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Polysaccharide

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Die Autor*innen
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André Otto
Polysaccharide
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Polysaccharide

Inhalt

Polysaccharide – Chemie

Sicher hast du schon einmal einen Kuchen gebacken, oder? Zwei der Hauptzutaten von Kuchen sind Mehl und Zucker. Doch was haben die beiden Stoffe gemeinsam? Mehl und Zucker sind Kohlenhydrate und bestehen aus einzelnen Monosacchariden. Das Mehl ist dabei ein sogenanntes Polysaccharid. Was ein Polysaccharid ist und wie dieses aufgebaut ist, erfährst du im folgenden Text.

Polysaccharide – Definition

Polysaccharide gehören neben den Monosacchariden und Disacchariden zur Stoffklasse der Kohlenhydrate. Polysaccharide werden auch als Vielfachzucker bezeichnet, da sie aus mehr als zehn kettenförmig miteinander verbundenen Monosacchariden bestehen.

Polysaccharide – Aufbau, Eigenschaften und Funktionen

Wie sind Polysaccharide aufgebaut? Die Monosaccharide sind zur Bildung von Polysacchariden über glycosidische Bindungen miteinander verbunden. Unter Wasserabspaltung reagiert eine Hydroxygruppe ($\ce{-OH}$) des ersten Monosaccharids mit einer Hydroxygruppe des zweiten Moleküls. Die beiden Kohlenstoffatome der an der glycosidischen Bindung beteiligten Monosaccharide sind dann über Sauerstoff miteinander verbunden. Zwischen den Bausteinen können an verschiedenen Stellen glycosidische Bindungen ausgebildet werden. Deshalb kann die Struktur der Polysaccharide verzweigt oder unverzweigt sein. Die allgemeine Summenformel der Polysaccharide sieht wie folgt aus:

$\ce{[ C_x (H2O)_y ]_n}$

Polysaccharide – Eigenschaften und Funktionen

Polysaccharide spielen in der Pflanzen- und Tierwelt als Reservestoffe zur Energiespeicherung, als Nährstoffe sowie als Schleimstoffe eine wichtige Rolle. In Form von Schleimstoffen sind sie bei Mensch und Tier beispielsweise im Speichel, Magensaft oder in den Schleimhäuten zu finden. Hier wirken die Polysaccharide als Schutzsubstanzen gegen äußere Einflüsse.

Die Funktionen der Polysaccharide als Reservestoffe und als Nährstoffe werden anhand konkreter Beispiele genauer betrachtet. Außerdem erfährst du, was alles aus einem Polysaccharid besteht.

Polysaccharide – Beispiele

Im Folgenden erfährst du etwas über die wichtigsten Polysaccharide. Zu diesen zählen Cellulose, Stärke, Callose, Chitin und Glycogen.

Cellulose und Stärke

Cellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und spielt in der Ernährung als Ballaststoff eine wichtige Rolle. In diesem Polysaccharid ist die Glucose über $\beta$-1,4-Bindungen verbunden. Die $OH$-Gruppe zeigt in der $\beta$-Position nach oben.

Das Polysaccharid Stärke ist (wie das Glycogen) aus $\alpha$-1,4-gylcosidisch verknüpften Glucosemolekülen aufgebaut. Dabei wechseln sich Amylopektin (stark verzweigte Abschnitte) mit Amylose (nicht verzweigte Abschnitte) ab. Das Amylopektin macht mit 70 bis 80 % den größten Anteil in der Stärke aus. Stärke ist, wie das Glycogen bei Tieren und Pilzen, ein Speicher- und Reservestoff für Glucose bei Pflanzen.

In der folgenden Abbildung sind die Polysaccharide Cellulose und Stärke mit Strukturformeln dargestellt:

Strukturformeln der Polysaccharide - Cellulose und Stärke

Falls du noch mehr über Stärke und Cellulose erfahren möchtest, kannst du dir das Video Stärke und Cellulose ansehen.

Callose, Chitin und Glycogen

In der Callose sind die Glucosemoleküle $\beta$-1,3-glycosidisch verbunden. Dieses Polysaccharid ist ein Abdichtungsmittel bei Pflanzen und spielt in dieser Funktion eine wichtige Rolle bei Wachstums- und Entwicklungsprozessen, wie beispielsweise der Zellteilung.

