Kohlenhydrate sind energieliefernde Nährstoffe
Kohlenhydrate entstehen durch Photosynthese
Die Kohlenhydrate gehören zu den drei energieliefernden Nährstoffen (neben Fetten und Proteinen). Kohlenhydrate werden in der Natur von den grünen Pflanzen produziert und sind das Ergebnis der Photosynthese. Bei diesem Prozess wird aus Kohlendioxid und Wasser das Kohlenhydrat Glucose (Traubenzucker) sowie als "Abfallprodukt" der für uns überlebenswichtige Sauerstoff hergestellt, nach der Reaktionsgleichung
$6\;CO_{2} + 6\;H_{2}O \to C_{6}H_{12}O_{6} + 6\;O_{2}$
Die Glucose wird dann meistens in Saccharose, Stärke oder Cellulose umgewandelt. In dieser Form nehmen wir die Kohlenhydrate auch mit der pflanzlichen Nahrung auf.
Verwertung der Kohlenhydrate in unserem Körper
In unserem Körper werden die Kohlenhydrate der Nahrung dann vorwiegend im Dünndarm wieder in ihre Glucose-Bausteine zerlegt und gelangen über die Dünndarmzotten in den Blutkreislauf. Das Blut transportiert die Glucose-Moleküle dann zu den Organen, wo sie über spezielle Glucosetransport-Proteine in die Zellen transportiert werden. Dort gelangt die Glucose in die Glycolyse, wo sie in kleinere organische Bausteine zerlegt wird. Diese werden dann in den Citratzyklus eingespeist, der sie unter Abspaltung von CO2 in sogenannte Reduktionsäquivalente (chemisch gebundener Wasserstoff) umsetzt, die schließlich in die Atmungskette gelangen, wo sie die ATP-Synthese ermöglichen.
Die Kohlenhydrat-Seiten meiner Homepage habe ich nicht nur für die Fächer Chemie und Biologie geschrieben, sondern auch für das Fach Ernährungslehre. Auf den Biologie-Seiten finden Sie die chemischen Grundlagen zum Thema Kohlenhydrate. Auf dieser Seite hier werde ich mich auf die ernährungsphysiologischen Aspekte der Kohlenhydrate konzentrieren.
Der Name "Kohlenhydrat"
Der Name "Kohlenhydrat" leitet sich von der chemischen Zusammensetzung der Stoffklasse her. Das kann man sich am Beispiel der Glucose (Traubenzucker) klarmachen.
An dieser Stelle übrigens herzlichen Dank an Pexels, dem tollen Portal für Creative Commons Photos. Alle Fotos auf Pexels können kostenlos für jeden Zweck verwendet werden, privat und kommerziell. Dieser Hinweis richtet sich vor allem an meine eigenen Schüler(innen), die bei Präsentationen immer wieder gern Bilder verwenden, die nicht unbedingt lizenzfrei sind!
Glucose hat die Summenformel C6H12O6.
Diese Summenformel könnte man auch etwas anders schreiben, nämlich 6 x (C - H
2O). Das C steht für den Kohlenstoff, das H
2O ist Wasser, und für "Wasser" gibt es das Fremdwort "Hydrat". Sechs solcher Kohlenstoff-Hydrat-Pakete bilden dann das Traubenzucker-Molekül - daher der Name "Kohlenhydrat".
Das Kohlenhydrate aus Kohlenstoff und Wasser bestehen, kann man auch durch einen einfachen Versuch zeigen:
Versuch
Reaktion von Zucker mit konz. Schwefelsäure
Durchführung:
In ein größeres Reagenzglas wird ein Teelöffel Haushaltszucker gegeben. Das Reagenzglas wird dann in ein großes Becherglas gestellt (nur zum Schutz der Umgebung). Dann gibt man ca. 10 bis 20 ml konzentrierte Schwefelsäure (Vorsicht, äußerst gefährlich, darf nur der Lehrer machen!) in das Reagenzglas. Wegen der sich entwickelnden stechenden Dämpfe muss man das Ganze im Abzug machen!
Beobachtungen:
Zunächst tut sich gar nichts. Nach einiger Zeit färbt sich der ursprünglich weiße Zucker hellgelb, dann dunkelgelb. Weitere Zeit verstreicht. Schließlich wird aus der dunkelgelben Masse eine ziemlich schwarze Masse, die auch noch anfängt, größer zu werden. Das Volumen dieser schwarzen Masse nimmt immer mehr zu, und unter Umständen quillt sie sogar aus dem Reagenzglas heraus. Dann ist es gut, wenn das Reagenzglas in einem Becherglas steht.
Deutung:
Konz. Schwefelsäure ist eine stark hygroskopische Flüssigkeit. Das heißt, sie zieht Wasser an, und zwar extrem stark. Im Zucker ist Wasser enthalten, wie wir ja oben bereits gesehen haben ("Kohlen-Hydrat"). Die Schwefelsäure entzieht dem Zucker nun das Wasser. Übrig bleibt - Kohlenstoff. Die schwarze Masse besteht fast nur noch aus Kohlenstoff (und ein paar Nebenprodukten, die uns aber nicht weiter interessieren).
Einteilung der Kohlenhydrate
Einteilung nach der Zahl der C-Atome
Die einfachsten Kohlenhydrate bestehen aus drei C-Atomen. Solche Kohlenhydrate werden als Triosen bezeichnet. Kohlenhydrate mit vier C-Atomen nennt man Tetrosen, solche mit fünf C-Atomen Pentosen, solche mit sechs C-Atomen Hexosen und solche mit sieben C-Atomen schließlich Heptosen. Für die Biologen sind alle diese Kohlenhydrate wichtig, weil sie in den meisten Stoffwechselprozessen auftauchen. Im Fach Ernährungslehre sind eigentlich nur die Hexosen wichtig, weil sie die Grundbausteine aller wichtigen Kohlenhydrate sind.
Einteilung nach der Zahl der Grundbausteine
Monosaccharide bestehen nur aus einem einzigen Zucker-Molekül. Die für die Ernährung wichtigsten Monosaccharide sind Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker). Wie der Name schon andeutet, kommen diese Monosaccharide vor allem in Früchten vor.
Disaccharide bestehen aus zwei Monosaccharid-Molekülen. Das wohl bekannteste Disaccharid, die Saccharose (Haushaltszucker, Rübenzucker), besteht aus einem Glucose-Molekül, das mit einem Fructose-Molekül verbunden ist. Ein anderes wichtiges Disaccharid ist die Lactose (Milchzucker). Lactose besteht aus einem Glucose-Molekül, das mit einem Galactose-Molekül verbunden ist. Galactose ist wiederum ein Monosaccharid. Ein drittes wichtiges Disaccarid ist die Maltose, die aus zwei Glucose-Einheiten besteht (Malzzucker; Spaltprodukt der Stärke).
Polysaccharide bestehen aus Tausenden von Monosaccharid-Molekülen. Amylose und Amylopektin sind die beiden Komponenten der Stärke. Beide Moleküle bestehen aus vielen Tausenden Glucose-Molekülen. Auch die "tierische Stärke", das Glycogen, besteht aus Tausenden von Glucose-Molekülen. Die Cellulose, der wichtigste Bestandteil pflanzlicher Zellen, besteht ebenfalls aus Tausenden von Glucose-Molekülen. Neben Stärke und Cellulose gibt es viele weitere Polysaccharide, auf die hier aber nicht weiter eingegangen werden soll.
Einteilung nach dem chemischen Aufbau
Aldosen sind Monosaccharide, die über eine Aldehydgruppe verfügen, und Ketosen sind Monosaccharide, welche eine Ketogruppe besitzen. Die wichtigste Aldose ist wohl die Glucose, und die wichtigste Ketose die Fructose.