammer/ Doppelmuffe
Wasserbad
a) In ein Reagenzglas wird eine Spatelspitze (d.h. sehr wenig!) Dibenzoylperoxid gegeben und
darauf eine etwa 1 cm hohe Schicht Styren gegossen.
b) Das Reagenzglas wird mit einer Kappe aus Aluminiumfolie verschlossen und vorsichtig
geschüttelt. Anschließend wird das Reagenzglas am Stativgestänge so fixiert, dass es in ein
bereitgestelltes Wasserbad eintaucht.
c) Das Wasserbad wird mit Aluminiumfolie abgedeckt und das Wasser zum Sieden erhitzt. Nach
einer Stunde (evtl. gelegentlich Wasser nachfüllen!!) lässt man abkühlen.
d) Im Reagenzglas hat sich eine feste, klare Masse gebildet, die aus Polystyren besteht.
Verwendete Chemikalien:
Dibenzoylperoxid E, Xi
Styren
Xn
R:
R:
2-36-43
10-20-36/38
S:
S:
(2-)3/7-14-36/37/39
(2-)23
4. Praktikumstag
Seite 3
Entsorgung:
Reagenzglas mit Polystyren Entsorgungsbehälter
K (kontaminiertes Glas)
Mechanismus:
Schritt 1:Bildung des Reaktionsstarters
O
O
C
O
C
O
2
O
C
O
O
CO2 +
C
O
Schritt 2: Kettenstartreaktion:
H
C
H
H
C
+
H
H
C
C
H
Schritt 3: Kettenwachstumsreaktion:
H
H
H
C
C
H
C
C
H
+
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
nächster Kettenwachstumsschritt:
H
H
H
H
H
C
C
C
C
H
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
H
+
H
H
usw. usw.
Der Kettenabbruch kann entweder durch Rekombination zweier Radikale, oder durch Disproportionierung erfolgen
4. Praktikumstag
Seite 4
4.2. Fette
Fette und Öle stellen neben den Kohlenhydraten (z.B. Cellulose, Stärke und Zucker) (s. Kap. 4.5.)
einen wichtigen Teil der nachwachsenden Rohstoffe dar, sie sind fast ausnahmslos Glycerinester
(besser Glycerolester) der höheren geradzahligen Fettsäuren.
Die tierischen Fette enthalten hauptsächlich gemischte Glycerinester von drei Säuren, der Palmitin-,
Stearin- und Ölsäure. Je höher der Anteil der Ölsäure, um so leichter wird das Fett in der Wärme
flüssig.
O
Palmitinsäure
(Hexadecansäure)
C
C15H31COOH
OH
O
C
OH
O
C
Stearinsäure
(Octadecansäure)
C17H35COOH
Ölsäure
(Octadecen-9-säure)
OH C17H33COOH
Pflanzliche Öle enthalten gegenüber den tierischen Fetten außer den Glycerinestern der oben
genannten Säuren auch noch Glycerinester von mehrfach ungesättigten Säuren.
Versuch 4.2: Darstellung einer „Seife“ durch alkalische Esterspaltung von Fetten
O
H2C
C
R
O
HC
H2C
Fett
H2C OH
O
C
O
R
C
R
+
3 NaOH
+
R C
O Na
Seife
H2C OH
H2C OH
Glycerin
Seifen sind die Natrium- bzw. Kaliumsalze höherer Fettsäuren. Zur Herstellung von Kernseife
werden verschiedene Fette (z.B. Kokosfett oder Talg) mit Natronlauge verseift, wobei die Seife und
Glycerin entstehen
4. Praktikumstag
Seite 5
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
•
•
Geräte
•
•
•
•
Olivenöl
ethanolische Kaliumhydroxid-Lösung
(KOH)
Reagenzgläser
Siedesteine
Wasserbad
Uhrglas
a) Geben Sie in einem Reagenzglas zu 1 ml Olivenöl 4 ml einer gesättigten Lösung von Kaliumhydroxid in Ethanol und fügen Sie einen Siedestein hinzu.
b) Erhitzen Sie das Reagenzglas im elektrischen Wasserbad für etwa 10 Minuten auf ca. 70 oC.
c) Gießen Sie das Reaktionsprodukt auf ein Uhrglas und lassen Sie es dort abkühlen.
