Glucose

Systematik der Glucose

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

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. 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.

Merkhilfen zur Stereochemie

Um sich die Glucose-Konfiguration in der Fischer-Projektion zu merken, gibt es folgende Eselsbrücke: Die Positionen der Hydroxygruppen rechts und links der Kohlenstoffkette lassen sich durch Onomatopoeia des Geräusches eines Martinshorns („Ta-Tü-Ta-Ta“) „versinnbildlichen“. Die Anordnung der Hydroxygruppen der Galactose kann man sich hingegen als Blaulicht (siehe Abbildung) merken.

Man kann sich mit dem Wort „HochBett“ (B wie beta) merken, welche Form der Glucose vorliegt. Ist bei der Haworth-Projektion die C-1-Hydroxygruppe oben („Hoch“), so handelt es sich um die beta-Form („Bett“).

Umwandlung in Fructose

In den USA wird fast ausschließlich Mais mit Hilfe von Amylase sowie Glucoseisomerase zur Produktion der Lebensmittelsüße Isoglucose eingesetzt, die eine Mischung von Glucose und Fructose ist (auch High Fructose Corn Syrup HFCS). Fructose hat eine höhere Süßkraft als Glucose bei gleichem physiologischen Brennwert von 1563 kJ (= 374 kcal) pro 100 g. Die jährliche weltweite Produktionsmenge von Isoglucose beträgt acht Millionen Tonnen (Stand 2011).

Vorläufer anderer Biomoleküle

Glucose wird in Lebewesen zu mehreren anderen chemischen Verbindungen umgesetzt, die Ausgangsprodukt verschiedener Stoffwechselwege sind. Darunter werden aus Glucose alle anderen Monosaccharide wie Fructose (über den Polyol-Weg), Mannose (das Epimer an Position 2), Galactose (das Epimer an Position 4), Fucose, verschiedene Uronsäuren und die Aminozucker hergestellt. Neben der Phosphorylierung zu Glucose-6-phosphat, die Teil der Glycolyse ist, kann Glucose bei ihrem Abbau zunächst zu Glucono-1,5-lacton oxidiert werden. Glucose dient in manchen Bakterien als Baustein bei der Biosynthese von Trehalose oder Dextran und in Tieren als Baustein von Glycogen. Glucose kann außerdem von der bakteriellen Xylose-Isomerase in Fructose umgewandelt werden. Daneben werden aus Stoffwechselprodukten von Glucose alle nichtessentiellen Aminosäuren, Zuckeralkohole wie Mannitol und Sorbitol, Fettsäuren, Cholesterin und Nukleinsäuren erzeugt. Zuletzt findet Glucose Verwendung als Baustein bei der für die Funktion vieler Proteine notwendige Glycosylierung zu Glycoproteinen und auch bei anderen glycosylierten Stoffen wie Glycolipide, Peptidoglycane und Glycoside. Die Glycosylierung wird katalysiert durch Glycosyltransferasen und kann durch Glycosidasen wieder abgespalten werden.

Aufnahme

Aus der Nahrung aufgenommene Glucose bindet beim Menschen zunächst an den Rezeptor für Süßgeschmack auf der Zunge. Dieser Komplex aus den Proteinen T1R2 und T1R3 erlaubt es, glucosehaltige Nahrungsquellen zu identifizieren. Glucose stammt hauptsächlich aus Lebensmitteln – etwa 300 g pro Tag werden durch die Umwandlung von Nahrung produziert, aber sie wird auch aus anderen Metaboliten in den Körperzellen synthetisiert. Glucose ist ein Baustein vieler Kohlenhydrate und kann aus diesen mithilfe von bestimmten Enzymen abgespalten werden. Glucosidasen (eine Untergruppe der Glycosidasen) katalysieren zunächst die Hydrolyse langkettiger Glucose-enthaltender Polysaccharide, wobei endständige Glucose entfernt wird. Disaccharide wiederum werden meist von speziellen Glycosidasen zu Glucose abgebaut. Die Namen der abbauenden Enzyme sind oft vom jeweiligen Poly- und Disaccharid abgeleitet; so gibt es unter anderem für den Abbau von Polysaccharidketten Amylasen (von Amylose, Bestandteil der Stärke), Cellulasen (von Cellulose), Chitinasen (von Chitin) und mehr; weiters für die Spaltung von Disacchariden die Lactase, Saccharase, Trehalase und andere. Beim Menschen sind etwa 70 Gene bekannt, die für Glycosidasen codieren. Sie haben Funktionen bei der Verdauung und beim Abbau von Glycogen, Sphingolipiden, Mucopolysacchariden und Poly(ADP-Ribose). Beim Menschen erfolgt der Abbau von Glucose-haltigen Polysacchariden zum Teil bereits beim Kauen durch die Amylase, die im Speichel enthalten ist, sowie durch die Maltase, die Lactase und die Saccharase im Bürstensaum des Dünndarms.

