Glucose

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Glucose
Beta-D-glucose-2D-skeletal-hexagon.png   Beta-D-glucose-3D-vdW.png
β-D-Glucopyranose : représentations hexagonale et 3D

Alpha-D-Glucose.svgBeta-D-Glucose.svg
α-D-Glucopyranose   et   β-D-glucopyranose

DGlucose Fischer.svg         Beta-D-Glucopyranose.svg
Projection de Fischer et projection de Haworth
Identification
Nom UICPA D-glucose et β-D-glucopyranose
Synonymes

(2R,3S,4R,5R)-2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal et forme cyclique : (2R,3R,4S,5S,6R)-6-(hydroxyméthyl)oxane-2,3,4,5-tétrol
D-Glc et β-D-Glcp
Dextrose
Cérélose

No CAS 58367-01-4 (DL-Glucose)

50-99-7 (D(+)-Glucose)
492-62-6 (α-D-Glucopyranose)
492-61-5 (β-D-Glucopyranose)
36468-84-5 (α-D-Glucofuranose)
30412-16-9 (β-D-Glucofuranose)

50-99-7 (L-Glc)
921-60-8 (α/β-L-Glcp)
No EINECS 200-075-1 (D-Glc)
213-068-3 (L-Glc)
218-914-5 (D-Glc)
Code ATC V04CA02
PubChem 107526 (D-Glc)

5793 (α/β-D-Glcp)

79025 (α-D-Glcp)
SMILES
InChI
Apparence poudre blanche au goût sucré[1]
Propriétés chimiques
Formule brute C6H12O6  [Isomères]
Masse molaire[2] 180,1559 ± 0,0074 g/mol
C 40 %, H 6,71 %, O 53,29 %,
Propriétés physiques
fusion 146 °C (α,D), 150 °C (β,D)
Solubilité Dans l'eau : 900 g·l-1[3]
Masse volumique 1,544 g·ml-1 (25 °C)[4]
Thermochimie
ΔfH0solide -1273,3 kJ.mol-1
Précautions
SIMDUT[5]

Produit non contrôlé
Inhalation Toux.
Yeux Rougeur.
Écotoxicologie
LogP -3,3[1]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le glucose est un sucre de formule brute C6H12O6. Le mot « glucose » provient du grec ancien τὸ γλεῦκος / gleukos qui désignait les vins doux ou liquoreux, voire le moût. Le suffixe -ose est un classificateur chimique précisant qu'il s'agit d'un glucide. Comme il ne peut être hydrolysé en glucides plus simples, il s'agit d'un ose, ou monosaccharide. La présence d'un groupe aldéhyde dans sa forme linéaire en fait un aldose. Comme il contient six atomes de carbone, il s'agit également d'un hexose ; comme c'est également un aldose, il s'agit d'un aldohexose.

L'isomère D, également appelé dextrose, est très répandu dans le milieu naturel, tandis que l'isomère L y est très rare. L-Glucose et D-glucose sont deux des 16 stéréoisomères d'aldohexoses. Le D-glucose est notamment synthétisé par de nombreux organismes à partir d'eau et de dioxyde de carbone en présence d'énergie lumineuse grâce à la photosynthèse. À l'inverse, la dégradation du glucose, qui libère du dioxyde de carbone et de l'eau au cours de la respiration cellulaire, est une source d'énergie très importante pour les cellules vivantes.

Le glucose est stocké chez les plantes sous forme d'amidon et, chez les animaux, sous forme de glycogène, qui peuvent être hydrolysés à tout moment pour redonner des molécules de glucose prêtes à être dégradées en fournissant de l'énergie dès que la cellule en a besoin. Le glucose circule à travers l'organisme dans le sang, et la concentration de glucose dans le plasma sanguin s'appelle la glycémie.

