Unterschied zwischen reduzierenden und nicht reduzierenden Zuckern
Disaccharide sind Zweifachzucker, setzen sich also aus 2 Monosacchariden zusammen. Monosaccharide sind die kleinsten Bausteine der Kohlenhydrate und können sich durch eine Kondensationsreaktion über eine O-glykosidische Bindung zu einem Disaccharid verknüpfen. Ein Disaccharid entsteht durch Kondensation von 2 Monosacchariden. Allerdings kann ein Disaccharid durch Hydrolyse, also unter saurer Katalyse, in die beiden Monosaccharide gespalten werden.
Was bedeutet „reduzierender Zucker“?
Als reduzierende Zucker bezeichnet man in der Biochemie Mono-, Di- oder Oligosaccharide, deren Moleküle in Lösung eine freie Aldehydgruppe besitzen. Im Fall von Einfachzuckern nennt man diese Aldosen. Auch Ketosen können reduzierend wirken, wenn sie in α‑Stellung eine Hydroxygruppe aufweisen und damit ein Acyloin (α‑Hydroxyketon) sind. Bekannte reduzierende Zucker sind Glucose, Fructose, Galactose, Maltose und Lactose.
Fast alle Monosaccharid-Aldosen liegen in Lösung vorwiegend als zyklische Halbacetalform vor, die keine freie Aldehydgruppe aufweist. Da die Ringbildung eine Gleichgewichtsreaktion ist, kommt auch ein geringer Prozentsatz der offenkettigen Aldehyd-Form vor, die oxidiert werden kann. Die offenkettige Form wird durch die Oxidation verbraucht und ständig aus der zyklischen Form nachgeliefert. Damit reagieren diese Monosaccharide wie Glucose, Mannose oder Galactose positiv auf die Fehling-Probe oder Tollens-Probe.
Mechanistische Grundlage der Reduktion
Tatsächlich ist das bei der Umlagerung von Aldose zu α‑Hydroxyketose (und umgekehrt) entstehende Endiol für die reduzierende Wirkung verantwortlich. Dieses Endiol liegt im alkalischen Milieu, welches Voraussetzung für die Reduktion ist, als Endiolat-Ion vor. Die offenkettige Form spielt im Rahmen der reduzierenden Wirkung insofern eine Rolle, da nur an ihr eine Ketol-Endiol-Tautomerie stattfinden kann. Als Produkt entsteht primär 2‑Ketoglucose (D‑Glucoson), welches jedoch weiter oxidiert werden kann und bspw. in einer Fehlingprobe auch weiter oxidiert wird.
Reduzierende vs. nicht reduzierende Disaccharide - struktureller Unterschied
Je nachdem, wie die beiden Einfachzucker verbunden sind, werden reduzierende und nicht reduzierende Disaccharide unterschieden. Bei den reduzierenden Disacchariden ist mindestens ein anomeres Kohlenstoffatom nicht an der glykosidischen Bindung beteiligt. Bei den nichtreduzierenden Disacchariden sind die beiden anomeren Kohlenstoffatome direkt verbunden. Bei den Disacchariden tritt dieser Fall ein, wenn die Verknüpfung der zwei Monosaccharide über das anomere C‑Atom (C‑1) des ersten Bausteins mit einer nicht anomeren alkoholischen Gruppe, etwa am C‑4‑Atom des zweiten Monosaccharid‑Bausteins geschieht. Es bildet sich am nicht reduzierenden Ende ein Acetal, während das anomere Zentrum des zweiten Bausteins frei bleibt und damit als reduzierendes Ende dient.
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Bei einem nicht reduzierenden Disaccharid sind die beiden anomeren C-Atome miteinander verknüpft, wodurch keines der beiden Monosaccharide in die offene Kettenform übergehen kann um oxidiert zu werden und reduzierend zu wirken. Das Halbacetal als letzter Glycosidrest ist nötig, da nur so ein Teil des Zuckers offenkettig vorliegen kann.
Beispiele und ihre Eigenschaften
- Das wohl bekannteste Beispiel ist Saccharose, die aus den Monosacchariden Glucose und Fructose besteht. Saccharose ist im Gegensatz zum reduzierenden Disaccharid Maltose kein reduzierender Zucker, weil seine Moleküle in Lösung durch die 1,2‑Verbindung beider anomeren C‑Atome keine offenkettige Form bilden und daher auch nicht das reduzierende Endiolat-Ion ausbilden.
- Maltose besteht aus Glucoseeinheiten, die über eine α‑1,4‑glykosidische Bindung miteinander verknüpft sind und ist ein reduzierender Zucker.
- Lactose besteht aus Glucose‑ und Galactoseeinheiten und ist ebenfalls reduzierend, da ein anomeres Zentrum frei bleibt.
