Glukose - Glucose

d -Glukose
Alpha-D-Glucopyranose.svg
Haworth-Projektion von α- d -Glucopyranose
D-Glukose-Kette-2D-Fischer.png
Fischer-Projektion von d- Glukose
Namen
Aussprache / l û k z / , / ɡ l û k s /
IUPAC-Name
Bevorzugter IUPAC-Name
Bei Naturprodukten werden keine PINs identifiziert.
Andere Namen
Bezeichner
3D-Modell ( JSmol )
3DMet
Abkürzungen Glc
1281604
ChEBI
ChEMBL
ChemSpider
EG-Nummer
83256
KEGG
Gittergewebe Glucose
RTECS-Nummer
UNII
  • InChI=1S/C6H12O6/c7-1-2-3(8)4(9)5(10)6(11)12-2/h2-11H,1H2/t2-,3-,4+,5-, 6?/m1/s1 prüfenJa
    Schlüssel: WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N prüfenJa
  • OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O
  • C([C@@H]1[C@H]([C@@H]([C@H]([C@H](O1)O)O)O)O)O
Eigenschaften
C 6 H 12 O 6
Molmasse 180,156  g/mol
Aussehen weißes Puder
Dichte 1,54 g / cm 3
Schmelzpunkt α- d- Glukose: 146 °C (295 °F; 419 K)
β- d- Glukose: 150 °C (302 °F; 423 K)
909 g/l (25 °C (77 °F))
−101,5×10 −6  cm 3 /mol
8.6827
Thermochemie
218,6 J/(K·mol)
209,2 J/(K·mol)
Std
Bildungsenthalpie
f H 298 )
−1271 kJ/mol
2.805 kJ/mol (670 kcal/mol)
Pharmakologie
B05CX01 ( WHO ) V04CA02 ( WHO ), V06DC01 ( WHO )
Gefahren
Sicherheitsdatenblatt ICSC 08655
NFPA 704 (Feuerdiamant)
0
1
0
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Infobox-Referenzen

Glucose ist ein Einfachzucker mit der Summenformel C 6 H 12 O 6. Glucose ist das am häufigsten vorkommende Monosaccharid , eine Unterkategorie der Kohlenhydrate . Glukose wird hauptsächlich von Pflanzen und den meisten Algen während der Photosynthese aus Wasser und Kohlendioxid unter Verwendung von Energie aus Sonnenlicht hergestellt, wo sie zur Herstellung von Zellulose in Zellwänden verwendet wird , dem am häufigsten vorkommenden Kohlenhydrat der Welt.

Im Energiestoffwechsel ist Glukose die wichtigste Energiequelle aller Organismen . Glukose für den Stoffwechsel wird als Polymer gespeichert , in Pflanzen hauptsächlich als Stärke und Amylopektin und in Tieren als Glykogen . Glukose zirkuliert im Blut von Tieren als Blutzucker . Die natürlich vorkommende Form der Glucose ist die d- Glucose, während die l- Glucose in vergleichsweise geringen Mengen synthetisch hergestellt wird und von untergeordneter Bedeutung ist. Glucose ist ein Monosaccharid mit sechs Kohlenstoffatomen und einer Aldehydgruppe und ist daher eine Aldohexose . Das Glucosemolekül kann sowohl in offenkettiger (azyklischer) als auch in Ringform (zyklisch) vorliegen. Glukose kommt natürlich vor und kommt in freiem Zustand in Früchten und anderen Pflanzenteilen vor. Bei Tieren wird Glukose durch den Abbau von Glykogen in einem als Glykogenolyse bekannten Prozess freigesetzt .

Glukose als intravenöse Zuckerlösung steht auf der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel der Weltgesundheitsorganisation , den sichersten und wirksamsten Arzneimitteln, die in einem Gesundheitssystem benötigt werden . Es steht auch in Kombination mit Natriumchlorid auf der Liste.

Der Name Glucose leitet sich vom altgriechischen γλεῦκος (gleûkos, „Wein, Most“), von γλυκύς (glykýs, „süß“) ab. Das Suffix „ -ose “ ist ein chemischer Klassifikator und bezeichnet einen Zucker.

Geschichte

Glukose wurde erstmals 1747 von dem deutschen Chemiker Andreas Marggraf aus Rosinen isoliert . Glukose wurde 1792 von Johann Tobias Lowitz in Trauben entdeckt und vom Rohrzucker (Saccharose) unterschieden. Glukose ist der 1838 von Jean Baptiste Dumas geprägte Begriff , der sich in der chemischen Literatur durchgesetzt hat. Friedrich August Kekulé schlug den Begriff Dextrose (von lat. dexter = rechts) vor, weil in wässriger Glucoselösung die Ebene des linear polarisierten Lichts nach rechts gedreht wird. Im Gegensatz dazu drehen d- Fructose (eine Ketohexose) und l- Glucose linear polarisiertes Licht nach links. Die frühere Schreibweise nach der Rotation der Ebene des linear polarisierten Lichts ( d- und l- Nomenklatur) wurde später zugunsten der d- und l- Schreibweise aufgegeben, die sich auf die absolute Konfiguration des am weitesten von der Carbonylgruppe entfernten asymmetrischen Zentrums bezieht , und in Übereinstimmung mit der Konfiguration von d- oder l- Glyceraldehyd.

Da Glukose ein Grundbedürfnis vieler Organismen ist, trug ein korrektes Verständnis ihrer chemischen Zusammensetzung und Struktur wesentlich zu einem allgemeinen Fortschritt in der organischen Chemie bei . Dieses Verständnis entstand hauptsächlich als Ergebnis der Untersuchungen von Emil Fischer , einem deutschen Chemiker, der 1902 für seine Ergebnisse den Nobelpreis für Chemie erhielt . Die Synthese von Glucose begründete die Struktur organischen Materials und bildete folglich die erste endgültige Bestätigung von Jacobus Henricus van 't Hoffs Theorien der chemischen Kinetik und der Anordnung chemischer Bindungen in kohlenstoffhaltigen Molekülen. Zwischen 1891 und 1894 stellte Fischer die stereochemische Konfiguration aller bekannten Zucker fest und sagte die möglichen Isomere korrekt voraus , indem er Van 't Hoffs Theorie der asymmetrischen Kohlenstoffatome anwandte. Die Namen bezogen sich zunächst auf die Naturstoffe. Ihre Enantiomere erhielten mit der Einführung systematischer Nomenklaturen unter Berücksichtigung der absoluten Stereochemie den gleichen Namen (zB Fischer-Nomenklatur, d / l- Nomenklatur).

Für die Entdeckung des Stoffwechsel von Glukose Otto Meyerhof erhielt den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin im Jahr 1922 Hans von Euler-Chelpin erhielt den Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet zusammen mit Arthur Harden 1929 für ihre „Forschung über die Vergärung von Zucker und ihrer Anteil der Enzyme in diesem Prozess". 1947 erhielten Bernardo Houssay (für seine Entdeckung der Rolle der Hypophyse im Stoffwechsel von Glukose und der daraus gewonnenen Kohlenhydrate) sowie Carl und Gerty Cori (für ihre Entdeckung der Umwandlung von Glykogen aus Glukose) den Nobelpreis in Physiologie oder Medizin. 1970 erhielt Luis Leloir den Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung von Glucose-abgeleiteten Zuckernukleotiden in der Biosynthese von Kohlenhydraten.

Chemische Eigenschaften

Glucose bildet weißen oder farblose Feststoffe , die hoch sind löslich in Wasser und Essigsäure , aber schwer löslich in Methanol und Ethanol . Sie schmelzen bei 146 °C (295 °F) ( α ) und 150 °C (302 °F) ( β ) und zersetzen sich ab 188 °C (370 °F) unter Freisetzung verschiedener flüchtiger Produkte und hinterlassen schließlich einen Rückstand von Kohlenstoff .

