Ribose

Ribose (kurz: Rib) ist ein Zucker mit fünf Kohlenstoff-Atomen, eine Pentose, und kommt als D-Ribose in der Natur häufig vor, während die enantiomere L-Ribose nur geringe Bedeutung hat.

Strukturformel
Fischer-Projektion, offenkettige Darstellung
Allgemeines
Name	Ribose
Andere Namen	D,D,D-Aldopentose L,L,L-Aldopentose  (SNFG-Symbol)
Summenformel	C5H10O5
Kurzbeschreibung	farbloser Feststoff[1]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 50-69-1 (D-Ribose) 24259-59-4 (L-Ribose) 55058-43-0 (Racemat) PubChem 993 Wikidata Q59817493
Eigenschaften
Molare Masse	150,13 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	0,80 g·cm−3 (20 °C)[1]
Schmelzpunkt	90–95 °C[1]
Löslichkeit	löslich in Wasser[1]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1] keine GHS-Piktogramme H- und P-Sätze H: keine H-Sätze P: keine P-Sätze
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Mit „Ribose“ ist gewöhnlich D-Ribose gemeint. Von dieser unterscheidet sich die D-Desoxyribose in Desoxyribonukleinsäure (DNA) nur am C2-Atom durch ein fehlendes Sauerstoffatom. Über den Pentosephosphat-Zyklus kann Ribose auch im menschlichen Organismus aus anderen Monosacchariden synthetisiert werden.

D-Ribose ist Bestandteil der Bausteine von Ribonukleinsäure (RNS/RNA). In den Nukleosiden ist die Ribose über das C1-Atom mit einer Nukleobase verknüpft, so in Adenosin, Cytidin, Guanosin, Uridin und Ribothymidin. Durch zusätzliche Phosphorylierung der Hydroxygruppe (-OH) am C5-Atom entstehen die entsprechenden Nukleotide. Das Rückgrat (Backbone) eines RNA-Makromoleküls bilden die über Phosphorsäureester-Bindungen miteinander verknüpften Ribose-Einheiten.

Eigenschaften

Ribose ist ein farbloser Feststoff mit einem Schmelzpunkt bei 90–95 °C und ist in Wasser löslich.^[1]

Die Konstitution und Strukturen der D-Ribose wurden über eine Kristallstrukturanalyse aufgeklärt. Erst im Jahre 2010 konnte man mittels Röntgenbeugungs- und NMR-spektroskopischer Methoden zeigen, dass die Moleküle in kristalliner D-Ribose ein Halbacetal bilden und als Sechserring in einer Pyranoseform vorliegen. Es existieren zwei isomere Formen, α-D-Ribopyranose und β-D-Ribopyranose, welche im Kristall in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten sind.^[2]

In Wasser gelöst behält Ribose die Pyranosestruktur zum Teil bei; außerdem werden – wie schon seit langem bekannt – in einem chemischen Gleichgewicht Fünferringe, d. h. Furanosen gebildet. In beiden Fällen sind α- und β-anomere Formen möglich.

Bei 31 °C liegt das D-Ribose-Molekül zu 58,5 % in der β-D-pyranoiden, zu 21,5 % in der α-D-pyranoiden, zu 13,5 % in der β-D-furanoiden, zu 6,5 % in der α-D-furanoiden und zu 0,05 % in der offenkettigen Form vor.^[3] In wässriger Lösung ist somit die β-Pyranoseform am häufigsten, da hier drei der vier Hydroxygruppen in äquatorialer Ebene liegen.