Verwendete Chemikalien:
Olivenöl
--
R:
--
S:
--
Ethanol
F
R:
11
S:
(2-)7-16
Kaliumhydroxid
C
R:
22-35
S:
(1/2-)26-36/37/39-45
Entsorgung:
Reaktionslösung Entsorgungsbehälter
D
Seife
D
Entsorgungsbehälter
Mechanismus: Hydrolyse von eines Methylethers im alkalischen Medium (Verseifung):
O
O
R
O
R
OH
+
C
CH3
C
O
CH3
OH
O
R
C
+
OH
.
O
O
CH3
R
C
+
O
HO
CH3
4. Praktikumstag
Seite 6
4.3. Aminosäuren
Die Proteine oder Eiweiße (s. Kap. 4.4.) gehören zu den wichtigsten Aufbaustoffen jeder Zelle.
Neben den Kohlenhydraten (s. Kap. 4.5.) und Fetten (s. Kap. 4.2.) sind sie Hauptbestandteil der
menschlichen und tierischen Nahrung. Die Eiweißstoffe dienen aber nicht nur als Energiequelle im
Organismus, sondern fungieren auch als Hormone und Enzyme, z.B. katalysieren sie den Ablauf
biochemischer Reaktionen, bilden den Cytoskelett usw.
Aminosäuren stellen die Grundbausteine der Peptide und Proteine (s. Kap. 4.4.) dar.
Charakteristisch für Aminosäuren sind zwei funktionelle Gruppen, die Carboxyl- und die
Aminogruppe.
Aminosäuren sind aliphatische und aromatische Carbonsäuren, welche mindestens eine
Aminogruppe tragen.
H3C
CH COO
H2C
CH2 COO
H3N
NH3
3-Aminopropansäure
(β-Alanin, eine β-Aminosäure)
NH3
2-Aminopropansäure
(α-Alanin, eine α-Aminosäure)
COO
4-Aminobenzoesäure
(p-Aminobenzoesäure)
Diese Beispiele zeigen , dass Aminosäuren auf Grund der beiden funktionellen Gruppen als so
genannte Ampholyte (Zwitterionen) vorliegen, deren Eigenschaften durch das gleichzeitige
Vorhandensein je einer kationischen (-NH3+) und anionischen Funktion (-COO-) geprägt sind. (Das
Proton der Carboxylgruppe wird von der Aminogruppe gebunden.)
In wässriger Lösung kann durch Zugabe von OH-- Ionen die Aminogruppe deprotoniert bzw. durch
Zugabe von H+-Ionen die Carboxylatgruppe protoniert werden.
COO
H2N
C H
H
H
-
COO
H3N
OH , H2O
H
C H
-
OH , H2O
H
Zwitterion
Anion
COOH
H3N
C H
H
Kation
Im neutralen Bereich liegen somit die meisten Aminosäuren als Zwitterionen vor. Die Dissoziationsgleichungen zeigen eindeutig, dass bei keinem pH Aminosäuren die ungeladene Form H2NCHR-COOH annehmen.
Den pH-Wert bei der die Konzentration der Kation- bzw. Anionform gleich ist, ermittelt man aus
dem arithmetischen Mittel der pKs-Werte der Ammonium- und Carboxylgruppe.
pH =
pKs2
pKs1
2
=
IEP
Da bei diesem pH-Wert die elektrischen Ladungen aufgehoben sind, spricht man vom isoelektrischen Punkt (IEP).
Außer Glycin besitzen sämtliche α-Aminosäure mindestens ein asymetrisches C-Atom, also eine
stereogenes Zentrum (ein C-Atom mit vier unterschiedlichen Substituenten). Sie sind daher
„optisch aktiv“ und bilden Spiegelbildisomere (Enantiomere):
4. Praktikumstag
Seite 7
Spiegelebene
H
C
NH3
COO
COO
COO
≡
H3N
H
H3C
H
CH3
NH3
CH3
COO
≡
H3N
C
H
CH3
(R)-Alanin
(D-Alanin)
(S)-Alanin
(L-Alanin)
Wie alle Enantiomere haben(R)- und (S)-Aminosäuren identische physikalische und chemische
Eigenschaften mit zwei Ausnahmen:
• Sie drehen linear polarisiertes Licht um den gleichen Betrag, aber in verschiedene
Richtungen. Wobei das Enantiomer, das die Polarisationsebene nach links dreht, mit (+)
bezeichnet wird, das andere Enantiomer dreht die Ebene um den gleichen Wert nach links
und erhält das Vorzeichen (-).
