Kohlenhydrate
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Der Aufbau und die Vielfalt von Monosacchariden
Monosaccharide, oft einfach als Zucker bezeichnet, sind die Grundbausteine der Kohlenhydrate. Sie bestehen aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O), wobei das Muster Cn(H2O)n häufig vorkommt.
Stereochemie von Monosacchariden
Jedes Monosaccharid besitzt mindestens ein asymmetrisches Kohlenstoffatom (Chiralitätszentrum), außer Diydroxyaceton, was bedeutet, dass es Spiegelbildisomere (Enantiomere) gibt. Bei natürlichen Zuckern finden wir vorwiegend die D-Form, die durch die Position der OH-Gruppe am stereogenen Zentrum, das am weitesten von der Kettenende entfernt ist, in der Fischer-Projektion nach rechts definiert ist.
Das IMPP fragt besonders gerne nach der D- und L-Konfiguration von Zuckern in der Fischer-Projektion. Merkt euch: In der D-Form weist die OH-Gruppe am penultimativen C-Atom (vorletztes C-Atom der Kette) nach rechts!
Struktur von Glucose, Mannose, Galactose und Fructose
Diese Zucker sind die bekanntesten Monosaccharide:
- Glucose (D-Glucose) ist eine Aldohexose mit einer Aldehydgruppe und sechs Kohlenstoffatomen.
- Fructose (D-Fructose) ist eine Ketohexose mit einer Ketogruppe und ebenfalls sechs Kohlenstoffatomen.
- Mannose und Galactose sind Epimere der Glucose und unterscheiden sich lediglich in der Konfiguration an einem einzigen Chiralitätszentrum von Glucose.
Versteht die Strukturunterschiede zwischen diesen Zuckern und könnt sie in der Fischer-Projektion zeichnen – das IMPP legt darauf Wert!
Isomerie-Arten bei Monosacchariden
Es gibt verschiedene Arten der Isomerie:
- Konstitutionsisomere haben identische Summenformeln, zeigen jedoch unterschiedliche Verbindungsreihenfolgen der Atome.
- Stereoisomere umfassen Enantiomere, die spiegelbildliche Isomere sind, und Diastereomere, die Stereoisomere sind, die keine Spiegelbilder zueinander darstellen. Die für Monosaccharide relevante Gruppe der Diastereomere sind Epimere, die sich in der räumlichen Anordnung nur an einem Chiralitätszentrum unterscheiden.
Pyranosen und Furanosen
Monosaccharide können in Ringform existieren, die aus fünf (Furanosen) oder sechs (Pyranosen) Atomen bestehen. Die Ringbildung erfolgt durch eine Reaktion zwischen der Aldehyd- oder Ketogruppe und einer Hydroxygruppe des Zuckermoleküls. Dabei wird das erste Kohlenstoffatom des Zuckers, das sogenannte anomere Zentrum, gebildet.
Anomere
Anomere sind eine spezielle Art von Epimeren, die sich an diesem anomeren Zentrum unterscheiden. β-Glucose weist die OH-Gruppe am anomeren Zentrum in der gleichen Richtung recht wie die CH2OH-Gruppe auf, während bei α-Glucose die OH-Gruppe in die entgegengesetzte Richtung weist.
Die α-Form hat die OH-Gruppe unten (trans zur CH2OH-Gruppe), die β-Form hat die OH-Gruppe oben (cis zur CH2OH-Gruppe).
Mutarotation und anomere Effekte
Mutarotation ist die Änderung der optischen Drehung durch das Öffnen und Schließen des Rings, wobei die α- und β-anomeren Formen in der Lösung ineinander umgewandelt werden. Der anomere Effekt umschreibt das Phänomen, dass bestimmte Substituenten am anomeren Zentrum elektronische Effekte zeigen, die die Struktur und Reaktivität des Moleküls beeinflussen können. Lactose ist ein Beispiel für ein Disaccharid mit Mutarotation:
Fischer- und Haworth-Projektionen
Die Haworth-Projektion visualisiert Zucker in ihrer Ringform und ergänzt die zweidimensionalen Fischer-Projektionen um eine dreidimensionale Ansicht.
Beherrscht die Umsetzung von Fischer- in Haworth-Projektionen, da ihr oft gebeten werdet, Strukturen in der anderen Darstellungsform zu zeichnen.
Oxidationsprodukte
Kohlenhydrate können oxidiert werden und dadurch Zuckeralkohole (durch Reduktion der Aldehydgruppe) oder Zuckersäuren (durch Oxidation der endständigen primären Alkoholgruppe) bilden.
D-Gluconsäure ist eine Aldonsäure, entstanden durch Oxidation der terminalen Alkoholgruppe der Glucose. Das IMPP fragt oft nach solchen Strukturbeziehungen.
Bei diesen Themen solltet ihr euch nicht nur auf das Auswendiglernen verlassen, sondern auch versuchen, ein tieferes Verständnis für die Konzepte zu entwickeln, um dieses Wissen auf neue Probleme anwenden zu können.