Mit sechs Kohlenstoffatomen wird es als Hexose klassifiziert , eine Unterkategorie der Monosaccharide. d- Glucose ist eines der sechzehn Aldohexose- Stereoisomere . Die d - Isomer , d - glucose, auch bekannt als Dextrose , tritt in der Natur weit, aber die l -Isomer, l - glucose , nicht. Glucose kann durch Hydrolyse von Kohlenhydraten wie Milchzucker ( Lactose ), Rohrzucker ( Saccharose ), Maltose , Cellulose , Glykogen usw. gewonnen werden. Dextrose wird in den USA und Japan üblicherweise aus Maisstärke, in Europa aus Kartoffel- und Weizenstärke hergestellt , und aus Tapiokastärke in tropischen Gebieten. Der Herstellungsprozess verwendet Hydrolyse durch Dampfbeaufschlagung bei kontrolliertem pH-Wert in einem Strahl, gefolgt von einer weiteren enzymatischen Depolymerisation. Ungebundene Glukose ist einer der Hauptbestandteile von Honig . Alle Formen von Glucose sind farblos und in Wasser, Essigsäure und mehreren anderen Lösungsmitteln leicht löslich . In Methanol und Ethanol sind sie nur schwer löslich .

Struktur und Nomenklatur

Mutarotation von Glucose.

Glucose liegt meist in fester Form als Monohydrat mit geschlossenem Pyranring (Dextrosehydrat) vor. In wässriger Lösung hingegen ist es zu einem geringen Teil offenkettig und liegt überwiegend als α- oder β- Pyranose vor , die sich ineinander umwandeln (siehe Mutarotation ). Aus wässrigen Lösungen lassen sich die drei bekannten Formen kristallisieren: α-Glucopyranose, β-Glucopyranose und β-Glucopyranose-Hydrat. Glucose ist ein Baustein der Disaccharide Lactose und Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker), von Oligosacchariden wie Raffinose und von Polysacchariden wie Stärke und Amylopektin , Glykogen oder Cellulose . Die Glasübergangstemperatur von Glucose beträgt 31 °C und die Gordon-Taylor-Konstante (eine experimentell ermittelte Konstante zur Vorhersage der Glasübergangstemperatur für verschiedene Massenanteile einer Mischung zweier Stoffe) beträgt 4,5.

Formen und Projektionen von d -Glukose im Vergleich
Natta-Projektion Haworth-Projektion
D-Glukose Keilstrich.svg Alpha-D-Glucofuranose.svg
α- d -Glucofuranose
Beta-D-Glucofuranose.svg
β- d- Glucofuranose
Alpha-D-Glucopyranose.svg
α- d -Glucopyranose
Beta-D-Glucopyranose.svg
β- d- Glucopyranose
α- d -Glucopyranose in (1) Tollens/Fischer (2) Haworth-Projektion (3) Stuhlkonformation (4) stereochemische Ansicht
Alphaglukose views.svg

Open-Chain-Form

Glucose kann sowohl in geradkettiger als auch in Ringform vorliegen.

Die offenkettige Form der Glucose macht weniger als 0,02% der Glucosemoleküle in einer wässrigen Lösung aus. Der Rest ist eine von zwei cyclischen Halbacetalformen. In seiner offenkettigen Form hat das Glucosemolekül ein offenes (im Gegensatz zum zyklischen ) unverzweigten Rückgrat aus sechs Kohlenstoffatomen, wobei C-1 Teil einer Aldehydgruppe H(C=O)– ist. Daher wird Glucose auch als Aldose oder Aldohexose klassifiziert . Die Aldehydgruppe macht Glucose zu einem reduzierenden Zucker , der im Fehling-Test positiv reagiert .

Zyklische Formen

Zyklische Formen von Glukose
.

Von links nach rechts: Haworth-Projektionen und Kugel-Stab- Strukturen der α- und β- Anomeren von D- Glucopyranose (obere Reihe) und D- Glucofuranose (untere Reihe)

In Lösungen existiert die offenkettige Form von Glucose (entweder " D- " oder " L- ") im Gleichgewicht mit mehreren cyclischen Isomeren , von denen jedes einen durch ein Sauerstoffatom geschlossenen Kohlenstoffring enthält. In wässriger Lösung liegen jedoch mehr als 99% der Glucosemoleküle als Pyranoseformen vor. Die offenkettige Form ist auf etwa 0,25% beschränkt und Furanoseformen existieren in vernachlässigbaren Mengen. Auch für diese cyclischen Formen werden allgemein die Begriffe "Glucose" und " D- Glucose" verwendet. Der Ring entsteht aus der offenkettigen Form durch eine intramolekulare nukleophile Additionsreaktion zwischen der Aldehydgruppe (an C-1) und entweder der C-4- oder C-5-Hydroxylgruppe unter Bildung einer Halbacetalbindung , -C(OH)H- O-.

Die Reaktion zwischen C-1 und C-5 ergibt ein sechsgliedriges heterozyklisches System namens Pyranose, das ein Monosaccharidzucker (daher "-ose") ist, der ein derivatisiertes Pyrangerüst enthält . Die (viel seltenere) Reaktion zwischen C-1 und C-4 ergibt einen fünfgliedrigen Furanosering, benannt nach dem cyclischen Etherfuran . In beiden Fällen ist an jedem Kohlenstoff im Ring ein Wasserstoff und ein Hydroxyl gebunden, mit Ausnahme des letzten Kohlenstoffs (C-4 oder C-5), wo das Hydroxyl durch den Rest des offenen Moleküls ersetzt ist (das ist -(C( CH 2 OH)HOH)-H bzw. -(CHOH)-H).

Die Ringschlussreaktion kann zwei Produkte ergeben, bezeichnet als „α-“ und „β-“ Wenn ein glucopyranose - Molekül in der gezogen wird , Haworth , die Bezeichnung „a-“ bedeutet , dass die Hydroxylgruppe an C-1 und den - Die CH 2 OH-Gruppe an C-5 liegt auf gegenüberliegenden Seiten der Ringebene (eine trans- Anordnung), während "β-" bedeutet, dass sie sich auf derselben Seite der Ebene befinden (eine cis- Anordnung). Daher führt das offenkettige Isomer D- Glucose zu vier verschiedenen zyklischen Isomeren: α- D- Glucopyranose, β- D- Glucopyranose, α- D- Glucofuranose und β- D- Glucofuranose. Diese fünf Strukturen existieren im Gleichgewicht und wandeln sich ineinander um, und die Umwandlung erfolgt mit Säurekatalyse viel schneller .

Weit verbreiteter Pfeil-schiebender Mechanismus für ein säurekatalysiertes dynamisches Gleichgewicht zwischen den α- und β-Anomeren von D-Glucopyranose

Stuhl Konformationen von α- (links) und β- (rechts) D -glucopyranose

Das andere offenkettige Isomer L- Glucose führt in ähnlicher Weise zu vier verschiedenen cyclischen Formen von L- Glucose, jede das Spiegelbild der entsprechenden D- Glucose.

Der Glucopyranose-Ring (α oder β) kann mehrere nicht-planare Formen annehmen, analog zu den "Sessel"- und "Boot"-Konformationen von Cyclohexan . In ähnlicher Weise kann der Glucofuranosering verschiedene Formen annehmen, analog zu den "Hüll"-Konformationen von Cyclopentan .

Im festen Zustand werden nur die Glucopyranose-Formen beobachtet.

Einige Derivate von glucofuranose, wie 1,2- O -isopropylidene- D -glucofuranose sind stabil und können rein als kristalline Feststoffe erhalten werden. Zum Beispiel Reaktion von α-D-Glucose mit para- Tolylboronsäure H
3
C
−( C
6
h
4
) −B(OH)
2
bildet den normalen Pyranosering um, um den 4-fachen Ester α-D-Glucofuranose-1,2∶3,5-bis( p- tolylboronat) zu ergeben.

Mutarotation

Mutarotation: d- Glucose-Moleküle liegen als cyclische Halbacetale vor, die zueinander epimer (= diastereomer) sind. Das epimere Verhältnis α:β beträgt 36:64. Bei der α-D-Glucopyranose (links) befindet sich die blau markierte Hydroxygruppe in axialer Position am anomeren Zentrum, während bei der β-D-Glucopyranose (rechts) die blau markierte Hydroxygruppe in äquatorialer Position am anomeres Zentrum.

