Kurstag 10 Aminosäuren und Kohlenhydrate Stichworte zur Vorbereitung Biogene Aminosäuren, Peptidbindung, Säure/Base-Eigenschaften von Aminosäuren, Stereochemie der Aminosäuren. Sesselform der Zucker, Halbacetale, Vollacetale, reduzierende Eigenschaften von Zuckern. Ziel des Versuchstags Einführung in die grundsätzlichen Reaktionsmöglichkeiten der Kohlenhydrate und Amiosäuren, zweier wichtiger biologischer Stoffklassen.
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Kurstag 10 - | The Kalbacher · PDF filedie Fehling-Reaktion und das Tollens-Reagens (Silberspiegelreaktion). Fehling-Reaktion Glucose kann nur in alkalischer Lösung oxidiert werden
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Kurstag 10
Aminosäuren und Kohlenhydrate
Stichworte zur Vorbereitung
Biogene Aminosäuren, Peptidbindung, Säure/Base-Eigenschaften von Aminosäuren,
Stereochemie der Aminosäuren.
Sesselform der Zucker, Halbacetale, Vollacetale, reduzierende Eigenschaften von
Zuckern.
Ziel des Versuchstags
Einführung in die grundsätzlichen Reaktionsmöglichkeiten der Kohlenhydrate und
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Theorie
Aminosäuren
Aminosäuren sind als Bausteine der Proteine von grundlegender biochemischer
Bedeutung.
Struktur der Aminosäuren
Aminosäuren enthalten, wie der Name schon sagt, eine saure Carboxylgruppe und
eine Aminogruppe. Die Aminogruppe kann im Prinzip beliebig weit entfernt von der
Carboxylgruppe sitzen:
α–Aminobuttersäure β-Aminobuttersäure γ-Aminobuttersäure Unter allen denkbaren Aminocarbonsäuren haben jedoch die α-Aminocarbonsäuren
die weitaus größte Bedeutung, weil in der Natur nahezu ausschließlich α-
Aminocarbonsäuren vorkommen:
Der eingerahmte Teil des Moleküls ist allen Aminosäuren gemeinsam, die insgesamt
20 in der Natur vorkommenden biogenen Aminosäuren unterscheiden sich lediglich
im Rest R.
Stereochemie der Aminosäuren
Mit Ausnahme von Glycin (R =H) ist das α-C-Atom aller biogenen Aminosäuren
chiral, es trägt vier verschiedene Substituenten. Es existieren daher für jede
Aminosäure 2 zueinander spiegelbildliche Formen, die man mit D- bzw. L-Form
bezeichnet. In der Natur findet man jedoch praktisch ausschließlich die L-Form:
D-Form L-Form
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D- bzw. L-Form haben völlig gleiche chemische Eigenschaften, unterscheiden sich
jedoch in einigen physikalischen Eigenschaften:
Sie drehen z.B. die Ebene von polarisiertem Licht in verschiedene Richtungen. Ein
Gemisch der D- und L- Form im Verhältnis 1:1 bezeichnet man als Racemat.
Zwitterion
Aminosäuren enthalten im gleichen Molekül eine saure Gruppierung, die
Carboxylgruppe und eine basische Aminogruppe. In wässriger neutraler Lösung gibt
die saure Carboxylgruppe ein H+-Ion ab. Dieses wird von der basischen
Aminogruppe übernommen:
ungeladene Form Zwitterion Das Gleichgewicht liegt in neutraler wässriger Lösung praktisch ausschließlich auf
der Seite des so genannten Zwitterions. Gibt man zu dieser Zwitterionenform H+-
Ionen (starke Säure), so nimmt das Zwitterion ein H+-Ion auf:
In saurer Lösung liegt die Aminosäure als am Stickstoff einfach positiv geladenes Ion
vor. Versetzt man das Zwitterion jedoch mit NaOH, dann gibt das Zwitterion ein H+-
Ion ab:
In alkalischer Lösung liegt die Aminosäure in der an der Carboxylgruppe einfach
negativ geladenen Form vor. Versetzt man die saure Form der Aminosäure mit
NaOH, gibt sie schrittweise 2 H+-Ionen ab:
sauer neutral alkalisch
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Eine Aminosäure in saurer Form verhält sich also wie eine schwache zweiprotonige
Säure. Versetzt man die saure Form der Aminosäure schrittweise mit NaOH, erhält
man ein Titrationsdiagramm, das dem Titrationsdiagramm einer schwachen
zweiprotonigen Säure entspricht:
2 Äquivalenzpunkte, 2 pK-Werte, 2 Pufferbereiche
A = pKCOOH = 2,4
B = pKNH2 = 9,8
Das obige Titrationsdiagramm ist etwas idealisiert gezeichnet. Tatsächlich erhält man
nur den ersten Teil der Kurve der Theorie entsprechend, während der 2. Teil der
Kurve gegen Ende etwas abflacht.
