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Kohlenhydrate

Grundlagen - Kohlenhydrate - Lipide - Proteine

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.

Photosynthese

Dieser elementare biologische Prozess wird im Fachbereich Biologie auf dieser Homepage ausführlichstens besprochen.

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.

Kohlenhydrate

Die Kohlenhydrat-Seiten meiner Homepage habe ich nicht nur für die Fächer Chemie und Biologie geschrieben, sondern auch für das Fach Ernährungslehre. Auf diesen Seiten finden Sie die chemischen Grundlagen zum Thema Kohlenhydrate.

Der Name "Kohlenhydrat"

Der Name "Kohlenhydrat" leitet sich von der chemischen Zusammensetzung dieser Stoffklasse her. Das kann man sich am Beispiel der Glucose (Traubenzucker) klarmachen.

Glucose hat die Summenformel C6H12O6.

Diese Summenformel könnte man auch etwas anders schreiben, nämlich 6 x (C - H2O) oder (C - H2O)6.

Das in den Klammern stehende (C - H2O) könnte man als Kohlenstoff - Wasser bezeichnen. Für Wasser ist das Fremdwort "Hydrat" üblich, daher könnte man den Ausdruck in den Klammern auch als "Kohlenstoff-Hydrat" oder noch kürzer "Kohlenhydrat" bezeichnen. Auf je ein Kohlenstoff-Atom kommt genau ein Wasser-Molekül.

Dass Kohlenhydrate aus Kohlenstoff und Wasser bestehen, kann man auch durch einen einfachen Versuch zeigen:

Verkohlung von Zucker

Auf dieser Seite wird der Versuch ausführlich beschrieben.

Dieser Versuch zeigt sehr schön, dass Kohlenhydrate wie beispielsweise Haushaltszucker rein formal aus Kohlenstoff und Wasser ("Hydrat") bestehen. Die konz. Schwefelsäure entzieht dem Haushaltszucker den Wasser-Anteil, und zurück bleibt reiner schwarzer Kohlenstoff.

Einteilung der Kohlenhydrate

Chemisch betrachtet, bestehen Kohlenhydrate aus nur drei Arten von Atomen: Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. Ein typischer Vertreter der Kohlenhydrate ist die Glucose (Traubenzucker) mit der Summenformel C6H12O6. Die Stoffklasse der Kohlenhydrate ist extrem umfangreich. Kohlenhydrate kommen nicht nur als Nährstoffe in der Natur vor, sondern sind auch wichtige Baustoffe. Zuerst denkt man hier an die Zellwände der Pflanzenzellen, die zum großen Teil aus Cellulose bestehen, einem Kohlenhydrat. Aber auch in den Membranen aller Tier- und Pflanzenzellen finden sich Kohlenhydrate, und auch in anderen Komponenten der Zellen. Die Erbsubstanzen DNA und RNA enthalten beispielsweise die Kohlenhydrate Desoxyribose bzw. Ribose, zwei aus fünf C-Atomen bestehenden Zuckern.

Es ist daher gar nicht so einfach, diese Vielzahl der Kohlenhydrate vernünftig einzuteilen. Zunächst einmal sollte man zwischen Monosacchariden, Disacchariden und Polysacchariden unterscheiden. Innerhalb dieser Gruppen gibt es dann weitere Unterklassen.

Monosaccharide

Monosaccharide oder Einfachzucker bestehen aus einem einfachen Zucker-Molekül mit drei bis sieben C-Atomen. Die Vielzahl der Monosaccharide kann man mit Hilfe eines zweidimensionalen Schemas leicht einteilen. Die eine Dimension ist die Zahl der C-Atome, die andere Dimension die Art der prägenden funktionellen Gruppe.

Ein dreidimensionales Modell der Glucose

Ein Molekülmodell der Glucose. Grau = Kohlenstoff, rot = Sauerstoff, weiß = Wasserstoff.
Autor: Ulrich Helmich 2023, Lizenz: Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Einteilung nach Anzahl der C-Atome

Nach der Zahl der C-Atome unterscheidet man bei den Monosacchariden Triosen (3), Tetrosen (4), Pentosen (5), Hexosen (6) und Heptosen (7). In der Biologie und Chemie sind alle diese Monosaccharide wichtig, in der Ernährungslehre beschäftigen wir uns aber eigentlich nur mit den Hexosen, also den Monosacchariden mit sechs C-Atomen.

Die für die Ernährung wichtigsten Hexosen sind Glucose (Traubenzucker) und Fructose (Fruchtzucker). Wie der Name schon andeutet, kommen diese Monosaccharide vor allem in Früchten vor. Erwähnt werden sollte noch die Galactose (Schleimzucker) als Baustein der Lactose (Milchzucker). Galactose ist ebenfalls eine Hexose.

Einteilung nach der funktionellen Gruppe

Glucose ist eine Aldohexose, Fructose eine Ketohexose (Darstellung der Moleküle in der Kettenform)
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Nach der prägenden funktionellen Gruppe kann man die Monosaccharide in Aldosen und Ketosen unterteilen. Die Aldosen besitzen neben den OH-Gruppen, die für alle Monosaccharide typisch sind, eine Aldehydgruppe, während die Ketosen eine Ketogruppe am zweiten C-Atom besitzen.

Disaccharide

Disaccharide oder Zweifachzucker bestehen aus Molekülen, die durch die Verknüpfung von zwei Monosaccharid-Molekülen entstanden sind.

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 Disaccharid ist die Maltose, die aus zwei Glucose-Einheiten besteht (Malzzucker; Spaltprodukt der Stärke).

Eine dreidimensionale Darstellung des Maltose-Moleküls

Eine dreidimensionale Darstellung des Maltose-Moleküls.
Autor: Ulrich Helmich 2023, Lizenz: Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Polysaccharide

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.

Weiterführende Seiten

Auf den Zellbiologie-Seiten dieser Homepage finden sich zahlreiche weiterführende Seiten zum Thema Kohlenhydrate. Im Folgenden werden die drei wichtigsten genannt.

Monosaccharide (Biologie)

Disaccharide (Biologie)

Polysaccharide (Biologie)