Glucose

Glucose (fachsprachlich; Abkürzung: Glc), Glukose oder Glykose (von ‚süß‘,Duden: Glykose, Glukose, fachsprachlich GlucoseThénard, Gay-Lussac, Biot, Dumas: Rapport sur un mémoire de M. Péligiot, intitulé: Recherches sur la nature et les propriétés chimiques des sucres. In: Comptes rendus, 1838, Band 7, S. 106–113. und -ose als Suffix für Zucker) ist ein natürlich vorkommendes Kohlenhydrat. Von den Glucoseenantiomeren ist die D-Glucose die natürliche Form. Sie wird auch als Traubenzucker oder bei Lebensmittelinhaltstoffen als Dextrose (auch Saccharum amylaceumDextropur. In: Münchener Medizinische Wochenschrift. Band 95, Nr. 1, 2. Januar 1953, S. LXXVIII.) bezeichnet und ist das häufigste Monosaccharid (Einfachzucker).Abraham J. Domb, Joseph Kost, David Wiseman: Handbook of Biodegradable Polymers. CRC Press, 1998, ISBN 978-1-4200-4936-7. S. 275. L-Glucose kann synthetisch dargestellt werden, besitzt aber nur geringe Bedeutung (für eine Erklärung der Bezeichnungen „D“ und „L“ siehe Fischer-Projektion). Wenn Glucose ohne weiteren Namenszusatz (Präfix) erwähnt wird, ist D-Glucose gemeint.

Glucose entsteht in Pflanzen und den meisten Algen mit Hilfe der Photosynthese aus Wasser und Kohlenstoffdioxid. In lebenden Organismen ist Glucose die Hauptenergiequelle. Sie wird als polymeres Glucan gespeichert, in menschlichen/tierischen Zellen als Glycogen und in pflanzlichen Zellen als Stärke. Als Baustein der Cellulose ist sie Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände und damit das häufigste Kohlenhydrat.Kenji Kamide: Cellulose and Cellulose Derivatives. Elsevier, 2005, ISBN 978-0-08-045444-3, S. 1. Glucose wird in medizinischen Infusionslösungen verwendet und gilt als unentbehrliches Arzneimittel.

Geschichte Glucose wurde erstmals im Jahr 1747 von Andreas Sigismund Marggraf aus Rosinen isoliert.Benjamin Caballero, Paul Finglas, Fidel Toldrá: Encyclopedia of Food and Health. Academic Press (2016). ISBN 978-0-12-384953-3, Band 3, S. 239, 608.Marggraf: Experiences chimiques faites dans le dessein de tirer un veritable sucre de diverses plantes, qui croissent dans nos contrées. ‚Chemische Experimente mit der Absicht der Extraktion echten Zuckers aus verschiedenen Pflanzen, die in unseren Landen wachsen‘. In: Histoire de l’académie royale des sciences et belles-lettres de Berlin (1747), S. 90: Les raisins secs, etant humectés d’une petite quantité d’eau, de maniere qu’ils mollissent, peuvent alors etre pilés, & le suc qu'on en exprime, etant depuré & épaissi, fournira une espece de Sucre. ‚Rosinen, mit wenig Wasser angefeuchtet, so dass sie aufweichen, können ausgepresst werden, und der ausgepresste Saft, gereinigt und eingedickt, ergibt eine Sorte Zucker.‘ Sie wurde im Jahr 1792 von Johann Tobias Lowitz aus Weintrauben isoliert und als verschieden von Rohrzucker (Saccharose) erkannt.Aaron J. Ihde: The Development of Modern Chemistry. Harper and Row, New York 1964. Glucose ist der von Jean Baptiste Dumas 1838 geprägte Begriff, der sich in der chemischen Literatur durchgesetzt hat. Von Friedrich August Kekulé stammt der Namensvorschlag Dextrose (von lateinisch dexter „rechts“), da D-Glucose in wässriger Lösung die Ebene des linear polarisierten Lichtes nach rechts dreht.John F. Robyt: Essentials of Carbohydrate Chemistry (= Springer Advanced Texts in Chemistry). 1998, ISBN 0-387-94951-8. Im Gegensatz dazu drehen D-Fructose (eine Ketohexose) und L-Glucose linear polarisiertes Licht nach links (lateinisch laevus = links). Die hierauf gründende, frühere d- und l-Nomenklatur wurde zugunsten der D- und L-Schreibweise aufgegeben, die sich auf die absolute Konfiguration desjenigen Asymmetriezentrums bezieht, das von der Carbonylgruppe am weitesten entfernt ist, und das mit der von D- oder L-Glyceraldehyd übereinstimmt.John F. Robyt: Essentials of Carbohydrate Chemistry. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4612-1622-3. S. 7.M. A. Rosanoff: On Fischer’s classification of stereo-isomers. In: Journal of the American Chemical Society. 28, 1906, S. 114, doi:10.1021/ja01967a014.