• Sie reagieren verschieden schnell mit einzelne enantiomeren Molekülen.
D/L-Nomenklatur
Diese Nomenklatur ist im Bereich der Kohlenhydratchemie und der Aminosäuren weit verbreitet
und bezieht sich auf die Anordnung im Glycerinaldehyd.
CHO
H
CHO
OH
HO
CH2OH
D
H
CH2OH
L
Glycerinaldehyd
Wenn in der Fischerprojektion des Glycerinaldehyd die OH-Gruppe auf der rechten Seite der Kette
steht, handelt es sich um das D-Enantiomer (dexter lat. rechts) und umgekehrt.
R/S-Nomenklatur
Sie folgt dem Cahn-Ingold-Prelog System (CIP) , welches die Prioritäten der Substituenten an
festlegt. Dabei ordnet man den Substituenten am asymetrischen C-Atom mit Hilfe dreier Regeln
Prioritäten zu.
1. Die Priorität der mit dem asymetrischen C-Atom verknüpften Atome sinkt mit abnehmender
Ordnungszahl.
2. Sind zwei oder mehr mit dem asymetrischen C direkt verknüpften Atome identisch, so sinkt
die Priorität mit abnehmender An- und Ordnungszahl der benachbarten Atome.
3. Doppelt und dreifach gebundene Zweitatome zählen doppelt bzw. dreifach.
Alle Proteinaminosäuren gehören der L-Reihe an
COOH
H2N
C
H
R
Daraus folgt die (S)-Konfiguration im CIP, wenn nicht der Rest R einen Substituenten enthält,
durch den er einen höheren Rang als die Carbonyl-Gruppe gewinnt, wie im Fall L-Cystein und LCystin.
Durch den Rest R lassen sich die zwanzig Proteinaminosäuren zu folgen Gruppen zusammenfassen.
4. Praktikumstag
•aliphatische
Aminosäuren:
H
H3N
Seite 8
CH 3
Glycin (Gly,G)
CH
CH
H 3N
COO
H3C
Alanin (Ala,A)
COO
H3N
H3C
CH3
Leucin (Leu, L)
CH
H3N
C2H5
H3C
CH2
CH2
CH
COO
H3N
H3C
Serin (Ser, S)
CH2
CH
H3N
COO
H3N
•Aminodicarbonsäuren
COOH
und deren ω-Aminosäuren:
CH
CH
COO
H3N
COO
CH2
CH2
CH
COO
H3N
Aminosäuren:
O
Lysin (Lys, K)
NH3
CH2
CH2
NH
C
NH3
Glutamin (Gln, Q)
COO
Arginin (Arg, R)
N
NH
Histidin (His, H)
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
Asparagin (Asn,N)
CONH2
Glutaminsäure (Glu, E)
CH2
H3N
H3N
COO
CH2
CH
CH2
CH
Threonin (Thr,T)
CH2
COOH
•basische
OH
CH
CONH2
Asparaginsäure (Asp, D)
CH2
H3N
COO
COO
•Hydroxyaminosäuren:
OH
CH
Valin (Val; V)
Isoleucin (Ile.I)
CH
CH
CH3
CH
CH2
CH
COO
H3N
•schwefelhaltige
SH
H3N
CH
Aminosäuren:
CH3
Cystein (Cys, C)
Methionin (Met, M)
S
CH2
COO
CH2
CH
H3N
•cyclische
COO
COO
CH2
H3N
CH
COO
Aminosäuren:
Prolin (Pro, P)
N
H2
•aromatische
COO
bzw. heteroaromatische Aminosäuren:
OH
Phenylalanin
(Phe, F)
Tyrosin (Tyr, Y)
NH
CH2
CH
H3N
Tryptophan
(Try, W)
CH2
CH2
COO
CH
H3N
CH
H3N
COO
COO
Man unterscheidet zwischen den essentiellen Aminosäuren wie Lys, Leu, Val, Phe, Ile, Thr, Met,
His, Tyr, die für die menschlichen Ernährung notwendig sind und den nicht essentiellen, wie Gly,
Ala, Pro usw. die der Körper selbst aufbauen kann.
