Cellulose ist die in der Natur am weitesten verbreitete organische Verbindung. Vor allem die Pflanzenwelt besteht zu einem großen Anteil aus diesem Stoff, da er mit einem Anteil von 50 % die Grundlage für Zellwände ist. Hier erfährst Du alles zum Cellulose Aufbau, zur Cellulose Strukturformel und zu den Eigenschaften, dem Vorkommen und der Verwendung von Cellulose.
Cellulose Aufbau
Cellulose ist ein langkettiges Kohlenhydrat und gehört zur Gruppe der Polysaccharide (Vielfachzucker ohne festgelegte Maximallänge). Der Stoff besteht aus einer Aneinanderreihung an miteinander verknüpften Glucosemolekülen – Du kannst ihn also auch als Polymer bezeichnen. Aus diesem Grund lautet die Summenformel auch: \((C_6H_{10}O_5)_n\).
Polymere sind langkettige Moleküle, die aus aneinander geknüpften einzelnen Molekülen (Monomeren) bestehen. Die eingebauten Monomere werden auch als Wiederholungseinheiten bezeichnet. Eine Wiederholungseinheit ist allerdings nicht auf eine Monomerart begrenzt und kann ebenso aus mehreren verschiedenen Monomeren bestehen. Zur Kennzeichnung eines Polymers setzt Du die Summenformel in Klammern und versiehst sie mit einem n, das für eine n-fache (mit n = natürliche Zahl > 1) Anzahl des Monomers steht.
Cellulosestränge haben keine Verzweigungen nach außen und bestehen immer aus einer einheitlichen Kette aus mehreren hundert bis zehntausenden Glucosemolekülen. Durch die Zusammenlagerung einer Vielzahl von Celluloseketten entstehen reißfeste Fasern, was die hohe Festigkeit pflanzlicher Strukturen erklärt.
Cellulose Strukturformel
Die Glucoseeinheiten in der Cellulose sind über sogenannte glykosidische Bindungen miteinander verknüpft. Das sind Bindungen zwischen Zuckermolekülen, die über ein Sauerstoffatom gebunden sind. In diesem Fall kannst Du sie auch als β-(1,4)-glykosidische Bindungen bezeichnen, da immer das erste Kohlenstoffatom mit dem vierten des anderen Glucosemoleküls verbunden ist. Die Glucosemoleküle stehen immer um 180° gedreht zueinander.
Neben den β-(1,4)-glykosidischen Bindungen, gibt es auch noch die α-(1,4)-glykosidischen Bindungen. Der Unterschied liegt hier in den Glucosemolekülen selbst, die in der α- oder der β-Form vorliegen können. Diese beiden Formen unterschieden sich nämlich in der Position einer OH-Gruppe außerhalb des Rings.
Fun Fact: Wie Du sicherlich weißt, verträgt nicht die gesamte Menschheit den in Milch enthaltenen Zucker Laktose. Tatsächlich ist es so, dass die Spaltung von β-(1,4)-glykosidischen Bindungen im menschlichen Körper eine Ausnahme ist und nur am Laktosemolekül beobachtet wird.
In anderen Stoffen, wie eben der hier behandelten Cellulose, können die β-(1,4)-glykosidischen Bindungen nicht gespalten werden. Deswegen wird die Cellulose in Deinem Körper als Ballaststoff verstoffwechselt.
Es gibt aber ein Polymer, das der Cellulose ähnlich ist: Stärke. Hierbei handelt es sich ebenfalls um das Polysaccharid von Glucose. Allerdings wurde hier statt β-D-Glucose α-D-Glucose zum Aufbau der Polymerkette benutzt. Die dabei entstehenden α-(1,4)-glykosidischen Bindungen können auch vom Menschen gespalten werden, weshalb Stärke für ihn eine nahrhafte Quelle für Kohlenhydrate darstellt.
Cellulosefibrillen
Die so verknüpften Cellulosemoleküle bilden linear angeordnete Ketten, die Wasserstoffbrückenbindungen zu den jeweiligen Nachbarmolekülen ausbilden können. Auf diese Weise entstehen die sogenannten Cellulosefibrillen – besonders starre und widerstandsfähige, faserige Strukturen, die beispielsweise Holz seine natürliche Robustheit verleihen.
Cellulose Eigenschaften
Technisch erzeugte Cellulose ist ein weißes, geruchloses Pulver, dessen Aggregatzustand fest ist. In Wasser verhält sich das Pulver unlöslich. Auch die meisten organischen Lösungsmittel helfen Dir hier nicht weiter.
Ausnahmen sind Dimethylamid/Lithiumchlorid, Dimethylsulfoxid/Tetrabutylammoniumfluorid, N-Methylmorpholin-N-oxid, das Schweizers Reagens (eine Ammoniak/Cu2+-Lösung, auch Cuoxam genannt) und einige ionische Flüssigkeiten – mithilfe dieser Lösungsmittel kannst Du selbst die hartnäckige Cellulose lösen.
Wenn Du Cellulose in Wasser gibst und eine starke Säure hinzufügst, kannst Du die glykosidischen Bindungen spalten. Auf diese Weise zerfällt die Cellulose zu einzelnen Glucosemolekülen.
Cellulose Vorkommen
Cellulose ist mit einem Anteil von 50 % der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände, also ein sehr weitverbreitetes Molekül.
Hinzu kommt, dass sie im Mantel des Manteltiers sowie dem von Mollusken (Schnecken und Muscheln), Krebsen, Fadenwürmern und einigen Insekten enthalten ist. Das soll jetzt allerdings nicht heißen, dass Cellulose im Tierreich weitverbreitet ist. Das sind so ziemlich die einzigen Tiere, in dessen Körper Cellulose zu finden ist.
