گلوکز چیست؟ — به زبان ساده

گلوکز (Glucose) ترکیبی است که در گروه مونوساکاریدها یا قندهای ساده قرار دارد. فرمول شیمیایی این قند (C₆H₁₂O₆) است. گلوکز مهم‌ترین قند آزاد در گردش خون جانوران به شمار می‌آید، جانوران از این قند به عنوان سوخت برای مغز، سلول‌های سیستم عصبی و گلبول‌های قرمز استفاده می‌کنند. این قند به عنوان فراوان‌ترین ترکیب شیمیایی نیز شناخته می‌شود.

به عنوان یک سوبسترای جهانی (مولکولی که آنزیم بر روی آن کاتالیز انجام می‌دهد) برای تولید انرژی سلولی، گلوکز مهم‌ترین مولکول در متابولیسم تمام موجودات زنده محسوب می‌شود.

گلوکز یکی از محصولات اصلی فرایند فتوسنتز است، فتوسنتز فرایندی است که طی آن موجودات فتواتوتروف مانند گیاهان و جلبک‌ها انرژی نور خورشید را به انرژی شیمیایی پتانسیل ذخیره شده در سلول تبدیل می‌کنند.

فیلم آموزش علوم تجربی – پایه هفتم در فرادرس

کلیک کنید

گلوکز، ترکیب اصلی برای آغاز تنفس سلولی به شمار می‌آید، در تنفس سلولی پیوندهای شیمیایی مولکول‌های پرانرژی مانند گلوکز به انرژی قابل استفاده برای فرایندهای حیاتی سلول تبدیل می‌شوند.

گلوکز به عنوان نمونه مهمی از کمپلکس‌های مشترک در گیاهان و جانوران محسوب می‌شود. گیاهان انرژی نور خورشید را درون مولکول‌های گلوکز به دام می‌اندازند و آن را به مولکول‌های یپیچیده مانند نشاسته یا سلولز تبدیل می‌کنند که توسط جانوران مورد مصرف قرار می‌گیرد و در بدن آن‌ها دوباره به گلوکز تبدیل و به سلول‌ها تحویل داده می‌شود و در واقع از انرژی خورشیدی ذخیره شده در این مولکول برای انجام فعالیت‌های متابولیکی خود استفاده می‌کنند.

به عنوان مثال گاوها با خوردن علف‌ها و گیاهان، به عنوان منابع سلولز، آن‌ها را در معده چهار بخشی خود شکسته و تبدیل به گلوکز می‌کنند. برخی از این گلوکزها وارد شیر آن‌ها می‌شود که توسط انسان به مصرف می‌رسد.

علاوه بر این که گلوکز برای بدن انسان و سلول‌های مغزی حیاتی است، این مولکول برای حفظ سطح گلوکز خون (قند خون) بسیار اهمیت دارد. در افراد مبتلا به دیابت سطح قند خون بسیار بالا می‌رود و مهم‌ترین روش درمانی برای این بیماران کنترل رژیم غذایی و تنظیم گلوکز دریافتی است. روش‌های درمانی گلوکز بسیار پیچیده است و چندین برنامه مختلف باید همزمان انجام شود تا قند خون در این بیماران به حالت کنترل برسد، از جمله این روش‌ها می‌توان به رژیم غذایی مخصوص، ورزش، مصرف داروها، کنترل استرس و سایر موارد مراقبتی  اشاره کرد.

تمام کربوهیدرات‌های موجود در مواد غذایی، دارای گلوکز هستند. گلوکز در این کربوهیدرات‌ها می‌تواند به عنوان تنها واحدهای سازنده باشد یا این که در کنار سایر مونوساکاریدها در ترکیب این کربوهیدارت‌ها به کار رود. به عنوان مثال ساکاروز (شکر) از دو قند گلوکز و فروکتوز تشکیل شده و لاکتوز که قند موجود در شیر است از گلوکز و گالاکتوز ساخته شده است. درباره کربوهیدرات‌ها، ساختار و عملکرد آن‌ها در پست کربوهیدرات چیست ؟ — اجزا، ساختار، عملکرد و متابولیسم — آنچه باید بدانید به صورت مفصل پرداخته‌ایم که پیشنهاد می‌کنیم برای مطالعه آن + اینجا کلیک کنید.

«دکستروز» (Dextrose) قند ساده و مونوساکارید است که ساختاری یکسان با گلوکز دارد و در صنایع غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در واقع دکستروز ایزومر D- گلوکز است.

ساختمان مولکول گلوکز

قند‌ها براساس دو ویژگی خود طبقه‌بندی می‌شوند:

• تعداد اتم‌های کربن
• نوع گروه عملکردی یا گروه عاملی (آلدهید یا گروه کتون)

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

گلوکز دارای شش اتم کربن است (قندهای شش کربنی هگزوز نامیده می‌شوند) و یک گروه عاملی آلدهید (-CHO) دارد، از این رو به عنوان «آلدوهگزوز» (Aldohexose) نامیده می‌شود.

