Glycoside, auchGlykoside, sindorganischechemische Verbindungen der allgemeinen Struktur R–O–Z. Dabei ist einAlkohol (R–OH) über eineglycosidische Bindung mit einemZucker (Z) verbunden. Glycoside sind somitVollacetale vonZuckern. Die Alkoholkomponente „R–O–“ kann dabei sowohl ein anderer Zucker als auch eine beliebige andereHydroxyverbindung sein, aber keinAcylrest. Glycoside, die bei derHydrolyse eineKetose freisetzen, werden auch alsKetoside bezeichnet.[1]
Liegt statt einesAcetals einThioacetal R–S–Z oderSelenoacetal R–Se–Z vor, spricht man von einem Thioglycosid bzw. Selenoglycosid.
N-Glycosyl-Verbindungen R–NR’–Z heißen dagegen Glycosylamine beziehungsweise Aminozucker.C-Glycosylverbindungen R–CR’R’’–Z sind Glycosylderivate. Im Laborjargon wird stattdessen oft nur „C-Glycosid“ bzw. „N-Glycosid“ gesagt, das ist jedoch irreführend, da sich Glycosylamine und Glycosyle chemisch unterschiedlich verhalten.[2]
Der Zuckerteil Z wird allgemein als Glycon (Glykon) bezeichnet. Wenn es sich bei R–OH nachIUPAC-Nomenklatur um einen Nichtzucker handelt, wird es Aglycon (Aglykon) genannt.
Die chemische Bindung zwischen demanomeren Kohlenstoffatom eines Zuckers und dem Heteroatom des Aglycons oder mit einem zweiten Zucker wird alsglycosidische Bindung bezeichnet (siehe Abbildung). Glycoside sind auch Stoffe mit Bindungen zu anderen Heteroatomen wieSchwefel,Selen,Stickstoff undPhosphor.
Die glycosidische Bindung ist hydrolytisch spaltbar, wobei dasReaktionsgleichgewicht auf Seiten der Spaltungsprodukte liegt. Die Bindung ist kinetisch aber recht stabil. Sie wird mit geringem Energieaufwand unter Wasserabspaltung durch eineKondensationsreaktion gebildet. In der Natur erfolgt die alsGlycosylierung 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.
Bei einem Glycosid liegt die Aldehydfunktion derAldosen (z. B.Glucose) oder die Ketofunktion der Ketosen (z. B.Fructose) als cyclisches Vollacetal vor. EinAcetal ist das Kondensationsprodukt aus einemAldehyd oderKeton 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.
Durch die Bildung des glycosidischen Vollacetals wird dieprochiraleCarbonylfunktionchiral, d. h., es bildet sich ein neuesStereozentrum, das sogenannteanomere Kohlenstoffatom oderanomere Zentrum. Die beiden resultierendenDiastereomere (Anomere) werden als α- bzw. β-Glycosid bezeichnet. Die Glycoside werden durch Anhängen der Endung-id an den Wortstamm des Glycons benannt, z. B. Fructosid für ein Glycosid der Fructose oderGlucosid für ein Glycosid derGlucose.
Bildet der Zucker einen Fünfring, so handelt es sich um ein Glycofuranosid (abgeleitet vonFuran). Bildet er einen Sechsring, so spricht man von einem Glycopyranosid (abgeleitet vonPyran).
Was diePeptidbindung bei denAminosäuren ist, ist die glycosidische Bindung bei den Kohlenhydraten, da sie durch eine leicht reversible Kondensationsreaktion eine stabile Verknüpfung zu anderen Zuckern oder den verschiedensten Alkoholen ermöglicht. Dadurch ergibt sich für die Kohlenhydrate, die mit Abstand den größten Teil der Biomasse ausmachen, eine gewaltige Strukturvielfalt. Sowohl die enzymatische als auch die nicht-enzymatische Synthese eines Glycosids wird alsGlycosylierung bezeichnet.
