معرفی همه چیز راجع به شیمی گلوکز

[Mahdi Eng 22940]

گلوکز

 

گلوکز ، يکي از قندهاي مونوساکاريد (تک قندي) است که به نامهاي D- گلوکز ، D- گلوکوپيرانوز ، قند انگور ( grape Suger )، قند ذرت ( Corn Suger )، دکستروز و سرلوز (Cerelose) نيز ناميده مي‌شود. داراي فرمول عمومي C۶H۱۲O۶ است و با داشتن عاملOH بخوبي در آب محلول است. واکنش اکسيداسيون آن در سيستم حياتي جانوران اتفاق مي‌افتد و به همراه توليد آب و CO۲ مقدار زيادي انرژي پديد مي‌آورد.

 

● منابع گلوکز

گلوکز که در طبيعت به حالت آزاد و يا در ترکيب يافت مي‌شود، نه تنها متداولترين قند است، بلکه فراوان‌ترين ترکيب شيميايي طبيعت نيز محسوب مي‌شود. گلوکز در حالت آزاد در اکثر گياهان عالي‌تر ملاحظه مي‌گردد. اين قند ، همراه با D- فروکتوز در غلظتهاي قابل ملاحظه در انگور ، انجير و ساير ميوه‌هاي شيرين و در عسل وجود دارد. همچنين در غلظتهاي کمتر ، مي‌توان آن را در خون و در لنف ملاحظه نمود.

سلولز ، نشاسته و گليکوژن ، تماما از واحدهاي گلوکز تشکيل شده‌اند. همچنين گلوکز بزرگترين جزء ساختماني بسياري از اليگوساريدها بويژه ساکاروز و بسياري از گليکوزيدها را تشکيل مي‌دهد. اين قند را مي‌توان بروش تجارتي از هيدروليز نشاسته ذرت به توسط يک اسيد معدني رقيق تهيه کرد. گلوکز تجاري حاصله ، در حد زيادي در کارخانجات شيريني و مربا و الکل و کمپوت سازي مورد استفاده واقع مي‌شود.

 

● اثبات حلقوي بودن فرمول گلوکز

گلوکز به صورت زنجيري داراي پنج عامل الکلي آلدييدي است. هر چند که گلوکز مانند آلدييدها خاصيت احياکنندگي دارد، يعني مثلا در واکنش تشکيل آيينه نقره (احياي محلول آمونياکي نيترات نقره) شرکت مي‌کند، ولي مطالعات دقيق‌تر نشان مي‌دهند که گلوکز تمام خواص آلدييدها را ندارد، مثلا معرف شيف (Schiff) را ارغواني نمي‌کند. (معرف شيف عبارت از فوشين بي‌رنگ شده بوسيله اسيدسولفورو است که با آلدييدها مجددا رنگين و قرمز مي‌شود) و همچنين با سولفيت سديم رسوب نمي‌دهد.

از اين رو ، امروز معتقدند که در گلوکز و ساير قندهاي ساده ، در اثر واکنش درون مولکولي بين گروه الکلي و گروه کربنيل آلدييدي يا کتني ، يک سيستم حلقوي بوجود مي‌آيد. بدين ترتيب که در مورد گلوکز ، هيدروژن متصل به کربن شماره ۵ ، به اکسيژن عامل آلدييدي منتقل مي‌شود و يک عامل الکلي تشکيل مي‌شود و اتم‌هاي کربن شماره ۱ و شماره ۵ ، از طريق اتم اکسيژن متصل به اتم شماره ۵ ، بهم ارتباط برقرار کرده و يک حلقه شش ضلعي بوجود مي‌آيد که در آن ،‌ مولکول گلوکز داراي ۵ کربن نامتقارن ايزومر نوري خواهد بود.

فرم آلفا و بتاي گلوکز

گلوکز در طبيعت ، قندي راست‌بر و داراي ساختار D و قدرت چرخشي ۵۲,۷+ مي‌باشد. با تشکيل ساختمان حلقوي ، يک مرکز نامتقارن به تعداد مراکز قبلي افزوده مي‌شود و دو ايزومر فضايي جديد که از نظر توان چرخش نور پلاريزه با هم تفاوت دارند، قابل تشخيص خواهند بود. اين دو ايزومر ، بنامهاي آلفا و بتا خوانده مي‌شوند و از نظر خواص فيزيکوشيميايي ، با همديگر تفاوتهايي نشان مي‌دهند.