مولکول گلوکز می‌تواند به شکل زنجیره باز (غیرحلقوی) و یک زنجیره بسته (حلقوی) وجود داشته باشد. در محلول و در pH خنثی، فرم حلقوی به عنوان شکل غالب قند شناخته می‌شود. هنگامی‌ که گلوکز به شکل حلقوی وجود دارد، گروه عاملی آن به صورت آزاد قرار ندارد و همین امر باعث می‌شود این مولکول کمتر با سایر ترکیبات وارد واکنش شود.

به همین دلیل است که بر خلاف یک مونوساکارید دیگر مانند فروکتوز در واکنش‌های مهم و حیاتی مانند متابولیسم از گلوکز استفاده می‌شود، در واقع گلوکز یکی از پایدارترین قندها در بدن به شمار می‌آید.

ایزومر‌ها

گلوکز چهار مرکز نوری دارد، به این معنی که به صورت تئوری گلوکز می‌تواند ایزومر فضایی نوری داشته باشد. تنها هفت مورد از این ایزومرها در موجودات زنده یافت می‌شوند و از این ایزومرها گالاکتوز (Gal) و مانوز (Man) مهمترین آن‌ها به شمار می‌آیند. این هشت ایزومر (از جمله خود گلوکز) همگی نسبت به یکدیگر «دیاستریوایزومر» (diastereoisomers) هستند (یعنی این ایزومرها انانتیومر یا ایزومر نوری یکدیگر و تصاویر آینه‌ای هم نیستند) و همه این هشت ایزومر متعلق به سری D هستند.

اشکال مختلف گلوکز

دو شکل ایزومر فضایی از گلوکز وجود دارد، به طوری که L - گلوکز و D - گلوکز دو شکل مختلف از گلوکز هستند که انانتیومر یا تصویر آینه‌ای یکدیگر به شمار می‌آیند. فرمول شیمیایی هر دوی این مولکول‌ها یکسان است و تنها تفاوت ساختاری بین این دو مولکول وجود دارد. به طوری که وقتی گروه هیدروکسیل کربن ۵ در سمت راست مولکول قرار دارد، D - گلوکز ایجاد می‌شود و زمانی که گروه هیدروکسیل کربن ۵ در سمت چپ مولکول باشد، L - گلوکز ایجاد می‌شود. قند D - گلوکز در بسیاری از فرایندهای متابولیکی نقش دارد.

علاوه بر این ایزومر، گلوکزها در حالتی که دارای ساختار حلقوی هستند نیز ایزومرهایی را تشکیل می‌دهند. این دو ایزومر از نظر چرخش نور پلاریزه با هم متفاوت هستند. به این ایزومزها «انومر» (Anomere) می‌گویند که به گلوکزهای آلفا و بتا معروف هستند.

منابع طبیعی گلوکز

در این بخش به معرفی منابعی در طبیعت که می‌توانند گلوکز تولید کنند، می‌پردازیم:

• تبدیل انرژی نوری به انرژی شیمیایی: گلوکز یکی از محصولات فتوسنتز در گیا‌هان و جلبک‌ها و همچنین برخی باکتری‌ها و آغازیان به شمار می‌آید.
• تجزیه اشکال ذخیره سازی گلوکز: از طریق فرآیندی که به عنوان گلیکوژنولیز شناخته می‌شود، گلوکز با شکستن و تجزیه گلیکوژن که فرم ذخیره سازی گلوکز در حیوانات و قارچ‌ها به شمار می‌آید، حاصل می‌شود. گلیکوژن یک منبع انرژی کمکی است که در صورت نیاز جانداران به انرژی، مجددا به گلوکز شکسته و تجزیه می‌شود. در گیا‌هان، گلوکز به صورت مولکول‌ها و پلیمرهای بزرگ نشاسته ذخیره می‌شود.

• سنتز گلوکز از ترکیبات غیر‌کربوهیدرات‌: هنگامی‌ که گلوکز از رژیم غذایی تأمین نشده و ذخایر گلیکوژن کاهش یافته باشند، حیوانات ممکن است گلوکز را در کبد و به میزان کمتری در کلیه‌ها از ترکیبات حد واسط غیرکربوهیدراتی تولید کنند. لاکتات موجود در عضله فعال اسکلتی، اسید‌های آمینه تشکیل دهنده پروتئین‌های رژیم غذایی یا پروتئین موجود در ماهیچه و گلیسرول مشتق شده از تجزیه چربی‌ها، ممکن است در سنتز گلوکز (گلوکونوژنز) نقش داشته باشند.