In biologischen Systemen werden Glycoside durchGlycosidasen zum freien Zucker und dem aglyconischen Alkohol hydrolysiert. Diese Glycosidasen sind mehr oder weniger spezifisch für bestimmte Zucker und eine der anomeren Formen und Ringgrößen. So kann eine α-Mannopyranose-spezifische Glycosidase, eine α-Mannosidase, keinGalactosid hydrolysieren. Eine α-Galactosidase kann aber nicht nur α-Galactopyranoside spalten, sondern manchmal auch ähnliche Glycoside, wie zum Beispiel β-Arabinopyranoside.Glycosyltransferasen hingegen sind hochspezifische Enzyme, die die Übertragung aktivierter Kohlenhydrate (UDP-Zucker) auf einen Alkohol unter Ausbildung einer glycosidischen Bindung katalysieren.
Die Ausbildung glycosidischer Bindungen ist eine der wichtigsten Bestandteile der Kohlenhydratchemie. Es gibt mittlerweile eine Vielzahl verschiedener enzymatischer und nicht-enzymatischer Glycosylierungsmethoden, die im Labor bis hin zur industriellen Produktion eingesetzt werden.
Die glycosidische Bindung ist stabil gegenüber einem basischen bis schwach sauren Milieu, aber empfindlich gegenüber stark sauren Bedingungen, ggf. unter Energiezufuhr oder erhöhtem Druck. Die Nachbarschaft des Ringsauerstoffs begünstigt dieSolvolyse durch Stabilisierung des gebildeten cyclischenCarboxoniumions. In wässriger Lösung führt dies zur Hydrolyse eines Glycosids zum Aglycon und dem freien Zucker. In einer alkoholischen Lösung wird stattdessen das zum Alkohol korrespondierende Alkylglycosid gebildet, z. B.:
| Monosaccharid | Me-α-pyr | Me-β-pyr | Me-α-fur | Me-β-fur |
|---|---|---|---|---|
| Glucose | 66 | 32,5 | 0,6 | 0,9 |
| Mannose | 94 | 5,3 | 0,7 | - |
| Galactose | 58 | 20 | 6 | 16 |
| Arabinose | 24 | 47 | 22 | 7 |
Es ist zu beachten, dass es sich bei dieser nachEmil Fischer benannten Fischer-Glycosylierung um eine komplexe Gleichgewichtsreaktion handelt, mit dem freien Zucker als thermodynamischen Produkt. Um eine quantitative Ausbeute an Alkylglycosid zu erhalten, wird wasserfreier Alkohol verwendet, meist mit HClg oder stark sauremIonentauscher als Katalysator. Das bei der Reaktion entstehende Wasser kann z. B. in einerSoxhlet-Apparatur durchMolekularsieb dynamisch entzogen werden.
Auf der Glycosid-Seite entstehen sowohl die α- als auch β-Glycopyrano- und furanoside. Die Gleichgewichtsmischung der Glycoside bei Wasserausschluss ist für jedes Saccharid individuell verschieden, meist sind jedoch die α-Glycopyranoside das Hauptprodukt (siehe Tabelle). Durch Kristallisation können diese dann oftmals sehr rein erhalten werden.Dies funktioniert für einfache Alkohole bis zum Butanol sehr gut. Wenn das gewünschte Aglycon jedoch unpolarer ist, bekommt man ein Phasenproblem. Der Zucker ist im Alkohol nicht mehr löslich und die Reaktion kann nicht stattfinden, bzw. es sind sehr hohe Temperaturen oder Druck erforderlich. Seit einigen Jahren haben dieAlkylpolyglycoside (APG) im Sinne dernachwachsenden Rohstoffe eine industrielle Bedeutung alsTenside, insbesondere in hochwertigen Kosmetika erlangt. Da hierfür die Glycoside langkettiger und unpolarer Fettalkohole interessant sind, hat man das beschriebene Phasenproblem. Daher wird ausgehend von Stärke zunächst eineButanolyse durchgeführt und die so entstandenen Butylpolyglycoside mit den Fettalkoholen umglycosyliert:
Die erhöhte thermodynamische Stabilität der axialen anomeren Stellung (meistens α) wird alsanomerer Effekt bezeichnet und ist Gegenstand kontroverser Diskussionen. Wie stark der anomere Effekt ausgeprägt ist, hängt von der Konfiguration des Zuckers und u. a. von der Polarität des Lösungsmittels ab. Er spielt in der Kohlenhydratchemie eine bedeutende Rolle und kann in der Synthese ausgenutzt werden.
