Kohlenhydrate und ihre Funktionen

Kohlenhydrate und ihre Funktionen
Gliederung
• Monosaccharide
Aufbau
Nomenklatur
Stereoisomerie/Konfiguration
Zyklisierung
O-glykosidische Bindung
N-glykosidische Bindung
• Disaccharide
Kohlenhydrate im Überblick
• gehören zu den häufigsten organischen Verbindungen auf der
Erde.
• dienen als Energiespeicher (Stärke,Glykogen)
• Die Zucker Ribose und Desoxyribose sind Teile des
Grundgerüsts der DNA und RNA.
• Polysaccharide sind Strukturelemente in den Zellwänden von
Bakterien und Pflanzen und den Außenskeletten der
Anthropoden.
• Kohlenhydrate sind in vielen Strukturen mit Proteinen und
Lipiden verbunden.
• Kohlenhydrateinheiten spielen auf der Zelloberfläche eine
Schlüsselrolle bei der Zell-Zell-Erkennung.
Monosaccharide
•
•
•
•
einfachste Kohlenhydrate
Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehreren Hydroxylgruppen.
allgemeine Formel (CH2O)n
nach Anzahl der C-Atome spricht man von Triosen,Tetrosen,
Pentosen, Hexosen und Heptosen.
• Monosaccharide mit einer Aldehydgruppe nennt man Aldosen,
mit einer Ketogruppe Ketosen.
Stereoisomere I
• Monosaccharide mit asymmetrischen C-Atomen besitzen
Stereoisomere.
• z.B. Glycerinaldehyd hat ein asymmetrisches C-Atom
⇒ 2 Stereoisomere = Enantiomere (verhalten sich wie Bild und
Spiegelbild)
Konfiguration
• D und L beschreibt die absolute Konfiguration
• bei mehreren asymmetrischen Kohlenstoffatomen im Molekül
beziehen sich die Symbole auf das C-Atom, das am weitesten
von Aldehyd- oder Ketogruppe entfernt ist.
• Bezugssubstanz ist das Glycerinaldehyd.
Wichtige Hexosen
• D-Glucose
• gehört zur D-Reihe:
hat am C5 dieselbe
Konfiguration wie DGlycerinaldehyd.
• ist eine Aldose.
I
Wichtige Hexosen II
• D-Fructose
• gehört zur D-Reihe:
hat am C5-Atom dieselbe
Konfiguration wie das DGlycerinaldehyd.
• Ist eine Ketose.
Stereoisomere II
• hat ein Molekül n asymmetrische Zentren und keine
Symmetrieebene so gibt es: 2n stereoisomere Formen
• z.B. besitzen die Aldotetrosen (n=2) 4 Stereoisomere, von
denen zwei der D-Form entsprechen, die beiden Enantiomere
sind L-Zucker.
D-Reihe der Aldosen
D-Aldotetrosen
• D-Erythrose
• D-Threose
⇒gleiche Konfiguration am
C3-Atom: D-Reihe.
⇒entgegengesetzte
Konfiguration am C2-Atom:
keine Enantiomere, sondern
Diastereomere.
D-Aldohexosen I
• D-Glucose
• D-Mannose
⇒unterscheiden sich nur in
der Konfiguration am C2Atom: Epimere
D-Aldohexosen II
• D-Glucose
• D-Galactose
⇒unterscheiden sich nur in
der Konfiguration am C2Atom: Epimere
D-Reihe der Ketosen
• Dihydroxyaceton ist optisch inaktiv.
• D-Erythrylose ist die einzige D-Ketose mit 4
Kohlenstoffatomen.
⇒Ketosen besitzen ein asymmetrisches Zentrum weniger als
die Aldosen mit gleicher Anzahl von C-Atomen.
Pyranosen I
• Glucose liegt in Lösung nicht in Form offener Ketten vor.
⇒ Ringschluss
• Aldehydgruppe am C1-Atom reagiert mit der OH-Gruppe am C5Atom ⇒ Halbacetal
• wegen der Ähnlichkeit des Rings mit Pyran: Pyranose
Pyranosen II
• Durch Zyklisierung entsteht
zusätzliches
Asymmetriezentrum am C1Atom: anomeres C-Atom
⇒ es können 2 Ringformen
entstehen:
1. α-D-Glucopyranose:
OH-Gruppe am C1 steht
unterhalb der Ringebene.
