Kapitel 11

Kapitel 11
11.1 Monosaccharide
Monosaccharide, die einfachsten Kohlenhydrate, sind Aldehyde ( Aldosen) oder Ketone
( Ketosen) mit 2 oder mehr Hydroxylgruppen. Die Formel von Kohlenhydrate ist (CH2O)n. Die kleinsten haben n=3  Triosen. Mit 4, 5, 6, 7 C-Atomen heissen sie Tetrosen,
Pentosen, Hexosen bzw. Heptosen.
Sie sind wichtig als Brennstoffmoleküle oder Bausteine für Nukleinsäuren.
Es gibt immer 2 Enantiomere  D und L, weil sie aber mehrere chirale Zentren haben, gibt es
auch Diastereomere.
Zucker, die sich in der Konfiguration an einem chiralen Zentrum unterscheiden, sind
Epimere. Z.B. D-Glucose und D-Mannose sind epimer beim C-2.
Ketosen haben ein stereogenes Zentrum weniger als Aldosen bei der gleichen Anzahl C.
Monosaccharide kommen meist nicht als offene Ketten vor, sondern als Ringe: Wenn ein
Aldehyd mit einem Alkohol reagiert, entsteht ein Hemiacetal, d.h. das C1-Aldehyd reagiert
mit der C-5-Hydroxylgruppe und bildet ein intramolekulares Hemiacetel  6-Ring 
Pyranose genannt.
Auch ein Keton kann mit einem Alkohol reagieren  Hemiketal, d.h. die C-2-Ketogruppe
reagiert mit der C-6-/C-5-Hydroxylgruppe und bildet ein 6-Ring (Pyranose)- bzw. 5-Ring(Furanose) - Hemiketal
Ringe lassen sich in der Haworth-Projektionen darstellen: Dabei werden die C-Atome im
Ring werden nicht geschrieben, die anderen (C-) Atome werden in vertikaler Richtung
angegeben. Bei Haworth-Projektionen kann man die Stereochemie von Zuckern gut ablesen.
Beim zyklischen Hemiacetel ist das C-1 ein weiteres stereogenes Zentrum. Wenn die
Hydroxylgruppe am C-1 eines Pyranoserings unter dem Ring ist  -Anomer. Ist die
Hydroxylgruppe am C-1 über dem Ring  -Anomer. Eine Mischung von Glucose im
Gleichgewicht enthält 1/3 -Anomere, 2/3 -Anomere und weniger als 1% offene Kette. Bei
Furanose beachtet man die Hyroxylgruppe am C-2: unter dem Ring  , über dem Ring 
.
Die Hexose Fructose bildet Pyranose- und Furanose-Ringe. Die Pyranoseform ist dominant,
wenn Fructose frei in Lösung ist, die Furanose-Form ist dominant, wenn viele
Fructosederivate vorhanden sind.
Pentosen bilden Furanose-Ringe wie in RNA und DNA.
Der Pyranose-(6)-Ring ist nicht planar, er kommt vor allem in der Sessel- und BootKonformation vor. Die Substituenten in der Sessel-Konformation sind axial und equatorial.
Wenn axiale Substituenten auf der selben Seite stehen, kann es sterische Hinderungen
geben am besten ist es, wenn alle axiale Positionen von H-Atomen eingenommen werden.
Auch Furanose-Ringe sind nicht planar. Sie nehmen die Briefumschlag (envelope)Konformation ein. Dort ragt entweder das C-2- oder das C-3-Ende aus der Ebene  diese
Konformationen werden C2-endo bzw. C3-endo genannt.
Monosaccharide können durch Reaktionen mit Alkoholen oder Aminen modifiziert werden
 es bilden sich Addukte.
