Glycosidische Bindung

Als glycosidische Bindung oder glykosidische Bindung bezeichnet man die chemische Bindung zwischen dem anomeren Kohlenstoffatom eines Kohlenhydrats (Glycon) und dem Hetero- oder selten Kohlenstoffatom eines Aglycons oder einem zweiten Zuckermolekül. Verbindungen, die eine glycosidische Bindung enthalten, sind in der Natur weit verbreitet und werden Glycoside genannt.

Wenn das Aglycon ein Alkohol oder Phenol ist, dann stammt das Brücken-Sauerstoffatom vom Aglycon. Glycoside können auch Bindungen zu anderen Heteroatomen wie Schwefel, Selen, Stickstoff und Phosphor oder selten zu Kohlenstoff („C-Glycoside“) aufweisen. Die glycosidische Bindung ist hydrolytisch spaltbar, wobei das Reaktionsgleichgewicht auf Seiten der Spaltungsprodukte liegt. Die Bindung ist kinetisch aber sehr stabil. Sie wird mit geringem Energieaufwand unter Wasserabspaltung durch eine Kondensationsreaktion gebildet. In der Natur erfolgt die als Glycosylierung bezeichnete Bildung enzymatisch über ein aktiviertes Saccharid, im Labor durch spezielle Aktivierungsmethoden oder durch Reaktion eines Zuckers mit einem großen Überschuss des Alkohols unter Säurekatalyse.

Grundstruktur eines Glycosids: R im Aglycon XR kann ein beliebiger organischer Rest sein (mit XR ≠ OH, Acylrest O-(CO)-R')

Bei einem Glycosid liegt die Aldehydfunktion der Aldosen (z. B. Glucose) oder die Ketofunktion der Ketosen (z. B. Fructose) als zyklisches Vollacetal vor. Ein Acetal ist das Kondensationsprodukt aus einem Aldehyd oder Keton und einem oder zwei Alkoholen („Halbacetal“ bzw. „Vollacetal“). Vollacetale sind stabil gegen basische und neutrale bis schwach saure wässrige Lösungen, hydrolysieren jedoch in Gegenwart starker Säuren.

Nomenklatur und Beispiele

Das αあるふぁ- und βべーた-Anomer der D-Glucose. Die Position der anomeren Kohlenstoffatome (rot oder grün) relativ zur CH₂OH-Gruppe am C-5 bestimmt, ob es sich um die αあるふぁ-Verbindung (verschiedene Ringseiten) oder die βべーた-Verbindung (dieselbe Seite des Rings) handelt.

Einfache Glycoside

Formale Bildungsreaktionen der beiden Ethyl-D-glucopyranoside aus αあるふぁ-D-Glucopyranose (rechts, grün) und βべーた-D-Glucopyranose (links, rot). Das austretende H₂O ist jeweils magenta, das Brücken-Sauerstoffatom blau. In der Realität entsteht jeweils ein Gemisch beider Anomere

Die Position der Hydroxygruppe des an der Bindung beteiligten anomeren Kohlenstoffatoms bestimmt den Namen der Verbindung und auch den Typ der Bindung: Glucose kommt in der cyclischen Pyranoseform als αあるふぁ-D-Glucopyranose oder βべーた-D-Glucopyranose vor. Dies wird bei der Nomenklatur einer Bindung als αあるふぁ- oder βべーた-glycosidische Bindung berücksichtigt. Bei einem einfachen Glycosid, etwa aus dem Monosaccharid Glucose und einem Alkohol wie Ethanol, wird dieses entweder als Ethyl-αあるふぁ-D-glucopyranosid oder Ethyl-βべーた-D-glucopyranosid bezeichnet. Während eine glycosidische Bindung im Normalfall eine C-O-Bindung ist, wird bei Glycosiden mit Heteroatom (S, Se, N, P) dies durch kursive Nennung im Namen berücksichtigt, z. B. Ethyl-S-αあるふぁ-D-glucopyranosid.

Definition αあるふぁ und βべーた

Durch die Präfixe αあるふぁ und βべーた wird die anomere Konfiguration definiert. Entscheidend ist die stereochemische Relation des exocyclischen Sauerstoffs zum konfigurationsbestimmenden C-Atom des Zuckers (αあるふぁ = trans, βべーた = cis). Dabei ist αあるふぁ nicht immer axial und βべーた nicht immer äquatorial zum Ring. Beispiele: Bei αあるふぁ-D-Glucopyranose steht der exocyclische Sauerstoff cis zum konfigurationsbestimmenden C-5: das Aglycon steht axial (βべーた ist hier äquatorial). Bei dem Paradebeispiel βべーた-D- oder L-Arabinopyranose steht der exocyclische Sauerstoff cis zum konfigurationsbestimmenden C-4. Hier ist βべーた also axial. Die Unterscheidung ist am besten in der Fischer-Schreibweise zu sehen.

Di-, Oligo- und Polysaccharide

In der Saccharose sind die beiden Monomere αあるふぁ-1→2-verbrückt

In Maltose sind die beiden Monomere αあるふぁ-1→4-verbrückt

In der Cellobiose sind die beiden Monomere βべーた-1→4-verbrückt

Gentiobiose besitzt eine βべーた-1→6-Brücke

Bei der Kondensation zweier Kohlenhydrate über eine glycosidische Bindung zu einem Disaccharid berücksichtigt die Nomenklatur der Bindung zwei verschiedene Faktoren:

• Einerseits je nach Ausgangsverbindung die αあるふぁ- oder βべーた-Stellung des an der Bindung beteiligten ersten anomeren Kohlenstoffatoms.
• Der zweite Teil der Benennung stammt aus der Position der Kohlenstoffatome, die an die Sauerstoffbrücke direkt gebunden sind. Bei der Saccharose (Rohrzucker) kommt die Bindung über das 1. Kohlenstoffatom der Glucose mit einer Hydroxygruppe in αあるふぁ-Stellung zum 2. Kohlenstoffatom der βべーた-D-Fructose zustande. Die Bindung ist also eine αあるふぁ-1→2-glycosidische Bindung und Saccharose heißt demnach korrekt 1-αあるふぁ-D-Glucopyranosyl-2-βべーた-D-fructofuranosid oder auch 2-βべーた-D-Fructofuranosyl-1-αあるふぁ-D-glucopyranosid.

Es ist ebenfalls möglich, dass zwei gleiche Monosaccharide zu einem Disaccharid wie der Cellobiose verbunden werden. Dabei verbrückt das Sauerstoffatom das C1-Atom des ersten βべーた-D-Glucosemoleküls mit dem 4. Kohlenstoffatom eines zweiten, identischen Monomers. Die Verbindung ist eine βべーた-1→4-glycosidische Bindung und die Cellobiose demnach das 1-βべーた-D-Glucopyranosyl-4-βべーた-D-glucopyranosid. Da das anomere erste Kohlenstoffatom des zweiten Glucosemoleküls frei bleibt, kann dieses mit weiteren Monomeren zu einem Polysaccharid wie Cellulose weiterreagieren. Analog können zwei Glucosemoleküle αあるふぁ-1→4-glycosidisch zu Maltose (1-αあるふぁ-D-Glucopyranosyl-4-αあるふぁ-D-glucopyranose) verknüpft werden.

Eine weitere Verbindungsmöglichkeit kommt in der Gentiobiose vor: zwei Glucoseeinheiten sind über das 1. C-Atom des ersten Monomers und das 6. C-Atom des zweiten βべーた-1→6-verbrückt, die Verbindung heißt auch 1-βべーた-D-Glucopyranosyl-6-βべーた-D-glucopyranose. In Laminaribiose sind ebenfalls zwei Glucosemoleküle βべーた-1→3-verknüpft.

Bei Polysacchariden kommen verschiedene glycosidische Bindungen vor:

• Amylopektin, der Hauptbestandteil der Stärke, ist aus αあるふぁ-1→4-verbundenen Glucosemonomeren aufgebaut.
• Amylose, die ebenfalls in Stärke vorkommt, enthält nur αあるふぁ-1→4-verbrückte Glucose, die eine Helixstruktur bildet.
• Cellulose besteht aus Glucose, die βべーた-1→4-verbunden ist.
• Glykogen besteht aus Glucose, wobei die Hauptkette vorwiegend αあるふぁ-1→4-Bindungen aufweist, aber auch Verzweigungen mit αあるふぁ-1→6-Struktur.

Komplexe Glycoside und Heteroglycoside

Das Aesculin besteht aus dem Zucker Glucose und dem Aglycon Aesculetin. Die korrekte chemische Bezeichnung lautet daher 6-O-(βべーた-D-Glucpyranosyl)aesculetin.

Das Nucleosid Adenosin mit einer 1-N-βべーた-glycosidischen Bindung

Neben einfachen Alkoholen und anderen Sacchariden kann der Zuckeranteil auch mit einem komplexeren Alkohol (wie einem Steroidalkohol), einem Phenol oder einem anderen Heteroatom wie Stickstoff, Schwefel oder Phosphor verbunden sein. Dieser Fall tritt beispielsweise in den Nukleosiden und Nukleotiden auf, bei denen eine N-glycosidische Bindung über eine Stickstoffbrücke vorliegt. Der Zuckeranteil ist hier meist die Ribose oder die Desoxyribose. In der Natur kommen daneben sehr viele O- und N-Glycoside, seltener S-Glycoside vor, die verschiedenste Funktionen wie Aromastoffe (Amygdalin, Glycyrrhizin), Abwehrstoffe (Senfölglycoside, Barbaloin, Cycasin), Energiespeicher und -übertrager (ADP, ATP), Farbstoffe (Azalein, Betanin, Karmin, Malvin) und Speicherstoffe (Coniferin) erfüllen. Auch einige natürliche und künstliche Antibiotika wie Azithromycin, Bleomycin, Cethromycin, Doramectin und Streptomycin sind Glycoside.

Literatur

• G. Löffler, P. E. Petrides, P. C: Heinrich: Biochemie & Pathobiochemie. 8. Auflage, Springer, Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-32680-9.
• H. R. Horton, L. A. Moran, K. G. Scrimgeour, M. D. Perry, C. Biele, J. D. Rawn: Biochemie., 4. Auflage, Pearson Education, 2008, ISBN 978-3-8273-7312-0, 1088 Seiten.