Mutarotation besteht aus einer vorübergehenden Umkehr der Ringbildungsreaktion, was zur offenkettigen Form führt, gefolgt von einer Neubildung des Rings. Der Ringschlussschritt kann eine andere −OH-Gruppe verwenden als diejenige, die durch den Öffnungsschritt wiederhergestellt wurde (und somit zwischen Pyranose- und Furanoseformen wechselt), oder die neue Halbacetalgruppe, die an C-1 erzeugt wird, kann dieselbe oder entgegengesetzte Händigkeit wie die ursprüngliche haben (also Umschalten zwischen den α- und β-Formen). Obwohl die offenkettige Form in Lösung kaum nachweisbar ist, ist sie jedoch ein wesentlicher Bestandteil des Gleichgewichts.

Die offenkettige Form ist thermodynamisch instabil und isomerisiert spontan zu den cyclischen Formen. (Obwohl die Ringschlussreaktion theoretisch vier- oder dreiatomige Ringe erzeugen könnte, wären diese stark gespannt und werden in der Praxis nicht beobachtet.) In Lösungen bei Raumtemperatur wandeln sich die vier cyclischen Isomere über einen Zeitraum von Stunden ineinander um. in einem Prozess namens Mutarotation . Ausgehend von beliebigen Verhältnissen konvergiert die Mischung zu einem stabilen Verhältnis von α:β 36:64. Ohne den Einfluss des anomeren Effekts wäre das Verhältnis α:β 11:89 . Mutarotation ist bei Temperaturen nahe 0 ° C (32 ° F) erheblich langsamer.

Optische Aktivität

Ob in Wasser oder in fester Form, d -(+)-Glucose ist rechtsdrehend , was bedeutet , dass sie die Richtung des polarisierten Lichts im Uhrzeigersinn dreht, wenn man auf die Lichtquelle schaut. Der Effekt ist auf die Chiralität der Moleküle zurückzuführen, und tatsächlich ist das spiegelbildliche Isomer l -(−)-Glucose um den gleichen Betrag linksdrehend (rotiert polarisiertes Licht gegen den Uhrzeigersinn). Die Stärke der Wirkung ist bei jedem der fünf Tautomeren unterschiedlich .

Beachten Sie, dass sich das Präfix d - nicht direkt auf die optischen Eigenschaften der Verbindung bezieht. Es zeigt an, dass das chirale C-5-Zentrum die gleiche Händigkeit wie die von d- Glyceraldehyd hat (das so gekennzeichnet wurde, weil es rechtsdrehend ist). Die Tatsache, dass d- Glucose rechtsdrehend ist, ist ein kombinierter Effekt seiner vier chiralen Zentren, nicht nur von C-5; und tatsächlich sind einige der anderen d- Aldohexosen linksdrehend.

Die Umwandlung zwischen den beiden Anomeren kann in einem Polarimeter beobachtet werden, da reine α- d- Glucose einen spezifischen Drehwinkel von +112,2°·ml/(dm·g) hat, reine β-D-Glucose von +17,5°·ml/( dm·g). Wenn nach einer gewissen Zeit durch Mutarotation ein Gleichgewicht erreicht ist, beträgt der Drehwinkel +52,7°·ml/(dm·g). Durch Zugabe von Säure oder Base wird diese Umwandlung stark beschleunigt. Die Äquilibrierung erfolgt über die offenkettige Aldehydform.

Isomerisierung

In verdünnter Natronlauge oder anderen verdünnten Basen wandeln sich die Monosaccharide Mannose , Glucose und Fructose ineinander um (über eine Lobry-de-Bruyn-Alberda-Van-Ekenstein-Umwandlung ), so dass ein Gleichgewicht zwischen diesen Isomeren entsteht. Diese Reaktion läuft über ein Endiol ab :

Glucose-Fructose-Mannose-Isomerisierung

Biochemische Eigenschaften

Glucose ist das am häufigsten vorkommende Monosaccharid. Glukose ist auch die in den meisten lebenden Organismen am häufigsten verwendete Aldohexose . Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass Glucose eine geringere Neigung hat als andere Aldohexosen, unspezifisch mit den Amingruppen von Proteinen zu reagieren . Diese Reaktion – die Glykierung – beeinträchtigt oder zerstört die Funktion vieler Proteine, zB im glykierten Hämoglobin . Die niedrige Glykierungsrate von Glukose ist darauf zurückzuführen, dass sie im Vergleich zu anderen Aldohexosen eine stabilere zyklische Form hat, was bedeutet, dass sie weniger Zeit verbringt als in ihrer reaktiven offenkettigen Form . Der Grund dafür, dass Glucose die stabilste cyclische Form aller Aldohexosen hat, ist, dass sich ihre Hydroxygruppen (mit Ausnahme der Hydroxygruppe am anomeren Kohlenstoff von d- Glucose) in äquatorialer Position befinden . Vermutlich ist Glukose das am häufigsten vorkommende natürliche Monosaccharid, da es weniger mit Proteinen glykiert ist als andere Monosaccharide. Eine andere Hypothese ist, dass Glucose als einzige d- Aldohexose, die alle fünf Hydroxysubstituenten in äquatorialer Position in Form von β- d- Glucose aufweist, für chemische Reaktionen, beispielsweise zur Veresterung oder Acetalbildung , leichter zugänglich ist . Aus diesem Grund ist d- Glucose auch ein sehr bevorzugter Baustein in natürlichen Polysacchariden (Glykanen). Polysaccharide, die ausschließlich aus Glucose bestehen, werden als Glucane bezeichnet .

Glukose wird von Pflanzen durch Photosynthese unter Verwendung von Sonnenlicht, Wasser und Kohlendioxid hergestellt und kann von allen lebenden Organismen als Energie- und Kohlenstoffquelle genutzt werden. Die meiste Glucose kommt jedoch nicht in freier Form vor, sondern in Form ihrer Polymere, also Lactose, Saccharose, Stärke und andere, die Energiereserven darstellen, sowie Cellulose und Chitin , die Bestandteile der Zellwand von Pflanzen oder Pilzen sind und Arthropoden bzw. Diese Polymere werden bei der Nahrungsaufnahme durch Tiere, Pilze und Bakterien mit Hilfe von Enzymen zu Glucose abgebaut. Alle Tiere sind auch in der Lage, aus bestimmten Vorstufen bei Bedarf selbst Glukose herzustellen. Neuronen , Zellen des Nierenmarks und Erythrozyten sind für ihre Energieproduktion auf Glukose angewiesen. Beim erwachsenen Menschen sind ca. 18 g Glukose vorhanden, davon ca. 4 g im Blut. In der Leber eines Erwachsenen werden in 24 Stunden etwa 180 bis 220 g Glukose produziert.

Viele der Langzeitkomplikationen von Diabetes (zB Blindheit , Nierenversagen und periphere Neuropathie ) sind wahrscheinlich auf die Glykierung von Proteinen oder Lipiden zurückzuführen . Im Gegensatz dazu Enzym wird -regulierte Zusatz von Zucker zu Protein namens Glykosylierung und ist wichtig für die Funktion vieler Proteine.

