Glykosidische Bindung und Disaccharide
Die glykosidische Bindung als Acetal sowie Aufbau und Spaltung der wichtigen Disaccharide Saccharose, Maltose, Cellobiose, Lactose und Lactulose.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine glykosidische Bindung verknüpft das anomere C eines Zuckers über Sauerstoff mit einem Alkohol oder Zucker und ist chemisch ein Acetal.
- Glucose bildet mit ethanolischem \(\ce{HCl}\) α- und β-Ethylglucopyranosid (Anomere); D-Glucosamin ist ein Aminozucker ohne Aminalstruktur.
- Saccharose besteht aus α-D-Glucopyranose und β-D-Fructofuranose, verknüpft über C-1 und C-2.
- Die protonenkatalysierte Hydrolyse der Saccharose ist eine Acetalspaltung und liefert Glucose und Fructose, den linksdrehenden Invertzucker.
- Maltose ist Glc-α-1,4-Glc, Cellobiose Glc-β-1,4-Glc, Lactose Gal-β-1,4-Glc; Lactose und Saccharose haben beide die Masse 342,30.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Zucker verknüpfen sich über ihr anomeres C-Atom mit Alkoholen oder mit einem zweiten Zucker. So entstehen Glykoside und Disaccharide wie Saccharose oder Lactose, die in der Pharmazie als Hilfsstoffe in Tabletten und Sirupen überall vorkommen. Wer ihre Bindung als Acetal erkennt, versteht auch, wie und warum sie sich spalten lässt.
Glykoside als Acetale
Im Ring eines Monosaccharids ist das anomere C-Atom ein Halbacetal-C. Es trägt den Ringsauerstoff und eine OH-Gruppe. Mit einem Alkohol und Säure als Katalysator tauscht sich diese OH-Gruppe gegen eine OR-Gruppe aus. Aus dem Halbacetal wird ein Vollacetal, genau wie bei der allgemeinen Acetalbildung.
Ein Glykosid entsteht, wenn die OH-Gruppe am anomeren C eines Zuckers durch eine OR-Gruppe ersetzt wird. Die Bindung vom anomeren C über den Sauerstoff zum Rest heißt glykosidische Bindung. Chemisch ist sie ein Acetal.
Der Rest R kann ein einfacher Alkohol sein oder ein zweiter Zucker. Im zweiten Fall entsteht ein Disaccharid, bei vielen Gliedern ein Polysaccharid. Deshalb sind die Bindungen in Saccharose ebenso Acetale wie die in Cellulose.
Methyl- und Ethylglykoside
Erhitzt man Glucose in Methanol mit Chlorwasserstoff, entsteht Methylglucosid. Die \(\ce{OCH3}\)-Gruppe an C-1 sieht aus wie ein Ether. Zusammen mit dem Ringsauerstoff am selben C-Atom bildet sie aber eine Acetalfunktion. Deshalb lässt sie sich mit wässriger Säure wieder abspalten, ganz anders als ein gewöhnlicher Ether.
Mit ethanolischem \(\ce{HCl}\) reagiert Glucose analog zum Ethylglucosid:
\[\ce{C6H12O6 + C2H5OH ->[H+] C6H11O5-OC2H5 + H2O}\]
Das Zwischenprodukt ist ein planares Oxocarbenium-Ion. Ethanol greift es von beiden Seiten an. So entstehen α- und β-Ethylglucopyranosid nebeneinander. Sie unterscheiden sich nur am anomeren Zentrum und sind damit Anomere, also spezielle Epimere an C-1. Anders als freie Glucose zeigen die Glykoside keine Mutarotation, denn das Acetal öffnet sich ohne Säure nicht.
Aminozucker sind keine Aminale
D-Glucosamin ist ein Aminozucker. Bei ihm ersetzt eine \(\ce{NH2}\)-Gruppe die OH-Gruppe an C-2. Das anomere C-1 bleibt ein gewöhnliches Halbacetal. Ein Aminal bräuchte zwei Stickstoffatome am selben C-Atom, deshalb besitzt Glucosamin keine Aminalstruktur.