Biosynthese von Cellulose
In Pflanzen wird Cellulose in der Plasmamembran der Zelle in den Rosettenkomplexen produziert. Innerhalb dieser Rosettenkomplexe befindet sich das Enzym Cellulose-Synthase, das die einzelnen D-Glucosemoleküle miteinander zu langen Polymerketten verknüpft. Diese so synthetisierten Ketten werden auch als β-D-Glucane bezeichnet, da sie aus D-Glucosemoleküle bestehen, die über eine β-Bindung miteinander verbunden sind.
Zu den Glucanen gehören Oligo- und Polysaccharide, die nur aus D-Glucosemolekülen bestehen. Neben der D-Glucose gibt es auch noch die L-Glucose, die sich in ihrer Anordnung der abstehenden Reste unterscheidet, von der Summenformel allerdings gleich ist. Es handelt sich also um Enantiomere. Wenn Du mehr zu diesem Thema erfahren willst, schau Dir unbedingt die Erklärung zur Stereoisomerie an.
Die Synthese der Glucanketten erfolgt über einen zweistufigen Prozess. Im ersten Schritt wird das Disaccharid (Zweifachzucker) Saccharose in seine Bestandteile Glucose und Fructose gespalten. Ab hier wird die Glucose mithilfe der Cellulose Synthase mit Uridindiphosphat (UDP) versehen, sodass UDP-Glucose entsteht.
Der zweite Schritt besteht darin, dass diese UDP-Glucose auf die Glucankette übertragen wird. Daraufhin wandert das Enzym weiter und nimmt sich das nächste Glucosemolekül vor. Dieser Vorgang läuft so lange ab, bis sich 60–70 Cellulose-Ketten zu Mikrofibrillen angeordnet haben.
Mikrofibrille steht hier für ein Bündel von Celluloseketten und wird nur im Zusammenhang mit Pflanzen verwendet. Sie sind ein wichtiges Merkmal von Zellwänden.
Abbau von Cellulose
Der Abbau von Cellulose wird durch die Cellulase ermöglicht. Cellulase ist ein Enzym, das die Bindungen der Cellulose aufspalten kann und somit Glucose freisetzt.
Da Pflanzen Cellulose selbst produzieren, benötigen sie auch die entsprechende Cellulase, um diese wieder abzubauen. Auf diese Weise können Zellwände umgebaut werden, was zum Beispiel bei Wachstumsvorgängen von Pflanzen von großer Bedeutung ist.
Cellulose Verwendung
Da Cellulose in großen Mengen in der Natur vorkommt und ein nachwachsender Rohstoff, wird er in den verschiedensten Branchen eingesetzt.
Rohstoff
Insbesondere für die Papierherstellung ist die Cellulose ein wichtiger Rohstoff, da Papier aus cellulosereichem Holz gewonnen wird. Aber auch in der Modebranche wird Cellulose verwendet. Hier wird die Cellulose in den Pflanzenfasern zur Herstellung von verschiedenen Stoffen genutzt. Dafür kann zum Beispiel Baumwolle verwendet werden.
Außerdem ist es möglich, synthetische Cellulosefasern herzustellen. Diese Fasern werden häufig in der Bekleidungsindustrie verwendet. Dort wird das Endprodukt Viskose genannt. Aufgrund der hohen Steifigkeit, kann Cellulose auch für Kunststoffverpackungen benutzt werden.
Die Baubranche macht ebenfalls Gebrauch von diesem Rohstoff und setzt ihn zum Beispiel als Dämmmaterial zum Schallschutz oder auch zur Wärmedämmung ein.
Nahrung
In der Nahrung des Menschen wird die Cellulose als Ballaststoff aufgeführt, da der menschliche Körper keine Verdauungsenzyme für den Abbau von Cellulose besitzt. Verarbeiteten Lebensmitteln wird Cellulose häufig als Verdickungsmittel beigemischt.
Einige Tierarten sind dazu in der Lage, Cellulose mithilfe von Mikroorganismen abzubauen. So beispielsweise Wiederkäuer, in deren Mägen sich eine Vielzahl an Pilzen, Bakterien und Protozoen versammeln. Zudem gibt es noch Insekten wie Termiten oder Schaben und Krebse, die ebenfalls Cellulose abbauen können.
Cellulose – Das Wichtigste
- Cellulose Aufbau: Cellulose ist ein natürlich vorkommendes Polymer, das aus einer Aneinanderreihung von miteinander verknüpften Glucosemolekülen besteht.
- Cellulose Strukturformel: Cellulose besteht aus Glucosemolekülen, die über β-1,4-glykosidische Bindungen verknüpft sind.
- Cellulose Eigenschaften: Technisch hergestellte Cellulose ist ein weißes, geruchloses Pulver, das in Wasser und den meisten organischen Lösungsmitteln unlöslich ist.
- Cellulose Vorkommen: Cellulose stellt mit einem Anteil von etwa 50 % den Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände dar.
- Cellulose Verwendung: Cellulose wird als Rohstoff für Bekleidung (Baumwolle), zur Papierherstellung und zum Dämmen von Wohnhäusern eingesetzt. Außerdem wird es als Verdickungsmitteln verarbeiteten Lebensmitteln zugesetzt.
Nachweise
- Europäische Datenbank für Lebensmittelzusatzstoffe: E 460, Cellulose. (08.12.2022)
- L. Stryer. (1999). Biochemie, 4. Auflage. Spektrum der Wissenschaft Verlag.
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