عملکرد گلوکز

از آنجا که غشای سلولی در برابر گلوکز قابل نفوذ است، سلول نمی‌تواند گلوکز خالص را در هر غلظتی بالاتر از غلظت موجود در جریان خون جمع‌آوری کند. با این وجود سلول‌ها می‌توانند  گلوکز را در خود ذخیره و نگهداری کنند، زیرا آنزیمی در سلول‌ها وجود دارد که ‌با افزودن یک گروه فسفات (فسفوریلاسیون) به مولکول گلوکز، آن را اصلاح می‌کند. از آنجا که غشای سلولی نسبت به این شکل اصلاح شده گلوکز که گلوکز -6- فسفات نام دارد، غیرقابل نفوذ است، این فرآیند به طور موثری گلوکز را درون سلول به دام می‌اندازد و امکان بازیابی بیشتر آن از جریان خون را فراهم می‌کند. گلوکز -6- فسفات، به نوبه خود، بسته به شرایط خاص درون سلول و نیاز‌های کلی ارگانیسم می‌تواند برای سه عملکرد اصلی مورد استفاده قرار گیرد.

گلوکز منبع اصلی انرژی است

گلوکز یک سوخت سلولی است که در تمام مباحث زیست شناسی مورد توجه قرار گرفته است. در صورت نیاز به انرژی شیمیایی، گلوکز از طریق فرآیند موسوم به گلیکولیز به پیروات تبدیل می‌شود که منبع انرژی برخی ارگانیسم‌ها به نام بی‌هوازی‌های اجباری به شمار می‌آید که قادر به استفاده از اکسیژن برای سوخت و ساز نیستند. با این حال، در ارگانیسم‌های هوازی، پیروات به طور معمول به واکنش‌های چرخه اسید سیتریک یا چرخه کربس و زنجیره انتقال الکترونی می‌رود و در نهایت CO₂ و آب را تشکیل می‌دهد. واکنش‌های بعد از تولید پیروات حدود 18 برابر بیشتر از گلیکولیز انرژی تولید می‌کنند و اغلب این انرژی به شکل ATP به وجود می‌آید.

گلوکز در سنتز غیر کربوهیدرات‌ها نقش دارد

در صورت نیاز سلول به اسکلت‌های کربنی، گلوکز و متابولیت‌های آن نیز می‌توانند در ساخت آن‌ها شرکت کنند. یعنی گلوکز علاوه بر نقش خود در مسیر‌های کاتابولیکی که مولکول‌ها را به اجزای کوچکتر تجزیه کرده و می‌شکند، در سنتز مولکول‌های پیچیده (آنابولیسم) نیز شرکت می‌کند. به عنوان مثال، گلوکز -6- فسفات می‌تواند وارد مسیر «پنتوز فسفات» (Pentose Phosphate) شود. این مسیر باعث تولید قند پنج کربنی ریبوز (پنتوز) می‌شود که برای سنتز نوکلئوتید‌ها، بلوک‌های ساختاری اسید‌های نوکلئیک DNA و RNA مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در گیا‌هان و اکثر حیوانات (به استثنای خوکچه هندی و پستاندارانی مانند انسان)، گلوکز پیش ماده تولید ویتامین C (اسید اسکوربیک) است. پلیمر‌های گلوکز همچنین ممکن است به پروتئین‌ها (برای تشکیل گلیکوپروتئین‌ها) یا لیپید‌ها (برای تشکیل گلیکولیپید‌ها) وصل شوند. علاوه بر این، زنجیره‌های قند ممکن است برای کمک به پروتئین‌ها در فولدینگ و ایجاد ساختارهای سه بعدی، تقویت پایداری پروتئین‌ها و چربی‌های غشایی، یا به عنوان مکان‌های شناسایی مواد شیمیایی خاص وارد عمل شوند.

گلوکز بخشی از ترکیبات تشکیل دهنده کربوهیدرات‌ها است

هنگامی ‌که ارگانیسم از ذخایر ATP و گلوکز فراوان برخوردار است، می‌تواند یک یا چند پلیمر متداول گلوکز (پلی ساکارید‌ها) را بسازد. این پلی ساکاریدها شامل گلیکوژن در حیوانات و نشاسته و سلولز در گیا‌هان هستند. گلیکوژن و نشاسته به عنوان مولکول‌های ذخیره انرژی در ارگانیسم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، در حالی که سلولز در گیاهان نقش اساسی در ساختمان آن‌ها بر عهده دارد.

تنظیم قند خون

با توجه به اهمیت گلوکز به عنوان سوخت مورد نیاز سلول‌های مغز، داشتن سطح قند خون ثابت (که به طور معمول بین 4‎‎٫4 تا 6٫7 میلی‌مول در یک مرد بالغ محاسبه شده است) برای حفظ سلامتی و بقا انسان از اهمیت ویژه‌‌ای برخوردار است.

