Kohlenhydrate sind neben Proteinen und Lipiden eine der zentralen Stoffklassen des Lebens. Sie entstehen vor allem in der Photosynthese und stellen einen Großteil der weltweiten Biomasse dar. In allen Organismen sind sie an Energieversorgung (z. B. Glucose als universeller Brennstoff), Strukturaufbau (z. B. Cellulose als Gerüststoff in Pflanzen) und Signalprozessen (z. B. Glycoproteine auf Zelloberflächen) beteiligt. Die wissenschaftliche Disziplin, die sich mit der Biologie der Kohlenhydrate und ihrem Stoffwechsel befasst, wird als Glycobiologie bezeichnet.
Begriff, Aufbau und Definition
Chemisch lassen sich Kohlenhydrate grob als Polyhydroxyaldehyde und Polyhydroxyketone und deren Derivate beschreiben. Viele Vertreter folgen näherungsweise der Summenformel CnH2nOn mit mindestens drei Kohlenstoffatomen. Entscheidend ist das gleichzeitige Vorliegen von mindestens zwei Hydroxygruppen und einer Aldehyd oder Ketogruppe. Auch Verbindungen wie Desoxyribose, Aminozucker oder Zuckersäuren werden trotz abweichender Summenformeln zu den Kohlenhydraten gezählt.
Der historische Name „Kohlenhydrate“ geht auf die Beobachtung zurück, dass zahlreiche Zuckerformeln wie Hydrate des Kohlenstoffs wirken. Dies führte zu der irreführenden Vorstellung, es handle sich um echte Kohlenstoffhydrate. Heute wird der Begriff im weiteren Sinn für alle beschriebenen Verbindungen verwendet. Die Bezeichnung Saccharid leitet sich vom griechischen Wort für Zucker ab und dient als Oberbegriff für Einfach, Mehrfach und Vielfachzucker.
Systematik und Strukturvielfalt
Zur Einordnung werden Kohlenhydrate nach Kettenlänge sowie funktionellen Gruppen gegliedert. Dabei sind Monosaccharide die kleinsten Bausteine. Durch Verknüpfung entstehen Di- und Oligosaccharide, wobei Ketten mit weniger als etwa zehn Monomereinheiten als Oligosaccharide gelten. Längere Ketten hingegen werden als Polysaccharide bezeichnet. Sowohl Oligo- als auch Polysaccharide werden über glycosidische Bindungen gebildet, die das anomere Kohlenstoffatom eines Zuckers mit einer weiteren Hydroxygruppe, Aminogruppe oder anderen funktionellen Gruppen verknüpfen. Das entstehende Vollacetal nennt man Glycosid.
Monosaccharide werden nach der Zahl der Kohlenstoffatome und nach der Art der Carbonylgruppe differenziert. Triose, Tetrose, Pentose oder Hexose weisen drei bis sechs Kohlenstoffatome auf. Enthält das Molekül eine Aldehydgruppe, spricht man von Aldosen, bei einer Ketogruppe von Ketosen. Bekannte Hexosen sind etwa Glucose, Fructose oder Galactose, bei den Pentosen spielen Ribose und Desoxyribose als Bestandteile von RNA und DNA eine zentrale Rolle.
Die strukturelle Vielfalt der Monosaccharide entsteht durch mehrere Chiralitätszentren. In wässriger Lösung liegen sie überwiegend in Ringformen vor. Fünfringe werden als Furanosen, Sechsringe als Pyranosen bezeichnet. Durch die Ringbildung entsteht am anomeren Kohlenstoff ein zusätzliches Stereozentrum, sodass sich eine α und eine β Form ausbilden. Beide Formen stehen über die offenkettige Struktur im Gleichgewicht, das sich in Lösung innerhalb von Minuten bis Stunden einstellt. Die beobachtbare Änderung der optischen Drehung bezeichnet man als Mutarotation.
Pyranoseformen bevorzugen energetisch günstige Sesselkonformationen. Daneben können Wannenformen auftreten, die jedoch weniger stabil sind. Durch die unterschiedliche Kombination von Ringgröße, Konformation, Substituenten und Verknüpfungspunkten ergibt sich eine enorme Zahl möglicher Kohlenhydratstrukturen.
