Biochemie
Kohlenhydrate
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Cellulose ist die organische Verbindung, die in der Natur am häufigsten vorkommt. Aber was ist Cellulose genau und wie ist sie aufgebaut? Das erklären wir dir hier! %Schau dir gerne unser kurzes Video an, um das Thema noch schneller zu verstehen!

Was ist Cellulose?

Cellulose (auch Zellulose) ist die häufigste organische Verbindung, die in der Natur vorkommt. Konkret handelt es sich um ein unverzweigtes Polysaccharid (Vielfachzucker). Ein Cellulosemolekül besteht also aus ganz vielen Glucosemolekülen, die miteinander verknüpft sind. Da die Zellulose aus vielen Monomeren (Glucose) aufgebaut ist, kannst du sie auch als Polymer bezeichnen. Ihre Summenformel lautet daher (C6H10O5)n

%<img class="alignnone  wp-image-112506" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/02/Cellulose-2-300x136.png" alt="" width="346" height="157" /> %Beschriftung: Cellulose Strukturformel %alt.Text: Cellulose Struktur, Zellulose, Strukturformel Cellulose, Was ist Cellulose, Cellulose Aufbau %@animation: bitte das ganze Molekül in einer Farbe zeichnen, aber die O's zwischen den Molekülen lila färben (siehe Struktur im nächsten Kapitel)

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Cellulose Strukturformel

Cellulose ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und sorgt damit für ihre Stabilität. Außerdem ist Zellulose ein wichtiger Speicher für das Element Kohlenstoff (C). 

Das Polymer wird aber auch viel in der Industrie verwendet. Seit vielen Jahren verwenden wir Holz als Baustoff. Holz besteht zu 40% aus Zellulose. Außerdem dient die Zellulose als Grundstoff in der Papierherstellung. Aber auch in der Textilindustrie wird sie als Viskose, Baumwollfaser oder Leinen eingesetzt.

Cellulose Definition

Cellulose (auch Zellulose) ist das häufigste Biomolekül der Erde. Sie ist ein unverzweigtes Polysaccharid und besteht aus mehreren hundert bis zehntausenden Glucosemolekülen. Die Glucosemoleküle sind durch β- (1 \rightarrow 4)-glykosidische Bindungen verknüpft. 

Cellulose Struktur

Die Cellulose ist also ein organisches Molekül, genauer gesagt ein Polysaccharid. Das bedeutet, dass ein Cellulosemolekül aus vielen Glucosemolekülen besteht. Die Glucoseeinheiten sind auf eine bestimmte Art miteinander verknüpft. Du nennst die Verknüpfung β-(1 \rightarrow 4)-glykosidisch. Das bedeutet, dass jeweils das erste Kohlenstoffatom eines Glucosemoleküls mit dem vierten Kohlenstoffatom eines anderen Glucosemoleküls verbunden ist. Dabei sind die Moleküle jeweils um 180° gedreht angeordnet.

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Cellulose Struktur in der Haworth Projektion

%<img class="alignnone  wp-image-112680" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/02/Cellulose-3-300x128.png" alt="" width="408" height="174" /> %Cellulose Struktur in der Haworth Projektion. %alt.Text: Cellulose Strukturformel, Strukturformel Cellulose, Zellulose, Cellulose Aufbau %@animation: bitte auch die Zahlen mit aufnehmen und bei den lila Kästen wenn möglich noch hinschreiben, dass es sich dabei um den Sauerstoff der glykosidischen Bindung handelt (am besten noch die Striche, die vom O wegführen lila machen und als glykosidische Bindung beschriften)

Dir ist vielleicht auch schon aufgefallen, dass der Sauerstoff der glykosidischen Bindung zwischen den Glucosemolekülen immer abwechselnd nach oben und nach unten zeigt. Das liegt daran, dass die OH-Gruppen  bei der Glucose immer in derselben Richtung angeordnet sind: Die OH-Gruppe am ersten C-Atom zeigt nach oben und die am vierten C-Atom nach unten. Auf die Weise kannst du dir die abwechselnde Ausrichtung der Sauerstoffatome erklären.

Durch die Art von Verknüpfung entstehen linear angeordnete, große Moleküle. Sie  können zu jedem benachbarten Glucosemolekül Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden. Das führt zu einer zusätzlichen „Versteifung“ der einzelnen Ketten. Außerdem vernetzt sich die Cellulose durch die Wasserstoffbrückenbindungen zu fibrillären (faserigen) Strukturen (Cellulosefibrillen). 

%<img class="alignnone  wp-image-112826" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/02/CelluloseSessel-1-300x88.png" alt="" width="395" height="116" /> %Beschriftung: Cellulose Struktur in der Sessel-Konformation %alt.Text: Cellulose Strukturformel, Strukturformel Cellulose, Zellulose, was ist Cellulose, Was ist Zellulose %@animation: bitte noch die blauen gestrichelten Linien als Wasserstoffbrückenbindungen beschriften

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Cellulose Struktur in der Sessel-Konformation

Die fibrillären Strukturen sind charakteristisch für die Zellwände von Pflanzen. Das liegt daran, dass die Zellulose deren Hauptbestandteil ist. Die Strukturen sorgen für eine erhöhte Stabilität bei pflanzlichen Zellwänden. 

