Teil 7: Kohlenhydrate

Question 1

Nenne die allgemeine Summenformel von einfachen Kohlenhydraten!

Answer 1

• Cn * (H2O)n
• => C, H und O im Verhältnis 1:2:1

Question 2

Welche Funktionen erfüllen Kohlenhydrate?

Answer 2

• Energiespeicher und Brennstoff zur Energiegewinnung im Stoffwechsel
• Liefern die Bausteine für das Rückgrat der DNA und RNA
• Sind strukturelle Hauptbestandteile der Zellwand von Pflanzen, Pilzen
  und Bakterien sowie des Exoskeletts von Insekten
• Extrazelluläre Matrix höherer Eukaryoten: reich an sezernierten
  Kohlenhydraten
• An Proteine und Lipide verknüpft agieren sie als Erkennungsstellen an der Oberfläche von Zellen für Zell-Zell Interaktionen
• Immunantwort
• Schutz vor hoher Belastung (z.B. Knorpel)

Question 3

Wie werden Kohlenhydrate eingeteilt?

Answer 3

• Nach Zahl an Untereinheiten
• Monosaccharide: nicht weiter in kleinere Einheiten hydrolysierbar
• Oligosaccharide: aus 2 (Disaccharide) bis 9 einfache Zucker
• Polysaccharide (Glycane): hochpolymer (meist 80 - 100 glykosidisch miteinander verbundene Einheiten; Zellulose bis 3000!)

Question 4

Wie können Monosaccharide chemisch eingeteilt werden?

Answer 4

• in Aldosen (Monosaccharide mit einer Aldehydgruppe)
• in Ketosen (Monosaccahride mit Ketogruppe)
• sind Konstitutions- bzw. Strukturisomere

Question 5

Nenne die wichtigsten Vertreter der Monosaccharide und was haben sie gemeinsam!

Answer 5

• Glucose
• Galactose
• Fructose
• Gemeinsamkeit: C6H12O6

Question 6

Beschreibe Glucose und nenne ihre Synonyme und Vorkommen!

Answer 6

• Summenformel C6H12O6
• Aldohexosen
• Synonyme: Traubenzucker bzw. Dextrose (da in Natur nur rechtsdrehende Form (D-(+)-Glucose); lat. dextro = rechts)
• Häufigste Monosaccharid in der Natur
• Monomer-Baustein in Polysacchariden wie Zellulose, Stärke, Glycogen
• Vorkommen: in Früchten, Gemüse, Pflanzensaft und Bienenhonig; verknüpft mit Fructose: im Disaccharid Saccharose (Tafelzucker)
• Dient als Hauptnährstoff für das Hirn –> Blutzuckerspiegel streng reguliert (wenn zu sehr schwankt –> Schwindel, Verwirrtheit)

Question 7

Beschreibe Galactose und nenne ihre Synonyme und Vorkommen!

Answer 7

• Ist Bestandteil des Disaccharids Lactose, des Trisaccharids Raffinose sowie verschiedener Polysaccharide (Pektine der pflanzlichen Zellwand, Agar und Agarose aus Meeralgen)
• Summenformel C6H12O&
• Aldohexosen
• Unterscheidet sich von der Glucose in der Konfiguration am C-4 Atom
• In Zellmembranen - vor allem in Glycolipiden von Nerven
• In einer schweren Form von Galactosämie (erbliche Erkrankung im Galactose-Stoffwechsel), kommt es zu intrazellulärer Akkumulation von Galactose-1-Phosphat

Question 8

Beschreibe Fructose und nenne ihre Synonyme und Vorkommen!

Answer 8

• Ketohexose (im Gegensatz zu Glucose und Galactose)
• Synonyme: Fruchtzucker, Levulose oder Lävulose (da Fructose optisch linksdrehend ist; lat. laevus = links)
• Entsteht bei Hydrolyse von Saccharose; Bestandteil des Pflanzensafts und Honigs
• Das am süßesten schmeckende aller Kohlenhydrate
• Wird im Körper zur Energiegewinnung zu Glucose umgewandelt (isomerisiert)
• Vorkommen in Samenflüssigkeit als präferentielle Energiequelle

Question 9

Was ist die Formel für die Zahl möglicher Stereoisomere? Formel für Zahl der Stereoisomere für Almosen und Ketosen

Answer 9

• 2^n
• n = Zahl chiraler C-Atome
• Aldosen: 2^(C-2)
• Ketosen: 2^(C-3)

Question 10

Was bestimmt die D-Konfiguration eines Kohlenhydrats?