Chemische Eigenschaften und Reaktionen
Die Carbonylfunktion der Aldosen und Ketosen ist eine reaktive Gruppe. So lassen sich Aldosen zu Aldonsäuren oxidieren, während bei Oxidation des terminalen Kohlenstoffatoms hingegen Uronsäuren entstehen. Bei weitergehender Oxidation bilden sich schließlich Säuren mit zwei Carboxygruppen. Alternativ führt eine Reduktion der Carbonylgruppe zu Zuckeralkoholen, den Alditolen, etwa Sorbit.
Beim Erhitzen von Kohlenhydraten spielen Karamellisierung und Maillard Reaktion eine wichtige Rolle. Die Maillard Reaktion entsteht aus der Reaktion des offenkettigen Zuckers mit Aminen, zum Beispiel mit Aminosäuren oder Proteinen. Über Zwischenstufen wie Amadori oder Heyns Produkte entstehen komplexe, meist braun gefärbte Verbindungen, die das Aroma und die Farbe vieler gegarter Lebensmittel prägen.
Vorkommen in Natur und Nahrung
Kohlenhydrate kommen in allen Organismen vor. Beispielsweise sind Monosaccharide in nennenswerter Menge unter anderem in Früchten und Honig zu finden. Disaccharide wie Saccharose sind typisch für Zuckerrohr und Zuckerrüben, während Lactose charakteristisch für Milch und Milchprodukte ist. Schließlich enthalten stärkehaltige Speicherorgane wie Getreidekörner, Kartoffeln oder andere Knollen und Wurzeln große Mengen an Polysacchariden.
Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biomolekül. Es bildet die Gerüstsubstanz der pflanzlichen Zellwände. Da Cellulose aus Glucoseeinheiten aufgebaut ist, ist Glucose zugleich das weltweit häufigste Monosaccharid.
In der menschlichen Ernährung stellen kohlenhydratreiche Grundnahrungsmittel wie Reis, Weizen, Mais, Kartoffeln oder Hülsenfrüchte wichtige Energiequellen dar. Gesellschaften für Ernährung empfehlen in der Regel, dass mehr als die Hälfte der täglichen Energiezufuhr aus Kohlenhydraten stammen soll, wobei Zucker nur einen kleineren Teil ausmachen soll.
Biochemische Funktionen
Kohlenhydrate erfüllen in Zellen verschiedene Aufgaben. Monosaccharide dienen als Ausgangsstoffe für andere Biomoleküle. Ribose und Desoxyribose bilden das Rückgrat von RNA und DNA. Glucose, Fructose und Galactose sind zentrale Energieträger und Eingangssubstrate verschiedener Stoffwechselwege.
Oligosaccharide entstehen durch Glykosylierung von Proteinen und Lipiden. Sie bilden Glycoproteine und Glycolipide, die eine wichtige Rolle bei Erkennungsvorgängen, bei Zell Zell Kontakten und bei Blutgruppenantigenen spielen. Die Gesamtheit der Kohlenhydrate einer Zelle wird als Glykom bezeichnet. Die Erforschung dieser Gesamtheit wird als Glykomik bezeichnet.
Polysaccharide übernehmen Speicher und Stützfunktionen. Stärke in Pflanzen und Glycogen in Tieren sind Reservestoffe aus Glucose, die der Energieversorgung dienen. Cellulose, Hemicellulose, Agarose oder Chitin fungieren als strukturbildende Gerüststoffe in Pflanzen, Algen, Pilzen und Arthropoden.
Stoffwechsel, Biosynthese und Abbau
Pflanzen erzeugen einfache Kohlenhydrate im Calvin Zyklus der Photosynthese aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Diese Monosaccharide werden zu Stärke und zu strukturbildenden Polysacchariden weiterverarbeitet und bilden damit den Ausgangspunkt für den Aufbau fast aller übrigen Biomoleküle.
Tiere und Menschen sind auf die Zufuhr von Kohlenhydraten nicht zwingend angewiesen, können aber in der Gluconeogenese Glucose aus Lactat, bestimmten Aminosäuren und Glycerin herstellen. Der Abbau von Glucose erfolgt vor allem in der Glycolyse, gefolgt von Citratzyklus und Atmungskette, wobei Adenosintriphosphat gebildet wird. Bei Sauerstoffmangel weichen Zellen auf Gärungswege aus. Glycogen in Leber und Muskulatur dient als kurzfristig verfügbarer Glucosespeicher und wird bei Bedarf rasch wieder zu frei verfügbarer Glucose abgebaut.
