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| Strukturformel | |||||||||
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| Offenkettige Darstellung in der Fischer-Projektion | |||||||||
| Allgemeines | |||||||||
| Name | Glucose | ||||||||
| Andere Namen | |||||||||
| Summenformel | C6H12O6 | ||||||||
| CAS-Nummer |
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| ATC-Code | |||||||||
| Kurzbeschreibung |
D-Glucose: | ||||||||
| Eigenschaften | |||||||||
| Molare Masse | 180,16 g·molâ1 | ||||||||
| Aggregatzustand |
fest | ||||||||
| Dichte |
1,562 g·cmâ3[3] | ||||||||
| Schmelzpunkt | |||||||||
| Löslichkeit |
gut in Wasser (470 g·lâ1 bei 20 °C)[1] | ||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||
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| LD50 |
25,8 g·kgâ1 (Ratte, oral) (D-Glucose)[4] | ||||||||
| Soweit möglich und gebrÀuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | |||||||||
Glucose (kurz Glc, auch Glukose geschrieben, von Griechisch âÎłÎ»Ï ÎșÏÏâ, sĂŒĂ) ist ein Monosaccharid (Einfachzucker) und gehört damit zu den Kohlenhydraten. Es gibt zwei Enantiomere: D-Glucose und L-Glucose (fĂŒr eine ErklĂ€rung der Bezeichnungen âDâ und âLâ siehe Fischer-Projektion). In der Natur kommt ausschlieĂlich D-Glucose vor. Diese wird auch als Traubenzucker oder in Ă€lterer Literatur als Dextrose bezeichnet. L-Glucose ist nur synthetisch zugĂ€nglich und besitzt nur geringe praktische Bedeutung.
Inhaltsverzeichnis |
Der Traubenzucker wurde 1792 von Johann Tobias Lowitz in Weintrauben entdeckt und als von Rohrzucker (Saccharose) verschieden erkannt.[5] Glucose ist der von Jean Baptiste Dumas 1838 geprĂ€gte Begriff, der sich in der chemischen Literatur durchgesetzt hat. Von Friedrich August KekulĂ© stammt der Vorschlag Dextrose (von Lateinisch dexter = rechts), da Traubenzucker die physikalische Eigenschaft besitzt, die Ebene des linear polarisierten Lichtes nach rechts zu drehen.[6] Im Gegensatz dazu drehen D-Fructose (eine Ketohexose) und L-Glucose polarisiertes Licht nach links. Die Struktur der Glucose und die Strukturbeziehungen zu den anderen Monosacchariden wurden 1891 von Emil Fischer beschrieben und stellten einen Meilenstein der Naturstoffchemie dar.[6] Die Namen beziehen sich zunĂ€chst auf die Naturstoffe. Ihre Enantiomeren erhielten mit EinfĂŒhrung systematischer Nomenklaturen denselben Namen mit BerĂŒcksichtigung der absoluten Stereochemie [z. B. Fischer-Nomenklatur (D,L-Nomenklatur)].[7]
Traubenzucker ist als Baustein in Zweifachzuckern wie Lactose (Milchzucker) oder Saccharose (Rohr- oder RĂŒbenzucker), in Mehrfachzuckern wie Raffinose und in Vielfachzuckern wie StĂ€rke, Glycogen oder Cellulose enthalten. Er wird durch die vollstĂ€ndige enzymatische Spaltung von StĂ€rke (z. B. aus Mais oder Kartoffeln) hergestellt. Daraus resultiert die frĂŒher gĂ€ngige Bezeichnung âStĂ€rkezuckerâ.[8]
| Ăbergeordnet | ||
| Stoffwechsel der Hexosen | ||
| Untergeordnet | ||
| Gluconeogenese Glycolyse Entner-Doudoroff-Weg | ||
| Gene Ontology | ||
|---|---|---|
| AmiGO | QuickGO | |
Glucose wird hauptsĂ€chlich von Pflanzen mithilfe der Photosynthese aus Sonnenlicht, Wasser und Kohlenstoffdioxid produziert und kann von allen Lebewesen als Energie- und Kohlenstofflieferant verwertet werden. Normalerweise kommt Glucose aber nicht frei, sondern in Form ihrer Polymere, also Milchzucker, RĂŒbenzucker, StĂ€rke, Cellulose und andere vor, die in Pflanzen sowohl Reservestoffe als auch Bestandteil der Zellstruktur sind. Diese Polymere werden bei der Nahrungsaufnahme durch Tiere, Pilze und Bakterien mithilfe von Enzymen erst zu Glucose abgebaut. Beim Mensch geschieht dies teilweise bereits beim Kauen mittels Amylase, die im Speichel enthalten ist. Alle Lebewesen sind auĂerdem in der Lage, Glucose aus bestimmten Ausgangsprodukten selbst herzustellen, wenn sich die Notwendigkeit ergibt. Der Glucosegehalt des Blutes betrĂ€gt etwa 0,1 % und wird durch die Hormone Insulin und Glucagon geregelt.
