Monosacchariden, DAS-sacchariden en polysacchariden

Koolhydraten zijn polyhydroxy- en ketonverbindingen en polymeren daarvan: monosacchariden zijn de eenvoudige suikers (zoals glucose C₆H₁₂O₆),, disacchariden bestaan uit twee monosacchariden die verbonden zijn met een glycosidebinding (sucrose, lactose, maltose) en polysacchariden zijn lange ketens (zetmeel, glycogeen, cellulose). In het kort: twee glucose-eenheden vormen maltose met het verlies van één watermolecuul (2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol), en duizenden glucose-eenheden vormen zetmeel, glycogeen of cellulose, die verschillen in het type verbinding en vertakking.

Koolhydraten zijn de belangrijkste energiebron in de meeste diëten en de meest voorkomende organische verbindingen op aarde, aangezien cellulose is de belangrijkste structurele component van planten. Hun eigenschappen zijn afhankelijk van de grootte van de moleculen en de manier waarop de eenheden met elkaar verbonden zijn. Dit artikel beschrijft de drie groepen, de ringstructuren van suikers, de belangrijkste disacchariden en polysacchariden in tabellen, tests voor het verminderen van suikers, en voorbeelden met inbegrip van massaberekeningen voor hydrolyse.

Wat zijn monosacchariden?

Monosacchariden zijn de eenvoudigste suikers. Ze hebben de algemene formule (CH₂O)_n,, met n = 3 naar 7, en bevatten een carbonylgroep en verschillende –OH groepen. Een aldose heeft een aldehydegroep (glucose, galactose, ribose) en een ketose heeft een ketongroep (fructose). Ze worden genoemd naar het aantal koolstoffen: trioses, pentoses (ribose, , C₅H₁₀O₅) en hexoses (glucose, fructose, galactose, , C₆H₁₂O₆).

Glucose, fructose en galactose zijn isomeren van elkaar (dezelfde formule, verschillende structuur). Glucose, de belangrijkste brandstof van cellen, wordt bloedsuiker (normale nuchtere concentratie ongeveer 4–6 mmol/L, of 70–100 mg/dL) genoemd. Fructose is de zoetste natuurlijke suiker en wordt gevonden in fruit en honing. Galactose is een deel van lactose. Ribose en deoxyribose zijn componenten van RNA en DNA. De meeste natuurlijke suikers zijn van de D-serie, waarin het stereocenter met de hoogste nummers dezelfde configuratie heeft als D-glyceraldehyde.

Wat zijn de ringformulieren?

In water bestaat glucose voornamelijk als een ring met zes leden (een pyranose), gevormd wanneer de hydroxylgroep op koolstof 5 de carbonylkoolstof (C1), aanvalt en een cyclisch hemiacetaal maakt. De nieuwe –OH groep op C1 ( de anomerische koolstof) kan ( α-glucose ) of omhoog ( β-glucose ) naar beneden wijzen ten opzichte van de ring. In oplossing wisselen de twee anomeren door de open-ketenvorm tot een evenwicht wordt bereikt met ongeveer 36 % α en 64 % β (en een spoor van de open keten, ongeveer 0.002 %). Fructose vormt vijf -geleden (furanose) ringen. De verschillen tussen α en β-verbindingen verklaren het verschil tussen zetmeel en cellulose.

Wat zijn disacchariden?

Een disaccharide wordt gevormd door de condensatie van twee monosacchariden: de –OH groep van de anomerische koolstof van de ene reageert met een –OH groep van de andere om een glycosidebinding (een acetaalverbinding) te geven, met het verlies van water. De reactie wordt omgekeerd door hydrolyse met zuur of een enzym.

Sucrose is geen reducerende suiker, omdat de anomerische koolstof van beide eenheden wordt gebruikt in de glycosidebinding, en er geen vrije aldehyde- of ketonvorm bestaat. In lactose en maltose is één anomerische koolstof vrij. Lactose moet worden afgebroken door het enzym lactase in de dunne darm; volwassenen met een lactasedeficiëntie hebben lactose-intolerantie.

Wat zijn polysacchariden?

Polysacchariden zijn polymeren van vele monosaccharide eenheden, met molaire massa’s van duizenden tot miljoenen. De algemene formule is (C₆H₁₀O₅)_n wanneer gemaakt van glucose.

• Zetmeel is de energieopslag van planten. Het is een mengsel van amylose (een lineaire keten van glucose eenheden verbonden door α-1,4 bindingen, opgerold in een helix, die geeft een blauwe – zwarte kleur met jodium) en amylopectine (vertakt, met α-1,6 verbindt elke 24–30 eenheden).
• Glycogen is de energieopslag van dieren, opgeslagen in de lever en spieren. Het heeft een structuur zoals amylopectine maar is meer sterk vertakt (een tak elke 8–12 eenheden), zodat veel keteneinden beschikbaar zijn voor een snelle afgifte van glucose.
• Cellulose is het structurele polysaccharide van plantencelwanden, een lineaire keten van glucose-eenheden die door β-1,4 bindingen worden verbonden. Elke andere glucose wordt ondersteboven gedraaid, zodat de ketens recht zijn en waterstofbindingen vormen met naburige kettingen in sterke vezels. Mensen missen het enzym om β-1,4 bindingen te hydrolyseren, dus cellulose is voedingsvezel voor ons, maar herkauwers en termieten verteren het met behulp van micro-organismen.
• Chitin is het polymeer van N-acetylglucosamine in de schelpen van schaaldieren en in insecten en schimmels.

Vergelijking van polysacchariden

Hoe kunnen suikers worden gedetecteerd?

• Benedictus of Fehlings test: reducerende suikers (glucose, fructose, maltose, lactose) verminderen blauw Cu²⁺ tot een steenrood neerslag van Cu₂O bij verwarming. Sucrose geeft geen reactie tenzij het eerst wordt gehydrolyseerd.
• Joodtest: zetmeel geeft een blauw-zwarte kleur, omdat jodiummoleculen (als I₃⁻ en I₅⁻) in de amylose helix passen. Glycogen geeft een rode -bruine kleur en cellulose reageert niet.
• Tollens’ test: reducerende suikers geven een zilveren spiegel.

Uitgewerkte voorbeelden

Voorbeeld 1: massa van een disaccharide

Twee glucosemoleculen (180.16 g/mol elk) condenseren tot maltose met het verlies van één water: 2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol, wat overeenkomt met de formule C₁₂H₂₂O₁₁.

Voorbeeld 2: hydrolyse van zetmeel

Hoeveel glucose wordt verkregen uit de volledige hydrolyse van 100 g zetmeel? De repeat unit C₆H₁₀O₅ heeft een massa van 162.14 g/mol, en neemt één water op om C₆H₁₂O₆ (180.16 g/mol) te geven. De concentratie glucose = 100 × 180.16 / 162.14 = 111 g. De extra 11 g komt uit het water dat wordt toegevoegd.

Voorbeeld 3: de grootte van een polymeer

Een amylosemolecuul heeft een molaire massa van ongeveer 100,000 g/mol. Het aantal glucose-eenheden is n = 100,000 / 162.14 = 617. Celluloseketens hebben 3000 tot 10,000 eenheden (M = 500,000 tot 1.6 miljoen g/mol).

Voorbeeld 4: hydrolyse van sucrose

C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ (glucose) + C₆H₁₂O₆ (fructose). Uit 34.2 g sacharose (0.100 mol), 0.100 mol van elke monosaccharide wordt verkregen: 18.0 g glucose en 18.0 g fructose. Het mengsel wordt invertsuiker genoemd.

Voorbeeld 5: energie uit koolhydraten

De volledige oxidatie van glucose geeft 2803 kJ/mol, af, wat 2803 / 180.16 = 15.6 kJ/g is. Koolhydraten in levensmiddelen worden gewoonlijk genoemd op ongeveer 17 kJ/g (4 kcal/g). De glycogeenreserve van een persoon (ongeveer 400–500 g in de spieren en lever) bevat ongeveer 7–8 MJ, genoeg voor ruwweg een dag met lage activiteit of voor één tot twee uur intensieve inspanning.

Hoe werd de koolhydratenchemie ontwikkeld?

Emil Fischer werkte de structuren en de stereochemie van de suikers tussen 1884 en 1894, uit met fenylhydrazine als reagens, en was de eerste die aantoonde dat glucose, fructose en mannose gerelateerd zijn, waardoor hij de Nobelprijs voor de Chemie in 1902 kreeg. Walter Haworth stelde de ringformules (Haworth) voor in de 1920s en ontving de Nobelprijs in 1937 voor zijn werk over koolhydraten en vitamine C. Hermann Staudinger toonde in de 1920s aan dat zetmeel en cellulose lange ketens zijn, en geen aggregaten van kleine moleculen.

Welke fouten zijn er vaak?

• Zeggen dat alle koolhydraten zoet zijn: zetmeel en cellulose niet.
• Mengen van de α en β verbindingen: ze maken zetmeel verteerbaar en cellulose niet.
• Vergeet het waterverlies: de massa van een disaccharide is niet de som van de massa’s van de monosacchariden.
• Denken dat sucrose een reducerende suiker is: beide anomerische koolstof is gebonden.
• Ervan uitgaande dat de ringvorm is vastgesteld: de anomers interconverteren in oplossing.