Глюкоза

г -Глюкоза

Скелетная формула d -глюкоза
Проекция Хаворта α- d -глюкопираноза
Фишера Проекция d -глюкоза
Имена
Произношение	/ ˈ ɡ l uː k oʊ z / , / ɡ l uː k oʊ s /
Название ИЮПАК Разрешенные тривиальные имена: ᴅ-Глюкоза ᴅ- глюко -гексоза
Предпочтительное название ИЮПАК ПИН-коды не идентифицируются для натуральных продуктов.
Систематическое название ИЮПАК (2R , 3S , 4R , 5R ) -2,3,4,5,6-Пентагидроксигексаналь (линейная форма) ( 3R , 4S , 5S ,6R ) -6-(гидроксиметил)оксан-2,3,4,5-тетрол (циклическая форма)
Другие имена Сахар в крови Декстроза Кукурузный сахар г -Глюкоза Виноградный сахар
Идентификаторы
Номер CAS	50-99-7  И 492-62-6 (а- d -глюкопираноза)  И
3D model ( JSmol )	а- d -глюкопираноза: интерактивное изображение б- d -глюкопираноза: интерактивное изображение
3DMeet	B01203
Сокращения	Глк
Справочник Байльштейна	1281604
ЧЭБИ	ЧЕБИ:4167  И
ЧЕМБЛ	ХЕМБЛ1222250  И
ХимическийПаук	5589  И
Номер ЕС	200-075-1
Справочник Гмелина	83256
ИЮФАР/БПС	4536
КЕГГ	C00031  И
МеШ	Глюкоза
ПабХим CID	5793
номер РТЭКС	LZ6600000
НЕКОТОРЫЙ	5SL0G7R0ОК  И 5J5I9EB41E (α- d -глюкопираноза)  И
показывать ИнЧИ 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 Y Key: WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Y
показывать УЛЫБКИ α-d-glucopyranose: C([C@@H]1[C@H]([C@@H]([C@H]([C@H](O1)O)O)O)O)O β-d-glucopyranose: OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O
Характеристики
Химическая формула	С 6 Н 12 О 6
Молярная масса	180.156  g/mol
Появление	Белый порошок
Плотность	1,54 г/см 3
Температура плавления	а- d -Глюкоза: 146 °C (295 °F; 419 К) β- d -Глюкоза: 150 °C (302 °F; 423 К)
Растворимость в воде	909 г/л (25 °C (77 °F))
Магнитная восприимчивость (χ)	−101.5×10 −6 см 3 /моль
Дипольный момент	10.5674
Термохимия
Теплоемкость ( С )	218,6 Дж/(К·моль)
Стандартный моляр энтропия ( S ⦵ 298 )	209,2 Дж/(К·моль)
Стандартная энтальпия образование (Δ f H ⦵ 298 )	−1271 кДж/моль
Теплота сгорания, высшее значение (HHV)	2805 кДж/моль (670 ккал/моль)
Фармакология
код АТС	B05CX01 ( ВОЗ ) V04CA02 ( ВОЗ ), V06DC01 ( ВОЗ )
Опасности
NFPA 704 (огненный алмаз)	0 1 0
Паспорт безопасности (SDS)	КМГС 08655
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Y   проверить ( что такое  И Н  ?) Ссылки на инфобоксы

Глюкоза – это сахар с молекулярной формулой С ₆ Н ₁₂ О ₆ . Глюкоза в целом является наиболее распространенным моносахаридом . подкатегория углеводов . Глюкоза в основном вырабатывается растениями и большинством водорослей в ходе фотосинтеза из воды и углекислого газа с использованием энергии солнечного света. Глюкоза используется растениями для производства целлюлозы — самого распространенного углевода в мире — для использования в клеточных стенках , а также всеми живыми организмами для производства аденозинтрифосфата (АТФ), который используется клеткой в ​​качестве энергии.

В энергетическом обмене глюкоза является важнейшим источником энергии во всех организмах . Глюкоза для метаболизма запасается в виде полимера , у растений главным образом в виде крахмала и амилопектина , а у животных - в виде гликогена . Глюкоза циркулирует в крови животных в виде сахара в крови . Природной формой глюкозы является d -глюкоза, а ее стереоизомер L -глюкоза производится синтетическим путем в сравнительно небольших количествах и менее биологически активна. Глюкоза представляет собой моносахарид, содержащий шесть атомов углерода и альдегидную группу, и, следовательно, является альдогексозой . Молекула глюкозы может существовать как в открытой (ациклической), так и в кольцевой (циклической) форме. Глюкоза встречается в природе и в свободном состоянии содержится во фруктах и ​​других частях растений. У животных глюкоза высвобождается в результате распада гликогена в процессе, известном как гликогенолиз .

Глюкоза в виде раствора сахара для внутривенного введения включена в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения . Он также находится в списке в сочетании с хлоридом натрия (поваренной солью).

Название глюкозы происходит от древнегреческого γλεῦκος ( gleûkos ) «вино, сусло», от γλυκύς ( glykýs ) «сладкое». Суффикс -оза представляет собой химический классификатор, обозначающий сахар.

История

Глюкозу впервые выделил из изюма в 1747 году немецкий химик Андреас Маргграф . Глюкоза была обнаружена в винограде другим немецким химиком — Иоганном Тобиасом Ловицем — в 1792 году и отличалась от тростникового сахара ( сахарозы ). Глюкоза — термин, введенный Жаном Батистом Дюма в 1838 году и преобладающий в химической литературе. Фридрих Август Кекуле предложил термин декстроза (от латинского dexter , что означает «правый»), поскольку в водном растворе глюкозы плоскость линейно поляризованного света повернута вправо. Напротив, l-фруктоза (обычно называемая d -фруктоза) (кетогексоза) и l-глюкоза ( l -глюкоза) поворачивают линейно поляризованный свет влево. От прежних обозначений вращения плоскости линейно поляризованного света ( d и l -номенклатура) позже отказались в пользу д - и l -обозначение , которое относится к абсолютной конфигурации асимметричного центра, наиболее удаленного от карбонильной группы, и в соответствии с конфигурацией д - или л -глицеральдегид.

Поскольку глюкоза является основной потребностью многих организмов, правильное понимание ее химического состава и структуры во многом способствовало общему прогрессу органической химии . Это понимание возникло во многом в результате исследований Эмиля Фишера , немецкого химика, получившего Нобелевскую премию по химии 1902 года за свои открытия. Синтез глюкозы установил структуру органического материала и, следовательно, стал первым окончательным подтверждением теорий Якобуса Хенрикуса ван 'т Хоффа о химической кинетике и расположении химических связей в углеродсодержащих молекулах. Между 1891 и 1894 годами Фишер установил стереохимическую конфигурацию всех известных сахаров и правильно предсказал возможные изомеры , применив теорию Вант-Гоффа об асимметричных атомах углерода. Названия изначально относились к природным веществам. Их энантиомерам были присвоены одинаковые названия с введением систематических номенклатур, учитывающих абсолютную стереохимию (например, номенклатура Фишера, д / номенклатура ).

За открытие метаболизма глюкозы Отто Мейергоф получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1922 году. Ганс фон Эйлер-Хельпин был удостоен Нобелевской премии по химии вместе с Артуром Харденом в 1929 году за «исследование ферментации сахара и доли ферментов в этом процессе». В 1947 году Бернардо Уссей (за открытие роли гипофиза в метаболизме глюкозы и производных углеводов), а также Карл и Герти Кори (за открытие превращения гликогена из глюкозы) получили Нобелевскую премию. Физиология или медицина. В 1970 году Луис Лелуар был удостоен Нобелевской премии по химии за открытие сахарных нуклеотидов, производных глюкозы, в биосинтезе углеводов.