Die Struktur der Glucose und die Strukturbeziehungen zu den anderen Monosacchariden wurden in den Jahren 1891 bis 1894 von Emil Fischer, der im Jahr 1890 D-Glucose auch synthetisierenPaul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 46. konnte, mit Hilfe der Fischer-Projektion beschrieben und stellten einen Meilenstein der Naturstoffchemie dar, für den er 1902 den Nobelpreis für Chemie erhielt. Seine erstmals gelungene Glucosesynthese bestätigte die Theorien von Jacobus Henricus van ’t Hoff zur tetraedrischen Anordnung von chemischen Bindungen in organischen Kohlenstoffverbindungen und zur chemischen Kinetik.Bert Fraser-Reid: van ’t Hoff’s Glucose. In: Chemical & Engineering News, 1999, Band 77, Heft 39, S. 8; doi:10.1021/cen-v077n039.p008. Die so erhaltenen Erkenntnisse ermöglichten die Einführung einer systematischen Nomenklatur der stereoisomeren Kohlenhydrate unter Verwendung der konventionellen Namen mit Hinweis auf ihre räumliche Symmetrie (z. B. Fischer-Nomenklatur, D/L-Nomenklatur).IUPAC: Nomenclature of Carbohydrates (Recommendations 1996).

Von 1850 bis 1857 führte Claude Bernard Studien über Glykogen und Zuckerbildung in der Leber durch.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 36. Für die Aufklärung des Stoffwechsels der Glucose erhielt Otto Meyerhof 1922 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Hans von Euler-Chelpin erhielt zusammen mit Arthur Harden im Jahr 1929 den Nobelpreis für Chemie für ihre Forschung über die „Zuckervergärung und deren Anteil der Enzyme an diesem Vorgang“. Im Jahr 1947 erhielten Carl und Gerty Cori für ihre Entdeckung der Wiederverwertung der im Muskel durch Glycolyse produzierten Milchsäure für die Gluconeogenese und Glycogensynthese in der Leber sowie Bernardo Houssay für seine Entdeckung der Rolle der Hypophysenhormone im Glucosestoffwechsel den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin. Für die Entdeckung der aus Glucose gebildeten Zucker-Nukleotide bei der Biosynthese von Kohlenhydraten erhielt Luis Leloir im Jahr 1970 den Nobelpreis für Chemie.

Eigenschaften

Glucose liegt in fester Form meist als ein Monohydrat mit geschlossenem Pyranring vor (Hydratdextrose). In wässriger Lösung ist sie dagegen in geringem Umfang offenkettig und liegt überwiegend als α- oder β-Pyranose vor, die durch Mutarotation teilweise ineinander übergehen. Aus wässrigen Lösungen können die drei bekannten Formen kristallisiert werden: α-Glucopyranose, β-Glucopyranose und β-Glucopyranose-Hydrat.Fred W. Schenck: Glucose and Glucose-Containing Syrups. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2006. . Glucose ist ein Baustein der Zweifachzucker Lactose (Milchzucker), Saccharose (Rohr- oder Rübenzucker) und Maltose sowie von Mehrfachzuckern wie Raffinose und Vielfachzuckern wie Stärke und Amylopectin, Glycogen und Cellulose. Die Glasübergangstemperatur von Glucose liegt bei 31 °C und die Gordon-Taylor-Konstante (eine experimentell ermittelte Konstante zur Vorhersage der Glasübergangstemperatur bei verschiedenen Massenanteilen eines Gemischs aus zwei Stoffen)Patrick F. Fox: Advanced Dairy Chemistry Volume 3: Lactose, water, salts and vitamins, Springer, 1992. Band 3, ISBN 978-0-412-63020-0. S. 316. liegt bei 4,5.Benjamin Caballero, Paul Finglas, Fidel Toldrá: Encyclopedia of Food and Health. Academic Press (2016). ISBN 978-0-12-384953-3, Band 1, S. 76.