D-Ribose – Schreibweisen
Keilstrichformel	Haworth-Schreibweise
	α-D-Ribofuranose	β-D-Ribofuranose
	α-D-Ribopyranose	β-D-Ribopyranose

Biologische Bedeutung und Biosynthese

D-Ribose im Adenosinmonophosphat (AMP)

D-Ribose ist, am C5-OH mit Phosphorsäure verestert, als Ribose-5-phosphat ein Glied des Kohlenhydratstoffwechsels. Seine Biosynthese erfolgt auf mehreren Wegen. Eine Vorstufe ist Ribulose-5-phosphat, eine andere Glycerinaldehyd-3-phosphat, welches mit einem C₂-Fragment in einer Transketolase-Reaktion zum C₅-Zuckerphosphat erweitert wird.^[4]

Ribose ist ein Baustein der Nukleoside und Nukleotide. Ribosyl-Nukleosidphosphate spielen eine wichtige Rolle im Stoffwechsel von Zellen, beispielsweise als biologische Energieträger wie Adenosindiphosphat (ADP) und Adenosintriphosphat (ATP). Die Wirkung hormoneller und nervöser Signale in der Zelle kann durch cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP), das als sekundärer Botenstoff dient, verstärkt werden.

Interstellares Vorkommen

In Meteoriten wurde im Jahre 2019 Ribose nachgewiesen.^[5] Da dieses Kohlenhydrat für das Leben auf der Erde essenziell ist, stellt dieser Befund ein weiteres Mal die Frage nach der Chemischen Evolution, d. h. wie sich das präbiotische "Leben" auf unserem Planeten entwickelt hat.

Nachweis

Ribose lässt sich mit dem Bial-Reagenz nachweisen (einer Lösung von Orcin und Eisen(III)-chlorid in konzentrierter Salzsäure). Der Test ist positiv, wenn sich nach Zugabe von Bial-Reagenz zum Kohlenhydrat und nach Erhitzen eine grün-blaue Färbung einstellt. Außerdem lässt sich Ribose durch die Molisch-Probe nachweisen.^[6]

Geschichte

Der bedeutende Chemiker Emil Fischer erkannte, dass es neben den aus fünf Kohlenstoffatomen bestehenden Kohlenhydraten Xylose und Arabinose noch ein weiteres Isomer (Epimer) geben müsse, dem er den Namen Ribose gab. Dieser ist ein Kunstname, kombiniert aus vertauschten Buchstaben des Namens Arabinose.

Der aus den USA in Fischers Berliner Institut gekommene Forscher Phoebus Levene stellte die Weiche für eine in die Zukunft führende Schiene, was er damals jedoch nicht absehen konnte: Er hydrolysierte aus Bäckerhefe "Hefenucleinsäure" und erhielt eine Ribose mit D-Konfiguration. Das Ergebnis wurde im Jahre 1909 in den Berichten der deutschen chemischen Gesellschaft beschrieben.^[7]

Weitere Untersuchungen von Levene und W. A. Jacobs ergaben, dass der Zucker Ribose an heterocyclische Basen, z. B. Adenin, gebunden war, d. h. als Nukleosid vorlag. Wie oben beschrieben, sind an die Nukleoside Phosphat-Gruppen gebunden (Nukleotide).

Formel des Nukleosids Adenosin

Zur Herstellung größerer Mengen Ribose waren jedoch Levenes Verfahren zu aufwendig. Hellmut Bredereck erarbeitete verbesserte Methoden, indem er ein Enzym aus Süßmandeln zur Hydrolyse einsetzte. So konnte die Reaktionstemperatur abgesenkt werden.^[8][9]

Ein 1992 am Klinikum Großhadern durgeführter Versuch fand eine Wirkung von D-Ribose bei Infarktpatienten und Patienten mit eingeschränkter Herzfunktion. Es zeigte sich eine Verbesserung der Herzleistung sowie ein deutlicher Anstieg der ATP-Produktion.^[10][11]

Synthesen

Eine Partialsynthese von L-Ribose, ausgehend von der aus Gummi arabicum durch Hydrolyse erhältlichen L-Arabinose, wurde erstmals 1891 von Oskar Piloty und Emil Fischer beschrieben.^[12] Die Aldehydgruppe der LArabinose wird mit Bromwasser zur L-Arabonsäure oxidiert. Durch Erhitzen mit Pyridin in wässriger Lösung tritt die Epimerisierung am C2-Atom ein, so dass man ein Gleichgewichtsgemisch der L-Arabonsäure mit der L-Ribonsäure erhält. Diese wird abgetrennt und zum Lacton cyclisiert, welches im letzten Schritt mittels Natriumamalgam zur L-Ribose reduziert wird.