Химические и физические свойства

Глюкоза образует белые или бесцветные твердые вещества, хорошо растворимые в воде и уксусной кислоте, но плохо растворимые в метаноле и этаноле . Они плавятся при 146 °C (295 °F) ( α ) и 150 °C (302 °F) ( бета ), разлагаются , начиная с 188 °C (370 °F) с выделением различных летучих продуктов, в конечном итоге оставляя остаток углерод . Глюкоза имеет значение pKa 12,16 при температуре 25 ° C (77 ° F) в воде.

Имея шесть атомов углерода, он классифицируется как гексоза , подкатегория моносахаридов . d -Глюкоза — один из шестнадцати альдогексозы стереоизомеров . д - изомер , d -глюкоза, также известная как декстроза, широко встречается в природе, но l -изомер, л -глюкоза , нет. Глюкозу можно получить гидролизом углеводов, таких как молочный сахар ( лактоза ), тростниковый сахар (сахароза), мальтоза , целлюлоза , гликоген и т. д. Декстроза обычно коммерчески производится из крахмалов , таких как кукурузный крахмал в США и Японии, из картофеля. и пшеничный крахмал в Европе, а также крахмал тапиоки в тропических регионах. В производственном процессе используется гидролиз посредством обработки паром под давлением при контролируемом pH в струе с последующей ферментативной деполимеризацией. Несвязанная глюкоза является одним из основных ингредиентов меда .

Термин «декстроза» часто используется в клиническом (связанном с состоянием здоровья пациента) или пищевом контексте (связанном с приемом пищи, например, на этикетках пищевых продуктов или в диетических руководствах), тогда как «глюкоза» используется в биологическом или физиологическом контексте (химические процессы и диетические рекомендации). молекулярные взаимодействия), но оба термина относятся к одной и той же молекуле, а именно к D-глюкозе.

Моногидрат декстрозы представляет собой гидратированную форму D-глюкозы, то есть представляет собой молекулу глюкозы с присоединенной дополнительной молекулой воды. Его химическая формула С ₆ Н ₁₂ О ₆ · Н ₂ О. ​ Моногидрат декстрозы также называется гидратированной D-глюкозой и обычно производится из растительных крахмалов. Моногидрат декстрозы используется в качестве преобладающего типа декстрозы в пищевых продуктах, таких как смеси для напитков, — это распространенная форма глюкозы, широко используемая в качестве пищевой добавки при производстве пищевых продуктов. Моногидрат декстрозы в основном потребляется в Северной Америке в виде кукурузного сиропа или кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы .

С другой стороны, безводная декстроза представляет собой глюкозу, к которой не присоединены молекулы воды. Безводные химические вещества обычно производятся путем удаления воды из гидратированного вещества с помощью таких методов, как нагревание или сушка (высушивание). Моногидрат декстрозы можно дегидратировать до безводной декстрозы в промышленных условиях. Моногидрат декстрозы состоит примерно из 9,5% воды по массе; в процессе обезвоживания эта вода удаляется с образованием безводной (сухой) декстрозы.

Безводная декстроза имеет химическую формулу C ₆ H ₁₂ O ₆ , без присоединенной молекулы воды, что аналогично глюкозе. Безводная декстроза на открытом воздухе имеет тенденцию поглощать влагу и превращаться в моногидрат, и ее производство обходится дороже. Безводная декстроза (безводная D-глюкоза) обладает повышенной стабильностью и увеличенным сроком хранения. имеет медицинское применение, например, в пероральном тесте на толерантность к глюкозе (OGTT).

Тогда как молекулярная масса (молярная масса) моногидрата D-глюкозы составляет 198,17 г/моль, что для безводной D-глюкозы составляет 180,16 г/моль. Плотность этих двух форм глюкозы также различна.

По химической структуре глюкоза представляет собой моносахарид , то есть простой сахар. Глюкоза содержит шесть атомов углерода и альдегидную группу и, следовательно, является альдогексозой . Молекула глюкозы может существовать как в форме с открытой цепью (ациклической), так и в кольцевой (циклической) форме — из-за присутствия спиртовых и альдегидных или кетоновых форму, подобную стулу. функциональных групп форма с прямой цепью может легко превращаться в полуацетальную кольцевая структура, обычно встречающаяся в углеводах.

Структура и номенклатура

См. Также: Мутаротация

Мутаротация глюкозы

Глюкоза присутствует в твердой форме в виде моногидрата с замкнутым пирановым кольцом (моногидрат α-глюкопиранозы, иногда менее точно известный как гидрат декстрозы). С другой стороны, в водном растворе он в небольшой степени имеет открытую цепь и присутствует преимущественно в виде α- или β- пиранозы , которые взаимно превращаются. Из водных растворов можно кристаллизовать три известные формы: α-глюкопиранозу, β-глюкопиранозу и моногидрат α-глюкопиранозы. Глюкоза является строительным блоком дисахаридов лактозы и сахарозы (тростниковый или свекловичный сахар), олигосахаридов, таких как рафиноза , и полисахаридов, таких как крахмал , амилопектин , гликоген и целлюлоза . Температура стеклования глюкозы составляет 31 ° C (88 ° F), а константа Гордона – Тейлора (экспериментально определенная константа для прогнозирования температуры стеклования для разных массовых долей смеси двух веществ) составляет 4,5.

Формы и проекции d -глюкоза в сравнении
Проекция Натта	Проекция Хауорта
	а- d -глюкофураноза	б- d -глюкофураноза
	а- d -глюкопираноза	б- d -глюкопираноза
а- d -глюкопираноза в (1) Толленсе/Фишере (2) проекции Хауорта (3) конформации стула (4) проекции Миллса

Открытая форма цепи

Глюкоза может существовать как в линейной, так и в кольцевой форме.

Форма глюкозы с открытой цепью составляет менее 0,02% молекул глюкозы в водном растворе в равновесии. Остальное представляет собой одну из двух циклических полуацетальных форм. В своей форме с открытой цепью молекула глюкозы имеет открытую (в отличие от циклической ) неразветвленную основную цепь из шести атомов углерода, где C-1 является частью альдегидной группы. Н(С=О)- . Поэтому глюкозу также классифицируют как альдозу или альдогексозу . Альдегидная группа делает глюкозу редуцирующим сахаром, что дает положительную реакцию в тесте Фелинга .

Циклические формы

Циклические формы глюкозы

Слева направо: проекции Хаворта и шаростержневые структуры α- и β- аномеров - глюкопиранозы D (верхний ряд) и D -глюкофуранозы (нижний ряд).

В растворах форма глюкозы с открытой цепью (либо « D- », либо « L- ») существует в равновесии с несколькими циклическими изомерами , каждый из которых содержит кольцо атомов углерода, замкнутое одним атомом кислорода. Однако в водном растворе более 99% молекул глюкозы существуют в форме пиранозы . Форма с открытой цепью ограничена примерно 0,25%, а формы фуранозы существуют в незначительных количествах. Термины «глюкоза» и « D -глюкоза» обычно также используются для этих циклических форм. Кольцо возникает из формы с открытой цепью в результате внутримолекулярной реакции нуклеофильного присоединения между альдегидной группой (при C-1) и гидроксильной группой C-4 или C-5, образуя полуацетальную связь. -C(OH)H-O- .