- Trehalose ist ein weiteres Disaccharid aus Glucose + Glucose, das in vielen Insekten vorkommt; Trehalose kann spezifische Eigenschaften zeigen.
Nachweis reduzierender Zucker: Fehling, Benedict und Tollens
Die Fehling-Probe ist ein chemischer Test zum Nachweis reduzierender Zucker. Sie verwendet Fehling‑Lösung, bestehend aus Fehling I (Kupfersulfatlösung) und Fehling II (alkalische Kalium‑Natrium‑Tartrat‑Lösung). Bei der Durchführung werden beide Lösungen gemischt und erhitzt. Zu der warmen Mischung wird die zu testende Probe hinzugefügt. Reduzierende Zucker reduzieren Cu2+‑Ionen zu Cu+, wodurch ein rotbrauner Kupfer(I)-oxid‑Niederschlag entsteht. Beobachte die Farbänderung. Fehling-Probe: Hierbei werden Fehling‑I und Fehling‑II‑Lösung gemischt und mit der Probe erhitzt. Ein Farbumschlag von Blau nach Rot weist auf ein reduzierendes Disaccharid hin.
Der Benedict-Test ist dem Fehling‑Test ähnlich und quantifiziert reduzierende Zucker; das Reagenz liefert je nach Reduktionsgrad der Probe sichtbare Niederschläge. In jüngster Zeit wurde die Verwendung von Benedicts Lösung jedoch durch enzymatische Methoden wie Glukoseoxidase ersetzt.
Die Tollens-Probe ist ein chemischer Test zum Nachweis von Aldehyden. Sie verwendet Tollens‑Reagenz, eine ammoniakalische Silbernitratlösung. Bei der Durchführung wird das Reagenz zu der zu testenden Probe hinzugefügt. Wenn Aldehyde vorhanden sind, werden die Ag+(aq) zu metallischem Silber Ag(s) reduziert, das sich als Spiegel an der Reagenzglaswand ablagert. Ein positiver Test führt dazu, dass ein schöner Spiegel aus Silbermetall auf dem Reaktionsgefäß ausgefällt wird.
Wesentliche Hinweise zur Interpretation
- Wichtig ist, ketone reagieren nicht unter diesen Bedingungen; allerdings kann Fructose als Ketose durch Enediol‑Umlagerung reduzierend reagieren.
- Kurz gesagt, jeder Zucker (Mono‑ oder Disaccharid) mit einem Halbacetal ergibt ebenfalls einen positiven Test, da diese Zucker im Gleichgewicht mit einem offenkettigen Aldehyd sind.
- Polysaccharide, bei denen das Verhältnis von hemiacetalen zu acetalen Verbindungen sehr niedrig ist, liefern in der Regel keinen positiven Test.
Praktische Aufgabe: Zeichne ein nichtreduzierendes Disaccharid
Aufgabe: Zeichne ein beliebiges Disaccharid, das die Kriterien eines nichtreduzierenden Zuckers erfüllt. Als Beispiel kann Saccharose gewählt werden, da Saccharose in Lösung keine freie Aldehydfunktion besitzt: Saccharose ist ein Disaccharid aus Glucose und Fructose, das durch die 1,2‑Verbindung beider anomeren C‑Atome verknüpft ist. Dadurch bilden die beiden anomeren Zentren Acetale, und kein Monosaccharid kann in die offene Kettenform übergehen.
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Warum ist das biologisch und analytisch relevant?
Du vergleichst in diesem Bereich einfache und zusammengesetzte Zucker und ordnest sie nach Aufbau, Bindung und Funktion. So wird klar, wie Kohlenhydrate als Energiequelle dienen und warum sich einzelne Zucker im Körper und in Lebensmitteln unterschiedlich verhalten. Da Zweifachzucker häufig für den süßen Geschmack verantwortlich sind, findest du sie vor allem in Obst und Fruchtsäften, aber auch in Gemüsesäften. Lactose als Milchzucker kommt in Milch und Milchprodukten vor. Saccharose kannst du aus Zuckerrohr und Zuckerrüben gewinnen.
Die quantitative Bestimmung reduzierender Zucker gelingt mittels der Methode nach Luff‑Schoorl oder durch andere standardisierte Verfahren; enzymatische Tests ersetzen in vielen Anwendungen klassische Kupfer‑ oder Silber‑Reagenzien.
Tabelle: Kurzer Überblick
| Eigenschaft | Reduzierend | Nicht reduzierend |
|---|---|---|
| Anomere C‑Atome | Mindestens eines frei (Halbacetal vorhanden) | Beide anomeren C‑Atome verknüpft (Acetal) |
| Offenkettige Form möglich | Ja (Teil der Gleichgewichtsmenge) | Nein |
| Fehling/Tollens | Positiv | Negativ |
| Beispiele | Glucose, Maltose, Lactose, Fructose | Saccharose, Glucoside (z. B. Methylglucosid) |
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