Das Polysaccharid Chitin ist ähnlich aufgebaut wie die Cellulose. Allerdings ist hier an einigen Stellen noch Stickstoff ($\ce{N}$) eingebaut. Dabei spricht man bei den Monosacchariden, aus denen Chitin aufgebaut ist, von Acetylglucosamin. Chitin ist Hauptbestandteil der Pilze und des Exoskeletts bei Insekten.

Glycogen (oft auch als Glykogen bezeichnet) besteht aus vielen Tausend Glucosemolekülen. Es ist der Speicherstoff bei Menschen, Tieren und Pilzen. Mit der Nahrung aufgenommene, überschüssige Glucose wird in Form von Glycogen in der Leber gespeichert. Benötigt der Körper für Stoffwechselprozesse Energie, wird das gespeicherte Glycogen zu dem Energieträger Glucose abgebaut.
Die Glucosemoleküle sind in diesem Polysaccharid über eine $\alpha$-1,4-glycosidische Bindung miteinander verknüpft. Diese Bindung verknüpft also das erste Kohlenstoffatom des einen Glucosemoleküls mit dem vierten Kohlenstoffatom des anderen Glucosemoleküls. Die $OH$-Gruppe befindet sich dabei in der sogenannten $\alpha$-Position, also nach unten gerichtet. Alle acht bis zehn Glucoseeinheiten verzweigt sich das Glycogenmolekül, indem $\alpha$-1,6-Bindungen gebildet werden. Dabei sind die Glucosemoleküle über das erste und sechste Kohlenstoffatom verbunden.

In der folgenden Abbildung sind die Polysaccharide Callose, Chitin und Glycogen mit Strukturformeln dargestellt:

Strukturformeln der Polysaccharide

Dieses Video

In diesem Video werden die Polysaccharide einfach erklärt und die wichtigsten Polysaccharide vorgestellt. Nach dem Betrachten des Videos hast du die Möglichkeit, Übungen und Arbeitsblätter zum Thema Polysaccharide zu bearbeiten. Viel Spaß!

Transkript Polysaccharide

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Polysaccharide. An Vorkenntnissen solltest Du über Monosaccharide gut Bescheid wissen. Im Video möchte ich Dir einen Überblick über die wichtigsten Polysaccharide verschaffen. Das Video ist folgendermaßen gegliedert: 1. Polysaccharide: Was ist das? 2. Bedeutung für die Lebewesen. Dann beginnen die Abschnitte über spezielle Polysaccharide: 3. Glycogen 4. Stärke 5. Cellulose 6. Callose 7. Chitin 8. Zusammenfassung   Polysaccharide

  1. Was ist das? Polysaccharide bestehen aus Monosacchariden. Aus vielen Molekülen von Einfachzuckern bilden sich Mehrfachzucker. Die Bausteine der Polysaccharide sind untereinander über glykosidische Bindungen verknüpft. Von Polysacchariden spricht man etwa von zehn Bausteinen an. Zwischen den Monosaccharidmolekülen sind verschiedene Bindungsstellen möglich. Die Polysaccharidmoleküle können unverzweigt oder verzweigt sein. Daher ist die Bildung verschiedener Polysaccharidmoleküle möglich.

  2. Bedeutung für die Lebewesen. Polysaccharide dienen als Nährstoffe, Reservestoffe und Schleimstoffe. Wo Polysaccharide als Schleimstoffe vorkommen, möchte ich kurz erzählen: Beginnen wir bei Mensch und Tier. Ein Vorkommen ist der Speichel. Zweiter Wirkungsort ist der Magensaft. Und an der Schleimhaut treffen wir sie. Und nun einige Beispiele für Pflanzen, die Schleimstoffe produzieren: der Spitzwegerich, der Huflattich und der echte Eibisch.   Kommen wir nun zu den speziellen Polysacchariden:

  3. Glycogen (auch Glykogen geschrieben).                Man nennt es auch bildhaft tierische Stärke oder Leberstärke. Sein Aufenthaltsort ist die Leber. Glycogen dient der Bereitstellung des Energieträgers Glucose. Außer in Menschen und in Tieren findet man Glycogen auch in Pilzen. Pflanzen hingegen produzieren kein Glycogen. Wie sieht die Struktur des Glycogens aus? Der Baustein ist α-D-Glucose. Die herkömmliche Glucose. Die Polysaccharidkette besteht aus 50.000 Bausteinen. Zwischen ihnen gibt es eine α-1→4-glykosidische Knüpfung. Alle 8 bis 10 Monosaccharidbausteine gibt es eine Abzweigung. Dort ist die Knüpfung α-1→6-glykosidisch. Schauen wir uns die Strukturformel noch einmal an und so erkennen wir das Prinzip. Das gesamte Molekül besteht aus Zentralatom mit Glycogen.  

  4. Stärke Auch hier ist der Baustein die α-D-Glucose. Der Hauptbestand in der Stärke ist Amylopektin. Das Molekül ist stark verzweigt. Man spricht bildhaft von "Tannenbaumstruktur". Der zweite Bestandteil ist die Amylose. Sie ist unverzweigt. In beiden Fällen sind die Knüpfungen α-1→4-glykosidisch. Amylopektin hat in der Stärke einen Anteil von 70 bis 80 %. Amylose von 20 bis 30 %. Stärke wird von Pflanzen produziert. Reis enthält einen Anteil von 90 %. Die Kartoffel von 80 %. Die Erbse erheblich weniger: 40 %. Stärke ist von großer Bedeutung, und zwar als gesunder Energielieferant für Mensch und Tier. In Deutschland werden jährlich etwa 2 Millionen Tonnen Stärke produziert. 55 % davon entfallen auf Lebensmittel. 45 % auf nachwachsende Rohstoffe. Davon werden wiederum 95 % zu Papier und Wellpappe verarbeitet. Der Rest von 5 % wird von der chemischen und Fermentationsindustrie genutzt.  
  5. Cellulose Cellulose findet man in Holz. Der größte Teil der Baumwolle besteht aus Cellulose und ebenso ist es beim Flachs, aus dem Leinen gesponnen wird. Das ist die Struktur von Cellulose. Der Baustein des Cellulosemoleküls ist β-D-Glucose. Die Knüpfung ist β-1→4-glykosidisch. Bei Stärke ist sie α-1→4-glykosidisch. Daher ist Cellulose unlöslich in Wasser - sogar im heißen. Als Nährstoff, glaubt man zu wissen, ist sie für den Menschen ungeeignet. Doch die Wahrheit ist diffiziler. Betrachten wir den Wiederkäuer und den Menschen. Wiederkäuer sind zur Vollverwertung von Zellulose befähigt. Beim Menschen kommt es zur Teilverwertung. Außerdem dient Glucose als Ballaststoff. Chemisch modifiziert, ergeben sich bestimmte Nahrungsmittelergänzungsstoffe.

  6. Callose Baustein der Callose ist die β-D-Glucose. Die Knüpfung ist β-1→3-glykosidisch. Stärke hat eine α-1→4-glykosidische Knüpfung. Callose ist wasserunlöslich. Die Zellen verwenden sie als Abdichtungsmaterial. Callose ist wichtig bei der Zellteilung.  

  7. Chitin Der Baustein ist hier ein modifiziertes β-Glucose Molekül. Für Interessenten: Es sind Acetylglucosamineinheiten. Die Knüpfung ist β-1→4-glykosidisch. Chitin findet man in verschiedenen Lebewesen. Im Gegensatz zur landläufigen Vorstellung ist es weich. Erst in Kombination mit Sklerotin, einem Strukturprotein, erhält man die stabile Struktur. Wo findet man überall Chitin? Chitin gibt es in Pilzen und auch in Ringelwürmern. Ebenso in Weichtieren. Auch Gliederfüßer enthalten Chitin. Genauso wie Knochenfische und schließlich Schleimfische.  
  8. Zusammenfassung Polysaccharide sind Biopolymere. Unterschiedliche Bausteine und Verknüpfungen liefern verschiedene Verbindungen. Ohne sie wären Leben und Zivilisation nicht möglich.   Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute, auf Wiedersehen.

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Polysaccharide Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Polysaccharide kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne die Merkmale von Polysacchariden.