Histoire et étymologie[modifier | modifier le code]

Le glucose a été isolé en 1747 à partir du raisin par le chimiste allemand Andreas Marggraf. En 1812, Constantin Kirchhoff parvient à transformer l'amidon en sucre (en sirop de maïs), par chauffage avec de l'acide sulfurique[6]. En 1838, un comité de l'Académie des sciences composé des chimistes et physiciens français Thénard, Gay-Lussac, Biot et Dumas, décide d'appeler le sucre se trouvant dans le raisin, dans l'amidon, et dans le miel du nom de glucose, en fournissant comme étymologie le grec gleukos, vin doux[7]. Émile Littré ayant donné une autre étymologie, l'adjectif γλυκύς / glukus (« de saveur douce »), la racine habituelle est devenue glyc- (l'upsilon grec donnant un y), comme dans glycémie et glycogène.

Le rôle important qu'il joue dans la biochimie de la plupart des êtres vivants a fait que la compréhension de sa structure et de sa formation dans les cellules s'est accompagnée de grandes avancées en chimie organique. On doit l'essentiel de ces résultats au chimiste allemand Emil Fischer, qui obtint le prix Nobel de chimie en 1902 « en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus par son travail sur la synthèse des sucres et des purines »[8]. La synthèse du glucose permit de comprendre la structure des substances organiques et constitua la première validation définitive des théories du chimiste néerlandais Jacobus Henricus van 't Hoff relatives à la cinétique chimique et à l'arrangement des liaisons chimiques dans les composés organiques. Fischer établit la configuration stéréochimique de tous les sucres entre les années 1891 et 1894, et prédit correctement tous les isomères possibles en appliquant les théories de van 't Hoff des atomes de carbone asymétriques.

Structure et nomenclature[modifier | modifier le code]

Le glucose est un aldose dont les groupe hydroxyle –OH sont disposés selon une configuration déterminée le long d'une chaîne formée de six atomes de carbone. La molécule de cet hexose peut adopter une configuration à chaîne ouverte ou cyclique.

Forme linéaire[modifier | modifier le code]

Dans sa configuration à chaîne ouverte, la molécule de glucose possède une chaîne carbonée linéaire constituée de six atomes de carbone, numérotés de C-1 à C-6 : l'atome de carbone C-1 est impliqué dans le groupe aldéhyde –CHO, et les atomes de carbone C-2 à C-6 portent chacun un groupe hydroxyle –OH. La présence d'un groupe aldéhyde fait du glucose un aldose, tandis que la présence de six atomes de carbone en fait un hexose : il s'agit donc d'un aldohexose. Comme tous les aldoses, le glucose est un ose réducteur, sensible à la réaction de Fehling.

Chaque atome de carbone de C-2 à C-5 est un centre stéréogène, c'est-à-dire que ces atomes de carbone sont liés chacun à quatre substituants différents. Par exemple, un aldohexose qui, dans la projection de Fischer, a ses hydroxyles en C-2, C-4 et C-5 à droite et son hydroxyle en C-3 à gauche est du D-glucose ; si la position relative de ses hydroxyles est, toujours dans la projection de Fischer, inversée par rapport à celle du D-glucose, alors il s'agit de L-glucose. Ces deux stéréoisomères dont par conséquent des énantiomères :

Le glucose est l'un des huit aldohexoses, les sept autres étant l'allose, l'altrose, le galactose, le gulose, l'idose, le mannose et le talose, chacun avec deux énantiomères D- et L- qui forment 14 diastéréoisomères du glucose.

Formes cycliques[modifier | modifier le code]

Addition nucléophile de l'aldéhyde en C-1 sur l'hydroxyle en C-5 donnant le cycle pyranose du glucopyranose.
Formes cycliques du D-glucose
en projection de Haworth.
Il existe deux formes chaise selon que l'hydroxyméthyle est en position équatoriale (1) ou polaire (2), appelées respectivement 4C1 et 1C4 (ici avec le β-D-glucopyranose).

