Kohlenhydrate

Kohlenhydrate oder Saccharide bilden eine biochemisch bedeutsame Stoffklasse. Kohlenhydrate kommen im Stoffwechsel von allen Lebewesen vor. Als Produkt der Photosynthese machen Kohlenhydrate den größten Teil der Biomasse aus. Kohlenhydrate sind die am häufigsten vorkommende Klasse von Biomolekülen. Die Wissenschaft, die sich mit der Biologie der Kohlenhydrate beschäftigt, heißt Glycobiologie. Kohlenhydrate werden oftmals mit dem Suffix „-ose“ gekennzeichnet.

Etymologie

Kohlenhydrate sind keine Hydrate

Da viele Saccharide die Bruttoformel C_n(H₂O)_m aufweisen, wurde fälschlicherweise angenommen, dass es sich um Hydrate des Kohlenstoffs handle, weshalb Carl Schmidt 1844 den Begriff Kohlehydrate prägte, der bis heute als Kohlenhydrate in abgewandelter Form verwendet wird. Vertreter dieser Stoffklasse können jedoch erheblich von dieser Bruttoformel abweichen und weitere funktionelle Gruppen und Heteroatome wie Stickstoff oder Schwefel enthalten, während andere Verbindungen derselben Formel nicht zu den Kohlenhydraten gehören, da sie keine Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone sind. Allgemein liegen Kohlenhydrate vor, wenn in einem Stoff mindestens eine Aldehydgruppe bzw. Ketogruppe und mindestens zwei Hydroxygruppen anzufinden sind. Für unverzweigte Polysaccharide, die aus demselben Monosaccharid mit der Summenformel C₆H₁₂O₆ (Glucose, Fructose, Galactose etc.) aufgebaut sind, gilt die Formel:

$\mathrm {n\ C_{6}H_{12}O_{6}\longrightarrow C_{6n}H_{10n+2}O_{5n+1}+\left(n-1\right)H_{2}O}$

Die Bezeichnung Saccharid stammt vom griechischen Wort σάκχαρον (sákkharon) für Zucker.

Geschichte

Bereits im Jahr 1811 machte Constantin Kirchhoff die Entdeckung, dass sich beim Kochen von Stärkemehl mit Säure Traubenzucker bildet. Auf Anregung von Johann Wolfgang Döbereiner wurde 1812 während der Kontinentalsperre eine Stärkezuckerfabrik errichtet. Henri Braconnot entdeckte 1819, dass durch Einwirkung von konzentrierter Schwefelsäure auf Cellulose Zucker entsteht. William Prout gab nach chemischen Analysen des Zuckers, der Stärke durch Joseph Louis Gay-Lussac und Thénard dieser Stoffgruppe den Gruppennamen Sacharine. Chemiker, die bei der Erforschung der Kohlenhydrate mitgewirkt haben, sind unter anderem Emil Fischer (1852–1919), Burckhardt Helferich (1887–1982), Bernhard Tollens (1841–1918), Walter Norman Haworth (1883–1950) und Wilhelm Koenigs (1851–1906) mit seinem Mitarbeiter Eduard Knorr (1867–1926) (Koenigs-Knorr-Methode).

Eigenschaften

Ausschnitt aus einem Amylopektinpolymer, dem Hauptbestandteil der Stärke. Die Glucopyranose-Einheiten der Hauptkette sind α-1,4-glycosidisch miteinander verbunden. Etwa alle 25 Monomere erfolgt eine α-1,6-glycosidische Verzweigung.

Ein Kohlenhydrat besitzt die Summenformel C_nH_2nO_n mit n ≥ 3. Kohlenhydrate kommen in unterschiedlicher Kettenlänge (auch als Polymere) vor und werden daher in Mono-, Di-, Tri-, Oligo- und Polysaccharide unterteilt. Die Monosaccharide (Einfachzucker, z. B. Traubenzucker, Fruchtzucker), Disaccharide (Zweifachzucker, z. B. Kristallzucker, Milchzucker, Malzzucker) und Oligosaccharide (Mehrfachzucker, z. B. Stachyose, Raffinose) sind wasserlöslich, haben einen süßen Geschmack und werden im engeren Sinne als Zucker bezeichnet. Die Polysaccharide (Vielfachzucker, z. B. Stärke, Amylopektin, Cellulose, Chitin und in Tieren Glycogen) sind hingegen oftmals schlecht oder gar nicht in Wasser löslich und geschmacksneutral. Polymere von Kohlenhydraten mit nur einem Grundbaustein (genauer: mit nur einem Typ Monosaccharid) werden als Homoglykane bezeichnet, während polymere Kohlenhydrate aus verschiedenen Grundbausteinen als Heteroglykane bezeichnet werden.

