Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind die wichtigsten Energieträger des menschlichen Körpers. Sie bestehen chemisch aus Monosacchariden (Einfachzuckern), die zu Di- oder Polysacchariden (Zweifachzuckern und Mehrfachzuckern) polymerisieren können. Mit der Nahrung aufgenommene Kohlenhydrate werden im Mund und im Dünndarm in Monosaccharide gespalten, über spezielle Transporter resorbiert und zur weiteren Verstoffwechselung zu den Körperzellen transportiert.

Das wichtigste Monosaccharid für den menschlichen Körper ist die Glucose. Zur Energiegewinnung wird sie über die Glykolyse abgebaut, zu der alle Körperzellen befähigt sind. Im Hexosemonophosphatweg kann sie zu Vorstufen der Nukleotidsynthese umgewandelt werden. Des Weiteren wird sie in Form von Glykogen gespeichert, was v.a. in Leber, Niere und Skelettmuskulatur eine Rolle spielt. Bei Nahrungskarenz können die Glykogenspeicher abgebaut werden, um den Blutglucosespiegel konstant zu halten und somit die Energieversorgung der glucoseabhängigen Gewebe zu sichern. Sind sie aufgebraucht, muss Glucose körpereigen synthetisiert werden. Diese sogenannte Gluconeogenese findet hauptsächlich in der Leber statt, welche damit das wichtigste Organ der Glucosehomöostase darstellt.

Weitere wichtige Monosaccharide sind Galactose als Bestandteil des Milchzuckers und Fructose als Bestandteil des Haushaltszuckers. Auch sie werden größtenteils in der Leber verstoffwechselt.

Kohlenhydrate (syn. Saccharide) werden unter der allgemeinen Formel C_m(H₂O)_n zusammengefasst . Sie sind Aldehyde oder Ketone von mehrwertigen Alkoholen, enthalten also eine Carbonyl- und mindestens zwei Hydroxylgruppen.

Monosaccharide

Monosaccharide sind die Grundbausteine („Monomere“) der Kohlenhydrate.

Struktur

• Grundgerüst: Zucker aus mindestens drei Kohlenstoffatomen mit mindestens einer Carbonyl- und mindestens zwei Hydroxylgruppen
  • Pentose: Zucker mit 5 Kohlenstoffatomen, bspw. Ribose und Ribulose
  • Hexose: Zucker mit 6 Kohlenstoffatomen, bspw. Glucose und Fructose
  • Aldosen: Carbonylgruppe des Zuckers ist ein Aldehyd
  • Ketosen: Carbonylgruppe des Zuckers ist ein Keton
• Ringbildung: In Lösung - also auch im menschlichen Körper - liegen Monosaccharide nur bedingt in Kettenform vor; sie bevorzugen die Ringform
  • Pyranose: Sechsgliedriger Ring
  • Furanose: Fünfgliedriger Ring
  • Ringbildung der Aldosen
    • Die Aldehydgruppe reagiert mit einer Hydroxylgruppe unter Bildung eines intramolekularen Halbacetals.
    • Bei Glucose: Die Aldehydgruppe am C1-Atom reagiert mit der Hydroxylgruppe am C5-Atom. Es kommt zur Bildung einer Pyranose.
  • Ringbildung der Ketosen
    • Die Ketogruppe reagiert mit einer Hydroxylgruppe unter Bildung eines intramolekularen Halbketals.
    • Bei Fructose: Die Ketogruppe am C2-Atom reagiert mit einer Hydroxylgruppe am C5- oder C6-Atom. Es kommt zur Bildung einer Furanose oder einer Pyranose.
• Ringöffnung: Eine spontane Ringöffnung in Lösung ist nur möglich, wenn das anomere C-Atom einer Zuckereinheit nicht an einer glykosidischen Bindung beteiligt ist.
• Stereoisomerie
  • Anomere
    • Durch die Ringbildung entsteht ein Asymmetriezentrum (Chiralitätszentrum) am ehemaligen Carbonyl-Kohlenstoff des Ringes. Dieses bezeichnet man als anomeres Zentrum .
    • α-Form: Hydroxylgruppe liegt in der Haworth-Projektion unterhalb der Ringebene
    • β-Form: Hydroxylgruppe liegt in der Haworth-Projektion oberhalb der Ringebene
    • Mutarotation: In wässriger Lösung wandeln sich α- und β-Form über eine offenkettige Form als Zwischenschritt ineinander um, bis sich ein Gleichgewicht einstellt; dadurch ändert sich auch der optische Drehwert dieser wässrigen Lösung
  • Enantiomere:
    • D-Form: Die Hydroxylgruppe an dem asymmetrischen C-Atom, das am weitesten von der Aldehyd- bzw. Ketogruppe entfernt liegt, zeigt nach rechts (in der Fischer-Projektion)
    • L-Form: Die Hydroxylgruppe an dem asymmetrischen C-Atom, das am weitesten von der Aldehyd- bzw. Ketogruppe entfernt liegt, zeigt nach links (in der Fischer-Projektion)
    • Beispiel: D-Glucose und L-Glucose
  • Diastereomere
    • Beispiel: L-Glucose und D-Galactose
  • Epimere
    • Beispiel: D-Glucose und D-Galactose

