Glucose

Grundlagen, Bedeutung und Eigenschaften

Glucose (Glc), auch Glukose, Glykose, Traubenzucker oder bei Lebensmittelzutaten Dextrose genannt, ist ein natürlich vorkommendes Kohlenhydrat und das häufigste Monosaccharid (Einfachzucker). Ohne weiteren Zusatz ist mit Glucose gewöhnlich D-Glucose gemeint. Die spiegelbildliche L-Glucose lässt sich synthetisch herstellen, besitzt aber nur geringe Bedeutung. Die Summenformel lautet C₆H₁₂O₆, die molare Masse 180,16 g·mol⁻¹.

D-Glucose ist ein farb- und geruchloser Feststoff mit einer relativen Süßkraft von 0,6–0,75. Sie ist bei 20 °C mit 470 g·l⁻¹ gut in Wasser löslich. Ihre Dichte beträgt 1,562 g·cm⁻³. Wasserfreie α-D-Glucose schmilzt bei 146 °C unter Zersetzung, das Monohydrat bei 83–86 °C und β-D-Glucopyranose bei 150 °C.

In Pflanzen und den meisten Algen entsteht Glucose bei der Photosynthese aus Wasser und Kohlenstoffdioxid. Für Lebewesen ist sie eine zentrale Energie- und Kohlenstoffquelle. Menschen und Tiere speichern sie als Glycogen, Pflanzen als Stärke. Sie ist außerdem Baustein der Cellulose und damit Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände. Glucose gehört zu den Bestandteilen der Zweifachzucker Lactose, Saccharose und Maltose sowie zahlreicher Mehrfach- und Vielfachzucker. Medizinisch wird sie unter anderem in Infusionslösungen eingesetzt und gilt als unentbehrliches Arzneimittel.

Struktur und Formen in Wasser

Glucose kann als offene Aldehydkette oder als Ring vorliegen. Beim Ringschluss entsteht ein Halbacetal und am ersten Kohlenstoffatom ein neues Chiralitätszentrum. Dadurch bilden sich zwei Anomere: stereoisomere Zucker, die sich nur an diesem neu entstandenen Zentrum unterscheiden. In der Haworth-Projektion steht bei α-D-Glucose die neue OH-Gruppe auf der der endständigen CH₂OH-Gruppe gegenüberliegenden Seite der Ringebene; bei β-D-Glucose stehen beide auf derselben Seite.

In Wasser öffnen und schließen sich die Ringe fortlaufend. Im Gleichgewicht liegen 99,75 % als Pyranosen, also Sechsringe mit einem Sauerstoffatom im Ring, Spuren als fünfgliedrige Furanosen und 0,25 % als offene Aldehydform vor. Der Anteil beträgt etwa 36 % α-Form und 63,9 % β-Form. β-D-Glucose ist stabiler, weil in ihrer Sesselkonformation alle Hydroxygruppen äquatorial angeordnet sind und damit einen großen Abstand voneinander haben. Säuren und Laugen beschleunigen die Gleichgewichtseinstellung.

Die Umwandlung der Anomere heißt Mutarotation und lässt sich über die Drehung von linear polarisiertem Licht verfolgen. Reine α-D-Glucose besitzt einen spezifischen Drehwinkel von +112,2°·ml·dm⁻¹·g⁻¹, reine β-D-Glucose von +17,5°·ml·dm⁻¹·g⁻¹; im Gleichgewicht werden +52,7°·ml·dm⁻¹·g⁻¹ erreicht. In verdünnter Natronlauge können Glucose, Fructose und Mannose über ein Endiol ineinander übergehen; dies heißt Lobry-de-Bruyn-Alberda-van-Ekenstein-Umlagerung.

Vorkommen, Herstellung und Nutzung

Glucose kommt als zentraler Stoffwechselbestandteil in allen Lebewesen vor. In Lebensmitteln liegt sie frei oder gebunden vor. Beispiele für freie Glucosegehalte je 100 g sind 7,2 g in Trauben, 5,0 g in Bananen, 3,4 g in Mais und 24,8 g in getrockneten Feigen. Stärke, Cellulose, Saccharose und andere Kohlenhydrate enthalten Glucose als Baustein.

Industriell wird Glucose durch Hydrolyse von Stärke erzeugt. Die enzymatische Spaltung mit Glucose-Amylase hat die säurekatalysierte Herstellung weitgehend verdrängt. Als Rohstoffe dienen unter anderem Mais, Kartoffeln, Reis, Weizen, Roggen, Cassava, Süßkartoffeln und Sago. Die Reaktion erfolgt bei pH 4,6–5,2 und 55–60 °C. Enzymatisch erzeugter Glucosesirup enthält mehr als 90 % Glucose in der Trockenmasse; weltweit wurden 2011 jährlich 20 Millionen Tonnen produziert. Maissirup enthält je nach Produkt 20–95 % Glucose in der Trockenmasse, Maltodextrin etwa 20 %.