Chemie

Von zentraler Bedeutung in der Kohlenhydratchemie und Biochemie ist die glycosidische Bindung zwischen zwei Monosacchariden oder zwischen einem Monosaccharid und einer Hydroxygruppe eines anderen Moleküls. Das hierbei gebildete zyklische Vollacetal eines Zuckers bezeichnet man als Glycosid. Kohlenhydrate sind Hydroxyaldehyde oder Hydroxyketone sowie davon abgeleitete Verbindungen, haben in ihrer offenkettigen Form also neben mindestens zwei Hydroxygruppen auch mindestens eine Aldehydgruppe oder Ketogruppe. Handelt es sich um ein Hydroxyaldehyd (Carbonylgruppe an einem terminalen C-Atom (Aldehyd)), so spricht man von einer Aldose, handelt es sich um ein Hydroxyketon (Carbonylgruppe an einem internen C-Atom (Ketone)), bezeichnet man den Zucker als Ketose. Die Carbonylfunktion ist eine hochreaktive funktionelle Gruppe: Zu nennen sind hier besonders die leichte Oxidierbarkeit zur Carbonsäure, die Reduktion zum Alkohol und der leichte nukleophile Angriff am Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe.

Bei der Reduktion von D-Glucose (1) und L-Gulose (3) entsteht Sorbit (2), ein Alditol

Struktur

Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele für die Vielfalt natürlicher Kohlenhydratstrukturen. Pentosen und Hexosen können im Prinzip sowohl Fünf- als auch Sechsringe bilden, wobei ein neues Chiralitätszentrum entsteht, so dass einschließlich der offenkettigen Form bereits für ein Monosaccharid fünf Isomere existieren. Durch glycosidische Bindungen können sich Monosaccharide zu Oligo- und Polysacchariden verbinden. Dadurch potenziert sich die Anzahl möglicher Kohlenhydratstrukturen theoretisch zu einer sehr großen Vielfalt.

Das Beispiel der α-D-Glucopyranose zeigt verschiedene gleichwertige Darstellungsformen.

Beispiele der Strukturvielfalt von Kohlenhydraten und Vergleich verschiedener Moleküldarstellungen
Strukturformeln der Fructane	verschiedene Monosaccharide
	α-D-Ribofuranose	β-D-Fructofuranose
	α-D-Mannopyranose	α-L-Rhamnopyranose (6-Desoxy-α-L-mannopyranose)
α-D-Glucopyranose in (1) Fischer- bzw. Tollens- (2) Haworth- (3) Sessel- (4) stereochemischer Darstellung
Saccharose, ein Disaccharid	Ausschnitt aus dem Chitin-Polymer	Strukturformel für α-Cyclodextrin

Die Pyranosen (ringförmig geschlossene Monosaccharide mit 6 Atomen im Ring) nehmen eine Wannen- oder Sesselkonformation ein.

Oxidation und Reduktion

Durch Oxidationsmittel werden Kohlenhydrate zu Aldonsäuren oxidiert. Dies gilt unter basischen Bedingungen nicht nur für die Aldosen, sondern auch für die Ketosen, die durch die Base in einer komplexen Reaktion umgelagert werden (dabei wird die im Zuge der Keto-Enol-Tautomerie auftretende Aldose-Form stabilisiert). Beim Nachweis durch das Fehling-Reagenz wird ein blauer Cu(II)-Weinsäure-Komplex zu unlöslichem, roten Cu(I)oxid reduziert.

Wird die Carbonylfunktion zur Hydroxygruppe reduziert, erhält man ein sogenanntes Alditol.

Cyclisierung zum Halbacetal und Mutarotation

Die Gleichgewichtseinstellung zwischen α- und β-D-Glucose läuft über die offenkettige Form.

α-D-Glucose in Pyranoseform

β-D-Glucose in Pyranoseform

Durch intramolekularen nukleophilen Angriff einer der Hydroxygruppen auf das Carbonylkohlenstoffatom bildet sich ein zyklisches Halbacetal, welches energetisch meist sehr günstig ist. Hierbei werden überwiegend Sechsringe (pyranose Form) gebildet, die eine sehr niedrige Ringspannung aufweisen, es entstehen aber auch in geringerem Maße Fünfringe (furanose Form). Andere Ringgrößen treten nicht auf, da sie eine zu hohe Ringspannung aufweisen. Es entsteht ferner ein neues Chiralitätszentrum. Die beiden resultierenden Diastereomere werden mit α und β bezeichnet. In wässriger Lösung bilden α- und β-pyranose und -furanose Form eine Gleichgewichtsreaktion miteinander und mit der offenkettigen Form. Eine wässrige Lösung von reiner α-Glucopyranose wird daher nach einiger Zeit zu einer Gleichgewichtsmischung aus α- und β-Glucopyranose und -furanose (38 % α-Glcp, 62 % β-Glcp, 0 % α-Glcf, 0,14 % β-Glcf, 0,002 % offenkettig). Die hierbei messbare Veränderung des Drehwertes wird als Mutarotation bezeichnet. Dabei verändern sich die Anteile der verschiedenen Formen am anomeren Kohlenstoffatom. Während aliphatische Aldehyde bereits von Luftsauerstoff allmählich zur Carbonsäure oxidiert werden, sind Kohlenhydrate durch die Acetalbildung erheblich unempfindlicher, was zweifelsohne für eine so wichtige Biomolekülklasse von enormer Bedeutung ist. Bei glycosidisch gebundenen Monosacchariden erfolgt keine Mutarotation.

