Reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide 07:59 min
Transkript Reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide. Als Vorkenntnisse solltet Ihr solides Wissen über Monosaccharide mitbringen. Es wäre schön, wenn Ihr bereits das erste Video über Disaccharide gesehen habt und bescheid wisst, worum es sich bei Typ I und Typ II handelt. In diesem Video möchte ich Euch einige Beispiele für reduzierende und nicht-reduzierende Disaccharide vorstellen.
Den Film habe ich in 4 Abschnitte gegliedert. 1. Wann ist ein Disaccharid reduzierend? 2. Reduzierende Disaccharide 3. Nicht-reduzierende Disaccharide 4. Zusammenfassung 1. Wann ist ein Disaccharid reduzierend? Wie die Struktur eines reduzierenden oder nichtreduzierenden Disaccharids aussieht, kann man sehr anschaulich mit den Harvardformeln darstellen. Für die Veranschaulichung ist die Skelettstruktur der beiden Monosaccharidmoleküle ausreichend. Für die Verknüpfungen sind die Kohlenstoffmoleküle 1 und 4 wesentlich. Wie man sieht, wird in diesem Fall eine (1->4)-glykosidische Verbindung verwirklicht. Wird die glykosidische Verbindung über die Kohlenstoffverbindung (1->4) aufgebaut, so spricht man von einem Disaccharid des Typs I. Beim Disaccharid unten entsteht die glykosidische Bindung über die Kohlenstoffatome (1->1). Über solche Disaccharide sagt man, sie zählen zum Typ II. Disaccharide vom Typ I und Disaccharide vom Typ II, unterscheiden sich hinsichtlich ihres Reaktionsvermögens mit oxidierenden Reagenzien wie zum Beispiel Tollensreagenz oder Fehlingscher Lösung. Disaccharide vom Typ I werden oxidiert, während Disaccharide vom Typ II nicht reagieren. Man kann auch sagen, dass Disaccharide vom Typ I reduzierend wirken. Disaccharide vom Typ II sind nicht reduzierend. 2. Reduzierende Disaccharide Der erste Monosaccharidbaustein meines Moleküls sieht so aus. Mit roter Farbe kennzeichne ich die glykosidische Bindung, mit der die beiden Monosaccharidmoleküle verbunden sind. Und nun schließt sich das zweite Molekül eines Monosaccharids an. Da Ihr aufmerksam seid, werdet Ihr bereits festgestellt haben, dass das zweite Molekül mit dem ersten Molekül völlig identisch ist. Es handelt sich hier um eine (1->4)-Verknüpfung. Daher ist das ein Disaccharid vom Typ I. Der systematische Name lautet: α-D-Glucopyranusil-(1->4)-D-Glucopyranose. Abgekürzt schreibt man α-Glc(1->4)Glc. Das Molekül ist aus zwei Glucosebausteinen zusammengesetzt. Diese sind über eine α-glykosidische Bindung miteinander verknüpft. Bei dem Disaccharid handelt es sich um Maltose, Malzzucker. Maltose ist ein Baustein der Stärke und des Glykogens. Wir nehmen jetzt am Molekül der Maltose eine kleine Veränderung vor. Aus der α-glykidischen Bindung wird eine β-glykidische Bindung. Der systematische Name des Disaccharids lautet nun: β-D-Glucopyranosil-(1->4)-D-Glucopyranose, β-Glc(1->4)Glc. Dieses Disaccharid ist Cellobiose. Cellobiose ist der Baustein der Cellulose. Beim dritten Beispiel für ein reduzierendes Disaccharid möchte ich zuerst den systematischen Namen nennen und dann das Molekül zeichnen. Es handelt sich hier um β-D-Galactopyranosil(1->4)- D-Glucopyranose. Abgekürzt β-Gal(1->4)Glc. Die Struktur des ersten Monosaccharidmoleküls möchte ich in der Sesselformschreibweise aufschreiben. Das Molekül hat große Ähnlichkeit mit Glukose, unterscheidet sich aber geringfügig. Es ist die Ringstruktur der Galactose. Dieses Molekül ist mit einem Monosaccharid verknüpft, das dem Galactosemolekül sehr ähnlich ist. Ihr habt es sicher schon erkannt, es handelt sich hier um Glucose. In beiden Fällen wurde von der offenkettigen D-Form gestartet. Das heißt, D-Galactose und D-Glucose bilden hier das Disaccharid. Die Monosaccharidbausteine sind über eine β-glycosidische Bindung miteinander verknüpft. Bei dem Disaccharidmolekül handelt es sich um Lactose, um Milchzucker. 