Skript – Biochemische Grundlagen | Kohlenhydrate

Skript – Biochemische Grundlagen | Kohlenhydrate
Kohlenhydrate
Funktion der Kohlenhydrate
Draußen ist es sonnig und die Lufttemperatur beträgt 20°. Das perfekte Wetter um mal wieder
eine Runde joggen zu gehen. Joggingschuhe anziehen und schon kann es los gehen. Hoch
motiviert nimmst dir vor, heute 5 km zu laufen. Die ersten 3 km sind für dich kein Problem, doch
bei Kilometer 4 wird dir auf einmal ganz schwindelig und es wird für dich immer schwerer zu
laufen. Völlig erschöpft musst du anhalten.
Was ist denn jetzt los? Woher kommt dieser Leistungseinbruch?
Viele Ausdauersportler kennen dieses Phänomen, oftmals ist es auf einen akuten
Kohlehydratmangel zurückzuführen.
Kohlenhydrate? Was ist denn das und wofür werden sie benötigt?
Ein Synonym für das Wort Kohlenhydrate
Produkt
Kohlenhydratgehalt [g/100g]
ist der Begriff „Saccharide“. Saccharide
sind unsere täglichen Begleiter. Es sind
Reis
78
organische Verbindungen und gehören zu
Kartoffel
70
den wichtigsten Makronährstoffen für viele
Nudeln
30
Banane
22
Apfel
13
Naturjoghurt
4
Salat
2
Lebewesen. Oftmals enden Saccharide auf
die Endung -ose, wie z.B. Amylose,
Lactose oder Galactose. Saccharide sind
die wichtigsten Energielieferanten. Wird
beispielsweise Glucose verstoffwechselt,
entsteht die körpereigene Energiewährung
ATP. Genaueres hierzu findest du im Skript
”Stoffwechsel“.
Nichtverdauliche Kohlenhydrate wie
Cellulose heißen Ballaststoffe. Sie helfen unsere Darmtätigkeit zu regulieren. Alle süßlich
schmeckenden Saccharide, werden unter der Bezeichnung „Zucker“ zusammengefasst. Neben
den Zuckern gehören auch die Stärken zu den Sacchariden. In der nebenstehenden Tabelle
sind einige Lebensmittel mit ihrem durchschnittlichen Kohlehydrat aufgelistet.
Bausteine
Saccharide können detaillierter eingeteilt werden, denn nicht alle Kohlenhydrate sind gleich
aufgebaut. Man unterscheidet Einfachzucker (= Monosaccharide), Zweifachzucker (=
Disaccharide), Mehrfachzucker (= Oligosaccharide) und Vielfachzucker (= Polysaccharide).
Ihr Aufbau wird dabei immer komplexer, immer größere Moleküle entstehen. Abbildung 1 gibt dir
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einen Überblick über die Stoffklasse der Kohlenhydrate. Die einzelnen Stoffgruppen werden dir
dann genauer vorgestellt.
Abb. 1: Stoffklasse der Kohlenhydrate
Monosaccaride
Monosaccharide sind die Grundbausteine aller
Kohlenhydrate. Charakteristisch ist eine Kette aus
mindestens drei Kohlenstoffatomen, mindestens eine
Hydroxylgruppe (-OH) und eine Carbonylgruppe (-CO).
Unterscheiden lassen sich die Monosaccharide u.a. anhand
ihrer Anzahl an Kohlenstoffatomen. Triosen besitzen drei
Kohlenstoffatome, Tetrosen vier, Pentosen fünf und
Hexosen sechs Kohlenstoffatome. Disaccharide und
Abb. 2: Glucose ( -Glucopyranose)
Polysaccharide sind aus vielen Monosacchariden
zusammen gebaut. Das häufigste Monosaccharid ist die
Glucose (=Traubenzucker,
).
Abbildung 2 zeigt eine -Glucose in HaworthSchreibweise. Autotrophe Lebewesen wie Pflanzen
können Glucose selbst herstellen. Dies geschieht bei der
Dunkelreaktion, einem Teilschritt der Photsynthese
(weiteres siehe Skript "Photosynthese"). Heterotrophe
Organismen, zu denen auch der Mensch gehört, müssen
Glucose mit der Nahrung aufnehmen. Bei der Glycolyse,
Abb. 3: Fructose ( -D-Fructofuranose)
einem Teilschritt der Zellatmung, wird diese Glucose
verbraucht, wodurch letztlich ATP entsteht.
Glucose findet sich vor allem als Baustein von Stärke, aber auch in Milchzucker und Rohzucker.
Ein weiteres Monosaccharid ist Fructose (=Fruchtzucker). Auch ihre Summenformel lautet
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, allerdings sind die Atome anders angeordnet als bei der Glucose. Eine mögliche
chemischen Ausprägung siehst du in Abbildung 3. Fructose findet sich u.a. in Früchten, Honig
und ist Baustein von Rohzucker.
Disaccaride
Zwei Monosaccharide bilden zusammen ein
Disaccharid. Je nachdem welche zwei
Monosaccharide sich verbinden, entsteht ein
anderes Disaccharid. Ein Disaccharid das dir
Abb. 4: Saccharose
sicherlich gut bekannt ist, ist handelüblicher
weißer Haushaltszucker oder brauner
Rohrzucker. Hierbei handelt es sich um das gleiche Zuckermolekül. In der Fachsprache wird
dieser Zucker als Saccharose bezeichnet, sie hat die Summenformel
. Die
Bausteine der Saccharose sind die beiden Monosaccharide Glucose und Fructose.
