Hyaluronsäure, Heparin, Chitin

Hyaluronsäure, Heparin, Chitin Übung

• Benenne die Monomere der Hyaluronsäure und des Chitins.

  Tipps

  Phosphat-Gruppen enthalten Phosphor.

  Amine enthalten immer Stickstoff.

  Lösung

  Monosaccharide lassen sich durch Einführen von funktionellen Gruppen in ihren Eigenschaften variieren. Dadurch lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Heteroglykane synthetisieren, die alle auf Glucosederivaten aufbauen. Drei dieser Glucosederivate hast du im Video kennengelernt.

  Oxidiert man die Alkohol-Gruppe am endständigen Kohlenstoffatom zur Carbonsäure-Gruppe, bekommt man eine Säure der Glucose. Diese wird Glucoronsäure genannt. Polysaccharide, die einen hohen Anteil an Glucoronsäure enthalten, zeigen ein gutes Quellverhalten, daher handelt es sich häufig um gelartige Substanzen. Ein Beispiel ist die Hyaluronsäure. Chitin ist das Homoglykan der Glucoronsäure.

  Tauscht man die $OH-$Gruppe am $C^2$ gegen eine Amino-Gruppe aus, kommt man zum Glucosamin. Durch Acetylierung dieses Moleküls an der Amino-Gruppe erhält man N-Acetylglucosamin, oder kurz GlcNAc. Dies ist das zweite Monomer der Hyaluronsäure und auch im Heparin enthalten.

  Heparin enthält außerdem weitere Derivate der Glucoronsäure und des Glucosamins. Diese Derivate enthalten Sulfatgruppen, die an Hydroxy- oder Amino-Gruppen substituiert sind.

• Beschreibe den Aufbau von Hyaluronsäure und Chitin.

  Tipps

  Homo kommt aus dem Griechischen und bedeutet gleich.

  Lösung

  Hyaluronsäure und Chitin ähneln sich im Aufbau. Beide sind aus N-Acetylglucosamin aufgebaut, jedoch ist im Hyaluronsäure-Molekül ein zweites Monomer enthalten. Dabei handelt es sich um D-Glucoronsäure. Beim Chitin sind die Monomere wie bei der Cellulose über $\beta-1\rightarrow4-$glykosidische Bindungen verknüpft. Die Monomere ordnen sich so an, dass die sperrigen N-Acetylgruppen abwechselnd auf entgegengesetzten Seiten des Moleküls liegen.

  Bei der Hyaluronsäure liegen zwischen D-Glucoronsäure und N-Acetylglucosamin $\beta-1\rightarrow3-$glykosidische Bidungen vor. Die Bindung vom N-Acetylglucosamin zur D-Glucoronsäure ist jedoch eine $\beta-1\rightarrow4-$Verknüpfung. Der Aufbau des Polymers lässt sich also unter Verwendung der Abkürzungen mit der Formel $(-4GlcUA\beta1-3GlcNAc\beta1-)_n$ beschreiben.

• Ermittle, wo Hyaluronsäure enthalten ist.

  Tipps

  Hyaloronsäure kann sehr große Mengen Wasser binden. Dadurch entsteht ein festes Gel, das Feuchtigkeit spenden kann.

  Lösung

  Hyaluronsäure wird vom menschlichen Organismus selbst synthetisiert. Es kommt sehr häufig im Körper vor. Es bildet ein festes, strukturgebendes Gel. Es kommt beispielsweise im Glaskörper des Auges vor und gibt diesem seine Stabilität.

  Zwischen den Wirbelkörpern der Wirbelsäule liegen die Bandscheiben. Diese nehmen beim aufrechten Gang sehr hohe Kräfte auf und federn das Körpergewicht ab. Die Bandscheiben bestehen aus Hyaluronsäure. Diese dient hier als Stoßdämpfer.

  Einige Nasensprays enthalten ebenfalls Hyaluronsäure. Diese soll eine gelartige Feuchtigkeitsschicht auf den Schleimhäuten bilden und so die Schleimhäute vor Austrocknung bei längerer Nutzung von Nasenspray schützen.

  In Marmelade wird Hyaluronsäure als Geliermittel nicht eingesetzt. Dies würde der Marmelade eine zu feste Struktur geben. Als Geliermittel kommt in der Regel Pektin zum Einsatz, ebenfalls ein Polysaccharid mit hohem Anteil an D-Galacturonsäure.

