Glicose
Glucose é um açúcar com a fórmula molecular C6H12O6. A glicose é, em geral, o monossacarídeo mais abundante, uma subcategoria de carboidratos. A glicose é produzida principalmente pelas plantas e pela maioria das algas durante a fotossíntese a partir da água e do dióxido de carbono, usando a energia da luz solar, onde é usada para produzir celulose nas paredes celulares, o carboidrato mais abundante do mundo.
No metabolismo energético, a glicose é a fonte de energia mais importante em todos os organismos. A glicose para o metabolismo é armazenada como um polímero, nas plantas principalmente como amido e amilopectina, e nos animais como glicogênio. A glicose circula no sangue dos animais como açúcar no sangue. A forma natural de glicose é d-glicose, enquanto seu estereoisômero l-glicose é produzido sinteticamente em quantidades comparativamente pequenas e é menos biologicamente ativo. A glicose é um monossacarídeo contendo seis átomos de carbono e um grupo aldeído e, portanto, uma aldohexose. A molécula de glicose pode existir na forma de cadeia aberta (acíclica), bem como na forma de anel (cíclica). A glicose ocorre naturalmente e é encontrada em seu estado livre em frutas e outras partes das plantas. Nos animais, a glicose é liberada a partir da quebra do glicogênio em um processo conhecido como glicogenólise.
A glicose, como solução intravenosa de açúcar, está na Lista de Medicamentos Essenciais da Organização Mundial da Saúde. Também está na lista em combinação com cloreto de sódio.
O nome glicose é derivado do grego antigo γλεῦκος (gleûkos, "vinho, mosto"), de γλυκύς (glykýs, "doce"). O sufixo "-ose" é um classificador químico, denotando um açúcar.
História
A glicose foi isolada pela primeira vez das passas em 1747 pelo químico alemão Andreas Marggraf. A glicose foi descoberta nas uvas por outro químico alemão - Johann Tobias Lowitz - em 1792, e distinguida por ser diferente da cana-de-açúcar (sacarose). Glicose é o termo cunhado por Jean Baptiste Dumas em 1838, que tem prevalecido na literatura química. Friedrich August Kekulé propôs o termo dextrose (do latim dexter, que significa "certo"), porque em solução aquosa de glicose, o plano de luz polarizada linearmente é virado para a direita. Em contraste, a l-frutose (uma cetohexose) e a l-glicose direcionam a luz linearmente polarizada para a esquerda. A notação anterior de acordo com a rotação do plano de luz linearmente polarizada (d e l-nomenclatura) foi posteriormente abandonada em favor da d- e l-notação, que se refere à configuração absoluta do centro assimétrico mais distante do grupo carbonila, e em concordância com a configuração de d- ou l-gliceraldeído.
Uma vez que a glicose é uma necessidade básica de muitos organismos, uma compreensão correta de sua composição química e estrutura contribuiu muito para um avanço geral na química orgânica. Esse entendimento ocorreu em grande parte como resultado das investigações de Emil Fischer, um químico alemão que recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1902 por suas descobertas. A síntese da glicose estabeleceu a estrutura do material orgânico e, consequentemente, formou a primeira validação definitiva das teorias de cinética química de Jacobus Henricus van 't Hoff' e os arranjos de ligações químicas em moléculas contendo carbono. Entre 1891 e 1894, Fischer estabeleceu a configuração estereoquímica de todos os açúcares conhecidos e previu corretamente os possíveis isômeros, aplicando a teoria de van 't Hoff' de átomos de carbono assimétricos. Os nomes inicialmente se referiam às substâncias naturais. Seus enantiômeros receberam o mesmo nome com a introdução de nomenclaturas sistemáticas, levando em consideração a estereoquímica absoluta (por exemplo, nomenclatura de Fischer, d/l nomenclatura).
Pela descoberta do metabolismo da glicose, Otto Meyerhof recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1922. Hans von Euler-Chelpin recebeu o Prêmio Nobel de Química junto com Arthur Harden em 1929 por sua "pesquisa sobre a fermentação do açúcar e sua participação de enzimas neste processo". Em 1947, Bernardo Houssay (por sua descoberta do papel da glândula pituitária no metabolismo da glicose e dos carboidratos derivados), bem como Carl e Gerty Cori (por sua descoberta da conversão do glicogênio a partir da glicose) receberam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina. Em 1970, Luis Leloir recebeu o Prêmio Nobel de Química pela descoberta de nucleotídeos de açúcar derivados da glicose na biossíntese de carboidratos.
Propriedades químicas e físicas
A glicose forma sólidos brancos ou incolores que são altamente solúveis em água e ácido acético, mas pouco solúveis em metanol e etanol. Eles derretem a 146 °C (295 °F) (α) e 150 °C (302 °F) (β) e se decompõem a partir de 188 °C (370 °F) com liberação de vários produtos voláteis, deixando finalmente um resíduo de carbono. A glicose tem um valor de pKa de 12,16 a 25 °C (77 °F) em água.
