Kohlenhydrate

mini|Anordnung der Glucoseeinheiten in Cellulose

Kohlenhydrate bilden neben Proteinen und Lipiden in Bezug auf die Biomasse eine der drei bedeutsamsten Stoffklassen: Kohlenhydrate kommen im Stoffwechsel aller Lebewesen vor. Als Produkt der Photosynthese machen Kohlenhydrate etwa zwei Drittel der weltweiten Biomasse aus.Frieder W. Lichtenthaler: Carbohydrates, in: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 7. Auflage, Wiley-VCH, Weinheim 2011, ISBN 978-3-527-32943-4. Kohlenhydrate sind die am häufigsten vorkommende Klasse von Biomolekülen.Donald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry. 4th Edition. John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0-470-57095-1, S. 359. Die Wissenschaft, die sich mit der Biologie der Kohlenhydrate und dem Kohlenhydratstoffwechsel beschäftigt, heißt Glycobiologie. Kohlenhydrate werden mit dem Suffix „-ose“ gekennzeichnet, z. B. die Polysaccharide Cellulose, Amylose, die Oligosaccharide Raffinose oder Stachyose, Disaccharide wie Saccharose oder Lactose und Monosaccharide wie Glucose und Fructose.

Etymologie Kohlenhydrate sind keine Hydrate. Da viele Saccharide die Bruttoformel Cn(H2O)m aufweisen, wurde fälschlicherweise angenommen, es wären Hydrate des Kohlenstoffs. Carl Schmidt prägte deshalb 1844 den Begriff "Kohlehydrate";Christian Schmidt: Ueber Pflanzenschleim und Bassorin. In: Justus Liebigs Annalen der Chemie. 1844, Band 51, Nummer 1, S. 29–62, doi:10.1002/jlac.18440510103, S. 30. er wird bis heute als Kohlenhydrate in abgewandelter Form verwendet. Vertreter dieser Stoffklasse können allerdings erheblich von dieser Bruttoformel abweichen und weitere funktionelle Gruppen und Heteroatome wie Stickstoff oder Schwefel enthalten, während andere Verbindungen derselben Formel nicht zu den Kohlenhydraten gehören, da sie keine Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone sind. Allgemein liegen Kohlenhydrate vor, wenn in einem Stoff mindestens eine Aldehydgruppe bzw. Ketogruppe und mindestens zwei Hydroxygruppen zu finden sind.

Für unverzweigte Polysaccharide, die aus demselben Monosaccharid mit der Summenformel C6H12O6 (Glucose, Fructose, Galactose etc.) aufgebaut sind, gilt die Formel:

Die Bezeichnung Saccharid stammt vom griechischen Wort σάκχαρον (sákkharon) für Zucker.

Geschichte mini|Jacob Volhard, Wilhelm Koenigs, Adolf Baeyer und Emil Fischer mit Arbeitsgruppe im Labor der LMU im Jahr 1877

Bereits im Jahr 1811 machte Constantin Kirchhoff die Entdeckung, dass sich beim Kochen von Stärkemehl mit Säure Traubenzucker bildet.Schweigers Journal für Chemie und Physik. 14, 389, 1814. Auf Anregung von Johann Wolfgang Döbereiner wurde 1812 während der Kontinentalsperre eine Stärkezuckerfabrik errichtet. Henri Braconnot entdeckte 1819, dass durch Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Cellulose Zucker entsteht.Annales de chimie et des physique (2) 12, 172, 1819. William Prout gab nach chemischen Analysen des Zuckers, der Stärke durch Joseph Louis Gay-Lussac und Thénard dieser Stoffgruppe den Gruppennamen Sacharine.Phil. Tr. 1827, 355. Chemiker, die bei der Erforschung der Kohlenhydrate mitgewirkt haben, sind unter anderem Emil Fischer (1852–1919), Burckhardt Helferich (1887–1982), Bernhard Tollens (1841–1918), Walter Norman Haworth (1883–1950) und Wilhelm Koenigs (1851–1906) mit seinem Mitarbeiter Eduard Knorr (1867–1926) (Koenigs-Knorr-Methode).

Emil Fischer erhielt 1902 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zu Zuckern und Purinen. Für die Entdeckung des Stoffwechsels der Glucose erhielt Otto Meyerhof 1922 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Hans von Euler-Chelpin erhielt zusammen mit Arthur Harden im Jahr 1929 den Nobelpreis für Chemie „für ihre Forschung über die Zuckervergärung und deren Anteil der Enzyme an diesem Vorgang“. Im Jahr 1947 erhielten sowohl Bernardo Houssay für seine Entdeckung der Rolle der Hypophyse im Stoffwechsel von Kohlenhydraten als auch Carl und Gerty Cori für ihre Entdeckung der Umwandlung des Glycogens den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Für die Entdeckung der Zucker-Nukleotide bei der Biosynthese von Kohlenhydraten erhielt Luis Leloir im Jahr 1970 den Nobelpreis für Chemie.