Vermutlich ist Glucose das häufigste natürliche Monosaccharid, weil sie weniger mit Proteinen per Glykation reagiert als andere Monosaccharide.Jeremy M. Berg: Stryer Biochemie. Springer-Verlag, 2017, ISBN 978-3-662-54620-8, S. 531. Eine andere Hypothese ist, dass bei Glucose in Form der β-D-Glucose als einzige D-Aldohexose alle fünf Hydroxy-Substituenten in äquatorialer Position stehen und damit für chemische Reaktionen leichter zugänglich sind,Reginald H. Garrett: Biochemistry. Cengage Learning, 2012, ISBN 978-1-133-10629-6. S. 194, 199. beispielsweise für eine VeresterungDonald Voet, Judith G. Voet: Biochemistry, 4th Edition. John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0-470-57095-1. S. 363. oder Acetalbildung.Albert L. Lehninger, Biochemistry, 6th printing, Worth Publishers Inc. 1972, ISBN 0-87901-009-6, S. 228. Aus diesem Grund ist D-Glucose auch der stark bevorzugte Baustein in natürlichen Polysacchariden (Glycanen).

Systematik der Glucose Verschiedene Formen und Darstellungen von D-Glucose im Vergleich Haworth-Schreibweise 120pxα-D-Glucofuranose 120pxβ-D-Glucofuranose 100pxα-D-Glucopyranose 100pxβ-D-Glucopyranose α-D-Glucopyranose in (1) Tollens/Fischer- (2) Haworth- (3) Sessel-Darstellung (4) stereochemischer Ansicht 500px

Die oben abgebildete Darstellung der α-D-Glucose als α-D-Glucopyranose, siehe 2, wird dabei deren Haworth-Projektion genannt und der neu gebildete Ring in dieser Darstellung der Einfachheit halber als eben gezeichnet (was zwar nicht der Realität entspricht, für viele Zwecke aber ausreichend ist). Durch den Ringschluss wird das erste C-Atom hierbei zu einem neuen, weiteren Chiralitätszentrum, was zur Folge hat, dass damit ein Paar von Anomeren möglich wird. Anomere sind stereoisomere Zucker, die sich nur in der Konfiguration an ihrem beim Ringschluss neu gebildeten Chiralitätszentrum unterscheiden und damit ein Spezialfall der Epimere sind.

Die Struktur, bei der die neu entstandene OH-Gruppe des Halbacetals in dessen Haworth-Projektion (axial) „nach unten“ weist, wird dabei als α-D-Glucose bezeichnet, die mit der OH-Gruppe (äquatorial) „nach oben“ weisende als β-D-Glucose. Allgemein gilt, dass bei α-anomeren Zuckern die beim Ringschluss neu gebildete OH-Gruppe in der Haworth-Projektion auf der der endständigen CH2OH-Gruppe gegenüberliegenden Seite der Ringebene steht, bei der β-Form dagegen auf derselben. Diese Definition gilt übrigens in gleicher Weise auch für alle weiteren D- und L-Zucker sowie – sofern die endständige CH2OH-Gruppe dabei nicht ebenfalls, wie z. B. bei der Fructopyranose, Teil des Ringschlusses wird – ebenso für Aldosen wie für Ketosen.

Die Fischer-Projektion ist bei den cyclischen Halbacetal-Formen, siehe 1, unübersichtlich. Um die gewinkelte Anordnung der Kohlenstoff-Kette zu verdeutlichen, wird die Sessel-Darstellung 3 gewählt. Auch die Darstellung 4 ist üblich und stereochemisch eindeutig.

Verhalten in wässriger Lösung mini|Verhalten in wässriger Lösung: Schließen des Rings unter Halbacetalbildung. Nicht animierte Version

In wässriger Lösung kann der Ring geöffnet und geschlossen werden, so dass ein Gleichgewicht zwischen Pyranose- (Sechsring mit endozyklischem Sauerstoffatom, 99,75 %), Furanoseform (Fünfring, in Spuren) und offenkettiger Aldehydform (0,25 %) vorliegt. Die Zugabe von Säure 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 %) und Beta-Form (63,9 %) vor.Peter C. Heinrich: Löffler/Petrides Biochemie und Pathobiochemie. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-642-17972-3, S. 27. Das Gleichgewicht liegt, wie an den prozentualen Anteilen zu erkennen ist, auf der Seite der β-D-Glucose. Sie ist das stabilere Anomer, da alle Hydroxygruppen in der Sesselkonformation äquatorial angeordnet sind und somit den größtmöglichen Abstand voneinander haben. Dass trotz seiner axialen OH-Gruppe das α-Anomer noch zu 36 % vorliegt, deutet auf weitere Einflüsse hin (anomerer Effekt). Ohne den anomeren Effekt ergäbe sich ein Verhältnis von 11 % α-Form zu 89 % β-Form.Eusebio Juaristi, Gabriel Cuevas: The Anomeric Effect CRC Press, 1995, ISBN 0-8493-8941-0. S. 9–10.

Mutarotation