Glucose wird in Lebewesen zu mehreren anderen chemischen Verbindungen umgesetzt, die Ausgangsprodukt verschiedener Stoffwechselwege sind. Neben der Phosphorylierung zu Glucose-6-phosphat, die Teil der Glycolyse ist, kann Glucose bei ihrem Abbau zunĂ€chst zu Glucono-1,5-lacton oxidiert werden. Glucose dient als Baustein bei der Biosynthese von Trehalose in Bakterien und von Glycogen. Glucose kann auĂerdem von der bakteriellen Xylose-Isomerase in Fructose umgewandelt werden.
Nicht zuletzt muss Glucose, um in Zellen und Zellkompartimente oder heraus zu gelangen, durch Membranen transportiert werden, wofĂŒr es beim Mensch mehrere Dutzend spezielle Transportproteine gibt, die hauptsĂ€chlich zur Major-Facilitator-Superfamilie gehören.[9]
Der Stoffwechselweg, der mit MolekĂŒlen beginnt, die zwei bis vier Kohlenstoffatome (C) enthalten und im GlucosemolekĂŒl endet, das sechs Kohlenstoffatome enthĂ€lt, heiĂt Gluconeogenese und kommt in allen Lebewesen vor. Die kleineren Ausgangsstoffe sind das Resultat anderer Stoffwechselwege und stammen bei Pflanzen letztlich von der Assimilation von Kohlenstoffdioxid.
Glucose ist ein Baustein vieler Kohlenhydrate und kann aus diesen mithilfe von bestimmten Enzymen abgespalten werden. So genannte Glycosidasen katalysieren zunĂ€chst die Hydrolyse langkettiger Polysaccharide, wobei endstĂ€ndige Glucose oder Disaccharide entfernt werden. Disaccharide wiederum werden meist von speziellen Glycosidasen zu Glucose abgebaut. Die Namen der abbauenden Enzyme sind oft vom jeweiligen Poly- und Disaccharid abgeleitet; so gibt es unter anderem fĂŒr den Abbau von Polysaccharidketten Amylasen (von Amylose, Bestandteil der StĂ€rke), Cellulasen (von Cellulose), Chitinasen (von Chitin) und mehr; weiters fĂŒr die Spaltung von Disacchariden die Lactase, Saccharase, Trehalase und andere.
Beim Menschen sind etwa 70 Gene bekannt, die fĂŒr Glycosidasen codieren. Sie haben Funktionen bei der Verdauung und beim Abbau von Glycogen, Sphingolipiden, Mucopolysacchariden und Poly(ADP)-Ribose.[10]
Der physiologische Brennwert von Glucose betrĂ€gt 15,7 kJ/g (3,74 kcal/g). [11]Die hohe VerfĂŒgbarkeit von Kohlenhydraten durch die pflanzliche Biomasse hat wĂ€hrend der Evolution, besonders der Mikroorganismen, zu einer Vielfalt von Methoden gefĂŒhrt, den Energie- und Kohlenstoffspeicher Glucose zu verwerten. Unterschiede bestehen darin, bis zu welchem nicht mehr fĂŒr die Energiegewinnung nutzbaren Endprodukt der Weg fĂŒhrt. Hier entscheidet das Vorhandensein einzelner Gene, und ihrer Genprodukte, der Enzyme, welche Reaktionen möglich sind (siehe Abbildung). Dabei wird der Stoffwechselweg der Glycolyse von nahezu allen Lebewesen genutzt. Lediglich die an Extrembedingungen angepassten Bakterien und Archaeen haben weitere Abbaureaktionen erschlossen, die im Entner-Doudoroff-Weg zusammengefasst werden. Ein wesentlicher Unterschied dieses Wegs besteht in der Gewinnung von NADP-ReduktionsĂ€quivalenten, die sonst indirekt erzeugt werden mĂŒssten.[12]
Zuletzt findet Glucose als Baustein bei der Glycosylierung von Proteinen und anderen Stoffen (katalysiert von Glycosyltransferasen) Verwendung und kann von den resultierenden Glycoproteinen, Peptidoglycanen und Glycosiden wieder abgespalten werden.
