Cellulose, Pektine und Algenpolysaccharide
Aufbau, Verknüpfung und Funktion von Cellulose, Pektinen, Alginsäure und Agar und wie man diese Polysaccharide an Strukturformeln erkennt.
Das Wichtigste in Kürze
- Cellulose ist ein lineares, unverzweigtes Homoglucan aus ausschließlich β-1,4-verknüpfter β-D-Glucopyranose mit Cellobiose als Wiederholungseinheit.
- In der Haworth-Formel der Cellulose ist jeder zweite Ring gedreht, die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen zeigen abwechselnd nach oben und unten.
- Cellulose ist ein wasserunlösliches Gerüstpolysaccharid Höherer Pflanzen. Nur Cellulasen spalten sie, deshalb hat sie für den Menschen keinen Nährwert.
- Pektine sind Polyuronide aus α-1,4-verknüpfter D-Galacturonsäure, deren Carboxylgruppen teilweise als Methylester vorliegen.
- Alginsäure aus Braunalgen ist eine lineare Polyuronsäure aus (1→4)-verknüpfter β-D-Mannuronsäure und α-L-Guluronsäure.
- Agarose ist ein Galactan aus D-Galactose und 3,6-Anhydro-L-Galactose und kein Reserve-Kohlenhydrat.
Worum es geht
Neben den Speicherglykanen bauen Pflanzen und Algen Polysaccharide, die Struktur geben und Gele bilden. Cellulose, Pektin, Alginat und Agar begegnen dir in der Pharmazie als Hilfsstoffe, Gelbildner und Quellmittel, etwa als mikrokristalline Cellulose in Tabletten. Für das Examen musst du ihre Bausteine und Verknüpfungen sicher zuordnen und Cellulose an der Formel erkennen.
Cellulose: Aufbau
Cellulose ist das häufigste Biopolymer der Erde. Chemisch ist sie ein Homoglykan, genauer ein Glucan. Ihr einziger Baustein ist β-D-Glucose in der Pyranoseform. Furanoseringe, Galactose oder Uronsäuren kommen in ihr nicht vor.
Die Glucoseeinheiten sind ausschließlich β-1,4-glykosidisch verknüpft. Das anomere C-1 einer Einheit bindet über einen Sauerstoff an C-4 der nächsten. 1,3- und 1,6-Bindungen fehlen vollständig. Deshalb ist die Kette linear und unverzweigt. Anders als Amylopektin oder Glykogen entsteht Cellulose also nicht durch α-1,6-Verzweigung einer α-1,4-Kette.
Die β-Stellung hat eine geometrische Folge. Damit C-1 und C-4 zweier Nachbarn zueinanderfinden, muss jeder zweite Ring um 180° gedreht sein. Man kann sich das wie eine Kette aus Spielkarten vorstellen, die abwechselnd mit Vorder- und Rückseite liegen. So entsteht ein gestrecktes Band statt einer Schraube. Die kleinste Wiederholungseinheit ist darum ein Disaccharid, die Cellobiose.
Cellulose an der Formel erkennen
Prüfe eine vorgelegte Formel in dieser Reihenfolge:
- Baustein: An C-5 steht \(\ce{CH2OH}\), keine Carboxylgruppe. Die Ringe tragen sonst nur OH-Gruppen.
- Brücke: Der Sauerstoff verbindet C-1 mit C-4 des Nachbarrings.
- Haworth-Projektion: Die Ringe stehen abwechselnd aufrecht und auf dem Kopf. Die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppe zeigt daher abwechselnd nach oben und nach unten, die Brücke läuft im Zickzack.
- Sesselform: Alle großen Substituenten stehen äquatorial, auch beide Bindungen der glykosidischen Brücke. Die Kette wirkt flach und gestreckt.
Amylose besteht ebenfalls nur aus Glucose mit 1,4-Bindungen, diese sind aber α-ständig. Ihre Ringe sind in der Haworth-Formel alle gleich orientiert, die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen zeigen stets nach oben.
Der Aufbau der Cellulose ist ein Examensklassiker: nur β-D-Glucopyranose, nur β-1,4-Bindungen, unverzweigt. An der Formel achtest du auf die Cellobiose-Einheit mit abwechselnd gedrehten Ringen und auf \(\ce{CH2OH}\) an C-5.