En solution aqueuse, les molécules de glucose à chaîne ouverte sont en équilibre avec plusieurs formes cycliques de glucose, chacune comprenant un hétérocycle contenant un atome d'oxygène. En fait, à peine 0,25 % des molécules de glucose en solution aqueuse sont à chaîne ouverte, tandis que plus de 99 % d'entre elles sont sous forme pyranose ; la forme furanose du glucose est présente en quantité négligeable. Les termes glucose et D-glucose s'emploient également pour désigner ces formes cycliques. Ces dernières résultent de l'addition nucléophile entre le groupe aldéhyde –CHO du carbone C-1 et le groupe hydroxyle –OH du carbone C-4 ou C-5, ce qui donne un groupe hémiacétal –CHOH–O– : l'addition sur l'hydroxyle du carbone C-4 donne la forme furanose, avec un hétérocycle à cinq atomes, tandis que l'addition sur l'hydroxyle du carbone C-5 donne la forme pyranose, avec un hétérocycle à six atomes. En solution aqueuse, la presque totalité des molécules de glucose en configuration cyclique sont sous forme pyranose.

La fermeture du cycle fait de l'atome de carbone C-1 un centre stéréogène supplémentaire donnant deux anomères pour le D-glucopyranose et deux autres anomères pour le D-glucofuranose. Ces anomères sont distingués par les préfixes α- et β- selon que l'hydroxyle –OH en C-1 et l'hydroxyméthyle –CH2OH en C-5 sont respectivement en position trans (de part et d'autre) ou en position cis (du même côté) par rapport au cycle pyranose dans la projection de Haworth. Ainsi, le D-glucose linéaire peut donner quatre molécules cycliques différentes : l'α-D-glucopyranose, le β-D-glucopyranose, l'α-D-glucofuranose et le β-D-glucofuranose, qui sont toutes les quatre des molécules chirales.

Le L-glucose donne de la même façon quatre molécules cycliques différentes, chacune étant énantiomère d'une forme cyclique de D-glucose.

Les cycles pyranose et furanose, plans en projection de Haworth, sont en réalité tordus pour former une structure tridimensionnelle non plane. Le glucopyranose adopte ainsi tantôt une configuration dite chaise, tantôt une configuration dite bateau, tandis que le glucofuranose adopte une structure dite enveloppe à l'instar du cyclopentane. Il existe toute une série de configurations intermédiaires :

Le glucopyranose prédomine en solution aqueuse, et est la seule forme de glucose observée à l'état solide. Il cristallise sous forme d'un solide incolore très soluble dans l'eau et l'acide acétique, mais peu soluble dans le méthanol et l'éthanol. L'α-glucopyranose fond à 146 °C tandis que le β-glucopyranose fond à 150 °C.

Conformères[modifier | modifier le code]

Chaque isomère du glucose possède différents conformères. Des rotations peuvent par exemple survenir autour de l'angle de torsion O6-C6-C5-O5, appelé angle ω, pour donner successivement trois conformations dites gauche-gauche (gg), gauche-trans (gt) et trans-gauche (tg). Le ratio de conformères gg:gt:tg pour l'α-D-glucopyranose est 57:38:5 à l'équilibre[9]. La propension de l'angle ω à préférer une configuration gauche est attribuée à l'effet gauche (en).

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

En biochimie, la connaissance précise des propriétés physiques et chimiques du glucose permet de bâtir des modèles informatiques décrivant les sites de liaison protéine–glucose[10].

Solutions[modifier | modifier le code]

Toutes les formes de glucose sont incolores et très solubles dans l'eau H2O, l'acide acétique CH3COOH et divers autres solvants. Elles sont en revanche faiblement solubles dans le méthanol CH3OH et l'éthanol CH3CH2OH.

La forme à chaîne ouverte est thermodynamiquement instable et s'isomérise spontanément pour donner une forme cyclique. À température ambiante, une solution contenant les quatre formes cycliques du glucose voit ces espèces s'interconvertir en quelques heures à la faveur d'un processus appelé mutarotation. Ce processus est bien plus lent à °C. Quelles que soient les proportions initiales entre les différentes formes de glucose cyclique, le ratio des anomères α:β dans le mélange tend vers 36:64. Ce ratio α:β serait en fait plutôt de 11:89 en l'absence de l'effet anomérique (en).