Com seis átomos de carbono, é classificado como uma hexose, uma subcategoria dos monossacarídeos. d-Glucose é um dos dezesseis estereoisômeros da aldohexose. O d-isômero, d-glicose, também conhecido como dextrose, ocorre amplamente na natureza, mas o l-isômero, l-glicose, não. A glicose pode ser obtida pela hidrólise de carboidratos, como açúcar do leite (lactose), açúcar de cana (sacarose), maltose, celulose, glicogênio, etc. A dextrose é comumente fabricada comercialmente a partir de amido de milho nos EUA e Japão, de batata e amido de trigo na Europa, e de amido de tapioca em áreas tropicais. O processo de fabricação usa hidrólise por meio de vaporização pressurizada em pH controlado em um jato seguido de despolimerização enzimática adicional. A glicose não ligada é um dos principais ingredientes do mel.
Estrutura e nomenclatura
A glicose geralmente está presente na forma sólida como um monohidrato com um anel de pirano fechado (hidrato de dextrose). Em solução aquosa, por outro lado, é uma cadeia aberta em pequena extensão e está presente predominantemente como α- ou β-piranose, que se interconvertem. A partir de soluções aquosas, as três formas conhecidas podem ser cristalizadas: α-glucopiranose, β-glucopiranose e β-glucopiranose hidratada. A glicose é um bloco de construção dos dissacarídeos lactose e sacarose (açúcar de cana ou beterraba), de oligossacarídeos como rafinose e de polissacarídeos como amido, amilopectina, glicogênio e celulose. A temperatura de transição vítrea da glicose é de 31 °C (88 °F) e a constante de Gordon-Taylor (uma constante determinada experimentalmente para a previsão da temperatura de transição vítrea para diferentes frações de massa de uma mistura de duas substâncias) é 4,5.
| Formas e projeções de D-glucose em comparação | ||
|---|---|---|
| Projeção de Natta | Projeção de Haworth | |
 |  α...D- Glicofurano
|  βD- Glicofurano
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 α...D- Glucopyran
|  βD- Glucopyran
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| α...D-Glucopyranose em (1) Tollens/Fischer (2) Projeção de Haworth (3) conformação de cadeira (4) vista estereoquímica | ||
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Formulário de cadeia aberta
A forma de cadeia aberta da glicose representa menos de 0,02% das moléculas de glicose em uma solução aquosa em equilíbrio. O restante é uma das duas formas hemiacetais cíclicas. Em sua forma de cadeia aberta, a molécula de glicose tem um esqueleto aberto (em oposição ao cíclico) não ramificado de seis átomos de carbono, onde C-1 faz parte de um grupo aldeído H(C=O)−. Portanto, a glicose também é classificada como uma aldose ou uma aldohexose. O grupo aldeído torna a glicose um açúcar redutor dando uma reação positiva com o teste de Fehling.
Formas cíclicas
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Em soluções, a forma de cadeia aberta da glicose ("D-" ou "L-") existe em equilíbrio com vários isômeros cíclicos, cada um contendo um anel de carbonos fechado por um átomo de oxigênio. Em solução aquosa, no entanto, mais de 99% das moléculas de glicose existem como formas de piranose. A forma de cadeia aberta é limitada a cerca de 0,25%, e as formas de furanose existem em quantidades insignificantes. Os termos "glicose" e "D-glicose" são geralmente usados para essas formas cíclicas também. O anel surge da forma de cadeia aberta por uma reação de adição nucleofílica intramolecular entre o grupo aldeído (em C-1) e o grupo hidroxila C-4 ou C-5, formando uma ligação hemiacetal, −C(OH)H−O−.
A reação entre C-1 e C-5 produz um sistema heterocíclico de seis membros chamado piranose, que é um açúcar monossacarídeo (daí "-ose") contendo um esqueleto de pirano derivatizado. A reação (muito mais rara) entre C-1 e C-4 produz um anel furanose de cinco membros, nomeado após o éter cíclico furano. Em ambos os casos, cada carbono no anel tem um hidrogênio e um hidroxilo ligados, exceto para o último carbono (C-4 ou C-5) onde o hidroxilo é substituído pelo restante da molécula aberta (que é −(C(CH2OH)HOH)−H ou −(CHOH)−H respectivamente).
A reação de fechamento do anel pode dar dois produtos, denotados "α-" e "β-". Quando uma molécula de glicopiranose é desenhada na projeção de Haworth, a designação "α-" significa que o grupo hidroxila ligado a C-1 e o grupo −CH2OH em C-5 encontra-se em lados opostos do plano do anel (um arranjo trans), enquanto "β-" significa que eles estão do mesmo lado do plano (um arranjo cis). Portanto, o isômero de cadeia aberta D-glicose dá origem a quatro isômeros cíclicos distintos: α-D-glucopiranose, β-D-glucopiranose, α- D-glucofuranose e β-D-glucofuranose. Essas cinco estruturas existem em equilíbrio e se interconvertem, e a interconversão é muito mais rápida com a catálise ácida.
