Kohlenhydrate

Kohlenhydrate Teil 1 – Aufbau

In Teil 1 der Kohlenhydrate widmen wir uns zunächst intensiv deren Aufbau. Interessanterweise ist dieser wesentlich komplexer als die zugehörigen (zentralen) biochemischen Mechanismen. Zum Verstehen der kommenden Zeilen setze ich Grundkenntnisse der Chemie voraus.

Kohlenhydrate sind, chemisch betrachtet, Polyhydroxyaldehyde bzw. -ketone und werden grob unterteilt in Mono-, Di- und Polysaccharide.

Monosaccharide werden weiters unterteilt in der Anzahl ihrer C-Atome, für die Ernährung interessant sind aber vor allem die Hexosen (6 C-Atome), wie etwa Glucose, Fructose, Galactose und Mannose, sowie die Pentosen wie etwa die Xylose und Arabinose.

Die Disaccharide bestehen aus den Monosacchariden hier ein paar wichtige Vertreter:

Saccharose, bestehend aus Glucose und Fructose

Maltose, bestehend aus Glucose und Glucose

Lactose, bestehend aus Galactose und Glucose

Die Polysaccharide bestehen wiederum – wie der Name schon sagt aus vielen verschiedenen Monosacchariden – sie werden deshalb unter anderen Kriterien eingeteilt:

Art der Monosaccharide (Glucane, Fructane …)

Position der Glycosidbindung (1,2; 1,4; 1,6)

Bindungskonfiguration ( Alpha oder Beta)

Linear oder Verzweigt

Acetylierung oder Methylierung der Monosaccharide

kristallin oder amorph

Soviel zu den ersten paar Powerpointfolien in der Vorlesung Makronährstoffe. Um Kohlenhydrate besser verstehen zu können, müssen wir uns aber zunächst genauer mit ihrer chemischen Natur und ihrem Aufbau beschäftigen.

Aufbau:

Monosaccharide:

Neben der Anzahl der C-Atome gibt es noch einige Unterscheidungsmerkmale bei den Monosacchariden. Gerade diese sind notwendig, da viele Monosaccharide isomer sind ( also dieselbe Summenformel besitzen) und sie sonst nicht voneinander zu unterscheiden sind. Hier die wichtigsten Merkmale:

Aldosen und Ketosen:

Wie Anfangs schon erwähnt sind Kohlenhydrate Polyhydroxyaldehyde bzw. -ketone. Was das ist, wird am Besten in der Fischer-Projektion veranschaulicht. Hierzu ein Bild (Quelle: http://www.mikeblaber.org/oldwine/BCH4053/Lecture12/Lecture12.htm am 12.4.2012 um 11:38 – übrigens ist hier das Thema ganz gut auf Englisch nachzulesen – weshalb ich diese Seite nun auch als Quelle für den Text angebe )

Hier wird schön ersichtlich, dass Aldosen am primären C-Atom eine Doppelbindung mit dem Sauerstoff besitzt und dabei noch ein Wasserstoffatom bindet.

Die Ketosen hingegen weisen eine Doppelbindung des Sauerstoffes am sekundären C-Atom auf. Das primäre C-Atom der Ketone bindet eine Hydroxygruppe und 2 Wasserstoffatome.

Gerade der doppelt gebundene Sauerstoff wird uns noch weiter beschäftigen. Doch zunächst noch zur

D- oder L- Konfiguration

Sieht man sich zwei Monosaccharide an ,so stellt man fest, dass sie sich meist nur durch die Stellung der Hydroxygruppen unterscheiden. Eine allerdings bleibt dabei immer gleich. Nämlich die von unten gezählt Erste. Sobald ein Monosaccharid diese Hydroxygruppe auf der rechten Seite trägt, hat es eine D-Konfiguration. Ist sie auf der linken Seite, so ist es L-konfiguriert. Die Natur macht es sich dabei recht einfach und belässt die -OH Gruppe immer auf der rechten Seite.

Ringschließung

Aufgrund dessen, dass Kohlenhydrate jede Menge Alkoholgruppen tragen ( die oben schon erwähnten Hydroxygruppen) neigen sie zur Ringschließung. Das heißt, eine der Alkoholgruppen, zumeist die Vorletzte, geht eine Verbindung mit dem doppelt gebunden Sauerstoff ein:

Die Doppelbindung löst sich und bildet mit dem Wasserstoff der Hydroxygruppe eine neue Hydroxygruppe

Der Sauerstoff der vorherigen Hydroxygruppe bindet am C-Atom und schließt somit den Ring

die passiert von ganz alleine und man darf annehmen, dass ein Großteil der Kohlenhydrate in dieser Form vorkomme.