Isoelektrischer Punkt
Als isoelektrischer Punkt IP einer Aminosäure oder eines Proteins wird derjenige pH-
Wert bezeichnet, bei dem die Aminosäure bzw. das Protein nach außen hin
ungeladen erscheint, also zu 100% als Zwitterion vorliegt. An diesem Punkt ist die
Löslichkeit einer Aminosäure bzw. des Proteins in Wasser am geringsten (Warum?).
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alkalisch IP sauer Der IP ist eine für jede Aminosäure charakteristische Konstante, die von den pK-
Werten der funktionellen Gruppen abhängt. Er liegt für die neutralen Aminosäuren
zwischen pH 6 und 7, für saure Aminosäuren (Glu, Asp) im schwach Sauren, für
basische Aminosäuren (Arg, Lys) im Alkalischen. Der IP lässt sich für neutrale
Aminosäuren aus dem arithmetischen Mittel der beiden pK-Werte ermitteln:
Glycin: pK1= 2,4 pK2 = 9,8 IP = 6,1
Dünnschichtchromatographische Trennung von Aminosäuren
Auf das Prinzip der Trennung wurde bereits an Kurstag 7 ausführlich eingegangen.
In diesem Fall wird Butanol als mobile Phase verwendet und nimmt die Aminosäuren
entsprechend ihrer Löslichkeit mit. Gut butanollösliche (hydrophobe) Aminosäuren
werden weiter wandern als gut wasserlösliche (hydrophile) Aminosäuren. Die
Wasserlöslichkeit nimmt in der Reihenfolge Lysin-HCl, Glycin, Valin, Leucin ab, die
Butanollöslichkeit zu. Leucin wandert daher am weitesten, gefolgt von Valin, Glycin
und Lysin-HCl. Lysin-HCl ist infolge seiner doppelten Salzstruktur am besten
wasserlöslich:
Lysin·HCl Glycin Valin Leucin Ninhydrinreaktion
Ninhydrin (2,2-Dihydroxy-indan-1,3-dion) reagiert in einer sehr komplizierten und
sehr empfindlichen Reaktion mit Aminogruppen zu einem rotvioletten Farbstoff:
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Im ersten Reaktionsschritt kondensiert Nihydrin mit der Aminosäure unter Abspaltung
von 2 Mol Wasser zur so genannten Schiff’schen Base:
Die Schiff‘sche Base spaltet CO2 ab, anschließend bildet sich ein
Tautomeriegleichgewicht aus:
Letztere Verbindung stellt eine Schiff‘sche Base eines Aldehyds dar, der daraus
durch Hydrolyse neben 2-Amino-indan-1‚3-dion entsteht:
2-Amino-indan-1,3-dion Aldehyd
Anschließend reagiert das 2-Amino-indan-1,3-dion mit einem weiteren Molekül
Ninhydrin zum Farbstoff:
Peptidbindung
Zwei Aminosäuren lassen sich zu einem Dipeptid verknüpfen, indem die
Carboxylgruppe der einen Aminosäure mit der Aminogruppe der zweiten Aminosäure
unter Wasserabspaltung reagiert. Die dabei entstehende Säureamidgruppierung
-CO-NH- bezeichnet man als Peptidbindung.
