Disaccharide - Zweifachzucker

Disaccharide sind Zucker, die durch die Verknüpfung von zwei Monosacchariden unter Wasserabspaltung entstehen. Die Reaktion kann also als Kondensation bezeichnet werden. Die natürlichen Disaccharide entstehen immer durch die Verknüpfung von zwei Hexosen. Sie haben deshalb die Summenformel
C${}_{12}$H${}_{22}$O${}_{11}$.

${\text{C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}{\text{+C}}_{\text{6}}{\text{H}}_{\text{12}}{\text{O}}_{\text{6}}\to {\text{C}}_{\text{12}}{\text{H}}_{\text{22}}{\text{O}}_{\text{11}}{\text{+H}}_{\text{2}}\text{O}$

Durch die Rückreaktion können Disaccharide in die entsprechenden Monosaccharide gespalten werden. Die Rückreaktion muss sauer katalysiert werden. Bei der Verknüpfung von zwei Monosacchariden reagiert immer eine Hydroxy-Gruppe des Zuckers 1 mit dem halbacetalischen Kohlenstoffatom des Zuckers 2. Die Reaktion ist also vom Typ her zu vergleichen mit der Bildung eines Vollacetals durch die Reaktion eines Halbacetals mit einem Alkohol. Bei den Zuckern nennt man dies die Bildung eines Glykosids. Deshalb wird die Bindung auch als glykosidische Bindung bezeichnet.

Hinweis: Die glykosidische Bindung ist kein Ether! Bei Ethern tragen die Kohlenstoffatome an der Sauerstoffbrücke nur Wasserstoffatome oder weitere Kohlenstoffatome. Bei Vollacetalen und Glykosiden trägt das eine Kohlenstoffatom zwei Sauerstoffatome. Die Reaktivitäten von Ethern und Vollacetalen sind völlig unterschiedlich. Auch die Oxidationsstufe der entsprechenden Kohlenstoffatomen ist verschieden.

Es gibt zwei Arten von Disacchariden. Disaccharide vom Typ I, die reduzierend wirken und Disaccharide vom Typ II, die nicht reduzierend wirken. Worin liegt der Unterschied?

 

Reduzierend wirkende Disaccharide (Typ I)
Diese Disaccharide werden gebildet durch die Reaktion einer sekundären alkoholischen Hydroxy-Gruppe des Zuckers 1 mit dem halbacetalischen Kohlenstoffatom des Zuckers 2. Zu diesen Disacchariden gehören die Zucker Maltose, Lactose und Cellubiose. Das Bild 3 zeigt die Bildung der Maltose aus zwei Molekülen $\alpha$-D-Glucose.

Warum wirken diese Zucker reduzierend? Wenn man sich die Struktur betrachtet, ist im ehemaligen Monosaccharid 1 das halbacetalische Kohlenstoffatom erhalten geblieben. Von den Monosacchariden wissen wir, dass es ein Gleichgewicht zwischen der cyclischen (halbacetalischen) und der offenkettigen Form gibt. Bei der offenkettigen Struktur wird eine Aldehyd-Gruppe gebildet. Diese besitzt die reduzierende Wirkung. Überträgt man dies auf die Disaccharide des Typ I erkennt man sofort den Grund für die reduzierende Wirkung.

Auch bei diesen Disacchariden stellt sich ein Gleichgewicht zur offenkettigen Struktur ein. Bei dieser Gleichgewichtseinstellung wechselt auch die Konfiguration des Kohlenstoffatoms C-1 ständig von der $\alpha$- in die $\text{β}$-Form und umgekehrt. Deshalb wird bei Zuckern des Typ I diese Konfiguration in der Formel nicht eindeutig angegeben.
 

Nichtreduzierende Disaccharide (Typ II)
Diese Saccharide des Typ II werden gebildet, indem die Hydroxy-Gruppe am acetalischen Kohlenstoffatom des einen Monosaccharids  an das acetalische Kohlenstoffatom des anderen Monosaccharids  angreift. Vertreter dieser Disaccharide sind die Saccharose, der Rohrzucker oder Rübenzucker und die Trehalose, der Insektenzucker. Durch diese Reaktion wird aus beiden halbacetalischen Kohlenstoffatomen so ein Vollacetal. Für die Bildung der offenkettigen Struktur muss ein leicht abspaltbares Proton an das Sauerstoffatom von C-5 (grün gezeichnet im Bild 4) wandern. Bei den Halbacetalen ist dies das Wasserstoffatom der Hydroxy-Gruppe vom C-1 (rot gezeichnet im Bild 4). Bei den Vollacetalen ist kein  leicht abspaltbares Proton mehr vorhanden. Deshalb kann sich die zyklische Struktur nicht öffnen, folglich kann keine Aldehyd-Gruppe gebildet werden. Diese Zucker wirken deshalb nicht reduzierend.

α- oder β-glykosidische Bindung bei Disacchariden
Die Festlegung ob es eine α- oder β-glycosidische Bindung ist richtet sich nach dem ehemaligen Monosaccharid, welches in einer vollacetalischen Struktur vorliegt. Es muss also untersucht werden, welche Konfiguration das Sauerstoffatom am Kohlenstoffatom C-1 in diesem Zuckerteil besitzt. Steht es axial (Haworth = nach "unten") ist es eine α-glycosidische Bindung. Steht das Sauerstoffatom equatorial (Haworth = nach "oben") ist es eine β-glycosidische Bindung.
α-glykosidische Bindung
Eine α-glycosidische Bindung haben die Disaccharide Maltose, Saccharose und Trehalose.
β-glykosidische Bindung
Eine β-glycosidische Bindung haben die Disaccharide Cellobiose und Lactose.

Abkürzungen der Disaccharide
Die Abkürzungen geben die beiden Monosaccharide an, aus denen das Disaccharid gebildet wurde. Bei den als Vollacetal vorliegenden Monomerbausteinen wird auch die Konfiguration angegeben. Zwischen den beiden Monomerbausteinen werden die Kohlenstoffatome angegeben, zwischen denen sich das Sauerstoffatom befindet.

Beispiel Maltose:
Monomerbaustein 1 ist α-Glucose, er liegt als Vollacetal vor: 
[α-Glc

Die Sauerstoffbrücke befindet sich zwischen den Kohlenstoffatomen C-1 und C-4:
(1→4)

Monomerbaustein 2 ist Glucose, er liegt als Halbacetal vor, eine
Bestimmung ob α oder β-Konfiguration ist nicht möglich: 
Glc]

Daraus folgt Maltose:
[α-Glc(1→4)Glc]

Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung von Disacchariden

Saccarose
Die Saccharose ist ein in Pflanzen weit verbreitetes Disaccharid und insbesondere im Zuckerrohr und in Zuckerrüben enthalten. Daher kommen auch die Trivialnamen Rohr- bzw. Rübenzucker. Gezüchtetes Zuckerrohr enthält 8 bis 17 %, gezüchtete Zuckerrüben enthalten 14 bis 18 % Saccharose. Saccharose wird in großen Mengen technisch gewonnen. Es dient zur Herstellung von Nahrungsmitteln und zum Süßen. Hoch konzentrierte Zuckerlösungen wirken konservierend.

Saccharose bildet farblose süß schmeckende Kristalle, die bei 185 bis 188 °C schmelzen. Wird die Temperatur weiter erhöht, zersetzt sich die Saccharose zu Karamel. Der optische Drehwert von +66,5°  in Wasser ändert sich nicht, da keine Mutarotation eintritt. Saccharose ist leicht in Wasser, aber schwer in Ethanol löslich.
 