Реакция между C-1 и C-5 дает шестичленную гетероциклическую систему, называемую пиранозой, которая представляет собой моносахаридный сахар (отсюда и «-оза»), содержащий производное пиранового скелета. (Намного более редкая) реакция между C-1 и C-4 дает пятичленное фуранозное кольцо, названное в честь циклического эфира фурана . В любом случае к каждому углероду в кольце присоединен один водород и один гидроксил, за исключением последнего углерода (C-4 или C-5), где гидроксил заменен остатком открытой молекулы (который является −(C(CH ₂ OH)HOH)−H или −(CHOH)−H соответственно).

Реакция замыкания цикла может дать два продукта, обозначенных «α-» и «β-». Когда молекулу глюкопиранозы рисуют в проекции Хаворта , обозначение «α-» означает, что гидроксильная группа присоединена к С-1, а Группа −CH ₂ OH при C-5 лежит на противоположных сторонах плоскости кольца ( транс -расположение), а «β-» означает, что они находятся на одной стороне плоскости ( цис -расположение). Следовательно, изомер D- глюкозы с открытой цепью дает четыре различных циклических изомера: α- D -глюкопиранозу, β- D -глюкопиранозу, α- D -глюкофуранозу и β- D -глюкофуранозу. Эти пять структур существуют в равновесии и взаимопревращаются, причем взаимное превращение происходит гораздо быстрее при кислотном катализе .

Widely proposed arrow-pushing mechanism for acid-catalyzed dynamic equilibrium between the α- and β- anomers of D-glucopyranose

Конформации стула α- (слева) и β- (справа) D -глюкопиранозы

Другой изомер L -глюкозы с открытой цепью аналогичным образом дает начало четырем различным циклическим формам L -глюкозы, каждая из которых является зеркальным отражением соответствующей D -глюкозы.

Глюкопиранозное кольцо (α или β) может принимать несколько неплоских форм, аналогичных конформациям «кресло» и «лодочка» циклогексана . Точно так же глюкофуранозное кольцо может принимать несколько форм, аналогичных конформациям «конверта» циклопентана .

В твердом состоянии наблюдаются только формы глюкопиранозы.

Некоторые производные глюкофуранозы, такие как 1,2 -O -изопропилиден- D -глюкофураноза, стабильны и могут быть получены в чистом виде в виде кристаллических твердых веществ. Например, реакция α-D-глюкозы с пара -толилбороновой кислотой. H ₃ C-(C ₆ H ₄ )-B(OH) ₂ преобразует нормальное пиранозное кольцо с образованием 4-кратного сложного эфира α-D-глюкофуранозо-1,2:3,5-бис( п -толилборонат).

Мутаротация

Мутаротация: Молекулы d -глюкозы существуют в виде циклических полуацеталей, которые являются эпимерными (= диастереомерными) друг к другу. Эпимерное соотношение α:β составляет 36:64. В α-D-глюкопиранозе (слева) гидроксигруппа, помеченная синим цветом, находится в аксиальном положении в аномерном центре, тогда как в β-D-глюкопиранозе (справа) гидроксигруппа, помеченная синим цветом, находится в экваториальном положении в аномерном центре. аномерный центр.

Мутаротация состоит из временного изменения направления реакции образования кольца, что приводит к образованию открытой цепи с последующим реформированием кольца. Этап замыкания кольца может использовать другой -OH- группа, чем та, которая воссоздана на стадии открытия (таким образом переключаясь между формами пиранозы и фуранозы), или новая полуацетальная группа, созданная на C-1, может иметь ту же или противоположную направленность, что и исходная (таким образом, переключаясь между α и β формы). Таким образом, хотя форма с открытой цепью едва обнаруживается в растворе, она является важным компонентом равновесия.

Форма с открытой цепью термодинамически нестабильна и спонтанно изомеризуется в циклические формы. (Хотя реакция замыкания кольца теоретически может создавать четырех- или трехатомные кольца, они будут сильно напряжены и не наблюдаются на практике.) В растворах при комнатной температуре четыре циклических изомера взаимопревращаются в течение часов, в процессе, называемом мутаротацией . Начиная с любых пропорций, смесь сходится к стабильному соотношению α:β 36:64. Соотношение α:β было бы 11:89, если бы не влияние аномерного эффекта . Мутаротация происходит значительно медленнее при температуре, близкой к 0 ° C (32 ° F).

Оптическая активность

Будь то вода или твердая форма, d -(+)-глюкоза правовращающая , то есть она будет вращать направление поляризованного света по часовой стрелке, если смотреть в сторону источника света. Эффект обусловлен хиральностью молекул, да и вообще зеркальным изомером, l -(-)-глюкоза обладает левовращающим действием (вращает поляризованный свет против часовой стрелки) на такую ​​же величину. Сила эффекта различна для каждого из пяти таутомеров .

Обратите внимание, что г – приставка не относится непосредственно к оптическим свойствам соединения. Это указывает на то, что хиральный центр С-5 имеет ту же направленность, что и d -глицеральдегид (который был назван так, потому что он правовращающий). Тот факт, что d -глюкоза имеет правовращающее действие – это комбинированный эффект ее четырех хиральных центров, а не только C-5; и вообще некоторые другие d- альдогексозы обладают левовращающими свойствами.

Превращение между двумя аномерами можно наблюдать в поляриметре, поскольку чистый α- d -глюкоза имеет удельный угол вращения +112,2° мл/(дм·г), чистая β- г - глюкоза +17,5° мл/(дм·г). Когда равновесие достигается через определенное время за счет мутаротации, угол поворота составляет +52,7° мл/(дм·г). При добавлении кислоты или основания это превращение значительно ускоряется. Уравновешивание происходит через альдегидную форму с открытой цепью.

изомеризация

В разбавленном гидроксиде натрия или других разбавленных основаниях моносахариды манноза , глюкоза и фруктоза взаимно превращаются (посредством превращения Лобри де Брюйна-Альберды-Ван Экенштейна ), так что формируется баланс между этими изомерами. Эта реакция протекает через эндиол :

Биохимические свойства

showМетаболизм обычных моносахаридов и некоторые биохимические реакции глюкозы.

Глюкоза – самый распространенный моносахарид. Глюкоза также является наиболее широко используемой альдогексозой в большинстве живых организмов. Одним из возможных объяснений этого является то, что глюкоза имеет меньшую склонность, чем другие альдогексозы, к неспецифической реакции аминогруппами белков с . Эта реакция — гликирование — нарушает или разрушает функцию многих белков. например, в гликированном гемоглобине . Низкую скорость гликирования глюкозы можно объяснить тем, что она имеет более стабильную циклическую форму по сравнению с другими альдогексозами, что означает, что она тратит меньше времени, чем в ее реакционноспособной форме с открытой цепью . Причина того, что глюкоза имеет наиболее стабильную циклическую форму из всех альдогексоз, заключается в том, что ее гидроксильные группы (за исключением гидроксигруппы на аномерном углероде d -глюкоза) находятся в экваториальном положении . Предположительно, глюкоза является наиболее распространенным природным моносахаридом, поскольку она менее гликируется с белками, чем другие моносахариды. Другая гипотеза состоит в том, что глюкоза, будучи единственной d -альдогексоза, имеющая все пять гидроксизаместителей в экваториальном положении в форме β- d -глюкоза более доступна для химических реакций, например, для этерификации или образование ацеталя . По этой причине, d -глюкоза также является весьма предпочтительным строительным блоком природных полисахаридов (гликанов). Полисахариды, состоящие исключительно из глюкозы, называются глюканами .