Glucoseisomerase wandelt einen Teil der Glucose in Fructose um. So entsteht Isoglucose beziehungsweise High Fructose Corn Syrup (HFCS). Fructose ist süßer, besitzt aber wie Glucose einen physiologischen Brennwert von 1563 kJ beziehungsweise 374 kcal je 100 g. Die weltweite Isoglucoseproduktion betrug 2011 acht Millionen Tonnen.

Glucose und Glucosesirup dienen in Lebensmitteln als Süßungs- und Feuchthaltemittel, zur Volumenvergrößerung und für ein weicheres Mundgefühl. Sie werden beispielsweise für Bonbons, Toffee und Fondant verwendet. Glucosequellen wie Traubensaft und Malz werden bei der Herstellung von Wein und Bier zu Ethanol vergoren. Beim trockenen Erhitzen treten Karamellisierung und zusammen mit Aminosäuren die Maillard-Reaktion auf. Industrielle Fermentationen nutzen Glucose außerdem zur Herstellung zahlreicher organischer Säuren und anderer Stoffe. Aus Cellulose gewonnene Glucose kann zu Cellulose-Ethanol als Biokraftstoff vergoren werden.

Aufnahme, Aufbau und Abbau im Körper

Nahrungskohlenhydrate werden durch Glycosidasen zu Glucose abgebaut. Beim Menschen beginnt der Stärkeabbau durch Speichel-Amylase bereits beim Kauen; im Dünndarm spalten unter anderem Maltase, Lactase und Saccharase Zweifachzucker. Im Jejunum gelangt Glucose durch den Natrium/Glucose-Cotransporter SGLT1 sekundär aktiv in Darmepithelzellen und über GLUT2 ins Blut. Über die Pfortader erreicht sie die Leber, wo sie als Glycogen gespeichert werden kann.

In Zellen wird Glucose durch Glucokinase oder Hexokinase zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert und dadurch in der Zelle festgehalten. Die Leber kann es mithilfe der Glucose-6-Phosphatase wieder in freie Glucose umwandeln und ins Blut abgeben. Von den 14 GLUT-Proteinen ist GLUT1 besonders für Nervenzellen und β-Zellen wichtig, GLUT3 für Nervenzellen und GLUT4 für Muskel- und Fettzellen. Die Niere resorbiert etwa 90 % der Glucose über SGLT2 und etwa 3 % über SGLT1.

Die Neubildung von Glucose aus kleineren Molekülen wie Lactat oder bestimmten Aminosäuren heißt Gluconeogenese und verbraucht Energie. Beim Menschen erfolgt sie vor allem in Leber und Niere. Die freie Energie der Bildung von α-D-Glucose beträgt 917,2 kJ·mol⁻¹. Etwa 150 g Glycogen werden in der Leber und 250 g in der Skelettmuskulatur gespeichert. Muskelzellen können daraus gewonnene Glucose nicht als freie Glucose ins Blut abgeben, weil ihnen Glucose-6-Phosphatase fehlt.

Der Abbau erfolgt hauptsächlich über Glycolyse und Pentosephosphatweg. Bei ausreichendem Sauerstoff kann Glucose über oxidative Decarboxylierung, Citratzyklus und Atmungskette vollständig zu Kohlenstoffdioxid und Wasser abgebaut werden. Bei Sauerstoffmangel entsteht in tierischen Zellen durch Milchsäuregärung Lactat; dessen Rückführung zur Leber und erneuter Aufbau zu Glucose gehören zum Cori-Zyklus. Überschüssige Glucose kann den Glycogenspeicher auffüllen oder über Acetyl-CoA in Fettsäuren und Triacylglyceride umgewandelt werden. Der physiologische Brennwert wird je nach Quelle mit 16,2 beziehungsweise 15,7 kJ/g (3,74 kcal/g) angegeben.

Glucose ist zudem Vorläufer zahlreicher Biomoleküle, darunter andere Monosaccharide, Uronsäuren, Aminozucker, nichtessentielle Aminosäuren, Mannitol, Sorbitol, Fettsäuren, Cholesterin und Nukleinsäuren. Sie ist Bestandteil von Glycogen, Glycoproteinen, Glycolipiden, Peptidoglycanen und Glycosiden.