درجه چرخش نور پلاريزه توسط D- گلوکز و D- گلوکز به ترتيب ۱۱۲,۲+ و ۱۸,۷+ است. دو شکل ايزومري آلفا و بتاي قندها را آنومر (Anomere) مي‌نامند. بر اساس قاعده هادسن (Hudsen) ، اگر عامل OH متصل به کربن شماره يک با عامل CH۲OH متصل به کربن شماره پنج ، موقعيت ترانس داشته باشد، آنومر از نوع آلفا و توان چرخش بيشتري را نشان مي‌دهد. اما اگر دو فرم ذکر شده نسبت به هم در آرايش سيس باشند، مولکول داراي آنومري بتا خواهد بود.

 

● پديده موتاروتاسيون

هرگاه ايزومرهاي آلفا و بتاي گلوکز را که به صورت خالص تهيه شده‌اند، بطور جداگانه در آب حل کنيم، مشاهده خواهد شد که قدرت چرخشي در طي زمان تغيير کرده و به يک حالت تعادل ۵۲,۷+ مي‌رسد. اين نوع تغيير قدرت چرخشي را موتاروتاسيون (Mutarotation) مي‌نامند. در حالت تعادل دريک محلول گلوکز ، هميشه يک‌سوم مولکول‌ها به شکل آلفا و دوسوم آنها به شکل بتا است.

 

● واکنشهاي گلوکز

▪ اثر اسيدها

مونوساکاريدها در اسيدهاي معدني رقيق و گرم پايدارند، اما تحت اثر اسيدهاي غليظ مانند اسيد سولفوريک ، ساختمان خود را از دست داده، توليد ماده حلقوي به نام فورفورال و مشتقات آن‌را مي‌کنند. بعنوان مثال زماني که گلوکز در اسيدکلريدريک قوي حرارت داده مي‌شود، به ۵- هيدروکسي متيل فورفورال تبديل مي‌شود. فوفورال‌ها در مجاورت فنل‌ها متراکم مي‌شوند و ترکيبات رنگي بوجود مي‌آورند که از آنها در رنگ سنجي قندها استفاده مي‌شود.

▪ اثر بازها

محلول غليظ قليايي‌ها مانند سود يا پتاس ، باعث پليمري‌شدن و يا تجزيه قندها مي‌گردد، ولي قليايي هاي رقيق باعث توتومري قندها و تبديل آنها به يکديگر مي‌شوند. بدين ترتيب ، فروکتوز و گلوکز و مانوزدر محيط قليايي رقيق مي‌توانند به يکديگر تبديل شوند و اين تبديل‌ها با تشکيل شکلهاي حد واسط انولي ، که ان‌ديول‌ها (Enediols) ناميده مي‌شوند، همراه است.

▪ اکسيداسيون

اگر قندها بوسيله اکسيد کننده‌هاي ضعيفي نظير هيپويديدسديم و با توسط آنزيم‌ها بويژه در محل کربن آلدييدي اکسيد شوند، اسيدهاي کربوکسيليک هم ارز بوجود مي‌آورند که به نام اسيدهاي آلدونيک شناخته مي‌شوند. به عنوان مثال ، D- گلوکز به اسيد D- گلوکونيک به فرمول CH۲OH.(CHOH)۴.COOH تبديل مي‌شود. اگر از يک ماده اکسيد کننده قوي‌تر نظير اسيد نيتريک استفاده شود، علاوه بر کربن آلدييدي ، کربن داراي عامل هيدروکسيلي نوع اول نيز اکسيد مي‌شود.

اين دسته از اسيدها با دو عامل کربوکسيل ، اسيدهاي آلداريک يا ساکاريک ناميده مي‌شوند. اسيد D- گلوکاريک به همين ترتيب از D- گلوکز بوجود مي‌آيد.

اگر در منوساکاريدي عامل الکلي نوع اول اکسيد و تبديل به کربوکسيل گردد بدون آنکه عامل آلدييدي اکسيد شود، اسيدهاي اورونيک حاصل مي‌شوند. اين نوع اکسيداسيون در آزمايشگاه بسادگي عملي نيست ولي در موجود زنده انجام مي‌گيرد و اين خود وسيله اي است که مقداري از مواد سمي بدن به شکل ترکيب با اسيدهاي اورونيک به خارج دفع مي‌شوند. اسيد گلوکورونيک که از اکسيداسيون گلوکز بدست مي‌آيد، نمونه اي از اين اسيدها مي‌باشد.

▪ احيا

آلدوزها در حضور آنزيم‌ها و يا در مجاورت هيدروژن و کاتاليزورهاي معدني ، احيا شده به الکل مربوط تبديل مي‌شوند. مثلا فروکتوز و گلوکز در اثر احيا به سوربيتول (الکل هگزا هيدريک ، D- گلوسيتول) تبديل مي‌شوند.