O outro isômero de cadeia aberta L-glicose também dá origem a quatro formas cíclicas distintas de L-glicose, cada uma a imagem espelhada da D-glicose correspondente.
O anel de glicopiranose (α ou β) pode assumir várias formas não planares, análogas à "cadeira" e "barco" conformações do ciclohexano. Da mesma forma, o anel de glucofuranose pode assumir várias formas, análogas ao "envelope" conformações do ciclopentano.
No estado sólido, apenas as formas de glicopiranose são observadas.
Alguns derivados da glucofuranose, como 1,2-O-isopropilideno-D-glucofuranose, são estáveis e podem ser obtidos puros como sólidos cristalinos. Por exemplo, reação de α-D-glicose com ácido para-tolilborônico H3C−(C6H4)−B(OH)2 reforma o anel de piranose normal para produzir o éster 4 vezes α-D-glucofuranose-1,2:3,5-bis(p-tolilboronato).
Mutarotação
A mutarrotação consiste em uma reversão temporária da reação de formação do anel, resultando na forma de cadeia aberta, seguida por uma reforma do anel. A etapa de fechamento do anel pode usar um grupo −OH diferente daquele recriado pela etapa de abertura (alternando assim entre as formas piranose e furanose), ou o novo grupo hemiacetal criado em C -1 pode ter a mesma lateralidade ou oposta à original (alternando assim entre as formas α e β). Assim, embora a forma de cadeia aberta seja dificilmente detectável em solução, ela é um componente essencial do equilíbrio.
A forma de cadeia aberta é termodinamicamente instável e isomeriza-se espontaneamente nas formas cíclicas. (Embora a reação de fechamento do anel possa, em teoria, criar anéis de quatro ou três átomos, estes seriam altamente tensos e não são observados na prática.) Em soluções à temperatura ambiente, os quatro isômeros cíclicos se interconvertem em uma escala de tempo de horas, em um processo chamado mutarrotação. Partindo de qualquer proporção, a mistura converge para uma proporção estável de α:β 36:64. A razão seria α:β 11:89 se não fosse pela influência do efeito anomérico. A mutarrotação é consideravelmente mais lenta em temperaturas próximas a 0 °C (32 °F).
Atividade óptica
Seja na água ou na forma sólida, d-(+)-glicose é dextrógiro, o que significa que girará a direção da luz polarizada no sentido horário, conforme visto olhando para a fonte de luz. O efeito é devido à quiralidade das moléculas e, de fato, o isômero da imagem espelhada, l-(−)-glicose, é levógiro (gira a luz polarizada no sentido anti-horário) pelo mesmo quantia. A força do efeito é diferente para cada um dos cinco tautômeros.
Observe que o prefixo d- não se refere diretamente às propriedades ópticas do composto. Isso indica que o centro quiral C-5 tem a mesma lateralidade que o d-gliceraldeído (que foi assim rotulado porque é dextrógiro). O fato de a d-glicose ser dextrorrotatória é um efeito combinado de seus quatro centros quirais, não apenas de C-5; e, de fato, algumas das outras d-aldohexoses são levorotatórias.
A conversão entre os dois anômeros pode ser observada em um polarímetro, pois a α-d-glicose pura tem um ângulo de rotação específico de +112,2° mL/(dm·g), β-d-glicose pura de +17,5° mL/(dm·g). Quando o equilíbrio é alcançado após um certo tempo devido à mutarrotação, o ângulo de rotação é de +52,7° mL/(dm·g). Ao adicionar ácido ou base, essa transformação é muito acelerada. O equilíbrio ocorre através da forma de aldeído de cadeia aberta.
Isomerização
Em hidróxido de sódio diluído ou outras bases diluídas, os monossacarídeos manose, glicose e frutose se interconvertem (através de uma transformação de Lobry de Bruyn–Alberda–Van Ekenstein), de modo que um equilíbrio entre esses isômeros é formado. Esta reação prossegue através de um enediol:
Propriedades bioquímicas
| Metabolismo de monossacarídeos comuns e algumas reações bioquímicas de glicose |
|---|
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A glicose é o monossacarídeo mais abundante. A glicose é também a aldohexose mais amplamente utilizada na maioria dos organismos vivos. Uma possível explicação para isso é que a glicose tem uma tendência menor do que outras aldohexoses de reagir de forma não específica com os grupos amina das proteínas. Esta reação - glicação - prejudica ou destrói a função de muitas proteínas, por ex. na hemoglobina glicada. A baixa taxa de glicação da glicose pode ser atribuída ao fato de ela ter uma forma cíclica mais estável em comparação com outras aldohexoses, o que significa que ela gasta menos tempo do que em sua forma reativa de cadeia aberta. A razão para a glicose ter a forma cíclica mais estável de todas as aldohexoses é que seus grupos hidroxi (com exceção do grupo hidroxi no carbono anomérico da d-glicose) estão em a posição equatorial. Presumivelmente, a glicose é o monossacarídeo natural mais abundante porque é menos glicado com proteínas do que outros monossacarídeos. Outra hipótese é que a glicose, sendo a única d-aldohexose que possui todos os cinco substituintes hidroxi na posição equatorial na forma de β-d-glicose, é mais facilmente acessível a reações químicas, por exemplo, para esterificação ou formação de acetal. Por esta razão, d-glicose também é um bloco de construção altamente preferido em polissacarídeos naturais (glicanos). Os polissacarídeos compostos apenas por glicose são denominados glucanos.
