Einfachzucker

D- und L-Ribose in Fischer-Projektion

α-D-Fructofuranose in Haworth-Schreibweise

Monosaccharide (veraltet Einfachzucker) sind eine Stoffgruppe von organisch-chemischen Verbindungen. Sie sind die Produkte der partiellen Oxidation mehrwertiger Alkohole. Alle Monosaccharide haben eine Kette aus mindestens drei Kohlenstoffatomen als Grundgerüst und weisen eine Carbonylgruppe sowie mindestens eine Hydroxylgruppe auf. Sie sind die Bausteine aller Kohlenhydrate und können sich zu Disacchariden (Zweifachzuckern), Oligosacchariden (Mehrfachzuckern) oder Polysacchariden (Vielfachzuckern) verbinden.

Glucose und Fructose sind die wichtigsten Zucker des Stoffwechsels. Sie sind Energieträger und dienen auch als Zellbausteine.

Aufbau

Jeder Einfachzucker besteht aus einer Kette von Kohlenstoff-Atomen. Nach der Anzahl der Kohlenstoffatome spricht man von Triosen (3), Tetrosen (4), Pentosen (5), Hexosen (6), Heptosen (7) usw. Die kleinsten Einfachzucker, die Triose, haben also drei Kohlenstoffatome. Prinzipiell ist die Länge der Kohlenstoffkette unbegrenzt, in der Natur wurden bisher aber nur Einfachzucker mit maximal neun Kohlenstoffatomen beobachtet, wobei Hexosen und Pentosen am häufigsten zu finden sind.

Des Weiteren befindet sich an einem der Kohlenstoffatome ein doppelt gebundenes Sauerstoff-Atom. Dies bezeichnet man als Carbonylgruppe. Befindet sich diese Gruppe am Ende der Kohlenstoffkette, bezeichnet man die Gruppe als Aldehydgruppe und den Zucker als Aldose, bei einer Carbonylgruppe innerhalb der Kette spricht man von einer Ketogruppe und bei dem Zucker von Ketosen.

Beide Nomenklaturen lassen sich gemeinsam anwenden, sodass man bei einem Einfachzucker mit sechs Kohlenstoffatomen und einer Aldehydgruppe von einer Aldohexose spricht.

Bei den einfachsten Vertretern der Monosaccharide tragen die übrigen Kohlenstoffatome ohne Carbonylgruppe jeweils eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) und ansonsten Wasserstoffatome. Für diese Verbindungen gilt die allgemeine Summenformel: C_nH_2nO_n.

Jedoch zählen auch Derivate dieser einfachen Verbindungen zu den Monosacchariden, wie Aminozucker (z. B. Glucosamin) und Desoxyzucker (z. B. Desoxyribose). Sie entsprechen nicht dieser allgemeinen Summenformel.

Räumliche Struktur

α-D-Glucopyranose in (1) Tollens/Fischer- bzw. Tollens-Ringformel, (2) Haworth-Ringformel, (3) Konformationsformel, (4) stereochemischer Ansicht

Neben der Position der Carbonylgruppe (Oxogruppe) in der Kohlenstoffkette spielt auch die räumliche Anordnung der OH-Gruppen eine wichtige Rolle. Bei einer Aldohexose beispielsweise sind vier der Kohlenstoffatome je nach einer 'rechts' oder 'links' angebrachten OH-Gruppe unterscheidbar. Insgesamt gibt es somit 16 (2⁴ = 16) verschiedene Stereoisomere einer Aldohexose, die sich im Stoffwechsel und in der optischen Aktivität unterscheiden. Ferner verfünffacht sich die Anzahl der theoretisch möglichen Stereoisomere noch, da zusätzlich zur offenkettigen Form durch intramolekulare Ausbildung eines cyclischen Halbacetals die Furanose- oder Pyranose-Form mit α- bzw. β-Konfiguration entstehen kann.

Die stereochemische Darstellung kann auf drei gleichberechtigte Arten erfolgen. Die älteste Darstellung ist die Fischer-Projektion, bei der sämtliche C-C-Bindungen in gedachter (thermodynamisch ungünstigster) eclipsed-Stellung senkrecht übereinander und auf der Papierebene ausgerollt geschrieben werden. Die Substituenten, hier Wasserstoffatome und Hydroxyl-Gruppen, werden je nach Konfiguration rechts bzw. links aufgeführt und stehen oberhalb der Papierebene, so dass sich eine eindeutige Konfiguration ergibt. Das am weitesten vom anomeren C-Atom entfernte chirale C-Atom bildet in Rechtsstellung die D-Konfiguration, in Linksstellung die L-Konfiguration (siehe am Beispiel von D- und L-Ribose oben).