La mutation consiste en l'ouverture temporaire du cycle pour donner la forme à chaîne ouverte, qui se referme aussitôt pour redonner une forme cyclique du glucose. En se reformant, le glucose peut exceptionnellement changer de forme cyclique entre pyranose et furanose, ou typiquement changer d'anomère entre α et β. Ainsi, bien que la forme à chaîne ouverte soit très peu observable en solution, elle joue un rôle fondamental dans l'établissement de l'équilibre entre tous les isomères du glucose en solution.

Il existe essentiellement trois formes de glucose susceptibles d'être cristallisées à partir d'une solution aqueuse de glucose en fonction des conditions : l'α-glucopyranose, le β-glucopyranose et l'hydrate de β-glucopyranose[11].

Propriétés optiques[modifier | modifier le code]

Tautomères du D-glucose
Forme linéaire Projection de Haworth
D-Glucose Keilstrich.svg
D-Glucose
< 0,25 %
Alpha-D-Glucofuranose.svg
α-D-Glucofuranose
Traces
Beta-D-Glucofuranose.svg
β-D-Glucofuranose
Traces
Alpha-D-Glucopyranose.svg
α-D-Glucopyranose
~ 36 %
Beta-D-Glucopyranose.svg
β-D-Glucopyranose
~ 64 %

Comme tous les oses, le glucose possède des atomes de carbone asymétriques. Ils sont au nombre de quatre : C-2, C-3, C-4 et C-5[12]. Ils lui confèrent un pouvoir rotatoire, de sorte que le glucose est dit optiquement actif, c'est-à-dire qu'il est capable de dévier le plan de polarisation d'une lumière polarisée incidente.

Le stéréoisomère naturel du glucose est le D-glucose (voir chiralité). Que ce soit en solution ou à l'état cristallisé, le D-glucose est dextrogyre, c'est-à-dire qu'il fait tourner le plan de polarisation dans le sens des aiguilles d'une montre. À l'inverse, le L-glucose est lévogyre, c'est-à-dire qu'il fait tourner le plan de polarisation dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre. Les préfixes D- et L- sont ici sans rapport avec le sens dextrogyre ou lévogyre, qui résulte de l'effet combiné de tous les atomes de carbone asymétriques de la molécule : ces préfixes indiquent simplement la configuration de l'atome de carbone C-2, et certains D-aldohexoses sont lévogyres.

Les solutions pures d'α-D-glucopyrannose et de β-D-glucopyrannose en solution aqueuse à 20 °C ont un pouvoir rotatoire respectivement de 112,2° et de 18,7°. Toutefois ces solutions ne sont pas stables et un équilibre tautomère se fait rapidement avec la composition suivante :

  • ~ 36 % d'α-D-glucopyranose ;
  • ~ 64 % de β-D-glucopyranose ;
  • < 0,25 % de D-glucose linéaire.

Le pouvoir rotatoire vaut dès lors 52,7°. Ce dernier étant positif, le D-glucose est dextrogyre.

Propriétés chimiques[modifier | modifier le code]

Propriétés générales[modifier | modifier le code]

Réaction d'isomérisation/épimérisation du glucose en milieu alcalin dilué.

Les solutions concentrées de glucose (> 30 %) cristallisent spontanément à température ambiante. Le glucose sous forme cristallisée est vendu sous l'appellation dextrose pour éviter toute confusion avec les sirops de glucose, et se trouve sous forme monohydratée. Les solutions de dextrose sont produites industriellement par hydrolyse totale d'empois d'amidon. L'hydrolyse est réalisée à chaud par des systèmes enzymatiques combinant α- et β-amylases.

En présence d'un acide dilué, le glucose ne réagit pas : il s'agit d'un ose, et n'est donc pas hydrolysable. En milieu acide concentré et chaud, le glucose subit une déshydratation et une condensation avec l'α-naphtol (réaction de Molisch), ce qui le colore. Le glucose se cristallise.

L'ammoniaque accélère la mutarotation.