Um über die Zellmembranen in Zellen und Zellkompartimente hinein oder aus ihnen heraus zu gelangen, benötigt die Glucose spezielle Transportproteine aus der Major-Facilitator-Superfamilie. Im Dünndarm (genauer im Jejunum) wird Glucose mit Hilfe des Glucosetransporters über einen als Natriumionen-Glucose-Symport (Natrium/Glucose-Cotransporter 1) bezeichneten sekundär aktiven Transportmechanismus in die Darmepithelzellen aufgenommen. Die Weitergabe erfolgt auf der basolateralen Seite der Darmepithelzelle über den Glucosetransporter GLUT2, ebenso wie ihre Aufnahme in Hepatozyten, Nierenzellen, β-Zellen der Langerhans-Inseln, Neuronen, Astrozyten und Tanyzyten. Über die Vena portae gelangt Glucose in die Leber und wird dort zellulär als Glycogen gespeichert. In der Leberzelle wird sie durch die Glucokinase an Position 6 zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert; damit kann sie die Zelle nicht mehr verlassen. Mit Hilfe der Glucose-6-Phosphatase wird, ausschließlich in der Leber, Glucose-6-phosphat bei Bedarf wieder in Glucose zurückgewandelt, so dass sie zur Erhaltung einer ausreichenden Blutkonzentration zur Verfügung steht. In anderen Zellen erfolgt die Aufnahme mittels passiven Transports durch eines der 14 GLUT-Proteine. In den anderen Zelltypen erfolgt die Phosphorylierung durch eine Hexokinase, woraufhin Glucose nicht mehr aus der Zelle diffundieren kann.

GLUT1 wird von den meisten Zelltypen gebildet und besitzt besondere Bedeutung für Nervenzellen und die im Pankreas befindlichen β-Zellen. GLUT3 wird gehäuft von Nervenzellen gebildet. Von Muskelzellen (Skelettmuskeln und Herzmuskel) und Fettzellen wird Glucose aus dem Blutkreislauf über GLUT4 aufgenommen. GLUT14 wird ausschließlich in Hoden gebildet. Überschüssig aufgenommene Glucose wird abgebaut und in Fettsäuren umgewandelt, die als Triacylglycerid gespeichert werden. In den Nieren wird Glucose aus dem Harn über SGLT1 und SGLT2 in den apikalen Zellmembranen resorbiert und über GLUT2 in den basolateralen Zellmembranen weitergeleitet. Etwa 90 % der Glucoseresorption der Niere erfolgt über SGLT2 und etwa 3 % über SGLT1.

Biosynthese

Der Stoffwechselweg zum Aufbau von Glucose aus kleinen Molekülen von zwei bis vier Kohlenstoffatomen, der im Glucosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen endet, heißt Gluconeogenese und kommt in allen Lebewesen vor. Durch die Gluconeogenese kann der Organismus Glucose aus anderen Stoffwechselprodukten, unter anderem aus Lactat oder bestimmten Aminosäuren unter Energieverbrauch aufbauen. Die kleineren Ausgangsstoffe sind das Resultat anderer Stoffwechselwege und stammen bei Pflanzen letztlich von der Assimilation von Kohlenstoffdioxid. Letztendlich stammen fast alle Biomoleküle aus der Assimilation von Kohlendioxid in Pflanzen während der Photosynthese. Die freie Energie der Bildung von α-D-Glucose beträgt 917,2 Kilojoule pro Mol. Beim Menschen erfolgt die Gluconeogenese in der Leber und der Niere, aber auch in anderen Zelltypen. Auch die Tubuluszellen der Nieren können Glucose bilden.

Die Spaltung von Glycogen wird als Glycogenolyse bezeichnet, die Spaltung von Stärke als Stärkeabbau. In Leber werden etwa 150 g Glycogen bevorratet, in der Skelettmuskulatur etwa 250 g. Die in Muskelzellen bei der Spaltung des Glycogens freigesetzte Glucose kann allerdings nicht an den Blutkreislauf abgegeben werden, da Glucose durch die Hexokinase phosphoryliert wird, keine Glucose-6-Phosphatase zur Entfernung der Phosphatgruppe gebildet wird und für Glucose-6-Phosphat im Gegensatz zu Glucose kein Transportprotein existiert.