4. Praktikumstag
Seite 9
Versuch 4.3 : Ninhydrintest auf Aminosäuren
Aminosäure
Aldehyd
R
R
H3N
CH
COO
O
OH
OH
O
H
C
O
+ H2O
_
CO2
O
N
_ 2H O
2
_ H+
Ninhydrin
(1,2,3-Indantrionhydrat)
O
O
O
violetter Farbstoff
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
• Aminosäure-Lösung
• 2 % ethanolische Ninhydrinlösung
• 2 % ethanolische Ninhydrinlösung im
Zerstäuber
Geräte
• Reagenzgläser
• ein Blatt Papier
Farbreaktion einer Aminosäure-Lösung mit Ninhydrin
a) Versetzen Sie die Aminosäure-Lösung mit 1-2 Tropfen Ninhydrin-Reagenz.
b) Erhitzen Sie das Reagenzglas vorsichtig über dem Bunsenbrenner bis zum Auftreten einer
violett-blauen Färbung.
Ninhydrin-Test bei Finger- und Handabdrücken
a) Machen Sie mindestens eine Finger- und einen Handabdruck auf ein weißes Blatt Papier und
besprühen Sie das Blatt unter dem Abzug mit der Ninhydrin-Lösung.
b) Erwärmen Sie das Papier im vorgeheizten Trockenschrank. Nach etwa 10 Minuten werden Sie
die Abdrücke als violette Verfärbung sichtbar.
Schweiß hat einen pH-Wert von 4-6,8 und besteht aus 99 % aus Wasser. Der Rest sind
anorganische Verbindungen wie NaCl, Ammoniak, Phosphate, Sulfate, Kalium-, Calcium-,
Magnesiumsalze und organischen Verbindungen wie Aminosäuren, Harnstoff, Glucose,
Brenztraubensäure, Cholesterin Milchsäure etc..
Bei der Kripo werden je nach Material, auf dem die Fingerabdrücke untersucht werden sollen,
unterschiedliche Verfahren verwendet. Die gängigste Methode auf Papier ist das Besprühen
mit Ninhydrin, das mit den Aminosäuren, die im Schweiß enthalten sind, zu einen violetten
Farbstoff reagieren.
4. Praktikumstag
Seite 10
Verwendete Chemikalien:
Aminosäure-Lösung
Ninhydrin-Lösung
R: -S: -Xn R: 22-36/37/38 S: --
Entsorgung:
Reaktionslösung
Entsorgungsbehälter D
Blatt Papier mit Reaktionslösung Entsorgungsbehälter L
Mechanismus:
O
O
OH
OH
+
H3N
CH
COO
_
COOH
O
O
O
CH
N
CO2
O
O
R
H
+ H2O
_
R CHO
O
N
O
O
H
+
H
N
_ H+
H 2O
O
NH2
O
O
+
+ Ninhydrin
_2
CH
N
_2 H O
2
O
Ninhydrin
R
R
O
O
blauer Farbstoff
Ninhydrin reagiert mit primären Aminogruppen unter Dimerisierung. Dabei wird die Aminosäure
decarboxyliert (CO2 wird abgespalten) und das N-Atom der Aminogruppe wird auf das Ninhydrin
übertragen. Aus der ehemaligen Carboxylgruppe entsteht ein Aldehyd.
4. Praktikumstag
Seite 11
4.4. Peptide und Proteine
Peptide und Proteine gehören zu den Grundbausteinen des Lebens. Betrachtet man die Nukleinsäuren
als den Konstruktionsplan, so sind die Proteine das Material, das zur Realisierung der Bauanleitung
dient. Sie erfüllen Funktionen als Strukturelemente, als Enzyme für Stoffwechselvorgänge, als
Rezeptoren und Hormone sowie inter- und intrazelluläre Signalstoffe. Viele Wirkstoffe wie
Immunoglobuline, Antibiotika, tierische und pflanzliche Toxine, etc., sind Peptide bzw. Proteine. Sie
sind die Hauptbestandteile der Biomasse in den Zellen und machen zusammen mit den Nukleinsäuren
mehr als 2/3 der Trockenmasse der Zelle aus.