Man erkennt Glucose in der Fischer-Projektion an der spezifischen Anordnung ihrer OH-Gruppen „rechts-links-rechts-rechts“ oder auch TA-TÜ-TA-TA (von oben nach unten gelesen)!

Einteilung

• Nach Anzahl der Kohlenstoffatome
• Nach Lage der Carbonylgruppe in Aldosen und Ketosen
• Kombiniert: Z.B. „Aldohexose“
• Nach Ringgröße

Darstellung

• Fischer-Projektion: Offene Kettenform
• Haworth-Projektion: Ringform
• Lewis-Projektion: Ringform mit zusätzlichen Abwinkelungen, kommt als „Sesselform“ und als „Wannenform“ vor

F-L-O-H: Die Substituenten, die in der Fischer-Projektion links stehen, stehen oben in der Haworth-Projektion!

Reaktionen

Monosaccharide sind sehr reaktionsfreudig. Folgende Tabelle gibt einen Überblick über mögliche Reaktionen sowie deren Produkte am Beispiel der Glucose:

Glucuronsäure spielt eine wichtige Rolle bei der Biotransformation. Sie wird vor allem an Steroide, Bilirubin und Phenolringe angehängt und macht diese damit wasserlöslich und ausscheidbar!

Die glykosidische Bindung

Verbindungen aus Monosacchariden werden durch sog. glykosidische Bindungen geknüpft: diese Bindung entsteht bei der Reaktion der halbacetalischen Hydroxylgruppe am anomeren C-Atom mit einer anderen Hydroxylgruppe oder einer Aminogruppe unter Abspaltung von Wasser. Es entsteht ein Acetal.

Disaccharide

• Definition: Zwei O-glykosidisch miteinander verknüpfte Monosaccharide
• Typen
  • Reduzierende Disaccharide: Die glykosidische Bindung wird zwischen der Hydroxylgruppe eines anomeren C-Atoms und der eines nicht-anomeren C-Atoms geknüpft
    • Folge: Das Disaccharid kann an dem einen freien anomeren C-Atom weiter oxidiert werden
  • Nicht-reduzierende Disaccharide: Die glykosidische Bindung wird zwischen den Hydroxylgruppen der beiden anomeren C-Atome geknüpft
    • Folge: Das Disaccharid hat kein freies anomeres C-Atom mehr und kann demnach nicht weiter oxidiert werden

Oligosaccharide

• Definition: Drei bis zehn glykosidisch verknüpfte Monosaccharide
• Vorkommen im Organismus
  • In pflanzlichen Nahrungsmitteln
  • Häufig an Lipide oder membranständige Proteine gebunden
  • Spielen eine wichtige Rolle bei der Oberflächendifferenzierung von Zellen

Polysaccharide

• Definition: Polymere aus mehr als zehn O-glykosidisch miteinander verknüpften Monosacchariden
  • Man unterscheidet Homoglykane und Heteroglykane .

Wichtige Homoglykane aus dem Grundbaustein Glucose

Im menschlichen Verdauungstrakt gib es keine Enzyme, die β-glykosidische Bindungen von Polysacchariden spalten können. Cellulose bleibt daher unverdaut im Darm zurück und wird als Ballaststoff bezeichnet!

