Glykoside und glykosidische Bindung

Glykoside – der Haushaltszucker und die DNA haben eine Gemeinsamkeit

Wiederholung: das Halbacetal

Wenn ein Aldehyd und ein Alkohol miteinander reagieren, dann entsteht ein Halbacetal.

$\ce{\text{Aldehyd + Alkohol} -> \text{Halbacetal}}$

Charakteristisch für Halbacetale sind die Hydroxy- ($\ce{OH-}$) und die Alkoxygruppe ($\ce{OR-}$) an demselben Kohlenstoffatom.

In ihrer zyklischen Form liegen Aldosen, wie Glucose, als Halbacetale vor.

Bildung von Glykosiden

Wenn ein Halbacetal und ein Alkohol miteinander reagieren, dann entsteht ein Acetal. Dabei spaltet sich Wasser ab. Es findet also eine Kondensation des Alkohols statt. Genauer handelt es sich bei dieser Kondensationsreaktion um eine Veretherung.

$\ce{\text{Halbacetal + Alkohol} -> \text{Acetal} + H2O}$

Charakteristisch für Acetale sind die zwei Alkoxygruppen ($\ce{OR-}$) an demselben Kohlenstoffatom.

$\ce{\text{Monosaccharid + Alkohol} -> \text{Glykosid} + H2O}$

Wenn D-Glucopyranose zum Beispiel mit Methanol reagiert, entsteht Methyl-D-Glucopyranosid.

Monosaccharide besitzen ein Kohlenstoffatom, an dem vier verschiedene Reste (oder auch Substituenten) hängen. Dieses Kohlenstoffatom ist das sogenannte anomere Kohlenstoffatom. Die Reaktion zur Bildung des (Voll-)Acetals findet an der Hydroxygruppe dieses anomeren Kohlenstoffatoms statt.

Die anomeren Formen eines Monosaccharids unterscheiden sich in der Stellung der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom: Steht die Hydroxygruppe axial (unten) am C1-Atom, spricht man von der α-Form. Steht sie äquatorial (oben), handelt es sich um die β-Form.

Monosaccharide besitzen wie Alkohole auch Hydroxygruppen, sodass zwei Monosaccharide miteinander reagieren und ebenfalls glykosidische Bindungen bilden können. Zum Beispiel bilden Glucose und Fructose das Disaccharid Saccharose. Saccharose ist Haushaltszucker.

Die genaue chemische Bezeichnung für Saccharose ist α-D-Glucopyranosyl-(1-2)-β-D-fructofuranosid. In dem Namen wird deutlich, dass sich die glykosidische Bindung zwischen dem anomeren ${\text{C}}$1-Atom der α-D-Glucopyranose und dem ${\text{C}}$2-Atom der β-D-fructofuranose ausbildet. Daher spricht man bei dieser Bindung von einer α,β-1,2-glykosidischen Bindung.

Übrigens kann sich die glykosidische Bindung statt zwischen einem Sauerstoff- ($\ce{O}$) auch zwischen einem Stickstoff- ($\ce{N}$), Schwefel- ($\ce{S}$) oder Phosphoratom ($\ce{P}$) und dem anomeren Kohlenstoffatom ausbilden.

Glykosidische Bindungen mit Stickstoff ($\ce{N}$) befinden sich zum Beispiel in der DNA.

Eigenschaften von Glykosiden

Im Gegensatz zu den Monosacchariden sind Glykoside in der $\alpha$-Form stabiler als in der $\beta$-Form. Zwischen der $\alpha$- und der $\beta$-Form herrscht zudem kein anomeres Gleichgewicht.

Monosaccharide liegen in wässriger Lösung sowohl in der Ringform als auch in der offenkettigen Form vor. Vor allem in alkalischen Lösungen verschiebt sich das Gleichgewicht zur offenkettigen Form, sodass die Aldehydgruppe zugänglich ist und die Verbindung als reduzierend wirkt. Daher können Monosaccharide mit der Fehling-Probe nachgewiesen werden. Die Ringe der Glykoside hingegen können sich nicht öffnen. Der Grund dafür ist, dass das anomere C-Atom an der glykosidischen Bindung beteiligt ist. Aufgrund der geschlossenen Ringstruktur können Glykoside keine freie Aldehydgruppe bilden, die für die Reduktion von Fehling- oder Tollens-Reagenz notwendig ist. Glykoside sind also nicht reduzierend.

Beispiele und ihre biologische Bedeutung

Polysaccharide

Reagieren mehrere Monosaccharide miteinander und bilden glykosidische Bindungen aus, dann entstehen Polysaccharide. Polysaccharide gehören zu den Biopolymeren. Zum Beispiel sind Stärke und Cellulose Polysaccharide.

Die Stärke besteht aus α-D-Glucose-Einheiten, die zum Teil über α-1,4-glykosidische Bindungen und zum Teil über α-1,6-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind.

Cellulose hingegen besteht aus β-D-Glucose-Einheiten, die über β-1,4-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft sind.

Der Mensch kann Stärke verdauen, aber Cellulose nicht. Grund dafür ist, dass das Verdauungsenzym des Menschen für die Spaltung von α-glykosidischen Bindungen spezialisiert ist. Das Enzym heißt Amylase. Für den Abbau von Cellulose bräuchte der Mensch das Enzym Cellulase, das die β-glykosidischen Bindungen der Cellulose brechen können.

Glykoproteine

In Lebewesen kommen Proteine mit Zuckermolekülen gebunden vor. Das Zuckermolekül hängt dabei über eine glykosidische Bindung mit dem Peptid zusammen. Hierbei werden O-Glykoside und N-Glykoside unterschieden.

Zu den Glykoproteinen gehören zum Beispiel Hormone, Bestandteile des Immunsystems und Bestandteile der Zellmembran.

DNA

Die DNA ist eine Kette aus einzelnen sogenannten Nukleotiden. Solch ein Nukleotid setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen, und zwar einem Monosaccharid, einer Phosphatgruppe und einer Base. Das Monosaccharid ist immer eine Desoxyribose. Die Desoxyribose ist eine Ribose, bei dem am zweiten Kohlenstoffatom ein Sauerstoffatom fehlt. In der DNA liegt eine N-glykosidische Bindung zwischen dem anomeren Kohlenstoffatom der Desoxyribose und dem Stickstoffatom der Nukleinbase vor.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Glykoside und glykosidische Bindung