Herkunft und Definition

Kohlenhydrathaltige Nahrungsmittel sind, neben den Zuckern, Getreide und alle Getreideprodukte, Hülsenfrüchte, Kartoffeln, Gemüse und Obst. Kohlenhydrate sind eine wesentliche Energiequelle des Organismus. Der Aufbau der Kohlenhydrate in den Pflanzen erfolgt über die Photosynthese, bei der aus CO₂, Wasser und Licht unter Mitwirkung von Chlorophyll Glucose aufgebaut wird.

Die Kohlenhydrate Zucker, Stärke, Glykogen, Dextrine und Zellulose sind aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) aufgebaut. Die Beobachtung, dass dabei die Elemente C, H und O im Verhältnis 1:2:1 auftreten, was sich in der Summenformel als (CH₂O)n darstellen lässt, hat zur Bezeichnung Kohlenhydrate, d.h. Hydrate des Kohlenstoffs geführt. Obwohl heute auch Verbindungen zu den Kohlenhydraten gezählt werden, welche dieser Bedingung nicht genügen, und zudem Substanzen bekannt sind, welche zwar den Bedingungen genügen, aber keine Kohlenhydrate sind, wie beispielsweise die Essigsäure (C₂H₄O₂) oder die Milchsäure (C₃H₆O₃), wurde die Bezeichnung beibehalten. 

Heute werden Kohlenhydrate definiert als Aldehyde oder Ketone mit zwei oder mehr Hydroxy-Gruppen. 

Abb. 1: Aldehyde oder Ketone und Hydroxy-Gruppen bilden zusammen mit einem Kohlenstoffskelett die Kohlenhydrate.

 

Aldosen und Ketosen

Kohlenhydrate mit einem Aldehyd werden als Aldosen, Kohlenhydrate mit einem Keton als Ketosen bezeichnet. 

Kohlenhydrate entstehen aus Polyalkoholen (= Alkohole mit mehreren OH-Gruppen) dadurch, dass eine Hydroxy-Gruppe zu einer Carbonyl-Gruppe dehydriert wird, was sich am einfachsten am Glycerin (Glycerol) zeigen lässt: 

Abb. 2: Bildung der beiden einfachen Zucker Dihydroxyaceton (Ketose) und Glycerinaldehyd (Aldose) aus dem Polyalkohol Glycerin (Glycerol) durch Abgabe von 2 Wasserstoffatomen. 

Bei den Aldosen ist die Carbonylgruppe (C=O) am Anfang der Kohlenstoffkette (C1-Atom), bei den Ketosen innerhalb der Kohlenstoffkette (in der Regel am C2-Atom).

 

Anzahl C-Atome

Entsprechend der Anzahl C-Atome in der Kohlenstoffkette werden Zucker unterteilt in:

Die einfachsten Zucker sind demnach Triosen mit 3 C-Atomen, d.h. sowohl Glycerinaldehyd (Aldose) wie auch Dihydroxyaceton (Ketose) sind Triosen.

Die in der Nahrung vorkommenden einfachen Zucker sind vorwiegend Hexosen. Ribose und Desoxyribose in der Erbsubstanz (Nucleinsäuren) gehören zu den Pentosen.

Nummerierung der C-Atome 
Die Kohlenstoffatome des Kohlenhydratgerüstes werden numeriert. Dabei beginnt man bei demjenigen C-Atom, welches der Aldehyd-Gruppe bzw. der Keton-Gruppe am nächsten ist. 

Abb.3: Nummerierung der Kohlenstoffatome bei Kohlenhydraten. 

 

Chiralität: D- und L-Formen

Aldosen mit drei oder mehr C-Atomen und Ketosen mit vier oder mehr C-Atomen enthalten sogenannte asymmetrische Zentren, d.h. sie besitzen Kohlenstoffatome mit 4 verschiedenen Substituenten.

Je nach dem, ob die Hydroxy-Gruppe am zweitletzten C-Atom nach rechts oder links schaut, unterscheidet man zwischen D- und L-Formen. Moleküle, die sich in dieser Art spiegelbildlich verhalten, werden als Enantiomere oder Stereoisomere bezeichnet. 

Abb. 4: Entsprechend der Stellung der OH-Gruppe am "zweitletzten" C-Atom unterscheidet man zwischen D- und L-Glycerinaldehyd. 

