Kohlenhydrate und Lipide: Konzept, Aufbau und Funktionen

1.2. Kohlenhydrate und Lipide

Eine Übersicht über Konzept, Klassifikation und biologische Funktionen der grundlegenden Biomoleküle.

Kohlenhydrate: Begriff und chemische Struktur

Kohlenhydrate sind fundamentale Biomoleküle, die aus Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) im typischen Verhältnis von C_nH_2nO_n bzw. C_n(H₂O)_n aufgebaut sind. Aufgrund der Tatsache, dass Wasserstoff und Sauerstoff im selben Mengenverhältnis wie im Wasser vorliegen, bezeichnet man sie traditionell auch als Hydrate des Kohlenstoffs.

Die Moleküle der Kohlenhydrate bestehen aus Kohlenstoffketten, an die Wasserstoffatome und alkoholische Hydroxylgruppen (-OH) gebunden sind. Zudem enthalten sie genau eine Carbonylgruppe, welche entweder als Aldehydgruppe oder als Ketogruppe vorliegt. Aus diesem Grund werden Kohlenhydrate chemisch als Polyhydroxyaldehyde oder Polyhydroxyketone definiert.

Klassifikation der Kohlenhydrate

Die Einteilung der Kohlenhydrate erfolgt nach zwei Kriterien:

1. Nach der funktionellen Gruppe

• Ketosen: Kohlenhydrate, die eine funktionelle Ketogruppe besitzen.
• Aldosen: Kohlenhydrate, die eine funktionelle Aldehydgruppe besitzen.

2. Nach der molekularen Komplexität

• A) Monosaccharide: Einfachzucker, die nicht weiter in kleinere Kohlenhydrateinheiten hydrolysiert werden können.
• B) Oside: Entstehen durch die Verknüpfung von zwei oder mehr Monosacchariden. Sie unterteilen sich in:
  • B.1) Holoside: Bestehen ausschließlich aus Monosaccharid-Einheiten.
    • Oligosaccharide: Aufgebaut aus 2 bis 10 Monosaccharid-Einheiten.
    • Polysaccharide: Aufgebaut aus mehr als 10 Monosacchariden:
      • Homopolysaccharide: Nur aus einem einzigen Monosaccharidtyp aufgebaut.
      • Heteropolysaccharide: Aus verschiedenen Arten von Monosacchariden zusammengesetzt.
  • B.2) Heteroside: Zusammengesetzt aus Monosacchariden und Nicht-Kohlenhydrat-Komponenten (Aglykone). Hierzu gehören beispielsweise Glykolipide und Glykoproteine.

Biologische Funktionen der Kohlenhydrate

1. Energetische Funktion / Energiereserve: Monosaccharide dienen als primärer metabolischer Brennstoff, aus dem Zellen über die Zellatmung Energie gewinnen.
2. Strukturfunktion:
   • Ribose und Desoxyribose sind elementare Bestandteile des Rückgrats von RNA und DNA.
   • Cellulose bildet die Zellwand pflanzlicher Zellen.
   • Chitin bildet die Zellwand von Pilzen sowie das Außenskelett von Arthropoden.
   • Peptidoglykan (Murein) sorgt für Stabilität in bakteriellen Zellwänden.
   • Mucine sind essenzielle Bestandteile der extrazellulären Matrix in Binde-, Knochen- und Knorpelgewebe.
   • Hyaluronsäure umhüllt schützend die Eizellen (Oozyten).
3. Antibiotische und antitumorale Eigenschaften: Bestimmte Kohlenhydratderivate besitzen antibiotische sowie antitumorale Wirkung.
4. Antikoagulanzien: Spezifische Polysaccharide (wie z. B. Heparin) hemmen die Blutgerinnung.
5. Biologische Marker und molekulare Erkennung: Oberflächen-Kohlenhydrate fungieren als molekulare Antennen und Informationsträger zur Erkennung anderer Moleküle. Sie dienen gewissermaßen als zellulärer „Personalausweis“ zur Identifikation verschiedener Zelltypen im Organismus.

