Zucker

Aufteilung der Kohlenhydrate

Die Grundeinteilung der Zucker umfasst zwei Untergruppen: einfache Zucker, die auch als Monosaccharide oder Monosen bezeichnet werden, und komplexe Zucker (Polyosen).  Vertreter der ersten Gruppe sind z.B. Triole, Tetrole, Pentosen und Hexosen.  Die zweite Gruppe hingegen umfasst Oligosaccharide, darunter Disaccharide, Trisaccharide und Tetrasaccharide, sowie Polysaccharide.  Komplexe Zucker entstehen durch die Kondensation von mindestens zwei Molekülen von einfachen Zuckern, in die sie durch eine Hydrolysereaktion wieder zerfallen. Einfache Zucker werden im Gegensatz zu komplexen Zuckern nicht hydrolysiert.

Aufbau der Monosaccharide

Die allgemeine Formel für Zucker ist sowohl für einfache als auch für komplexe Kohlenhydrate gleich, und die Anzahl der Kohlenstoffatome in den Monosaccharidmolekülen schwankt zwischen 3 und 10.  Je nach dieser Anzahl werden die Monosaccharide nacheinander als Triosen, Tetrosen, Pentosen usw.  Innerhalb jeder dieser Gruppen gibt es sowohl Aldosen, die Multi-Hydroxyaldehyde sind, als auch ihre analogen Ketosen.  Ihre Nomenklatur besteht aus der Vorsilbe Aldo- oder Keto- und dem entsprechenden Namen, der die Anzahl der im Molekül vorhandenen Kohlenstoffe angibt, z. B. Aldotriose/Ketotriose, Aldopentose/Ketopentose und Aldohexose/Ketohexose.  Monosaccharide haben im Allgemeinen eine unverzweigte Kohlenstoffkette in ihrer Struktur.  Die in ihnen vorhandenen funktionellen Gruppen haben ihre üblichen Positionen, d.h. die Aldehydgruppe befindet sich nicht in der Mitte des Moleküls, sondern nur an dessen Rand.  Bei den Multihydroxyketonen befindet sich die Carbonylgruppe -C=O jedoch immer am Kohlenstoff C-2.  Die Anzahl der Hydroxylgruppen kann anhand der allgemeinen Formel bestimmt werden, wobei ihre Anzahl um eins geringer ist als die Anzahl aller im Molekül vorhandenen Sauerstoffatome.  An jedes Kohlenstoffmolekül kann maximal eine Hydroxylgruppe gebunden werden.

Grundlegende chemische Eigenschaften von Monosacchariden

Die Eigenschaften von Monosacchariden lassen sich auf zwei Arten erklären – einige von ihnen können mit Hilfe von Fischer-Kettenformeln beschrieben werden, andere auf experimentelle Weise. Eine wichtige Tatsache ist, dass in Monoselösungen ein desmotropes Gleichgewichtsphänomen auftritt, das zu einer intramolekularen Kettenzyklisierung führt. Sie kann mit der folgenden Gleichung geschrieben werden:

Charakteristische Reaktionen von Monosacchariden

Es sind Reaktionen, dank derer das Vorhandensein von Monosacchariden in einem gegebenen Präparat aufgrund der auftretenden charakteristischen Färbung oder anderer sichtbarer Veränderungen nachgewiesen werden kann.

1. Reaktion mit Phenylhydrazin

Das ist eine Kondensationsreaktion, infolge derer ein Sauerstoffatom einer Carbonylgruppe durch einen chemischen Rest Phenylhydrazin ersetzt wird. Der gleichmolare Verlauf der Reaktion führt zur Bildung der Phenylhydrazonen von Monosacchariden.  Bei einem Überschuss an dem verwendeten Oxidationsreagenz ist am zweiten Kohlenstoffatom die Gruppe CHOH vorhanden.  Das Produkt einer solchen Reaktion ist eine Ketongruppe, die dann in Reaktion mit einem Überschuss an Phenylhydrazin ein Osazon bildet.  Da sich das Produkt leicht kristallisieren lässt, ermöglicht diese Reaktion die Identifizierung des Monosaccharids.  Sie unterscheiden sich nämlich in Form und Schmelzpunkt.

