Kohlenhydrate

Grundlagen und Einteilung

Kohlenhydrate sind neben Proteinen und Lipiden eine der drei wichtigsten Stoffklassen der Biomasse. Sie kommen im Stoffwechsel aller Lebewesen vor und entstehen in großem Umfang durch Photosynthese; etwa zwei Drittel der weltweiten Biomasse bestehen aus Kohlenhydraten. Die Wissenschaft von Kohlenhydraten und ihrem Stoffwechsel heißt Glycobiologie. Viele Kohlenhydrate tragen die Endung „-ose“, zum Beispiel Glucose, Fructose, Saccharose, Lactose, Raffinose, Stachyose, Amylose und Cellulose.

Chemisch sind Kohlenhydrate Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone sowie daraus abgeleitete Verbindungen. Das bedeutet: In der offenkettigen Form besitzen sie mindestens eine Aldehydgruppe oder Ketogruppe und mindestens zwei Hydroxygruppen. Häufig wird für Kohlenhydrate die Summenformel C_nH_2nO_n mit n ≥ 3 angegeben. Diese Formel gilt aber nicht für alle Vertreter, da auch abgeleitete Stoffe wie Desoxyribose, Zuckeralkohole, Zuckersäuren, Desoxyzucker, Aminozucker und Thiozucker zu den Kohlenhydraten gezählt werden können.

Kohlenhydrate werden nach der Zahl ihrer Zuckerbausteine eingeteilt. Monosaccharide sind Einfachzucker wie Glucose und Fructose. Disaccharide sind Zweifachzucker wie Saccharose, Lactose und Maltose. Oligosaccharide enthalten weniger als 10 Monosaccharideinheiten, zum Beispiel Raffinose und Stachyose. Polysaccharide sind Vielfachzucker wie Stärke, Cellulose, Chitin und Glycogen. Mono-, Di- und Oligosaccharide sind meist wasserlöslich und schmecken süß; sie werden im engeren Sinn als Zucker bezeichnet. Polysaccharide sind dagegen oft schlecht oder gar nicht wasserlöslich und geschmacksneutral.

Nach der Zahl der Kohlenstoffatome heißen Monosaccharide mit drei C-Atomen Triosen, mit vier Tetrosen, mit fünf Pentosen und mit sechs Hexosen. Außerdem unterscheidet man Aldosen, die eine Aldehydgruppe besitzen, und Ketosen, die eine Ketogruppe besitzen. Polymere aus nur einem Typ Monosaccharid heißen Homoglykane, solche aus verschiedenen Grundbausteinen Heteroglykane.

Vorkommen und wichtige Beispiele

Kohlenhydrate kommen in allen Lebewesen vor und sind ein zentraler Bestandteil des Energiestoffwechsels. Monosaccharide finden sich in höheren Konzentrationen vor allem in Früchten und Honig. Saccharose kommt besonders in Zuckerrüben und Zuckerrohr vor. Lactose findet sich in Milch und Milchprodukten. Maltose entsteht natürlich unter anderem in Honig und beim Stärkeabbau durch Speichelamylase; künstlich kommt sie in Malz und Stärkezucker vor. Raffinose und Stachyose sind in höheren Konzentrationen in Getreide, Knollen, Zwiebeln und Malz vertreten.

Stärke und Dextrine werden vor allem von Getreiden, Wurzeln, Knollen und Gemüsen gebildet. Cellulosen und Hemicellulosen werden von allen Pflanzen gebildet. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biomolekül. Da Cellulose aus Glucose aufgebaut ist, ist Glucose das häufigste Monosaccharid.

Wichtige Monosaccharide sind Glucose, auch Traubenzucker oder veraltet Dextrose, Fructose, auch Fruchtzucker oder veraltet Lävulose, Ribose als Bestandteil der RNA, Desoxyribose als Bestandteil der DNA, Galactose, Fucose und Rhamnose. Wichtige Disaccharide sind Saccharose aus Glucose und Fructose, Lactose aus Galactose und Glucose, Maltose aus Glucose und Glucose sowie Trehalose und Cellobiose. Wichtige Polysaccharide sind Stärke, Amylose, Amylopektin, Agarose, Cellulose, Glycogen, Hyaluronsäure, Chitin, Callose, Fructane, Dextrane, Pektine und Cyclodextrine.