Lipide: Begriff, Eigenschaften und Struktur

Lipide sind organische Biomoleküle, die vorwiegend aus C, H und O bestehen und mitunter auch N, P und S enthalten. Eine gemeinsame physikalische Eigenschaft aller Lipide ist ihre fettige Beschaffenheit („ölig im Griff“): Sie sind unlöslich in Wasser (hydrophob), jedoch gut löslich in unpolaren organischen Lösungsmitteln wie Ether, Benzin oder Benzol, und weisen typischen Fettglanz auf.

Viele Lipidmoleküle sind amphipathisch aufgebaut: Sie besitzen einen polaren (hydrophilen) „Kopf“ und einen unpolaren (hydrophoben) „Schwanz“. In wässrigen Lösungen organisieren sich amphipathische Lipide spontan zu Monoschichten (Monolayer), Doppelschichten (Bilayer) oder Mizellen.

Klassifikation der Lipide

Lipide werden grundsätzlich in zwei Hauptgruppen unterteilt:

1. Verseifbare Lipide (Saponifizierbar)

Diese Lipide sind Ester von Fettsäuren und können durch alkalische Hydrolyse Seifen bilden. Man unterscheidet:

• Fettsäuren: Organische Monocarbonsäuren mit einer offenen Kohlenwasserstoffkette.
  • Gesättigte Fettsäuren: Besitzen keine Doppelbindungen; die Kohlenwasserstoffkette verläuft gerade.
  • Ungesättigte Fettsäuren: Weisen Doppelbindungen auf, welche eine Krümmung bzw. einen Knick in der Kette erzwingen.
• Einfache Lipide:
  • Fette (Triglyceride): Glycerinester, die durch die Veresterung von Glycerin mit Fettsäuren entstehen.
  • Wachse: Ester aus einer Fettsäure und einem langkettigen Monoalkohol (z. B. Bienenwachs).
• Komplexe Lipide:
  • Glycerolipide: Auf Glycerin basierende Verbindungen wie Glycerophospholipide (Derivate der Phosphatidsäure) sowie Glyceroglykolipide, bei denen das Glycerin über Esterbindungen mit zwei Fettsäuren und über eine O-glykosidische Bindung mit einem Monosaccharid verknüpft ist.
  • Sphingolipide: Enthalten Sphingosin und unterteilen sich in Sphingophospholipide und Sphingoglykolipide.

2. Unverseifbare Lipide (Nicht-saponifizierbar)

Sie besitzen keine Esterbindungen und können daher nicht durch alkalische Hydrolyse verseift werden:

• Terpene: Polymere Moleküle, die sich von Isopren-Einheiten ableiten.
• Steroide: Abkömmlinge des Sterangrundgerüsts (Gonan / Cyclopentanoperhydrophenanthren).

Biologische Funktionen der Lipide

• Energiereserve: Überschüssige Kohlenhydrate werden im Körper in Fett umgewandelt und gespeichert. Bei Energiebedarf werden diese Fette wieder in Glycerin und Fettsäuren hydrolysiert.
• Strukturfunktion: Lipide sind Hauptbestandteil biologischer Membranen; ihre Doppelschicht trennt unterschiedliche wässrige Kompartimente innerhalb und außerhalb der Zelle.
• Vitamine: Lipidlösliche Vitamine umfassen die Vitamine A, D, E und K.
• Hormone und Botenstoffe: Steroidhormone (Sexualhormone, Hormone der Nebennierenrinde) sowie Prostaglandine erfüllen essenzielle Signal- und Regulationsfunktionen.
• Wärmeproduktion (Thermogenese): Bei der Oxidation bestimmter Lipide (etwa im braunen Fettgewebe) wird die Energie nicht in ATP gespeichert, sondern direkt als Wärme freigesetzt.