Der Kupferseideprozess - Die "Chemie" der Cellulose

2.1.3 Die „Chemie” der Cellulose

Im folgenden Abschnitt werden die chemischen Eigenschaften von Cellulose und Amylose besprochen. Um den Zusammenhang zwischen den chemischen Einzelschritten nicht zu verlieren, dient Tabelle 1 (unten) als Überblick.

Stärke wird in der Pflanze als Reservestoff angelegt und dient dem Menschen als Ernährungsgrundlage, zum Beispiel in der Form von Kartoffel- und Getreidestärke. Der wasserlösliche Bestandteil der Stärke ist Amylose, der wasserunlösliche heißt Amylopektin. Cellulose hingegen ist wasserunlöslich. Cellulose quillt beim Einbringen in Wasser lediglich auf, da sich Wassermoleküle zwischen die Cellulosefasern einlagern.

Warum ist Amylose wasserlöslich, Cellulose aber nicht?

Wie schon erwähnt besteht das Cellulosemolekül aus Tausenden von β-d-Glucose-Einheiten, die durch Kondensation entstanden sind. Dies ist im Reagenzglas nicht möglich; die Pflanze löst dies enzymatisch.

x C₆H₁₂O₆→	(C₆H₁₀O₅)_x + (x–1) H₂O
Glucose	Cellulose

Die Umwandlung von Cellulose in β-d-Glucose ist mit konzentrierten Säuren möglich und nennt sich Hydrolyse.
In einer wässrigen Traubenzuckerlösung steht β-d-Glucose mit α-d-Glucose im Gleichgewicht. Diese unterscheidet sich durch die Stellung der glycosidischen Hydroxygruppe (rot) am C1-Atom.

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Auch α-d-Glucose tritt als Baustein eines Kettenmoleküls auf, nämlich der Amylose. Beim Vergleich zwischen Cellulose und Amylose zeigt sich die Bedeutung dieses scheinbar geringfügigen Unterschieds für die Sauerstoffbrücke zwischen den Glucosebausteinen. Diese Sauerstoffbrücke von benachbarten Glucosebausteinen wird glycosidische Bindung genannt.

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In der Cellulose sind benachbarte β-d-Glucoseeinheiten über eine β-1,4-glycosidische Bindung miteinander verknüpft, d.h. die einzelnen β-d-Glucose-Einheiten sind mit dem ersten und dem vierten Kohlenstoffatom mit ihren Nachbarn in der Kette verbunden. Diese Bindung ist räumlich so beschaffen, dass die aufeinander folgenden Bausteine um 180° gegeneinander gedreht sind. Das führt zu einer gestreckten Form der Cellulosemoleküle.

Cellulosekette

Im Gegensatz dazu setzt sich Amylose aus α-d-Glucosebausteinen zusammen, die miteinander durch eine α-1,4-glycosidische Bindung verknüpft sind.

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Die räumliche Struktur des Amylosemoleküls ist eine Schraube.

Struktur der Amylose

Aus der räumlichen Struktur der beiden Polysacchariden leitet sich auch deren Löslichkeit in Wasser ab:
Cellulose ist wasserunlöslich, da sich die langen Ketten zu kristallartigen Strukturen zusammenlagern und damit ihre Wasserstoffbrücken-Bindungen intermolekular absättigen können. So gehen die Celluloseketten keine Wasserstoffbrücken-Bindungen mit dem Wasser ein und die Cellulose löst sich nicht. Allerdings ist Cellulose nicht wasserabweisend, sondern saugt sich mit Wasser voll; sie quillt, da sich Wassermoleküle zwischen die Celluloseketten einlagern.
Dagegen ist Amylose sehr gut wasserlöslich, weil aufgrund der weitausladenden Spiralstruktur die Ausbildung von kristallinen Bereichen erschwert ist und die Hydroxylgruppen mit dem Wasser Wasserstoffbrücken-Bindungen eingehen.
Biologisch sehr bedeutsam ist es, dass Amylose spaltende Enzyme, wie die Amylase, eine β-glycosidische Bindung, wie bei der Cellulose, nicht spalten können. So ist die Cellulose für viele Tierarten und den Menschen unverdaulich, stellt aber einen wichtigen Ballaststoff dar.

Tabelle 1: Strukturüberblick

Baustein	Struktur-Einheit	Struktur des Makromoleküls	Form in Substanz

α-Glucose	Maltose-Einheit	Schraubenform des Amylose-Moleküls	Stärke-Korn; durch Zusammenlagerung von sehr vielen Makromolekülen

β-Glucose	Cellobiose-Einheit	Gestreckte Struktur des Cellulose-Moleküls	Cellulose-Faser:durch Zusammenlagern vieler parallel liegender "Seile" aus Fibrillen