Disaccharide

Entstehungsmechanismus und allgemeine Eigenschaften

Monosaccharidmoleküle, zu denen die bekannten Vertreter Glucose und Fructose gehören, sind fähig, aktiv chemisch miteinander zu reagieren. Dieser Prozess verläuft nach dem Mechanismus der Kondensation. Zwei Moleküle verbinden sich zu einer größeren Struktur, wobei als Nebenprodukt dieser Reaktion ein Wassermolekül abgespalten wird. Auf diese Weise bilden sich nicht nur Disaccharide, sondern bei weiterer Anlagerung von Kohlenhydratresten auch Trisaccharide und komplexe Polysaccharide.

Ein entscheidendes Kriterium für das chemische Verhalten des entstandenen Disaccharids ist, welche funktionellen Gruppen der Monomere an der Bindungsbildung beteiligt sind. Sind an der Reaktion die Halbacetal-Hydroxylgruppen beider Ausgangsmonosaccharide beteiligt, verliert das erhaltene Disaccharid vollständig die Fähigkeit, in die offene Form überzugehen. Infolgedessen fehlen ihm die reduzierenden Aldehyd-Eigenschaften, weshalb man eine solche Substanz als nicht-reduzierend bezeichnet.

Saccharose als Beispiel für ein nicht-reduzierendes Disaccharid

Ein klassischer Vertreter der nicht-reduzierenden Disaccharide ist die Saccharose. Ihr Molekül setzt sich aus einem $\alpha$-Glucose- und einem $\beta$-Fructose-Rest zusammen. Ein wichtiges strukturelles Merkmal der Saccharose ist, dass zur korrekten Darstellung des Bindungsbildungsmechanismus in der chemischen Formel das Fructosemolekül in der Ebene gedanklich um 180 Grad gedreht werden muss.

Die Bindung zwischen den Monosacchariden in der Saccharose wird durch die Halbacetal-Hydroxylgruppen beider Ausgangsmoleküle (sowohl Glucose als auch Fructose) gebildet. Eine direkte Folge davon ist, dass Saccharose gleichzeitig an zwei Enden ein Glycosid darstellt. Wegen des völligen Fehlens einer freien Halbacetal-Hydroxylgruppe ist das Molekül nicht in der Lage, unter Bildung einer Aldehydgruppe aufzubrechen; daher wird Saccharose streng als nicht-reduzierendes Disaccharid klassifiziert.

Die physikalischen Eigenschaften dieser Substanz sind ebenfalls sehr bemerkenswert:

• Sie weist eine extrem hohe Wasserlöslichkeit auf: ca. 203 Gramm Substanz pro 100 Gramm Wasser bei Standard-Raumtemperatur (20 °C).
• Beim Erhitzen steigt die Löslichkeit von Saccharose auf bis zu ~97% an.
• Wird eine hochkonzentrierte Lösung abgekühlt, findet keine klassische Kristallisation des Zuckers statt. Stattdessen bildet sich eine transparente, amorphe Masse — Karamell (in kommerziellen Varianten oft mit zusätzlichen Verunreinigungen und anderen Disacchariden versetzt).

Laktose und ihre chemischen Besonderheiten

Im Gegensatz zu Saccharose gehört Laktose zur Klasse der reduzierenden Disaccharide. Ihr Molekül ist aus einem $\beta$-Galactose- und einem Glucose-Rest aufgebaut.

Während der Kondensationsreaktion verhalten sich die funktionellen Gruppen unterschiedlich:

1. Beim Galactosemolekül ist die Halbacetal-Hydroxylgruppe an der Bindungsbildung beteiligt (wird substituiert).
2. Beim Glucosemolekül wird lediglich der Wasserstoff in der Hydroxylgruppe substituiert, die sich am vierten Kohlenstoffatom befindet (bezeichnet als $^{4}C$).

Dank dieses asymmetrischen Bindungstyps bleibt im Glucoserest eine intakte Halbacetal-Hydroxylgruppe erhalten. Das Vorhandensein dieser freien, reaktiven Gruppe ermöglicht es der Laktose, die für Aldehyde typischen reduzierenden Eigenschaften zu zeigen.

Hydrolyseprodukte von Polysacchariden: Maltose und Cellobiose

Bei der enzymatischen oder chemischen Spaltung komplexer polymerer Kohlenhydrate entstehen spezifische Disaccharide, die ebenfalls reduzierende Eigenschaften besitzen. Zu den wichtigsten gehören Maltose und Cellobiose.

• Maltose ist ein natürliches Produkt des enzymatischen Stärkeabbaus. Ihrer chemischen Struktur nach handelt es sich um ein Glycosid der $\alpha$-D-Glucose, das über die Hydroxylgruppe am $^{4}C$-Atom mit einem weiteren Glucosemolekül verknüpft ist.
• Cellobiose entsteht durch die Hydrolyse des Strukturpolysaccharids Cellulose. Sie stellt ein Glycosid der $\beta$-D-Glucose dar, das analog über die Hydroxylgruppe am $^{4}C$-Atom mit einem zweiten Glucosemolekül verknüpft ist.

Hinweis: Beide natürlichen Disaccharide weisen eine strukturelle Analogie zur Laktose auf — sie behalten eine freie Halbacetal-Hydroxylgruppe am zweiten Glucoserest. Genau dieses Detail ermöglicht es, Maltose und Cellobiose eindeutig der Gruppe der reduzierenden Disaccharide zuzuordnen.

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Die räumliche Struktur des Fructosemoleküls und die Notwendigkeit seiner 180°-Drehung in Formeln
• Die Chemie der Monosaccharid-Kondensationsreaktionen und die Wasserabspaltung
• Enzymatische Hydrolyse von Stärke zu Maltose
• Der Mechanismus der Cellulosehydrolyse unter Bildung von Cellobiose
• Die offene Form von Zuckern: chemische Übergangsbedingungen für reduzierende Disaccharide

Weitere Themen des Kapitels „Kapitel 18. Wichtigste Klassen bioorganischer Verbindungen“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.