Cellulose: Funktion
Cellulose ist kein Reservestoff, sondern ein Gerüstpolysaccharid. Sie bildet das tragende Gerüst der Zellwände Höherer Pflanzen. Die gestreckten Ketten lagern sich parallel aneinander. Viele Wasserstoffbrücken zwischen den OH-Gruppen verbinden sie zu reißfesten Fibrillen. Wie diese in der Wand angeordnet sind, zeigt die Einheit Cellulose als Gerüstsubstanz der Zellwand.
Diese dichte Packung erklärt, warum Cellulose trotz vieler OH-Gruppen wasserunlöslich ist. Wasser kommt zwischen die Ketten kaum hinein. Eingebettet ist das Gerüst in eine Matrix aus Pektinen und Hemicellulosen.
Abgebaut wird Cellulose durch Cellulasen, die gezielt β-1,4-Bindungen spalten. Der Mensch besitzt keine Cellulasen. Seine Amylasen greifen nur α-glykosidische Bindungen an. Native Cellulose hat für ihn deshalb keinen Nährwert und wirkt als Ballaststoff. Wiederkäuer verwerten sie nur dank cellulasebildender Mikroorganismen im Pansen. Gespeichert wird im menschlichen Körper Glykogen in Leber und Muskel, nie Cellulose.
Pektine
Pektine sind galacturonsäurehaltige Polysaccharide der pflanzlichen Zellwand. Ihre Hauptkette besteht aus α-1,4-verknüpfter D-Galacturonsäure. Galacturonsäure ist eine Uronsäure: Das C-6 der Galactose ist zur Carboxylgruppe oxidiert. Pektin ist damit ein typisches Polyuronid.
Ein Polyuronid, auch Polyuronsäure genannt, ist ein Polysaccharid, dessen Bausteine überwiegend Uronsäuren sind. Die freien Carboxylgruppen machen es sauer und befähigen es, Kationen wie \(\ce{Ca^2+}\) zu binden.
Ein Teil der Carboxylgruppen liegt als Methylester (\(\ce{COOCH3}\)) vor. Der Veresterungsgrad bestimmt, wie Pektin geliert. Hochverestertes Pektin bildet mit Zucker und Säure Gele, niederverestertes mit \(\ce{Ca^2+}\). Gewonnen wird Pektin aus Apfel- und Citrustrestern.
Pektine enthalten keine Glucose. Sie sind daher keine Polyglucoside. Auch mit Galactomannanen wie Guar haben sie nichts gemein, denn deren Kette besteht aus Mannose mit Galactose-Seitenzweigen. Die Synthese läuft im Golgi-Apparat über UDP-aktivierte Zucker. ADP-Glucose ist dagegen der aktivierte Baustein der Stärkesynthese.
Pektinbaustein erkennen
In der Haworth-Projektion siehst du einen Pyranosering, an dessen C-5 statt \(\ce{CH2OH}\) eine COOH-Gruppe oder ein Methylester sitzt. Die OH-Gruppe an C-4 zeigt nach oben, typisch für die galacto-Konfiguration. Die Brücke führt von C-1 zu C-4 des Nachbarn. Eine 1,4-verknüpfte Uronsäure, teils verestert, weist auf Pektin hin.
Alginsäure und Agar
Auch Algen bilden gelbildende Wandpolysaccharide. Pharmazeutisch wichtig sind Alginsäure aus Braunalgen und Agar aus Rotalgen. Die Algen selbst als Drogen behandelt die Übersicht zu weiteren Arzneipflanzen.
Alginsäure
Alginsäure ist eine lineare Polyuronsäure. Sie besteht ausschließlich aus β-D-Mannuronsäure und α-L-Guluronsäure, die (1→4)-glykosidisch verknüpft sind. Galactose kommt nicht vor. Guluronsäure ist das C-5-Epimer der Mannuronsäure. Beide liegen in Blöcken oder abwechselnd in der Kette. Die Stängel und Blätter von Laminaria-Arten enthalten Alginsäure als vorwiegend aus Uronsäuren bestehendes Polysaccharid.
An der Sesselformel erkennst du Alginsäure so: Jeder Ring trägt an C-5 eine COOH-Gruppe, und die Brücken verbinden C-1 mit C-4. Die Einheiten wechseln ihre Konfiguration. Die L-Guluronsäure sitzt in der umgeklappten Sesselform, ihre Brückenbindungen stehen axial. Mit \(\ce{Ca^2+}\) vernetzen die Guluronsäure-Blöcke zu festen Gelen. Alginate nutzt man daher als Verdickungsmittel und in Antirefluxmitteln.