Answer 10

• D-Konfiguration ergibt sich aus der Orientierung der OH-Gruppe, die sich am asymmetrischen C-Atom befindet, welches am Weitesten von der Carbonylgruppe ist.

Question 11

Welche 4 Typen Stereoisomere kommen bei Monosacchariden vor?

Answer 11

• Enantiomere
• Diastereomere
• Epimere
• Anomere

Question 12

Was sind Enantiomere?

Answer 12

• Stereoisomere, die nicht zur Deckung gebracht werden können
• Verhalten sich zueinander wie Bild und Spiegelbild
• Unterscheiden sich nicht in ihren skalaren Eigenschaften
  (Schmelz- und Siedepunkt, Brechungsindex, Spektren, Reaktionen mit achiralen Substanzen)
• Drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht im gleichen Ausmaß, aber in entgegengesetzte Richtung

Question 13

Was sind Diastereomere?

Answer 13

• Stereoisomerenpaare mit mehreren chiralen Zentren, die insgesamt KEINE Spiegelbildbeziehung zeigen (d.h. KEINE Enantiomere sind)
• Bei Diastereomeren unterscheidet sich die räumliche Anordnung bei wenigstens einem Stereozentrum, aber nicht bei allen
• Nur möglich, wenn im Molekül multiple asymmetrische Kohlenstoffatome vorliegen
• Diastereomere unterscheiden sich in physikalischen und chemischen Eigenschaften

Question 14

Was sind Epimere? Nenne ein BSP!

Answer 14

• Sonderfall der Diastereomere
• Stereoisomere mit mehr als einem asymmetrischen Zentrum, Unterschied nur in
  der Konfiguration an EINEM asymmetrischen C-Atom
• D-Mannose und D-Glucose sind Epimere
  *D-Galactose und D-Glucose sind Epimere

Question 15

Was sind Anomere?

Answer 15

• Anomere unterscheiden sich in der Konfiguration am “obersten” chiral substituierten Kohlenstoffatom
• Sind Stereoisomere, die sich wie Epimere nur in der Konfiguration an einem chiralen C-Atom (dem anomeren C) unterscheiden; spezielle Klasse von Diastereomeren!
• Haben unterschiedliche spezifische optische Drehung, Schmelzpunkt, Löslichkeit etc.

Question 16

Was versteht man unter Mutarotation? Warum geschieht das bei Monosacchariden? Womit kann die Mutarotation gemessen werden?

Answer 16

• Mutarotation = Graduelle Änderung der optischen Drehung einer frisch zubereiteten Lösung eines reinen Anomers zu einem konstanten Wert
• Es entsteht ein Gleichgewicht, das sich in wässriger Lösung ausgehend von rein anomerer Form über die offenkettige Aldehyd- bzw. Ketoform mit der Zeit zwischen den ⍺- und β-Anomeren einstellt
• Umwandlung zwischen beiden Anomeren kann im Polarimeter gemessen werden

Question 17

Welche Produkte können bei der Oxidation von Monosacchariden entstehen? Welche Oxidationsmittel werden verwendet? Welches C reagiert?

Answer 17

• Oxidation von Aldosen zu Aldonsäuren (-onsäuren)
• Oxidation von Aldosen in C-1 Position durch Oxidationsmittel wie Ag+, Cu2+
• Unterscheidung von reduzierenden (nicht oxidierte, normale Aldose) und nicht reduzierenden (oxidierte Aldose, Aldonsäure) Zuckern
• Oxidation von Monosacchariden zu Uronsäure
• Durch Oxidation des primären OH am letzten (höchstnummerierten) C-Atom einfacher Monosaccharide

Question 18

Welche Konformationen nehmen Pyranose- und Furanoseringe (bevorzugt) ein?

Answer 18

• Pyranose nicht planar: Sessel- oder Wannenform. Aufgrund der geringeren sterischen Hinderung der axialen Substituenten (wenn auf der gleichen Seite des Rings) in der Sesselform, wird Sesselform bevorzugt
• Furanose nicht planar:
  Briefumschlag (envelope) Konformation

Question 19

Wie kommt es zur Ausbildung von N-glykosidischen Bindungen und von O-glykosidischen Bindungen?

Answer 19

• Entstehen durch Reaktion zwischen glycosidischer OH-Gruppe eines Zuckermoleküls und der Amino (–NH2) Gruppe von beliebigem anderem Molekül
• neu gebildete Bindung ist zwischen anomerem C und N
• Beispiele: Nucleoside, Nucleotide
• Entstehen durch Reaktion zwischen dem glycosidischen –OH eines Zuckermoleküls und dem –OH eines beliebigen anderen Moleküls (Zucker, Alkohol, Phenol)
• neu gebildete Bindung zwischen anomeren C und O

Question 20

Wie können Monosaccharide verknüpft werden?