Cellulose Eigenschaften

Schauen wir uns jetzt die verschiedenen chemischen Eigenschaften der Zellulose an:

  • Der Aggregatzustand (physikalischer Zustand) der Cellulose ist fest.
  • Sie ist wasserunlöslich.
  • Auch in den meisten organischen Lösungsmitteln wie Methanol oder Toluol kannst du sie nicht lösen.
  • Cellulose kann durch starke Säuren wie Salzsäure oder Schwefelsäure gespalten werden.
  • Sie ist faserig aufgebaut. 

Cellulose Verwendung

Fassen wir nochmal zusammen: Cellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände und dient als Speicherform für Kohlenstoff. Aber nicht nur in der Natur hat die Zellulose eine wichtige Bedeutung.

Auch wir Menschen nutzen den Naturstoff schon seit vielen Jahren in einigen Anwendungsbereichen:

  • Als Baustoff: Holz besteht zu 40 % aus Cellulose und wird von Menschen schon seit langer Zeit zum Bauen verwendet. 
  • In der Papierindustrie: Zellulose dient als Grundstoff.
  • In der Textilindustrie: Zellulose, genauer Zellulosefasern, werden als Viskose, Baumwollfaser oder Leinen eingesetzt.
  • In der Verpackungsindustrie: Cellulose als Grundstoff für den Kunststoff Zellglas.
  • Cellulosederivate dienen als Verdickungsmittel, Ballaststoffzusatz und Füllmittel.

%<img class="alignnone  wp-image-112596" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/02/Verwendung-Cellulose-300x150.png" alt="" width="388" height="194" /> %Beschriftung: Cellulose Verwendung %alt.Text: Cellulose Papier, Baumwolle, Zellulosefasern, Was ist Cellulose %@animation: am besten nur die Pfeile ohne Beschriftung machen und statt Regerneratcellulose bitte Viskose schreiben + bei Cellulosederivate bitte noch in Klammern Ballaststoffzusatz hinschreiben

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Cellulose Verwendung

Cellulosehaltige Lebensmittel 

Wir nehmen jeden Tag viele zellulosehaltige Lebensmittel wie Obst, Gemüse, getrocknete Früchte und Vollkornprodukte zu uns. Für uns Menschen ist sie aber ein Ballaststoff

Das bedeutet, dass wir sie nicht verdauen können. Das liegt daran, dass uns das dazu nötige Verdauungsenzym %Verweis Verdauungsenzyme Cellulase fehlt. Cellulase „zerschneidet“ die langen Ketten der Zellulose. Durch das Zerschneiden werden einzelne Glucosemoleküle frei, die dann als Energiequelle genutzt werden können. Da Menschen aber nicht in der Lage sind, die Cellulose zu zerschneiden, können wir auch keine Energie aus ihr gewinnen. 

%<img class="alignnone  wp-image-112869" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/02/CelluloseCellulase-300x198.png" alt="" width="339" height="224" /> %Beschriftung: Cellulose Spaltung durch Cellulase %alt.Text: Was ist Zellulose, Was ist Cellulose, Cellulose Strukturformel, Cellulose Struktur %@animation: kann so übernommen werden, aber am besten noch verdeutlichen, dass mehrere Glucosemoleküle (das untere) rauskommen (vielleicht auch eine eckige Klammer mit n drum rum machen)

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Cellulose Spaltung durch Cellulase

Andere Lebewesen wie zum Beispiel Kühe sind in der Lage, das Polysaccharid zu spalten, obwohl sie keine Cellulase besitzen. Das ist möglich, indem sie in Symbiose mit Mikroorganismen (z.B. Bakterien) leben.  Die Mikroorganismen verdauen die Cellulose und die Kuh kann sie dann als Energielieferant nutzen. Deshalb sind cellulosereiche Pflanzen gutes Tierfutter.

Lebensmittelzusatzstoff

Die Zellulose findest du also in vielen Lebensmitteln und auch im Tierfutter. Zusätzlich wird sie in der Nahrungsmittel-und Pharmaindustrie aber auch noch als Lebensmittelzusatzstoff verwendet.

Das bekannteste Beispiel hierfür ist die mikrokristalline Cellulose. Sie dient als unverdaulicher Ballaststoff für Lebensmittel wie Salatsoßen und Eiscremes. Aber auch in der Pharmazie wird sie als Bindemittel für die Tablettenherstellung genutzt. 

Um festzustellen, ob in einem Produkt Cellulose enthalten ist, dient dir eine Iod-Zinkchloridlösung. Der Cellulose Nachweis erfolgt dann so: Du gibst die Iod-Zinkchloridlösung auf die zu untersuchende Substanz. Färbt sie sich daraufhin blau, enthält sie Zellulose. Wenn du jetzt mehr über Nachweisreaktionen lernen möchtest, schau dir unser Video zur Fehling-Probe an!

Zum Video: Fehling Probe
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