So und für die Chemiker unter euch oder die noch etwas über Zucker lernen wollen: (soll ja keiner sagen das er hier die Katze im Sack kauft; ausführlicher kann man seinen Artikel bestimmt nicht beschreiben)
Zucker, nicht streng definierter Oberbegriff für eine Anzahl organischer Verbindungen, die traditionell zu den Kohlenhydraten zählen ? die einfachsten Vertreter besitzen die Bruttoformel Cn(H2O)n. Sie können neben den chemischen Elementen Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff auch Stickstoff und Schwefel enthalten. Zucker sind in der Natur weit verbreitet, werden u. a. von Pflanzen bei der Photosynthese gebildet und spielen in allen lebenden Organismen eine große Rolle (z. B. im Stoffwechsel oder beim Zellwachstum). Nach ihrer Struktur (Konstitution) und ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften können Zucker in drei große Gruppen eingeteilt werden: die Monosaccharide, die Oligosaccharide und die Polysaccharide. Die Namen der meisten Zucker tragen nach internationaler Konvention die Namensendung ?ose?.
Im allgemeinen Sprachgebrauch wird unter dem Begriff Zucker meist die Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) verstanden.
Die Monosaccharide lassen sich zum einen nach ihrer funktionellen Gruppe in Aldehydzucker (Aldosen, 8CHO) und in Ketonzucker (Ketosen, 8CRO) und zum anderen nach der Anzahl ihrer Kohlenstoffatome unterscheiden. Die häufigsten Vertreter dieser Gruppe bilden die Pentosen (fünf C-Atome; C5H10O5), wie z. B. Ribose oder Arabinose, und die Hexosen (sechs C-Atome; C6H12O6), wie z. B. Glucose, Galactose oder Fructose. Monosaccharide mit sieben und mehr C-Atomen (z. B. Heptosen) sind seltener in der Natur anzutreffen.
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1. |
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Kettenstruktur der Monosaccharide |
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Auf den ersten Hinblick besitzen die Moleküle der Monosaccharide eine offenkettige Struktur. Eine Vielzahl von Monosacchariden zeigt bei chemischen Reaktionen jedoch Verhaltensweisen, die auch eine ringförmige Struktur zulassen. Auf sie geht der Abschnitt Ringstruktur der Monosaccharide (siehe unten) ein.
Je nach Kettengröße bzw. Anzahl der Kohlenstoffatome besitzen Monosaccharide mehrere asymmetrische C-Atome (im Falle der Hexosen z. B. vier). Die absolute Konfiguration der Monosaccharide bezieht sich auf das am weitesten von der Aldehyd- bzw. Ketogruppe entfernte asymmetrische Kohlenstoffatom. Nach einer Methode teilt man die Monosaccharide in die so genannte D- und die L-Reihe ein. Diese Reihen gehen auf die Substanz Glycerinaldehyd zurück. Folgende Abbildung zeigt oben das Tetraedermodell (mit der absoluten Konfiguration) und unten die Fischer-Projektion (benannt nach Emil Fischer) von Glycerinaldehyd:
Zeigt die OH-Gruppe in der Fischer-Projektion am C-Atom nach rechts, so gehört der Zucker der D-Reihe an (nach lateinisch dexter: rechts), zeigt sie nach links, so handelt es sich um einen Vertreter der L-Reihe (lateinisch laevus: links).
Die R-S-Kennzeichnung bezieht sich auf das Tetraedermodell und die Prioritäten der Atome bzw. Atomgruppen am asymmetrischen Kohlenstoffatom. Das Tetraedermodell wird so angeordnet, dass das Atom mit der niedrigsten Priorität ? in diesem Fall das H-Atom ? nach hinten gerichtet ist (dargestellt durch die gestrichelte Linie). Die verbleibenden Atome bzw. -gruppen können nun, gestaffelt nach ihrer Priorität (1. 8OH, 2. 8CHO, 3. 8CH2OH), im oder gegen den Uhrzeigersinn angeordnet sein. Im Uhrzeigersinn bedeutet R (nach lateinisch rectus: rechts, richtig), gegen den Uhrzeigersinn bedeutet S (nach lateinisch sinister: links, verkehrt).
Weder die D-L- noch die R-S-Kennzeichnungen dürfen mit der optischen Aktivität von Zuckern verwechselt werden. Zuckerlösungen sind in der Lage, die Ebene linear polarisierten Lichts nach links oder nach rechts zu drehen, die Kennzeichnung (+) steht für rechtsdrehend und (-) für linksdrehend.
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2. |
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Ringstruktur der Monosaccharide |
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Bereits im 19. Jahrhundert vermuteten Chemiker, dass Monosaccharide neben einer offenkettigen Struktur auch eine ringförmige Struktur einnehmen können. Tatsächlich kommt es bei den Monosacchariden zu einer intramolekularen Verknüpfung der Carbonylfunktion (entweder Aldehyd oder Keton) mit einer der Hydroxylgruppen (OH-Gruppe) unter Ausbildung eines Ringes. Im Fall der Aldosen (Aldehydzucker) entsteht ein Halbacetal, im Falle der Ketosen (Ketozucker) ein Halbketal.