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Dipeptid Wie bei anderen Säureamiden ist durch die elektronenanziehende Wirkung der
benachbarten Carbonylgruppe die Basizität des Amid-N sehr stark vermindert. Dies
lässt sich durch folgende mesomere Grenzstruktur leicht erklären:
Durch weitere Kondensation von Aminosäuren entstehen zunächst Peptide, dann
Polypeptide und schließlich Proteine.
Kohlenhydrate
Kohlenhydrate sind Polyhydroxycarbonylverbindungen. Sie werden in Pflanzen durch
Photosynthese aus CO2 und H2O unter Freisetzung von O2 aufgebaut. Für diese
enzymatische Synthese wird Lichtenergie benötigt, die durch das Chlorophyll
(Strukturformel siehe Kurstag 7) absorbiert wird. Kohlenhydrate werden in Form von
Polysacchariden wie z.B. Stärke (Pflanze) und Glykogen (Tier) gespeichert. Durch
den Abbau der Glucose bei der Atmung wird Energie, CO2 und H2O frei. Photosynthese
6 CO2 + 6 H2O + Energie 6 (CH2O)6 + 6 O2 Atmung
Einteilung der Kohlenhydrate
Kohlenhydrate enthalten neben mehreren Hydroxylgruppen eine Aldehyd- oder
Ketofunktion und werden entsprechend als Aldosen oder Ketosen bezeichnet. Die
Aldehydgruppe sitzt am C1, die Ketogruppe häufig am C2 (Fructose).
Je nach Zahl der C-Atome in der Kette werden Aldosen und Ketosen als Triosen,
Tetrosen, Pentosen und Hexosen bezeichnet. Die Aldose Glucose C6O6H12 ist also
eine Hexose (genauer eine Aldohexose), die Ketose Fructose C6O6H12 ist ebenfalls
eine Hexose, speziell eine Ketohexose. Die kleinste Aldose ist der D-Glycerinaldehyd
und die kleinste Ketose 1,3-Dihydroxyaceton.
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Memotechnische Hilfe für Glucose: die Stellung der OH-Gruppen in Fischer-
Projektion ist von oben nach unten durch tatütata einprägbar, wobei ta = rechts, tü =
links.
Die Zugehörigkeit zur D- bzw. L-Reihe gibt die OH-Gruppe (an einem chiralen C) an,
die am weitesten von der Carbonylgruppe entfernt ist (OH rechts = D-Zucker, OH
links = L-Zucker).
Aldo-Triose Aldo-Hexose Keto-Hexose Keto-Triose D-(+)-Glycerinaldehyd D-(+)-Glucose D-Fructose 1,3-Dihydroxyaceton D-Zucker Weitere wichtige Hexosen sind die D-Mannose und die D-Galactose. Sie
unterscheiden sich von D-Glucose in der Konfiguration an einem C-Atom. Zucker, die
sich nur durch die Konfiguration an einem C-Atom unterscheiden, bezeichnet man
als epimere Zucker.
D-Mannose D-Galactose
Einteilung der Kohlenhydrate nach Zahl der Bausteine
Monosaccharide: freie Aldosen und Ketosen, z.B. Glucose und Fructose
Oligosaccharide: 2-10 Zuckerbausteine, z.B. Saccharose, Maltose
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Polysacchride: Kohlenhydratkette mit 10 bis zu mehreren Tausend
Zuckerbausteinen; z.B. Cellulose, Stärke, Inulin
Reaktionen von Kohlenhydraten
Monosaccharide sind durch die vielen Hydroxylgruppen im Molekül gut
wasserlöslich. Aldosen sind an der Aldehydgruppe oxidierbar. Diese Reaktion führt
bei Glucose zu Gluconsäure. Die wichtigsten Nachweisreaktionen für Aldosen sind
die Fehling-Reaktion und das Tollens-Reagens (Silberspiegelreaktion).
Fehling-Reaktion
Glucose kann nur in alkalischer Lösung oxidiert werden. Unter diesen Bedingungen
fällt aber das Oxidationsmittel Cu2+ als Cu(OH)2 aus, was man durch Zugabe des
Komplexbildners K-Na-Tartrat verhindert. Das Reagens wird aus den zwei Lösungen
Fehling I (7g CuSO4 in 100ml Wasser) und Fehling II (34,5g K-Na-Tartrat und 12g
NaOH in 100ml Wasser) vor Gebrauch gemischt.