▪ مشتقات گلوکزي بسياري در حالت طبيعي يافت مي‌گردند که برخي از آنها عبارتند از:

ـ D- گلوکز آمين

اين قند در زمانهاي پيش از اين ، به نام “چتيوزامين” مشهور بود و در مولکول آن به جاي گروه هيدروکسيل کربن شماره ۲ ، يک گروه آميني جايگزين شده است. D- گلوکز آمين در بسياري از پلي ساکاريدهاي بافتهاي مهره داران وجود دارد و واحد سازنده کيتين مي‌باشد که در اسکلت خارجي حشرات و سخت پوستان وجود دارد. همچنين اين قند ، در قندهايي با وزن مولکولي بالاتر ، مثل شير انسان و در گليکوپروتيين ها يافت مي‌شود.

ـ گلوکز-۱- فسفات

استر گلوکوپيرانوز است که در آن ، يک گروه فسفات به اتم کربن ۱ قند گلوکز از سوي اتصال &945 يا &946

پيوسته است. اين ترکيب برخلاف گلوکز ۶- فسفات ، قادر به احياي فري سيانيد نيست و به‌سهولت با اسيد ، هيدروليز مي‌شود. يک ترکيب با اهميت بيولوژيکي ، &945-D- گلوکوز پيرانوز-۱- فسفات است که به آن استر کوري (Corister) نيز مي‌گويند.

اين ترکيب بصورت يک ماده حد واسط در گسستگي فسفرولزيي و سنتز پلي‌ساکاريدها (نشاسته و گليکوژن) در گياهان ، جانوران و ميکروارگانيزمها و در سنتز ساکاروز در بعضي از باکتري‌ها دخالت دارد.

ـ گلوکز-۶- فسفات

گلوکز-۶-فسفات ، يک ماده حد واسط کليدي در متابوليزم کربوهيدراتها است. اين ترکيب ، استر گلوکو پيرانوز با فسفات در وضعيت اتم کربن ۶ است. اين ترکيب را مي‌توان از فسفريلاسيون گلوکز با آدنوزين تري فسفات ، بوسيله آنزيمهاي هگزوکيناز (گلوکويناز) تهيه کرد. در مجاورت فسفوگلوکوموتاز ، گلوکز-۶-فسفات با گلوکز-۱-فسفات از مسير گلوکز-۱-۶-دي فسفات که بعنوان يک کوآنزيم عمل مي‌کند، داراي تبديل متقابل است.

ـ گلوکوروينک اسيد

تنها اسيد اوروتيکي است که اغلب در حيوانات مي‌توان مشاهده نمود. اين ماده داراي نقش بيولوژيکي است، يعني تخمير يک گلوکورونوزايد را از طريق ايجاد اتصال بين گروه احيا کننده و گروه SH۲ ، OH و يا NH۲ از ديگر ترکيبات ، انجام مي‌دهد. بدين ترتيب ، مقداري از مواد سمي بدن به شکل ترکيب با اسيدهاي اورونيک به خارج دفع مي‌شوند.

ـ گلوکز و متابوليسم

اين گلوکز است که نقطه شروع “چرخه مايرهوف- رامبدن” مي‌باشد، چرخه اي که کانال و مجراي اساسي تجزيه “مونوساکاريدها” در ماهيچه‌ها و در تخميرهاي ميکروبي و تبديل به پيرويک اسيد مي‌باشد. هگزوزهاي ديگر به ناچار بايستي به گلوکز ايزومري تبديل گردند، آنهم به شکل ۱-فسفريک استر قبل از اينکه وارد اين چرخه شوند.

D- گلوکز ، متابوليت عمده کربوهيدرات در غذاي جانوري است. گلوکز به نحوي رضايت بخش ، تامين کننده حداقل ۵۰% از کل انرژي مورد نياز منازلها و انواع جانوران است. گلوکز بوسيله جذب از روده کوچک وارد جريان خون مي‌شود. اين قند از راه سياهرگ کبدي وارد کبد شده و در آنجا بصورت گليکوژن ذخيره مي‌شود. مضافا قسمت ديگري از اين قند وارد سيستم‌هاي بدن مي‌گردد. چرخه گلوکز در بدن بوسيله کوري‌ها (GT. ، C.F. ، Cori) بصورت زير مي‌باشد:

گلوکز به سهولت بوسيله مخمر تجزيه شده و به الکل اتيليک و دي‌اکسيد کربن تبديل مي‌گردد. همچنين اين قند بوسيله باکتريها متاليز شده و موجب تشکيل انواع فراورده‌ها مانند هيدروژن ، اسيدهاي استيک و بوتيريک ، الکل بوتيل ، استون و بسياري از فراورده‌هاي ديگر مي‌شود.