Abbau

Traubenzucker wird im Stoffwechsel über die Glycolyse und den Pentosephosphatweg abgebaut. Die Glycolyse wird von allen lebenden Organismen mit kleinen Variationen verwendet, und alle Organismen erzeugen Energie aus dem Abbau von Monosacchariden. Im weiteren Verlauf des Stoffwechsels kann sie über die oxidative Decarboxylierung, den Citratzyklus und die Atmungskette vollständig zu Wasser und Kohlenstoffdioxid abgebaut werden. Ist dafür nicht genügend Sauerstoff verfügbar, erfolgt der Glucoseabbau in Tieren anaerob bis zum Lactat durch die Milchsäuregärung und setzt weniger Energie frei. Das Lactat aus der Muskulatur gelangt in Säugetieren über den Blutkreislauf in die Leber, wo die Gluconeogenese erfolgt (Cori-Zyklus). In anderen Lebewesen kommen auch andere Formen der Gärung vor. Bei hohem Angebot an Glucose wird der Metabolit Acetyl-CoA auch zur Fettsäuresynthese genutzt. Ebenfalls wird durch Glucose der Glycogenspeicher des Körpers wieder aufgefüllt, der vor allem in Leber und Skelettmuskulatur zu finden ist. Diese Vorgänge werden hormonell reguliert.

Das Bakterium Escherichia coli kann auf Nährmedien wachsen, die Glucose als einzige Kohlenstoffquelle aufweisen. In einigen Bakterien und – in modifizierter Form – auch in Archaeen wird Glucose über den Entner-Doudoroff-Weg abgebaut.

Tumorzellen wachsen oftmals vergleichsweise schnell und verbrauchen überdurchschnittlich viel Glucose per Glycolyse, wodurch es auch in Anwesenheit von Sauerstoff zur Bildung von Lactat kommt, dem Endprodukt der Gärung in Säugetieren. Dieser Effekt wird als Warburg-Effekt bezeichnet. Für die erhöhte Aufnahme von Glucose in Tumoren werden verschiedene SGLT und GLUT vermehrt gebildet. In Hefe entsteht bei hohen Glucose-Konzentrationen auch bei Anwesenheit von Sauerstoff (führt normalerweise zur Atmung, aber nicht zur Gärung) Ethanol per Gärung. Dieser Effekt wird als Crabtree-Effekt bezeichnet.

Brennwert

Der physiologische Brennwert von Glucose beträgt, je nach Quelle, 16,2 Kilojoule pro Gramm beziehungsweise 15,7 kJ/g (3,74 kcal/g). Die hohe Verfügbarkeit von Kohlenhydraten durch die pflanzliche Biomasse hat während der Evolution, besonders der Mikroorganismen, zu einer Vielfalt von Methoden geführt, den Energie- und Kohlenstoffspeicher Glucose zu verwerten. Unterschiede bestehen darin, bis zu welchem nicht mehr für die Energiegewinnung nutzbaren Endprodukt der Weg führt. Hier entscheidet das Vorhandensein einzelner Gene, und ihrer Genprodukte, der Enzyme, welche Reaktionen möglich sind (siehe Abbildung). Dabei wird der Stoffwechselweg der Glycolyse von nahezu allen Lebewesen genutzt. Ein wesentlicher Unterschied dieses Wegs besteht in der Gewinnung von NADP als Reduktionsmittel für den Anabolismus, das sonst indirekt erzeugt werden müsste.

Glucosekonzentrationen

Die Glucose im Blut wird als Blutzucker bezeichnet. Die Regulation des Blutzuckerspiegels erfolgt durch Glucose-bindende Nervenzellen im Hypothalamus. Daneben bindet Glucose im Gehirn an Glucose-Rezeptoren des Belohnungszentrums im Nucleus accumbens. Die Bindung von Glucose an den Rezeptor für Süßgeschmack auf der Zunge löst mit und ohne Einnahme von Glucose eine Ausschüttung verschiedener Hormone des Energiestoffwechsels aus, die zu verstärkter Aufnahme in Zellen und zu einer Absenkung des Blutzuckerspiegels führen. Süßstoffe führen dagegen nicht zu einer Absenkung des Blutzuckerspiegels.

Der Blutzuckergehalt eines gesunden Menschen beträgt im nüchternen Zustand, d. h. nach Übernachtfasten, etwa 70 bis 100 mg/dl Blut (4 bis 5,5 mM). Im Blutplasma liegen die gemessenen Werte etwa 10–15 % höher. Außerdem liegen die Werte im arteriellen Blut über den Konzentrationen im venösen Blut, da Glucose während der Passage des Kapillarbettes in das Gewebe aufgenommen wird. Auch im Kapillarblut, das häufig zur Blutzuckerbestimmung verwendet wird, liegen die Werte teils höher als im venösen Blut. Der Glucosegehalt des Blutes wird durch die Hormone Insulin, Inkretin und Glucagon geregelt: Insulin senkt den Glucosespiegel, Glucagon erhöht ihn. Weiterhin führen die Hormone Adrenalin, Thyroxin, Glucocorticoide, Somatotropin und Adrenocorticotropin zu einer Erhöhung des Glucosespiegels. Daneben gibt es auch noch eine hormonunabhängige Regulation, die als Glucoseautoregulation bezeichnet wird. Nach Nahrungsaufnahme steigt die Blutzuckerkonzentration an. Werte über 180 mg/dl in venösem Vollblut sind pathologisch und werden als Hyperglykämie, Werte unter 40 mg/dl werden als Hypoglykämie bezeichnet.

