noemt men in de organische chemie een groep verbindingen, waartoe de suikers, zetmeel, cellulose enz. behoren. De benaming koolhydraten is ontleend aan het feit, dat de algemene verhoudingsformule van deze verbindingen, op enkele uitzonderingen na, Cn(H2O)m is.
De in de natuur voorkomende koolhydraten hebben meestal 6 koolstofatomen of een veelvoud daarvan. In het plantenrijk komen deze stoffen veelvuldig voor en spelen bij de stofwisseling van de plant een "belangrijke rol. Vele treft men ook in het dierlijk lichaam aan.De koolhydraten worden in drie hoofdgroepen verdeeld:
1. De enkelvoudige suikers of monosacchariden, die niet kunnen worden gesplitst in eenvoudiger verbindingen, die nog alle kenmerken der groep dragen.
2. De Oligosacchariden of samengestelde suikers, die opgebouwd zijn uit 2, 3 of 4 monosacchariden. Deze suikers vertonen overeenkomst met de monosacchariden wat oplosbaarheid, smaak en chemische eigenschappen betreft. Al naar gelang het molecuul is opgebouwd uit 2 of 3 monosaccharidresten spreekt men van di- of trisacchariden.
3. De polysacchariden zijn opgebouwd uit een groter aantal monosaccharidresten. De chemische en physische eigenschappen van deze verbindingen (zetmeel, cellulose, glycogeen, enz.) wijken sterk af van die der suikers.
Monosacchariden
Naar het aantal C-atomen, waaruit het molecuul bestaat, wordt deze groep suikers onderverdeeld in triosen (3), tetrosen (4), pentosen (5), hexosen (6), enz. De meeste monosacchariden zijn hexosen, die de algemene formule C8H1206 hebben. Al naar gelang de monosacchariden reageren alsof zij een aldehyde- of ketongroep hebben, spreekt men van aldosen en ketosen. Verreweg de meeste aldohexosen en ketohexosen bevatten een onvertakte koolstofketen; zij worden onder opneming van 2 waterstofatomen gereduceerd tot normale, zeswaardige alkoholen.
Reacties, die voor alle monosacchariden gelden.
1. Met een ammoniakale zilveroplossing geven zij, in water opgelost, een zilverspiegel.
2. Een oplossing in water wordt door verwarmen met alkaliën bruin gekleurd (verharsing).
3. Een alkalische koperoplossing volgens Fehling wordt door monosacchariden gereduceerd (afscheiding van cuprooxyde).
Uit deze reacties blijkt, dat alle monosacchariden een reducerende groep bevatten.
4. Met phenylhydrazine (H2-NH-C6H5) reageren deze suikers alsof zij een vrije aldehyde- of ketongroep bezitten en vormen met 1 molecuul phenylhydrazine hydrazonen. Deze zijn voor de suikers karakteristiek; door behandeling met zoutzuur of formaldehyde kunnen daaruit de suikers weer teruggewonnen worden.
Met 3 moleculen phenylhydrazine ontstaan de eveneens karakteristieke osazonen, die door hun moeilijke oplosbaarheid veelal zeer geschikt zijn ter isolering van bepaalde suikers. Bij de afsplitsing van het hydrazine leveren zij echter niet meer de suikers zelf, maar de zgn. osonen met de atoomcombinatie -CO-C<OH. Glucose, fructose, mannose en glucosamine geven echter hetzelfde osazon, de eerste drie noemt men epimeren; dit voorbeeld leert, dat de osazon-reactie minder specifiek is voor de identificatie der suikers dan de hydrazonreactie.
De stereochemie der monosacchariden. De formule voor de aldohexose bevat 4 asymmetrische koolstofatomen; volgens de theorie van Van ’t Hoff en Le Bel (1874) zijn 24 of 16 isomeren mogelijk. Het is de grote verdienste geweest van
E. Fischer, Rosanoff, Wohl en Freudenberg deze 16 isomeren van elkaar te onderscheiden en voor elk monosaccharide de juiste groepering van de H- en OH-groepen om het asymmetrische koolstofatoom vast te stellen.
Suikers, die wat hun configuratie betreft afgeleid kunnen worden van D-glycerinealdehyde, worden D-suikers genoemd; hun optische antipoden, afgeleid van L-glycerinealdehyde, L-suikers.
Opgemerkt dient te worden, dat de symbolen D en L uitsluitend betrekking hebben op de configuratie en niet op het teken van de draaiing; zo draait D-glucose het polarisatievlak naar rechts, D-arabinose naar links. Men duidt dit als volgt aan: D (+) glucose en D (-) arabinose. Uit het bovenstaande blijkt, dat het praefix D betrekking heeft op de stand van de OH-groep aan het vóórlaatste C-atoom (het G-atoom, dat gebonden is aan de CH2OH-groep).
De ringstructuur der monosacchariden
Verschillende eigenschappen van de monosacchariden noopten de onderzoekers de structuur te herzien.
Het blijkt nl., dat de aldosen niet alle aldehydereacties geven, o.a. geven zij met fuchsine-zwaveligzuur geen kleurreactie, verbinden zij zich niet met natriumbisulfiet en polyrneriseren niet. Voorts bleken er nog meer isomeren voor te komen dan met bovengenoemde aldehydeformule waren te verklaren, o.a. komen van D-glucose 2 isomere vormen voor, 𝜶- en 𝛽-D-glucose, die vooral in hun draaiingsvermogen verschillen.