Amadori-Produkte und Maillard-Reaktion

Mit Aminen (z. B. in Aminosäuren, Proteinen) reagiert der offenkettige Aldehyd des Kohlenhydrates über ein Imin reversibel zu Amadori-Produkten, welches wiederum ebenfalls mit Aminen oder Aminosäuren kondensieren kann und sich irreversibel umlagert:

Diese nichtenzymatische Reaktion erfolgt im Organismus mit Aminosäuren und Eiweißen relativ häufig und ist einer der zentralen Vorgänge beim Altern (z. B. Altersflecken), da die Reaktionsprodukte vom Körper nicht abgebaut werden können. Ferner spielt sie eine wichtige Rolle bei der thermischen Zubereitung von Lebensmitteln, z. B. beim Braten und Kochen. Es kommt zu der typischen Bräunung, da sich konjugierte Ringsysteme bilden, die farbig sind. Diese Produkte der sogenannten Maillard-Reaktion sind auch für den Geschmack zubereiteter Lebensmittel entscheidend.

Biochemie

Mono-, Di- und Polysaccharide stellen zusammen mit den Fetten und Proteinen den quantitativ größten verwertbaren und nicht-verwertbaren (Ballaststoffe) Anteil an der Nahrung. Neben ihrer zentralen Rolle als Energieträger spielen sie in biologischen Signal- und Erkennungsprozessen (z. B. Zellkontakte, Blutgruppen), als Schutz vor mechanischer Belastung (z. B. Glykosaminoglykane im Knorpelgewebe) und, vor allem im Pflanzenreich, als Stützsubstanz eine wichtige Rolle. Alle Zellen sind auf der Außenseite ihrer Zellmembranen mit einer Schicht an Kohlenhydraten versehen, der Glykokalyx. Außerhalb der Zellen von höheren Eukaryoten liegt die extrazelluläre Matrix mit hohem Anteil an Kohlenhydraten. Die Gesamtheit der Kohlenhydrate in einer Zelle zu einem gegebenen Zeitpunkt wird als Glykom bezeichnet und ist vom Zustand der Zelle abhängig. Die Wissenschaft zur Erforschung des Glykoms wird als Glykomik bezeichnet.

Kohlenhydrate sind nicht essentiell, da der Körper sie in der Gluconeogenese unter Energieaufwand aus anderen Nahrungsbestandteilen wie Proteinen und Glycerin selbst herstellen kann. Da insbesondere das Gehirn hochgradig von Glucose als Energieträger abhängig ist und keine Fette verwerten kann, muss der Blutzucker­spiegel in engen Grenzen gehalten werden. Dessen Regulation erfolgt durch das Zusammenspiel von Insulin und Glucagon. Bei Kohlenhydratmangel wird das Gehirn durch Ketonkörper versorgt, was sich z. B. bei einer Diät durch Aceton­geruch bemerkbar macht. Eine völlig kohlenhydratfreie Ernährung wurde im Tierversuch bei Hühnern problemlos vertragen. Auch eine Langzeitstudie an Kindern und jungen Erwachsenen mit der sehr kohlenhydratreduzierten ketogenen Diät zeigte gesundheitliche Unbedenklichkeit. Eine eigenständige Erkrankung des Menschen durch das Fehlen von Kohlenhydraten ist unbekannt. Der Energiegehalt eines Gramms Kohlenhydrat beträgt rund 17,2 Kilojoule (4,1 Kilokalorien).

Funktion

Die Monosaccharide werden für die Biosynthese verschiedener Moleküle verwendet. Die Monosaccharide Desoxyribose und Ribose werden zur Herstellung von DNA beziehungsweise RNA verwendet. Glucose, Fructose und Galactose dienen der Energiegewinnung. Xylulose und Ribulose kommen im Pentosephosphatweg vor. Kohlenhydrate mit zwei Kohlenstoffatomen werden als Diose bezeichnet, mit drei C-Atomen als Triose, mit vier C-Atomen als Tetrose, usw.