Die Thematik der Disaccharide
Disaccharide sind Kohlenhydrate, die sich aus zwei Monosaccharid-Bausteinen zusammensetzen. Ein klassisches Beispiel für ein Disaccharid ist Maltose, bestehend aus zwei Glucosemolekülen, die über eine α-1,4-glykosidische Bindung verknüpft sind.
Reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide
Das IMPP fragt besonders gerne nach den reduzierenden und nicht-reduzierenden Eigenschaften von Disacchariden. Maltose ist ein reduzierender Zucker, was bedeutet, dass sie in der Lage ist, andere Substanzen zu reduzieren, da sie ein freies anomeres Kohlenstoffatom besitzt, das in die offenkettige Form übergehen kann. Saccharose hingegen ist ein nicht-reduzierendes Disaccharid, da es aus einer α-D-Glucopyranose und einer β-D-Fructofuranose über ihre jeweiligen anomeren Zentren verbunden ist. Hier kannst du dir merken, dass Saccharose sich gegenüber Fehling’scher Lösung inert verhält.
Glykosidische Bindungen
Ein zentraler Punkt deines Verständnisses sollte die glykosidische Bindung sein. Bei Lactose beispielsweise verbindet die β-1,4-glykosidische Bindung die D-Galactose und die D-Glucose. Hier erfolgt die Verbindung zwischen dem anomeren Kohlenstoff der Galactose und dem C-4 der Glucose.
Präge dir ein, dass die Position und Art der glykosidischen Bindung (α oder β) die Eigenschaften des Disaccharids wesentlich bestimmt und diese Bindungen oft prüfungsrelevant sind!
Tests für reduzierende Zucker
Die Fehling’sche Probe und die Osazonbildung sind spezifische Nachweise für reduzierende Zucker. Da Saccharose keine freie Aldehyd- oder Keto-Gruppe aufweist, bildet sie kein Osazon.
Saccharose zu Invertzucker
Die hydrolytische Spaltung von Saccharose durch Säuren oder Invertasen resultiert in einer Mischung aus Glucose und Fructose, die als Invertzucker bekannt ist. Diese Reaktion ist prüfungsrelevant, denn sie veranschaulicht, wie ein nicht-reduzierendes Disaccharid in seine reduzierenden Monosaccharid-Komponenten zerlegt wird.
Die Thematik der Polysaccharide
Polysaccharide sind lange Ketten von Monosacchariden, die über glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind. Hierbei gibt es wesentliche Merkmale, auf die das IMPP oft abzielt.
Lineare und verzweigte Polysaccharide
Amylose ist ein lineares Polysaccharid aus α-1,4-glykosidischen Bindungen zwischen Glucosemolekülen. Amylopektin besitzt die gleichen 1,4-Bindungen, hat aber zusätzlich 1,6-Verzweigungen.
Verzweigte und unverzweigte Ketten
Beim Lernen über Polysaccharide solltest du besonders gut verzweigte von unverzweigten Strukturen unterscheiden können. Das IMPP fragt hier gerne nach. Amylopektin und Glykogen sind verzweigte Polysaccharide, während Amylose und Cellulose unverzweigte Ketten aufweisen.
Bindungen bei Cellulose
Cellulose hingegen besteht aus β-1,4-glykosidisch gebundenen D-Glucosemolekülen. Im Unterschied zu Amylose und Amylopektin sind die Glucosemoleküle hier in einer β-Konfiguration verknüpft, was Cellulose besonders resistent gegenüber enzymatischem Abbau macht.
Identifizierbarkeit mittels Periodatspaltung
Die Periodatspaltung, ein wichtiges Analyseverfahren in der Zuckerchemie, ermöglicht die Identifikation spezifischer Strukturen innerhalb von Polysacchariden, indem sie die Vicinal-Diol-Strukturen zwischen den Monosaccharid-Einheiten spaltet.
Kenntnisse zur Identifizierbarkeit von Polysacchariden mittels chemischer Reaktionen wie der Periodatspaltung sind oft gefragt!
Vergleich von Disacchariden und Polysacchariden
Reduzierende Fähigkeiten
Es ist besonders wichtig, dass du die reduzierenden Fähigkeiten von Disacchariden und Polysacchariden verstanden hast. Lineare Polysaccharide mit einem freien anomeren Ende, wie die Amylose, zeigen reduzierende Eigenschaften, während Zweige in Amylopektin und Glykogen sowie Vollacetale wie in Saccharose dies verhindern.
Das IMPP schätzt Fragen zur Unterscheidung von Kohlenhydraten auf der Basis ihrer chemischen Reaktivität, wie reduzierende vs. nicht-reduzierende Zucker.
Zusammenfassung
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Footnotes
Credits Ribose Grafik: NEUROtiker, DL-Ribose, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
Credits Struktur der Lactose Grafik: NEUROtiker, Lactose Haworth, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
Credits Verschiedene Darstellungsformen der Saccharide Grafik: Yikrazuul, Alpha glucose views, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
Credits Struktur der Cellulose Grafik: NEUROtiker, Cellulose Sessel, als gemeinfrei gekennzeichnet, Details auf Wikimedia Commons↩︎
