Q2.1 Kohlenhydrate und Peptide – Chemie Abitur: einfache Zusammenfassung

Kohlenhydrate

Grundlagen & Einteilung

Kohlenhydrate sind makromolekulare Polyhydroxycarbonylverbindungen.

• Monosaccharide: Einfachzucker wie Glucose
• Disaccharide: Zweifachzucker wie Maltose
• Polysaccharide: Vielfachzucker wie Stärke

Klassifizierung der Monosaccharide

Die Einteilung erfolgt nach der Anzahl der C-Atome und der funktionellen Gruppe.

• Aldosen: Endständige Carbonylgruppe, z. B. D-Glucose (eine Aldohexose mit 6 C-Atomen)
• Ketosen: Mittelständige Carbonylgruppe, z. B. D-Fructose (eine Ketohexose)

💡 Tipp: Merke dir den Unterschied: Glucose hat eine Aldehydgruppe am C1-Atom, Fructose eine Ketogruppe am C2-Atom.

Chiralität

Das Chiralitätszentrum

Chirale Moleküle besitzen ein asymmetrisches C-Atom ($C^*$) mit vier unterschiedlichen Substituenten.

• D-/L-Konfiguration: Richtet sich nach der OH-Gruppe am am weitesten entfernten, asymmetrischen C-Atom (meist unten in der Fischer-Projektion)
• D-Form: Die OH-Gruppe zeigt nach rechts
• L-Form: Die OH-Gruppe zeigt nach links

Isomerenpaare

• Enantiomere: Spiegelbilder, bei denen alle OH-Gruppen die Seiten wechseln (z. B. D- und L-Glucose)
• Diastereomere: Keine Spiegelbilder, unterscheiden sich nur an einzelnen C-Atomen (z. B. D-Glucose und D-Galactose)

💡 Tipp: Beim Zeichnen von Enantiomeren musst du wirklich jede einzelne OH-Gruppe an den chiralen Zentren spiegeln.

Isomerieformen

Konstitutions- und Stereoisomerie

Isomere haben dieselbe Summenformel, unterscheiden sich aber in Struktur oder Raumlage.

• Konstitutionsisomerie: Atome sind unterschiedlich verknüpft (z. B. verzweigte Alkane)
• Stereoisomerie: Gleiche Verknüpfung, aber unterschiedliche räumliche Anordnung
• Konformationsisomerie: Entsteht durch Drehung um eine C-C-Einfachbindung

Einteilung der Stereoisomere

• Diastereomere: Keine Spiegelbilder (z. B. cis-trans-Isomere oder Galactose/Glucose)
• Enantiomere: Verhalten sich wie Bild und Spiegelbild und sind nicht deckungsgleich

💡 Tipp: Enantiomere unterscheiden sich in ihren chemischen Eigenschaften kaum, drehen aber die Ebene von polarisiertem Licht in entgegengesetzte Richtungen.

Fischer- und Haworth-Projektion

Der Ringschluss

In wässriger Lösung bilden Pentosen und Hexosen über eine intramolekulare Halbacetalbildung Ringe.

• Nukleophiler Angriff: Die OH-Gruppe am C5 greift das Carbonyl-C-Atom (C1) an
• $\alpha$-Anomer: Die neu gebildete OH-Gruppe am anomeren C1-Atom zeigt nach unten
• $\beta$-Anomer: Die OH-Gruppe am C1-Atom zeigt nach oben

Haworth-Schreibweise

Die FLOH-Regel hilft beim Zeichnen des Rings aus der Fischer-Projektion.

• FLOH-Regel: Was bei Fischer Links steht, zeichnest du in der Haworth-Projektion nach Oben (Hieraus folgt: rechts ist unten)

💡 Tipp: Sechsringe heißen Pyranosen, Fünfringe werden als Furanosen bezeichnet.

Optische Aktivität & Fehling-Probe

Optische Aktivität

Chirale Substanzen drehen die Ebene von linear polarisiertem Licht.

• Drehwinkel: Wird mit dem Analysator bestimmt, sobald wieder Dunkelheit eintritt
• Drehrichtung: Rechtsdrehend wird als $(+)$ und linksdrehend als $(-)$ abgekürzt

Fehling-Probe bei Zuckern

• Reduzierende Zucker: Aldosen reagieren in der offenkettigen Form positiv, da sie eine freie, leicht oxidierbare Aldehydgruppe besitzen
• Keto-Enol-Tautomerie: Ketosen (wie Fructose) reagieren im alkalischen Milieu der Fehling-Lösung ebenfalls positiv, da sie sich in Aldosen umwandeln

💡 Tipp: Fructose ist eigentlich eine Ketose, ist aber wegen der Keto-Enol-Tautomerie trotzdem Fehling-positiv.

Disaccharide

Glycosidische Bindung

Zwei Monosaccharide verknüpfen sich unter Abspaltung von Wasser (Kondensation) zu einem Disaccharid.

• Sauerstoffbrücke: Entsteht als Vollacetal zwischen dem anomeren C-Atom des ersten und einer OH-Gruppe des zweiten Monosaccharids
• Hydrolyse: Spaltung des Disaccharids unter Wasseraufnahme ($+ H_2O$)

Wichtige Disaccharide

• Maltose: Zwei $\alpha$-D-Glucose-Einheiten, verknüpft über eine $\alpha$-1,4-glycosidische Bindung
• Saccharose: $\alpha$-D-Glucose und $\beta$-D-Fructose, verknüpft über eine $\alpha$-$\beta$-1,2-glycosidische Bindung

💡 Tipp: Merke dir für Klausuren immer genau, welche C-Atome miteinander verknüpft sind.

Reduzierende vs. nicht-reduzierende Zucker

Reduzierende Disaccharide

Diese Zucker besitzen noch ein freies, anomeres Kohlenstoffatom, das nicht an der glycosidischen Bindung beteiligt ist.

• Eigenschaft: Ringöffnung zur offenkettigen Form mit freier Aldehydgruppe ist möglich
• Reaktion: Reagieren Fehling-positiv (z. B. Maltose, da nur ein C1 blockiert ist)

Nicht-reduzierende Disaccharide

Hier sind die anomeren C-Atome beider Bausteine direkt miteinander verknüpft.

• Eigenschaft: Es liegen zwei Vollacetale vor; eine Ringöffnung ist unmöglich
• Reaktion: Reagieren Fehling-negativ (z. B. Saccharose)

💡 Tipp: Suchst du den Unterschied auf einen Blick? Wenn beide anomeren C-Atome (C1 bei Glucose, C2 bei Fructose) blockiert sind, ist das Disaccharid nicht-reduzierend.

Polysaccharide

Entstehung & Struktur

Polysaccharide entstehen durch Polykondensation von sehr vielen Monosaccharid-Einheiten.

• Cellulose: Unverzweigte, lineare Ketten aus bis zu 10.000 D-Glucose-Einheiten, die $\beta$-1,4-glycosidisch verknüpft sind
• Stärke: Wichtiger pflanzlicher Energiespeicher, der aus zwei Komponenten besteht

Komponenten der Stärke

• Amylose: Unverzweigt, helixartig, $\alpha$-1,4-glycosidisch verknüpft (ca. 20 %)
• Amylopektin: Stark verzweigt durch zusätzliche $\alpha$-1,6-glycosidische Bindungen (ca. 80 %)

💡 Tipp: Wegen der $\beta$-1,4-Bindung ist Cellulose für den Menschen unverdaulich, während wir $\alpha$-Bindungen der Stärke problemlos spalten können.

Aminosäuren

Eigenschaften & Struktur

Aminosäuren (AS) sind die Bausteine der Proteine und besitzen zwei funktionelle Gruppen am $\alpha$-C-Atom.

• Zwitterion: Aminosäuren liegen durch intramolekulare Säure-Base-Reaktion (Protonenübergang von der Carboxyl- zur Aminogruppe) als Zwitterion vor: $H_3N^+-CHR-COO^-$
• Chiralität: Das $\alpha$-C-Atom ist asymmetrisch; natürliche Aminosäuren besitzen fast ausnahmslos die L-Konfiguration

💡 Tipp: Durch die zwitterionische Struktur verhalten sich Aminosäuren wie Salze und haben sehr hohe Schmelzpunkte.

Proteinstrukturen & Isoelektrischer Punkt

Proteinstrukturen

• Primärstruktur: Lineare Aminosäuresequenz (Peptidkette)
• Sekundärstruktur: Räumliche Faltung ($\alpha$-Helix oder $\beta$-Faltblatt) durch Wasserstoffbrücken im Rückgrat
• Tertiärstruktur: Dreidimensionale Struktur durch Wechselwirkungen der Reste (Disulfidbrücken, Van-der-Waals-Kräfte, Ionenbindungen)

Der Isoelektrische Punkt (IEP)

Der IEP ist der pH-Wert, an dem die Aminosäure elektrisch neutral als reines Zwitterion vorliegt.

• $pH < IEP$: Aminosäure nimmt Protonen auf, liegt als Kation vor ($+$)
• $pH > IEP$: Aminosäure gibt Protonen ab, liegt als Anion vor ($-$)

💡 Tipp: Am IEP wandern Aminosäuren im elektrischen Feld nicht und haben ihre geringste Wasserlöslichkeit.