    Tipps

    Vergleiche die Struktur von Cellulose mit Amylose.

    Lösung

    Poly bedeutet viel, weshalb man zu Polysacchariden auch Vielfachzucker sagen kann. Sie entstehen durch Verknüpfung von mehreren Einfachzuckern. Die Bausteine können dabei über glykosidische Bindungen unterschiedlich verknüpft sein ($\alpha$ / $\beta$ oder $1 \rightarrow 4$ oder $1 \rightarrow 3$ ). Polysaccharide haben verschiedene Bindungsstellen, weshalb es verzweigte und unverzweigte Vielfachzucker gibt.

    Erst wenn die Anzahl der Bausteine größer als zehn ist, wird ein Zucker zu den Polysacchariden gezählt.

  • Beschreibe die Strukturmerkmale der Vielfachzucker.

    Tipps

    Ob Glucose in alpha- oder beta-Form vorliegt, erkennst du an der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoffatom. Zeigt sie nach unten, ist es die alpha-Form, zeigt sie nach oben, ist es die beta-Form.

    Lösung

    Der Baustein der Stärke ist die $\alpha$-D-Glucose. In der Stärke treten zwei verschiedene Polymere auf. In beiden ist die $\alpha$-D-Glucose allerdings 1 $\rightarrow$ 4-glycosidisch verknüpft. Die gebildeten Ketten können stark verzweigt auftreten (Amylopektin) oder unverzweigt (Amylose). Letztere macht nur einen kleinen Teil der Stärke aus (20-30%).

    Cellulose besteht aus $\beta$-D-Glucose, welche 1 $\rightarrow$ 4-glykosidisch und nicht verzweigt verknüpft ist. Die $\beta$-Form sorgt für die Unlöslichkeit des Moleküls.

    Callose besteht auch aus $\beta$-D-Glucose, allerdings ist diese im Molekül 1 $\rightarrow$ 3-glykosidisch verknüpft. Die Zahlen geben dabei die Nummer des verknüpften Kohlenstoffatoms im Ring an. Das erste Kohlenstoffatom ist das anomere Kohlenstoffatom.

    Das letzte Polysaccharid ist Glycogen. Es besteht aus 1 $\rightarrow$ 4-glykosidisch verknüpften Monomeren. Diese sind modifizierte $\beta$-D-Glucose. Im Unterschied zur Cellulose besitzen die Zuckerbausteine im Chitin eine Acetamidgruppe.

  • Bestimme die Polysaccharide, die in folgenden Beispielen enthalten sind.

    Tipps

    Chitin kann mit Hilfe eines Proteins harte Strukturen ausbilden.

    Lösung

    Stärke besteht aus dem stark verzweigten Amylopektin und der nicht verzweigten Amylose. Sie wird (auch) als Speicherstoff von Pflanzen gebildet und zum Beispiel in den Knollen gespeichert. Diese Pflanzenteile können vom Menschen verwertet werden. Stärke nehmen wir z.B. über Kartoffeln oder Mais auf. Das Mehl, welches aus Getreide gewonnen wird, kann dann zum Kuchen- und Brotbacken genutzt werden.

    Cellulose ist aufgrund der $\beta$-$1 \rightarrow 4$-glykosidischen Verknüpfung nicht in Wasser löslich. Vom Menschen kann es nur zum Teil verwertet werden. Finden kann man es in pflanzlichen Produkten, wie zum Beispiel in Kleidung (Baumwolle) oder in Holz.

    Chitin ist aus modifizierter $\beta$-D-Glucose aufgebaut und in verschiedenen Lebewesen zu finden. Gliederfüßler und auch Knochenfische weisen dieses Polysaccharid auf. In Pilzen kann man es ebenfalls finden. In Verbindung mit einem Protein kann es harte Strukturen wie Panzer ausbilden.

  • Beschreibe die Stärkespeicherung in Pflanzen.

    Tipps

    Glucose ist ein Monosaccharid und Stärke ist ein Polysaccharid.