Enantiomere besitzen den gleichen Namen, allerdings mit unterschiedlichem Präfix L oder D. In der Natur dominieren bei den Kohlenhydraten die D-Formen. 

Die Zahl der möglichen Aldosen wächst mit jedem C-Atom um den Faktor 2. Ausgangspunkt sind bei den Aldosen das D- und das L-Glycerinaldehyd. Die folgende Abbildung zeigt die möglichen Aldosen, wenn man vom D-Glycerinaldehyd ausgehend Kohlenstoffatome in die C-Kette einfügt.

Mögliche D-Aldosen mit 3 bis 6 C-Atomen, ausgehend vom D-Glycerinaldehyd. Alle hier gezeichneten Aldosen weisen am vorletzten C-Atom die gleiche Konfiguration auf. 
In der gleichen Art lässt sich ein Schema entwickeln, welches auf dem L-Glycerinaldehyd basiert.

 

Die Ringbildung der Monosaccharide

In Lösung sind Zucker grösstenteils nicht in Kettenform vorhanden, sondern bilden durch kovalente Bindung der Carbonyl-Gruppe mit einer Hydroxy-Gruppe innerhalb der Kohlenstoffkette zyklische Strukturen. 

Abb. 5: Ringbildung der Glucose
           A: Glucose in Kettendarstellung
           B: der Sauerstoff der Carbonylgruppe ist mit dem C5-Atom verbunden

Bewährt hat sich die Darstellung nach Haworth: 

Abb. 6: Darstellung des Ringschlusses bei der Glucose nach Haworth. 

Bei der üblichen Darstellung werden die Kohlenstoff- und und die Wasserstoffatome innerhalb des Ringes werden nicht geschrieben:

Abb.7: Die übliche Darstellung der Glucose. In blau die Nummer des jeweiligen C-Atoms.

Die Ringbildung ist möglich für Zucker, bei denen am Kohlenstoffatom mit der Carbonyl-Gruppe eine Kette von 3 oder mehr C-Atomen hängt.

Die a- und b-Konfiguration 
Bei der Ringbildung entsteht ein neues asymmetrisches C-Atom. Schaut die Hydroxygruppe am C1-Atom nach unten, so spricht man von einer a-Konfiguration, andernfalls von einer b-Konfiguration. Die beiden Konfigurationen werden als Anomere bezeichnet. a- und b-Konfiguration gehen leicht ineinander über (Mutarotation).

Pyranosen und Furanosen 
Reagiert bei der Ringbildung von Aldohexosen die OH-Gruppe des C5-Atoms mit dem C1-Atom, so entsteht ein 6er-Ring, bestehend aus 5 Kohlenstoff- und einem Sauerstoffatom. Chemisch wird dieser Ring als Pyran bezeichnet, folglich heissen alle Zucker mit diesem 6er-Ring Pyranosen.

Es kann aber auch die OH-Gruppe am C4-Atom mit dem Kohlenstoffatom C1 reagieren. Dabei entsteht ein 5er Ring; diese Kohlenhydrate werden als Furanosen bezeichnet.

Abb. 8: Pyranose (links) und Furanose (rechts).

 

Unterteilung der Kohlenhydrate

Unterteilung aufgrund der Molekülgrösse 
Die Kohlenhydrate lassen sich unterteilen in 

• Monosaccharide, 
• Disaccharide (2 Monosaccharide)
• Oligosaccharide (3-10 Monosaccharide) und 
• Polysaccharide.

Unterteilung aufgrund der Funktion 
Kohlenhydrate kommen in Form der Monosaccharide und Disaccharide als einzelne, kleine Moleküle vor. Diese können sich aber zu grösseren Einheiten zusammenschliessen, welche dann als Speicherform dienen oder aber strukturelle Aufgaben übernehmen. Zudem wirken Kohlenhydrate als Signalstoffe. 

• Nährstoffe und Reservestoffe
  - Glucose
  - Glycogen
  - Stärke
• Bau- und Gerüststoffe
  - Cellulose
  - Chitin
• Signal- und Informationsträger
  - Glycoproteine: Proteine mit einem Kohlenhydratanteil
• Bestandteile der Erbsubstanz
  - Desoxyribose in der DNS (Desoxyribonucleinsäure, DNA)
  - Ribose in der RNS (Ribonucleinsäure, RNA).

02.02.2001 /hpk