Wichtige Heteroglykane

• Glykoproteine
  • Definition: Proteine mit angehängten kurzen Kohlenhydratketten
    • Häufig enthaltenes Kohlenhydrat: N-Acetylglucosamin (wird an Asparaginreste von Proteinen gebunden, sog. N-Glykosylierung)
  • Funktion: Membranproteine, Plasmaproteine, Mucine
    • Häufig enthaltene Aminosäuren in Mucinen: Kohlenhydratketten der Mucine sind meist mit Serin- und Threoninresten des Proteinanteils verbunden
• Proteoglykane
  • Definition: Protein mit vielen kovalent verknüpften Glykosaminoglykan-Seitenketten, die Sulfatgruppen beinhalten, die unter physiologischen Bedingungen negativ geladen sind
  • Funktion: Wichtiger Bestandteil der extrazellulären Matrix
• Glykosaminoglykane: Lineare Polysaccharide aus sich wiederholenden Disaccharid-Bausteinen. Diese bestehen aus einer Uronsäure (häufig Glucuronsäure) und einem Aminozucker (häufig N-Acetylglucosamin).
  • Heparin (gerinnungshemmendes Medikament)
  • Chondroitinsulfat (Vorkommen bspw. im Knorpel)
  • Hyaluronsäure (Wichtiger Bestandteil der Haut und der Gelenkflüssigkeit)
• Peptidoglykane
  • Definition: Lange Kohlenhydratketten mit kurzer Peptidkette
  • Funktion: Z.B. Murein als wichtiger Bestandteil der bakteriellen Zellwand

Verdauung

• Kohlenhydrate in der Nahrung
  • Quellen: Z.B. Zucker, Getreide , Obst, Gemüse,
  • Vorliegen
    • Etwa ⅔ in Form von Stärke (einem Polysaccharid)
    • Etwa ⅓ als Disaccharide (Lactose, Saccharose)
• Ablauf: Im Duodenum können nur Monosaccharide resorbiert werden
  • Mund: Beginnender Abbau der Polysaccharide zu Di- und Oligosacchariden durch die Speichel-Amylase
  • Duodenum
    • Weiterverdauung durch die Pankreas-Amylase
    • Aufspaltung der Di- und Oligosaccharide zu Monosacchariden durch weitere Enzyme im Zwölffingerdarm

Verdauungsenzyme, die am Abbau der Kohlenhydrate beteiligt sind, bezeichnet man als Glykosidasen. Alle Glykosidasen sind Hydrolasen!

Die Lactase ist das einzige Verdauungsenzym im menschlichen Körper, das β-glykosidische Bindungen spalten kann – allerdings nur die des Disaccharids Lactose. Polysaccharide mit β-glykosidischen Bindungen (bspw. Cellulose) können daher nicht verdaut werden!

Lactoseintoleranz
Das Enzym Lactase wird im menschlichen Organismus physiologischerweise im Kleinkindalter produziert. Normalfall ist eine Verringerung der Lactase-Produktion nach der Stillzeit, mit der Folge, dass Lactose nicht mehr oder nur noch unzureichend verdaut werden kann. Sie gelangt unverdaut in den Dickdarm, wo sie vergoren wird, was zu Blähungen und Durchfällen führen kann. Man spricht dann von einer "Lactoseintoleranz". Weltweit sind davon etwa 70% der Erwachsenen betroffen, in Deutschland schätzungsweise 15%.

Resorption

Die Glucose gelangt über den Na⁺-Glucose-Symport in die Epithelzellen des Darms und die Tubuluszellen der Niere. In alle anderen Zellen des Körpers erfolgt die Aufnahme via eines spezifischen Glucosetransporters (sog. „GLUT“).

• Aufnahme im Darm
  • Na⁺-Glucose-Symport
    • Spezifischer Transporter auf der luminalen Seite der Mukosazellen
    • Treibende Kraft ist ein Natrium-Konzentrationsgradient, der von der basal sitzenden Na⁺/K⁺-ATPase aufrecht erhalten wird (Prinzip des sekundär-aktiven Transports)
    • Natrium folgt diesem Konzentrationsgradienten und nimmt jeweils ein Glucosemolekül mit in die Zelle
• Transport im Blut: Ungebunden
• Aufnahme in die Zielzellen
  • GLUT
    • Gruppe spezifischer Glucosetransporter, die in den Membranen beinahe aller Körperzellen vorkommen
    • Passiver Transport mittels erleichterter Diffusion
    • Mittlerweile sind mindestens fünf Typen bekannt, die sich bzgl. Lokalisation und Funktionsweise unterscheiden
• Wiederaufnahme in der Niere
  • Freie Filtration von Glucose in der Niere
  • Vollständige Rückresorption im proximalen Tubulus via Na⁺-Glucose-Symport

Nur GLUT4 ist insulinabhängig!

