Kohlenhydrate: Aufbau, Bindungen und Nachweise

Monosaccharide werden zur Erklärung häufig als offene Kohlenstoffketten gezeichnet. In wässriger Lösung liegen viele von ihnen jedoch überwiegend als Ringe vor. Bei Glucose reagiert die Aldehydgruppe am ersten Kohlenstoffatom innerhalb desselben Moleküls mit einer Hydroxygruppe. Dabei entsteht ein sechsgliedriger Ring und am früheren Carbonyl-Kohlenstoff ein neues räumliches Zentrum. Die hier betrachtete sechsgliedrige Ringform der D-Glucose hat eine α-Form und eine β-Form. In einer üblichen Ringdarstellung der D-Glucose gilt: anomere OH-Gruppe nach unten: α-Glucose; anomere OH-Gruppe nach oben: β-Glucose. Die Ringform kann sich vorübergehend öffnen und erneut schließen. Dadurch können α- und β-Form ineinander übergehen. Dieser Vorgang erklärt auch, warum eine kleine Menge der reaktionsfähigen offenen Form verfügbar bleibt. Monosaccharide können über eine glykosidische Bindung miteinander verknüpft werden. Dabei ist das anomere Kohlenstoffatom mindestens eines Zuckerbausteins beteiligt. Die vereinfachte Stoffbilanz für Saccharose lautet in Worten: α-Glucose + β-Fructose → Saccharose + Wasser.

Die umgekehrte Reaktion heißt Hydrolyse. Dabei wird unter Aufnahme von Wasser eine glykosidische Bindung gespalten. In Worten: Saccharose + Wasser → Glucose + Fructose.

Kondensation: Bei einer Kondensationsreaktion verbinden sich Moleküle, während ein kleines Molekül abgespalten wird. Bei der Verknüpfung zweier Zuckerbausteine wird Wasser abgespalten.

Bei Saccharose sind die anomeren Zentren beider Bausteine an der Bindung beteiligt. Es bleibt kein freies anomeres Zentrum. Daher ist sie ohne vorherige Spaltung beim Fehling-Nachweis nicht reduzierend. Maltose besitzt dagegen ein freies anomeres Zentrum und kann ihre Ringform öffnen; sie reagiert reduzierend.

Stärke, Glykogen und Cellulose bestehen alle aus Glucose. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich, weil α- oder β-Glucose verwendet wird und weil Bindungsstellen sowie Verzweigungen verschieden sind. Die Zahlen bezeichnen die Kohlenstoffatome, über die zwei Glucoseeinheiten verbunden sind. Eine 1,4-Bindung verbindet also das erste Kohlenstoffatom einer Einheit mit dem vierten der nächsten. Eine 1,6-Bindung erzeugt eine Verzweigungsstelle. Stärke besteht aus unverzweigter, schraubenförmiger Amylose (α-1,4) und verzweigtem Amylopektin (α-1,4 und α-1,6). Glykogen ist stärker verzweigt als Amylopektin. An vielen Kettenenden können Enzyme gleichzeitig Glucoseeinheiten abspalten. Das unterstützt seine Funktion als schnell verfügbarer Speicher. Der Fehling-Nachweis zeigt in geeigneten Zuckerproben reduzierende Zucker an, etwa Glucose, Maltose und Lactose. Auch andere reduzierende Stoffe können reagieren. Der Test ist daher kein ausschließlich für Glucose spezifischer Nachweis. Fehling-Lösung I enthält Kupfersulfat, Fehling-Lösung II Natronlauge. Beim Erwärmen im Wasserbad reduziert der Zucker in dieser alkalischen Mischung die blauen Kupfer(II)-Teilchen. Es entsteht orange-rotes Kupfer(I)-oxid als Niederschlag. Der Zucker wird dabei oxidiert. Auch Ketosen wie Fructose können unter den alkalischen Bedingungen des Nachweises über Umlagerungen reagieren. Die einfache Aussage „Nur Aldosen reagieren positiv“ ist deshalb für den Fehling-Test zu eng. Kontrollen: Ein aussagekräftiger Versuch braucht neben der unbekannten Probe zwei Kontrollen: Positivkontrolle: eine bekannte Glucoselösung; sie muss den orange-roten Niederschlag liefern. Negativkontrolle: Wasser; es muss blau bleiben und darf keinen orange-roten Niederschlag bilden. Erst wenn beide Kontrollen das erwartete Ergebnis zeigen, lässt sich die unbekannte Probe sinnvoll auswerten.

Beispiel für die Auswertung: Die Positivkontrolle bildet einen orange-roten Niederschlag, die Negativkontrolle bleibt blau. Auch die unbekannte Probe bildet einen orange-roten Niederschlag. Unter diesen Bedingungen wurde ein reduzierender Stoff nachgewiesen; welcher es ist, bleibt offen.

Iod-Kaliumiodid-Lösung kann bei Stärke eine blau-violette bis schwarze Färbung auslösen. Iodteilchen lagern sich in die Schrauben der Amylose ein; dadurch entsteht die charakteristische Farbe. Auch hier machen Kontrollen die Auswertung zuverlässig: Eine bekannte Stärkelösung oder stärkehaltige Probe dient als Positivkontrolle. Wasser dient als Negativkontrolle. Ein Lebensmittel ist meist ein Stoffgemisch. Ein positiver Stärkenachweis bedeutet daher nicht, dass die gesamte Probe aus Stärke besteht. Er zeigt nur, dass Stärke enthalten ist. Sicherheit: Fehling-Lösung II enthält Natronlauge und verätzt Haut und Augen; Fehling-Lösung I enthält Kupfersulfat, das beim Verschlucken gesundheitsschädlich ist. Fehling- und Iod-Nachweise führt die Lehrkraft im Chemieunterricht nach ihrer Gefährdungsbeurteilung als Demonstration vor; alle Anwesenden tragen Schutzbrille. Erhitzt wird vorsichtig im Wasserbad, und die Öffnung des Reagenzglases zeigt nie auf Personen. Kupfer- und iodhaltige Reste kommen in die vorgesehenen Abfallbehälter; nichts wird probiert.

Um ein Kohlenhydrat fachlich zu beschreiben, verbindest du mehrere Beobachtungen statt dich auf einen einzelnen Namen zu verlassen. Bestimme zuerst, ob der Stoff aus einer oder mehreren Zuckereinheiten besteht. Betrachte dann die anomeren Zentren und Bindungsstellen. Beschreibe, ob das Molekül kurz, lang, unverzweigt oder verzweigt ist. Leite daraus ab, ob sich ein Ring öffnen oder ein Enzym die Bindung spalten kann und ob der Stoff reduzierend ist. Werte zuletzt die Probe zusammen mit Positiv- und Negativkontrolle aus.