Aufnahme

Die aufgenommene Glukose bindet beim Menschen zunächst an den Rezeptor für den süßen Geschmack auf der Zunge. Dieser Komplex der Proteine T1R2 und T1R3 ermöglicht es, glukosehaltige Nahrungsquellen zu identifizieren. Glukose stammt hauptsächlich aus der Nahrung – etwa 300 g pro Tag werden durch die Umwandlung von Nahrung hergestellt, sie wird aber auch aus anderen Stoffwechselprodukten in den Körperzellen synthetisiert. Beim Menschen erfolgt der Abbau glukosehaltiger Polysaccharide teilweise bereits beim Kauen durch Amylase , die im Speichel enthalten ist , sowie durch Maltase , Laktase und Saccharase am Bürstensaum des Dünndarms . Glukose ist ein Baustein vieler Kohlenhydrate und kann mit bestimmten Enzymen von diesen abgespalten werden. Glucosidasen , eine Untergruppe der Glykosidasen, katalysieren zunächst die Hydrolyse von langkettigen glukosehaltigen Polysacchariden und entfernen endständige Glukose. Disaccharide wiederum werden meist durch spezifische Glycosidasen zu Glucose abgebaut. Die Namen der abbauenden Enzyme leiten sich oft von den jeweiligen Poly- und Disacchariden ab; für den Abbau von Polysaccharidketten gibt es unter anderem Amylasen (benannt nach Amylose, einem Bestandteil der Stärke), Cellulasen (benannt nach Cellulose), Chitinasen (benannt nach Chitin) und mehr. Weiterhin gibt es für die Spaltung von Disacchariden Maltase, Lactase, Saccharase, Trehalase und andere. Beim Menschen sind etwa 70 Gene bekannt, die für Glykosidasen kodieren. Sie haben Funktionen bei der Verdauung und dem Abbau von Glykogen, Sphingolipiden , Mucopolysacchariden und Poly( ADP-Ribose ). Der Mensch produziert keine Cellulasen, Chitinasen oder Trehalasen, wohl aber die Bakterien in der Darmflora .

Um in oder aus Zellmembranen von Zellen und Membranen von Zellkompartimenten zu gelangen, benötigt Glukose spezielle Transportproteine ​​aus der großen Facilitator-Superfamilie . Im Dünndarm (genauer im Jejunum ) wird Glukose mit Hilfe von Glukosetransportern über einen sekundär aktiven Transportmechanismus namens Natriumion-Glukose- Symport via Natrium/Glukose-Cotransporter 1 (SGLT1) in das Darmepithel aufgenommen . Der weitere Transfer erfolgt auf der basolateralen Seite der Darmepithelzellen über den Glukosetransporter GLUT2 sowie die Aufnahme in Leberzellen , Nierenzellen, Zellen der Langerhans-Inseln , Neuronen , Astrozyten und Tanyozyten . Glukose gelangt über die Pfortader in die Leber und wird dort als zelluläres Glykogen gespeichert. In der Leberzelle wird es durch Glucokinase an Position 6 zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert , das die Zelle nicht verlassen kann. Glucose-6-Phosphatase kann Glucose-6-Phosphat ausschließlich in der Leber wieder in Glucose umwandeln, damit der Körper eine ausreichende Blutglukosekonzentration aufrechterhalten kann. In anderen Zellen erfolgt die Aufnahme durch passiven Transport durch eines der 14 GLUT-Proteine. Bei den anderen Zelltypen erfolgt die Phosphorylierung durch eine Hexokinase , woraufhin Glucose nicht mehr aus der Zelle diffundieren kann.

Der Glukosetransporter GLUT1 wird von den meisten Zelltypen produziert und ist von besonderer Bedeutung für Nervenzellen und Pankreas- β-Zellen . GLUT3 wird in Nervenzellen stark exprimiert. Glukose aus dem Blutkreislauf wird von GLUT4 aus Muskelzellen (des Skelettmuskels und Herzmuskels ) und Fettzellen aufgenommen . GLUT14 wird ausschließlich in Hoden exprimiert . Überschüssige Glukose wird abgebaut und in Fettsäuren umgewandelt, die als Triglyceride gespeichert werden . In den Nieren wird Glukose im Urin über SGLT1 und SGLT2 in die apikalen Zellmembranen aufgenommen und über GLUT2 in die basolateralen Zellmembranen übertragen. Etwa 90 % der Nierenglukoseresorption erfolgt über SGLT2 und etwa 3 % über SGLT1.

Biosynthese

In Pflanzen und einigen Prokaryoten ist Glukose ein Produkt der Photosynthese . Glukose wird auch durch den Abbau polymerer Glukoseformen wie Glykogen (in Tieren und Pilzen ) oder Stärke (in Pflanzen) gebildet. Die Spaltung von Glykogen wird als Glykogenolyse bezeichnet , die Spaltung von Stärke als Stärkeabbau.

Der Stoffwechselweg, der mit Molekülen mit zwei bis vier Kohlenstoffatomen (C) beginnt und im Glukosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen endet, wird als Glukoneogenese bezeichnet und kommt in allen lebenden Organismen vor. Die kleineren Ausgangsstoffe sind das Ergebnis anderer Stoffwechselwege. Letztlich stammen fast alle Biomoleküle aus der Aufnahme von Kohlendioxid in Pflanzen bei der Photosynthese. Die freie Bildungsenergie von α- d- Glucose beträgt 917,2 Kilojoule pro Mol. Beim Menschen findet die Gluconeogenese in Leber und Niere, aber auch in anderen Zelltypen statt. In der Leber werden etwa 150 g Glykogen gespeichert, in der Skelettmuskulatur etwa 250 g. Die bei der Spaltung des Glykogens in Muskelzellen freigesetzte Glukose kann jedoch nicht an den Kreislauf abgegeben werden, da Glukose durch die Hexokinase phosphoryliert wird und eine Glukose-6-Phosphatase nicht exprimiert wird, um die Phosphatgruppe zu entfernen. Anders als bei Glukose gibt es für Glukose-6-Phosphat kein Transportprotein. Die Gluconeogenese ermöglicht es dem Organismus, Glukose aus anderen Metaboliten, einschließlich Laktat oder bestimmten Aminosäuren, aufzubauen und dabei Energie zu verbrauchen. Die renalen Tubuluszellen können auch Glukose produzieren.

Glukoseabbau

Glukosestoffwechsel und verschiedene Formen davon
Glukosehaltige Verbindungen und isomere Formen werden verdaut und vom Körper im Darm aufgenommen, darunter Stärke , Glykogen , Disaccharide und Monosaccharide .
Glukose wird hauptsächlich in der Leber und den Muskeln als Glykogen gespeichert. Es wird als freie Glukose im Gewebe verteilt und verwendet.

Beim Menschen wird Glukose durch Glykolyse und den Pentosephosphatweg metabolisiert. Glykolyse wird von allen lebenden Organismen mit geringen Variationen verwendet, und alle Organismen erzeugen Energie aus dem Abbau von Monosacchariden. Im weiteren Verlauf des Stoffwechsels kann es über die oxidative Decarboxylierung , den Zitronensäurezyklus (Synonym Krebszyklus ) und die Atmungskette zu Wasser und Kohlendioxid vollständig abgebaut werden. Steht hierfür nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung, erfolgt der Glukoseabbau bei Tieren anaerob zu Laktat über Milchsäuregärung und setzt weniger Energie frei. Muskellaktat gelangt bei Säugetieren über den Blutkreislauf in die Leber, wo die Gluconeogenese stattfindet ( Cori-Zyklus ). Bei einer hohen Zufuhr an Glucose kann auch der Metabolit Acetyl-CoA aus dem Krebs-Zyklus zur Fettsäuresynthese genutzt werden . Glukose wird auch verwendet, um die Glykogenspeicher des Körpers aufzufüllen, die hauptsächlich in Leber und Skelettmuskulatur zu finden sind. Diese Prozesse werden hormonell reguliert.

In anderen lebenden Organismen können andere Formen der Fermentation auftreten. Das Bakterium Escherichia coli kann auf Nährmedien wachsen, die Glucose als einzige Kohlenstoffquelle enthalten. Bei einigen Bakterien und in modifizierter Form auch bei Archaeen wird Glucose über den Entner-Doudoroff-Weg abgebaut .

Die Verwendung von Glukose als Energiequelle in Zellen erfolgt entweder durch aerobe Atmung, anaerobe Atmung oder Fermentation. Der erste Schritt der Glykolyse ist die Phosphorylierung von Glucose durch eine Hexokinase , um Glucose-6-phosphat zu bilden . Der Hauptgrund für die sofortige Phosphorylierung von Glukose besteht darin, ihre Diffusion aus der Zelle zu verhindern, da die geladene Phosphatgruppe Glukose-6-phosphat daran hindert, die Zellmembran leicht zu passieren . Darüber hinaus aktiviert die Zugabe der energiereichen Phosphatgruppe Glucose für den nachfolgenden Abbau in späteren Schritten der Glykolyse. Unter physiologischen Bedingungen ist diese anfängliche Reaktion irreversibel.