Das Gleichgewicht zwischen der offenkettigen und cyclischen Form wird oxo-cyclo-Tautomerie bezeichnet, die entstehenden Ringformen werden auch Anomere genannt. Bei dieser intramolekularen Ringbildung ist entscheidend, welche Hydroxylgruppe mit der Carbonylgruppe reagiert. Im Beispiel von Fructose, einer Ketohexose, kann es auf der einen Seite die OH-Gruppe am C-6-Atom sein, wodurch sich ein heterocyclischer Sechsring bildet. Auf der anderen Seite wäre es rein theoretisch auch möglich, dass die OH-Gruppe am C-5-Atom mit der Carbonylgruppe reagiert und so ein heterocyclischer Fünfring entsteht.
Im Fall der Fructose ließ sich in kristalliner Form bislang nur die Sechsringvariante, also die Fructopyranose, isolieren. Es ist jedoch bekannt, dass die Fünfringform (Fructofuranose) in wässrigen Fructoselösungen im chemischen Gleichgewicht mit der pyranoiden Form steht. Allgemein nennt man Monosaccharide mit sechs Ringatomen Pyranosen, solche mit fünf Ringmitgliedern Furanosen. Die Ringe der Pyranosen sind nicht planar, sondern in Analogie zum Cyclohexan in der energetisch begünstigten Sesselform angeordnet.
Mit der Ringbildung entstehen neue Chiralitätszentren und im Fall der Glucose zwei diastereomere Formen, die als a- und ?-Form bezeichnet werden. In wässriger Lösung stellt sich zwischen diesen Diasteromeren ein chemisches Gleichgewicht ein, dass bereits 1848 der französische Chemiker Augustin Pierre Dubrunfaut (1797-1881) erstmals unter dem Begriff ?Mutarotation? beschrieb. Dubrunfaut beobachtete, dass eine frisch zubereitete Lösung von a-D-Glucose mit der Zeit ihren optischen Drehwert ([a]D, Drehung polarisierten Lichts) kontinuierlich ändert, um schließlich bei einem Wert ([a]D = +52,5°) stehen zu bleiben. Der Chemiker zog die richtige Schlussfolgerung, dass die Umwandlung der a-Form ([a]D = +112,2°) in die ?-Form ([a]D = +18,7°) Ursache für dieses Phänomen ist.
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4. |
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Chemische Reaktionen der Monosaccharide |
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Bedingt durch ihre funktionellen Gruppen (8CHO, 8CRO, 8OH) können Zucker verschiedene chemische Reaktionen eingehen, die u. a. auch zum Nachweis herangezogen werden. So nutzt man beispielsweise die leichte Oxidierbarkeit von Glucose zur Gehaltsbestimmung im Blut oder in Lebensmitteln.
Zucker, wie z. B. Aldosen, sind in der Lage, aus silbersalzhaltigen Lösungen im ammoniakalischen Milieu Silber(I)ionen (Ag+) zu elementarem Silber zu reduzieren:
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2Ag+ + R8CHO + H2O « 2Ag + R8COOH + 2H+ |
Bei dieser Reaktion wird das Edelmetall in Form eines Silberspiegels an der Wand des Reaktionsgefäßes abgeschieden.
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4.2. |
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Fehling- oder Trommer-Reaktion |
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Reduzierende Zucker sind ebenfalls in der Lage, im basischen Milieu Kupfer(II)ionen (Cu2+) zu gelbem bzw. ziegelrotem Kupfer(I)oxid (Cu2O) zu reduzieren ? der Zucker wird, wie im Fall der Tollens-Reaktion, zur Polyhydroxysäure oxidiert. Die genaue Stöchiometrie dieser Reaktion ist bislang nicht bekannt. Auch bestimmte Ketosen können eine positive Reaktion zeigen, da sie im Basischen leicht in Aldosen umgelagert oder auch zu niederen Aldosen abgebaut werden.
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4.3. |
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Nachweis mit Enzymen |
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Eine weitere Möglichkeit, Zucker nachzuweisen bzw. den Zuckergehalt einer Probe zu bestimmen, bietet die Oxidation mit Hilfe von Enzymen. Ein bedeutendes Beispiel ist die Oxidation von Glucose mit dem Enzym Glucoseoxidase (GOD) zum Gluconsäure-5-lacton. Hierbei nimmt das Enzym zwei Wasserstoffatome auf, die in einer zweiten Oxidation mit Luftsauerstoff zu Wasserstoffperoxid reagieren. Da die Reaktionsprodukte farblos sind, wird eine dritte Reaktion als Indikation nachgeschaltet, bei der das Wasserstoffperoxid mit Hilfe einer Peroxidase (weiteres Enzym) und o-Toluidin (2-Methylanilin, giftig) zu einem blaugrünen Farbstoff reagiert. Der Anteil dieses Farbstoffes in der Probe kann z. B. photometrisch bestimmt werden und lässt so Rückschlüsse auf den ursprünglichen Glucosegehalt zu. Teststreifen zur schnellen Bestimmung enthalten ebenfalls das Enzym GOD und o-Toluidin ? in diesem Fall gelingt die Bestimmung über die Intensität der Verfärbung. Die GOD-Reaktion kommt bei der Bestimmung des Glucosegehalts sowohl im Blut als auch im Harn und in Lebensmitteln zum Einsatz.
Da diese Angaben aus u.g. Quelle stammen übernehme ich dafür natürlich keine Gewähr auf Richtigkeit!
"Zucker," Microsoft® Encarta® Online-Enzyklopädie 2005
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