Struktur und chemische Reaktionen

Eine zentrale Bindung in Kohlenhydraten ist die glycosidische Bindung. Sie verbindet zwei Monosaccharide miteinander oder ein Monosaccharid mit einer Hydroxygruppe, Aminogruppe, Thiolgruppe oder Selenogruppe eines anderen Moleküls. Das dabei gebildete cyclische Vollacetal eines Zuckers heißt Glycosid.

Pentosen und Hexosen können ringförmige Strukturen bilden. Dabei können Fünfringe und Sechsringe entstehen; außerdem entsteht ein neues Chiralitätszentrum. Ein Chiralitätszentrum ist ein Atom, an dem verschiedene räumliche Anordnungen möglich sind. Für ein Monosaccharid ergeben sich dadurch mehrere Isomere, also Moleküle mit gleicher Summenformel, aber unterschiedlicher Struktur. Pyranosen sind ringförmige Monosaccharide mit 6 Atomen im Ring. Sie können eine Wannen- oder Sesselkonformation einnehmen, wobei die Sesselkonformation energetisch günstiger ist.

In Wasser stellt sich bei gelösten Kohlenhydraten innerhalb von Minuten bis Stunden ein Gleichgewicht verschiedener Formen ein. Durch einen intramolekularen Angriff einer Hydroxygruppe auf das Carbonylkohlenstoffatom entsteht ein cyclisches Halbacetal. Dabei bilden sich vor allem Sechsringe, die Pyranoseform, und in geringerem Maß Fünfringe, die Furanoseform. Die beiden Formen am neu entstandenen anomeren Kohlenstoffatom werden als α und β bezeichnet. Bei Glucose besteht das Gleichgewicht in Wasser aus etwa 38 % α-Glcp, 62 % β-Glcp, 0 % α-Glcf, 0,14 % β-Glcf und 0,002 % offenkettiger Form. Die Änderung des Drehwertes heißt Mutarotation. Bei glycosidisch gebundenen Monosacchariden tritt keine Mutarotation auf.

Aldosen können am ersten C-Atom zu Aldonsäuren oxidiert werden, zum Beispiel Glucose zu Gluconsäure. Eine Oxidation am letzten C-Atom führt zu Uronsäuren, zum Beispiel Glucuronsäure. Stärkere Oxidation kann Arsäuren mit zwei Carboxygruppen bilden, etwa Glucarsäure aus Glucose. Wird die Carbonylfunktion zur Hydroxygruppe reduziert, entstehen Alditole, auch Zuckeralkohole genannt, zum Beispiel Sorbit.

Beim Erhitzen sind Karamellisierung und Maillard-Reaktion wichtige Reaktionen. Bei der Maillard-Reaktion reagieren Kohlenhydrate mit Aminen, etwa aus Aminosäuren oder Proteinen. Dabei entstehen unter anderem Amadori-Produkte oder bei Ketozuckern Heyns-Produkte. Diese nichtenzymatische Reaktion ist im Organismus an Alterungsprozessen beteiligt und spielt beim Braten und Kochen eine wichtige Rolle für Bräunung und Geschmack.

Aufgaben im Körper und Stoffwechsel

Kohlenhydrate sind ein großer verwertbarer und nicht verwertbarer Anteil der Nahrung. Verwertbare Kohlenhydrate dienen vor allem als Energieträger; nicht verwertbare Kohlenhydrate sind Ballaststoffe. Daneben spielen Kohlenhydrate eine Rolle bei biologischen Signal- und Erkennungsprozessen, zum Beispiel bei Zellkontakten und Blutgruppen, beim Schutz vor mechanischer Belastung, etwa durch Glykosaminoglykane im Knorpelgewebe, und als Stützsubstanz, besonders bei Pflanzen. Alle Zellen tragen außen an der Zellmembran eine Kohlenhydratschicht, die Glykokalyx. Die Gesamtheit der Kohlenhydrate einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt heißt Glykom; seine Erforschung heißt Glykomik.