Reaktionsgleichung:
2 Cu2+ + R – CHO + 4 OH- � Cu2O↓ + R – COOH + 2 H2O Dabei fällt Cu2O als roter Niederschlag aus der Lösung aus.
Tollens-Reaktion
Analog verläuft die Reaktion mit Ag+-Ionen.
2 Ag+ + R – CHO + H2O � Ag↓ + R – COOH + 2 H+
Die reduzierende Wirkung von Glucose auf Silberionen wird zur Verspiegelung von
Glasoberflächen eingesetzt.
Anmerkung
Aldosen, die am C1 oxidiert sind, heißen Onsäuren (aus Glucose entsteht
Gluconsäure); Aldosen, welche unter Erhalt der Carbonylgruppe an C1, an C6
oxidiert sind heißen Uronsäuren (z.B. Glucuronsäure, wichtig im Zellstoffwechsel zur
Entgiftung). Liegen sowohl C1 als auch C6 oxidiert vor, so entstehen Aldarsäuren
(Glucarsäure).
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Reduzierende Wirkung von Fructose
Fructose wirkt im Alkalischen ebenfalls reduzierend, obwohl sie keine Aldehydgruppe
enthält. Die Erklärung liegt darin, dass Fructose im Alkalischen mit Glucose über ein
Endiol im Gleichgewicht steht (Keto-Enol-Tautomerie):
D-Fructose Endiol D-Glucose
Fructosebestimmung nach Seliwanow
Die meisten Farbreaktionen der Kohlenhydrate haben nur noch historische
Bedeutung. Die Reaktion nach Seliwanow eignet sich jedoch zu einem sehr
spezifischen Nachweis für Fructose. Die Reaktion beruht auf der Tatsache, dass
Pentosen und Hexosen beim Erhitzen mit konz. HCl Wasser abspalten und
substituierte Furane bilden. Das aus Fructose entstehende Furanderivat reagiert mit
Phenolen (Resorcin = 1,3-Dihydroxybenzol) sehr spezifisch zu einem nicht genau
definierten roten Farbstoff:
Bildung cyclischer Halbacetale
Aldehyde und Ketone bilden bekanntlich mit Alkoholen Halbacetale bzw. Halbketale
(siehe Kurstag 9). Bei Glucose kann nun die OH-Gruppe am C5 intramolekular mit
der Carbonylgruppe am C1 reagieren. Es bildet sich ein cyclisches Halbacetal. Der
entstandene 6-Ring besitzt das Grundgerüst des Tetrahydropyrans. Solche
Saccharide werden daher als Pyranosen bezeichnet. Die Bildung eines cyclischen
Halbacetals bedeutet ein Gewinn an freier Energie gegenüber der offenkettigen
Form. Daher liegt Glucose in wässriger Lösung nur zu ca. 0,003% in der freien
Aldehydform vor. Durch die Halbacetal- bzw. Halbketalbildung entsteht ein neues
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Chiralitätszentrum. Liegt in der Haworth-Formel eine neue OH-Gruppe oberhalb der
Ringebene und zeigt in die gleiche Richtung wie das CH2OH-Gruppe am C5, so liegt
die β-Form vor, zeigt die OH-Gruppe nach unten, liegt die α-Form vor.
Aus der offenkettigen D-Glucose bildet sich in wässriger Lösung α-D- und β-D-
Glucopyranose. Die beiden Formen stehen dabei miteinander im Gleichgewicht (α:β
36% liegen in α-Form vor, 64%liegen in β-Form vor). Man bezeichnet die beiden
Formen als anomere Zucker.
α-D-Glucopyranose D-Glucose β-D-Glucopyranose
Haworth-Schreibweise
α-D-Glucopyranose offenkettig β-D-Glucopyranose
Auch die Ketohexose Fructose liegt in Lösung als Furanose (Ringschluss an C2 und
C5) und zum Teil auch als Pyranose (Ringschluss an C2 und C6) vor.