Traubenzucker kann im Körper ĂŒber die Glycolyse, die oxidative Decarboxylierung, den Citratzyklus und die Atmungskette vollstĂ€ndig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden. Ist dafĂŒr nicht genĂŒgend Sauerstoff verfĂŒgbar, erfolgt der Glucoseabbau anaerob bis zum Lactat durch die MilchsĂ€uregĂ€rung und setzt weniger Energie frei. Bei hohem Angebot an Glucose kann der Metabolit Acetyl-CoA aber auch zur FettsĂ€uresynthese genutzt werden. Ebenfalls wird durch Glucose der Glycogen-Speicher des Körpers wieder aufgefĂŒllt, der vor allem in Leber und Skelettmuskulatur zu finden ist. Diese VorgĂ€nge werden hormonell reguliert. Durch die Gluconeogenese kann der Organismus Glucose aus anderen Stoffwechselprodukten, unter anderem aus Lactat oder bestimmten AminosĂ€uren unter Energieverbrauch aufbauen. Die Neubildung von bis zu 250 g Glucose am Tag findet hauptsĂ€chlich in der Leber statt. Auch die Tubuluszellen der Nieren können Glucose bilden. Eine dauernde Erhöhung des Glucosegehalts im Blut wird als Zuckerkrankheit (Diabetes mellitus) bezeichnet.
Die Glucose im Blut wird als Blutzucker bezeichnet. Der Blutzuckergehalt eines gesunden Menschen betrĂ€gt im nĂŒchternen Zustand, d. h. nach Ăbernachtfasten, etwa 70 bis 100 mg/dl Blut (4 bis 5,5 mM). Im Blutplasma liegen die gemessenen Werte etwa 10â15 % höher. AuĂerdem liegen die Werte im arteriellen Blut ĂŒber den Konzentrationen im venösen Blut, da Glucose wĂ€hrend der Passage des Kapillarbettes in das Gewebe aufgenommen wird. Auch im Kapillarblut, das hĂ€ufig zur Blutzuckerbestimmung verwendet wird, liegen die Werte teils höher als im venösen Blut. Nach Nahrungsaufnahme steigt die Blutzuckerkonzentration an. Werte ĂŒber 180 mg/dl in venösem Vollblut sind sicher pathologisch und werden als HyperglykĂ€mie bezeichnet. Ein wiederholt oder dauerhaft erhöhter Blutzuckerwert weist in der Regel auf Diabetes mellitus hin. Glucosekonzentrationen unter 40 mg/dl in venösem Vollblut werden als HypoglykĂ€mie bezeichnet.[13]
| Verschiedene Formen und Darstellungen von D-Glucose im Vergleich | ||
|---|---|---|
| Keilstrichformel | Haworth-Schreibweise | |
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α-D-Glucofuranose |
ÎČ-D-Glucofuranose |
| α-D-Glucopyranose |
ÎČ-D-Glucopyranose | |
| α-D-Glucopyranose in (1) Tollens/Fischer- (2) Haworth- (3) Sessel-Darstellung (4) stereochemischer Ansicht | ||
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Als Kohlenhydrat mit sechs C-Atomen gehört Glucose zu den Hexosen. Als Aldose hat die Glucose eine Aldehydfunktion am ersten Kohlenstoffatom (Kohlenhydrate mit einer Ketogruppe werden als Ketosen bezeichnet). Durch eine intramolekulare Halbacetal-Bildung entsteht ein Ring: In der Pyranose-Form wird das erste mit dem fĂŒnften, in der selteneren Furanose-Form das erste mit dem vierten Kohlenstoffatom ĂŒber eine SauerstoffbrĂŒcke verbunden. Der Carbonylsauerstoff der Aldehydgruppe wird dabei zur Hydroxygruppe.