Peptidbindung, Bauprinzip und Nomenklatur
Peptide entstehen durch kettenartige Verknüpfung von Aminosäuren über Peptidbindungen (-CONH-) zu einem Polyamid, dabei verknüpft sich die α-Aminogruppe einer Aminosäure mit der
Carboxylgruppe einer anderen Aminosäure. Peptide aus 2-9 Aminosäuren (Di-, Tri- Tetra, bis
Nonapeptide) bezeichnet man als Oligopeptide. 10-100 Aminosäure-Bausteine bilden Polypeptide
und alles was mehr als 100 Aminosäuren aufweist ist ein Protein
Das "Rückgrat" der so entstandenen Peptidkette bildet damit die sich wiederholende Gruppierung NH-CO-CHR-. Die α-Aminogruppe der ersten Aminosäure (N-terminale Aminosäure) und die
Carboxylgruppe der letzten Aminosäure (C-terminale Aminosäure) liegen in freier Form vor. Für
kleinere Peptidhormone und Peptidantbiotika werden die Drei-Buchstaben-Symbole der
Aminosäure verwendet und für Proteinsequenzen die Ein-Buchstaben-Symbole.
O
O
C
CH 2
CH 3
CH
H 3N
N -Terminus
CH 2
O
NH
CH
O
CH 2
protonierte
Aminosäuere
CH
C
C
NH
CH
O
CH 2
OH
Ala
Ser
COO
NH
C
C -Terminus
Carboxylat
SH
Glu
Cys
Alanylserylglutamylcystein
Die Peptidbindung als N-substituierte Säureamidbindung ist stark resonanzstabilisiert. Die Mesomerie
bedingt einen partiellen Doppelbindungscharakter der Amidbindung,
O
R
N
H
R
N
R
mesomere Grenzformen
R
H
≡
δ−
O
δ−
O
O
R
H
N δ+
R
R
δ−
O
H
N δ+
R
R
R
N δ+
H
E/Z Isomere
Als Konsequenz ist die C−N-Bindung der Amidgruppe in Peptiden relativ starr und nicht frei
drehbar. Die E-Form ist im allgemeinen um 8 kJ/mol stabiler als die Z-Form.
Struktur der Protein
•Primärstruktur:
•Sekundärstruktur:
•Tertiärstruktur:
•Quartärstruktur:
Beschreibt die Aminosäurensequenz („Backbone“), d.h. die Abfolge der
einzelnen Aminosäuren innerhalb der Kette.
Beschreibt die lokale räumliche Struktur der Hauptkette des Proteins.
(α-Helix und β-Faltblatt)
Beschreibt die dreidimensionale Struktur des gesamten Proteins. Faltung zu
einem globulären Protein
Globuläre Proteine schließen sich häufig zu noch höheren Aggregaten
zusammen. Die Quatärstruktur beschreibt die wechselseitige räumliche
Anordnung verschiedener Polypeptidketten. (z.B. Hämoglobin)
4. Praktikumstag
Seite 12
Versuch 4.4: Nachweis von Proteinen in Milch mit der Biuret-Reaktion
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
• Milch
• Aminosäure-Lösung 1 M
• 5 % Natronlauge
• 0.1 M Kupfersulfat-Lösung
Geräte
• Reagenzgläser
a) Geben Sie jeweils zu 2 ml Milch und 2 ml einer 2 M Aminosäure-Lösung etwa 1 ml 5 %
Natronlauge.
c) Tropfen Sie jeweils einige Tropfen Kupfersulfat-Lösung hinzu.
b) Erwärmen Sie die Reagenzgläser vorsichtig über dem Bunsenbrenner bis zum Auftreten einer
violett-blauen bzw. dunkelblauen Färbung.
Verwendete Chemikalien:
Natronlauge
C R: 35
Kupfersulfat-Lösung A R: -Aminosäure-Lösung A R: --
S: (1/2)26-37/39-45
S: -S: --
Entsorgung:
Reaktionslösungen Entsorgungsbehälter H
Peptide und Proteine (langkettige Polypeptide) reagieren mit Cu2+ im alkalischen Medium
unter Bildung eines blauvioletten Komplexes.