Bei der anaeroben Atmung erzeugt ein Glucosemolekül eine Nettozunahme von zwei ATP-Molekülen (vier ATP-Moleküle werden während der Glykolyse durch Phosphorylierung auf Substratebene produziert, aber zwei werden von den während des Prozesses verwendeten Enzymen benötigt). Bei der aeroben Atmung ist ein Glukosemolekül viel rentabler, da eine maximale Nettoproduktion von 30 oder 32 ATP-Molekülen (je nach Organismus) durch oxidative Phosphorylierung erzeugt wird.

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Glykolyse und Glukoneogenese bearbeiten

Tumorzellen wachsen oft vergleichsweise schnell und verbrauchen durch die Glykolyse überdurchschnittlich viel Glucose, was auch in Gegenwart von Sauerstoff zur Bildung von Laktat, dem Endprodukt der Fermentation bei Säugetieren, führt. Dieser Effekt wird Warburg-Effekt genannt . Für die erhöhte Aufnahme von Glucose in Tumoren werden verschiedene SGLT und GLUT im Überschuss produziert.

In Hefe wird Ethanol bei hohen Glukosekonzentrationen fermentiert, auch in Gegenwart von Sauerstoff (was normalerweise zur Atmung, aber nicht zur Fermentation führt). Dieser Effekt wird als Crabtree-Effekt bezeichnet .

Energiequelle

Diagramm, das die möglichen Zwischenstufen beim Glucoseabbau zeigt; Stoffwechselwege orange: Glykolyse, grün: Entner-Doudoroff-Weg, phosphorylierend, gelb: Entner-Doudoroff-Weg, nicht phosphorylierend

Glukose ist ein allgegenwärtiger Brennstoff in der Biologie . Es wird als Energiequelle in Organismen verwendet, von Bakterien bis hin zu Menschen, entweder durch aerobe Atmung , anaerobe Atmung (in Bakterien) oder durch Fermentation . Glukose ist die wichtigste Energiequelle des menschlichen Körpers durch aerobe Atmung und liefert etwa 3,75  Kilokalorien (16  Kilojoule ) Nahrungsenergie pro Gramm. Der Abbau von Kohlenhydraten (z. B. Stärke) ergibt Mono- und Disaccharide , von denen die meisten Glukose sind. Durch Glykolyse und später in den Reaktionen des Zitronensäurezyklus und der oxidativen Phosphorylierung wird Glucose zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert , wobei Energie hauptsächlich in Form von ATP gewonnen wird . Die Insulinreaktion und andere Mechanismen regulieren die Glukosekonzentration im Blut. Der physiologische Kalorienwert von Glucose beträgt je nach Quelle 16,2 Kilojoule pro Gramm bzw. 15,7 kJ/g (3,74 kcal/g). Die hohe Verfügbarkeit von Kohlenhydraten aus pflanzlicher Biomasse hat im Laufe der Evolution zu einer Vielzahl von Methoden geführt, insbesondere bei Mikroorganismen, die Energie und den Kohlenstoffspeicher Glukose zu nutzen. Es bestehen Unterschiede, in denen das Endprodukt nicht mehr zur Energieerzeugung verwendet werden kann. Das Vorhandensein einzelner Gene und ihrer Genprodukte, den Enzymen, bestimmen, welche Reaktionen möglich sind. Der Stoffwechselweg der Glykolyse wird von fast allen Lebewesen genutzt. Ein wesentlicher Unterschied bei der Anwendung der Glykolyse ist die Gewinnung von NADPH als Reduktionsmittel für den ansonsten indirekt erzeugten Anabolismus .

Glukose und Sauerstoff liefern fast die gesamte Energie für das Gehirn , daher beeinflusst ihre Verfügbarkeit psychische Prozesse. Wenn die Glukose niedrig ist , werden psychologische Prozesse, die eine mentale Anstrengung erfordern (z. B. Selbstkontrolle , anstrengende Entscheidungsfindung) beeinträchtigt. Im Gehirn, das auf Glukose und Sauerstoff als Hauptenergiequelle angewiesen ist, beträgt die Glukosekonzentration in der Regel 4 bis 6 mM (5 mM entspricht 90 mg/dl), sinkt aber beim Fasten auf 2 bis 3 mM. Verwirrung tritt unter 1 mM und Koma bei niedrigeren Werten auf.

Die Glukose im Blut wird Blutzucker genannt . Der Blutzuckerspiegel wird durch glukosebindende Nervenzellen im Hypothalamus reguliert . Außerdem bindet Glukose im Gehirn an Glukoserezeptoren des Belohnungssystems im Nucleus accumbens . Die Bindung von Glukose an den süßen Rezeptor auf der Zunge induziert eine Freisetzung verschiedener Hormone des Energiestoffwechsels, entweder durch Glukose oder durch andere Zucker, was zu einer erhöhten zellulären Aufnahme und einem niedrigeren Blutzuckerspiegel führt. Künstliche Süßstoffe senken den Blutzuckerspiegel nicht.

Der Blutzuckergehalt eines gesunden Menschen im Kurzzeitnüchternzustand, zB nach nächtlichem Fasten, beträgt etwa 70 bis 100 mg/dl Blut (4 bis 5,5 mM). Im Blutplasma liegen die Messwerte etwa 10–15% höher. Außerdem sind die Werte im arteriellen Blut höher als die Konzentrationen im venösen Blut, da während der Passage des Kapillarbetts Glukose in das Gewebe aufgenommen wird . Auch im Kapillarblut, das häufig zur Blutzuckerbestimmung verwendet wird, sind die Werte teilweise höher als im venösen Blut. Der Glukosegehalt des Blutes wird durch die Hormone Insulin , Inkretin und Glukagon reguliert . Insulin senkt den Glukosespiegel, Glucagon erhöht ihn. Weiterhin führen die Hormone Adrenalin , Thyroxin , Glukokortikoide , Somatotropin und Adrenocorticotropin zu einer Erhöhung des Glukosespiegels. Es gibt auch eine hormonunabhängige Regulation, die als Glukose-Autoregulation bezeichnet wird . Nach der Nahrungsaufnahme steigt die Blutzuckerkonzentration an. Werte über 180 mg/dL im venösen Vollblut sind pathologisch und werden als Hyperglykämie bezeichnet , Werte unter 40 mg/dL werden als Hypoglykämie bezeichnet . Bei Bedarf wird Glukose durch Glukose-6-Phosphatase aus Glukose-6-Phosphat, das aus Leber- und Nierenglykogen stammt, in den Blutkreislauf freigesetzt, wodurch die Homöostase der Blutglukosekonzentration reguliert wird . Bei Wiederkäuern ist der Blutzuckerspiegel niedriger (60 mg/dl bei Rindern und 40 mg/dl bei Schafen ), weil die Kohlenhydrate durch ihre Darmflora stärker in kurzkettige Fettsäuren umgewandelt werden .

Ein Teil der Glukose wird von Astrozyten in Milchsäure umgewandelt , die dann von den Gehirnzellen als Energiequelle genutzt wird ; Ein Teil der Glukose wird von Darmzellen und roten Blutkörperchen verbraucht , während der Rest die Leber , das Fettgewebe und die Muskelzellen erreicht , wo er absorbiert und als Glykogen (unter dem Einfluss von Insulin ) gespeichert wird . Das Glykogen der Leberzellen kann in Glukose umgewandelt und in das Blut zurückgeführt werden, wenn das Insulin niedrig ist oder fehlt; Muskelzellglykogen wird aufgrund eines Enzymmangels nicht ins Blut zurückgeführt. In Fettzellen wird Glukose zu Energie - Reaktionen verwendet , die einige synthetisieren Fetttypen und haben andere Zwecke. Glykogen ist der „Glukose-Energiespeicher“-Mechanismus des Körpers, weil es viel „platzsparender“ und weniger reaktiv ist als Glukose selbst.