• Entscheide, ob es sich um Homo- oder Heteroglykane handelt.

  Tipps

  Monomere können um die glykosidische Bindung verdreht vorliegen.

  Lösung

  Heteroglykane bestehen im Gegensatz zu Homoglykanen aus unterschiedlichen Monomeren. Homoglykane können dennoch komplex gebaut sein, da unterschiedliche glykosidische Bindungen in einem Molekül vorliegen können. Im oberen rechten Molekül ist dies der Fall. Es handelt sich ausschließlich um D-Gulcose-Monomere, die $\beta-1\rightarrow4-$verknüpft sind. An jedem zweiten Monomer ist zusätzlich ein weiteres D-Glucose-Molekül über eine $\beta-1\rightarrow6-$-Bindung gebunden. Das Polysaccharid heißt Lentinan.

  Oben links hingegen sind eindeutig zwei unterschiedliche Monsaccharide erkennbar, die sich abwechseln. Es handelt sich um D-Galactose und 3,6-Anhydro-L-Galactose. Das Polysaccharid heißt Agarose.

  Das unten links dargestellte Polysaccharid enthält N-Acetylglucosamin und D-Glucoronsäure. Es ist also ein Heteroglykan. Du kennst es bereits, es handelt sich um die Hyaluronsäure.

  Auch das unten rechts dargestellte Molekül ist dir bereits bekannt, es ist das Homoglykan Chitin. Durch die Drehung um die glykosidische Bindung kann es so erscheinen, dass es sich um zwei unterschiedliche Monosaccharide handelt. Hier lohnt es sich, genauer hinzuschauen.

• Bestimme die Monomere in Heparin.

  Tipps

  Bei Heparin handelt es sich um eine starke Säure.

  Lösung

  Heparine sind relativ kurze Heteroglykane. In der Struktur wechseln sich D-Glucosamin-Moleküle und die von der D-Glucose abgeleiteten Säuren D-Glucoronsäure und L-Iduronsäure. Die L-Iduronsäure ist ein Epimer der D-Glucoronsäure. Bei allen Monomeren können an O- oder N-Atomen Sulfonsäure-Gruppen gebunden sein. Dies erhöht die Säurestärke des Moleküls und beeinflusst die biologische Wirksamkeit des Moleküls.

  Bereits ab einer Kettenlänge von nur fünf Monomeren ist Heparin biologisch aktiv. Heparinmoleküle binden an sogenannte Antithrombine, die bestimmte Gerinnungsfaktoren inaktivieren. Dies verhindert das Verklumpen von roten Blutkörperchen.

• Vergleiche die Eigenschaften von Chitin und Chitosan.

  Tipps

  Lösung

  Chitosan verfügt über einige Eigenschaften, die es für die technische Nutzung interessant machen. Ähnlich wie beim Chitin kommt es durch die N-Acetyl-Guppen, die in geringeren Mengen enthalten sind, zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Chitosan-Ketten. Dies macht es deutlich wiederstandsfähiger und glatter als Cellulose, da sich die Ketten gleichförmig ausrichten. Es ist jedoch deutlich flexibler als das sehr harte Chitin, da es weniger Wasserstoffbrückenbindungen besitzt.

  Durch die Glucosamin-Monomere eröffnet sich eine weitere interessante Eigenschaft, die es von anderen Biopolymeren unterscheidet. Die zahlreichen Amino-Gruppen können mit $H^+$-Ionen zu Ammonium-Gruppen reagieren. Dies geschieht in sauren wässrigen Lösungen. Das Chitosan wird dadurch zum Polykation, was seine Löslichkeit erhöht. Daher ist Chitosan in verdünnten starken Säuren gut löslich, in neutraler oder alkalischer Lösung jedoch nicht. Dies kann zum Beschichten von Oberflächen mit Chitosan ausgenutzt werden.

  Dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie funktionelle Gruppen die Eigenschaften von Polysacchariden beeinflussen können. Chitin lässt sich enzymatisch oder durch Laugen leicht in Chitosan überführen, da die Strukturen sehr ähnlich sind. Durch Veränderung eines Homoglykans wird ein verwandtes Heteroglykan erhalten, welches andere chemische Eigenschaften hat.