Глюкоза вырабатывается растениями путем фотосинтеза с использованием солнечного света. вода и углекислый газ и могут использоваться всеми живыми организмами в качестве источника энергии и углерода. Однако большая часть глюкозы встречается не в свободной форме, а в виде ее полимеров, т.е. лактозы, сахарозы, крахмала и других, которые являются запасными энергетическими веществами, а также целлюлозы и хитина , которые являются компонентами клеточной стенки растений или грибов. и членистоногих соответственно. Эти полимеры, потребляемые животными, грибами и бактериями, разлагаются до глюкозы с помощью ферментов. Все животные также способны сами производить глюкозу из определенных предшественников по мере возникновения необходимости. Нейроны , клетки мозгового слоя почек и эритроциты зависят от глюкозы для производства энергии. У взрослого человека содержится около 18 г (0,63 унции) глюкозы, из них около 4 г (0,14 унции) присутствует в крови. Примерно 180–220 г (6,3–7,8 унций) глюкозы вырабатывается в печени взрослого человека за 24 часа.

Многие из долгосрочных осложнений диабета (например, слепота , почечная недостаточность и периферическая нейропатия ), вероятно, обусловлены гликированием белков или липидов . Напротив, регулируемое ферментами добавление сахаров к белку называется гликозилированием и имеет важное значение для функционирования многих белков.

Поглощение

Поступившая в организм глюкоза первоначально связывается с рецептором сладкого вкуса на языке человека. Этот комплекс белков T1R2 и T1R3 позволяет идентифицировать глюкозосодержащие источники пищи. Глюкоза в основном поступает с пищей — около 300 г (11 унций) в день производится путем переработки пищи. но он также синтезируется из других метаболитов в клетках организма. У человека расщепление глюкозосодержащих полисахаридов происходит частично уже во время жевания посредством амилазы , содержащейся в слюне , а также мальтазы , лактазы и сахаразы на щеточной кайме тонкой кишки . Глюкоза является строительным материалом многих углеводов и может быть отделена от них с помощью определенных ферментов. Глюкозидазы , подгруппа гликозидаз, сначала катализируют гидролиз длинноцепочечных глюкозосодержащих полисахаридов, удаляя концевую глюкозу. В свою очередь, дисахариды преимущественно расщепляются специфическими гликозидазами до глюкозы. Названия разлагающих ферментов часто происходят от конкретных поли- и дисахаридов; в частности, для деградации полисахаридных цепей используются амилазы (названные в честь амилозы, компонента крахмала), целлюлазы (названные в честь целлюлозы), хитиназы (названные в честь хитина) и другие. Кроме того, для расщепления дисахаридов используются мальтаза, лактаза, сахараза, трегалаза и другие. У человека известно около 70 генов, кодирующих гликозидазы. Они участвуют в переваривании и расщеплении гликогена, сфинголипидов , мукополисахаридов и поли( АДФ-рибозы ). Люди не производят целлюлазы, хитиназы или трегалазы, но это делают бактерии в микробиоте кишечника .

Чтобы проникнуть в клеточные мембраны клеток и мембраны клеточных компартментов или выйти из них, глюкозе необходимы специальные транспортные белки из суперсемейства основных фасилитаторов . В тонком кишечнике (точнее, в тощей кишке ), Глюкоза попадает в эпителий кишечника с помощью транспортеров глюкозы. посредством вторичного активного механизма транспорта ионов натрия и глюкозы , называемого симпортом через котранспортер натрия/глюкозы 1 (SGLT1). Дальнейший перенос происходит на базолатеральной стороне эпителиальных клеток кишечника через транспортер глюкозы GLUT2 . а также поглощение клетками печени , клетками почек, клетками островков Лангерганса , нейронами , астроцитами и таницитами . Глюкоза поступает в печень через воротную вену и сохраняется там в виде клеточного гликогена. В клетке печени он фосфорилируется глюкокиназой в положении 6 с образованием глюкозо-6-фосфата , который не может покинуть клетку. Глюкозо-6-фосфатаза может превращать глюкозо-6-фосфат обратно в глюкозу исключительно в печени, поэтому организм может поддерживать достаточную концентрацию глюкозы в крови. В других клетках поглощение происходит путем пассивного транспорта через один из 14 белков GLUT. В других типах клеток фосфорилирование происходит посредством гексокиназы , после чего глюкоза больше не может диффундировать из клетки.

Транспортер глюкозы GLUT1 вырабатывается большинством типов клеток и имеет особое значение для нервных клеток и β-клеток поджелудочной железы . GLUT3 высоко экспрессируется в нервных клетках. Глюкоза из кровотока поглощается GLUT4 из мышечных клеток ( скелетных мышц). и сердечная мышца ) и жировые клетки . GLUT14 экспрессируется исключительно в яичках . Избыточная глюкоза расщепляется и превращается в жирные кислоты, которые сохраняются в виде триглицеридов . В почках глюкоза в моче абсорбируется через SGLT1 и SGLT2 в апикальных клеточных мембранах и передается через GLUT2 в базолатеральных клеточных мембранах. Около 90% реабсорбции глюкозы в почках происходит через SGLT2 и около 3% через SGLT1.

Биосинтез

Основные статьи: глюконеогенез и гликогенолиз

У растений и некоторых прокариот глюкоза — продукт фотосинтеза . Глюкоза также образуется в результате распада полимерных форм глюкозы, таких как гликоген (у животных и грибов ) или крахмал (у растений). Расщепление гликогена называется гликогенолизом, расщепление крахмала — деградацией крахмала.

Метаболический путь, который начинается с молекул, содержащих от двух до четырех атомов углерода (С), и заканчивается молекулой глюкозы, содержащей шесть атомов углерода, называется глюконеогенезом и встречается во всех живых организмах. Меньшие исходные материалы являются результатом других метаболических путей. В конечном счете почти все биомолекулы образуются в результате ассимиляции углекислого газа растениями и микробами в ходе фотосинтеза. Свободная энергия образования α- d -глюкоза составляет 917,2 килоджоуля на моль. У человека глюконеогенез происходит в печени и почках. но и в других типах клеток. В печени хранится около 150 г (5,3 унции) гликогена, в скелетных мышцах — около 250 г (8,8 унции). Однако глюкоза, высвобождаемая в мышечных клетках при расщеплении гликогена, не может быть доставлена ​​в кровоток, поскольку глюкоза фосфорилируется гексокиназой, а глюкозо-6-фосфатаза не экспрессируется для удаления фосфатной группы. нет транспортного белка В отличие от глюкозы, для глюкозо-6-фосфата . Глюконеогенез позволяет организму накапливать глюкозу из других метаболитов, включая лактат или определенные аминокислоты , потребляя при этом энергию. Клетки почечных канальцев также могут производить глюкозу.

Глюкозу также можно найти вне живых организмов в окружающей среде. Концентрация глюкозы в атмосфере определяется путем сбора проб с самолета и, как известно, варьируется от места к месту. Например, концентрации глюкозы в атмосферном воздухе внутреннего Китая колеблются от 0,8 до 20,1 пг/л, тогда как концентрации глюкозы в восточном прибрежном Китае колеблются от 10,3 до 142 пг/л.

Деградация глюкозы

Обмен глюкозы и различные его формы в процессе.

