Geheimnis geknackt: Die Kristallstruktur von Ribose

09.07.2010: D-Ribose ist nur ein kleines Molekül - aber ein extrem wichtiges für uns Lebewesen. Erstaunlich, dass sich die Kristallstruktur der Ribose bisher nicht unter den inzwischen mehr als eine halbe Million zählenden entschlüsselten Strukturen finden ließ. In der Zeitschrift Angewandte Chemie legt nun ein deutsch-schweizer Team ihre Ergebnisse dar: Ihnen ist endlich die Aufklärung der Kristallstruktur der Ribose geglückt.

Die Ribose gehört zur chemischen Klasse der Zucker. Ihr Rückgrat ist eine Kette aus fünf Kohlenstoffatomen, vier tragen ein OH-Gruppe, eines ein über eine Doppelbindung angeknüpftes Sauerstoffatom. In den meisten modernen Lehr- und Handbüchern wird die Ribose als beta-Furanose dargestellt: Vier der Kohlenstoffatome sowie das Sauerstoffatom bilden einen Fünfring. Seit mehr als 40 Jahren ist allerdings bekannt, dass die Ribose in Lösung als Mischung vier verschiedener Strukturen vorliegt: aus alpha- und beta-Furanose sowie alpha- und der dominierenden beta-Pyranose. Als Pyranose bezeichnet man eine Form, bei der der Zucker einen Sechsring aus den fünf Kohlenstoffatomen sowie einem Sauerstoffatom bildet. Der Zusatz alpha und beta gibt dabei an, ob sich eine bestimmte OH-Gruppe oberhalb oder unterhalb der Ringebene befindet.

Aber wie liegt die Ribose im Kristall vor? Während die Strukturen anderer wichtiger Zucker bereits länger bekannt sind, wollte die Ribose ihr Geheimnis nicht preisgeben, denn die Verbindung ist extrem schwer kristallisierbar. Trotz solch widriger Umstände und unzähliger Fehlversuche gelang es dem Team um Lynne B. McCusker, Beat H. Meier, Roland Boese und Jack D. Dunitz an der ETH Zürich und der Universität Duisburg-Essen letztendlich, die Struktur zu knacken. Mit ausgeklügelten Computerberechnungen konnten sie zunächst aus Röntgenbeugungsanalysen von Pulverproben aussagekräftige Ergebnisse gewinnen. Anschließend gelang es ihnen dann auch noch, per Zonenschmelzen Einkristalle herzustellen. Dabei wird nur eine kleine Zone des Materials erhitzt und diese Schmelzzone weiter bewegt. Die wieder erkaltende Schmelze erstarrt dann mit einer einheitlichen Kristallstruktur zum gewünschten Einkristall, der sich dann per Röntgenstrukturanalyse untersuchen ließ. Festkörper-NMR-spektroskopische Untersuchungen brachten weitere, ergänzende Informationen über die Ribose.

Insgesamt kamen die Forscher zu der Erkenntnis, dass D-Ribose als Pyranose kristallisiert, also als Sechsringe. Diese liegen in zwei Kristallformen vor, in denen die beta- und alpha-Pyranose-Form in unterschiedlichen Verhältnissen enthalten sind.

Originalveröffentlichung: Jack D. Dunitz et al.; "Die Kristallstruktur von D-Ribose - endlich!"; Angewandte Chemie 2000, 112, No. 26, 4605-4608