2. β-D-Glucopyranose:
OH-Gruppe am C1 steht
oberhalb der Ringebene.
⇒ α- und β-Form sind
Anomere.
Pyranosen III
• α-D-Glucopyranose und β-D-Glucopyranose sind schnell
ineinander umwandelbar.
• über die offenkettige Form kommt es in Lösung zu einer
Gleichgewichtsmischung.
• Bei der Umwandlung ändert sich die optische Drehung:
Mutarotation.
• Gleichgewichtsmischung: 1/3 α-Anomer
2/3 β-Anomer
< 1% offenkettige Form.
Furanosen I
•
•
C2-Ketogruppe der Fructose reagiert mit der C5-Hydroxylgruppe
⇒ intramolekulares Halbketal.
Ähnlichkeit des Ringes mit Furan: Furanose
Furanosen II
•
α-und β- Stellung der Hydroxylgruppe wird am C2-Atom angegeben.
O-glykosidische Bindung I
•
erwärmt man Glucose in wasserfreiem Methanol mit HCL, reagiert das C1Atom mit der OH-Gruppe des Methanols.
⇒ Bindung zwischen C1-Atom der Glucose und OH-Gruppe des Methanols:
O-glykosidische Bindung.
•
Es bilden sich zwei verschiedene Acetale
O-glykosidische Bindung II
• Disaccharide entstehen formal durch Kondensation von zwei
Monosaccharidmolekülen, indem die reaktivere OH-Gruppe am
C1-Atom des ersten Moleküls mit der OH-Gruppe des zweiten
Moleküls reagiert.
• Man unterscheidet die so entstandenen glykosidischen
Bindungen voneinander :
⇒monoglykosidisch
⇒diglykosidisch
O-glykosidische Bindung III
•
•
z.B. Cellulose
D-Glucoseeinheiten sind
verknüpft über Oglykosidische Bindung: C1 des
einen Zuckers reagiert mit OAtom der OH-Gruppe an C4
des anderen Zuckers.
Bindung besitzt βKonfiguration: β- 1,4glykosidische Bindung.
N-glykosidische Bindung
• Anomeres C1-Atom eines Zuckers reagiert mit N-Atom eines
Amins.
Bsp.: Adenosin, Nucleotide, RNA und DNA
⇒ β- Konfiguration.
Häufige Disaccharide
• Disaccharide sind zwei Zuckermoleküle , o-glykosidisch
verknüpft.
• häufig vorkommende Disaccharide: Saccharose
Maltose
Lactose
Saccharose I
• Tafelzucker/ Rohrzucker
• gewonnen aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben.
• Aus Glucose- und Fructoseeinheit aufgebaut, die o-glykosidisch
verknüpft sind.
Saccharose II
• halbacetalische (ehem.
carbonylische) OH- Gruppe
reagiert mit halbketalischen
OH-Gruppe ⇒diglykosidisch.
⇒ hat reduzierenden
Eigenschaften verloren.
• Konfiguration der Bindung:
α für Glucose
β für Fructose
• Hydrolyse durch Saccharase.
Maltose I
•
•
•
•
Malzzucker
Aus zwei Glucoseeinheiten aufgebaut
α- 1,4- glykosidisch verknüpft.
Entsteht bei der Stärkehydrolyse, wird durch Maltase zu Glucose
hydrolysiert.
• Maltase, sowie Saccharase und Lactase befinden sich auf den
Mucosazellen des Dünndarms.
Maltose II
• Halbacetalisch ( ehem. carbonylische)OH-Gruppe reagiert mit
alkoholischer OH-Gruppe ⇒ monoglykosidisch.
⇒ hat reduzierende Eigenschaften.
Lactose
•
•
•
•
Milchzucker
Aus Galactose und Glucose aufgebaut
β- 1,4- glykosidisch
Spaltung:
- im menschlichen Organismus: Lactase
- in Bakterien: β- Galactosidase
Lactoseintoleranz
• Lactase fehlt
• Lactose reichert sich im Dünndarm an, es gibt keinen
Mechanismus zur Resorption →osmotische Wirkung →Einstrom
von Flüssigkeit ins Darmlumen →Durchfall, Krämpfe,
aufgetriebener Leib.
• autosomal rezessiv vererbt.
• Bei dem größten Teil der asiatischen Bevölkerung.
⇒ Lactase in Tablettenform; mit Lactase behandelte Milch.