A glicose é produzida pelas plantas através da fotossíntese usando luz solar, água e dióxido de carbono e pode ser usada por todos os organismos vivos como fonte de energia e carbono. No entanto, a maior parte da glicose não ocorre em sua forma livre, mas na forma de seus polímeros, ou seja, lactose, sacarose, amido e outros que são substâncias de reserva energética, e celulose e quitina, que são componentes da parede celular em plantas ou fungos e artrópodes, respectivamente. Esses polímeros, quando consumidos por animais, fungos e bactérias, são degradados em glicose por meio de enzimas. Todos os animais também são capazes de produzir glicose a partir de certos precursores conforme a necessidade. Neurônios, células da medula renal e eritrócitos dependem da glicose para a produção de energia. Em humanos adultos, há cerca de 18 g (0,63 oz) de glicose, dos quais cerca de 4 g (0,14 oz) estão presentes no sangue. Aproximadamente 180–220 g (6,3–7,8 oz) de glicose são produzidos no fígado de um adulto em 24 horas.
Muitas das complicações de longo prazo do diabetes (por exemplo, cegueira, insuficiência renal e neuropatia periférica) são provavelmente devidas à glicação de proteínas ou lipídios. Em contraste, a adição regulada por enzimas de açúcares às proteínas é chamada de glicosilação e é essencial para a função de muitas proteínas.
Captação
A glicose ingerida liga-se inicialmente ao receptor de sabor doce na língua em humanos. Este complexo das proteínas T1R2 e T1R3 permite identificar fontes alimentares contendo glicose. A glicose vem principalmente dos alimentos - cerca de 300 g (11 oz) por dia são produzidos pela conversão dos alimentos, mas também são sintetizados a partir de outros metabólitos nas células do corpo. Em humanos, a quebra dos polissacarídeos contendo glicose ocorre em parte já durante a mastigação por meio da amilase, que está contida na saliva, bem como pela maltase, lactase e sacarase na borda em escova do intestino delgado. A glicose é um bloco de construção de muitos carboidratos e pode ser separada deles usando certas enzimas. As glicosidases, um subgrupo das glicosidases, primeiro catalisam a hidrólise de polissacarídeos contendo glicose de cadeia longa, removendo a glicose terminal. Por sua vez, os dissacarídeos são principalmente degradados por glicosidases específicas em glicose. Os nomes das enzimas degradantes são muitas vezes derivados do poli- e dissacarídeo particular; inter alia, para a degradação de cadeias de polissacarídeos existem amilases (nomeadas após amilose, um componente do amido), celulases (nomeadas após celulose), quitinases (nomeadas após quitina) e muito mais. Além disso, para a clivagem de dissacarídeos, existem maltase, lactase, sucrase, trealase e outros. Em humanos, são conhecidos cerca de 70 genes que codificam glicosidases. Eles têm funções na digestão e degradação de glicogênio, esfingolipídios, mucopolissacarídeos e poli(ADP-ribose). Os seres humanos não produzem celulases, quitinases ou trealases, mas as bactérias da microbiota intestinal sim.
Para entrar ou sair das membranas celulares das células e das membranas dos compartimentos celulares, a glicose requer proteínas especiais de transporte da superfamília facilitadora principal. No intestino delgado (mais precisamente, no jejuno), a glicose é captada no epitélio intestinal com a ajuda de transportadores de glicose por meio de um mecanismo de transporte ativo secundário chamado simporte de íon sódio-glicose via cotransportador sódio/glicose 1 (SGLT1). A transferência adicional ocorre no lado basolateral das células epiteliais intestinais por meio do transportador de glicose GLUT2, bem como a captação em células hepáticas, células renais, células das ilhotas de Langerhans, neurônios, astrócitos e tanócitos. A glicose entra no fígado através da veia porta e é armazenada lá como glicogênio celular. Na célula hepática, ela é fosforilada pela glicocinase na posição 6 para formar a glicose 6-fosfato, que não pode deixar a célula. A glicose 6-fosfatase pode converter a glicose 6-fosfato novamente em glicose exclusivamente no fígado, para que o corpo possa manter uma concentração suficiente de glicose no sangue. Em outras células, a captação ocorre por transporte passivo através de uma das 14 proteínas GLUT. Nos outros tipos de células, a fosforilação ocorre por meio de uma hexoquinase, quando a glicose não consegue mais se difundir para fora da célula.