    Lösung

    Stärke gehört zu den Vielfachzuckern und wird aus dem Baustein $\alpha$-D-Glucose gebildet. Die Monomere sind $\alpha$1,4-glykosidisch verknüpft und bilden so die zwei Bestandteile Amylose und Amylopektin. Ersterer ist unverzweigt und wasserlöslich. Im Vergleich zum zweiten Bestandteil macht er aber nur einen kleinen Teil der Stärke aus (20-30%). Amylopektin ist der Hauptbestandteil (70-80%) und ist nicht in Wasser löslich. Die Glucose-Bausteine bilden hier eine Tannenbaumstruktur aus, indem sie nicht nur $\alpha$-1,4-, sondern in bestimmten Abständen auch $\alpha$-1,6-glykosidisch verknüpft sind.

    Der Baustein Glucose wird in den Pflanzen mittels Photosynthese gebildet. Als Ausgangsstoffe dienen dazu energiearme Verbindungen, wie Kohlenstoffdioxid und Wasser. Die Lichtenergie kann von den Pflanzen genutzt werden, da sie lichtabsorbierende Farbstoffe, wie Chlorophyll, besitzen. Sie sind in der Lage, die aufgenommene Energie in chemische Energie umzuwandeln. Das bei dieser Reaktion entstehende Hauptprodukt Glucose ist energiereich und kann vom Organismus entsprechend genutzt werden.

  • Nenne die Vorkommen von Polysacchariden als Schleimstoffe.

    Tipps

    Schleimstoffe nehmen Wasser auf und bilden schleimartige Gele.

    Lösung

    Polysaccharide haben für Lebewesen eine große Bedeutung. Sie dienen als Nährstoffe, Reservestoffe und Schleimstoffe. Als Schleimstoffe kommen sie unter anderem vor:

    • Im Speichel: Dieser besteht zum größten Teil aus Wasser und der kleine Rest aus gelösten Bestandteilen. Das Sekret wird von den kleinen Speicheldrüsen (Mundschleimhaut) und von den großen Speicheldrüsen gebildet (Ohrspeichel-, Unterkiefer- und Unterzungendrüse).
    • Im Magensaft: Dieser ist flüssig, durchsichtig, gelb bis grünlich und hat einen schwachen Eigengeruch. Ein Bestandteil des Saftes ist die Magensäure. Sie ist für die Spaltung der Nahrung verantwortlich und verändert den pH-Wert.
    • Im Spitzwegerich: Spitzwegerich gehört zur Familie der Wegerichgewächse. Man findet ihn an Wegen oder auf Wiesen. Aufgrund seiner Inhaltsstoffe kann er bei Mückenstichen oder Halsschmerzen helfen.
    • Im Huflattich: Huflattich gehört zu den Korbblütlern. Durch seine Inhaltsstoffe kann er bei Halsschmerzen oder Verschleimung behilflich sein. Zu beachten ist jedoch, dass Nebenwirkungen auftreten können. Vor Gebrauch muss sich genauestens informiert werden.
  • Erkläre die Verdauung der Stärke im menschlichen Körper.

    Tipps

    Bei der Verdauung werden große Moleküle in immer kleinere zerlegt.

    Lösung

    Stärke gehört zu den Kohlenhydraten und ist ein wichtiger Energielieferant und somit Teil unserer Nahrung.

    Da Stärke als Polysaccharid nicht direkt vom Menschen aufgenommen werden kann, muss sie erst zerlegt werden. Dies geschieht durch Enzyme, wie Amylase und Disaccharidasen. Amylase befindet sich in unserem Mundraum, d.h. bereits kurz nach der Nahrungsaufnahme beginnt die enzymatische Verdauung der Stärke. Dabei wird die $1 \rightarrow 4$-glykosidische Bindung gespalten und es entstehen kleinere Teile, wie Oligosaccharide.

    Die zerkleinerte Nahrung gelangt über die Speiseröhre in den Magen. Hier herrscht ein saures Milieu, weshalb die Enzyme hier nicht mehr wirken können. Die Bauchspeicheldrüse gibt Enzyme ab, die im Dünndarm wirken. Somit kann erst hier die Verdauung der Saccharide weitergeführt werden. Sowohl die Amylase als auch Disaccharidasen sorgen dafür, dass die restliche Stärke und entstandene Tri- und Disaccharide in den Baustein Glucose zerlegt werden. Dieser ist klein genug für den Transport und wird von der Schleimhaut des Dünndarms resorbiert.

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