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Fischer-Projektion
α-D-Fructopyranose D-Fructose β-D-Fructopyranose
Haworth-Schreibweise
Sesselform der Pyranose
Besser als die Haworth-Formeln, welche die Pyranosen nur unvollständig
beschreiben, da sie nur Konstitution und Konfiguration zeigen, kann die
Sesselformschreibweise die räumliche Anordnung (Konformation) der Substituenten
angeben:
α-D-Glucopyranose β-D-Glucopyranose
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Bei β-D-Glucopyranose stehen allen Substituenten äquatorial (e), im α-Anomeren
steht die OH-Gruppe am C1 axial (a). Bei β-D-Glucopyranosen stehen jeweils
benachbarte Substituenten trans zueinander (beachte: e,e-Anordnung = trans).
Glucose ist daher das energieärmste Modell der Aldohexosen (Verbreitung in der
Natur!). Der Pyranosering wird so gezeichnet, dass der Ringsauerstoff rechts hinten
steht und C4 oben und C1 unten steht. Die Konformation wird auch als 4C1-
Konformation bezeichnet.
Glycoside
Werden die Halbacetal- bzw. Halbketal-Funktionen von Pyranosen und Furanosen
mit Alkoholen umgesetzt, so erhält man die entsprechenden Vollacetale bzw.
Vollketale. Acetale und Ketale von Monosacchariden werden als Glycoside (exakt O-
Glykoside) bezeichnet. Eine glykosidische Bindung ist also eine Bindung, die durch
Reaktion einer halbacetalischen OH-Gruppe am anomeren C-Atom mit einem
Alkohol unter Wasserabspaltung entstanden ist.
Anmerkung: Die Glykoside haben große biochemische Bedeutung und kommen in
verschiedenen Naturstoffen (z.B. Amygdalin) vor. Den zuckerfremden Anteil des
Glycosids bezeichnet man als Aglycon.
bzw. Methyl-α-D-Glucopyranosid (SmT 166°C, [ αD] = +158°)
bzw. Methyl-β-D-Glucopyranosid (SmT 107°C, [ αD] = -33°)
Eine glykosidische Bindung liegt auch bei Di- bzw. Polypeptiden vor. Glykosidische
Bindungen zeigen formal Ähnlichkeit mit einer Etherbindung, chemisch sind sie
jedoch stark verschieden. Glykosidische Bindungen werden im Gegensatz zur
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Etherbindung in wässrig saurem Medium leicht gespalten. Glycoside zeigen keine
reduzierenden Eigenschaften.
Disaccharide
Monosaccharide können mit einem weiteren Monosaccharidmolekül unter
Abspaltung von Wasser ein Disaccharid bilden. Dabei ergeben sich zwei
Möglichkeiten:
1. Die glykosidische Bindung entsteht durch Reaktion der halbacetalischen OH-
Gruppe an C1 (anomeres C-Atom) des ersten Monosaccharids mit einer
alkoholischen OH-Gruppe (z.B. C4) des zweiten Monosaccharids. Es entsteht z.B.
eine 1,4-Verknüpfung. Die reduzierenden Eigenschaften bleiben durch die
Halbacetalform des zweiten Zuckermoleküls erhalten.
Typ I (reduzierend): Maltose, Cellobiose, Lactose
2. Beide Monosaccharide reagieren mit den halbacetalischen OH-Gruppen an C1
miteinander. Beide Moleküle werden zu Acetalen. Das Disaccharid zeigt keine
reduzierenden Eigenschaften mehr. Die Bindung kann jedoch wieder
säuerkatalytisch gespalten werden, eine nachfolgende Reduktionsprobe verläuft
dann positiv.
Typ II (nicht reduzierend): Maltose, Cellobiose, Lactose
Reduzierende Disaccharide:
Maltose 2 D-Glucose
Malzzucker: Baustein in Stärke und Glykogen, reduzierend, 1,4-α-glykosidische
Bindung.
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Die Pyranosesessel bilden einen Winkel, den die α-glykosidische Bindung
verursacht.
Cellobiose 2 D-Glucose
Aus Cellulose, reduzierend, 1,4-β-glykosidische Bindung.
Die Pyranosesessel liegen in einer Ebene. Das Molekül ist gestreckt gebaut.