En milieu alcalin dilué, par exemple en présence d'hydroxyde de sodium NaOH (soude), le glucose forme un ènediol, instable, qui produit :

En milieu alcalin concentré, le glucose est oxydé. Ces réactions sont complexes et non stœchiométriques (dosage par la méthode de Bertrand).

Propriétés de la fonction aldéhyde[modifier | modifier le code]

Le glucose est un ose réducteur capable de réduire :

La réaction de Fehling est utilisée dans la méthode de Bertrand. Le précipité d'oxyde de cuivre(II) est redissous puis dosé.

La réaction de Maillard est une réaction (liaison) des sucres réducteurs - dont le glucose - sur les protéines, plus précisément sur les acides aminés.

Propriétés de la fonction alcool primaire[modifier | modifier le code]

Cette fonction est portée par le carbone 6, son oxydation donne de l'acide glucuronique si la fonction aldéhyde a été protégée en la combinant à autre chose.

L'acide nitrique à chaud oxyde les deux fonctions terminales du glucose des carbones 1 et 6 et forme un acide aldarique (diacide carboxylique) : l'acide glucarique.

Hétérosides[modifier | modifier le code]

Le glucose est souvent présent dans la nature sous forme de composés, liés à d'autres molécules qui ne sont pas des sucres. On appelle ces composés glucosides, composés faisant partie des hétérosides.

Métabolisme[modifier | modifier le code]

Contrairement au saccharose, il est directement assimilable par l'organisme, dont il est une source d'énergie essentielle et rapidement circulante, pour le cerveau et pour tous les organes. L'énergie contenue dans une mole de glucose est de 2 871 kJ (ou 685,2 kcal, 1 cal = 4,19 J). Le métabolisme du glucose, régulé par l'insuline, est appelé glycolyse et permet la formation de pyruvate qui sera ensuite métabolisé par le Cycle de Krebs.

Les nouvelles techniques d'imagerie médicale permettent une appréciation de la topologie du métabolisme cellulaire. En tomographie par émission de positons, on utilise pour cela un composé dérivé du glucose : le fluorodésoxyglucose (18F), ou 18F-FDG qui, du point de vue structural, est suffisamment proche du glucose pour être capté par les cellules mais inutilisable dans leurs métabolismes. Ce composé étant radioactif, les rayonnements émis sont alors captés et, suivant leur répartition dans l'organisme, produisent une image d'hyperfixation dans les lieux de haut métabolisme (par exemple : le cerveau, le cœur, les tumeurs).

Le principal trouble du métabolisme du glucose est le diabète sucré. Un autre trouble est l'hypoglycémie.

Pouvoir sucrant[modifier | modifier le code]

Tablettes de glucose

Le glucose a un faible pouvoir sucrant, de 0,70 à 0,75. En comparaison, celui du saccharose vaut 1 (par convention), le glucose est donc bien moins utilisé que ce dernier dans l'industrie alimentaire pour ses qualités organoleptiques. Il est plutôt utilisé en tant qu'agent de charge (sous forme cristalline monohydratée ou de sirop concentré) et est également présent dans les sirops de glucose et de glucose-fructose (HFCS). Il est aussi ajouté dans certains produits que l'on trouve sur le marché (par exemple dans le dextro energy). Le glucose (dextrose) est aussi utilisé dans l'industrie alimentaire pour sa capacité à diminuer l'activité de l'eau (un effet conservateur donc).

Dosages du glucose[modifier | modifier le code]

Flacons avec glucose 5 %

Polarimétrie[modifier | modifier le code]

Le glucose ayant un pouvoir rotatoire, il peut être dosé par polarimétrie. Le pouvoir rotatoire d'une solution est proportionnel à la concentration en glucose. Cette méthode est utilisée en médecine, les diabétiques contrôlent leur glycémie par cette méthode.

Réfractométrie[modifier | modifier le code]

Cette méthode consiste à mesurer l'indice de réfraction d'une solution aqueuse sucrée à l'aide d'un réfractomètre, sachant que l'indice de la solution dépend de la concentration en sucre. Cette méthode est utilisée dans la fruiticulture et viticulture pour mesurer le taux de sucre des fruits.