Aminosäuren bilden mit Cu2+-Ionen einen dunkelblauen Komplex.
4. Praktikumstag
Seite 13
4.5. Kohlenhydrate
Kohlenhydrate stellen mengenmäßig den größten Anteil der auf der Erde vorkommenden
organischen Substanzen dar. Sie sind vorwiegend pflanzlichen Ursprungs und werden durch
Photosynthese aus Kohlendioxid und Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff aufgebaut. Zu dieser
enzymatischen Synthese wird Lichtenergie benötigt, die durch das Chlorophyll a absorbiert wird.
Sie bilden den Hauptbestandteil vieler Tiere und des Menschen und dienen dem Körper als
universeller Energielieferant. Daneben haben Kohlenhydrate auch ganz spezifische Funktionen als
Bestandteil der Nukleinsäuren oder als Stütz- und Gerüststubstanz.
Klassifizierung
Kohlenhydrate sind aliphatische Polyhydroxycarbonyl-Verbindungen. Je nach Stellung der OxoGruppe unterscheidet man Aldosen (Aldehyd-Zucker, endständige Carbonyl-Gruppe) und Ketosen
(Keto-Zucker, Carbonyl-Gruppe in der Kohlenstoffkette).
H
C
CH2OH
O
CH OH
C
m
CH2OH
Aldose
Polyhydroxyaldehyd
O
CH OH
m-1
CH2OH
Ketose
Polyhydroxyketon
Aldosen und Ketosen mit gleicher Kohlenstoffzahl sind Konstitutionsisomere der Summenformel
CnH2nOn. Die Benennung erfolgt bevorzugt durch Trivialnamen, die sich durch die Endung -ose
(bei Aldosen, z.B. Glucose - Traubenzucker) und -ulose (bei Ketosen, mit Ausnahme von Fructose Fruchtzucker)
Je nach Anzahl der Kohlenstoffatome in der Kette werden Aldosen und Ketosen als Triosen C3Tetrosen C4-, Pentosen C5-, Hexosen C6- und Heptosen C7-Grundkörper bezeichnet. Die Aldose
Glucose C6H12O6 ist demnach eine Hexose, genauer eine Aldohexose. Die Ketose Fructose
C6H12O6 ist ebenfalls eine Hexose, eine Ketohexose.
Triosen und Tetrosen sind nur als Metaboliten (Produkte der Stoffwechselreaktionen) interessant.
Heptosen sowie höhere Zucker sind seltene Bestandteile von Zellwänden in Bakterien.
Wie andere Biopolymere teilt man Kohlenhydrate nach der Anzahl ihrer Bausteine ein:
Monosaccharide:
Sind freie Aldosen und Ketosen, die nicht weiter zu einfacheren Zuckern
hydrolysiert werden können.
Oligosaccharide:
Sind Di-, Tri-, Tetra-...-saccharide mit 2 bis 15 Zuckerbausteinen, die durch
hydrolytische Spaltung frei werden können.
Polysaccharide:
Sind Biopolymere mit über 15 bis zu meheren Tausend Zuckerbausteinen.
Homopolysaccharide: Sie enthalten nur eine Sorte von Zuckerbausteinen, im Gegensatz zu
Heteropolysaccharide.
Monosaccharide
Wenn man vom D-Glycerinaldehyd ausgeht und schrittweise die Kette um ein C-Atom verlängert,
erhält man die Familie der D-Aldosen (gleiches gilt für die L-Aldosen).
Die Zahl der möglichen Aldosen wächst mit jedem C-Atom um den Faktor 2. es muss also 16
Aldohexosen geben, das entspricht 8 diastereomere Enantiomerenpaare. Die meisten natürlich
vorkommenden Zucker gehören der D-Reihe an.