Die oben abgebildete Darstellung der pyranoiden Form â im Beispiel die ÎČ-D-Glucopyranose â wird als Haworth-Projektion bezeichnet. Dabei wird der Ring als eben dargestellt, was nicht der RealitĂ€t entspricht, aber fĂŒr viele Zwecke ausreichend ist. Durch den Ringschluss wird das erste C-Atom zu einem neuen, weiteren ChiralitĂ€tszentrum, so dass die Bildung von Diastereomeren möglich wird. Die Struktur, bei der die Hydroxy-Funktion des Halbacetals in der Haworth-Projektion nach unten weist, wird als α-D-Glucose bezeichnet, die mit der Hydroxy-Funktion nach oben als ÎČ-D-Glucose. Allgemein gilt, dass bei der α-Form die beim Ringschluss gebildete Hydroxy-Funktion auf der entgegengesetzten Seite der Ringebene der Haworth-Projektion steht wie die Hydroxymethylengruppe (C-Atom 6), bei der ÎČ-Form auf derselben. In dieser Form gilt die Definition sowohl fĂŒr die D- und L-Zucker, als auch fĂŒr Aldosen und Ketosen. α- und ÎČ-D-Glucose sind Beispiele fĂŒr als Anomere bezeichnete Strukturen. Anomere sind stereoisomere Zucker, die sich nur in der Konfiguration an dem beim Ringschluss gebilden ChiralitĂ€tszentrum unterscheiden. Anomere sind somit ein Spezialfall der Epimere.
Die Fischer-Projektion ist bei den cyclischen Halbacetal-Formen, siehe 1, unĂŒbersichtlich. Um die gewinkelte Anordnung der Kohlenstoff-Kette zu verdeutlichen, wird die Sessel-Darstellung 3 gewĂ€hlt. Auch die Darstellung 4 ist ĂŒblich und stereochemisch eindeutig.
Siehe auch: Kohlenhydrate: Chemie
In wĂ€ssriger Lösung kann der Ring geöffnet und geschlossen werden, so dass ein Gleichgewicht zwischen Pyranose- (Sechsring mit endozyklischem Sauerstoffatom, 99,75 %), Furanoseform (FĂŒnfring, in Spuren) und offenkettiger Aldehydform (0,25 %) vorliegt. Die Zugabe von SĂ€ure oder Lauge beschleunigt diesen Vorgang. Da beim Ringschluss entweder die Alpha- oder die Beta-Form entstehen kann, liegt auch ein Gleichgewicht zwischen Alpha-Form (36,4 %) und Beta-Form (63,6 %) vor. Das Gleichgewicht liegt, wie an den prozentualen Anteilen zu erkennen ist, auf der Seite der ÎČ-D-Glucose. Sie ist das stabilere Anomer, da alle Hydroxygruppen in der Sesselkonformation Ă€quatorial angeordnet sind und somit den gröĂtmöglichen Abstand voneinander haben. Dass das α-Anomer mit immerhin 36,4 % trotz der axialen OH-Gruppe vorliegt, deutet darauf hin, dass es noch weitere EinflĂŒsse geben muss. Die relative StabilitĂ€t der α-Konfiguration wird als anomerer Effekt bezeichnet.
Die Umwandlung zwischen den beiden Anomeren kann im Polarimeter beobachtet werden, da reine α-D-Glucose einen spezifischen Drehwinkel von +112° hat, reine ÎČ-D-Glucose von +18,7°. Hat sich nach einer gewissen Zeit das Gleichgewicht eingestellt, liegt ein Drehwinkel von +52,7° vor. Diese VerĂ€nderung des Drehwinkels wird als Mutarotation bezeichnet. Durch Zugabe von SĂ€ure oder Base kann diese Umwandlung massiv beschleunigt werden. Die Gleichgewichtseinstellung lĂ€uft ĂŒber die offenkettige Aldehyd-Form.
In verdĂŒnnter Natronlauge werden Mannose, Glucose und Fructose ineinander umgewandelt (Lobry-de-Bruyn-Alberda-van-Ekenstein-Umlagerung), so dass sich ein Gleichgewicht zwischen diesen Isomeren ausbildet. Diese Reaktion verlĂ€uft ĂŒber ein Endiol:</br> R-CH(OH)-CH=O <math>\rightleftharpoons</math> R-C(OH)=CH-OH <math>\rightleftharpoons</math> R-C(=O)-CH2-OH
Diese Reaktionen haben nur historische Bedeutung:
Die Fehling-Probe ist ein klassischer Nachweis fĂŒr Aldosen. Aufgrund der Mutarotation liegt Glucose immer zu einem geringen Anteil als offenkettiger Aldehyd vor. Durch Zugabe der Fehling-Reagenzien wird die Aldehydgruppe zur CarbonsĂ€ure oxidiert, wĂ€hrend der Cu2+-Tartratkomplex zu Cu+ reduziert wird und als roter Niederschlag (Cu2O) ausfĂ€llt.