In einer Glycosylierungsreaktion wird der Zucker als Glycosyldonor und das Aglycon als Glycosylakzeptor bezeichnet. Ziel einer solchen Synthese ist in der Regel die Einführung eines empfindlichen Aglycons oder die Synthese von Oligosacchariden. Die einfachen Alkylglycoside werden meist durch Fischer-Glycosylierung (nach Kristallisation hauptsächlich oder rein α) bzw. aus peracetylierten Zuckern (β, siehe unten) erhalten.
Um einen vollwertigen Glycosyldonor zu erhalten, muss eine geeignete Abgangsgruppe in der anomeren Position eingeführt werden. An dieser Stelle sollen nur einige wichtige Donoren und ihre Aktivierung in Gegenwart des Alkohols kurz beschrieben werden:
Glycoside sind in der Natur weit verbreitet. Sie haben eine große Bandbreite an biologischen Funktionen.Bei der Unterscheidung nach der Zugehörigkeit des Aglycons zu einer bestimmten chemischen Stoffgruppe entstehen umfangreiche Unterklassen, die sich oft in derToxizität, der Eignung alsArzneistoffe oder durch sonstige Eigenschaften ähneln. In derBiochemie und derPharmakologie ist dies die gängigste Klassifizierung.
Im menschlichen Körper werden polare und unpolare alkoholische Giftstoffe oft durch Bindung anGlucuronsäure alsGlucuronide wasserlöslich gemacht und ausgeschieden.
Einige spezielle Glycoside sindsekundäre Pflanzenstoffe. Die Synthese von Glycosiden ermöglicht es der Pflanze u. a., toxische Stoffe in nicht-toxischer Form zu speichern. Dabei wird das Glycosid z. B. in einerVakuole gespeichert, was derKompartimentierung von der jeweiligen Glycosidase dient. Kommen das Glycosid und die zugehörige Glycosidase, z. B. durch Zerstörung der Pflanzenzelle zusammen, wird das Glycosid hydrolytisch gespalten und der Giftstoff wird freigesetzt und kann seine Wirkung entfalten.
In ihrer Wirkung alsArzneistoffe bzw. ihrer Toxikologie sind Glycoside sehr unterschiedlich. Sie werden in Biochemie und Pharmazie je nach Aglycon in folgende Untergruppen aufgeteilt:
DieAnthocyanglycoside bilden eine Gruppe von in vielen Pflanzen als Farbstoffe vorkommender Verbindungen.
Die Cumaringlycoside (zum BeispielRutarin) leiten sich von dem als Duftstoff eingesetztenCumarin ab. Viele dieser Glycoside besitzen eine pharmakologische Wirkung.
Cyanogene Glycoside spalten – wie ihr Name ausdrückt – bei ihrerZersetzung die stark toxischeBlausäure HCN ab.
Bei der Gruppe derFlavonoide ist das Aglycon einFlavon. Diese große Gruppe beinhaltet ähnlich wie die Anthocyanglycoside viele pflanzliche Farbstoffe, die als natürlichePolyphenole ebenfalls pharmakologisch wirksam sind. Beispiele sind dasHesperidin,Naringin undRutin.
