Monosaccharide

Grundbegriff und Bedeutung

Monosaccharide, auch Einfachzucker genannt, sind eine Stoffgruppe organisch-chemischer Verbindungen. Sie sind Produkte der partiellen Oxidation mehrwertiger Alkohole. Ihr Grundgerüst ist eine Kette aus mindestens zwei Kohlenstoffatomen; außerdem besitzen sie eine Carbonylgruppe und mindestens eine Hydroxygruppe.

Monosaccharide sind die Bausteine aller Kohlenhydrate. Sie können sich zu Disacchariden (Zweifachzuckern), Oligosacchariden (Mehrfachzuckern) oder Polysacchariden (Vielfachzuckern) verbinden. Besonders wichtig für den Stoffwechsel sind Glucose, Fructose und Galactose. Sie dienen als Energieträger und auch als Zellbausteine.

Aufbau und Einteilung

Jeder Einfachzucker besteht aus einer Kette von Kohlenstoffatomen. Diese Kette kann offen, also nichtcyclisch, oder ringförmig geschlossen, also cyclisch, sein.

Nach der Zahl der Kohlenstoffatome unterscheidet man Diosen mit 2, Triosen mit 3, Tetrosen mit 4, Pentosen mit 5, Hexosen mit 6, Heptosen mit 7, Octosen mit 8 und Nonosen mit 9 Kohlenstoffatomen. Die kleinsten Einfachzucker im engeren Sinn, die Triosen, haben drei Kohlenstoffatome. In der Natur wurden bisher Einfachzucker mit höchstens neun Kohlenstoffatomen beobachtet. Am häufigsten kommen Hexosen und Pentosen vor.

In der offenkettigen Form sitzt an einem Kohlenstoffatom ein doppelt gebundenes Sauerstoffatom, also eine Carbonylgruppe. Liegt diese Carbonylgruppe am Ende der Kohlenstoffkette, handelt es sich um eine Aldehydgruppe; der Zucker heißt dann Aldose. Liegt die Carbonylgruppe innerhalb der Kette, ist es eine Ketogruppe; der Zucker heißt dann Ketose. Beide Einteilungen kann man kombinieren: Ein Einfachzucker mit sechs Kohlenstoffatomen und Aldehydgruppe ist eine Aldohexose.

Bei offenkettigen Monosacchariden ausreichender Länge können cyclische Formen entstehen. Der Ringschluss erfolgt von der Carbonylgruppe zu einer Hydroxygruppe (OH-Gruppe). Der Ring enthält Kohlenstoffatome und ein Sauerstoffatom. Fünfringe heißen Furanosen, Sechsringe Pyranosen. Cyclische Monosaccharide aus Aldosen sind Halbacetale, solche aus Ketosen Halbketale.

Für die einfachsten Monosaccharide gilt die allgemeine Summenformel C_{n}H_{2n}O_{n}. Auch Derivate zählen zu den Monosacchariden, zum Beispiel Aminozucker wie Glucosamin und Desoxyzucker wie Desoxyribose; sie entsprechen jedoch nicht dieser allgemeinen Summenformel.

Räumliche Struktur

Neben der Lage der Carbonylgruppe ist die räumliche Anordnung der OH-Gruppen wichtig. Bei einer Aldohexose sind vier Kohlenstoffatome unterscheidbar, je nachdem ob ihre OH-Gruppe rechts oder links angeordnet ist. Dadurch gibt es 16, also 2^{4}, verschiedene Stereoisomere einer Aldohexose. Stereoisomere haben die gleiche Summenformel, unterscheiden sich aber in der räumlichen Anordnung; dadurch unterscheiden sie sich im Stoffwechsel und in der optischen Aktivität.

Die Zahl der theoretisch möglichen Stereoisomere verfünffacht sich zusätzlich, weil neben der offenkettigen Form auch Furanose- oder Pyranose-Formen mit α- beziehungsweise β-Konfiguration entstehen können.

Für die Darstellung der Stereochemie gibt es mehrere gleichberechtigte Schreibweisen. In der Fischer-Projektion werden die C–C-Bindungen senkrecht übereinander dargestellt; Substituenten wie Wasserstoffatome und Hydroxygruppen stehen rechts oder links und liegen gedanklich oberhalb der Papierebene. Die D- oder L-Konfiguration wird durch die Hydroxygruppe am chiralen Kohlenstoffatom bestimmt, das am weitesten vom anomeren C-Atom entfernt ist: rechts bedeutet D-Konfiguration, links bedeutet L-Konfiguration.

Cyclische Formen können in der Tollens-Ringformel dargestellt werden, diese ist aber oft unübersichtlich. Die Haworth-Darstellung zeigt den Ring als „auf die Seite gelegte“ und aufgerollte Fischer-Projektion. Gruppen, die in der Fischer-Projektion links stehen, zeigen im Haworth-Ring nach oben; rechts stehende Gruppen zeigen nach unten. Noch realistischer ist die Konformationsformel, weil sie die gewinkelte Anordnung der Kohlenstoffkette zeigt. Auch stereochemische Ansichten sind üblich.

Wichtige Arten und Beispiele

Die wichtigsten Monosaccharide lassen sich nach Kettenlänge und nach Aldosen oder Ketosen ordnen. Bei den D-Aldosen kann man durch Anhängen von CH–OH-Gruppen längere Zucker ableiten, von Triosen bis Hexosen. Genannt werden unter anderem D-(+)-Glycerinaldehyd, D-(−)-Erythrose, D-(−)-Threose, D-(−)-Ribose, D-(−)-Arabinose, D-(+)-Xylose, D-(−)-Lyxose sowie die D-Hexosen D-(+)-Allose, D-(+)-Altrose, D-(+)-Glucose, D-(+)-Mannose, D-(−)-Gulose, D-(−)-Idose, D-(+)-Galactose und D-(+)-Talose. Bei den D-Ketosen werden unter anderem Dihydroxyaceton, D-Erythrulose, D-Ribulose, D-Xylulose, D-Psicose, D-Fructose, D-Sorbose und D-Tagatose genannt.