3. Nicht-reduzierende Disaccharide Wir starten wieder mit einem Monosaccharidmolekül in Sesselformschreibweise, dessen Struktur Ihr bald erkennen werdet. Natürlich, es ist wieder die D-Glucose. Die D-Glucose ist über die glykosidische Bindung, rot gekennzeichnet, mit einem 5-Ring verknüpft. Um welchen Zucker handelt es sich hier? Ihr habt ihn sicher schon erkannt, es ist die D-Fructose. Die glycosidische Bindung ist hier interessant gestaltet. Im oberen Teil ist sie ?-glykosidisch, im unteren Teil β-glykosidisch. Der systematische Name dieser Verbindung lautet: α-D-Glucopyranosil(1->2)-β-D-Fructopyranosid. In abgekürzter Schreibform schreibt man: α-Glc(1->2)-β-Fru. Also α-Glucose 1->2 β-Fructose. Bestimmt habt Ihr dieses Disaccharid schon erkannt. Es handelt sich um Saccharose oder um Rübenzucker. Man nennt diese Verbindung auch Sucrose oder einfach Zucker. Auch die Begriffe Rohrzucker und Kristallzucker sind zulässig. Eine wichtige Bemerkung zur glykosidischen Verknüpfung. Wir haben gehört, dass bei nicht reduzierenden Disacchariden diese über (1->1) bewerkstelligt wird. Hier ist es eine (1->2) glykosidische Bindung. Wir merken uns also besser: Nicht reduzierende Disaccharide liegen vor, wenn die glykosidische Bindung über die beiden anomeren Kohlenstoffatome der Bausteine verwirklicht wird. Der erste Baustein unseres letzten Beispiels ist wieder D-Glucose. Die glykosidische Bindung, rot gekennzeichnet, wird über die beiden anomeren Kohlenstoffatome verwirklicht. Auch bei dem Baustoff unten handelt es sich um das Molekül der D-Glucose. Die glykosidische Bindung zwischen den beiden Monosacchariden ist jeweils α-glykosidisch. Wir haben es hier mit einer (1->1) glykosidischen Bindung zu tun. Einer Bindung zwischen beiden anomeren Kohlenstoffatomen. Bei dem Disaccharid handelt es sich um Trehalose. Das ist Insektenzucker. Dieses Disaccharid entsteht auch aus Mikroorganismen. Der systematische Name ist: α-D-Glucopyranosil(1->1)α-D-Glucopyranosid. Abgekürzt: α-Glc(1->1)α-Glc α-Glucose 1->1 α-Glucose. 4. Zusammenfassung Bei Disacchariden vom Typ I wird die glykosidische Bindung zwischen einem anomeren Kohlenstoffatom und einem anderen Kohlenstoffatom verwirklicht. Bei Disacchariden vom Typ II besteht die glykosidische Bindung zwischen 2 anomeren Kohlenstoffatomen. Disaccharide vom Typ I wirken reduzierend. Disaccharide vom Typ II sind nicht reduzierend. Das bedeutet, dass Typ I Disaccharide durch Tollens-Reagenz oder Fehlingsche Lösung oxidiert werden. Bei Disacchariden vom Typ II finden diese Reaktionen nicht statt. Als Beispiele für Disaccharide vom Typ I habe ich in diesem Video Maltose, Cellobiose und Lactose mit ihren Strukturen vorgestellt. Als Beispiele für Disaccharide vom Typ II wurden im Video Saccharose und Trehalose vorgestellt. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.
Videobeschreibung
In diesem Video geht es um reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide. Dazu wird erklärt, wann ein Disaccharid reduzierend wirkt. Im Anschluss werden für beide Gruppen wichtige Vertreter besprochen.
Der Tutor:
Dr. rer. nat.
Reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide
Reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide Übung
Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Reduzierende und nichtreduzierende Disaccharide kannst du es wiederholen und üben.
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Gib wieder, unter welchen Bedingungen Disaccharide eine reduzierende Wirkung haben.