Oligosaccharide werden oftmals im Zuge einer Glykosylierung an Proteine und Lipide angehängt, dabei entstehen Glycoproteine beziehungsweise Glycolipide. Typische Monosaccharide in Glykosylierungen sind Mannose, Galactose, Xylose, Fucose und Aminozucker wie N-Acetylglucosamin, N-Acetylgalactosamin und Neuraminsäure. Daneben werden die Disaccharide Saccharose (aus Glucose und Fructose) und Lactose (aus Glucose und Galactose) als Energielieferant gebildet.

Polysaccharide sind entweder Speicherformen von Monosacchariden oder besitzen eine Gerüstfunktion für die Stabilität einer Zelle (Cellulose und Hemicellulose in Pflanzen und vielen Algen und Chitin in Pilzen und Arthropoden). Aus Glucose werden Glucose-Polysaccharide als Reservestoffe - Glycogen in Tieren, Amylopectin und Amylose (synonym Stärke) in Pflanzen - oder die Gerüstpolymere Cellulose und Hemicellulose gebildet.

Biosynthese

Einfachzucker werden von Pflanzen im Calvin-Zyklus durch Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser aufgebaut. Zur Speicherung oder zum Zellaufbau werden diese Einfachzucker bei praktisch allen Lebewesen zu Mehrfachzuckern verkettet. Pflanzen synthetisieren in den Plastiden (z. B. Chloroplasten) die Polysaccharide Stärke und Amylopektin. Letztendlich werden fast alle Biomoleküle direkt oder indirekt durch Photosynthese gebildet, sei es durch Photosynthese oder bei Bakterien, Pilzen und Tieren durch das Verdauen von pflanzlichem Material oder durch das Verdauen von Pflanzenfressern und die anschließende Biosynthese der Biomoleküle aus ursprünglichen Metaboliten der Photosynthese.

Tiere stellen Monosaccharide ebenfalls her, in Form von Glucose per Gluconeogenese aus anderen aufgenommenen Metaboliten. Dabei bilden sie vor allem in der Leber und in Muskeln aus Glucose den langkettigen Speicherzucker Glycogen. Aus Glucose können auch alle anderen Monosaccharide hergestellt werden. Die Energieversorgung des Gehirns und des Nierenmarks ist auf die Verstoffwechslung von Glucose als Energielieferant abhängig, da es Fette nicht direkt energetisch verwenden kann. In Hungersituationen ohne Kohlenhydratzufuhr oder bei verstärkter Muskelarbeit wird daher unter Energieaufwand Glucose in der Gluconeogenese aus den Stoffwechselprodukten Lactat, bestimmten Aminosäuren (glucogene Aminosäuren, u. a. Alanin) und Glycerin synthetisiert. Die Gluconeogenese verwendet zwar einige Enzyme der Glycolyse, dem Abbauweg der Glucose zur Erzeugung von energiereichem ATP und NADH+H⁺, ist aber keinesfalls als deren Umkehrung zu verstehen, da entscheidende Schritte von eigenen Enzymen wie gesagt unter Energieverbrauch stattfinden. Glycolyse und Gluconeogenese sind reziprok reguliert, d. h., sie schließen einander in ein und derselben Zelle nahezu aus. Unterschiedliche Organe können jedoch sehr wohl gleichzeitig den einen und den anderen Weg beschreiten. So findet bei starker Muskelaktivität im Muskel Glycolyse und damit Lactatfreisetzung und in der Leber Gluconeogenese unter Verwendung von Lactat statt. Dadurch wird ein Teil der Stoffwechsellast in die Leber verlagert.

Strukturkohlenhydrate können von Säugern mit einhöhligem Magen nur bedingt verdaut werden, hingegen weitgehend oder vollständig von Wiederkäuern (Ruminantia), Kamelartigen (Camelidae) (diese sind ebenfalls Wiederkäuer, allerdings nicht im systematischen Sinne, da sich bei ihnen das Wiederkäuen unabhängig entwickelt hat) und Pferdeartigen (Equidae).

Aufnahme

→ Hauptartikel: Verdauung

Im Gegensatz zu Pflanzen nehmen Bakterien, Pilze und Tiere Kohlenhydrate auf. Kohlenhydrate sind neben Fett und Eiweiß als Nährstoffe ein wesentlicher Bestandteil der Nahrung von Tieren. Wichtige Grundnahrungsmittel, die einen hohen Anteil an Kohlenhydraten aufweisen, sind die verschiedenen Getreidesorten, die zu Lebensmitteln verarbeitet werden (Reis, Weizen, Mais, Hirse, Roggen, Hafer) bzw. als Viehfutter genutzt werden (vor allem Gerste, Hafer, Mais, Triticale). Die stärkehaltigen Getreideprodukte sind u. a. Brot, Nudeln, Kuchen u. v. a. m. Die Wurzelknollen der Kartoffel, eines Nachtschattengewächses, und die zu den Hülsenfrüchten gehörenden Erbsen, Bohnen und Linsen weisen ebenfalls einen hohen Kohlenhydratanteil auf.