Aufgrund seiner Bedeutung für die menschliche Gesundheit ist Glukose ein Analyt in Glukosetests , die gängige medizinische Bluttests sind . Essen oder Fasten vor der Blutentnahme hat Auswirkungen auf die Blutzuckeranalyse; ein hoher Nüchternglukoseblutzuckerpegel kann ein Zeichen sein , Prädiabetes oder Diabetes mellitus .

Der glykämische Index ist ein Indikator für die Geschwindigkeit der Resorption und Umwandlung in Blutzuckerspiegel aus aufgenommenen Kohlenhydraten, gemessen als Fläche unter der Kurve des Blutzuckerspiegels nach dem Verzehr im Vergleich zu Glukose (Glukose ist definiert als 100). Die klinische Bedeutung des glykämischen Index ist umstritten, da Lebensmittel mit hohem Fettgehalt die Resorption von Kohlenhydraten verlangsamen und den glykämischen Index senken, zB Eiscreme. Ein alternativer Indikator ist der Insulinindex , gemessen als Einfluss der Kohlenhydrataufnahme auf den Blutinsulinspiegel. Die glykämische Last ist ein Indikator für die Menge an Glukose, die nach dem Verzehr dem Blutzuckerspiegel hinzugefügt wird, basierend auf dem glykämischen Index und der Menge der verzehrten Nahrung.

Vorläufer

Organismen verwenden Glukose als Vorstufe für die Synthese mehrerer wichtiger Substanzen. Stärke , Cellulose und Glykogen ( "animal Stärke") ist häufig Glucose - Polymere ( Polysaccharide ). Einige dieser Polymere (Stärke oder Glykogen) dienen als Energiespeicher, während andere (Cellulose und Chitin , das aus einem Glucosederivat hergestellt wird) strukturelle Funktionen haben. Oligosaccharide der Glucose in Kombination mit anderen Zuckern dienen als wichtige Energiespeicher. Dazu gehören Laktose , der vorherrschende Zucker in Milch, ein Glucose-Galactose-Disaccharid, und Saccharose , ein weiteres Disaccharid, das aus Glucose und Fructose besteht . Glukose wird auch bestimmten Proteinen und Lipiden in einem als Glykosylierung bezeichneten Prozess hinzugefügt . Dies ist oft entscheidend für ihre Funktion. Die Enzyme, die Glukose mit anderen Molekülen verbinden, verwenden normalerweise phosphorylierte Glukose, um die Bildung der neuen Bindung durch Kopplung mit dem Aufbrechen der Glukose-Phosphat-Bindung voranzutreiben.

Abgesehen von der direkten Verwendung als Monomer kann Glucose abgebaut werden, um eine Vielzahl anderer Biomoleküle zu synthetisieren. Dies ist wichtig, da Glukose sowohl als primärer Energiespeicher als auch als Quelle für organischen Kohlenstoff dient. Glukose kann abgebaut und in Lipide umgewandelt werden . Es ist auch eine Vorstufe für die Synthese anderer wichtiger Moleküle wie Vitamin C (Ascorbinsäure). In lebenden Organismen wird Glukose in verschiedene andere chemische Verbindungen umgewandelt, die das Ausgangsmaterial für verschiedene Stoffwechselwege sind . Darunter werden alle anderen Monosaccharide wie Fructose (über den Polyolweg ), Mannose (das Epimer der Glucose an Position 2), Galactose (das Epimer an Position 4), Fucose, verschiedene Uronsäuren und die Aminozucker aus Glucose hergestellt. Neben der Phosphorylierung zu Glucose-6-phosphat, die Teil der Glykolyse ist, kann Glucose bei ihrem Abbau zu Glucono-1,5-lacton oxidiert werden . Glucose wird bei einigen Bakterien als Baustein bei der Trehalose- oder Dextran- Biosynthese und bei Tieren als Baustein von Glykogen verwendet. Glucose kann auch von bakterieller Xylose-Isomerase in Fructose umgewandelt werden. Darüber hinaus produzieren Glucose- Metaboliten alle nicht-essentiellen Aminosäuren , Zuckeralkohole wie Mannit und Sorbit , Fettsäuren , Cholesterin und Nukleinsäuren . Schließlich dient Glucose als Baustein bei der Glykosylierung von Proteinen zu Glykoproteinen , Glykolipiden , Peptidoglykanen , Glykosiden und anderen Substanzen (katalysiert durch Glykosyltransferasen ) und kann von diesen durch Glykosidasen abgespalten werden .

Pathologie

Diabetes

Diabetes ist eine Stoffwechselstörung, bei der der Körper den Blutzuckerspiegel nicht regulieren kann, entweder aufgrund eines Insulinmangels im Körper oder weil Zellen im Körper nicht richtig auf Insulin reagieren. Jede dieser Situationen kann durch anhaltend hohe Blutzuckererhöhungen, durch Pankreas-Burnout und Insulinresistenz verursacht werden . Die Bauchspeicheldrüse ist das Organ, das für die Ausschüttung der Hormone Insulin und Glukagon verantwortlich ist. Insulin ist ein Hormon, das den Glukosespiegel reguliert und es den Körperzellen ermöglicht, Glukose aufzunehmen und zu verwenden. Ohne sie kann Glukose nicht in die Zelle gelangen und kann daher nicht als Brennstoff für die Körperfunktionen verwendet werden. Wenn die Bauchspeicheldrüse dauerhaft hohen Blutzuckerspiegelanstiegen ausgesetzt ist, können die insulinproduzierenden Zellen der Bauchspeicheldrüse geschädigt werden, was zu einem Insulinmangel im Körper führt. Insulinresistenz tritt auf, wenn die Bauchspeicheldrüse versucht, als Reaktion auf anhaltend erhöhte Blutzuckerspiegel immer mehr Insulin zu produzieren. Schließlich wird der Rest des Körpers gegen das von der Bauchspeicheldrüse produzierte Insulin resistent, wodurch mehr Insulin benötigt wird, um die gleiche blutzuckersenkende Wirkung zu erzielen, und die Bauchspeicheldrüse zwingt, noch mehr Insulin zu produzieren, um mit der Resistenz zu konkurrieren. Diese Negativspirale trägt zum Pankreas-Burnout und zum Krankheitsverlauf von Diabetes bei.

Um die Reaktion des Körpers auf eine blutzuckersenkende Therapie zu überwachen, kann der Glukosespiegel gemessen werden. Die Blutzuckerüberwachung kann mit mehreren Methoden durchgeführt werden, wie zum Beispiel dem Nüchternglukosetest, der den Glukosespiegel im Blut nach 8 Stunden Fasten misst. Ein weiterer Test ist der 2-Stunden-Glukosetoleranztest (GTT) – für diesen Test lässt die Person einen Nüchternglukosetest durchführen, trinkt dann ein 75-Gramm-Glukosegetränk und wird erneut getestet. Dieser Test misst die Fähigkeit des Körpers einer Person, Glukose zu verarbeiten. Im Laufe der Zeit sollte der Blutzuckerspiegel sinken, da Insulin die Aufnahme in die Zellen ermöglicht und aus dem Blutkreislauf austritt.

Hypoglykämie-Management

Glucose, 5% Infusionslösung

Personen mit Diabetes oder anderen Erkrankungen, die zu niedrigem Blutzucker führen, tragen oft kleine Mengen Zucker in verschiedenen Formen. Ein häufig verwendeter Zucker ist Glukose, oft in Form von Glukosetabletten (Glukose, die manchmal mit einer oder mehreren anderen Zutaten als Bindemittel in Tablettenform gepresst wird), Bonbons oder Zuckerpäckchen .

Quellen

Glukosetabletten

Die meisten Kohlenhydrate in der Nahrung enthalten Glucose, entweder als einzigen Baustein (wie bei den Polysacchariden Stärke und Glykogen ) oder zusammen mit einem anderen Monosaccharid (wie bei den Heteropolysacchariden Saccharose und Lactose ). Ungebundene Glukose ist einer der Hauptbestandteile von Honig .