2. Reaktionen mit Säuren

Beim Erhitzen mit starken anorganischen Säuren werden Monosaccharide mit n_C>4 dehydriert und cyclisiert. Dies führt zur Bildung von Furanderivaten; aus Hexosen wird zum Beispiel Hydrocymethylfurfural gewonnen.  Solche Produkte ermöglichen durch die Reaktion mit Phenolen die qualitative und quantitative Identifizierung von Monosacchariden, indem sie bunte Kombinationen mit ihnen bilden.  Eine besondere Kategorie von Reaktionen ist die Molisch-Kondensation, bei der ein Monosaccharid mit einer alkoholischen α-Naphthollösung in Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure reagiert.  Wenn das untersuchte Präparat Zucker in seiner Zusammensetzung enthält, ist an der Schichtgrenze ein roter bis violetter Ring sichtbar.

3. Reduktion von Monosacchariden

Bei Vorhandensein einer freien Aldehydgruppe im Molekül ist es möglich, dass diese zu Säuren oxidiert werden, wobei die reduzierenden Eigenschaften in einer alkalischen Umgebung genutzt werden.

4. Benedict-Reagenz

Monosaccharide, die eine freie Aldehydgruppe enthalten, unterliegen dieser Reaktion. Sie reduziert in Gegenwart von Natriumhydroxid Kupfer(II)-hydroxid zu Kupfer(I)-oxid, wodurch sich die Farbe der Lösung von blau nach grün ändert. Diese charakteristische Färbung ist das Ergebnis der Überlagerung zweier Farben – der orangefarbenen Suspension Cu₂O und der blauen Cu(OH)₂. Es handelt sich um einen sehr empfindlichen Test, der bereits bei einer Zuckerkonzentration von 0,1 % ein Ergebnis liefert. Bei hohen Konzentrationen ist die Bildung eines roten Niederschlags deutlich zu erkennen.

5. Barfoedsche Probe

Die Umwandlung ermöglicht es, die Geschwindigkeit der Kupferionen zu bestimmen und einfache Zucker von reduzierenden Disacchariden zu unterscheiden.  Bei der Reaktion mit Kupferacetat wird der Zucker zu einer Carbonsäure oxidiert, wobei sich Essigsäure und Kupfer(I)-oxid als roter Niederschlag bilden.  Disaccharide oxidieren im Vergleich zu Monosacchariden viel langsamer.

6. Seliwanow-Probe

Es ist eine Methode zum Nachweis von Ketohexosen in einem Präparat.  Voraussetzung für die Reaktion ist die Erwärmung der Probe mit konzentrierter Salzsäure und Resorcin.  Die Besonderheit der Reaktion besteht in der Bildung von 5-Hydroxymethylfurfural und der charakteristischen kirschroten Farbe oder dem Auftreten eines bräunlich-roten Niederschlags.  Ihr Auftreten nach 2 Minuten Erwärmung weist auf das Vorhandensein von Ketohexose hin.

7. Tollensprobe

Es ist eine charakteristische Reaktion von Pentosen und Hexosen, die darin besteht, auf das Präparat mit Salzsäure einzuwirken. Dies führt zu einer kirschroten Farbe im Falle von Pentosen oder zu einer gelben/braunen Farbe in Gegenwart von Hexosen.

8. Die weiße Probe

Die Weiße Probe ermöglicht die Identifizierung von Pentose in der Probe, die bei der Reaktion in Anwesenheit von Salzsäure und Eisen(III) -Ionen Wasser verliert und Furfural bildet.  Dieser wiederum erzeugt mit Orcin den charakteristischen grünen Komplex.