Tipps
Das anomere C-Atom ist verantwortlich für die reduzierende Eigenschaft von Zuckern!
Pyranosen sind 6-Ringe und Furanosen 5-Ringe.
Lösung
Das anomere C-Atom hat eine besondere Bedeutung für Monosaccharide, aber auch für Di- und Oligosaccharide. Bei allen Zuckern außer den Monosacchariden werden ein oder mehrere weitere Monomere mit einem Monosaccharid über die glycosidische Bindung verknüpft. Dies ist eine Bindung, die zwischen dem Sauerstoffatom der Hydroxy-Gruppe und einem Atom des zweiten Bestandteils des Zuckermoleküls besteht.
Disaccharide bestehen aus zwei Monosacchariden, die über eine glycosidische Bindung verknüpft sind. Verknüpft die glycosidische Bindung die beiden anomeren Kohlenstoffatome der beiden Monosaccharide, so handelt es sich um ein nicht-reduzierendes Disaccharid. In allen anderen Fällen ist das Disaccharid reduzierend, Tollens-Probe und Fehling'sche Probe fallen daher positiv aus. -
Bestimme die reduzierenden Disaccharide.
Tipps
Glc = Glucose, Gal = Galactose, Fru = Fructose
Glucose und Galactose sind Pyranosen, Fructose ist eine Furanose.
Bei Pyranosen ist das erste C-Atom das anomere C-Atom, bei Furanosen das Zweite.
Lösung
Anhand der abgekürzten Schreibweise der Disaccharide lässt sich gut erkennen, ob es sich um reduzierende Disaccharide handelt. Dabei muss man allerdings wissen, welche Monosaccharide als Pyranose und welche als Furanose vorliegen. Glucose und Galactose sind Pyranosen, daher ist das erste Kohlenstoffatom der Kette das anomere Kohlenstoffatom. Fructose hingegen ist eine Furanose, daher ist das zweite Kohlenstoffatom der Kette das anomere Kohlenstoff-Atom.
Bei den Disacchariden, die nur aus Pyranosen aufgebaut sind, sind Disaccharide nicht-reduzierend, bei denen eine $1 \rightarrow 1$-glycosidische Bindung vorliegt. Dies ist bei der Trehalose der Fall.
Bei Disacchariden, die aus einer Pyranose und einer Furanose aufgebaut sind, sind diejenigen nicht-reduzierend, bei denen eine $1 \rightarrow 2$-glycosidische Bindung vorliegt. Dies ist bei den oben genannten Verbindungen bei der Saccharose der Fall.
Bei den übrigen Verbindungen liegen glycosidische Bindungen vor, an denen nur ein anomeres Kohlenstoffatom beteiligt ist. Es handelt sich also um reduzierende Disaccharide. -
Interpretiere das Ergebins der Fehling'schen Probe mit Apfelsaft.
Tipps
Die Fehling'sche Probe reagiert positiv, wenn reduzierende Aldehyde in der Lösung enthalten sind.
Saccharose lässt sich beschreiben mit $[\alpha-Glc (1\rightarrow 2) \beta-Fru]$.
Lösung
Die Fehling-Probe reagiert positiv, wenn in einer Lösung reduzierende Aldehyde vorhanden sind. Die Reaktion zeigt also an, dass reduzierende Zucker im Apfelsaft enthalten sind.
Saccharose, der Kristall- oder Haushaltszucker, ist in fast allen Früchten enthalten. So auch im Apfelsaft. Saccharose ist jedoch ein nicht-reduzierender Zucker, da die glycosidische Bindung die anomeren Kohlenstoffatome der Monosaccharide Glucose und Fructose miteinander verknüpft.Daraus folgt, dass Saccharose nicht der einzige Zucker sein kann, der in Apfelsaft enthalten ist. Es müssen weitere Zuckerarten enthalten sein, die reduzierende Wirkung haben.
Tatsächlich ist in Apfelsaft neben Saccharose sehr viel Fructose enthalten. Dieses Monosaccharid ist reduzierend, da das anomere Kohlenstoffatom nicht in eine glycosidische Bindung eingebunden ist. -
Ermittle, ob es sich um reduzierende oder nicht-reduzierende Disaccharide handelt.
Tipps
Die Zählung der Kohlenstoffatome verläuft im Uhrzeigersinn beginnend am verbrückenden Sauerstoffatom.