Das cyclische Halbacetal ist in der auch Tollens-Ringformel genannten Darstellung (1) unübersichtlich und es werden überlange Bindungen erforderlich. Daher wurden weitere Darstellungen entwickelt. Die Haworth-Darstellung (2) entspricht einer „auf die Seite gelegten“ und aufgerollten Fischer-Projektion. Alle Ringatome befinden sich auf einer Ebene, der räumliche Eindruck kann durch perspektivische Bindungen verstärkt werden. Die Bindung eines Substituenten nach „oben“ soll kenntlich machen, dass dieser oberhalb der Ringebene liegt. Die in der Fischer-Projektion nach links (bzw. rechts) weisenden Gruppen zeigen am Haworth-Ring nach oben (bzw. unten).

Noch realistischer ist die Konformationsformel (3), da hierbei die gewinkelte Anordnung der Kohlenstoffkette erkennbar ist. Auch die stereochemische Darstellung (4) ist üblich.

Wichtige Monosaccharide

Stammbaum der Aldosen und Ketosen

„Stammbaum“ der D-Aldosen. Durch Anhängen von CH–OH-Gruppen verlängert man das Grundgerüst, so dass sich weitere Zucker ableiten lassen (von Triosen mit drei C- bis Hexosen mit sechs C-Atomen). Dabei ist die Drehrichtung polarisierten Lichtes mit (+) bzw. (−) angegeben. (1) D-(+)-Glycerinaldehyd; (2a) D-(−)-Erythrose; (2b) D-(−)-Threose; (3a) D-(−)-Ribose; (3b) D-(−)-Arabinose; (3c) D-(+)-Xylose; (3d) D-(−)-Lyxose; (4a) D-(+)-Allose; (4b) D-(+)-Altrose; (4c) D-(+)-Glucose; (4d) D-(+)-Mannose; (4e) D-(−)-Gulose; (4f) D-(−)-Idose; (4g) D-(+)-Galactose; (4h) D-(+)-Talose

„Stammbaum“ der D-Ketosen. Durch Anhängen von CH–OH-Gruppen verlängert man das Grundgerüst, so dass sich weitere Zucker ableiten lassen (von Ketotriosen mit drei C- bis Ketohexosen mit sechs C-Atomen). (1) Dihydroxyaceton; (2) D-Erythrulose; (3a) D-Ribulose; (3b) D-Xylulose; (4a) D-Psicose; (4b) D-Fructose; (4c) D-Sorbose; (4d) D-Tagatose

Triosen

• Aldotriose
  • D- und L-Glycerinaldehyd (ubiquitäre Stoffwechselprodukte)
• (Ketotriose)
  • (Dihydroxyaceton) (Da das Dihydroxyaceton kein Stereozentrum aufweist, gilt es eigentlich nicht als Monosaccharid. Es ist allerdings am Kohlenhydratstoffwechsel beteiligt und bedeutsam.)

Tetrosen

• Aldotetrose
  • D-Erythrose (ubiquitäres Stoffwechselprodukt)
  • D-Threose (ubiquitäres Stoffwechselprodukt)
• Ketotetrose
  • D-Erythrulose (ubiquitäres Stoffwechselprodukt)

Pentosen

• Aldopentose
  • D-Ribose (kommt u. a. in der RNA vor)
  • D- und L-Arabinose (kommen u. a. in pflanzlichen Oligosacchariden vor)
  • D-Xylose (auch Holzzucker, Hauptbestandteil der Hemicellulosen)
  • D-Lyxose (kommt in der Natur nicht vor)
  • D-Desoxyribose (kommt u. a. in der DNA vor)

• Ketopentose
  • D-Ribulose (ubiquitäres Stoffwechselprodukt)
  • D- und L-Xylulose (erstere ist Teil des Pentosephosphatweges, letztere des Glucuronat-Stoffwechsels)

Hexosen

• Aldohexosen
  • D-Allose (kommt in der Natur nicht vor)
  • D-Altrose (sehr selten?)
  • D-Glucose (auch Traubenzucker, häufigstes Monosaccharid)
  • D-Mannose (häufiges Monosaccharid)
  • D-Gulose (kommt in der Natur nicht vor)
  • D-Idose (kommt in der Natur nicht vor)
  • D-Galaktose (auch Schleimzucker, häufiges Monosaccharid)
  • D-Talose (sehr selten, Bestandteil der von Streptomyceten gebildeten antibiotisch wirkenden Hygromycine)