Synthese von L-Ribose nach Oskar Piloty

Die Reinigung der L-Ribose nach der Reduktion mit Natriumamalgam wurde durch Willem Alberda van Ekenstein und Jan Johannes Blanksma verbessert.^[13] Nachdem auch D-Arabinose durch Wohl-Abbau der billigen D-Glucose zugänglich geworden war, stellten van Ekenstein und Blanksma auch D-Ribose nach der Fischer-Piloty-Methode her.^[14]

Otto Ruff veröffentlichte im Jahre 1898 eine zweite Methode zur Umwandlung der D-Gluconsäure in D-Arabinose (Ruff-Abbau). Dabei wird das Calciumsalz der Carbonsäure (Calcium-D-gluconat) mit Wasserstoffperoxid in Gegenwart von Eisensalzen oxidativ decarboxyliert.^[15]

Eine wichtige Verbesserung der Synthese des D-Epimers war die elektrochemische Oxidation der D-Arabinose an der Anode unter Zusatz von Calciumcarbonat. Die D-Arabonsäure kann als Calciumsalz isoliert und weiterverarbeitet werden.^[16]

Paul Karrer und Mitarbeiter nutzten diese Reaktionsschritte für eine Synthese des Lactoflavins.^[17]

In neuerer Zeit ist auch die L-Ribose wieder ins Blickfeld gerückt, da Derivate dieser Pentose für die Entwicklung von pharmazeutischen Wirkstoffen interessant sein könnten. So kann durch Biotechnologie aus L-Arabinose L-Ribose hergestellt werden (vgl. mit Pilotys Synthese, siehe oben).^[18]

Zuckerfaltung

Schematische Darstellung einiger Konformationen der Ribofuranose (sugar pucker) in Nukleosiden (B = Nukleobase). Faltung aus der C1‘-O4‘-C4‘-Ebene heraus in Richtung C5‘ = endo, entgegengesetzt = exo.

D-Ribofuranose hat auch (ebenso wie ihre Desoxyform) biologisch als strukturelle Komponente von Nukleinsäuren Bedeutung. Ihr Furanosering liegt in den Nukleosiden nicht planar vor, sondern in einer gefälteten Struktur (sugar pucker). Dabei liegen entweder drei Atome (Twist-Form) oder vier Atome (Envelope-Form) des Fünfrings annähernd in einer Ebene. Je nachdem, ob das aus der Ebene herausgehobene Ring-Atom auf derselben Seite steht wie der Kohlenstoff in Position 5' oder aber entgegengesetzt, unterscheidet man endo- und exo-Konformationen. Bevorzugte Faltungen sind die C3'-endo-Konformation („Nord“-Form) und die C2'-endo-Konformation („Süd“-Form), da sie einen niedrigen Energiezustand haben. Die Konformationen sind jedoch nicht statisch, sondern können über Zwischenformen ineinander übergehen (puckering). Die verschiedenen Formen lassen sich durch das ursprünglich für Cyclopentan entworfene Modell der Pseudorotation charakterisieren. Substituenten am Furanosegerüst beeinflussen die Zuckerfaltung. Die Zuckerfaltung hat Einfluss auf die Nukleinsäure-Sekundärstruktur. Ribofuranose tritt in RNA typischerweise in einer C3'-endo-Konformation auf. 2-Desoxyribofuranose (Desoxyribose) liegt in der A-DNA in der C3'-endo-Konformation und in der B-DNA in der C2'-endo-Konformation vor.^[19]

Weblinks

Commons: Ribose – Sammlung von Bildern