Eigenschaften mini|150px|Ausschnitt aus einem Amylopektinpolymer, dem Hauptbestandteil der Stärke. Die Glucopyranose-Einheiten der Hauptkette sind α-1,4-glycosidisch miteinander verbunden. Etwa alle 25 Monomere erfolgt eine α-1,6-glycosidische Verzweigung.

Ein Kohlenhydrat besitzt die allgemeine Summenformel CnH2nOn mit n ≥ 3. Alternativ können Kohlenhydrate definiert werden als Polyhydroxyaldehyde und -ketone und Moleküle, die nach Hydrolyse solche ergeben – allerdings werden auch deren Abkömmlinge wie Desoxyribose als Kohlenhydrate bezeichnet, welche eine andere Summenformel aufweisen.U. Satyanarayana: Biochemistry. Elsevier Health Sciences, 2014, ISBN 978-81-312-3713-7, S. 9.

Die IUPAC definiert Kohlenhydrate einschließlich der Zuckeralkohole, Zuckersäuren, Desoxyzucker, Aminozucker, Thiozucker und ähnlicher Verbindungen.IUPAC:

Systematik mini|Aldosen

Kohlenhydrate kommen in unterschiedlicher Kettenlänge (auch als Polymere) vor und werden daher in Mono-, Di-, Tri-, Oligo- und Polysaccharide unterteilt. Die Monosaccharide (Einfachzucker, z. B. Traubenzucker, Fruchtzucker), Disaccharide (Zweifachzucker, z. B. Kristallzucker, Milchzucker, Malzzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker, mit < 10 Monosaccharideinheiten,H.-D. Belitz, W. Grosch, P. Schieberle: Food Chemistry. Springer Science & Business Media, 2009, ISBN 978-3-540-69933-0, S. 248, 262. z. B. Stachyose, Raffinose) sind wasserlöslich, haben einen süßen Geschmack und werden im engeren Sinne als Zucker bezeichnet. Die Polysaccharide (Vielfachzucker, z. B. Stärke (Amylose und Amylopektin), Cellulose, Chitin und in Tieren Glycogen) sind hingegen oftmals schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral., Seiten 1606–1612. Monosaccharide mit drei C-Atomen werden als Triose bezeichnet, mit vier C-Atomen als Tetrose, mit fünf C-Atomen als Pentose, mit sechs C-Atomen als Hexose usw. Polymere von Kohlenhydraten mit nur einem Grundbaustein (genauer: mit nur einem Typ Monosaccharid) werden als Homoglykane bezeichnet, während polymere Kohlenhydrate aus verschiedenen Grundbausteinen als Heteroglykane bezeichnet werden.

Bei den Triosen existieren zwei mögliche Strukturen, da ein Kohlenhydrat immer eine Aldehyd- oder eine Ketogruppe aufweist, jeweils in einer D- und einer L-Form: das Glycerinaldehyd (als Aldotriose) und das Dihydroxyaceton (als Triulose).Steve W. Cui: Food Carbohydrates. CRC Press, 2005, ISBN 0-203-48528-9, S. 6, 7. ttngmai.files.wordpress.com (PDF; 9,4 MB). Die Tetrosen besitzen drei Vertreter: als Aldotetrosen die Erythrose und die Threose, als Tetrulose die Erythrulose. Bei den Pentosen gibt es als Aldopentosen die Ribose, Arabinose, Xylose und Lyxose und als Pentulosen die Ribulose und die Xylulose. Die Aldohexosen (also Kohlenhydrate mit 6 C-Atomen und einer Aldehydgruppe) werden in acht mögliche Vertreter unterteilt. Diese sind, nach der Fischer-Nomenklatur sortiert: Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose und Talose. Ein verbreiteter Merksatz für die acht Aldohexosen lautet: "Alle alten Glucken möchten gern im Garten tanzen." Die vier möglichen Hexulosen (also Kohlenhydrate mit 6 C-Atomen und einer Ketogruppe) sind, nach der Fischer-Nomenklatur sortiert: Psicose, Fructose, Sorbose und Tagatose. Der Merksatz hierzu lautet: „Psychiater frustrieren sogar Talente!“

Die Namen der Zuckeralkohole leiten sich vom zugehörigen Saccharid ab: Mannose-Mannit, Sorbose-Sorbit.

Vorkommen Kohlenhydrate kommen in allen Lebewesen vor und sind ein zentraler Bestandteil des Energiestoffwechsels. Monosaccharide sind in der Natur in höheren Konzentrationen in Früchten und in Honig zu finden.B. Sivasankar: Food Processing and Preservation. PHI Learning Pvt., 2002, ISBN 81-203-2086-7, S. 23. Unter den Disacchariden kommt Saccharose in Zuckerrüben und Zuckerrohr vor. Das Disaccharid Lactose kommt in Milch und Milchprodukten vor, während die Maltose natürlich in Honig, beim Stärkeabbau durch Speichelamylase sowie künstlich in Malz und Stärkezucker vorkommt. Die Raffinose und die Stachyose sind in vergleichsweise höheren Konzentrationen in Getreide, in Knollen, in Zwiebeln und in Malz vertreten. Stärke und Dextrine werden gehäuft von Getreiden, Wurzeln, Knollen und Gemüsen gebildet. Cellulosen, Hemicellulosen werden von allen Pflanzen gebildet. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biomolekül.Kenji Kamide: Cellulose and Cellulose Derivatives. Elsevier, 2005, ISBN 0-08-045444-5, S. 1. Dementsprechend ist Glucose, aus dem Cellulose aufgebaut ist, das häufigste Monosaccharid.