Nach Zugabe von ammoniakalischen AgNO3 zur Probelösung wird Ag+ von Glucose zu elementarem Silber reduziert, welches sich an der GefĂ€Ăwand als Silberspiegel ablagert.
Photometrisch-enzymatische Verfahren in Lösung
Das Enzym Glucose-Oxidase (GOx) setzt Glucose unter Verbrauch von Sauerstoff zu GluconsÀure und Wasserstoffperoxid um. Ein weiteres Enzym, die Peroxidase, katalysiert eine chromogene Reaktion (Trinder-Reaktion) von Phenol mit 4-Aminoantipyrin zu einem violetten Farbstoff.[14]
Photometrische Teststreifen-Methode
Die Teststreifen-Methode bedient sich der oben erwĂ€hnten enzymatischen Umsetzung von Glucose zu GluconsĂ€ure unter Bildung von Wasserstoffperoxid. Die Reagenzien sind auf einer Polymermatrix immobilisiert, dem sog. Teststreifen, der eine mehr oder weniger starke Farbe annimmt. Diese kann mit Hilfe eines LED-basierten Handphotometers bei 510 nm reflektometrisch ausgelesen werden. Dies ermöglicht die routinemĂ€Ăige Blutzuckerbestimmung durch Laien. Neben der Reaktion von Phenol mit 4-Aminoantipyrin wurden neue chromogene Reaktionen entwickelt, welche die Photometrie bei höheren WellenlĂ€ngen (550 nm, 750 nm) erlauben.[15]
Die Elektroanalytik der Glucose basiert ebenfalls auf der oben erwĂ€hnten enzymatischen Umsetzung. Das produzierte Wasserstoffperoxid kann durch anodische Oxidation bei einem Potential von 600 mV amperometrisch quantifiziert werden[16]. Die GOx wird auf der ElektrodenoberflĂ€che oder in einer dicht vor der Elektrode angeordneten Membran immobilisiert. Als Elektroden kommen neben den klassischen Edelmetallen wie Platin oder Gold in jĂŒngster Zeit immer hĂ€ufiger Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden zum Einsatz, welche z. B. mit Bor dotiert wurden.[17]. Auch Cu-CuO-NanodrĂ€hte finden als enzymfreie amperometrische Elektroden Verwendung. Es wurde damit eine Nachweisgrenze von 50 ”mol/L erzielt.[18]. Eine besonders aussichtsreiche Methode besteht im sog. âenzyme wiringâ. Dabei wird das bei der Oxidation flieĂende Elektron direkt aus dem Enzym ĂŒber einen molekularen Draht auf die Elektrode abgeleitet.[19]
FĂŒr die Glucose gibt es eine Vielzahl anderer chemischer Sensoren [20]. Angesichts der Bedeutung der Analytik von Glucose in den Biowissenschaften sind auch zahlreiche optische Sonden fĂŒr Saccharide entwickelt worden, die auf der Verwendung von BoronsĂ€uren[21] beruhen und vor allem fĂŒr intrazellulĂ€re, sensorische Anwendungen in Frage kommen, wo andere (optische) Methoden gar nicht oder nur bedingt einsetzbar sind. Neben den organischen BoronsĂ€urenderivaten, welche oft hochspezifisch an die 1,2-Diolgruppen der Zucker binden, gibt es noch weitere nach Funktionsmechanismen klassifizierte Sondenkonzepte, die selektive Glucose-bindende Proteine (z. B. Concanavalin A) als Rezeptor verwenden [20]. Des Weiteren wurden Methoden entwickelt, welche die Glucosekonzentration indirekt ĂŒber die Konzentration von verstoffwechselten Produkten erfassen, z. B. den Verbrauch von Sauerstoff mit Hilfe fluoreszenz-optischer Sensoren.[22] SchlieĂlich gibt es enzymbasierte Konzepte, die die intrinsische Absorbanz bzw. Fluoreszenz von (fluoreszenzmarkierten) Enzymen als InformationstrĂ€ger nutzen.[20]
Glucose ist ein bedeutender biotechnologischer Rohstoff. Folgende Schautafel gibt einen kurzen Ăberblick ĂŒber wichtige Produkte (Klick auf die Namen fĂŒhrt zu den entsprechenden Artikeln). Die industriell interessanten Produkte bzw. deren Vorstufen sind fett gekennzeichnet: