Cyclization & Cyclic Forms – Simple Carbohydrates

00:02 Aus der organischen Chemie wissen Sie vielleicht noch, dass Einfachbindungen die Fähigkeit haben, sich zu drehen und zu wenden.

00:05 Wenn das in einem Molekül, wie einem Zucker passiert, werden die Atome, die innerhalb von vier oder fünf Distanzen voneinander liegen, in der Tat im dreidimensionalen Raum durch entsprechende Drehungen und Wendungen in Nähe zueinander gebracht. Bei der Glukose bedeutet dies, dass die Hydroxide auf den Kohlenstoffen vier und fünf tatsächlich in enge Nähe zueinander gebracht werden können.

00:28 Und wenn das passiert, kommt es zu einer Reaktion zwischen dem Hydroxid in der Glukose, wie Sie sehen können.

00:32 Diese Reaktion führt zur Bildung einer Ringstruktur, und während dieses Prozesses entsteht ein neuer asymmetrischer Kohlenstoff. Während die Glukose vorher vier asymmetrische Kohlenstoffe hatte, hat sie jetzt in der Ringstruktur fünf asymmetrische Kohlenstoffe. Der neue asymmetrische Kohlenstoff hat einen Namen und wir nennen ihn den anomeren Kohlenstoff.

00:55 Diese Struktur zeigt die Ringstruktur von Glukose als Ergebnis der Zyklisierung, die ich gerade beschrieben habe. Wir sehen ganz rechts von jedem Molekül das Hydroxid, das mit dem asymmetrischen anomeren Kohlenstoff gebunden ist. Das Hydroxid kann in zwei verschiedenen Positionen existieren, weil der Kohlenstoff an dieser Stelle wieder asymmetrisch ist.

01:16 Befindet sich das Hydroxid in der oberen Position in der Ringstruktur, wie hier gezeigt, ist es in der sogenannten Beta-Position oder das, was wir als Beta-D-Glukose bezeichnen.

01:25 Befindet sich das Hydroxid an der unteren Position des asymmetrischen anomeren Kohlenstoffes, dann ist das die so genannte Alpha-Position und wir haben eine Ringstruktur geschaffen, die alpha-D-Glukose. Diese beiden Moleküle mit einer unterschiedlichen anomeren Struktur, haben einen eigenen Namen und werden Anomere genannt.

01:49 Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Ringstruktur die ich für Glukose gezeichnet habe, zu bezeichnen.

01:53 Sie haben bereits die Struktur auf der linken Seite gesehen, die man auch als Fischer-Projektion bezeichnet.

01:58 Die Struktur, die ich Ihnen gerade gezeigt habe, ist ist die zweite und wird als die Haworth-Projektion bezeichnet. Die anderen beiden Strukturen haben eigentlich keine Namen, aber sie sind andere verschiedene Arten, dasselbe Molekül darzustellen.

02:10 Nun, eine weitere interessante Sache, die mit Zuckern passiert, ist, dass die Bindungen zwischen den Kohlenstoffen, die die ich bereits als passend beschrieben habe, verdrillt werden, um sie in die Nähe zu bringen und können auch so verdreht werden, dass sich die Position der Kohlenstoffe relativ zueinander tatsächlich ändert. Dies ist auf der Folie hier auf dem Bildschirm dargestellt. In beiden Fällen handelt es sich um ein Molekül der Beta-D-Glukose, wie wir es vorhin beschrieben haben. Sie werden feststellen, dass die Formen dieser beiden Zucker jedoch anders sind. Die Form auf der linken Seite bezeichnen wir als Sessel, weil ich es mir gerne wie eine Art Chaiselongue vorstelle, bei der der entfernteste Teil auf der linken Seite, die Rückseite der Chaiselongue und der hinterste Teil der rechten Seite, auf dem die Beine sitzen würden, ist. Im Gegensatz dazu haben wir hier die Wannenform der Beta-D-Glukose, dargestellt in der Abbildung rechts. Sie ähnelt einem Kanu, bei dem jedes der Enden auf diese Weise nach oben kippen würde. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, bringt die Wannenform die Hydroxide näher zusammen, wie Sie auf der in der Darstellung auf dem Bildschirm sehen können. Und wieder haben wir gesehen, dass räumliche oder sterische Hinderung aufgrund der engen Interaktionen entstehen können. Man könnte also vorhersagen, dass die Wannenform weniger dicht und stabil ist und daher weniger wahrscheinlich entsteht als die Sesselform der Beta-D-Glukose, und das ist genau richtig.