Kohlenhydrate sind für den Menschen nicht essentiell, weil der Körper sie durch Gluconeogenese unter Energieaufwand aus anderen Nahrungsbestandteilen wie Proteinen und Glycerin herstellen kann. Trotzdem ist Glucose für den Körper sehr wichtig, da besonders das Gehirn stark von Glucose als Energieträger abhängig ist und Fette nicht direkt verwerten kann. Der Blutzuckerspiegel muss deshalb in engen Grenzen gehalten werden. Das geschieht durch das Zusammenspiel der Hormone Insulin und Glucagon. Der Energiegehalt von 1 Gramm Kohlenhydrat beträgt rund 17,2 Kilojoule oder 4,1 Kilokalorien.

Monosaccharide dienen als Bausteine und Energielieferanten. Desoxyribose und Ribose werden für DNA beziehungsweise RNA benötigt. Glucose, Fructose und Galactose dienen der Energiegewinnung. Oligosaccharide werden häufig an Proteine und Lipide angehängt; dabei entstehen Glycoproteine und Glycolipide. Polysaccharide können Speicherstoffe oder Strukturstoffe sein. Glycogen ist der Speicherstoff in Tieren, Amylose und Amylopektin sind Bestandteile der pflanzlichen Stärke, Cellulose und Hemicellulose wirken als Gerüststoffe in Pflanzen.

Pflanzen bilden Einfachzucker im Calvin-Zyklus durch Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Zur Speicherung oder zum Zellaufbau werden diese Einfachzucker zu Mehrfachzuckern verknüpft. Tiere bilden Glucose durch Gluconeogenese, vor allem in Leber und Muskeln, aus anderen Metaboliten. Bei starker Muskelarbeit kann im Muskel Glycolyse stattfinden, während die Leber aus Lactat wieder Glucose bildet; dieser Zusammenhang heißt Cori-Zyklus.

Ernährung, Verdauung und Energiegewinnung

Beim Menschen werden 98 % der resorbierbaren Kohlenhydrate, also der Nicht-Ballaststoffe, verstoffwechselt. Wichtige kohlenhydratreiche Grundnahrungsmittel sind Getreide wie Reis, Weizen, Mais, Hirse, Roggen und Hafer sowie daraus hergestellte Lebensmittel wie Brot, Nudeln und Kuchen. Auch Kartoffeln, Erbsen, Bohnen und Linsen enthalten viele Kohlenhydrate.

Viele Kohlenhydrate der Nahrung liegen als längere Ketten vor. Verdauungsenzyme müssen diese Ketten im Verdauungstrakt in kleinere Bruchstücke und schließlich in Monosaccharide zerlegen. Glycosidasen spalten Kohlenhydrate zu Monosacchariden. Für die Aufnahme von Monosacchariden gibt es bei Eukaryoten drei Gruppen von Transportproteinen: Glucosetransporter (GLUT), Natrium/Glucose-Cotransporter (SGLT) und SWEET. Der glykämische Index (GI) beschreibt, wie schnell Stärke zerlegt und Glucose aufgenommen wird.

Nichtresorbierbare Kohlenhydrate heißen Ballaststoffe. Cellulose ist für den Menschen unverdaulich, weil Menschen keine Cellulase bilden. Wiederkäuer wie Rinder, Schafe und Ziegen können Cellulose dagegen mithilfe von Mikroorganismen in ihren Vormägen verwerten. Nichtresorbierbare Oligosaccharide erhöhen den Wassergehalt im Stuhl und werden teilweise von der Darmflora fermentiert.

Die Gesellschaften für Ernährung in Deutschland, Österreich und der Schweiz empfehlen einen Kalorienanteil von Kohlenhydraten in der Nahrung von über 50 %. Die EFSA empfiehlt 45–60 %, in den USA werden 45–65 % empfohlen, und die WHO empfiehlt 55–75 %. Die WHO empfiehlt außerdem, dass Zucker nicht mehr als 10 % der täglichen Energieaufnahme liefern soll. Bei längerfristiger starker körperlicher Betätigung werden 30 bis 60 g Kohlenhydrate pro Stunde empfohlen, bei mehr als 2,5 Stunden Dauer 90 g pro Stunde.