Unser Haushaltszucker wird aus
verschiedenen Zuckerpflanzen
gewonnen. Zu diesen zählen Zuckerrüben
Beta vulgaris subsp. vulgaris und
Zuckerrohr Saccharum officinarum. Die
Farbe des Zucker ergibt sich übrigens aus
unterschiedlichen Herstellungsprozessen
der beiden Zuckerarten. Pflanzen
transportieren Saccharose von den
Blättern zu den Wurzeln, um sie dort in
Abb. 5: Verschiedene Zuckersorten
Quelle: wikipedia.org - Romain Behar, Beschriftung: BioLV
Form des Speicherstoffes Stärke
einzulagern.
Natürlich lassen sich noch weitere Zucker den Disacchriden zuordnen, beispielsweise Lactose
(= Milchzucker) oder Maltose (= Malzzucker). Lactose ist dabei aus den Monosaccariden
Galactose und Glucose zusammengesetzt, Maltose besteht aus zwei Glucose-Molekülen.
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Abb. 6: Zuckerrohr und Zuckerrübe
Quelle: wikipedia.org - Esskay und Markus Hagenlocher (CC BY-SA 3.0), Beschriftung: BioLV
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Oligosaccharide und Polysaccharide
Abb. 7: Amylose
Oligo- und Polysaccharide gehen fließend ineinander über. Allgemein werden alle Moleküle als
Oligosaccharide bezeichnet, die aus drei oder mehr Monosacchariden zusammengesetzt sind.
Polysaccharide bestehen aus sehr vielen Monossachariden und bilden riesige Makromoleküle.
Polysaccharide sind oftmals Speicherstoffe, die erst dann verstoffwechselt werden, wenn
Zuckernachschub verlangt wird.
Ein für Pflanzen essenzielles Polysaccharid,
das als Speicherstoff dient, ist die Stärke.
Hauptbestandteile der Stärke sind die
Polysaccharide Amylopektin und Amylose.
Beide Polysaccaride sind aus Glucose
aufgebaut. Die Stärkestruktur besteht zu
70-80% aus Amylopektin und zu 20-30% aus
Amylose.
Beispielsweise ist die Stärkespeicherung in den
Sprossknollen für die Kartoffelpflanze von
Abb. 8: Kartoffelknolle
Quelle: wikipedia.org - 3268zauber (CC BY-SA 3.0)
großer Bedeutung. Die Knollen dienen der
Pflanze als Überwinterungsorgan. Im Frühjahr
ist dadurch auch bereits genug Energie in Form von Stärke vorhanden, um neue Sprosse
auszubilden. Auch für die ungeschlechtliche (vegetative) Fortpflanzung der Kartoffelpflanze ist
die Stärkespeicherung wichtig. Hierbei entwickeln sich an der Knolle Knospen die junge Triebe,
die später Wurzeln und den Spross ausbilden. Die Stärke ist damit die "Startenergie" der neuen
Kartoffelpflanze.
Polysaccharide sind nicht nur "Energiespeicher", sie haben ein breit gefächertes
Aufgabengebiet. Sie sind bspw. Hauptbestandteile in Schleimstoffen oder erfüllen
Stützfunktionen. Ein Beispiel hierfür ist das Polysaccharid Cellulose, ein Bestandteil von
Zellwänden. Dieses Makromolekül kann aus bis zu 10.000 Glucoseeinheiten aufgebaut sein.
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Beispiel Glykogen
Das Makromolekül Glykogen lässt sich der
Stoffklasse Polysaccharide zuordnen. Es besteht aus
unzähligen Glucoseeinheiten und wird dann gebildet,
wenn dem Körper besonders viele Kohlenhydrate
zugeführt werden. Glykogen reichert sich in der Leber
und den Muskeln an, dort bilden sich sogenannten
Gykogenspeicher. Diese Speicher sind sehr wichtig
für den menschlichen Körper. Um den
Blutzuckerspiegel aufrecht zu halten wird das
Glykogen aus der Leber verwendet. Glykogen aus
Abb. 9: Lauftraining
Quelle: fotolia.com -Dudarev Mikhail
den Muskeln wird zur Herstellung von ATP, das bei
der Muskelkontraktion benötigt wird, genutzt.
Im Normalfall reicht das Glykogen aus den Glykogenspeichern einen Tag um unseren
Blutzuckerspiegel konstant zu halten und genügend ATP für die Muskeln zu produzieren. Dann
müssen wieder kohlehydrathaltige Nahrungsmittel aufgenommen werden, damit der
Blutzuckerspiegel auch weiterhin konstant gehalten werden kann. Treibt man Sport, leeren sich
die Glykogenspeicher aufgrund der erhöhten Muskelkontraktion schneller. Das Glykogen ist
nach ca. 90 Minuten verbraucht.
Beim Joggen musst du daher darauf achten, dass du dich nicht überanstrengst. Zu schnelles
Loslaufen bewirkt eine rasche Leerung der Glykogenspeicher. Auch solltest du nie hungrig ein
Lauftraining beginnen. Denn dabei kann es passieren, dass Glykogenreserven aus der Leber
genutzt werden, um Energie zu gewinnen. Der Blutzuckerspiegel sinkt daraufhin schnell,
Schwindel und Müdigkeit sind die Folge.
Um das zu vermeiden, ist es sinnvoll eine Kleinigkeit vor dem Joggen zu essen (z.B. eine
Banane). Dann kann sich genügend Glykogen in den Speichern anreichern kann. Nach dem
Sport sollten die Glykogenspeicher wieder aufgefüllt werden. Wahrscheinlich wurden diese Tipps
beim Eingangsbeispiel nicht beherzigt. Mit neuem Wissen und Motivation kann das Lauftraining
weiter gehen. Also: Laufschuhe an und nichts wie raus!
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