Zuckergehalt ausgewählter gängiger pflanzlicher Lebensmittel (in Gramm pro 100 g)
Lebensmittel
Artikel
Kohlenhydrate
insgesamt, einschließlich
Ballaststoffe
insgesamt
Zucker
Kostenlose
Fruktose
Kostenlose
Glukose
Saccharose Verhältnis
Fruktose/
Glukose
Saccharose als
Anteil am
Gesamtzucker (%)
Früchte
Apfel 13.8 10.4 5.9 2.4 2.1 2.0 19,9
Aprikose 11.1 9.2 0,9 2.4 5.9 0,7 63,5
Banane 22,8 12.2 4.9 5.0 2.4 1.0 20,0
Feige , getrocknet 63,9 47,9 22,9 24.8 0,9 0,93 0,15
Trauben 18.1 15,5 8.1 7.2 0,2 1.1 1
Navel-Orange 12,5 8,5 2,25 2.0 4.3 1.1 50,4
Pfirsich 9,5 8,4 1,5 2.0 4,8 0,9 56,7
Birne 15,5 9,8 6.2 2,8 0.8 2.1 8.0
Ananas 13,1 9,9 2.1 1.7 6.0 1.1 60.8
Pflaume 11,4 9,9 3.1 5.1 1,6 0,66 16,2
Gemüse
Rüben , rot 9,6 6.8 0,1 0,1 6,5 1.0 96,2
Karotte 9,6 4.7 0,6 0,6 3.6 1.0 77
roter Pfeffer , süß 6.0 4.2 2.3 1,9 0.0 1,2 0.0
Zwiebel , süß 7,6 5.0 2.0 2.3 0,7 0,9 14,3
Süßkartoffel 20,1 4.2 0,7 1.0 2.5 0,9 60,3
Süßkartoffel 27,9 0,5 Spuren Spuren Spuren N / A Spuren
Zuckerrohr 13–18 0,2–1,0 0,2–1,0 11–16 1.0 hoch
Zuckerrübe 17–18 0,1–0,5 0,1–0,5 16–17 1.0 hoch
Getreide
Mais , süß 19,0 6.2 1,9 3.4 0,9 0,61 15.0

^A Der Kohlenhydratwert wird in der USDA-Datenbank berechnet und entspricht nicht immer der Summe aus Zucker, Stärke und "Nahrungsfasern".

Kommerzielle Produktion

Glucose wird industriell aus Stärke durch enzymatische Hydrolyse mit Glucoseamylase oder durch den Einsatz von Säuren hergestellt . Die enzymatische Hydrolyse hat die säurekatalysierte Hydrolyse weitgehend verdrängt. Das Ergebnis ist Glukosesirup (enzymatisch mit über 90 % Glukose in der Trockenmasse) mit einer jährlichen weltweiten Produktionsmenge von 20 Millionen Tonnen (Stand 2011). Dies ist der Grund für die frühere gebräuchliche Bezeichnung „Stärkezucker“. Die Amylasen stammen am häufigsten aus Bacillus licheniformis oder Bacillus subtilis (Stamm MN-385), die thermostabiler sind als die ursprünglich verwendeten Enzyme. Ab 1982 wurden Pullulanasen aus Aspergillus niger bei der Herstellung von Glukosesirup eingesetzt, um Amylopektin in Stärke (Amylose) umzuwandeln und so die Glukoseausbeute zu steigern. Die Reaktion wird bei einem pH = 4,6–5,2 und einer Temperatur von 55–60 °C durchgeführt. Maissirup enthält zwischen 20 und 95 % Glucose in der Trockenmasse. Die japanische Form des Glukosesirups Mizuame wird aus Süßkartoffel- oder Reisstärke hergestellt. Maltodextrin enthält etwa 20 % Glukose.

Viele Pflanzen können als Stärkequelle verwendet werden. Mais , Reis, Weizen , Maniok , Kartoffeln , Gerste , Süßkartoffeln, Maisschalen und Sago werden in verschiedenen Teilen der Welt verwendet. In den Vereinigten Staaten , Maisstärke (aus Mais) wird fast ausschließlich verwendet. Einige handelsübliche Glukose kommt als Bestandteil von Invertzucker vor , einer etwa 1:1-Mischung aus Glukose und Fruktose , die aus Saccharose hergestellt wird. Grundsätzlich könnte Cellulose zu Glucose hydrolysiert werden, jedoch ist dieses Verfahren noch nicht kommerziell praktikabel.

Umstellung auf Fructose

In den USA wird fast ausschließlich Mais (genauer: Maissirup) als Glukosequelle zur Herstellung von Isoglukose verwendet , einer Mischung aus Glukose und Fruktose, da Fruktose eine höhere Süßkraft besitzt — bei gleichem physiologischem Brennwert von 374 Kilokalorien pro 100g. Die Weltjahresproduktion an Isoglukose beträgt 8 Millionen Tonnen (Stand 2011). Wenn es aus Maissirup hergestellt wird, ist das Endprodukt Maissirup mit hohem Fruktosegehalt (HFCS).

Kommerzielle Nutzung

Relative Süße verschiedener Zucker im Vergleich zu Saccharose

Glukose wird hauptsächlich zur Herstellung von Fruktose und bei der Herstellung von Glukose-haltigen Lebensmitteln verwendet. In Lebensmitteln wird es als Süßungsmittel und Feuchthaltemittel verwendet , um das Volumen zu erhöhen und ein weicheres Mundgefühl zu erzeugen . Bei der Herstellung von alkoholischen Getränken werden verschiedene Glukosequellen wie Traubensaft (für Wein) oder Malz (für Bier) zur Vergärung zu Ethanol verwendet . Die meisten Erfrischungsgetränke in den USA verwenden HFCS-55 (mit einem Fructosegehalt von 55% in der Trockenmasse), während die meisten anderen HFCS-gesüßten Lebensmittel in den USA HFCS-42 (mit einem Fructosegehalt von 42% in der Trockenmasse) verwenden ). Im Nachbarland Mexiko hingegen wird in dem Erfrischungsgetränk Rohrzucker als Süßungsmittel verwendet, das eine höhere Süßkraft besitzt. Außerdem wird Glukosesirup unter anderem bei der Herstellung von Süßwaren wie Bonbons , Toffee und Fondant verwendet . Typische chemische Reaktionen von Glucose beim Erhitzen unter wasserfreien Bedingungen sind die Karamellisierung und in Gegenwart von Aminosäuren die Maillard-Reaktion .

Außerdem können aus Glucose verschiedene organische Säuren biotechnologisch hergestellt werden, zum Beispiel durch Fermentation mit Clostridium thermoacetum zur Herstellung von Essigsäure , mit Penicillium notatum zur Herstellung von Araboascorbinsäure , mit Rhizopus delemar zur Herstellung von Fumarsäure , mit Aspergillus niger zur Herstellung von Herstellung von Gluconsäure , mit Candida brumptii zur Herstellung von Isozitronensäure , mit Aspergillus terreus zur Herstellung von Itaconsäure , mit Pseudomonas fluorescens zur Herstellung von 2-Ketogluconsäure , mit Gluconobacter suboxydans zur Herstellung von 5-Ketogluconsäure , mit Aspergillus oryzae zur Herstellung von Kojisäure , mit Lactobacillus delbrueckii zur Herstellung von Milchsäure , mit Lactobacillus brevis zur Herstellung von Äpfelsäure , mit Propionibacter shermanii zur Herstellung von Propionsäure , mit Pseudomonas aeruginosa zur Herstellung von Brenztraubensäure und mit Gluconobacter suboxydans zur Herstellung von Weinstein Säure . Starke, bioaktive Naturstoffe wie Triptolid, die die Transkription von Säugetieren über die Hemmung der XPB-Untereinheit des allgemeinen Transkriptionsfaktors TFIIH hemmen, wurden kürzlich als Glukosekonjugat für das Targeting von hypoxischen Krebszellen mit erhöhter Glukosetransporter-Expression beschrieben.