4. Praktikumstag
Seite 14
Triose
H
C
H
Tetrosen
H
Pentosen
H
Hexosen
H
C
O
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
O
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
H
C
OH
H
C
O
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
H
C
H
C
OH
H
H
C
OH
H
CH2OH
D-Allose
O
C
C
C
C
H
H
H
CH2OH
D-Ribose
O
H
OH
CH2OH
D-Glycerinaldehyd
CH2OH
D-Erythrose
O
C
C
C
O
H
C
H
C
CH2OH
D-Threose
O
O
C
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
D-Arabinose
O
H
C
O
H
C
CH2OH
D-Xylose
O
H
C
O
C
OH
HO
C
H
H
C
OH HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH
D-Glucose
C
H
H
CH2OH
D-Altrose
H
CH2OH
D-Mannose
C
C
O
H
C
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
HO
C
H
HO
C
H
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
H
C
OH
CH2OH
D-Gulose
H
CH2OH
D-Lyxose
O
H
CH2OH
D-Idose
CH2OH
D-Galactose
CH2OH
D-Talose
Ringform der Zucker
Die Fischer-Projektion (siehe unten) stellt die offenkettige Form der Monosaccharide dar, die
praktisch nicht existent ist.
Durch die intramolekulare nukleophile Addition der Hydroxygruppe (von C-5) an die
Carbonylgruppe des Aldehyds entsteht ein sechsgliedriges cyclisches Halbacetal.
Die Ringbildung bei der Glucose
Zu Formulierung der Halbacetal-Formen werden die planaren HAWORTH-Projektionsformel
bevorzugt verwendet.
CH2OH
O
CHO
OH
H
HO
OH
CH2OH
H
OH
4
H
OH
OH
D-Glucose in der
Fischer-Projektion
6
5
H
CH2OH
OH
OH
OH
OH
3
C
1
CH2OH
Rotation um
C4-C5-Achse
H
OH
OH
O
C
OH
2
OH
OH
OH
Cyclisierung
H
α-D-Glycosepyranose
C H 2O H
O
O
OH
OH
OH
β-D-Glycosepyranose
OH
4. Praktikumstag
Seite 15
Darstellung in der Sesselkonformation
CH2OH
O
HO
HO
HO
CH2OH
O
HO
HO
OH
HO
OH
β-D-Glucopyranose
α-D-Glucopyranose
Die Ringbildung bei der Fructose
H
1
H
H
H
2
3
4
6
OH
1
CH2OH
O
5
OH
O
2
4
O
OH
OH
+
3 OH
OH
OH
OH
CH2OH
CH2OH
OH
OH
OH
CH2OH
5 CH OH
2
α-D-Fructofuranose
β-D-Fructofuranose
Die Bezifferung der C-Atome in Pyranosen- und Furanosen-Formelnerfolgt vom Ringsauerstoff
ausgehend im Uhrzeigersinn.
Bei der Halbacetalbildung wird der Carbonylkohlenstoff C-1 zu einem stereogenen Zentrum, da die
Addition von beiden Seiten der Carbonylgruppe möglich ist, kann die (R)- und (S)-Konfiguration an
C-1 entstehen. Das Carbonyl-C-Atom wird auch anomeres C-Atom genannt.
Anomere Zucker sind demnach Diastereomere.
Oligosaccharide
Die wichtigsten natürlichen Oligosaccharide enthalten 2-4 Monomere und zeigen deren typischen
Eigenschaften: wasserlöslich und süß.
CH2OH
CH2OH
O
HO
1
HO
OH
O
CH2OH
CH2OH
O
HO
1
1
OH
O
HO
OH
OH
O
O
HO
1
HO
4
OH
CH2OH
O
HO
OH
1
4
O
CH2OH
OH
O
HO
CH2OH
OH
OH
Maltose
Rohrzucker
[4-O-(α-D-Glucopyranosyl)-α-D-glucopyranose] β-D-Fructofuranosyl-α-D-glucopyranosid
C-1α-O-C-4-Verknüpfung
C-1β-O-C-1α-Verknüpfung
Lactose
(4-β-D-Galactopyranosyl-β-D-glucopyranose)
C-1β-O-C-4-Verknüpfung
Polysaccharide
Die D-Glucose ist alleiniger Baustein der wichtigsten Polysaccharide Stärke, Glykogen und
Cellulose. Hunderte bis Tausende von Glucoyranosen-Ringen sind kettenförmig durch AcetalBindungen, also Glycosid-Bindungen verknüpft.
Polysaccharide sind, verglichen mit den Proteinen und Nukleinsäuren, einfach gebaute
Biopolymere. Sie können daher in lebenden Organismen keine vielfältigen und komplexen
Aufgaben erfüllen. Sie dienen als unlösliche gerüstbildende Biopolymer-Fasern (Cellulose bei
Pflanzen) oder Nahrungsdepot (Glykogen bei Tieren).
