Zus¨atzlich zu den reinen Disacchariden wurde im Rahmen dieser Arbeit die Wechsel-wirkung von Kohlenhydraten mit Calcium–Ionen weiter untersucht. Hierbei lassen sich die bisher gemessenen Kohlenhydrate in zwei Gruppen einteilen.
8.5.1 Maltose und Glucose mit Calcium
Bei der Untersuchung einer 0,5–molaren w¨assrigen Maltosel¨osung unter Zusatz von 0,25 mol/l, 0,5 mol/l und 1 mol/l Calcium–Ionen (aus CaCl2) zeigt sich, dass die Relaxationszeiten aller drei Debye–Terme der reinen Maltose im Rahmen der Messfehler konstant bleiben (siehe Abbildung 8.15 und Tabelle 7.7). Die Amplitu-den nehmen mit zunehmender Calcium–Konzentration zu (siehe Tabelle 7.7). Im zur Verf¨ugung stehenden Messbereich ist also kein zus¨atzlicher, der Wechselwirkung zwischen Zucker und Calcium zuzuordnender Prozess vorhanden. Ein ¨ahnliches
Ver-Abbildung 8.15: Exzess–Absorption von 0,5–molarer w¨assriger Maltosel¨osung bei 25◦C; (◦) ohne und () mit Zusatz von 0,5 mol/l CaCl2.
halten ist auch beim Zusatz von Calcium–Ionen zu einer w¨assrigen Glucosel¨osung zu beobachten (Abbildung 8.16). Auch hier wird kein zus¨atzlicher Relaxationspro-zess ben¨otigt: Die Relaxationszeiten der Debye–Terme, die auch die Spektren der reinen Glucose beschreiben, werden nicht signifikant verschoben und ihre Ampli-tuden nehmen mit steigender Calcium–Konzentration zu. Da mit der Zugabe von jedem Mol CaCl2 zu einer Kohlenhydratl¨osung die Konzentration an Ionen um drei Mol steigt, nimmt entsprechend der Anteil an Hydratwasser gegen¨uber dem freien (”bulk“) Wasser ¨uberproportional zu. Die Ionen bewirken eine St¨orung der rela-tiv volumin¨osen Struktur des reinen Wassers und richten das Hydratwasser in der unmittelbaren Umgebung durch ihr Coulomb–Feld aus. Die als Folge ver¨anderte ge-samte Wasserstruktur der L¨osungen hat ebenfalls Einfluss auf das Hydratwasser der
Kohlenhydrate, und damit auf die effektive Volumen¨anderung bei der Relaxation in eine neue Gleichgewichtslage. Die Umorientierungszeit des Hydratwassers bleibt, wie dielektrische Messungen zeigen [74], hingegen weiterhin schnell gegen¨uber den hier betrachteten Relaxationszeiten, so dass diese nur wenig beeinflusst werden.
Abbildung 8.16: Exzess–Absorption von 0,5–molarer w¨assriger Glucosel¨osung bei 25◦C; (◦) ohne und () mit Zusatz von 0,5 mol/l CaCl2[21]. Die gestrichelten Linien geben jeweils die einzelnen Debye–Spektralterme, die durchgezogenen ihre Summe wieder.
8.5.2 Fructose und Xylose
Anders verh¨alt es sich bei w¨assrigen L¨osungen von Fructose und Xylose bei Zugabe von Calcium–Ionen. Interessant ist dabei insbesondere, dass im Falle der Xylose ein anderes Verhalten als bei der Glucose beobachtet wird. Der Xylose fehlt gegen¨uber der Glucose die exocyclische Hydroxymethyl–Gruppe, die Ausrichtung aller weiteren Hydroxy–Gruppen ist jedoch mit denen der Glucose identisch und selbst das Rot-amergleichgewicht zwischen α– und β–Pyranose ist nahezu gleich. Der α–Pyranose Anteil der Glucose liegt bei 38% derjenige der Xylose bei 36,5% [36]; die Konzen-trationen der Furanosen und der acyclischen Form k¨onnen mit zusammen weniger als 1% vernachl¨assigt werden. Wie der Abbildung 8.17 zu entnehmen ist, treten bei der Xylose drei zus¨atzliche Relaxationsterme auf, die die um eine Gr¨oßenordnung in der Amplitude kleineren Relaxationsstufen der Xylose–Spektren ohne Salzzusatz vollst¨andig ¨uberlagern. Und auch bei der Fructose zeigt sich bei Zugabe von Calci-um gegen¨uber der reinen Fructose eine sehr ausgepr¨agte zus¨atzliche Relaxationsstufe mit einer Zeitkonstanten von ca. 6 ns (vgl. Abbildung 8.18). Abbildung 8.19 zeigt den Amplitudenverlauf dieses Prozesses ¨uber der Calcium–Konzentration.