Furanoside Form und pyranoside Form

Da die Natur sich aber nie mit einfachen Dingen zufrieden gibt, und die Wissenschaft das noch dazu mit tollen Bezeichnungen begrüßt ergeben sich aus der Ringschließung zwei Arten von Ringen: die Pyranoside Form und die Furanoside Form. Erstere besteht aus 6 Ecken ( mit 5 C-Atomen und einem Sauerstoffatom) und letztere aus fünf Ecken ( mit 4 C-Atomen und einem Sauerstoffatom).

Die Namen kommen aber nicht von irgendwoher: Pyran und Furan sind cyclische Kohlenwasserstoffe die jeweils aus 6 bzw 5 C-Atomen bestehen.

Alpha und Beta-Konformation

Zudem gibt es dann noch die Alpha und Beta Form – dies resultiert daraus, dass sich die bei der Ringschließung neu entstandene Hydroxygruppe entweder unterhalb (Alpha) oder oberhalb (Beta) der Ringebene befinden kann.

Sessel- und Bootsform ( kleiner Auszug aus der Stereochemie)

Natürlich war dies noch nicht alles: Die „Ringe“ können auch noch unterschiedliche Formen vorweisen. Genauer gesagt 3: 2mal die Sesselform und 1 mal die Bootsform.

Um sich darunter mehr vorstellen zu können nehme man ein Sechseck. Wenn man nun 1 der Ecken „runterklappt“ und die andere rauf entsteht eine Form die vage aussieht wie ein Sessel, natürlich geht dies auch umgekehrt ( 2te Sesselform) oder aber beide Ecken werden in dieselbe Richtung geklappt → Bootsform

Damit man sich auch nun etwas darunter vorstellen kann, hier alle Monosaccharide: (Quelle: http://www.chemieseite.de/organisch/node105.php am 23.4.2012 15:57 )

Aldosen: 

Ketosen:

Die Vertreter , die einem am Häufigsten unterkommen wären bei den Aldosen Glycerinaldehyd (als Abbauprodukt), Ribose, Glucose, Mannose und Galactose und bei den Ketosen die Ribulose und Fructose.

Bindung 2er Monosaccharide – Disaccharid-Bindung

Zählt man nun in der Ringform vom Sauerstoffatom rechts beginnend die C-Atome durch, kann man diesen Zahlen zuweisen. Diese sind wichtig um die Bindung der Disaccharide zu verstehen. Denn eine Beta 1-4 Bindung bedeutet nur, dass Kohlenhydrat a eine primäre Hydroxygruppe am C 1 Atom in Beta-Konformation aufweist die eine Esterbindung mit der Hydroxygruppe am 4ten C-Atom des Kohlenhydrates b eingeht. Und somit ist ist ein Disaccharid entstanden.

Polysaccharide

sind im Endeffekt nur die Fortsetzung dieses Mechanismus nur dass eben viele Monosaccharide beteiligt sind. Sie sind nur zum Teil im menschlichen Organismus verdaulich. Der größte Anteil davon ist aber unverdaulich wobei wiederum nur ein Teil davon ist in Wasser löslich ist. Wenn Polysaccharide unverdaulich sind spricht man auch von Ballaststoffen, die trotz alledem eine wichtige Rolle in unserer Ernährung spielen.

Das Polysaccharid, welches für uns noch gerade so verdaulich ist, ist die Stärke.

Eigenschaften der Kohlenhydrate:

Je niedermolekulare die Kohlenhydrat sie sind desto mehr schmecken sie süß und sind Wasserlöslich – je höher-molekularer sie sind desto mehr verlieren sie jedoch diese Eigenschaften und nehmen andere an ( Ballaststoffe)

Die wohl wichtigste Eigenschaften der niedermolekularen Kohlenhydrate ist aber, dass sie schnell Energie verfügbar machen. Dies geht sogar soweit, dass sich das Gehirn sogar nur ausschließlich vom Monosaccharid Glucose ernährt ( im Hungerzustand greift es auf eigens im Körper gebildete Ketonkörper zurück – eine nähere Erklärung hier würde aber zu weit führen). Wer jetzt aufgepasst hat wird sich wundern: in Teil 3 der Fette erwähnte ich noch, dass das Gehirn einen eigenen intensiven Fettstoffwechsel besitzt – und nun behaupte ich, dass sich es nur rein von Glucose ernährt. Was denn nun? Nun, Stoffwechsel bedeutet nicht gleich Abbau zur Energiegewinnung, sondern auch Aufbau.

Im nächsten Teil der Kohlenhydrate werde ich näher auf die Verdauung und die Glykolyse sowie Gluconeogenese eingehen.