Blutzucker und Erkrankungen

Die Glucosekonzentration im Blut heißt Blutzucker. Bei gesunden Menschen beträgt sie nüchtern etwa 70–100 mg/dl beziehungsweise 4–5,5 mM; im Plasma gemessene Werte liegen etwa 10–15 % höher. Insulin und Inkretine senken, Glucagon erhöht den Glucosespiegel. Auch Adrenalin, Thyroxin, Glucocorticoide, Somatotropin und Adrenocorticotropin erhöhen ihn. Werte über 180 mg/dl in venösem Vollblut gelten als Hyperglykämie, Werte unter 40 mg/dl als Hypoglykämie.

Das Gehirn ist besonders auf Glucose angewiesen. Seine Konzentration liegt normalerweise bei 4–6 mM, während des Fastens bei 2–3 mM. Unter 1 mM treten Verwirrung und bei noch niedrigeren Werten Koma auf. Der glykämische Index vergleicht die Wirkung eines Kohlenhydrats auf den zeitlichen Blutzuckerverlauf mit Glucose, die als 100 definiert ist. Seine klinische Bedeutung ist umstritten, da beispielsweise Fett die Glucoseaufnahme verlangsamt. Die glykämische Last berücksichtigt zusätzlich die verzehrte Menge.

Bei Diabetes mellitus Typ I zerstört eine Autoimmunreaktion die insulinbildenden β-Zellen der Bauchspeicheldrüse. Betroffene müssen Insulin oder Insulinanaloga abhängig von Blutzuckermessungen regelmäßig subkutan zuführen. Diabetes mellitus Typ II ist durch eine erworbene Fehlregulation und Insulinresistenz gekennzeichnet. Je nach Ausprägung werden orale Antidiabetika eingesetzt; regelmäßige Bewegung und die Vermeidung von Übergewicht senken das Erkrankungsrisiko und gehören zur Behandlung. Eine übermäßige Aufnahme glucosehaltiger Lebensmittel kann Übergewicht und in dessen Folge eine nichtalkoholische Fettleberhepatitis im Rahmen des metabolischen Syndroms begünstigen. Bei normaler Energiezufuhr gilt der Glucosekonsum in dieser Hinsicht als unbedenklich.

Nachweis und Messung

Klassische qualitative Nachweise beruhen meist auf der reduzierenden Wirkung der Glucose und werden heute vor allem im Unterricht verwendet. Bei der Fehling-Probe wird Cu²⁺ zu Cu⁺ reduziert; ziegelrotes Kupfer(I)-oxid (Cu₂O) fällt aus. Dabei entsteht entgegen einer verbreiteten Annahme nicht Gluconsäure, sondern zunächst 2-Ketoglucose, die weiter oxidiert wird. Das mildere Benedict-Reagenz ist wegen geringerer Alkalität und besserer Stabilität vorzuziehen. Bei der Tollens-Probe reduziert Glucose Ag⁺ zu elementarem Silber. Die Barfoedsche Probe liefert mit Monosacchariden schnell eine rötliche Färbung und rotbraunes Cu₂O.

Für quantitative Messungen in konzentrierten, weitgehend reinen Lösungen eignet sich Polarimetrie; in Zuckermischungen wird Refraktometrie eingesetzt, etwa bei der Oechsle-Bestimmung. Enzymatische Verfahren verwenden Glucose-Oxidase, die Glucose unter Sauerstoffverbrauch zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid umsetzt. Peroxidase erzeugt anschließend in der Trinder-Reaktion einen violetten Farbstoff. Teststreifen enthalten die Reagenzien in einer Polymermatrix; ihre Färbung kann bei 510 nm reflektometrisch gemessen werden und ermöglicht die Blutzuckerbestimmung durch Laien.

Amperometrische Sensoren bestimmen das entstehende Wasserstoffperoxid durch anodische Oxidation bei 600 mV. Neben Platin-, Gold- und Kohlenstoffnanoröhren-Elektroden werden enzymfreie Cu-CuO-Nanodrähte verwendet; damit wurde eine Nachweisgrenze von 50 µmol/l erreicht. Beim „enzyme wiring“ werden Elektronen über einen molekularen Draht direkt vom Enzym zur Elektrode geleitet.

Komplexe Gemische wie Honig werden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie oder Gaschromatographie, häufig gekoppelt mit Massenspektrometrie, untersucht. Unter Einbeziehung der Isotopenverhältnisse lassen sich zugesetzte Zucker als Honigverfälschung erkennen. Zur Untersuchung der Glucoseaufnahme in lebenden Organismen dienen 2-Desoxy-D-glucose und Fluordesoxyglucose. (¹⁸F)-Fluordesoxyglucose ist der mit Abstand am häufigsten verwendete Tracer der Positronenemissionstomographie in Onkologie und Neurologie.