Das anomere C-Atom reagiert z. B. mit Methanol  es bildet sich eine O-glycosidische
Bindung zwischen dem anomeren C und dem O von Methanol. Es gibt wieder 2 Formen (
und , je nachdem ob das O unter oder über dem Ring ist)
Bei der Reaktion eines Zuckers mit Aminen gibt es die N-glycosidische Bindung.
Nukleoside sind Addukte vom Amin Adenin am Zucker Ribose.
Die neuen Verbindungen haben andere Eigenschaften als die Ausgangsmonosaccharide. Z.B.
ist die nicht-modifizierte Glucose reduzierend und reduziert etwa Cu2+ zu Cu1+, die
modifizierte Glucose ist hingegen nicht reduzierend. Fehlingsche Lösung, die Cu2+-Ionen
enthält, wird in Gegenwart von Zucker reduziert und ändert die Farbe. Somit ist dies ein
einfaches Testmittel um herauszufinden, ob man reduzierende Zucker hat oder nicht.
11.2 Oligo- und Polysaccharide
Oligosaccharide entstehen bei der Verbindung von 2 Monosacchariden durch eine Oglycosidische Bindung z.B. zwischen dem -C-1 eines Zuckers mit der Hydroxygruppe des
C-4 eines anderen Zuckers  -1,4-glycosidische Bindung.
Viele verschiedene glycosidische Bindungen sind möglich  Kohlenhydrate haben eine
ausserordentlich grosse Vielfalt
Ein Disaccharid besteht aus 2 Zuckern, verbunden durch eine O-glycosidische Bindung.
Die häufigsten Disaccharide sind Saccharose, Laktose und Maltose.
Saccharose: besteht aus einer ()Glucose-Einheit und einer ()Fructose-Einheit. Durch das
Enzym Saccharase wird Saccharose in die Bestandteile zerlegt.
Laktose: -Galactose (14) -Glucose. Das Enzym, das Lactose in die Bestandteile zersetzt,
ist Lactase bei Menschen und Galactosidase bei Bakterien.
Maltose: -Glucose (14) -Glucose. Maltose entsteht aus der Hydrolyse von Stärke durch
Maltase.
Grosse polymere Oligosaccharide, gebildet aus der Verbindung von vielen Monosaccharide,
werden Polysaccharide genannt. Wenn alles die selben Monosaccharide sind, sind die
Polymere Homopolymere.
Das häufigste Homopolymer ist Glycogen, die Speicherform von Glucose.
Glycogen ist ein sehr grosses, verzweigtes Polymer (-1,4-glycosidische Bindung, 1
Verzweigung durch -1,6-glycosidische Bindung pro 10 Einheiten)
Stärke kommt in zwei Formen vor: Amylose ist unverzweigt (hat nur -1,4-glycosidische
Bindungen), Amylopectin hat pro 30 -1,4-Einheiten eine -1,6-Verzweigung.
Zellulose (in Pflanzen) ist eines der am weitest verbreiteten organischen Materialien der
Biosphäre. Es ist ein unverzweigtes Glucose-Polymer, verbunden durch -1,4-glycosidische
Bindungen. Das gibt sehr lange, gerade Ketten. Fibrillen werden durch parallele Ketten, die
miteinander durch H-Brücken verbunden sind, gebildet.
Die gerade Ketten, die durch -Verbindungen entstehen, sind optimal für die Konstruktion
von Fasern mit grosser Kraft. Im Gegensatz dazu ist die offene Helix der -Verbindungen gut
für die Speicherung von Zucker.
Säugetiere haben keine Zellulase und können deshalb keine pflanzlichen Fasern verdauen.
Glycosaminoglycane werden von sich wiederholenden Disaccharid-Einheiten mit einem
Derivat eines Amino-Zuckers gemacht, entweder Glucosamin oder Galactosamin.
Mindestens einer der Zucker in der sich repetierenden Einheit hat eine negativ geladene
Carboxyl- oder Sulfat-Gruppe.
Wenn Glycosaminoglycane an Proteine geheftet werden, entstehen Proteoglycane.