Глюкозосодержащие соединения и изомерные формы перевариваются и усваиваются организмом в кишечнике, включая крахмал , гликоген , дисахариды и моносахариды .

Глюкоза хранится в основном в печени и мышцах в виде гликогена. Распределяется и используется в тканях в виде свободной глюкозы.

Основные статьи: Гликолиз и пентозофосфатный путь

У человека глюкоза метаболизируется путем гликолиза. и пентозофосфатный путь. Гликолиз используется всеми живыми организмами, с небольшими вариациями, и все организмы генерируют энергию за счет распада моносахаридов. В дальнейшем ходе метаболизма он может полностью разлагаться посредством окислительного декарбоксилирования , цикла лимонной кислоты (синоним цикл Кребса ) и дыхательной цепи до воды и углекислого газа. Если для этого недостаточно кислорода, разложение глюкозы у животных происходит анаэробно до лактата посредством ферментации молочной кислоты и высвобождается гораздо меньше энергии. Мышечный лактат попадает в печень через кровоток у млекопитающих, где происходит глюконеогенез ( цикл Кори ). При высоком запасе глюкозы метаболит ацетил-КоА из цикла Кребса также может использоваться для синтеза жирных кислот . Глюкоза также используется для пополнения запасов гликогена в организме, который в основном содержится в печени и скелетных мышцах. Эти процессы регулируются гормонально .

У других живых организмов могут возникать и другие формы ферментации. Бактерия Escherichia coli может расти на питательных средах, содержащих глюкозу в качестве единственного источника углерода. У некоторых бактерий, а в модифицированной форме также у архей, глюкоза расщепляется по пути Энтнера-Дудорова . был обнаружен механизм регуляции генов Что касается глюкозы, то в E. coli — катаболитная репрессия (ранее известная как эффект глюкозы ).

Использование глюкозы в качестве источника энергии в клетках осуществляется посредством аэробного дыхания, анаэробного дыхания или ферментации. Первым этапом гликолиза является фосфорилирование глюкозы гексокиназой с образованием глюкозо-6-фосфата . Основная причина немедленного фосфорилирования глюкозы заключается в предотвращении ее диффузии из клетки, поскольку заряженная фосфатная группа предотвращает легкое прохождение глюкозо-6-фосфата через клеточную мембрану . Кроме того, добавление высокоэнергетической фосфатной группы активирует глюкозу для последующего расщепления на более поздних стадиях гликолиза.

При анаэробном дыхании одна молекула глюкозы дает чистый прирост в размере двух молекул АТФ (четыре молекулы АТФ образуются во время гликолиза посредством фосфорилирования на уровне субстрата, но две требуются ферментам, используемым в этом процессе). При аэробном дыхании молекула глюкозы гораздо более выгодна, поскольку генерируется максимальная чистая продукция 30 или 32 молекул АТФ (в зависимости от организма).

Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям.

[[Файл:

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

[[

]]

|alt=Гликолиз и глюконеогенез редактировать ]]

Гликолиз и глюконеогенез

Опухолевые клетки часто растут сравнительно быстро и потребляют количество глюкозы, превышающее среднее, путем гликолиза. что приводит к образованию лактата, конечного продукта брожения у млекопитающих, даже в присутствии кислорода. Это называется эффектом Варбурга . Для повышенного поглощения глюкозы опухолями чрезмерно вырабатываются различные SGLT и GLUT.

В дрожжах этанол ферментируется при высоких концентрациях глюкозы, даже в присутствии кислорода (что обычно приводит к дыханию, а не к брожению). Это называется эффектом Крэбтри .

Глюкоза также может разлагаться с образованием углекислого газа абиотическим путем. Экспериментально было показано, что это происходит посредством окисления и гидролиза при 22 ° C и pH 2,5.

Источник энергии

Диаграмма, показывающая возможные промежуточные продукты распада глюкозы; Метаболические пути оранжевый: гликолиз, зеленый: путь Энтнера-Дудорова, фосфорилирование, желтый: путь Энтнера-Дудорова, нефосфорилирование

Глюкоза – повсеместное топливо в биологии . Он используется в качестве источника энергии в организмах, от бактерий до человека, посредством аэробного дыхания , анаэробного дыхания (у бактерий) или ферментации . Глюкоза является ключевым источником энергии человеческого организма посредством аэробного дыхания, обеспечивая около 3,75 килокалорий (16 килоджоулей ) пищевой энергии на грамм. Расщепление углеводов (например, крахмала) приводит к образованию моно- и дисахаридов , большую часть которых составляет глюкоза. В результате гликолиза , а затем в реакциях цикла лимонной кислоты и окислительного фосфорилирования глюкоза окисляется с образованием углекислого газа и воды, выделяя энергию главным образом в форме аденозинтрифосфата (АТФ). Реакция инсулина и другие механизмы регулируют концентрацию глюкозы в крови. Физиологическая калорийность глюкозы в зависимости от источника составляет 16,2 килоджоуля на грамм. или 15,7 кДж/г (3,74 ккал/г). Высокая доступность углеводов из растительной биомассы привела к появлению в ходе эволюции, особенно у микроорганизмов, различных методов использования глюкозы для получения энергии и хранения углерода. Существуют различия, при которых конечный продукт больше не может использоваться для производства энергии. Наличие отдельных генов и их генных продуктов, ферментов, определяет, какие реакции возможны. Метаболический путь гликолиза используется практически всеми живыми существами. Существенным отличием использования гликолиза является восстановление НАДФН в качестве восстановителя анаболизма , который в противном случае пришлось бы генерировать косвенно.

почти всей энергией Глюкоза и кислород снабжают мозг . поэтому его наличие влияет на психологические процессы. При низком уровне глюкозы психологические процессы, требующие умственных усилий (например, самоконтроль , принятие решений, требующих усилий). нарушаются В мозге, который зависит от глюкозы и кислорода как основных источников энергии, концентрация глюкозы обычно составляет от 4 до 6 мМ (5 мМ соответствует 90 мг/дл). но снижается до 2–3 мМ при голодании. Спутанность сознания возникает при концентрациях ниже 1 мМ и кома при более низких уровнях.

Глюкоза в крови называется сахаром крови . Уровень сахара в крови регулируется глюкозосвязывающими нервными клетками гипоталамуса . Кроме того, глюкоза в мозге связывается с рецепторами глюкозы системы вознаграждения в прилежащем ядре . Связывание глюкозы с рецептором сладкого на языке вызывает высвобождение различных гормонов энергетического обмена либо через глюкозу, либо через другие сахара, что приводит к увеличению клеточного поглощения и снижению уровня сахара в крови. Искусственные подсластители не снижают уровень сахара в крови.