Modell der Assoziation von Kohlenhydraten mit Calcium
Betrachtet man zun¨achst die zus¨atzlichen Debye–Spektralterme, die sich aufgrund des Zusatzes von Calcium–Ionen zu w¨assrigen Kohlenhydratl¨osungen ergeben, so le-gen die Ergebnisse einen mehrstufile-gen Assoziationsmechanismus nahe. Dieser l¨asst
Abbildung 8.17: Exzess–Absorption von 0,5–molarer w¨assriger Xylosel¨osung bei 25◦C; (◦) ohne und () mit Zusatz von 0,5 mol/l CaCl2[57]. Die gestrichelten Linien zeigen die angepassten Debye–Terme, die durchgezogenen deren Summe.
Abbildung 8.18:Exzess–Absorption von 0,5–molarer w¨assriger Fructosel¨osung bei 25◦C; (◦) ohne [16] und () mit Zusatz von 0,5 mol/l CaCl2. Die durchgezogenen Linien geben die Summe aus drei bzw. vier Debye–Termen wieder, die selbst gestri-chelt dargestellt sind. Die Messdaten der reinen Fructose stammen von Riech [21] und von Polacek [16]. Die Messungen an Fructose mit Calciumzusatz wurden von Kerstin Fuchs und Maximilian Schach ausgef¨uhrt.
sich in Anlehnung an die Assoziation zwei–zwei–wertiger Ionen nach dem Eigen-Winkler–Schema, in einen Begegnungsprozess und anschließend evtl. mehrstufigen
”Umlagerungen“ dieses Komplexes einteilen, die jeweils mit einer eigenen charakte-ristischen Zeitkonstante erfolgen. Dabei sollte die Relaxationszeit des Begegnungs-prozesses, hier zweier verschiedener Molek¨ule, nach Strehlow [41]
konzentrations-Abbildung 8.19: Verlauf der Amplitude des zus¨atzlichen Debye–Prozesses bei 0,5–molarer w¨assriger Fructosel¨osung ¨uber der Calcium–Konzentration bei 25◦C.
abh¨angig sein.
A+B kf
kb
AB ⇒ τ−1 = 4kf(cA+cB) +kb , (8.5) wobeikf und kb die Hin– bzw. R¨uckreaktionsgeschwindigkeit bezeichnen.
Der weitere Umbau der Komplexe stellt hingegen eine unimolekulare Reaktion – quasi eine Konformationsumwandlung – dar und ist nicht mehr konzentrations-abh¨angig. Dies trifft auf die Relaxationsstufe bei 6 ns im Fall der Fructose bzw. 4 ns der Xylose zu.
Offen bleibt hingegen die Frage, warum sich bei Xylose, Fructose und Anhydro–
Glucopyranosid [58] eine zus¨atzliche Relaxation aufgrund der Kohlenhydrat–Calcium Wechselwirkung zeigt, w¨ahrend dies bei Maltose und Glucose nicht der Fall ist.
Vergleicht man die Amplituden, insbesondere des Fructose–Calcium–Prozesses, mit denen der Debye–Terme der reinen Glucose und Maltose im entsprechenden Fre-quenzbereich, so scheint es unwahrscheinlich, dass eine hier ebenfalls vorhandene Calcium–Kohlenhydrat–Wechselwirkung durch andere Terme ¨uberdeckt wird. Of-fenbar reicht die bisherige Vorstellung, nach der im Falle der Pentosen und Hexosen die Pyranose–Ringe mit axial–¨aquatorial–axial Sequenz der Hydroxy–Gruppen und die Furanose–Ringe mit drei Hydroxy–Gruppen in cis–Stellung bevorzugt Komple-xe mit Kationen bilden [77], nicht aus. Dies wird insbesondere beim Vergleich von Glucose und Xylose deutlich. Der Pyranosering beider Saccharide ist identisch, in w¨assriger L¨osung unterscheidet sich das Verh¨altnis aus α– zu β–Pyranose nur mi-nimal (Xylose: 35% : 65%, Glucose 36% : 64%) und beide kommen nur in der 4C1
Sessel–Konformation vor [36]. Der Xylose fehlt gegen¨uber der Glucose
”nur“ die exocyclische Hydroxymethyl–Gruppe. Erstere bildet Komplexe mit Ca2+, letztere offenbar nicht.