فیلم آموزش مقدماتی فیزیولوژی Physiology – به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

غلظت گلوکز خون به طور عمده از طریق عمل هورمون‌ها تنظیم می‌شود. به طور خاص، هورمون انسولین جریان گلوکز را از خون به سلول‌های کبد، ماهیچه و چربی (ذخیره چربی) هدایت می‌کند. همچنین باعث افزایش سنتز گلیکوژن در هنگام تامین نیاز‌ انرژی بدن می‌شود (به عنوان مثال، بعد از مصرف غذا).

هنگامی ‌که سطح قند خون کاهش می‌یابد (به عنوان مثال، چند ساعت بعد از مصرف غذا)، گلوکاگون و اپی نفرین (همچنین به عنوان آدرنالین نیز شناخته می‌شود) گلوکز را از فرم ذخیره‌ای آن به عنوان گلیکوژن در بافت کبد و ماهیچه بازیابی می‌کنند. سطح پایین انسولین در این حالت همچنین به معنای کاهش ورود قند به سلول‌های ماهیچه‌ای و چربی است، به طوری که این سلول‌ها به سمت استفاده از سوخت‌های غیرکربوهیدراتی روی می‌آورند.

کبد به عنوان مکان اصلی کنترل کننده میزان قند خون به شمار می‌آید و توانایی پاسخگویی به سیگنال‌های هورمونی را دارد که نشان دهنده کاهش یا بالا رفتن سطح قند خون است. یکی از مهمترین کارکرد‌های کبد تولید گلوکز برای گردش خون است.

سطح پایین قند خون یا «هیپوگلیسمی» (Hypoglycemia) می‌تواند منجر به اختلال در عملکرد سیستم عصبی مرکزی شود که ممکن است خود را با علائمی مانند سرگیجه، مشکلات گفتار یا حتی از دست دادن هوشیاری نشان دهد.

‌«هایپرگلیسمی» (Hyperglycemia) ‌یا قند خون بالا که مشخصه دیابت است، حاکی از تولید بیش از حد گلوکز توسط سلول‌های کبدی است که همراه با عدم توانایی سلول‌های دیگر در استفاده از گلوکز ایجاد می‌شود. بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 برای بقای خود به منابع خارجی انسولین وابسته هستند، زیرا (در بیشتر موارد) سیستم خود ایمنی آن‌ها سلول‌های موجود در لوزالمعده که انسولین ترشح می‌کنند را از بین می‌برد. بیماران مبتلا به دیابت نوع 2 که شایع‌ترین نوع دیابت در دنیای امروز محسوب می‌شود، ممکن است دچار اختلالاتی نظیر تولید کم انسولین و یا مقاومت در برابر اثرات آن باشند.

تولید تجاری گلوکز

گلوکز از طریق تجزیه نشاسته در یک فرآیند کاتالیز شده با آنزیم به نام واکنش هیدرولیز (یک واکنش شیمیایی که در آن یک مولکول از طریق افزودن آب به دو قسمت تقسیم می‌شود) تولید می‌شود. این فرآیند آنزیمی‌ دو مرحله دارد:

• در طی یک تا دو ساعت در دمای نزدیک به 100 درجه سانتی‌گراد، آنزیم‌ها نشاسته را به کربوهیدرات‌های کوچکتر تقسیم می‌کنند که به طور متوسط 5 - 10 واحد گلوکز دارند.
• در مرحله دوم که به عنوان «ساکاریفیکاسیون» (Saccharification) شناخته می‌شود، نشاسته‌ای که به صورت جزئی هیدرولیز شده با استفاده از آنزیم گلوکوآمیلاز از قارچ آسپرژیلوس نایجر (Aspergillus niger) کاملاً هیدرولیز می‌شود. شرایط این واکنش به طور کلی شامل دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد و pHای برابر با ۴ تا ۴٫۵ و همچنین غلظت کربوهیدرات 30 - 35 درصد وزنی است. در این شرایط، نشاسته می‌تواند بعد از یک تا چهار روز، با عملکرد 96 درصدی به گلوکز تبدیل شود.

محلول قند حاصل از این واکنش سپس با فیلتراسیون، تخلیص می‌شود و طی فرایندهای متوالی تبخیر، مورد تغلیظ قرار می‌گیرد. گلوکز جامد از نوع D، سرانجام با تبلور‌های مکرر تولید می‌شود.

بسیاری از محصولات زراعی از جمله ذرت، برنج، گندم، سیب زمینی، کاساو و ساگو می‌توانند به عنوان منبع نشاسته در تولید تجاری گلوکز مورد استفاده قرار گیرند.