Содержание сахара в крови здорового человека в состоянии кратковременного голодания, например, после ночного голодания, составляет примерно от 70 до 100 мг/дл крови (от 4 до 5,5 мМ). В плазме крови измеренные значения примерно на 10–15% выше. Кроме того, значения в артериальной крови выше, чем концентрации в венозной крови, поскольку глюкоза всасывается в ткани при прохождении по капиллярному руслу . Также в капиллярной крови, которую часто используют для определения сахара в крови, значения иногда выше, чем в венозной крови. Содержание глюкозы в крови регулируется гормонами инсулином , инкретином и глюкагоном . Инсулин снижает уровень глюкозы, глюкагон его повышает. Кроме того, гормоны адреналин , тироксин , глюкокортикоиды , соматотропин и адренокортикотропин приводят к повышению уровня глюкозы. Существует также гормононезависимая регуляция, которая называется ауторегуляцией глюкозы . После приема пищи концентрация сахара в крови увеличивается. Значения выше 180 мг/дл в цельной венозной крови являются патологическими и называются гипергликемией , значения ниже 40 мг/дл называются гипогликемией . При необходимости глюкоза высвобождается в кровоток под действием глюкозо-6-фосфатазы из глюкозо-6-фосфата, происходящего из гликогена печени и почек, тем самым регулируя гомеостаз концентрации глюкозы в крови. У жвачных животных концентрация глюкозы в крови ниже (60 мг/дл у крупного рогатого скота и 40 мг/дл у овец ), поскольку углеводы в большей степени преобразуются микробиотой кишечника в короткоцепочечные жирные кислоты .

Некоторое количество глюкозы преобразуется астроцитами в , молочную кислоту которая затем используется в качестве источника энергии клетками мозга ; некоторая часть глюкозы используется клетками кишечника и эритроцитами , а остальная часть достигает печени , жировой ткани и мышечных клеток, где всасывается и сохраняется в виде гликогена (под влиянием инсулина ). Гликоген клеток печени может превращаться в глюкозу и возвращаться в кровь при низком уровне инсулина или его отсутствии; Гликоген мышечных клеток не возвращается в кровь из-за недостатка ферментов. В жировых клетках глюкоза используется для запуска реакций, которые синтезируют некоторые типы жиров и имеют другие цели. Гликоген — это механизм «накопления энергии глюкозы» в организме, поскольку он гораздо более «экономичен по пространству» и менее реактивен, чем сама глюкоза.

Из-за своей важности для здоровья человека глюкоза является аналитом в тестах на глюкозу , которые являются обычными медицинскими анализами крови . Прием пищи или голодание перед взятием образца крови влияет на анализ глюкозы в крови; Высокий уровень глюкозы в крови натощак может быть признаком предиабета или сахарного диабета .

Гликемический индекс — это показатель скорости резорбции и преобразования в уровень глюкозы в крови из принятых углеводов, измеряемый как площадь под кривой уровня глюкозы в крови после потребления по сравнению с глюкозой (глюкоза определяется как 100). Клиническое значение гликемического индекса является спорным. так как продукты с высоким содержанием жиров замедляют всасывание углеводов и снижают гликемический индекс, например мороженое. Альтернативным показателем является инсулиновый индекс , измеряется как влияние потребления углеводов на уровень инсулина в крови. Гликемическая нагрузка — это показатель количества глюкозы, добавленной к уровню глюкозы в крови после потребления, основанный на гликемическом индексе и количестве потребляемой пищи.

Предшественник

Организмы используют глюкозу в качестве предшественника для синтеза ряда важных веществ. Крахмал, целлюлоза и гликоген («животный крахмал») представляют собой распространенные полимеры глюкозы (полисахариды). Некоторые из этих полимеров (крахмал или гликоген) служат запасами энергии, тогда как другие (целлюлоза и хитин , который производится из производного глюкозы) играют структурную роль. Олигосахариды глюкозы в сочетании с другими сахарами служат важными запасами энергии. К ним относятся лактоза, преобладающий сахар в молоке, который представляет собой дисахарид глюкозы-галактозы, и сахароза, еще один дисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы. Глюкоза также добавляется к определенным белкам и липидам в процессе, называемом гликозилированием . Зачастую это имеет решающее значение для их функционирования. Ферменты, которые присоединяют глюкозу к другим молекулам, обычно используют фосфорилированную глюкозу для формирования новой связи путем ее соединения с разрывом глюкозо-фосфатной связи.

Помимо прямого использования в качестве мономера, глюкоза может расщепляться для синтеза множества других биомолекул. Это важно, поскольку глюкоза служит одновременно основным хранилищем энергии и источником органического углерода. Глюкоза может расщепляться и превращаться в липиды . Он также является предшественником синтеза других важных молекул, таких как витамин С (аскорбиновая кислота). В живых организмах глюкоза превращается в несколько других химических соединений, которые являются исходным материалом для различных метаболических путей . Среди них все остальные моносахариды такие как фруктоза (по полиольному пути ), манноза (эпимер глюкозы в положении 2), галактоза (эпимер в положении 4), фукоза, различные уроновые кислоты и аминосахара . Из глюкозы образуются Помимо фосфорилирования до глюкозо-6-фосфата, являющегося частью гликолиза, глюкоза может окисляться при ее распаде до глюконо-1,5-лактона . Глюкоза используется у некоторых бактерий в качестве строительного блока при биосинтезе трегалозы или декстрана , а у животных — как строительный блок гликогена. Глюкоза также может превращаться из бактериальной ксилозоизомеразы во фруктозу. Кроме того, метаболиты глюкозы производят все заменимые аминокислоты, сахарные спирты, такие как маннит и сорбит , жирные кислоты , холестерин и нуклеиновые кислоты . Наконец, глюкоза используется в качестве строительного материала при гликозилировании белков до гликопротеинов , гликолипидов , пептидогликанов , гликозидов и других веществ (катализируемого гликозилтрансферазами ) и может быть отщеплена от них гликозидазами .

Патология

Диабет

Диабет — это нарушение обмена веществ, при котором организм не может регулировать уровень глюкозы в крови либо из-за недостатка инсулина в организме, либо из-за неспособности клеток организма должным образом реагировать на инсулин. Каждая из этих ситуаций может быть вызвана устойчиво высоким уровнем глюкозы в крови вследствие истощения поджелудочной железы и резистентности к инсулину . – Поджелудочная железа орган, ответственный за секрецию гормонов инсулина и глюкагона. Инсулин — это гормон, который регулирует уровень глюкозы, позволяя клеткам организма поглощать и использовать глюкозу. Без него глюкоза не может попасть в клетку и, следовательно, не может использоваться в качестве топлива для функций организма. Если поджелудочная железа подвергается постоянному повышению уровня глюкозы в крови, инсулин-продуцирующие клетки поджелудочной железы могут быть повреждены, что приведет к нехватке инсулина в организме. Инсулинорезистентность возникает, когда поджелудочная железа пытается вырабатывать все больше и больше инсулина в ответ на постоянно повышенный уровень глюкозы в крови. В конце концов, остальная часть тела становится резистентной к инсулину, который вырабатывает поджелудочная железа, что требует большего количества инсулина для достижения того же эффекта снижения уровня глюкозы в крови и вынуждает поджелудочную железу вырабатывать еще больше инсулина, чтобы конкурировать с резистентностью. Эта негативная спираль способствует выгоранию поджелудочной железы и прогрессированию диабета.

Чтобы контролировать реакцию организма на сахароснижающую терапию, можно измерить уровень глюкозы. Мониторинг уровня глюкозы в крови может осуществляться несколькими методами, например, с помощью теста на глюкозу натощак, который измеряет уровень глюкозы в крови после 8 часов голодания. Другой тест — это 2-часовой тест на толерантность к глюкозе (GTT). Для этого теста человек проходит тест на глюкозу натощак, затем выпивает 75-граммовый напиток с глюкозой и проходит повторное тестирование. Этот тест измеряет способность организма человека перерабатывать глюкозу. Со временем уровень глюкозы в крови должен снизиться, поскольку инсулин позволяет ему поглощаться клетками и выходить из кровотока.