Analyse

Insbesondere wenn ein Glucosemolekül in einem größeren Moleküle, an einer bestimmten Position erfaßt wird , werden Kernspinresonanzspektroskopie , Röntgenkristallographie - Analyse oder Lektin Immunofärbung mit geführt Concanavalin A Reporter - Enzym - Konjugat (das nur Binds Glucose oder Mannose).

Klassische qualitative Nachweisreaktionen

Diese Reaktionen haben nur historische Bedeutung:

Fehling-Test

Der Fehling-Test ist eine klassische Methode zum Nachweis von Aldosen. Durch Mutarotation liegt Glucose immer in geringem Maße als offenkettiger Aldehyd vor. Durch Zugabe der Fehling-Reagenzien (Fehling (I)-Lösung und Fehling (II)-Lösung) wird die Aldehydgruppe zu einer Carbonsäure oxidiert , während der Cu 2+ -Tartrat-Komplex zu Cu + reduziert wird und einen ziegelroten Niederschlag bildet (Cu 2 Ö).

Tollens-Test

Im Tollens-Test wird nach Zugabe von ammoniakalischem AgNO 3 zur Probelösung Ag + durch Glucose zu elementarem Silber reduziert .

Barfoed-Test

Beim Barfoed-Test wird der Lösung des zu testenden Zuckers eine Lösung aus gelöstem Kupferacetat , Natriumacetat und Essigsäure zugesetzt und anschließend einige Minuten im Wasserbad erhitzt. Glucose und andere Monosaccharide erzeugen schnell eine rötliche Farbe und rotbraunes Kupfer(I)-oxid (Cu 2 O).

Nylanders Test

Als reduzierender Zucker reagiert Glucose im Nylander-Test .

Andere Tests

Beim Erhitzen einer verdünnten Kalilauge mit Glucose auf 100 °C entwickelt sich eine starke Rotbräunung und ein karamellartiger Geruch. Konzentrierte Schwefelsäure löst trockene Glucose auf, ohne bei Raumtemperatur zu schwärzen und bildet Zuckerschwefelsäure. In einer Hefelösung produziert die alkoholische Gärung Kohlendioxid im Verhältnis von 2,0454 Molekülen Glukose zu einem Molekül CO 2 . Glucose bildet mit Zinnchlorid eine schwarze Masse . In einer ammoniakalischen Silberlösung führt Glucose (sowie Lactose und Dextrin) zur Ablagerung von Silber. In einer ammoniakalischen Bleiacetatlösung wird in Gegenwart von Glucose weißes Bleiglycosid gebildet, das beim Kochen weniger löslich wird und braun wird. In einer ammoniakalischen Kupferlösung bildet sich mit Glucose bei Raumtemperatur gelbes Kupferoxidhydrat , während beim Kochen rotes Kupferoxid entsteht (das gleiche bei Dextrin, außer bei einer ammoniakalischen Kupferacetatlösung ). Mit Hager's Reagenz bildet Glucose beim Kochen Quecksilberoxid . Mit einer alkalischen Wismutlösung wird elementares, schwarzbraunes Wismut mit Glucose ausgefällt. In einer Ammoniummolybdatlösung gekochte Glucose färbt die Lösung blau. Eine Lösung mit Indigokarmin und Natriumcarbonat verfärbt sich beim Kochen mit Glucose.

Instrumentelle Quantifizierung

Refraktometrie und Polarimetrie

In konzentrierten Glukoselösungen mit einem geringen Anteil anderer Kohlenhydrate kann deren Konzentration mit einem Polarimeter bestimmt werden. Bei Zuckermischungen kann die Konzentration mit einem Refraktometer bestimmt werden , beispielsweise bei der Oechsle- Bestimmung bei der Weinherstellung.

Photometrische enzymatische Methoden in Lösung

Das Enzym Glucoseoxidase (GOx) wandelt Glucose unter Sauerstoffverbrauch in Gluconsäure und Wasserstoffperoxid um. Ein weiteres Enzym, Peroxidase, katalysiert eine chromogene Reaktion (Trinder-Reaktion) von Phenol mit 4-Aminoantipyrin zu einem violetten Farbstoff.

Photometrisches Teststreifenverfahren

Das Teststreifenverfahren verwendet die oben erwähnte enzymatische Umwandlung von Glucose in Gluconsäure, um Wasserstoffperoxid zu bilden. Die Reagenzien sind auf einer Polymermatrix, dem sogenannten Teststreifen, immobilisiert, der eine mehr oder weniger intensive Farbe annimmt. Diese kann mit Hilfe eines LED-basierten Handphotometers reflektometrisch bei 510 nm gemessen werden. Dies ermöglicht eine routinemäßige Blutzuckerbestimmung durch Laien. Neben der Reaktion von Phenol mit 4-Aminoantipyrin wurden neue chromogene Reaktionen entwickelt, die Photometrie bei höheren Wellenlängen (550 nm, 750 nm) ermöglichen.

Amperometrischer Glukosesensor

Die Elektroanalyse von Glucose basiert ebenfalls auf der oben erwähnten enzymatischen Reaktion. Das erzeugte Wasserstoffperoxid kann durch anodische Oxidation bei einem Potential von 600 mV amperometrisch quantifiziert werden. Das GOx wird auf der Elektrodenoberfläche oder in einer nahe der Elektrode platzierten Membran immobilisiert. In Elektroden werden Edelmetalle wie Platin oder Gold verwendet, aber auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden, die zB mit Bor dotiert sind. Cu-CuO-Nanodrähte werden auch als enzymfreie amperometrische Elektroden verwendet. Auf diese Weise wurde eine Nachweisgrenze von 50 µmol/L erreicht. Eine besonders vielversprechende Methode ist das sogenannte „Enzyme Wiring“. Dabei wird das bei der Oxidation fließende Elektron direkt vom Enzym über einen molekularen Draht auf die Elektrode übertragen.

Andere sensorische Methoden

Es gibt eine Vielzahl anderer chemischer Sensoren zur Messung von Glukose. Aufgrund der Bedeutung der Glukoseanalyse in den Lebenswissenschaften wurden auch für Saccharide zahlreiche optische Sonden auf Basis der Verwendung von Boronsäuren entwickelt, die insbesondere für intrazelluläre sensorische Anwendungen nützlich sind, bei denen andere (optische) Methoden nicht oder nur bedingt einsetzbar sind. Neben den organischen Boronsäure-Derivaten, die oft hochspezifisch an die 1,2-Diol-Gruppen von Zuckern binden, gibt es auch andere nach funktionellen Mechanismen klassifizierte Sondenkonzepte, die selektive Glukose-bindende Proteine ​​(zB Concanavalin A) als Rezeptor verwenden . Darüber hinaus wurden Methoden entwickelt, die die Glucosekonzentration indirekt über die Konzentration von Stoffwechselprodukten, zB durch den Verbrauch von Sauerstoff mit fluoreszenzoptischen Sensoren, detektieren. Schließlich gibt es enzymbasierte Konzepte, die die intrinsische Extinktion oder Fluoreszenz von (fluoreszenzmarkierten) Enzymen als Reporter nutzen.

Kupferjodometrie

Glucose kann durch Kupferjodometrie quantifiziert werden.

Chromatographische Methoden

Insbesondere für die Analyse komplexer glukosehaltiger Gemische, zB in Honig, werden häufig chromatographische Verfahren wie die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und die Gaschromatographie in Kombination mit der Massenspektrometrie eingesetzt . Unter Berücksichtigung der Isotopenverhältnisse lassen sich mit diesen Methoden auch Honigverfälschungen durch zugesetzte Zucker zuverlässig nachweisen. Die Derivatisierung unter Verwendung von Silylierungsreagenzien wird häufig verwendet. Auch die Anteile von Di- und Trisacchariden können quantifiziert werden.

In-vivo-Analyse

Die Glukoseaufnahme in Zellen von Organismen wird mit 2-Desoxy-D-Glukose oder Fluordesoxyglukose gemessen . ( 18 F)Fluordeoxyglucose wird als Tracer in der Positronen-Emissions-Tomographie in der Onkologie und Neurologie eingesetzt und ist dort das mit Abstand am häufigsten verwendete Diagnostikum.

Verweise

Externe Links