Pflanzenarten, die vor allem zur Kohlenhydrataufnahme in der menschlichen Ernährung beitragen, sind in der Liste der Nutzpflanzen zusammengestellt. Nichtresorbierbare Kohlenhydrate sind Ballaststoffe. Nichtresorbierbaren Oligosaccharide erhöhen den Wassergehalt im Stuhl und werden in verstärktem Maße von der Darmflora fermentiert. Die in der Pflanzenwelt als Stützsubstanz in großen Mengen vorkommende Cellulose ist für den Menschen unverdaulich, weil von Menschen keine Cellulase gebildet wird. Cellulose ist aber von den Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen verwertbar, da diese sich in ihren Vormägen (Pansen) den mikrobiellen Aufschluss durch ihre Darmflora zu Nutze machen. Die Gesellschaften für Ernährung in Deutschland, Österreich und der Schweiz empfiehlt einen Kalorienanteil von Kohlenhydraten in der Nahrung von über 50 %. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) empfiehlt einen Kalorienanteil von 45 – 60 %, in den USA werden 45 – 65 % empfohlen und die WHO empfiehlt einen Kalorienanteil von 55 – 75 %. Die WHO empfiehlt, dass nicht mehr als 10 % der täglichen Kalorienaufnahme Zucker sein sollen. Kohlenhydrate mit einem hohen glykämischen Index wie Zucker begünstigen eine übermäßige Aufnahme von Kalorien und Hyperphagie. Lösliche Kohlenhydrate erzeugen weniger Sättigungsgefühl.

Abbau

→ Hauptartikel: Glycolyse und Pentosephosphatweg

Die unmittelbare Energiewährung für biologische Prozesse ist das Adenosintriphosphat (ATP), das zum Beispiel die Muskelkontraktion antreibt und an fast allen energieverbrauchenden Prozessen beteiligt ist. Es liegt jedoch in den Zellen nur in geringer Konzentration vor und muss durch aeroben und anaeroben Abbau energiereicher Verbindungen wie Fette, Kohlenhydrate oder Proteine in den Zellen nachgeliefert werden. Kohlenhydrate sind der Hauptenergielieferant für den Organismus, am häufigsten als Glucose, gefolgt von Fructose, Galactose und Mannose. Diese Monosaccharide werden in der Glycolyse verstoffwechselt. Sie sind im Gegensatz zu den Fetten relativ schnell verwertbar, da sie auch bei Sauerstoffmangel (anaerob) Energie liefern. Jede Körperzelle kann Glucose durch die Zellmembran aufnehmen. Die Leber kann sie bei Bedarf wieder abgeben. In den Zellen der verschiedenen Organe kann sie entweder durch Verstoffwechselung die chemische Energie für Muskelarbeit, anabole Prozesse oder Gehirnaktivität liefern oder in Form von Glucoseketten als Glycogen gespeichert werden. Der Abbau von Glycogen zu Glucose erfolgt über die Glycogenolyse.

Die physiologische Energieerzeugung aus Kohlenhydraten erfolgt im Normalfall in der nicht-oxidativen Glycolyse und in Anwesenheit von Sauerstoff im oxidativen Citrat-Zyklus. Die Oxidationsschritte im Citrat-Zyklus bestehen in einer Abspaltung von Wasserstoff, der durch Wasserstoffüberträger in die Atmungskette eingespeist und dort mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert wird. Das dabei an der Mitochondrienmembran erzeugte Membranpotential liefert mit Abstand die meiste Energie für die ATP-Synthese aus ADP. Unter Sauerstoffmangel erfolgt in Tieren die Milchsäuregärung zu Lactat und in Hefen die alkoholische Gärung zu Ethanol.

Bei der Aufnahme (Resorption) der Glucose aus der Nahrung ist es in Situationen großen Energiebedarfs nicht egal, wie schnell das geschieht. Da die Glucose in der Nahrung meistens in mehr oder weniger oligomerisierter, bzw. polymerisierter, genauer: polykondensierter Form vorliegt, müssen die Glucoseketten im Verdauungstrakt aufgespalten werden, was je nach Länge der Ketten unterschiedlich schnell geschieht. Werden z. B. stärkehaltige Nahrungsmittel wie Brot oder Kartoffeln gegessen, so zerlegen die Verdauungsenzyme die Glucosekette der Stärke in einzelne Bruchstücke und schließlich bis zu den einzelnen Glucose-Molekülen, die nach und nach in den Blutkreislauf übergehen. Ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Stärke zerlegt und die Glucose-Bausteine aufgenommen werden, ist der Glykämische Index (GI).

Wenn die Versorgung der Gewebe mit Kohlenhydraten größer ist als ihr Verbrauch, wird der Überschuss in Fett umgewandelt und als Depotfett gespeichert. Fette haben eine höheren physiologischen Brennwert als Kohlenhydrate, weil die Kohlenstoffatome von Lipiden eine höhere Oxidationszahl aufweisen. Lipide haben keine Hydrathülle, weshalb sie für die langfristige Energiespeicherung platzsparender als Kohlenhydrate sind. Nebenbei bewirken sie eine bessere Wärmedämmung des Körpers.

Fettdepots werden ständig energetisch verwertet und nicht erst, wenn der Glycogenspeicher im Muskel reduziert ist. Dass der Abbau von Körperfett erst nach ca. 30-minütiger Ausdauerübung einsetzt, ist falsch. Das Adenosintriphosphat (ATP) für intensive Muskelarbeit wird durch vier Energiequellen geliefert. Daran den größten Anteil hat die Verwertung von Creatinphosphat (aus dem Proteinstoffwechsel), das ein höheres Phosphatgruppenübertragungspotential hat als ATP und dieses daher schnell nachliefern kann; es folgt die anaerobe Zuckerverwertung; etwas geringer ist der Anteil der oxidativen Zuckerverwertung; und den geringsten Anteil hat der Fettabbau. Je intensiver die Anstrengung ist, desto stärker nimmt der Anteil der ersten, insbesondere anaeroben Anteile zu. Folglich nimmt der relative Anteil des Fettabbaus bei erhöhter Pulsfrequenz ab, die absolute Menge des verwerteten Fettes nimmt aber sehr wohl zu, da der Gesamtenergieumsatz ebenfalls zunimmt. Der erhöhte Anteil des anaeroben Stoffwechsels hängt mit dem abnehmenden Sauerstoffangebot im Muskel bei starker Muskelarbeit zusammen, da der Fettabbau im Stoffwechsel ein aerober Prozess ist.

Untrainierten Sportlern wird oft geraten, ausdauernd und leistungsschwach anzufangen („Laufen, ohne zu schnaufen“). Es gibt jedoch die Ansicht, dass allein die Energiebilanz beim Sport entscheidend ist, da z. B. nach der Anstrengung noch ein weiterer Abbau der Fette stattfindet. Wird also während des Trainings viel Glucose umgesetzt, wird in der Erholungsphase umso mehr Fett abgebaut. Weitere Faktoren des Fettabbaus sind die Art und die Frequenz der Nahrungsaufnahme, da mit jedem Insulinausstoß der Fettabbau gehemmt wird. Mit zunehmendem Training vergrößert sich die Muskelmasse, die Sauerstoffaufnahme verbessert sich, wodurch ein erhöhter Fettabbau entsteht. Leistungssportler trainieren vor einem Wettkampf durch den geeigneten Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme die Optimierung ihres Glycogenspeichers, da dieser ein wichtiger Energiespeicher für kurzfristige Leistungsspitzen ist.

Blutzucker

→ Hauptartikel: Blutzucker

Die akute Energieversorgung des Körpers wird im Wesentlichen über die im Blut gelöste Glucose gewährleistet. Ihre Konzentration im Blut, der Blutzuckerspiegel, wird in engen Grenzen gehalten. Bei der Verdauung wird die Glucose im Dünndarm als Monosaccharid aus dem Nahrungsbrei aufgenommen und in das Blut abgegeben. Nach der Nahrungsaufnahme steigt der Blutzuckerspiegel daher an. Die ins Blut aufgenommene Glucose muss also erst einmal zwischengespeichert werden. Das Signal hierzu gibt das Insulin, ein Peptidhormon. Es signalisiert dem Muskel- und Lebergewebe, verstärkt Glucose aus dem Blut aufzunehmen und zu Glycogen zu verketten.

Gärung

→ Hauptartikel: Gärung

Die Gärung ist ein Stoffwechselprozess, bei dem unter Sauerstoffabschluss (Anaerobie) Kohlenhydrate zum Energiegewinn abgebaut werden. Sie wird in der Natur vor allem von Mikroorganismen genutzt, jedoch können Pflanzen unter Sauerstoffmangel auf sie zurückgreifen. In den Muskeln findet unter Sauerstoffmangel Milchsäuregärung statt.

Gärungen werden vielfältig zur Herstellung und Veredelung von Lebensmitteln genutzt. So wird bei der Milchsäuregärung Milchzucker zu Milchsäure umgesetzt und zur Herstellung von Joghurt, Quark und Buttermilch genutzt. Die Herstellung von Sauerteig und Silage beruhen auf der Gärung von Kohlenhydraten zu Milchsäure. Bei der Käse-Herstellung ist die Milchsäuregärung ein wichtiger Zwischenschritt.

Bei der alkoholischen Gärung werden verschiedene Zuckerarten zu Alkohol vergoren. Zu nennen wäre hier u. a. Malzzucker beim Bierbrauen und Traubenzucker beim Keltern von Wein. Stärkehaltige Nahrungsmittel wie Kartoffeln, Getreide und Reis werden z. B. zu Schnäpsen, Früchte zu Obstwässern verarbeitet.

Im Vergleich zur Zellatmung wird bei Gärungen nur eine geringe Menge Energie gewonnen, da statt Citratzyklus und anschließender Atmungskette nur die Substratkettenphosphorylierung genutzt werden kann.

Liste wichtiger Kohlenhydrate

• Einfachzucker (Monosaccharide)
  • Glucose, auch Traubenzucker oder seltener Dextrose
  • Mannose, ein Epimer der Glucose
  • Fructose, auch Fruchtzucker
  • Ribose, Teil der Ribonukleinsäure (RNA)
  • Desoxyribose, Teil der Desoxyribonukleinsäure (DNA)
  • Galactose, auch Schleimzucker
  • Fucose, ein L-Zucker
  • Rhamnose, ein L-Zucker

• Zweifachzucker (Disaccharide)
  • Saccharose, auch Rübenzucker oder Rohrzucker (Glucose + Fructose)
  • Lactose, auch Milchzucker (Glucose + Galactose)
  • Lactulose, ein synthetisch abgewandelter Milchzucker
  • Maltose, auch Malzzucker (Glucose + Glucose)
  • Trehalose, ein nicht-reduzierender Zucker (Glucose + Glucose)

• Dreifachzucker (Trisaccharide)
  • Melezitose, Trisaccharid u. a. im Honig
  • Raffinose, bleibt bei der Zucker-Raffination in der Melasse
  • Umbelliferose

• Vielfachzucker (Polysaccharide)
  • Stärke, wichtiger Nahrungsmittelbestandteil
    • Amylose Struktur der Stärke
    • Amylopectin Struktur der Stärke
  • Agarose, Stützsubstanz mancher Algen
  • Cellulose, Stützsubstanz im Pflanzenreich
  • Glycogen, Energiespeicher in Muskeln und Leber
  • Chitin, Stützsubstanz des Exoskeletts der Gliedertiere
  • Callose, Reparaturkohlenhydrat in Pflanzen
  • Fructane, weiteres Speicherkohlenhydrat in Pflanzen
  • Dextrane, industriell genutztes, bakterielles Polysaccharid
  • Pectine, gehören zu den Ballaststoffen

• Cyclodextrine: cyclische Oligosaccharide mit chiralem Hohlraum
  • α-Cyclodextrin (Ring aus sechs Glucoseeinheiten)
  • β-Cyclodextrin (sieben Glucoseeinheiten)
  • γ-Cyclodextrin (acht Glucoseeinheiten)

Analytik

Die Isolierung von Kohlenhydraten erfolgt durch Chromatographie oder per Gelelektrophorese, darunter die Größenausschlusschromatographie und die Kapillarelektrophorese. Mit Lektinen kann eine Affinitätschromatographie durchgeführt werden.

Klassische Nachweise

Ein genereller Nachweis von Kohlenhydraten kann durch die Molisch-Probe, die Barfoedsche Probe und die PAS-Reaktion erfolgen. Die Unterscheidung von Monosacchariden von Di-, Oligo- oder Polysacchariden ist durch die Barfoedsche Probe möglich. Aldosen und Ketosen können durch die Seliwanow-Probe mit Resorcin unterschieden werden. Reduzierende Zucker können mit der Fehling-Probe nachgewiesen werden, bei der sich bei Anwesenheit von Aldehyden und reduzierenden Zuckern (Aldosen und Acyloine) rot-braunes Kupfer(I)-oxid bildet. Neben der Fehling-Probe können reduzierende Zucker auch mit Hilfe des Benedict-Reagenz (durch die Farbe des ausfallenden Produkts), mit Nylanders Reagenz, mit 3,5-Dinitrosalicylsäure oder aufgrund der Entfärbung einer Kaliumpermanganat-Lösung nachgewiesen werden. Die Unterscheidung von Pentosen und Hexosen kann durch die Mejbaum-Probe mit Orcin oder durch die Bial-Probe (ebenfalls mit Orcin) erfolgen. Durch die Dische-Probe kann mit Diphenylamin Desoxyribose nachgewiesen werden.