O transportador de glicose GLUT1 é produzido pela maioria dos tipos de células e é de particular importância para as células nervosas e células β pancreáticas. GLUT3 é altamente expresso em células nervosas. A glicose da corrente sanguínea é captada pelo GLUT4 das células musculares (do músculo esquelético e do músculo cardíaco) e das células adiposas. O GLUT14 é expresso exclusivamente nos testículos. O excesso de glicose é decomposto e convertido em ácidos graxos, que são armazenados como triglicerídeos. Nos rins, a glicose na urina é absorvida via SGLT1 e SGLT2 nas membranas celulares apicais e transmitida via GLUT2 nas membranas celulares basolaterais. Cerca de 90% da reabsorção renal de glicose ocorre via SGLT2 e cerca de 3% via SGLT1.
Biossíntese
Nas plantas e em alguns procariotos, a glicose é um produto da fotossíntese. A glicose também é formada pela quebra de formas poliméricas de glicose como glicogênio (em animais e cogumelos) ou amido (em plantas). A clivagem do glicogênio é chamada de glicogenólise, a clivagem do amido é chamada de degradação do amido.
A via metabólica que começa com moléculas contendo dois a quatro átomos de carbono (C) e termina na molécula de glicose contendo seis átomos de carbono é chamada de gliconeogênese e ocorre em todos os organismos vivos. Os materiais de partida menores são o resultado de outras vias metabólicas. Em última análise, quase todas as biomoléculas vêm da assimilação de dióxido de carbono em plantas e micróbios durante a fotossíntese. A energia livre de formação de α-d-glicose é de 917,2 quilojoules por mol. Em humanos, a gliconeogênese ocorre no fígado e nos rins, mas também em outros tipos de células. No fígado cerca de 150 g (5,3 oz) de glicogênio são armazenados, no músculo esquelético cerca de 250 g (8,8 oz). No entanto, a glicose liberada nas células musculares após a clivagem do glicogênio não pode ser liberada para a circulação porque a glicose é fosforilada pela hexoquinase, e uma glicose-6-fosfatase não é expressa para remover o grupo fosfato. Ao contrário da glicose, não há proteína de transporte para a glicose-6-fosfato. A gliconeogênese permite que o organismo produza glicose a partir de outros metabólitos, incluindo lactato ou certos aminoácidos, enquanto consome energia. As células tubulares renais também podem produzir glicose.
A glicose também pode ser encontrada fora dos organismos vivos no ambiente. As concentrações de glicose na atmosfera são detectadas por meio da coleta de amostras por aeronaves e variam de local para local. Por exemplo, as concentrações de glicose no ar atmosférico do interior da China variam de 0,8 a 20,1 pg/L, enquanto as concentrações de glicose na costa leste da China variam de 10,3 a 142 pg/L.
Degradação da glicose
Em humanos, a glicose é metabolizada pela glicólise e pela via das pentoses fosfato. A glicólise é utilizada por todos os organismos vivos, com pequenas variações, e todos os organismos geram energia a partir da quebra de monossacarídeos. No decorrer do metabolismo, pode ser completamente degradado via descarboxilação oxidativa, o ciclo do ácido cítrico (sinônimo ciclo de Krebs) e a cadeia respiratória em água e dióxido de carbono. Se não houver oxigênio suficiente disponível para isso, a degradação da glicose nos animais ocorre de forma anaeróbica a lactato via fermentação lática e libera muito menos energia. O lactato muscular entra no fígado através da corrente sanguínea em mamíferos, onde ocorre a gliconeogênese (ciclo de Cori). Com um alto suprimento de glicose, o metabólito acetil-CoA do ciclo de Krebs também pode ser usado para a síntese de ácidos graxos. A glicose também é usada para reabastecer os estoques de glicogênio do corpo, que são encontrados principalmente no fígado e no músculo esquelético. Esses processos são regulados por hormônios.
Em outros organismos vivos, outras formas de fermentação podem ocorrer. A bactéria Escherichia coli pode crescer em meios nutritivos contendo glicose como única fonte de carbono. Em algumas bactérias e, na forma modificada, também em archaea, a glicose é degradada pela via Entner-Doudoroff.