Answer 20

• über O-glykosidische Bindungen zu Oligosaccharide

Question 21

Wie sind Kohlenhydrate polar?

Answer 21

• sie haben ein reduzierendes und ein nicht reduzierendes Ende
• reduzierendes Ende: offenkettige Form ist möglich –> daher freies anomeres C mit reduzierender Aktivität
• Nicht reduzierendes Ende: offenkettige Form kann nicht eingenommen werden, da C-1 mit anderem Molekül verknüpft istN

Question 22

Wie sind Disaccharide verknüpft? Nenne die häufigsten Disaccharide und deren Eigenschaften!

Answer 22

• über O-glykosidische Bindungen
• Saccharose: Rohrzucker = gewöhnlicher Haushaltszucker, Glucose mit Fructose ⍺-1,2-glykosidisch verknüpft, nur in Pflanzen gebildet
• Lactose: Milchzucker; Galactose mit Glucose β-1,4-glykosidisch verbunden; im Menschen durch Lactase, in Bakterien durch β-Galactosidase gespalten
• Maltose: 2 Glucosen durch α-1,4-glykosidische Bindung verknüpft; durch
  Maltase zu Glucose hydrolisiert; entsteht durch Hydrolyse von polymeren Oligosacchariden (Stärke, Glykogen)

Question 23

Was sind Glycane und wie werden sie eingeteilt? Nenne jeweils 2 Beispiele!

Answer 23

• Glycane = Polysaccharid
• Homoglycane: wird nur durch eine Art von Monosaccharid gebildet
• Energiespeicherstoffe wie Stärke und Glycogen
• Strukturgebende Moleküle wie Zellulose und Chitin
• Heteroglycane: Polymere, welche durch zwei oder mehr unterschiedliche Monosaccharide gebildet werden, Häufig zwei verschiedene, alternierende Monosaccharide –> daher polymeres Disaccharid
• Hyaluronsäure und Heparin

Question 24

Woraus bestehen Stärke und Glycogen? Wie bringt ihre Struktur einen Vorteil für biologische Prozesse?

Answer 24

• Stärke und Glycogen sind Homoglycane –> bestehen aus Glucose-Einheiten
• Stärke aus Amylose und Amylopectin (verzweigtes Polymer)
• Glycogen ist verzweigter als Stärke
• Vielfache Verzweigung erleichtert raschen enzymatischen Ab- sowie Aufbau, welcher jeweils an den nichtreduzierenden Enden erfolgt

Question 25

Vergleiche Zellulose und Stärke bzw. Glykogen

Answer 25

• Zellulose - strukturgebend; Stärke, Glokogen –> Energiespeicherstoffe
• Zellulose - β-1,4-glycosidische Bindung,; Stärke, Glycogen - ⍺-1,4-glycosidische Bindung
• Zellulose - linear, unverweilt
• Stärke, Glycogen - stark verzweigt
• Stärke - helikale Verdrillung der Ketten in linksgängige Helix
• Zellulose: Durch Absättigung der H-Brücken innerhalb und zwischen Ketten ist Cellulose schlecht wasserlöslich, Polymere Ketten sind Seite an Seite angeordnet; ebenfalls über H-Brücken verbunden
• Stärke: H-Brücken intern nicht albgesättigt - wasserlöslich

Question 26

Was sind Glykoproteine? Nenne die Klassen und was sie charakterisieren

Answer 26

• Glykoproteine sind Proteine, an die Kohlenhydrate kovalent gebunden sind
• Glykoproteine: Protein ist größter Anteil
• Proteoglykane: Anteil an Kohlenhydraten ist größer als an Protein, Proteinanteil an Glycosaminoglykane gebunden
• Mucine: Anteil an Kohlenhydraten ist größer als an Protein, Kohlenhydrateinheit: meist N-Acetylgalactosamin

Question 27

Woran binden Kohlenhydrate an Proteine? Welche Art von Bindung liegt vor? Wo findet die jeweilige Glykosylierung statt?

Answer 27

• N-Glykosylierung: Kohlenhydrat an Amidgruppe in Seitenkette des Asparagins (N-glykosidisch), wenn dieser Teil der Sequenz Asn-X-Ser/Thr darstellt (X = beliebige AS außer Prolin), beginnt im ER + Fortführung im Golgi
• O-Glykosilierung: Kohlenhydrat gebunden an O-Atom in Seitenkette von Threonin und Seren (O-glykosidisch), nur im Golgi