Monosaccharide

Struktur von Monosacchariden

Monosaccharide sind die Grundbausteine der Kohlenhydrate. Sie bestehen aus Kohlenstoff und einer Reihe von Hydroxygruppen. Als funktionelle Gruppen enthalten Monosaccharide außerdem eine Aldehyd- oder eine Ketogruppe und werden in Aldosen und Ketosen eingeteilt. Monosaccharide lassen sich auch nach der unterschiedlichen Zahl ihrer Kohlenstoffatome verschiedenen Gruppen zuordnen: Triosen (3 C-Atome), Tetrosen (4 C-Atome), Pentosen (5 C-Atome) oder Hexosen (6 C-Atome).

Alle Monosaccharide (mit Ausnahme von Dihydroxyaceton) besitzen mindestens ein asymmetrisch substituiertes Kohlenstoffatom, das ein Chiralitätszentrum (Stereozentrum) darstellt. Dadurch kann ein Monosaccharid mindestens 2 Stereoisomere ausbilden. Bei n Chiralitätszentren sind es 2ⁿ Isomere, von denen sich je 2 wie Bild und Spiegelbild verhalten und daher Enantiomere sind.

Darstellen lassen sich lineare Monosaccharide in der Fischer-Projektion. Nach dem D/L-System, das die Konfiguration der 4 Substituenten am untersten chiralen C-Atom beschreibt, wird das Enantiomer, bei dem die OH-Gruppe an diesem C-Atom nach links weist, als L-Isomer bezeichnet, das Enantiomer, bei dem sie nach rechts weist, als D-Isomer.

In wässriger Lösung bilden Pentosen und Hexosen durch einen Ringschluss intramolekulare, zyklische Halbacetale oder Halbketale. Sie liegen daher meist nicht linear, sondern in ihrer Ringform vor, und bilden Furanosen (fünfgliedrige Ringe) oder Pyranosen (sechsgliedrige Ringe). Durch den Ringschluss entsteht ein neues asymmetrisch substituiertes C-Atom (bei Aldosen das C1, bei Ketosen das C2), das anomere C-Atom. Es werden 2 diastereomere Moleküle (Anomere) gebildet, die sich in der Stellung der OH-Gruppe an diesem C-Atom unterscheiden – das α- und das β-Anomer. In einem als Mutarotation bezeichneten Vorgang könnten die beiden Anomere ineinander übergehen. Ringförmige Monosaccharide können in der Haworth-Projektion dargestellt werden, bei der die OH-Gruppe des α-Anomers nach unten zeigt, die des β-Anomers nach oben. Die Konformationsschreibweise von Pyranose- oder Furanoseringen beschreibt die räumliche Struktur der nicht planar gebauten Ringe am genauesten. Die Ringe nehmen eine Sessel-, eine Wannen- oder eine Envelope-Konformation ein.

Chemische Eigenschaften und Reaktionen

Neben den einfachen Monosacchariden gibt es zahlreiche Zuckerderivate, bei denen eine Hydroxygruppe des Zuckers durch einen Substituenten ersetzt ist oder bei denen ein C-Atom zu einer Carboxygruppe oxidiert wurde. Außerdem besitzen Monosaccharide einige Eigenschaften, die typisch für Aldehyde bzw. Ketone sind:

• Oxidation: Da in wässriger Lösung ein geringer Anteil der Moleküle auch in offenkettiger Form vorliegt, kann das anomere C-Atom durch milde Oxidationsmittel oxidiert werden. Monosaccharide sind also reduzierende Zucker. Der Carbonylkohlenstoff einer Aldose wird durch die Oxidation zur Carboxygruppe und es entsteht eine Aldonsäure. Die Oxidation am anderen Ende führt zu Uronsäuren und Produkte einer Oxidation beider Enden durch starke Oxidationsmittel sind Aldarsäuren. Ein weiteres Oxidationsprodukt ist L-Ascorbinsäure.

• Reduktion: Produkte der Reduktion von Aldosen oder auch Ketosen sind Zuckeralkohole (Alditole) wie Sorbit oder auch Mannit.

• Bildung einer glykosidischen Bindung: Monosaccharide (Halbacetale) können über die an das anomere C-Atom gebundene Hydroxygruppe glykosidische Bindungen mit anderen Molekülen eingehen:

  • O-glykosidisch: Verbindung zwischen dem anomeren C-Atom und der OH-Gruppe eines anderen Moleküls (Alkohol, Phenol, ein zweites Zuckermolekül)

  • N-glykosidisch: Verbindung zwischen dem anomeren C-Atom und dem Stickstoffatom einer NH-Gruppe eines anderen Moleküls.