O uso de glicose como fonte de energia nas células é feito por respiração aeróbica, respiração anaeróbica ou fermentação. A primeira etapa da glicólise é a fosforilação da glicose por uma hexoquinase para formar glicose 6-fosfato. A principal razão para a fosforilação imediata da glicose é impedir sua difusão para fora da célula, pois o grupo fosfato carregado impede que a glicose 6-fosfato atravesse facilmente a membrana celular. Além disso, a adição do grupo fosfato de alta energia ativa a glicose para subseqüente degradação nas etapas posteriores da glicólise. Em condições fisiológicas, esta reação inicial é irreversível.
Na respiração anaeróbica, uma molécula de glicose produz um ganho líquido de duas moléculas de ATP (quatro moléculas de ATP são produzidas durante a glicólise através da fosforilação no nível do substrato, mas duas são exigidas pelas enzimas usadas durante o processo). Na respiração aeróbica, uma molécula de glicose é muito mais lucrativa na medida em que é gerada uma produção líquida máxima de 30 ou 32 moléculas de ATP (dependendo do organismo).
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- ^ O mapa interativo do caminho pode ser editado no WikiPathways: «GlycolysisGluconeogenesis_WP534» (em inglês).
Células tumorais geralmente crescem relativamente rápido e consomem uma quantidade acima da média de glicose pela glicólise, o que leva à formação de lactato, o produto final da fermentação em mamíferos, mesmo na presença de oxigênio. Isso é chamado de efeito Warburg. Para a absorção aumentada de glicose em tumores, vários SGLT e GLUT são produzidos em excesso.
Na levedura, o etanol é fermentado em altas concentrações de glicose, mesmo na presença de oxigênio (o que normalmente leva à respiração em vez da fermentação). Isso é chamado de efeito Crabtree.
A glicose também pode se degradar para formar dióxido de carbono por meios abióticos. Foi demonstrado que isso ocorre experimentalmente por oxidação e hidrólise a 22 °C e um pH de 2,5.
Fonte de energia
A glicose é um combustível onipresente na biologia. É usado como fonte de energia em organismos, desde bactérias até seres humanos, através de respiração aeróbica, respiração anaeróbica (em bactérias) ou fermentação. A glicose é a principal fonte de energia do corpo humano, por meio da respiração aeróbica, fornecendo cerca de 3,75 quilocalorias (16 quilojoules) de energia alimentar por grama. A quebra de carboidratos (por exemplo, amido) produz mono e dissacarídeos, a maioria dos quais é glicose. Através da glicólise e posteriormente nas reações do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa, a glicose é oxidada para eventualmente formar dióxido de carbono e água, produzindo energia principalmente na forma de ATP. A reação à insulina e outros mecanismos regulam a concentração de glicose no sangue. O valor calórico fisiológico da glicose, dependendo da fonte, é de 16,2 quilojoules por grama ou 15,7 kJ/g (3,74 kcal/g). A alta disponibilidade de carboidratos da biomassa vegetal levou a uma variedade de métodos durante a evolução, especialmente em microrganismos, para utilizar a glicose para energia e armazenamento de carbono. Existem diferenças em que o produto final não pode mais ser usado para produção de energia. A presença de genes individuais e seus produtos gênicos, as enzimas, determinam quais reações são possíveis. A via metabólica da glicólise é utilizada por quase todos os seres vivos. Uma diferença essencial no uso da glicólise é a recuperação do NADPH como um redutor para o anabolismo que, de outra forma, teria que ser gerado indiretamente.
A glicose e o oxigênio fornecem quase toda a energia para o cérebro, portanto sua disponibilidade influencia os processos psicológicos. Quando a glicose está baixa, os processos psicológicos que requerem esforço mental (por exemplo, autocontrole, tomada de decisão com esforço) são prejudicados. No cérebro, que depende de glicose e oxigênio como a principal fonte de energia, a concentração de glicose é geralmente de 4 a 6 mM (5 mM é igual a 90 mg/dL), mas diminui para 2 a 3 mM em jejum. A confusão ocorre abaixo de 1 mM e coma em níveis mais baixos.
A glicose no sangue é chamada de açúcar no sangue. Os níveis de açúcar no sangue são regulados por células nervosas ligadas à glicose no hipotálamo. Além disso, a glicose no cérebro se liga aos receptores de glicose do sistema de recompensa no núcleo accumbens. A ligação da glicose ao receptor doce na língua induz a liberação de vários hormônios do metabolismo energético, seja através da glicose, seja através de outros açúcares, levando a um aumento da captação celular e diminuição dos níveis de açúcar no sangue. Adoçantes artificiais não reduzem os níveis de açúcar no sangue.