Die unmittelbare Energiewährung der Zelle ist ATP. Kohlenhydrate liefern schnell Energie, auch bei Sauerstoffmangel. Monosaccharide wie Glucose, Fructose, Galactose und Mannose werden in der Glycolyse abgebaut. Bei Sauerstoffanwesenheit folgt der Citrat-Zyklus und die Atmungskette; dabei entsteht der größte Teil des ATP. Unter Sauerstoffmangel findet in Tieren Milchsäuregärung zu Lactat statt, in Hefen alkoholische Gärung zu Ethanol. Gärungen liefern weniger Energie als Zellatmung, werden aber zur Herstellung von Lebensmitteln genutzt, etwa Joghurt, Quark, Buttermilch, Sauerteig, Käse, Bier, Wein und Schnäpsen.

Gesundheit, Nachweis und Verwendung

Eine eigenständige Erkrankung des Menschen durch das Fehlen von Kohlenhydraten ist unbekannt. Eine übermäßige Aufnahme von Kohlenhydraten, besonders von Zuckern, ist jedoch mit einem erhöhten Risiko für Übergewicht, metabolisches Syndrom und Diabetes mellitus Typ 2 verbunden. Das Risiko für Typ-2-Diabetes kann durch Kohlenhydrate mit niedrigem glykämischem Index, Ballaststoffe, Fette mit ungesättigten Fettsäuren, fettarme Proteinquellen sowie durch weniger Zucker und weniger Polysaccharide mit hohem glykämischem Index gesenkt werden. Zucker kann außerdem Karies verursachen. Eine Schutzwirkung von Kohlenhydraten mit niedrigem glykämischem Index vor Herz-Kreislauf-Erkrankungen konnte nicht bestätigt werden. Weitere Störungen des Kohlenhydratstoffwechsels sind unter anderem Glykogenspeicherkrankheiten, Von-Gierke-Krankheit, Fructosurie, Galaktosämie und Diabetes renalis.

Kohlenhydrate können analytisch durch Chromatographie oder Gelelektrophorese isoliert werden, etwa durch Größenausschlusschromatographie oder Kapillarelektrophorese. In konzentrierten Zuckerlösungen kann die Konzentration mit einem Polarimeter bestimmt werden, bei Zuckermischungen mit einem Refraktometer, zum Beispiel bei der Oechsle-Bestimmung in der Weinherstellung, bei der Stammwürze im Bierbrauen oder beim Wassergehalt von Honig. Klassische Nachweise sind die Fehling-Probe für reduzierende Zucker, die Barfoedsche Probe zur Unterscheidung von Mono- und Mehrfachzuckern, die Seliwanow-Probe zur Unterscheidung von Aldosen und Ketosen, die Iodprobe mit Lugol-Lösung für Stärke und Chitin sowie die Chlorzinkiodprobe für Cellulose. Moderne Methoden koppeln chromatographische Trennverfahren oder Kapillarelektrophorese mit Massenspektrometrie; auch FT-Infrarotspektroskopie, FT-Raman-Spektroskopie und Kernspinmagnetresonanzspektroskopie werden eingesetzt.

Industriell werden Kohlenhydrate vor allem aus agrarwirtschaftlich erzeugten Getreiden gewonnen und zählen zu den nachwachsenden Rohstoffen. Stärke ist ein Hauptbestandteil von Mehl und mehlhaltigen Lebensmitteln. Zucker wie Glucosesirup, Isoglucose und Saccharose dienen als Süßungsmittel. Gereinigte Polysaccharide sind zum Beispiel Maisstärke, Weizenstärke, Kartoffelstärke und Zellstoff. Cellulose aus Baumwolle, Flachs und anderen Pflanzenfasern wird für Textilien, Papier, Karton und Cellulose-Ethanol genutzt. Umgewandelte Cellulosen dienen zur Herstellung von Viskose, Modal, Lyocell und Cupro. In der Medizin wird Glucose für Infusionslösungen verwendet; manche Kohlenhydrate dienen als Ausgangsstoffe für Zytostatika und Antibiotika oder besitzen wie Heparin eine Blutgerinnungshemmung.