• Abbau der Glucose
  • Glykolyse
  • Hexosemonophosphatweg
• Synthese der Glucose: Gluconeogenese
• Speicherung der Glucose: Glykogenstoffwechsel

Galactose ist Bestandteil der Lactose . Lactose wird im Dünndarm durch das Enzym Lactase gespalten, die freiwerdende Galactose wird zur weiteren Verstoffwechselung in die Leber transportiert.

Abbau von Galactose

• Galactose wird über einige Zwischenschritte dem Glucosestoffwechsel zugeführt: Galactose → Galactose-1-phosphat → UDP-Galactose → UDP-Glucose → Glucose-1-phosphat
• Folgende Enzyme sind daran beteiligt
  • Galactokinase: ATP-abhängige Phosphorylierung von Galactose zu Galactose-1-phosphat
  • Galactose-1-phosphat-Uridyl-Transferase: Tauscht den UDP-Rest einer UDP-Glucose mit dem Phosphatrest des Galactose-1-phosphat.
  • UDP-Galactose-Epimerase: Epimerisierung von UDP-Galactose zu UDP-Glucose

Galactosämie
Ein Mangel an Galactose-1-phosphat-Uridyl-Transferase mit damit einhergehender Anhäufung von Galactose und Galactose-1-phosphat im Blut und im Urin ruft das Krankheitsbild der kongenitalen Galactosämie mit Schädigung von Leber, Nieren, ZNS und Augenlinsen hervor. Zur Therapie muss daher sofort die Lactose- bzw. Galactosezufuhr beendet werden.

Synthese von Galactose

• Spielt vor allem in der laktierenden Brustdrüse eine Rolle
• Umkehrung der oben genannten Reaktionen des Galactoseabbaus

Fructose ist als Bestandteil der Saccharose in vielen Nahrungsmitteln enthalten. Im Organismus spielt sie vor allem als Energielieferant für die Spermienzellen eine wichtige Rolle.

Abbau von Fructose

• Ort: Leberzellen
• Ablauf: Wird über einen Nebenweg in die Glykolyse eingeschleust: Fructose → Fructose-1-phosphat → Dihydroxyacetonphosphat + Glycerinaldehyd
  • Dihydroxyacetonphosphat wird direkt in die Glykolyse eingeschleust
  • Glycerinaldehyd wird durch die Triosekinase zu Glycerinaldehyd-3-phosphat phosphoryliert, welches dann in die Glykolyse eingeschleust wird
• Folgende Enzyme sind daran beteiligt:
  • Fructokinase: ATP-abhängige Phosphorylierung von Fructose zu Fructose-1-phosphat
  • Aldolase B: Spaltung von Fructose-1-phosphat zu Dihydroxyacetonphosphat und Glycerinaldehyd
  • Triosekinase: ATP-abhängige Phosphorylierung von Glycerinaldehyd zu Glycerinaldehyd-3-phosphat

Fructoseintoleranz
Die hereditäre Fructoseintoleranz ist durch einen Mangel an Aldolase B bedingt. Folglich kommt es zu einer Anhäufung von Fructose-1-phosphat, welches dann die Glykogenphosphorylase und damit die Glykogenolyse hemmt. Es steht weniger anorganisches Phosphat (P_i) u.a. für die ATP-Synthese zur Verfügung. Die Gluconeogenese wird unterdrückt durch Inhibition der Fructose-1,6-Bisphosphatase. Die Folge sind u.a. ausgeprägte Hypoglykämien, metabolische Azidose und Erbrechen. Symptome machen sich meist bemerkbar, wenn der Säugling von Muttermilch auf Flaschenmilch umgestellt wird, welche häufig Saccharose enthält.

Synthese von Fructose (Polyolweg)

• Fructose dient den Spermienzellen als Substrat zur Energieversorgung; sie wird mithilfe von zwei Enzymen aus Glucose synthetisiert
  • Aldosereduktase (Cofaktor: NADPH+H⁺): Reduziert Glucose am C₁-Atom zu Sorbitol
  • Sorbitdehydrogenase (Cofaktor: NAD⁺): Oxidiert Sorbitol am C₂-Atom zu Fructose