+Gehalt verschiedener Kohlenhydrate in Pflanzen (in g/100 g)NahrungsmittelGesamtkohlenhydrateinkl. BallaststoffeGesamtzuckerFructoseGlucoseSaccharoseFructose/GlucoseVerhältnisSaccharosein % desGesamtzuckersFrüchte         Apfel 13,8 10,4 5,9 2,4 2,1 2,0 19,9 Aprikose 11,1 9,2 0,9 2,4 5,9 0,7 63,5 Banane 22,8 12,2 4,9 5,0 2,4 1,0 20,0 Feige, getrocknet 63,9 47,9 22,9 24,8 0,9 0,93 0,15 Trauben 18,1 15,5 8,1 7,2 0,2 1,1 1 Nabelorange 12,5 8,5 2,25 2,0 4,3 1,1 50,4 Pfirsich 9,5 8,4 1,5 2,0 4,8 0,9 56,7 Birne 15,5 9,8 6,2 2,8 0,8 2,1 8,0 Ananas 13,1 9,9 2,1 1,7 6,0 1,1 60,8 Pflaume 11,4 9,9 3,1 5,1 1,6 0,66 16,2Gemüse         Rote Beete 9,6 6,8 0,1 0,1 6,51,0 96,2 Karotte 9,6 4,7 0,6 0,6 3,6 1,0 77 Paprika 6,0 4,2 2,3 1,9 0,0 1,2 0,0 Zwiebel 7,6 5,0 2,0 2,3 0,7 0,9 14,3 Süßkartoffel 20,1 4,2 0,7 1,0 2,5 0,9 60,3 Yamswurzel 27,9 0,5 Spuren Spuren Spuren – Spuren Zuckerrohr 13–18 0,2 – 1,0 0,2 – 1,0 11–16 1,0 hoch Zuckerrübe 17–18 0,1 – 0,5 0,1 – 0,5 16–17 1,0 hochGetreide         Mais 19,0 6,2 1,9 3,4 0,9 0,61 15,0

Chemie Von zentraler Bedeutung in der Kohlenhydratchemie und Biochemie ist die glycosidische Bindung zwischen zwei Monosacchariden oder zwischen einem Monosaccharid und einer Hydroxygruppe, einer Aminogruppe, einer Thiolgruppe oder einer Selenogruppe eines anderen Moleküls.IUPAC Nomenclature of Carbohydrates bzw. Abschnitt 2-Carb-33: Glycosides and glycosyl compounds. Das hierbei gebildete cyclische Vollacetal eines Zuckers bezeichnet man als Glycosid. Kohlenhydrate sind Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone sowie davon abgeleitete Verbindungen, haben in ihrer offenkettigen Form also neben mindestens zwei Hydroxygruppen auch mindestens eine Aldehydgruppe oder Ketogruppe. Handelt es sich um ein Hydroxyaldehyd (Carbonylgruppe an einem terminalen C-Atom (Aldehyd)), so spricht man von einer Aldose, handelt es sich um ein Hydroxyketon (also mit Carbonylgruppe an einem internen C-Atom und Hydroxygruppen), bezeichnet man den Zucker als Ketose (synonym Ulose).Reginald H. Garrett: Biochemistry. Cengage Learning, 2012, ISBN 978-1-133-10629-6, S. 194, 199. Die Carbonylfunktion ist eine hochreaktive funktionelle Gruppe: Zu nennen sind hier besonders die leichte Oxidierbarkeit zur Carbonsäure, die Reduktion zum Alkohol und der leichte nukleophile Angriff am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe. Wichtige Reaktionen beim Erhitzen von Kohlenhydraten sind die Karamellisierung und die Maillard-Reaktion.

Struktur Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele für die Vielfalt natürlicher Kohlenhydratstrukturen. Pentosen und Hexosen können im Prinzip sowohl Fünf- als auch Sechsringe bilden, wobei ein neues Chiralitätszentrum entsteht, so dass einschließlich der offenkettigen Form bereits für ein Monosaccharid fünf Isomere existieren. Durch glycosidische Bindungen können sich Monosaccharide zu Oligo- und Polysacchariden verbinden. Dadurch potenziert sich die Anzahl möglicher Kohlenhydratstrukturen theoretisch zu einer sehr großen Vielfalt.

Das Beispiel der α-D-Glucopyranose zeigt verschiedene gleichwertige Darstellungsformen.