03:43 Eine weitere Sache, die mit Ringen passieren kann, ist, dass sich Ringe auf unterschiedliche Weise bilden können.

03:48 Sie erinnern sich vielleicht, dass ich sagte, dass Glukose den Kohlenstoff Nummer eins hat, der in die Nähe der Glukose gebracht werden kann, in die Nähe des Hydroxids am Kohlenstoff Nummer vier, oder den Kohlenstoff Nummer fünf. Wenn es in die Nähe von Kohlenstoff Nummer fünf kommt, erhält man das Molekül, das ich vorhin beschrieben habe und das ist auf der rechten Seite dieser Abbildung zu sehen. Diese Form eines Zuckers wird im Allgemeinen als Pyranose bezeichnet und bezieht sich auf ein Molekül namens Pyran, das einen sechsgliedrigen Ring mit Sauerstoff darin hat.

04:14 Wenn sich die Glukose jedoch mit dem Hydroxid an der Kohlenstoffzahl vier bindet, können wir einen fünfgliedrigen Ring erzeugen, wie hier zu sehen ist und dieser fünfgliedrige Ring ist eine allgemeine Bezeichnung für Furanose. Viele Zucker gehen in diese, manche auch in beiden Formen, wie wir sehen können.

04:38 Hier ist ein Beispiel für einige häufige Furanosen. Fruktose ist zum Beispiel sehr häufig in der Form von Furanose anzutreffen. Fruktose ist wichtig, da sie als anomeren Kohlenstoff den Kohlenstoff Nummer zwei, nicht Kohlenstoff Nummer eins hat. In jedem Fall ist der anomere Kohlenstoff eines Zuckers der Teil mit der Carbonylgruppe, d.h. der Kohlenstoff, der doppelt an Sauerstoff gebunden ist. In der Glukose war das Kohlenstoff Nummer eins. Im Fall von Fruktose, weil es eine Ketose ist, ist das der Kohlenstoff Nummer zwei. Kohlenstoff Nummer zwei ist also der anomere Kohlenstoff der Fruktose. Im Fall von Fruktose wird der Kohlenstoff Nummer zwei in die unmittelbare Nähe des Hydroxids an Kohlenstoff Nummer fünf gebracht.

05:18 Dadurch entsteht eine Ringstruktur, die aus fünf Gliedern besteht. Zu den fünf Gliedern des Rings gehören die Kohlenstoffe Nummer zwei, drei, vier und fünf und bewegen sich im Uhrzeigersinn vom Sauerstoff weg. Wir sehen Kohlenstoff Nummer eins in der unteren Position und die Nummer sechs in der oberen Position. Jetzt erhält diese Fructofuranose die Bezeichnung beta, weil sich das Beta auf die Position des Hydroxids an dem anomeren Kohlenstoff bezieht. In diesem Fall ist das Hydroxid oben, daher nennen wir es beta-D-Fructofuranose.

05:51 Wenn wir die Alpha-Form hätten, wäre das Hydroxid unten und das CH2OH wäre oben. Eine weitere Furanose, die wir häufig sehen, ist die Ribose. In diesem Fall hat die Ribose nur fünf Kohlenstoffe, bildet also einen fünfgliedrigen Ring, denn Kohlenstoff Nummer eins verbindet sich mit dem Hydroxid an Kohlenstoff Nummer vier zur Herstellung von beta-D-Ribofuranose. Ribose ist ein sehr wichtiger Zucker im Hinblick auf die Herstellung von Nukleotiden und wenn wir die Struktur der Nukleotide untersuchen, sehen wir, dass diese mit Ribosen hergestellt werden, die immer in der Beta-Konfiguration vorliegen, denn wird das Hydroxid in der Beta-Konfiguration durch eine Base ersetzt, kann das Nukleotid gebildet werden.