Dosage par la glucose oxydase[modifier | modifier le code]

Dosage du glucose par la glucose oxydase.

Cette méthode enzymatique utilise une enzyme : la glucose oxydase d'Aspergillus niger. Le glucose est oxydé par l'oxygène de l'air en δ-gluconolactone puis en acide gluconique avec production de peroxyde d'hydrogène. C'est ce dernier qui est en fait dosé par colorimétrie. En présence d'une peroxydase, le peroxyde oxyde un chromogène réduit dont l'absorbance est mesurée avec un spectrophotomètre. Le chromogène pourrait être du phénol et de la 4-aminophénazone oxydé en quinone-imine. Dans d'autres techniques, l'eau oxygénée est oxydée au niveau d'une électrode (le courant produit est proportionnel à la concentration de glucose).

Cette méthode est utilisée en biochimie médicale pour mesurer la glycémie sur plasma.

Citation[modifier | modifier le code]

« C'est une belle structure en anneau, un hexagone presque régulier, qui est cependant soumis à des échanges et équilibres difficiles avec l'eau dans laquelle il est dissous [...] Et si quelqu'un voulait vraiment demander : pourquoi un anneau et pourquoi soluble dans l'eau, eh bien, qu'il se tranquillise, ce sont là de ces questions, pas très nombreuses, auxquelles notre science est capable de répondre. » Primo Levi, Le système périodique, 1975.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. a et b DEXTROSE, fiche de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, consultée le 9 mai 2009
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. http://www.jtbaker.com/msds/englishhtml/d0835.htm
  4. (en) J. G. Speight, Norbert Adolph Lange, Lange's handbook of chemistry, McGraw-Hill,‎ , 16e éd., 1623 p. (ISBN 0-07-143220-5), p. 2.289
  5. « Dextrose » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 24 avril 2009
  6. Kirchhoff (1811) Mémoires de l'Académie impériale des sciences de St. Pétersbourg, 4 : 27. page 27 : Mr. l'Adjoint Kirchhoff présenta à la Conférence trois flacons, contenans: 1°) du Sirop produit par l'art dans quelques végétaux (la pomme de terre, le froment et le blé noir ou Sarazin)
  7. Louis Jacques Thénard, Louis Joseph Gay-Lussac, Jean-Baptiste Biot et Jean-Baptiste Dumas, « Rapport sur un mémoire de M. Péligiot, intitulé: Recherches sur la nature et les propriétés chimiques des sucres », Comptes rendus hebdomadaires des séances de l'Académie des sciences,‎ , p. 106-113 (lire en ligne) :

    « Il résulte des comparaisons faites par M. Péligot, que le sucre de raisin, celui d'amidon, celui de diabètes et celui de miel ont parfaitement la même composition et les mêmes propriétés, et constituent un seul corps que nous proposons d'appeler Glucose (γλευϰος, moût, vin doux). »

    — p. 109

  8. (en) « Hermann Emil Fischer – The Nobel Prize in Chemistry 1902 » (consulté le 12 février 2016) :

    « in recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and purine syntheses »

  9. (en) Karl N. Kirschner et Robert J. Woods, « Solvent interactions determine carbohydrate conformation », Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States, vol. 98, no 19,‎ , p. 10541-10545 (PMID 11526221, PMCID 58501, DOI 10.1073/pnas.191362798, JSTOR 3056574, Bibcode 2001PNAS...9810541K, lire en ligne)
  10. (en) Houssam Nassif, Hassan Al-Ali, Sawsan Khuri et Walid Keirouz, « Prediction of protein-glucose binding sites using support vector machines », Proteins, vol. 77, no 1,‎ , p. 121-132 (PMID 19415755, DOI 10.1002/prot.22424, lire en ligne)
  11. (en) Fred W. Schenck, « Glucose and Glucose-Containing Syrups », Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,‎ (DOI 10.1002/14356007.a12_457.pub2, lire en ligne)
  12. (en) Peter M. Collins, Dictionary of carbohydrates, CRC Press,‎ , 1282 p. (ISBN 0-8493-3829-8)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]