Aufnahme, Verdauung und Blutzucker
Beim Menschen beginnt der Stärkeabbau bereits im Mund durch Amylasen und wird im Dünndarm durch weitere Glycosidasen fortgesetzt, bis überwiegend Monosaccharide vorliegen. Diese werden über spezialisierte Transportproteine aus dem Darmlumen in die Zellen der Darmwand und von dort in den Blutkreislauf transportiert. Strukturkohlenhydrate wie Cellulose gelten beim Menschen als Ballaststoffe. Sie werden kaum enzymatisch gespalten, tragen aber zur Verdauungsfunktion bei und können von Darmbakterien teilweise fermentiert werden. Wiederkäuer können Cellulose dank ihrer Mikroorganismen im Pansen weitgehend in verwertbare Zucker umsetzen.
Die Konzentration von Glucose im Blut wird eng geregelt. Nach einer Mahlzeit steigt der Blutzuckerspiegel an. Insulin fördert dann die Aufnahme von Glucose in Muskel und Leber und den Aufbau von Glycogen. In Fastenzeiten unterstützt Glucagon den Abbau von Glycogen und die Gluconeogenese. Kohlenhydrate sind daher zwar nicht essentiell, das Gehirn ist jedoch stark auf Glucose angewiesen. Bei längerem Mangel werden vermehrt Ketonkörper gebildet, die einen Teil der Energieversorgung übernehmen.
Ernährung und Gesundheit
Kohlenhydrate liefern etwas mehr als 4 Kilokalorien pro Gramm und stellen in vielen Ernährungsleitlinien den größten Anteil der täglichen Energiezufuhr. Entscheidend ist dabei die Art der aufgenommenen Kohlenhydrate. Leicht verfügbare Zucker mit hohem glykämischem Index lassen den Blutzuckerspiegel rasch ansteigen und werden mit einem erhöhten Risiko für Übergewicht, das metabolische Syndrom, Diabetes mellitus Typ II und Karies in Verbindung gebracht. Ernährungsfachgesellschaften empfehlen deshalb, den Anteil frei zugesetzten Zuckers zu begrenzen und den Schwerpunkt auf stärkehaltige, ballaststoffreiche Lebensmittel mit niedrigem glykämischem Index zu legen. In Kombination mit ungesättigten Fettsäuren und eher fettarmen Proteinquellen kann dies dazu beitragen, Stoffwechselerkrankungen vorzubeugen.
Analytik und Nachweis
Kohlenhydrate lassen sich mit klassischen Nachweisreaktionen und mit modernen Instrumentenverfahren untersuchen. Historisch bedeutsam sind farbige Tests wie die Fehling-Probe für reduzierende Zucker oder der Molisch-Test für Kohlenhydrate im Allgemeinen.
In der Forschung und in der Qualitätskontrolle kommen überwiegend chromatographische Methoden zum Einsatz, wobei diese häufig mit Massenspektrometrie oder Kapillarelektrophorese gekoppelt werden. Darüber hinaus ermöglichen spektroskopische Verfahren wie Infrarot-, Raman- oder Kernspinresonanzspektroskopie detaillierte Aussagen über die Struktur sowie die Zusammensetzung komplexer Kohlenhydratmischungen.
Industrielle Gewinnung und Verwendung
Industriell werden Kohlenhydrate vor allem aus Getreide, Knollenfrüchten und zuckerreichen Kulturpflanzen gewonnen. Stärke, Glucosesirupe und Saccharose sind zentrale Rohstoffe der Lebensmittelindustrie und dienen als Süßungsmittel, Verdickungs- und Füllstoffe.
Die Industrie verarbeitet cellulosehaltige Ausgangsmaterialien wie Holz oder Baumwolle zu Papier, Karton und Textilien. Außerdem wandelt sie diese Materialien zu regenerierten Fasern und weiteren Derivaten um, die unter anderem in Folien, Lacken und Klebstoffen Anwendung finden.
In Medizin und Biochemie kommen Kohlenhydrate als Hilfsstoffe und Wirkstoffbestandteile zum Einsatz. Glucose ist Bestandteil von Infusionslösungen, komplexe Polysaccharide finden sich in Blutgerinnungshemmern und anderen Arzneimitteln. Papier, Agarose- und Dextrangele dienen zudem als Trägermaterialien in chromatographischen und analytischen Verfahren.
Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels „Kohlenhydrate“ dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 22.11.2025