Stärke
Sie ist das Reservekohlenhydrat höherer Pflanzen und besteht aus zwei unterschiedlichen
Polysacchariden, der wasserlöslichen Amylose und dem wasserunlöslichen Amylopektin.
4. Praktikumstag
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CH2OH
O
HO
1
HO
CH2OH
4
OH
O
O
Amylose
1
HO
1,4α-glycosidisch verknüpft
CH2OH
4
OH
O
O
HO
n
4
OH
1
OH
CH2OH
O
1
HO
4
OH
CH2OH
O
O
4
CH2OH
HO
OH
O
1
HO
OH
O
1
Amylopektin
Kette:
1,4α-glycosidisch verknüpft
Seitenkette: 1α-6-glycosidisch verknüpft
O
4
O
1
HO
4
OH
O
CH2OH
O
1
HO
4
OH
CH2OH
O
O
HO
OH
1
Versuch 4.5 : Nachweis der reduzierenden Wirkung von Zuckern mit
Fehling'scher Lösung
O
R C
+
2
Cu2+ +
4
OH-
H
Aldehyd
O
R C
+
OH
2
H2O + Cu2O
Carbonsäure
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
• Glucose-Lösung
• Rohrzucker-Lösung
• Fehling-Lösung (I) [Kupfersulfat +
Wasser]
• Fehling-Lösung (II)
[Kaliumnatriumtartrat, Natriumhydroxid
und Wasser]
Geräte
• Reagenzgläser
a) In je einem Reagenzglas mischt man 1 ml von Fehling-Lösung (I) und 1 ml von Fehling-Lösung
(II).
b) Geben Sie nun in das eine Reagenzglas 1 ml der Glucose-Lösung, in das andere 1 ml der
Rohrzucker-Lösung und erhitzt im Wasserbad bei max. 40 °C. Es bildet sich in einem der beiden
Reagenzgläser nach 10 Minuten ein roter Niederschlag.
4. Praktikumstag
Seite 17
Verwendete Chemikalien:
Kupfersulfat
Kaliumnatriumtartrat
2 M Natronlauge
Glucoselösung
Xn, N
-C
--
R: 22-36/38-50/53
R: -R: 35
R: --
S:
S:
S:
S:
22-60-61
-26-37/39-45
--
Entsorgung:
Gesamte Reaktionslösung
Entsorgungsbehälter
D
Nur Zucker die als cyclisches Halbacetal vorliegen, sind reduzierende Zucker.
Versuch 4.6: Wasserlösliche und wasserunlösliche Bestandteile von Stärke
Versuchsdurchführung:
Chemikalien
• Speisestärke
• Iod-Kaliumiodid-Lösung 0.01mol/L
Geräte
• Reagenzgläser
• 50 ml Erlenmeyerkolben
• Wasserbad
• Trichter, Faltfilter
a) 5 g Speisestärke werden in einem 50 ml Erlenmeyerkolben mit 10 ml Wasser aufgeschlämmt
und in maximal 60 °C warmen Wasserbad für 5 min. unter Rühren erwärmt. Achtung: Bei zu
starken Erhitzen bildet sich Kleister, der nicht mehr filtrierbar ist.
b) Filtrieren Sie die gelösten Bestandteile von den ungelösten ab.
c) Versetzen sie eine Probe beider Fraktionen (Filtrat und Rückstand im Filter) mit einigen Tropfen
der Iod-Kaliumiodid-Lösung.
Verwendete Chemikalien:
Speisestärke
R: -S: -Iod
Xn,N R: 20/21-50 S: 2(-)23-25-61
Kaliumiodid Xi
R: 42/43
S: -Entsorgung:
Gesamte Reaktionslösung Entsorgungsbehälter D
Amylose zeigt mit Iod-Kaliumiodid-Lösung eine spezifische Blaufärbung, die auf einer
kettenförmigen Einlagerung des Iods in die kanalartige Struktur der Amylose-Helix beruht.
Diese Einlagerungsverbindung dient zum empfindlichen Nachweis von Stärke oder von Iod
(Iod-Stärke-Reaktion).