Proteoglycane gleichen Polysacchariden mehr als Proteinen, weil die Kohlenhydrate etwa
95% des Gewichts ausmachen.
Proteoglycans sind Komponenten in Bindegewebe, sie vermitteln das Anheften von Zellen an
die extrazelluläre Matrix und sind Bindungsfaktoren, die die Zellproliferation stimulieren.
Oligosaccharide
werden
synthetisiert
durch
verschiedene
Enzyme,
genannz
Glycosyltransferasen, die die Bildung der glycosidischen Bindungen katalysieren.
Es gibt viele verschiedene glycosidische Bindungen  viele verschiedene Enzyme.
Der Zucker, der angefügt wird, kommt in der Form eines aktivierten Zuckernukleotids vor.
Zuckernukleotide sind wichtige Übergangszustände in vielen Prozessen. Die Reaktion kann
von der Beibehaltung oder Umkehrung des glycosidischen C-Atoms, bei welchem die neue
Bindung gebildet wird, begleitet sein, je nach Reaktionsweise des Enzyms.
ABO-Blutgruppen: Kohlenhydrate werden an Glycoproteine und Glycolipide auf der
Oberfläche von roten Blutkörperchen angeheftet. Der Unterschied von roten Blutkörperchen
der Blutgruppen A, B und O besteht darin, dass entweder N-Acetylgalactosamin (Blutgruppe
A) oder Galactose (Blutgruppe B) durch eine -1,3-Verbindung an eine Galactose des OAntigens gebunden wird. Spezielle Glycosyltransferasen fügen das zusätzliche
Monosaccharid dem O-Antigen hinzu. Jede Person erbt das Gen für eine Glycosyltransferase
von jedem Elternteil. Fehlen beide Glycosyltransferasen, entsteht Blutgruppe O.
Darmbakterien haben die selben Oberflächenstrukturen (Mimikry). Auf den Mensch wirkt ein
selektiven Druck um den Bluttyp zu variieren unf diese Mimikry zu verhindern. Auf
Darmbakterien wirkt ein Selektionsdruck, um diese Mimikry zu fördern  Evolution der
Diversität der Oberflächenantigenen.
11.3 Glycoproteine
Häufig werden an Proteine im ER eine Oligosaccharidkette kovalent gebunden
(Glycoproteine). Bei diesen machen Kohlenhydrate machen einen kleineren Anteil des
Gewichts aus als bei Proteoglycanen.
Viele Glycoproteine sind Bestandteile der Zellmembran.
In Glycoproteinen sind Zucker entweder ans Amid-N in der Seitenkette von Asparagin ( Nlinkage), oder an ein O-Atom in der Seitenkette von Serin oder Threonin ( O-linkage)
gebunden. Die potentiellen Glycosylierungsstellen können innerhalb von AminosäureSequenzen vorausgesagt werden.
Kohlenhydrate werden an einige lösliche Proteine und an Membranproteine gebunden Viele
Proteine, die von Zellen ausgeschieden werden, sind glycosyliert. Auch die meisten Proteine
im Blutserum sind Glycoproteine.
Die Glycosylierung findet im Lumen des ER und des Golgiapparates statt. Die N-gebundene
Glycosylierung beginnt im ER und geht dann im Golgiapparat weiter, die O-gebundene
Glycosylierung findet nur im Golgiapparat statt.