O teor de açúcar no sangue de uma pessoa saudável em jejum de curta duração, por ex. após jejum noturno, é de cerca de 70 a 100 mg/dL de sangue (4 a 5,5 mM). No plasma sanguíneo, os valores medidos são cerca de 10 a 15% maiores. Além disso, os valores no sangue arterial são maiores do que as concentrações no sangue venoso, uma vez que a glicose é absorvida pelo tecido durante a passagem pelo leito capilar. Também no sangue capilar, que é frequentemente utilizado para a determinação do açúcar no sangue, os valores são por vezes mais elevados do que no sangue venoso. O conteúdo de glicose no sangue é regulado pelos hormônios insulina, incretina e glucagon. A insulina reduz o nível de glicose, o glucagon aumenta. Além disso, os hormônios adrenalina, tiroxina, glicocorticóides, somatotropina e adrenocorticotropina levam a um aumento no nível de glicose. Há também uma regulação independente de hormônio, que é referida como autorregulação da glicose. Após a ingestão de alimentos, a concentração de açúcar no sangue aumenta. Valores acima de 180 mg/dL no sangue total venoso são patológicos e são denominados hiperglicemia, valores abaixo de 40 mg/dL são denominados hipoglicemia. Quando necessário, a glicose é liberada na corrente sanguínea pela glicose-6-fosfatase a partir da glicose-6-fosfato proveniente do glicogênio hepático e renal, regulando assim a homeostase da concentração de glicose no sangue. Em ruminantes, a concentração de glicose no sangue é menor (60 mg/dL em bovinos e 40 mg/dL em ovinos), porque os carboidratos são mais convertidos por sua microbiota intestinal em ácidos graxos de cadeia curta.
Alguma glicose é convertida em ácido láctico pelos astrócitos, que é então utilizado como fonte de energia pelas células cerebrais; parte da glicose é utilizada pelas células intestinais e hemácias, enquanto o restante chega ao fígado, tecido adiposo e células musculares, onde é absorvida e armazenada como glicogênio (sob a influência da insulina). O glicogênio das células hepáticas pode ser convertido em glicose e devolvido ao sangue quando a insulina está baixa ou ausente; o glicogênio das células musculares não é devolvido ao sangue devido à falta de enzimas. Nas células de gordura, a glicose é usada para alimentar reações que sintetizam alguns tipos de gordura e têm outras finalidades. O glicogênio é o "armazenamento de energia de glicose" do corpo. mecanismo, porque é muito mais "espaço eficiente" e menos reativo que a própria glicose.
Como resultado de sua importância na saúde humana, a glicose é um analito em testes de glicose que são exames de sangue médicos comuns. Comer ou jejuar antes de colher uma amostra de sangue tem efeito nas análises de glicose no sangue; um alto nível de glicose no sangue em jejum pode ser um sinal de pré-diabetes ou diabetes mellitus.
O índice glicêmico é um indicador da velocidade de reabsorção e conversão em níveis de glicose no sangue dos carboidratos ingeridos, medido como a área sob a curva dos níveis de glicose no sangue após o consumo em comparação com a glicose (a glicose é definida como 100). A importância clínica do índice glicêmico é controversa, pois alimentos com alto teor de gordura retardam a reabsorção de carboidratos e diminuem o índice glicêmico, por exemplo. sorvete. Um indicador alternativo é o índice de insulina, medido como o impacto do consumo de carboidratos nos níveis de insulina no sangue. A carga glicêmica é um indicador da quantidade de glicose adicionada aos níveis de glicemia após o consumo, com base no índice glicêmico e na quantidade de alimentos consumidos.
Precursor
Os organismos usam a glicose como precursor para a síntese de várias substâncias importantes. Amido, celulose e glicogênio ("amido animal") são polímeros de glicose comuns (polissacarídeos). Alguns desses polímeros (amido ou glicogênio) servem como estoques de energia, enquanto outros (celulose e quitina, que é feita a partir de um derivado da glicose) têm funções estruturais. Os oligossacarídeos de glicose combinados com outros açúcares servem como importantes reservas de energia. Estes incluem a lactose, o açúcar predominante no leite, que é um dissacarídeo glicose-galactose, e a sacarose, outro dissacarídeo composto de glicose e frutose. A glicose também é adicionada a certas proteínas e lipídios em um processo chamado glicosilação. Isso geralmente é crítico para o seu funcionamento. As enzimas que ligam a glicose a outras moléculas geralmente usam a glicose fosforilada para potencializar a formação da nova ligação, acoplando-a com a quebra da ligação glicose-fosfato.