Moderne Methoden

Neuere analytische Methoden zum qualitativen und quantitativen Nachweis einzelner Kohlenhydrate in unterschiedlichen Untersuchungsmaterialien verwenden nach hinreichender Probenvorbereitung und gegebenenfalls Derivatisierung, chromatographische Trennverfahren in Kopplung mit der Massenspektrometrie. Ebenso wird die Kapillarelektrophorese vor einer Massenspektrometrie verwendet. Für spezielle Kohlenhydrate werden auch ausgewählte TMS-Derivate eingesetzt. Mit markierten Lektinen können bestimmte Kohlenhydrate nachgewiesen werden.

Industrielle Erzeugung und Verwendung

Stärkehaltige Lebensmittel

Kohlenhydrate werden meist aus agrarwirtschaftlich erzeugten Getreiden gewonnen. Kohlenhydrate gehören zu den nachwachsenden Rohstoffen. Stärke ist ein Hauptbestandteil von Mehl und von mehlhaltigen Lebensmitteln.

In gereinigter Form werden Monosaccharide wie zum Beispiel Glucosesirup oder Isoglucose als Süßungsmittel bei der Herstellung von Lebensmitteln oder als Rohstoff zur Herstellung von Biokraftstoffen wie Cellulose-Ethanol verwendet. Saccharose wird ebenso als Süßungsmittel verwendet. Gereinigte Polysaccharide sind beispielsweise Maisstärke, Weizenstärke, Kartoffelstärke und Zellstoff. Cellulosen aus der Baumwollfaser, aus der Flachsfaser und aus verschiedenen anderen pflanzlichen Naturfasern werden zur Herstellung von Textilien verwendet. Ebenso werden Textilien aus umgewandelten Cellulosen hergestellt, beispielsweise Viskose, Lyocell und Cupro. Zelluloid und Zellophan sind Derivate der Cellulose.

Literatur

• Thisbe K. Lindhorst: Struktur und Funktion von Kohlenhydraten. In: Chemie in unserer Zeit. Band 34, 2000, Nr. 1, S. 38–52. doi:10.1002/1521-3781(200002)34:1<38::AID-CIUZ38>3.0.CO;2-L
• Thomas K. Ritter, Chi-Huey Wong: Kohlenhydrate in der Antibiotikaforschung – ein neuer Ansatz zur Resistenzbekämpfung. In: Angewandte Chemie. Band 113, Nr. 19, 2001, S. 3616–3641. doi:10.1002/1521-3757(20011001)113:19<3616::AID-ANGE3616>3.0.CO;2-B
• Jochen Lehmann: Kohlenhydrate. Chemie und Biologie. Thieme, Stuttgart/ New York 1996, ISBN 3-13-532902-X.
• Structure and Catalysis. In: A. L. Lehninger, D. L. Nelson, M. M. Cox (Hrsg.): Principles of Biochemistry. Worth Publishers, New York 1993, S. 252–252.
• G. L. Zubay, W. W. Parson, D. E. Vance: Principles of Biochemistry. Wm. C. Brown, Dubuque, IA 1995, ISBN 0-697-14275-2.
• I. Macdonald: Carbohydrates. In: M. E. Shils, J. A. Olson, M. Shike (Hrsg.): Modern Nutrition in Health and Disease. Lea and Febiger, Malvern 1994, S. 36–44.
• British Society for Allergy and Environmental Medicine, British Society for Nutritional Medicine: Effective nutritional medicine. The application of nutrition to major health problems. In: Journal of Nutritional & Environmental Medicine. Band 6, 1996, S. 191–232.
• G. Alton, M. Hasilik, R. Niehues u. a.: Direct utilization of mannose for mammalian glycoprotein biosynthesis. In: Glycobiology. Band 8, 1998, S. 285–295.
• V. Berger, S. Perier, C. Pachiaudi, S. Normand, P. Louisot, A. Martin: Dietary specific sugars for serum protein enzymatic glycosylation in man. In: Metabolism. Band 47, 1998, S. 1499–1503.
• A. Martin, C. Rambal, V. Berger, S. Perier, P. Louisot: Availability of specific sugars for glycoconjugate biosynthesis. A need for further investigations in man. In: Biochimie. Band 80, 1998, S. 75–86.
• H. H. Freeze: Disorders in protein glycosylation and potential therapy. Tip of an iceberg? In: The Journal of Pediatrics. Band 133, 1998, S. 593–600.

Weblinks

Commons: Kohlenhydrate – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Biochemie und Pathobiochemie: Kohlenhydratstoffwechsel – Lern- und Lehrmaterialien

Wikibooks: Organische Chemie für Schüler/ Kohlenhydrate – Lern- und Lehrmaterialien

Wiktionary: Kohlenhydrat – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen