Basiskennis chemie/Organische chemie/Koolhydraten

Koolhydraten

Bij de bespreking van de grote groepen in de biomoleculen zijn de koolhydraten al een keer ter sprake geweest. In deze paragraaf zullen een aantal specifieke eigenschappen van deze groep stoffen aan de orde komen. Belangrijk gegeven daarbij blijft dat het stoffen zijn die een belangrijke rol in levende wezens vervullen.

Naam van de groep verbindingen

De koolhydraten als groep danken hun naam aan het feit dat de molecuulformules, als je alleen op de verhoudingen van de aantallen verschillende atomen let, allemaal geschreven kunnen worden als $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$. Dit lijkt in eerste instantie op een hydraat van koolstof.

Groepsnaam

Het aantal koolstof-atomen

Bij het bestuderen van deze verbindingen bleek al snel dat de hierboven genoemde formule een "verhoudingsformule" was: hij zei wel iets over de verhouding van de aantallen atomen, maar in een koolhydraat-molecuul kan zomaar 2, 3, tot wel 7 keer zo'n eenheid voorkomen. Om die verschillen te kunnen benoemen werden weer de Griekse telwoorden gebruikt:

Aantal C	Naam	Formule
2	diose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_4\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$
3	triose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_3\mathrm{H}{\phantom{A}}_6\mathrm{O}{\phantom{A}}_3$
4	tetrose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_4\mathrm{H}{\phantom{A}}_8\mathrm{O}{\phantom{A}}_4$
5	pentose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_5\mathrm{H}{\phantom{A}}_{10}\mathrm{O}{\phantom{A}}_5$
6	hexose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6$
7	heptose	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_7\mathrm{H}{\phantom{A}}_{14}\mathrm{O}{\phantom{A}}_7$

n-ose

Plaats van de dubbele binding

Als je de formule van de verschillende ose's kijkt zie je dat je voor een verzadigde verbinding eigenlijk steeds twee waterstofatomen te kort komt. Dat betekent dat er in het molecuul een dubbele binding moet zitten. Dat blijkt ook zo: tussen een van de zuurstof-atomen en een koolstof-atoom komt een dubbele binding voor. Koolhydraten zijn dus ook carbonylverbindingen. Zoals daar al is gezegd, zijn er twee soorten carbonylverbindingen: aldehyden en ketonen. Ook bij de koolhydraten treedt dit verschil op. Koolhydraten met een aldehyde-groep (de dubbel gebonden zuurstof zit aan het einde van de keten) worden aldose genoemd, zit het dubbel gebonden zuurstof-atoom ergens in het midden dan wordt het koolhydraat een ketose genoemd.

Aldose
Ketose

Aldose, glucose

De meest bekende aldose is glucose. Vanuit het oogpunt van de chemicus zou deze stof 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexananal genoemd moeten worden. Glucose is echter een stuk simpeler. Door zijn grote aantal hydroxylgroepen is de stof zeer goed oplosbaar in water. In 1 liter water kan meer dan 900 gram glucose oplossen. Er ontstaat dan een dik-vloeibare stroop. In de biologie is glucose ook een belangrijke stof: het is de belangrijkste vorm waarin energie in planten en dieren verplaatst kan worden. Het is het product van de fotosynthese in planten.

Fotosynthese

$6\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{h}\mathrm{t}}{\to }\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{O}{\phantom{A}}_2$

Daarnaast vormt het de start voor de energievoorziening in de cellen in planten en dieren, de celademhaling. Chemisch gezien verloopt de reactie de andere kant op. De uit het licht afkomstige energie komt voor de cel beschikbaar in een vorm die bruikbaar is om voor de cel noodzakelijke stoffen op te bouwen of, bij dieren, te kunnen bewegen.
Celademhaling

$\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6+6\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶6\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}+\mathrm{e}\mathrm{n}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{g}\mathrm{i}\mathrm{e}$

Als er bij dieren (en mensen!) iets misgaat in het regelen van de hoeveelheid glucose in het bloed is er sprake van suikerziekte. Er kan dan ook in de urine glucose voorkomen.

Glucose

Ketose, fructose

Een veel voorkomende ketose is fructose. Ook fructose kan chemische benoemd worden, 1,3,4,5,6-pentahydroxyhexan--2-on, maar ook fructose wordt meestal niet met die naam aangeduid. Onder het kopje Plaats van de dubbele binding is gezegd dat er over ketoses gezegd dat er "ergens" in de keten een dubbel gebonden zuurstof-atoom moet voorkomen. In de biologische praktijk is dit altijd op de 2-plaats.

Fructose

Ringvorm van koolhydraten

Een belangrijk aspect van de koolhydraten is nog niet aan de orde geweest: deze moleculen hebben de sterke neiging om ringstructuren te vormen. Ringen met 5, maar vooral 6 atomen in de ring zijn daarbij het meest voorkomend. Hieronder staat het voorbeeld van glucose:

Reactie met de ring schematisch aangegeven	Meer realistische weergave van de ringstructuur

Zuurstof uit de hydroxy-groep op koolstof-atoom 5 vormt een binding met het koolstof-atoom 1 van de aldehydegroep. Het waterstof-atoom van de hydroxygroep verschuift naar het zuurstofatoom van het aldehyde. Opvalt dat sommige Sjabloon:Nowrap naar boven getekend worden en andere naar beneden. Je kunt ook zeggen: Sommige OH-groepen zitten aan de zelfde kant van de ring als de $\mathrm{C}\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$-groep, sommige aan de andere kant.

In de rechter figuur zijn de waterstof-atomen aan de koolstof-atomen in de ring niet weergegeven, maar ze zijn er uiteraard wel. Waar de OH-groep naar boven staat aangegeven is er een waterstofatoom dat naar beneden staat en omgekeerd.

Ringvorm van koolhydraten

Enzymreacties

De plaatsing van de $\mathrm{O}\mathrm{H}$-groepen wordt belangrijk op het moment dat enzymen reacties moet gaan uitvoeren. De $\mathrm{O}\mathrm{H}$-groepen zijn de de handvaten voor het enzym om het glucose-molecuul op de juiste wijze "vast te houden", zodat de reactie het gewenst product oplevert, of zelf maar verloopt. In onderstaand koolhydraat, gulose, zie je een voorbeeld waarin de $\mathrm{O}\mathrm{H}$-groepen net op een andere manier omhoog en omlaag steken.

Je ziet dat in dit molecuul ook de $\mathrm{O}\mathrm{H}$-groep van het 5e koolstof-atoom gereageerd heeft met de aldehyde-groep, maar voor een enzym dat op glucose werkt zijn de omhoog en omlaag stekende $\mathrm{O}\mathrm{H}$-groepen van galactose onherkenbaar. Heb jij zelf geen enzym dat op galactose kan werken, dan is dat jammer, je hebt niets aan dit koolhydraat voor de energie-voorziening van je lijf. Alleen ...., er is een grote kans dat als jij zelf niet over zo'n enzym beschikt, een van je darmbacteriën het wel heeft. Die komt in luilekkerland en binnen de kortste keren zijn er een heleboel van die bacteriën. Daar heeft je lijf maar een remedie tegen: zo vlug mogelijk naar buiten.