Além de seu uso direto como monômero, a glicose pode ser quebrada para sintetizar uma ampla variedade de outras biomoléculas. Isso é importante, pois a glicose serve tanto como reserva primária de energia quanto como fonte de carbono orgânico. A glicose pode ser quebrada e convertida em lipídios. É também um precursor para a síntese de outras moléculas importantes, como a vitamina C (ácido ascórbico). Nos organismos vivos, a glicose é convertida em vários outros compostos químicos que são o material de partida para várias vias metabólicas. Entre eles, todos os outros monossacarídeos, como frutose (através da via do poliol), manose (o epímero da glicose na posição 2), galactose (o epímero na posição 4), fucose, vários ácidos urônicos e os aminoácidos são produzidos a partir da glicose. Além da fosforilação a glicose-6-fosfato, que faz parte da glicólise, a glicose pode ser oxidada durante sua degradação a glucono-1,5-lactona. A glicose é usada em algumas bactérias como um bloco de construção na trealose ou na biossíntese de dextrana e em animais como um bloco de construção de glicogênio. A glicose também pode ser convertida de xilose isomerase bacteriana em frutose. Além disso, os metabólitos da glicose produzem todos os aminoácidos não essenciais, álcoois de açúcar, como manitol e sorbitol, ácidos graxos, colesterol e ácidos nucléicos. Finalmente, a glicose é usada como bloco de construção na glicosilação de proteínas em glicoproteínas, glicolipídios, peptidoglicanos, glicosídeos e outras substâncias (catalisadas por glicosiltransferases) e pode ser dissociada por glicosidases.
Patologia
Diabetes
Diabetes é um distúrbio metabólico em que o corpo é incapaz de regular os níveis de glicose no sangue devido à falta de insulina no corpo ou à falha das células do corpo em responder adequadamente à insulina. Cada uma dessas situações pode ser causada por elevações persistentemente altas dos níveis de glicose no sangue, por esgotamento pancreático e resistência à insulina. O pâncreas é o órgão responsável pela secreção dos hormônios insulina e glucagon. A insulina é um hormônio que regula os níveis de glicose, permitindo que as células do corpo absorvam e usem a glicose. Sem ela, a glicose não pode entrar na célula e, portanto, não pode ser usada como combustível para as funções do corpo. Se o pâncreas for exposto a elevações persistentemente altas dos níveis de glicose no sangue, as células produtoras de insulina no pâncreas podem ser danificadas, causando falta de insulina no corpo. A resistência à insulina ocorre quando o pâncreas tenta produzir mais e mais insulina em resposta aos níveis de glicose no sangue persistentemente elevados. Eventualmente, o resto do corpo torna-se resistente à insulina que o pâncreas está produzindo, exigindo assim mais insulina para atingir o mesmo efeito de redução da glicose no sangue e forçando o pâncreas a produzir ainda mais insulina para competir com a resistência. Essa espiral negativa contribui para o esgotamento pancreático e a progressão da doença do diabetes.
Para monitorar a resposta do corpo à terapia de redução da glicose no sangue, os níveis de glicose podem ser medidos. O monitoramento da glicemia pode ser realizado por vários métodos, como o teste de glicemia de jejum que mede o nível de glicose no sangue após 8 horas de jejum. Outro teste é o teste de tolerância à glicose de 2 horas (GTT) - para este teste, a pessoa faz um teste de glicose em jejum, depois bebe uma bebida de 75 gramas de glicose e é testada novamente. Este teste mede a capacidade do corpo da pessoa de processar glicose. Com o tempo, os níveis de glicose no sangue devem diminuir, pois a insulina permite que ela seja absorvida pelas células e saia da corrente sanguínea.
Gerenciamento da hipoglicemia
Indivíduos com diabetes ou outras condições que resultam em baixo nível de açúcar no sangue geralmente carregam pequenas quantidades de açúcar em várias formas. Um açúcar comumente usado é a glicose, muitas vezes na forma de comprimidos de glicose (glicose prensada em forma de comprimido, às vezes com um ou mais ingredientes como aglutinante), balas ou pacotes de açúcar.
Produção comercial
A glicose é produzida industrialmente a partir do amido por hidrólise enzimática usando glicose amilase ou pelo uso de ácidos. A hidrólise enzimática deslocou amplamente as reações de hidrólise catalisadas por ácido. O resultado é o xarope de glicose (enzimaticamente com mais de 90% de glicose na matéria seca) com um volume de produção mundial anual de 20 milhões de toneladas (dados de 2011). Esta é a razão do antigo nome comum "açúcar de amido". As amilases geralmente vêm de Bacillus licheniformis ou Bacillus subtilis (cepa MN-385), que são mais termoestáveis que as enzimas originalmente usadas. A partir de 1982, as pululanases de Aspergillus niger foram usadas na produção de xarope de glicose para converter amilopectina em amido (amilose), aumentando assim o rendimento de glicose. A reação é realizada a um pH = 4,6–5,2 e uma temperatura de 55–60 °C. O xarope de milho tem entre 20% e 95% de glicose na matéria seca. A forma japonesa do xarope de glicose, Mizuame, é feita de batata-doce ou amido de arroz. A maltodextrina contém cerca de 20% de glicose.
Uso comercial
Análise
Quando uma molécula de glicose deve ser detectada em uma determinada posição em uma molécula maior, espectroscopia de ressonância magnética nuclear, análise de cristalografia de raios X ou imunocoloração de lectina é realizada com conjugado de enzima repórter concanavalina A, que se liga apenas à glicose ou manose.
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