Bei der Synthese von Glycoproteinen werden die Zuckerkette an Asparagin angehängt. Der
Aufbau und Transport der Oligosaccharide über die Membran erfolgt an dem im Lipid
verankerten Carrier Dolichol Pyrophosphat. Dieses besteht aus 14 – 25 Isopreneinheiten,
einer Isopreneinheit mit hydrierter Doppelbindung und dem Pyrophosphat, an das die Zucker
gebunden werden. Am Dolicholphosphat erfolgt der Aufbau des Oligosaccharids durch
Anhängen spezifischer Zuckerreste, die über Bindung an Nucleotiddiphosphate aktiviert
wurden. Die Synthese findet z. T. auf der Aussen- und z. T. auf der Innenseite der Membran
statt. Mit Hilfe von Flippasen müssen die Dolicholphosphate mit anhängenden Zuckern ihre
Orientierung in der Membran wechseln. Zum Schluss wird die fertige Oligosaccharidkette
vom Dolicholpyrophosphat auf Asn einer wachsenden Polypeptidkette übertragen.
Oligosaccharide werden an Asparginresiduen an den Erkennungsstellen Asn 109-Gly-Ser und
Asn 159-Val-Thr gebunden.
Proteine im Zytosol werden nicht auf dieselbe Weise glycosyliert.
Bevor das Glycoprotein ins Lumen des ER geht, werden 3 Glucosemoleküle vom 14Residuen Oligosaccharid entfernt  Qualitätskontrolle
Dolicholpyrophosphat wird recycliert zu Dolicholphosphat durch Phosphatase. Diese
Hydrolyse wird durch gewisse Antibiotika verhindert.
Proteine im Lumen des ER und in der ER-Membran werden zum Golgi-Apparat transportiert.
Kohlenhydrat-Einheiten von Glycoproteinen werden im Golgikomplex modifiziert.
Der Golgiappart ist das Hauptsortierungszentrum einer Zelle.
Ein Golgiapparat hat 3 oder 4 Membransäcke (Zisternen). Er ist unterteilt in ein cisKompartiment, ein mediales Kompartiment und ein trans-Kompartiment. Das cisKompartiment ist am nächsten beim ER, es empfängt Stoffe, das trans-Ende exportiert
Proteine an verschiedene Orte.
Die N-gebundenen Kohlenhydrateinheiten von Glycoproteinen werden in jedem
Kompartiment des Golgiapparates modifiziert.
Die Sequenz von N-gebundenen Oligosaccharid-Einheiten eines Glycoproteins wird bestimmt
durch die Sequenz und Konformation des Proteins und durch die Glycosyltransferasen im
Golgikomplex, in dem sie bearbeitet werden.
Kohlenhydratverarbeitung im Golgiapparat heisst terminal glycosylation
Ein Kohlenhydratmarker führt bestimmte Proteine vom Golgi zu den Lysosomen. Lysosomen
sind Organelle, die zerstörte Zellkomponenten oder fremdes, durch Endocytose
aufgenommenes Material, degradieren.
Bei der I-Zell Krankheit werden zwar Enzyme synthetisiert, aber sie werden exportiert anstatt
von Lysosomen zerstört  eine ganze Reihe von Enzymen gelangt an den falschen Ort.
Mannose-6-Phosphat ist der Marker, der normalerweise Enzyme vom Golgi zu den
Lysosomen führt. I-Zell Patienten haben einen Defekt in der Phosphotransferase, die den
ersten Schritt beim Anfügen der Phosphorylgruppe katalysiert. Die Konsequenz ist, dass 8
wichtige Enzyme an den falschen Ort gelangen.
Der Oligosaccharidvorläufer, der den Proteinen zugefügt wird, spielt bei der Proteinfaltung
und dem Proteintargeting eine Rolle. Das Oligosaccharid, das den Proteinen zugefügt wird,
beeinflusst die Proteinfaltung und den Weg, den Proteine in der Zelle nehmen. Wenn das
Protein korrekt gefaltet ist, gelangt es für die weitere Prozessierung in den Golgiapparat.
Wenn das Protein korrekt gefaltet ist, und wenn das Oligosaccharid als Substrat für
Glycosyltransferase dienen kann, so kann ein anderes Enzym aus dem Lumen des ER eine
Glucoseresidue anheften. Diese Residue wird von einem von zwei Chaperon-Proteinen,
Calnexin oder Calreticulin, gebunden. Als Chaperonproteine bezeichnet man Substanzen, die
dafür verantwortlich sind, dass intrazelluläre Proteine an den richtigen Ort gelangen.