Die Diose ist Glycolaldehyd, also 2-Hydroxyethanal. Zu den Triosen gehören D- und L-Glycerinaldehyd als Aldotriosen und Dihydroxyaceton als Ketotriose. Zu den Tetrosen zählen D-Erythrose und D-Threose als Aldotetrosen sowie D-Erythrulose als Ketotetrose; sie werden als Stoffwechselprodukte genannt.

Pentosen haben fünf Kohlenstoffatome. Wichtige Aldopentosen sind D-Ribose, die unter anderem in RNA vorkommt, D- und L-Arabinose in pflanzlichen Oligosacchariden, D-Xylose als Holzzucker und Hauptbestandteil der Hemicellulosen, D-Lyxose, die in der Natur nicht vorkommt, sowie D-Desoxyribose, die unter anderem in DNA vorkommt. Zu den Ketopentosen gehören D-Ribulose und D- beziehungsweise L-Xylulose; D-Xylulose ist Teil des Pentosephosphatweges, L-Xylulose des Glucuronat-Stoffwechsels.

Hexosen haben sechs Kohlenstoffatome. Zu den Aldohexosen gehören D-Glucose, auch Traubenzucker und häufigstes Monosaccharid, D-Mannose, D-Galactose, auch Schleimzucker, sowie seltenere oder in der Natur nicht gefundene Formen wie D-Allose, D-Altrose, D-Gulose, D-Idose, D-Talose. Weitere physiologisch bedeutsame Hexosen sind unter anderem D-Glucuronsäure, D-Galacturonsäure, N-Acetyl-D-glucosamin, D-Glucosamin, N-Acetyl-D-galactosamin, D- und besonders L-Fucose, L-Rhamnose und D-Chinovose. Die wichtigste Ketohexose ist D-Fructose, auch Fruchtzucker. Als seltene Hexosen werden unter anderem 2-Desoxy-D-glucose, Fluordesoxyglucose und verschiedene Methyl- oder Chlorfructosen genannt.

Höhere Monosaccharide besitzen mehr als sechs Kohlenstoffatome. Beispiele sind D-Sedoheptulose, ein C_{7}-Ketozucker, der als 7-Phosphat am Pentosephosphatweg beteiligt ist; 3-Desoxy-D-manno-oct-2-ulosonsäure, auch 2-Keto-3-desoxyoctonsäure oder KDO, ein C_{8}-Zucker und wichtiger Bestandteil von Lipopolysacchariden der Zelloberfläche bestimmter Bakterien; sowie D-Sialinsäure, auch N-Acetylneuraminsäure, ein C_{9}-Ketozucker, der bei der Zell-Zell-Erkennung in Glycokonjugaten eine Rolle spielt.

Entstehung und Stoffwechsel

Der Ausgangspunkt der meisten Einfachzucker in Lebewesen ist die oxygene Photosynthese. Dabei wird mit Sonnenenergie aus CO_{2}, also Kohlenstoffdioxid, und den im H_{2}O, also Wasser, enthaltenen Wasserstoffatomen Zucker aufgebaut. Bei der dafür nötigen Wasserspaltung entsteht Sauerstoff als Abfallprodukt.

Einfachzucker in der Ernährung

In Lebensmitteln kommen Einfachzucker vor allem als Glucose, also Traubenzucker, und Fructose, also Fruchtzucker, vor, zum Beispiel in Obst, Honig und Süßigkeiten. Auch Galactose, der sogenannte Schleimzucker in der Milch, ist ein Einfachzucker. Rohrzucker, Milchzucker und Malzzucker sind dagegen Zweifachzucker; Stärke und Glykogen sind Vielfachzucker.

Höhere Zucker müssen zuerst zu wasserlöslichen Di- oder Monosacchariden abgebaut werden, bevor sie über Transportproteine, zum Beispiel Glucosetransporter, oder durch einfache Diffusion ins Blut aufgenommen beziehungsweise in die Leber transportiert werden können.

Die orale Aufnahme von Glucose und Galactose führt zu einem raschen Anstieg des Blutzuckerspiegels. Andere Einfachzucker werden vorwiegend in der Leber verstoffwechselt und wirken nicht direkt auf den Glucosespiegel im Blut. Weil der Blutzuckerspiegel nur in einer engen Schwankungsbreite liegen darf, muss der Körper einem schnellen Anstieg rasch entgegenwirken: Der Insulinspiegel steigt, und Blutzucker wird in der Leber zu Glykogen umgewandelt. Glykogen ist ein Polysaccharid aus Glucose-Bausteinen und dient als schneller Energiespeicher, weil es bei Bedarf wieder rasch in Glucose zerlegt werden kann. Überschüssige Glucose, die nicht als Glykogen gespeichert wird, wird im Fettgewebe und in der Leber zu Triacylglycerinen, also Fetten, umgewandelt. Diese dienen in Leber, Skelettmuskulatur und Fettzellen als Energiedepot.

Ernährungswissenschaftler empfehlen, höchstens 10 % der Gesamtenergiemenge durch Einfach- und Zweifachzucker aufzunehmen. Vielfachzucker, vor allem Stärke, gelten als besser geeignet, um den Kohlenhydratbedarf zu decken, weil sie im Magen-Darm-Trakt erst zu Einfachzuckern umgewandelt werden müssen. Dadurch werden Kohlenhydrate deutlich langsamer aufgenommen.