Bei Verbrauch wird Glucose durch die Glucose-6-Phosphatase aus Glucose-6-phosphat sowie aus Glycogen von der Leber und der Niere in den Blutkreislauf abgegeben, wodurch eine Homöostase der Blutglucosekonzentration erreicht wird. Bei Wiederkäuern liegt die Blutglucosekonzentration niedriger (60 mg/dL bei Rindern und 40 mg/dL bei Schafen), weil die Kohlenhydrate von der Darmflora mehr in kurzkettige Fettsäuren umgewandelt werden.

Im auf Glucose als Hauptenergielieferant angewiesenen Gehirn beträgt die Glucosekonzentration normalerweise 4 bis 6 mM (5 mM entspricht 90 mg/dL), sinkt aber bei Fasten auf 2 bis 3 mM. Niedrige Glucosekonzentrationen im Gehirn wirken sich negativ auf die Denkfähigkeit, die Selbstbeherrschung und den Willen aus. Unter 1 mM treten Verwirrung und bei niedrigeren Werten auch Koma auf.

Der glykämische Index ist ein Indikator der Geschwindigkeit der Aufnahme und Umwandlung in Blutglukose aus eingenommenen Kohlenhydraten und wird als Integral des Blutglucosespiegels nach Einnahme im Vergleich zu Glucose bestimmt (eingenommene Glucose ist als 100 definiert). Die klinische Bedeutung des glykämischen Indexes wird kontrovers diskutiert, da Nahrungsmittel mit hohem Fettgehalt die Aufnahme von Glucose verlangsamen und so den glykämischen Index senken, wie beispielsweise Speiseeis. Ein alternatives Maß mit gleicher Problematik ist der Insulin-Index, gemessen als Einfluss der Aufnahme von Kohlenhydraten auf den Insulinspiegel im Blut. Die glykämische Last ist ein Indikator für die Menge an Glucose, die dem Blutkreislauf nach Einnahme von Kohlenhydraten zugefügt wird, und basiert auf dem glykämischen Index und der Menge an eingenommener Nahrung.

Autoimmuner Diabetes

Im Zuge einer Autoimmunreaktion gegen die β-Zellen in den Langerhans-Inseln der Bauchspeicheldrüse werden die β-Zellen abgetötet, wodurch das Hormon Insulin nicht mehr hergestellt wird. Dadurch entsteht das Krankheitsbild Diabetes mellitus Typ I (autoimmune Diabetes). Insulin oder Analoga müssen danach regelmäßig je nach Ergebnis einer Messung mit einem Blutzuckermessgerät durch subkutane Injektion zugeführt werden.

Erworbener Diabetes

Eine Fehlregulation des Glucosespiegels wird als intermediäre Hyperglykämie und in stärkeren Verlaufsformen als Diabetes mellitus Typ II (synonym erworbener Diabetes, Insulinresistenz) bezeichnet. Ein wiederholt oder dauerhaft erhöhter Blutzuckerwert weist in der Regel auf Diabetes mellitus hin. Je nach Ausprägung können oral eingenommene Antidiabetika verwendet werden. Regelmäßige sportliche Betätigung und die Vermeidung von Übergewicht senken das Risiko für Diabetes mellitus Typ II, ebenso wird Sport zur Behandlung von Diabetes mellitus Typ II empfohlen.

Übergewicht und Fettleber

Eine übermäßige Einnahme von glucosehaltigen Lebensmitteln kann leicht zu Übergewicht führen. In deren Folge kann sich das metabolische Syndrom einer nichtalkoholischen Fettleberhepatitis ausbilden. Konsum von Glucose im Rahmen einer normalen Zufuhr von Nahrungsenergie ist in dieser Hinsicht unbedenklich.

Klassische qualitative Nachweisreaktionen

Diese Reaktionen haben nur historische Bedeutung:

Instrumentelle quantitative Bestimmung

In-vivo-Analyse

Die Glucoseaufnahme in Zellen von Organismen wird mit 2-Desoxy-D-glucose oder Fluordesoxyglucose untersucht. (¹⁸F)-Fluordesoxyglucose wird in der Onkologie und Neurologie als Tracer in der Positronenemissionstomographie verwendet, wo es das mit Abstand am häufigsten verwendete Diagnostikum ist.