Herzglycoside sind etwa 300 Stoffe, die pharmakologischinotrop auf dieHerzmuskulatur wirken. Sie kommen in einigen Pflanzen wie denFingerhütenDigitalis oder demMaiglöckchenConvallaria majalis vor und bestehen aus drei relativ seltenenDesoxyzuckern und einemSteroidalkohol als Aglycon. Heute besitzen nur nochDigoxin undDigitoxin klinische Bedeutung. Wegen ihrer speziellen Eigenschaften werden sie von den verwandten Saponinen unterschieden. Wie man inzwischen weiß, kann unser Körper selbst herzwirksame Glycoside aus Cholesterin herstellen, die Bedeutung endogen synthetisierter Herzglycoside ist jedoch noch unbekannt.
Iridoidglycoside wieAucubin undCatalpol dienen der Abwehr von Fressfeinden der Pflanzen.
Phenylglycoside (auchPhenolglycoside) sind eine Gruppe von Glycosiden, bei denen einPhenol über eine glycosidische Bindung mit einem Kohlenhydrat verknüpft ist. Da viele Anthrachinone und Flavonoide ebenfalls Phenole sind, überlappen diese Gruppen teilweise.Phenylglycoside sind in der Natur weit verbreitet; hierzu gehören z. B.:
Saponine (lat. „Sapo“ = „Seife“) bilden beim Mischen und Schütteln mit Wasser seifenartige Mischungen. Das jeweilige Aglycon zählt zur Klasse derSapogenine, das meist mitD-Glucose oderD-Galactose verbunden ist. Sapogenine sind entwederSteroide, Steroidalkaloide (stickstoffhaltige Steroide) oderTriterpene. Vielen Pflanzen dienen Saponine wieDigitonin oderSolanin als Defensiv- bzw. Abwehrstoffe.
Senfölglycoside oder Glucosinolate sind Glycoside, die über einSchwefelatom verbrückt sind, alsoS-Glycoside oder Thioglycoside. Zusätzlich enthalten diese auchStickstoff und verleihen vielenKreuzblütlern undKaperngewächsen wieRettich,Senf,Kresse undKohl einenbitteren und scharfen Geschmack. Bei der Verletzung des Pflanzengewebes werden die Senfölglycoside in teils toxische Produkte abgebaut.
Kohlenhydrate (Zucker) sind Polyhydroxycarbonylverbindungen, d. h., sie haben mehrere funktionelle Alkoholgruppen und liegen daher meist als energetisch sehr günstiges cyclisches Halbacetal vor, reagieren also mit sich selbst unter Ringbildung. Das ehemaligeCarbonylsauerstoffatom bildet eine exocyclische OH-Gruppe, der Sauerstoff der Hydroxygruppe bildet den endocyclischen Ringsauerstoff. Da die Halbacetalform der Aldosen in wässriger Lösung mit der offenkettigen aldehydischen Form im Gleichgewicht liegt, reduziert eine Glucose-LösungFehlingsche Lösung.Zucker bilden mit den verschiedensten Alkoholen R-OH ein cyclisches Vollacetal, bei dem statt einer exocyclischen Hydroxygruppe ein exocyclischer Substituent OR vorliegt. Ein solches Vollacetal ist in wässriger Lösung stabil und reduziert Fehlingsche Lösung daher nicht, es sei denn, das Aglycon selbst wirkt reduzierend, z. B. wenn es sich wiederum um einen Zucker handelt. In stark saurer wässriger Lösung werden Glycoside zu einem oder mehreren Monosaccharid(en) und dem Alkohol gespalten. Das klassische Nachweis-Kriterium für ein Glycosid ist daher die Beständigkeit gegen Fehlingsche Lösung ohne vorherige Hydrolyse und Reduktion von Fehlingscher Lösung nach saurer Hydrolyse. Bei Vorliegen eines reduzierenden Aglycons, z. B. einem weiteren Zucker, greift dieses Kriterium allerdings nicht. Da erste Untersuchungen pharmazeutischer pflanzlicher Formulierungen (Formulierung = Darreichungsform) mit diesen klassischen Untersuchungsmethoden erfolgten, werden in der Pharmazie die unten angegebenen pflanzlichen Wirkstoffe als Glycoside bezeichnet, obwohl die Glycoside eine weit über diese kleine Gruppe hinausgehende Bedeutung haben.