Управление гипогликемией

Глюкоза, 5% раствор для инфузий

Люди с диабетом или другими заболеваниями, которые приводят к низкому уровню сахара в крови, часто имеют при себе небольшое количество сахара в различных формах. Одним из наиболее часто используемых видов сахара является глюкоза, часто в форме таблеток глюкозы (глюкоза, спрессованная в форму таблетки, иногда с одним или несколькими другими ингредиентами в качестве связующего вещества), леденца или пакета сахара .

Источники

Таблетки глюкозы

Большинство пищевых углеводов содержат глюкозу либо в качестве единственного строительного блока (как в полисахаридах, крахмале и гликогене), либо вместе с другим моносахаридом (как в гетерополисахаридах, сахарозе и лактозе). Несвязанная глюкоза является одним из основных ингредиентов меда. Глюкоза чрезвычайно распространена и была выделена из различных природных источников по всему миру, включая мужские шишки хвойного дерева Wollemia nobilis в Риме, корни растений Ilex asprella в Китае, и соломка из риса в Калифорнии.

Содержание сахара в некоторых распространенных растительных продуктах (в граммах на 100 г)

Еда элемент	Углеводы, общий, включая пищевые волокна	Общий сахар	Бесплатно фруктоза	Бесплатно глюкоза	Сахароза	Соотношение фруктоза/ глюкоза	Сахароза как доля общее количество сахаров (%)
Фрукты
Яблоко	13.8	10.4	5.9	2.4	2.1	2.0	19.9
Абрикос	11.1	9.2	0.9	2.4	5.9	0.7	63.5
Банан	22.8	12.2	4.9	5.0	2.4	1.0	20.0
Инжир , сушеный	63.9	47.9	22.9	24.8	0.9	0.93	0.15
Виноград	18.1	15.5	8.1	7.2	0.2	1.1	1
Пупок оранжевый	12.5	8.5	2.25	2.0	4.3	1.1	50.4
Персик	9.5	8.4	1.5	2.0	4.8	0.9	56.7
Груша	15.5	9.8	6.2	2.8	0.8	2.1	8.0
Ананас	13.1	9.9	2.1	1.7	6.0	1.1	60.8
слива	11.4	9.9	3.1	5.1	1.6	0.66	16.2
Овощи
Свекла , красная	9.6	6.8	0.1	0.1	6.5	1.0	96.2
Морковь	9.6	4.7	0.6	0.6	3.6	1.0	77
Красный перец , сладкий	6.0	4.2	2.3	1.9	0.0	1.2	0.0
Лук , сладкий	7.6	5.0	2.0	2.3	0.7	0.9	14.3
Сладкий картофель	20.1	4.2	0.7	1.0	2.5	0.9	60.3
Вещи	27.9	0.5	Следы	Следы	Следы	—	Следы
Сахарный тростник		13–18	0.2–1.0	0.2–1.0	11–16	1.0	высокий
Сахарная свекла		17–18	0.1–0.5	0.1–0.5	16–17	1.0	высокий
Зерна
Кукуруза , сладкая	19.0	6.2	1.9	3.4	0.9	0.61	15.0

Коммерческое производство

Глюкозу производят в промышленности из крахмала путем ферментативного гидролиза с помощью глюкозамилазы или с использованием кислот . Ферментативный гидролиз в значительной степени вытеснил реакции гидролиза, катализируемые кислотами. В результате получается глюкозный сироп (ферментативно с содержанием глюкозы более 90% в сухом веществе). с годовым мировым объемом производства 20 миллионов тонн (по состоянию на 2011 год). Это причина бывшего распространенного названия «крахмальный сахар». Амилазы чаще всего происходят из Bacillus licheniformis. или Bacillus subtilis (штамм MN-385), которые более термостабильны, чем первоначально используемые ферменты. Начиная с 1982 года пуллуланазы Aspergillus niger использовались в производстве глюкозного сиропа для превращения амилопектина в крахмал (амилозу), тем самым увеличивая выход глюкозы. Реакцию проводят при pH = 4,6–5,2 и температуре 55–60 °С. Кукурузный сироп содержит от 20% до 95% глюкозы в сухом веществе. Японская форма глюкозного сиропа « Мизуаме » изготавливается из сладкого картофеля или рисового крахмала. Мальтодекстрин содержит около 20% глюкозы.

Многие сельскохозяйственные культуры могут использоваться в качестве источника крахмала. кукуруза , рис, пшеница , маниока , картофель , ячмень , сладкий картофель, кукурузная шелуха и саго используются в разных частях мира. В Штатах Соединенных кукурузный крахмал почти исключительно используется (из кукурузы). Некоторая коммерческая глюкоза встречается в составе инвертного сахара — смеси глюкозы и фруктозы в соотношении примерно 1:1, получаемой из сахарозы. В принципе, целлюлозу можно гидролизовать до глюкозы, но этот процесс пока коммерчески непрактичен.

Превращение во фруктозу

Основная статья: изоглюкоза

, представляющей собой смесь глюкозы и фруктозы, используется почти исключительно кукуруза (точнее, кукурузный сироп) В США в качестве источника глюкозы для производства изоглюкозы , поскольку фруктоза обладает более высокой подслащивающей способностью – при той же физиологической калорийности в 374 килокалории. за 100 г. Ежегодное мировое производство изоглюкозы составляет 8 миллионов тонн (по состоянию на 2011 год). При изготовлении кукурузного сиропа конечным продуктом является кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы (HFCS).

Коммерческое использование

Относительная сладость различных сахаров по сравнению с сахарозой

Глюкоза в основном используется для производства фруктозы и глюкозосодержащих продуктов. В пищевых продуктах он используется в качестве подсластителя и увлажнителя для увеличения объема и создания более мягкого вкуса . Различные источники глюкозы, такие как виноградный сок (для вина) или солод (для пива), используются для ферментации до этанола при производстве алкогольных напитков . В большинстве безалкогольных напитков в США используется HFCS-55 (с содержанием фруктозы 55% в сухой массе), тогда как в большинстве других подслащенных HFCS продуктов питания в США используется HFCS-42 (с содержанием фруктозы 42% в сухой массе). ). В Мексике, напротив, безалкогольные напитки подслащивают тростниковым сахаром, который обладает более высокой подслащивающей способностью. Кроме того, сироп глюкозы используется, в частности, при производстве кондитерских изделий, таких как конфеты , ириски и помадки . Типичными химическими реакциями глюкозы при нагревании в безводных условиях являются карамелизация и, в присутствии аминокислот, реакция Майяра .

Кроме того, из глюкозы можно биотехнологически получать различные органические кислоты, например, путем ферментации с Clostridium thermoaceticum для получения уксусной кислоты , с Penicillium notatum для производства арабоаскорбиновой кислоты , с Rhizopus delemar для производства фумаровой кислоты , с Aspergillus niger для производства фумаровой кислоты. производство глюконовой кислоты , с Candida brumptii для производства изолимонной кислоты , с Aspergillus terreus для производства итаконовой кислоты , с Pseudomonas fluorescens для производства 2-кетоглюконовой кислоты , с Gluconobacter suboxydans для производства 5-кетоглюконовой кислоты , с Aspergillus oryzae для производства койевой кислоты , с Lactobacillus delbrueckii для производства молочной кислоты , с Lactobacillus brevis для производства яблочной кислоты , с Propionibacter shermanii для производства пропионовой кислоты , с Pseudomonas aeruginosa для производства пировиноградной кислоты и с Gluconobacter suboxydans для производства винной кислоты . Недавно сообщалось о мощных биоактивных натуральных продуктах, таких как триптолид, которые ингибируют транскрипцию млекопитающих посредством ингибирования субъединицы XPB общего фактора транскрипции TFIIH в качестве конъюгата глюкозы для воздействия на гипоксические раковые клетки с повышенной экспрессией переносчика глюкозы. В последнее время глюкоза получила коммерческое применение в качестве ключевого компонента «наборов», содержащих молочную кислоту и инсулин, предназначенных для индукции гипогликемии и гиперлактатемии для борьбы с различными видами рака и инфекциями.