Bovengenoemde verschijnselen kunnen geheel worden verklaard, met de ringstructuur (halfacetaal-formule) der monosacchariden; hiermede ontstaat een nieuw asymmetrisch koolstofatoom. Al naar gelang in het molecuul een pyraanring een furaan voorkomt, noemt men de suikerspyranosen oïfuranosen. De isomerie tussen ⍺- en 𝛽-glucose wordt dan veroorzaakt door verschillende rangschikkingen van het waterstofatoom en de hydroxylgroep aan koolstofatoom 1.
In oplossing krijgen we nu zowel een evenwicht tussen de aldehydevorm en de half-acetaalvorm enerzijds als een evenwicht tussen de a- en 𝛽-vorm van de half-acetaalvorm anderzijds. De overgang van a- en 𝛽-vorm en omgekeerd noemt men mutarotatie. De meest bekende vrij voorkomende monosacchariden zijn glucose (in planten) en fructose (in honing).
Verbindingen, afgeleid van monosacchariden. Suiker alkoholen zijn reductie-producten van monosacchariden, waarvan verscheidene in de natuur voorkomen o.a. D-mannitol, n-dulcitol en D-sorbitol.
Uronzuren zijn eveneens afgeleid van monosacchariden; de prim, alkoholgroep aan G-atoom 6 is geoxydeerd tot een carboxylgroep; D-glucuronzuur, vt-galacturonzuur en D-mannuronzuur komen in de hogere planten zeer verspreid voor, o.a. als bouwstenen van pectinen .
Aminosuikers, in het bijzonder glucosamine, komt voor als bouwteen van chitin .
Disacchariden. De belangrijkste disacchariden zijn opgebouwd uit hexose-resten. De algemene formule is C12H22O11, Bij hydrolyse met verdunde zuren of enzymen ontstaan 2 gelijke of 2 verschillende hexosemoleculen.
Men onderscheidt reducerende en niet-reducerende disacchariden. Bij de reducerende disacchariden is de binding tussen de twee monosaccharidemoleculen zó tot stand gekomen, dat de „halfacetaal” OH-groep van het ene molecuul onder waterafsplitsing heeft gereageerd met een alkoholische OH-groep van het andere molecuul; men spreekt van C-3, C-4, of C-6 disacchariden al naar gelang de binding loopt via de OH-groep van het 3de, 4de of 6de C-atoom.
Reducerende disacchariden zijn:
1. mallose, een hydrolyse-product van zetmeel; het is een C-4 disaccharide; bij hydrolyse ontstaan 2 moleculen glucose;
2. cellobiose, een hydrolyse-product van cellulose, vertoont veel overeenkomst met maltose; deze suiker kan door hydrolyse worden gesplitst in 2 moleculen 𝛽-glucose;
3. lactose (melksuiker), komt voor in melk en kan worden gesplitst in glucose en galactose.
Een niet-reducerende disaccharide is saccharose (rietsuiker), die wordt gesplitst in glucose en fructose. Bij de niet-reducerende disacchariden is de afsplitsing van water tot stand gekomen tussen beide „half-acetaal” groepen, zodat geen reducerende groep meer aanwezig is.
In feite zijn disacchariden dus natuurlijke glucosiden, waarvan het aglucon een monosaccharide is.
Trisacchariden: hiervan wordt rajjinose genoemd, die in geringe hoeveelheden voorkomt in de suikerbiet. Het is een niet-reducerende suiker, bestaande uit glucose, fructose en galactose. Door verdunde zuren wordt deze suiker gesplitst in fructose en melibiose; emulsine splitst raffinose daarentegen in saccharose en galactose.
Polysacchariden. Tot deze groep behoren o.a. zetmeel, cellulose, glycogeen, eenreservekoolhydraat in het dierlijk lichaam (lever) en inuline, een reservekoolhydraat in vele planten (dahlia-knollen). De algemene formule van deze verbindingen is (C6H10O5)X. De waarde van x kan zeer groot zijn.
Zetmeel bestaat uit 2 typen van moleculen: een lineair of niet-vertakt, en een vertakt polymeer van glucose, resp. amylose en amylopecline genoemd. Door amylase wordt zetmeel gesplitst in moleculen maltose.
Het cellulose-molecuul is een lange keten van glucose-eenheden, die via 𝛽 1,4-bindingen met elkaar verbonden zijn. Dezelfde binding treft men ook aan in het hydrolyse-product cellobiose.
Glycogeen komt sterk overeen met zetmeel. Het is echter oplosbaar in water en geeft een rode kleur met jodium (stijfsel geeft een blauwe kleur). Glucose is het enige hydrolyse-product. Haworth is van mening, dat de structuur van glycogeen veel gelijkt op die van zetmeel; het aantal glucose-eenheden in de ketens is bij glycogeen kleiner.
Inuline is een fructosaan, dat bij hydrolyse uiteenvalt in D-fructose. De fructose-resten zijn via de koolstofatomen 1 en 2 met elkaar verbonden.
DR W. B. DEYS
Lit.: W. N. Haworth, Constitution of Carbohydrates (1932); H. Gilman, Organic Chemistry (1943); A. F. Holleman, Leerb. der organische chemie (1946); B. J. Harrow, Textbook of Biochemistry (1946); P. Karrer, Organic Chemistry (1947); R. A. Gortner, W. A. Gortner, Outlines of Biochemistry (1949).