Saccharose
Saccharose ist der Rohrzucker aus Zuckerrohr und Zuckerrüben. Das Disaccharid besteht aus α-D-Glucopyranose und β-D-Fructofuranose. Die Glucose liegt also als Sechsring vor, die Fructose als Fünfring. Saccharose besteht damit nicht nur aus Glucose, sie enthält aber eine Glucose-Partialstruktur.
Die glykosidische Bindung verbindet C-1 der Glucose mit C-2 der Fructose. Beide anomeren C-Atome sind dadurch verbraucht. Von der Glucose aus gesehen ist die Bindung α-glykosidisch, von der Fructose aus β-glykosidisch. Der systematische Name lautet α-D-Glucopyranosyl-(1→2)-β-D-fructofuranosid. Weil kein Halbacetal übrig bleibt, gehört Saccharose zu den nichtreduzierenden Zuckern.
Saure Hydrolyse als Acetalspaltung
In wässriger Säure zerfällt Saccharose in ihre Bausteine. Das ist eine Hydrolyse, denn Wasser wird eingebaut. Gespalten wird das Acetal und keine Esterbindung, denn neben dem Brückensauerstoff steht keine Carbonylgruppe. Die Reaktion ist protonenkatalysiert: Das Proton wird am Ende zurückgebildet.
- Protonierung: \(\ce{H+}\) lagert sich an den glykosidischen Sauerstoff an.
- Spaltung: Die Bindung zum anomeren C bricht. Ein Monosaccharid wird frei, am anderen bleibt ein Oxocarbenium-Ion.
- Wasseraddition: Wasser greift das Kation an. Nach Abgabe von \(\ce{H+}\) liegt wieder ein Halbacetal vor.
Die Bilanz liefert zwei isomere Hexosen:
\[\ce{C12H22O11 + H2O ->[H+] C6H12O6 + C6H12O6}\]
Es entstehen D-Glucose und D-Fructose im Verhältnis 1:1. Maltose kann dabei nicht auftreten, weil Saccharose nur einen Glucosebaustein enthält. Auch der salzsaure Magensaft hydrolysiert Saccharose. Den Hauptteil der Verdauung übernimmt im Dünndarm das Enzym Saccharase.
Saccharose und Lactose haben dieselbe Summenformel \(\ce{C12H22O11}\) und damit dieselbe relative Molekülmasse. Das gilt für jedes Disaccharid aus zwei Hexosen. Zwei Moleküle \(\ce{C6H12O6}\) mit je 180,16 ergeben 360,32. Abzüglich 18,02 für das abgespaltene Wasser bleiben 342,30.
Invertzucker
Das Gemisch aus gleichen Teilen Glucose und Fructose heißt Invertzucker. Der Name beschreibt den Drehsinn. Saccharose dreht polarisiertes Licht nach rechts, ihre spezifische Drehung beträgt etwa +66,5°. Fructose dreht mit etwa −92° stark nach links, Glucose mit +52,7° nach rechts. Im Gemisch überwiegt die Fructose, das Hydrolysat dreht mit rund −20° nach links. Während der Spaltung kehrt sich das Vorzeichen also um. Honig besteht zum großen Teil aus Invertzucker.
Invertiert wird nur das Vorzeichen der Drehung, nicht die Konfiguration. Invertzucker ist das Hydrolysat aus D-Glucose und D-Fructose. Mit dem Spiegelbild der Saccharose hat er nichts zu tun, alle Bausteine bleiben D-Zucker.
Der Aufbau der Saccharose aus α-D-Glucopyranose und β-D-Fructofuranose wird im Examen gerne gefragt. Achte auf die Ringgrößen: Fructose ist hier der Fünfring. Die saure Spaltung ist eine Acetalhydrolyse und liefert Glucose und Fructose.