Анализ

Когда молекулу глюкозы необходимо обнаружить в определенном положении в более крупной молекуле, спектроскопию ядерного магнитного резонанса , рентгеноструктурный анализ или лектина иммуноокрашивание проводят с использованием конъюгата репортерного фермента конканавалина А , который связывает только глюкозу или маннозу.

Классические качественные реакции обнаружения

Эти реакции имеют лишь историческое значение:

тест Фелинга

Проба Фелинга – классический метод выявления альдоз. Из-за мутаротации глюкоза всегда присутствует в небольшой степени в виде альдегида с открытой цепью. При добавлении реагентов Фелинга (раствора Фелинга (I) и раствора Фелинга (II)) альдегидная группа окисляется до карбоновой кислоты , а Cu ²⁺ тартратный комплекс восстанавливается до Cu ⁺ и образует осадок кирпично-красного цвета (Cu ₂ O).

Прохождение теста

В тесте Толленса после добавления аммиачного AgNO ₃ к раствору образца глюкоза снижает Ag ⁺ к элементарному серебру .

Тест босиком

В Барфоеда тесте раствор растворенного ацетата меди , ацетата натрия К раствору испытуемого сахара добавляют и уксусной кислоты и затем нагревают на водяной бане в течение нескольких минут. Глюкоза и другие моносахариды быстро окрашиваются в красноватый цвет и образуют красновато-коричневый оксид меди(I) (Cu ₂ O).

тест Нюландера

Глюкоза, являясь редуцирующим сахаром, реагирует в тесте Нюландера .

Другие тесты

Смотрите также: реакция Майяра и реакция Щелока.

При нагревании разбавленного раствора гидроксида калия с глюкозой до 100°С появляется сильное красновато-коричневое окрашивание и карамельный запах. Концентрированная серная кислота растворяет сухую глюкозу без почернения при комнатной температуре с образованием сахарной серной кислоты. В дрожжевом растворе при спиртовом брожении образуется углекислый газ в соотношении 2,0454 молекулы глюкозы на одну молекулу СО ₂ . Глюкоза образует черную массу с хлоридом олова . В аммиачном растворе серебра глюкоза (а также лактоза и декстрин) приводит к отложению серебра. В аммиачном ацетата свинца растворе гликозиды свинца , которые при варке становятся менее растворимыми и становятся коричневыми. в присутствии глюкозы образуются В аммиачном растворе меди оксида меди желтого цвета, а при кипячении - красный оксид меди (то же самое с декстрином, за исключением аммиачного раствора ацетата меди). с глюкозой при комнатной температуре образуется гидрат При использовании реактива Хагера глюкоза образует оксид ртути . при кипячении Щелочной раствор висмута используется для осаждения элементарного черно-коричневого висмута глюкозой. Глюкоза, кипяченная в растворе молибдата аммония, окрашивает раствор в синий цвет. Раствор с индигокармином и карбонатом натрия окрашивается при кипячении с глюкозой.

Инструментальная количественная оценка

Рефрактометрия и поляриметрия

В концентрированных растворах глюкозы с низкой долей других углеводов ее концентрацию можно определить поляриметром. Для сахарных смесей концентрацию можно определить с помощью рефрактометра , например, при определении Охсле в процессе производства вина.

Фотометрические ферментативные методы в растворе

Основная статья: Реакция окисления глюкозы

Фермент глюкозооксидаза (GOx) превращает глюкозу в глюконовую кислоту и перекись водорода, потребляя при этом кислород. Другой фермент, пероксидаза, катализирует хромогенную реакцию (реакцию Триндера). фенола до с 4-аминоантипирином пурпурного красителя.

Фотометрический метод тест-полосок

Метод тест-полосок использует вышеупомянутое ферментативное превращение глюкозы в глюконовую кислоту с образованием перекиси водорода. Реагенты иммобилизуются на полимерной матрице, так называемой тест-полоске, которая принимает более или менее интенсивный цвет. Это можно измерить рефлектометрически при длине волны 510 нм с помощью портативного фотометра на основе светодиодов. Это позволяет обычным специалистам определять уровень сахара в крови. Помимо реакции фенола с 4-аминоантипирином разработаны новые хромогенные реакции, позволяющие проводить фотометрию при более высоких длинах волн (550 нм, 750 нм).

Амперометрический датчик глюкозы

Электроанализ глюкозы также основан на упомянутой выше ферментативной реакции. Полученную перекись водорода можно количественно определить амперометрически путем анодного окисления при потенциале 600 мВ. GOx иммобилизуют на поверхности электрода или в мембране, расположенной вблизи электрода. В электродах используются драгоценные металлы, такие как платина или золото, а также электроды из углеродных нанотрубок, которые, например, легированы бором. Нанопроволоки Cu–CuO также используются в качестве безэнзимных амперометрических электродов, предел обнаружения которых достигает 50 мкмоль/л. Особенно перспективным методом является так называемая «ферментатная проводка», при которой электрон, текущий во время окисления, переносится по молекулярной проволоке непосредственно от фермента к электроду.

Другие сенсорные методы

Существует множество других химических сенсоров для измерения глюкозы. Учитывая важность анализа глюкозы в науках о жизни, были также разработаны многочисленные оптические зонды для сахаридов на основе использования бороновых кислот. которые особенно полезны для внутриклеточных сенсорных приложений, где другие (оптические) методы недоступны или применимы лишь условно. Помимо органических производных бороновой кислоты, которые часто высокоспецифично связываются с 1,2-диольными группами сахаров, существуют также другие концепции зондов, классифицированные по функциональным механизмам, которые используют селективные глюкозосвязывающие белки (например, конканавалин А) в качестве рецептора. . Кроме того, были разработаны методы, которые косвенно определяют концентрацию глюкозы через концентрацию продуктов метаболизма, например, путем потребления кислорода с использованием флуоресцентно-оптических датчиков. Наконец, существуют концепции, основанные на ферментах, которые используют собственное поглощение или флуоресценцию (флуоресцентно-меченных) ферментов в качестве репортеров.

Медная йодометрия

Глюкозу можно определить количественно с помощью йодометрии меди.

Хроматографические методы

В частности, для анализа сложных смесей, содержащих глюкозу, например, в меде, используются хроматографические методы, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография и газовая хроматография. часто используются в сочетании с масс-спектрометрией . Принимая во внимание соотношение изотопов, этими методами также можно надежно обнаружить фальсификацию меда добавлением сахара. Обычно используется дериватизация с использованием реагентов силилирования. Также можно количественно определить пропорции ди- и трисахаридов.

Анализ in vivo

Поглощение глюкозы клетками организмов измеряют с помощью 2-дезокси-D-глюкозы или фтордезоксиглюкозы . ( ¹⁸ Е)фтордезоксиглюкоза используется в качестве индикатора при позитронно-эмиссионной томографии в онкологии и неврологии, где это, безусловно, наиболее часто используемый диагностический агент.