• weitere physiologisch bedeutsame Hexosen
  • D-Glucuronsäure (6-Carboxy-D-glucose, häufig, liegt meist als Glucuronat oder verestert vor)
  • D-Galacturonsäure (6-Carboxy-D-galactose, liegt meist als Uronat oder verestert vor)
  • N-Acetyl-D-glucosamin (auch N-Acetylchitosamin, Monomer des Chitins, kommt ubiquitär vor)
  • D-Glucosamin (auch Chitosamin, Monomer des Chitosans)
  • N-Acetyl-D-galactosamin (auch N-Acetylchondrosamin, kommt ubiquitär vor)
  • D- und besonders L-Fucose (6-Desoxy-D- und -L-galactose, letztere kommt ubiquitär vor)
  • L-Rhamnose (6-Desoxy-L-mannose, kommt in pflanzlichen Oligosacchariden vor)
  • D-Chinovose (6-Desoxy-D-glucose, kommt z. B. in pflanzliche Oligosacchariden vor)

• Ketohexosen
  • D-Fructose, (auch Fruchtzucker, häufiges Monosaccharid)

Höhere Monosaccharide

• • D-Sedoheptulose (ein C₇-Ketozucker, ist als 7-Phosphat am Pentosephosphatweg beteiligt)
  • 3-Desoxy-D-manno-oct-2-ulosonsäure (auch 2-Keto-3-desoxyoctonsäure, KDO, ein C₈-Zucker, wichtiger Bestandteil von Lipopolysacchariden der Zelloberfläche bestimmter Bakterien)
  • D-Sialinsäure (auch N-Acetylneuraminsäure, ein C₉-Ketozucker, spielt bei der Zell-Zell-Erkennung in Glycokonjugaten eine Rolle)

Photosynthese

Der Ausgangspunkt der meisten Einfachzucker in Lebewesen ist die oxygene Photosynthese. Während dieses Prozesses wird unter Nutzung der Sonnenenergie aus CO₂ (Kohlenstoffdioxid) und den im H₂O (Wasser) enthaltenen Wasserstoffatomen Zucker aufgebaut. Bei der dazu erforderlichen Wasserspaltung wird als Abfallprodukt Sauerstoff freigesetzt.

Einfachzucker in Lebensmitteln

Einfachzucker befinden sich als Traubenzucker und Fruchtzucker in Lebensmitteln wie Obst, Honig und Süßigkeiten. Auch der sogenannte Schleimzucker in der Milch ist ein Einfachzucker. Demgegenüber sind Rohr-, Milch- oder Malzzucker Zweifachzucker. Stärke und Glycogen sind Vielfachzucker. Alle Zuckerarten müssen erst zu Einfachzuckern abgebaut werden, um ins Blut aufgenommen werden zu können. Im Rahmen einer ausgeglichenen Ernährung sollten nicht mehr als ca. 10% der Gesamtenergiemenge durch Einfachzucker aufgenommen werden. Durch die unmittelbare Resorption von Einfachzuckern schnellt der Blutzuckerspiegel in die Höhe. Dies erklärt einerseits die aufmunternde Wirkung von Süßigkeiten, aber auch die Probleme bei hohem Zuckerkonsum: Da der Blutzuckerspiegel eine enge Schwankungsbreite aufweisen muss, ist es für den Organismus erforderlich, dem schnellen Anstieg durch rasche Weiterverarbeitung entgegenzuwirken. Der Insulinspiegel steigt an und der Blutzucker wird in Glycogen und Fett umgewandelt. Ersteres ist erwünscht, da es sich um den schnellen Energiespeicher des Körpers handelt, letzteres ist unerwünscht, da das so eingelagerte Fett nur bei hohem Energieverbrauch verwertet wird. Der in die Höhe schnellende Insulinspiegel führt aufgrund der Trägheit des Systems dazu, dass der Blutzuckerspiegel wiederum zu sehr absinkt und sich ein erneutes Hungergefühl einstellt. Generell ist die Kohlenhydratversorgung durch Vielfachzucker wie v. a. Stärke zu bevorzugen, da diese im Magen-Darm-Trakt zunächst zu Einfachzuckern umgewandelt werden müssen, was zu einer deutlich langsameren Aufnahme der Kohlenhydrate führt. Eine dauerhaft überhöhte Aufnahme von Einfachzuckern kann zu Krankheitsbildern wie Diabetes mellitus oder Adipositas führen.

Siehe auch

• Kohlenhydrate