Chemische Struktur von komplexen Zuckern

Die Bindung zwischen den Kohlenstoffketten der Zucker ist durch das Vorhandensein zahlreicher Hydroxylgruppen in ihrer Struktur möglich. Monosaccharidmoleküle bilden mit Hilfe von O-glykosidischen Bindungen acetal- oder ketalartige Bindungen untereinander.

Disaccharide

Diese Gruppe von Zuckern wird auch als Disaccharide bezeichnet und entsteht durch die Verbindung der Hydroxylgruppen zweier Monosaccharide über eine glykosidische Bindung. Verbreitete Beispiele für Disaccharide sind u.a. Saccharose, Maltose, Laktose und Trehalose.

Polysaccharide

Diese Art von Zucker enthält ebenfalls Glykosidbindungen, aber im Gegensatz zu Disacchariden sind sie Polymere von Monosacchariden.  Je nach ihrer Struktur können sie Homoglykane sein, wenn sich die Struktur nur eines Monosaccharids wiederholt, oder Heteroglykane, wenn sie aus verschiedenen Monosacchariden bestehen. Die Moleküle treten im Allgemeinen als lineare oder verzweigte Ketten auf. Die wichtigsten Verbindungen dieser Art sind die Polymerglucose, also Glucane – Stärke, Zellulose und Glykogen.

Stärke

Dieses pflanzliche Polysaccharid ist ein sehr häufiger Speicher für Glukose als Reserveenergiequelle.  Chemisch gesehen handelt es sich um ein Gemisch aus Amylose und Amylopektin in unterschiedlichen Verhältnissen, je nach Herkunft.  Beide bestehen aus demselben Monosaccharid, der α-D-Glucopyranose, unterscheiden sich aber durch die Anzahl der Glucosereste. Amylose ist eine lösliche Stärke mit geraden und unverzweigten Ketten, die sich zu einer Helix aufrollen und zwischen 200 und 300 Glucose-Reste aufweisen, wobei alle 6-8 eine Verdrehung vorkommt. Amylopektin ist eine unlösliche, verzweigte Stärke mit bis zu hunderttausenden von Glukoseresten. Es bildet ebenfalls eine Helix, aber die Verdrehung erfolgt alle 24-30 Glucose-Reste.

Charakteristische Eigenschaften von Polysacchariden

1. Hydrolyse

Im Gegensatz zu den Monosacchariden gehen die Polysaccharide eine Hydrolysereaktion ein.  Diese erfolgt unter Erhitzung mit verdünnten Säuren oder in Gegenwart von Enzymen.  Je nach Reaktionsbedingungen können die Produkte Polysaccharide mit kleineren Molekülen, Oligosaccharide und die Monosaccharide sein, aus denen sich das umgewandelte Polysaccharid zusammengesetzt hat.

2. Qualitative Analyse von Stärke mit Hilfe von Jod

Die in der Stärke enthaltene Amylose rollt sich beim Auflösen im Raum auf und bildet eine linksdrehende Helix, die durch Wasserstoffbindungen zwischen den freien Hydroxylgruppen des Monosaccharids stabilisiert wird.  Bei Zugabe von Jod bildet Amylose einen blauen Komplex, der nicht das Ergebnis einer Reaktion, sondern eher das Ergebnis des Einschlusses von Reagenzmolekülen im Inneren der Helix ist. Die für Jod untypische Farbe ist auf die Bewegung von Elektronen entlang der Kette von Jodmolekülen und die Absorption von Licht durch den gebildeten Komplex zurückzuführen. Beim Erhitzen werden die Wasserstoffbindungen gebrochen, das Jod wird freigesetzt und die Farbe verschwindet.  Bei der Reaktion von Amylopektin mit Jod wird eine violett-rote Farbe sichtbar. Wird der Stärke Jod zugesetzt, entsteht eine violett-blaue Färbung.