Lactose
Die Lactose ist besser unter der Bezeichnung Milchzucker bekannt. Dieser Zucker kommt hauptsächlich in der Milch der Säugetiere vor. Damit handelt es sich um ein wichtiges Kohlenhydrat der Nahrung, das aber eigentlich nur besondere Bedeutung bei der Ernährung der Säuglinge hat.
Auch in der Muttermilch ist Lactose enthalten. Kuhmilch hat einen Lactosegehalt von ungefähr 4,5 %.

Lactose schmeckt süßlich und ist eine gut wasserlösliche Substanz, unlöslich in Ether und anderen unpolaren Lösungsmitteln.

Sie schmilzt bei 202 °C (Monohydrat) oder bei 252 °C (wasserfreie Form).

Milchzucker wird aus der Molke von Kuhmilch gewonnen. Eine Hauptanwendung besteht im Zusatz zu Säuglingsnahrungsmitteln.

Milchzucker wird auch in der Medizin genutzt, beispielsweise als mildes Abführmittel und bei der Tablettenherstellung als Füllmittel.
Milchzucker ist in der Milch und in Milchprodukten enthalten.

Der Stoff wird auch häufig in der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Beispielsweise wird die Lactose solchen Produkten wie Wurstwaren, Fertigsaucen, Eiscreme, Fast-Food-Produkten, Backwaren, Brühen, Fertigsuppen usw. zugesetzt.

Die Verdauung des Milchzuckers ist für manche Erwachsene problematisch, weil bei einigen Erwachsenen das Enzym (Lactase), das die Spaltung der Lactose ermöglicht, nicht oder nicht in ausreichend produziert wird.
Damit kommt es im Dünndarm nicht zu Abbau. Die Lactose gelangt in den Dickdarm, wo sie von Bakterien vergoren wird. Das führt zu Blähungen, Krämpfen und Durchfall.

Die Lactoseunverträglichkeit zeigt im Weltmaßstab eine typische Verteilung. In Teilen Afrikas und Asiens besteht dieser Enzymmangel zu fast 100 %, d. h, diese Menschen können Milchprodukte schlecht vertragen.

In Europa existiert ein Nord-Süd-Gefälle. In Nordeuropa haben praktisch 100 Prozent der Erwachsenen eine normale Lactasebildung, während im Mittelmeerraum nur noch 30 % der Erwachsenen Milchzucker vertragen können. In Deutschland liegt der Prozentsatz der Lactoseunverträglichkeit bei ungefähr 15 % der erwachsenen Bevölkerung.

Man nimmt an, dass diese Verteilung evolutionsbedingt ist und früher bei Erwachsenen generell (genetisch bedingt) keine oder kaum Lactase ausgebildet wurde. Erst mit der Entwicklung der Milchwirtschaft in Europa entstand eine Abweichung im genetischen Material, wodurch bei einem Teil der Erwachsenen dieses Enzym gebildet wurde.

Ein Hinweis darauf gibt die Tatsache, dass es in Afrika Stämme gibt, bei denen die Erwachsenen zu 100 % Milchzucker vertragen. Gerade einige Nomaden ernähren sich zu einem großen Teil von der Milch ihrer Herdentiere. Eine Lactoseunverträglichkeit hätte bei dieser Ernährungsweise schlimme Folgen.

Cellobiose
Cellobiose entsteht bei der Spaltung von Cellulose. Cellobiose kommt natürlich nur glykosidisch gebunden vor.

Maltose
Die Maltose ist ein Abbauprodukt der Stärke. Außerdem ist die Maltose im Malz enthalten und wird deshalb auch gelegentlich als Malzzucker bezeichnet. Malz ist ein künstlich zum Keimen gebrachtes und anschließend getrocknetes Getreide (Weizen und Gerste). Malz wird unter anderem in großen Mengen zur Bierherstellung verwendet.

Trehalose
Der Insektenzucker Trehalose kommt in Bakterien, Pilzen und Algen vor.