Agar und Agarose
Agar gehört zu den Galactanen. Ein Galactan ist ein Polysaccharid, dessen Bausteine überwiegend Galactose oder deren Abkömmlinge sind. Agar ist ein Gemisch, sein gelbildender Hauptanteil heißt Agarose.
Agarose besteht überwiegend aus D-Galactose und 3,6-Anhydro-L-Galactose im Wechsel. Bei der Anhydro-Galactose verbindet eine Etherbrücke C-3 mit C-6 innerhalb desselben Rings. β-D-Galactose ist (1→4) mit der Anhydro-Galactose verknüpft. Diese bindet ihrerseits (1→3) an die nächste Galactose. Die Bindungstypen wechseln also, wie die Abbildung zeigt.
Agarose ist kein Reserve-Kohlenhydrat, sondern eine Wand- und Matrixsubstanz der Rotalgen. Agar dient als Nährboden in der Mikrobiologie und als Quellmittel. Reine Agarose ist das Trägermaterial der Gelelektrophorese.
| Polysaccharid | Bausteine | Verknüpfung | Herkunft | Erkennungsmerkmal |
|---|---|---|---|---|
| Cellulose | β-D-Glucose | β-1,4 | Höhere Pflanzen | \(\ce{CH2OH}\), Ringe abwechselnd gedreht |
| Pektin | α-D-Galacturonsäure, teils Methylester | α-1,4 | Höhere Pflanzen | COOH oder \(\ce{COOCH3}\) an C-5 |
| Alginsäure | β-D-Mannuronsäure, α-L-Guluronsäure | 1→4 | Braunalgen | nur COOH, wechselnde Konfiguration |
| Agarose | D-Galactose, 3,6-Anhydro-L-Galactose | abwechselnd 1→4 und 1→3 | Rotalgen | Anhydrobrücke |
Alginsäure trägt die Säure im Namen: Sie besteht nur aus Uronsäuren. Agar ist ein Galactan: Seine Bausteine sind Galactose und Anhydro-Galactose.
Quiz
Aussage 1
Eine 1,4-verknüpfte Pyranose-Einheit mit einer \(\ce{COOCH3}\)-Gruppe an C-5 passt zu einem Pektinbaustein.
Pektin besteht aus Galacturonsäure, deren Carboxylgruppe teilweise als Methylester vorliegt.
Aussage 2
Cellulose enthält neben β-1,4-Bindungen auch α-1,6-Verzweigungsstellen.
Cellulose ist unverzweigt und ausschließlich β-1,4-verknüpft. α-1,6-Verzweigungen kennzeichnen Amylopektin und Glykogen.
Aussage 3
Agarose dient den Rotalgen als Reserve-Kohlenhydrat.
Agarose ist eine Wand- und Matrixsubstanz aus D-Galactose und 3,6-Anhydro-L-Galactose, kein Reserve-Kohlenhydrat.
Aussage 4
In der Haworth-Projektion eines Celluloseausschnitts zeigen die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen benachbarter Glucoseeinheiten in entgegengesetzte Richtungen.
Wegen der β-1,4-Verknüpfung ist jeder zweite Ring um 180° gedreht, die \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen stehen abwechselnd oben und unten.
Aussage 5
Alginsäure ist ein lineares Polysaccharid aus (1→4)-verknüpfter β-D-Mannuronsäure und α-L-Guluronsäure.
Alginsäure ist eine Polyuronsäure aus genau diesen beiden Uronsäuren und enthält keine Galactose.
Aussage 6
Menschliche Amylasen können native Cellulose zu Glucose abbauen.
Amylasen spalten nur α-glykosidische Bindungen. Für die β-1,4-Bindungen der Cellulose braucht man Cellulasen, die der Mensch nicht besitzt.
Aussage 7
Pektine sind Polyglucoside, deren Glucoseeinheiten teilweise methyliert sind.
Pektine enthalten keine Glucose. Ihr Baustein ist α-1,4-verknüpfte D-Galacturonsäure, deren Carboxylgruppen teilweise als Methylester vorliegen.
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