Lösung
Bei dem ersten Molekül handelt es sich um ein Disaccharid, das aus zwei Molekülen Glucose aufgebaut ist. Die Monomere sind über eine $(1\rightarrow6)$-glykosidische Bindung miteinander verknüpft. Es handelt sich daher um ein reduzierendes Disaccharid.
Das zweite Molekül ist nicht-reduzierend: Ein Galactose-Molekül und ein Glucose-Molekül sind über eine $(1\rightarrow1)$-glycosidische Bindung verknüpft.
Beim dritten Disaccharid sind zwei Fructose-Einheiten über eine $(2\rightarrow2)$-glykosidische Bindung miteinander verknüpft. Da das zweite Kohlenstoffatom der Fructose das anomere Kohlenstoffatom dieses Monosaccharids ist, ist auch dieser Zucker nicht-reduzierend.
Die beiden letzten Disaccharide sind aus Fructose und Glucose aufgebaut. Die Monomere sind über $(2\rightarrow4)$- bzw. $(2\rightarrow2)$-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft. Da die Glucose in Pyranose-Form vorliegt, handelt es sich bei beiden Verbindungen um reduzierende Disaccharide. -
Fasse die Eigenschaften der Disaccharide von Typ I und Typ II zusammen.
Tipps
Die Fehling-Probe zeigt an, ob reduzierende Aldehyde in der Lösung vorhanden sind.
Sacharide vom Typ I besitzen eine $1 \rightarrow 4$ glycosidische Bindung.
Lösung
Bei dem links dargestellten Molekül handelt es sich um ein Disaccharid aus zwei Pyranosen. Die glycosidische Bindung ist vom Typ $1 \rightarrow 1$. Damit ist die Verbindung ein Disaccharid vom Typ II. Es ist also nicht-reduzierend und die Fehling-Probe fällt daher negativ aus.
Beim rechts dargestellten Molekül handelt es sich ebenfalls um ein Disaccharid aus zwei Pyranose-Monomeren, die glycosidische Bindung ist jedoch vom Typ $1 \rightarrow 4$. Daher ist das Disaccharid vom Typ I. Es handelt sich um ein reduzierendes Disaccharid. Die Fehling-Probe fällt daher positiv aus.
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Erkläre die reduzierende Wirkung von bestimmten Sacchariden.
Tipps
Die obige Abbildung zeigt beide Formen eines reduzierenden Disaccharids.
Lösung
Die beiden Nachweise Tollens-Probe und Fehling'-sche Probe reagieren nicht nur bei reduzierenden Zuckern positiv. Es sind vielmehr Nachweise für reduzierende Aldehyde. Die Aldehyde werden dabei oxidiert und es entstehen Carbonsäuren. Auch einige Ketone, wie die Fructose, werden oxidiert, dabei entstehen $\alpha$-Diketone.
Bei der Probe nach Fehling läuft dabei folgende Reaktion ab:$2\ Cu^{2+} + R-CHO + 5\ OH^- \longrightarrow Cu_2O \downarrow + R-COO^- + 3\ H_2O$.
Die Probe kann bei Zuckermolekülen also nur positiv ausfallen, wenn das anomere Kohlenstoff-Atom des letzten Monosaccharids der Kette nicht an einer glycosidischen Bindung beteiligt ist. Ansonsten liegt es ausschließlich in Ringform vor. In dieser Form ist keine Aldehyd-Funktion vorhanden, die sich oxidieren ließe.
Bei reduzierenden Zuckern liegt auch ein Großteil der Moleküle in Ringform vor. Da Ringform und offenkettige Form über eine Gleichgewichtsreaktion miteinander verknüpft sind, lässt sich bei einer Oxidation der in der Lösung vorhandene Zucker vollständig oxidieren. Wird die offenkettige Form durch Oxidation "verbraucht", so wird sie durch die Gleichgewichtsreaktion "nachgeliefert".
Dies erklärt auch, warum nicht nur Disaccharide reduzierend sind. Alle Monosaccharide sind ebenfalls reduzierend. Ebenso sind Oligosaccharide reduzierend, bei denen das letzte Monosaccharid der Kette ein anomeres Kohlenstoff-Atom aufweist, das nicht an der glycosidischen Bindung beteiligt ist.