Maltose, Lactose, Cellobiose
Die übrigen wichtigen Disaccharide sind anders gebaut als Saccharose. Bei ihnen verknüpft sich das anomere C-1 des ersten Zuckers mit der OH-Gruppe an C-4 des zweiten. Man spricht von einer 1,4-glykosidischen Bindung. Der zweite Baustein behält sein anomeres C als freies Halbacetal.
| Disaccharid | Bausteine | Verknüpfung | Herkunft |
|---|---|---|---|
| Maltose (Malzzucker) | 2 × D-Glucose | α-1,4 | Abbau von Stärke |
| Cellobiose | 2 × D-Glucose | β-1,4 | Abbau von Cellulose |
| Lactose (Milchzucker) | D-Galactose + D-Glucose | β-1,4 | Milch |
| Lactulose | D-Galactose + D-Fructose | β-1,4 | aus Lactose durch Isomerisierung |
Die Bausteine von Maltose und Lactose solltest du sicher können. Maltose ist Glc-α-1,4-Glc, Lactose ist Gal-β-1,4-Glc. Beide enthalten Glucose, aber keine Fructose. Maltose ist wie alle diese Disaccharide aus chiralen D-Zuckern aufgebaut und daher optisch aktiv.
α- oder β-glykosidisch
Maltose und Cellobiose bestehen beide aus zwei D-Glucose-Einheiten. Sie unterscheiden sich nur in der Konfiguration am anomeren C-1 des ersten Bausteins. In der Maltose ist die Bindung α-glykosidisch und steht in der Sesselform axial. In der Cellobiose ist sie β-glykosidisch und steht äquatorial. Lactose ist ebenfalls β-verknüpft, ihr erster Baustein ist aber Galactose. Galactose ist das C-4-Epimer der Glucose, ihre OH-Gruppe an C-4 steht axial.
Dieser kleine Unterschied hat große Folgen. Enzyme passen zur Konfiguration wie ein Schlüssel zum Schloss. Amylasen spalten die α-Bindungen der Stärke bis zur Maltose. Die β-Bindungen der Cellulose kann der Mensch nicht spalten. Für Lactose braucht er ein eigenes Enzym, die Lactase. Fehlt sie, entsteht eine Lactoseintoleranz.
Malz kommt aus Stärke, und Stärke ist α. Cellobiose kommt aus Cellulose, und Cellulose ist β. Im Milchzucker steht die Galactose vorn, die Glucose hinten.
Lactulose
Lactulose ist ein weiteres Disaccharid, aufgebaut aus D-Galactose und D-Fructose. Der Dünndarm kann es nicht spalten. Es bindet osmotisch Wasser, und im Dickdarm vergären Bakterien es zu kurzkettigen Säuren. Deshalb wirkt Lactulose als Abführmittel.
Quiz
Aussage 1
Die Spaltung von Saccharose in wässriger Salzsäure ist eine protonenkatalysierte Hydrolyse eines Acetals.
Wasser wird eingebaut, Protonen katalysieren, und gespalten wird die glykosidische Acetalbindung, keine Esterbindung.
Aussage 2
In der Saccharose liegt die Fructoseeinheit als Pyranose vor.
Die Fructose liegt als β-D-Fructofuranose vor, also als Fünfring. Die Glucose ist der Pyranosering.
Aussage 3
Saccharose und Lactose besitzen die gleiche relative Molekülmasse.
Beide haben die Summenformel \(\ce{C12H22O11}\) und damit die Masse 342,30.
Aussage 4
Maltose besteht aus zwei α-1,4-glykosidisch verknüpften D-Glucose-Einheiten.
Maltose ist Glc-α-1,4-Glc und enthält keine Fructose.
Aussage 5
Lactose ist aus D-Galactose und D-Fructose aufgebaut.
Lactose besteht aus D-Galactose und D-Glucose (Gal-β-1,4-Glc). Galactose und Fructose bilden die Lactulose.
Aussage 6
Methylglucosid trägt am anomeren C-Atom eine Acetalfunktion.
Die \(\ce{OCH3}\)-Gruppe bildet zusammen mit dem Ringsauerstoff am selben C-Atom ein Acetal und lässt sich deshalb sauer hydrolysieren.
Aussage 7
Invertzucker ist ein Gemisch aus D- und L-Saccharose.
Invertzucker ist das 1:1-Gemisch aus D-Glucose und D-Fructose. Der Name bezieht sich auf die Umkehr des Drehsinns von rechts nach links.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.