Ungefaltete Proteine, die von den kohlenhydratbindenden Proteinen ( Lectine, siehe 11.4)
gebunden werden, können das ER nicht verlassen  sie haben Zeit, sich korrekt zu falten.
Das wird so oft wiederholt, bis sie richtig gefaltet sind.
Kohlenhydrate tragen Information: Hier ist die Abkömmlichkeit von Kohlenhydraten zu
spezifischen Glycotransferasen Information über den Faltungsgrad des Proteins.
Es gibt Enzyme, die Oligosaccharide bei bestimmten Bindungen trennen. Die
Oligosaccharidstücke können dann isoliert werden. Die Masse von einem
Oligosaccharidfragment kann z.B. durch MALDI-TOF bestimmt werden. Man erhält weitere
Information, indem man Enzyme (Glycosydasen) verschiedener Spezifitäten nimmt
Die Oligosaccharidbindungsstellen in Glycoproteinen können mit Proteasen bestimmt
werden, indem das Glycoprotein durch Proteasen, die an sequenzspezifischer Stelle
schneiden, behandelt werden. Die Trennung von Proteinen durch verschiedene Proteasen gibt
eine charakteristisches Muster von Peptidfragmenten, die chromatographisch bestimmt
werden können.
Posttranslationelle Modifikationen wie Glycosylation erhöht die Komplexität von
Glycoproteinen. Ein Protein mit verschiedenen potentiellen Glycossylierungsstellen kann
viele verschiedene glycosylierte Formen (Glycoforms) haben, von denen jede nur in einem
bestimmten Zelltyp oder Entwicklungsstadium gebildet werden kann.
11.4 Lectine
Lectine sind Proteine, die eine spezifische Kohlenhydratstruktur binden.
Lectine findet man bei Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen ( ubiquitous)
Einige Lectine funktionieren als Chaperone.
Sie erleichtern auch den Zell-Zell-Kontakt.
Sie haben normalerweise zwei oder mehr Bindungsstellen für Kohlenhydrateinheiten.
Die Bindung zwischen Lectinen und Kohlenhydrate ist relativ schwach. Die Interaktionen
zwischen einer Zelloberfläche mit Kohlenhydraten und einer mit Lectin gleicht der „action of
Velcro“: jede Interaktion ist ziemlich schwach aber das Gesamte ist stark
Einige Lectine sind wirksame Insektizide
E. coli-Bakterien sind fähig, an die Epithelzellen des Gastrointestinaltraktes zu binden, weil
Lectine auf sog. Fimbrien (Pili) von E. coli die Oligosaccharideeinheiten auf der Oberfläche
der Zielzellen erkennen.
Lectine lassen sich in Klassen einteilen. Eine grosse Gruppe ist die der C-Typ-Lectine. (Sie
benötigen Calcium). Sie haben eine Domäne von 120 AS, die verantwortlich für die
Kohlenhydratbindung ist. Ein Calciumion ist die Brücke zwischen einem Protein und dem
Zucker durch direkte Interaktion mit der Hydroxylgruppe des Zucker. Ausserdem binden zwei
Glutaminsäureresiduen im Protein je an das Protein und an den Zucker.
Selectine (bestimmte Glycoproteine) sind Mitglieder der C-Typ-Lectine. Selectine binden
Immunsystemzellen an Endothelzellen, dadurch vermögen sie den Endothelzellen entlang zu
Rollen. Die Fähigkeit von Viren, spezifische Zelltypen zu infizieren bedingt die Fähigkeit
dieser Viren, an bestimmte Strukturen oder Rezeptoren auf der Oberfläche der Zellen zu
binden. In einigen Fällen sind diese Rezeptoren Kohlenhydrate.