Glucose còn được gọi là dextrose hoặc đường nho là một aldosic monosaccharide đơn giản được tìm thấy trong thực vật. Cùng với fructose và galactose, glucose là dietary monosaccharide được hấp thụ trực tiếp vào máu thông qua quá trình tiêu hoá.
Về mặt sinh học, glucose là một carbohydrate quan trọng, được sử dụng như là nguồn năng cung cấp năng lượng và trung gian trao đổi chất cho các tế bào. Glucose là một trong những sản phẩm chính của quá trình quang hợp và nhiên liệu cho quá trình hô hấp tế bào.
Glucose tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc phân tử khác nhau, có thể chia vào hai họ ảnh phản chiếu – mirror-images (hay còn gọi là đồng phân lập thể - stereoisomer). Trong đó, chỉ có một họ tồn tại trong tự nhiên, có nguồn gốc từ dạng không đối ảnh đặc biệt của glucose được gọi là D-glucose. Họ còn lại là L-Glucose thường khó tìm được trong tự nhiên.
2.1.1. Cấu trúc hoá học của D-glucose
D-glucose có công thức hoá học là C6H12O6 hoặc H-(C=O)-(CHOH)5-H với năm nhóm hydroxyl OH sắp xếp theo cách đặc biệt xung quanh trục chính gồm sáu nguyên tử carbon. D-glucose có một dạng chuỗi mở và bốn dạng vòng là α-D- glucopyranose, β-D-glucopyranose, α-D-glucofuranose và β-D-glucofuranose.
Ở dạng chuỗi mở, phân tử glucose có trục chính mở và không phân nhánh gồm sáu nguyên tử carbon từ C-1 đến C-6. Trong đó, C-1 là một phần của nhóm aldehyde H(C=O)-, còn năm nguyên tử carbon còn lại thì mỗi nguyên tử mang theo một nhóm hydroxyl –OH. Các liên kết còn thiếu của các nguyên tử carbon được hoàn thành bởi các nguyên tử hydrogen –H. Vì vậy, glucose còn được gọi là hexose và aldose hoặc aldohexose. Mỗi carbon từ C-2 đến C-5 được gọi là các stereocenter, nghĩa là nó có bốn liên kết với bốn nhóm thế khác nhau, ví dụ, carbon C-2 liên kết với –(C=O)H, - OH, -H và –(COH)4H. Bốn thành phần này có cách sắp xếp trong không gian ba chiều
Quách Trung Đông 30 Chuyên ngành Quang học theo các cách riêng biệt. Cụ thể là, khi phân tử được biểu diễn dưới dạng hình chiếu Fischer (hình 2.1b), nhóm hydroxyl ở C-2, C-4 và C-5 phải ở bên phải trong khi nhóm hydroxyl ở C-3 phải nằm ở bên trái. Vị trí của các nhóm hydroxyl ở L-Glucose nằm ở vị trí ngược lại so với ở D-glucose (hình 2.1a).
Trong dung dịch, dạng chuỗi mở của Glucose (cả D hoặc L) tồn tại ở trạng thái cân bằng với rất nhiều đồng phân tuần hoàn (cyclic isomer), trong đó mỗi isomer chứa một vòng carbon được đóng bởi một nguyên tử oxy. Tuy nhiên trong dung dịch nước, có hơn 99% các phân tử glucose, với bất kỳ thời điểm nào, tồn tại ở dạng pyranose.
Dạng chuỗi mở bị giới hạn còn khoảng 0,25% và dạng furanose tồn tại ở một lượng không đáng kể. Thuật ngữ “Glucose” hay “D-glucose” thường được dùng cho các dạng cylic này. Vòng xuất hiện từ dạng chuỗi mở bởi phản ứng nucleophilic addition giữa nhóm aldehyde –(C=O)H ở C-1 và nhóm hydroxyl –OH ở C-4 hoặc C-5 làm
Hình 2.1: Cấu trúc của Glucose
a. Hình chiếu Fischer của L-Glucose b. Hình chiếu Fischer của D-glucose c. Dạng aldehyde của D-glucose
(a) (b) (c)
Mặt phẳng gương
Quách Trung Đông 31 Chuyên ngành Quang học sinh ra nhóm hemiacetal –C(OH)H–O–. Phản ứng giữa C-1 và C-5 tạo ra một phân tử với vòng có sáu thành phần, gọi là pyranose. Phản ứng giữa C-1 và C-4 (hiếm xảy ra hơn rất nhiều) tạo ra phân tử với vòng có năm thành phần, gọi là furanose. Trong cả hai trường hợp, mỗi carbon trong vòng có một nguyên tử hydro và một nhóm hydroxyl đính vào, ngoại trừ carbon cuối cùng (C-4 hoặc C-5) có nhóm hydroxyl được thay thế bởi phần còn lại của phân tử mở (-(C(CH2OH)HOH) –H với trường hợp của C-4 hoặc –(CHOH) –H với trường hợp của C-5). Phản ứng đóng vòng khiến cho carbon C-1 trở nên không đối ảnh (chiral) do bốn liên kết của nó dẫn đến –H, – OH, đến carbon C-2 và đến nguyên tử oxy trong vòng. Bốn phần này của phân tử có thể sắp xếp xung quanh C-1 (anomeric carbon) theo hai cách riêng, chỉ định bởi tiền tố “α-” hoặc “β-”. Khi phân tử glucopyranose được biểu diễn dưới dạng hình chiếu Haworth, tiền tố “α” có nghĩa là nhóm hydroxyl được gắn vào C-1 và nhóm –CH2OH trên C-5 nằm ở phía đối diện của mặt phẳng vòng (sắp xếp theo kiểu trans), trong khi tiền tố “β” có nghĩa là chúng ở cùng một phía của mặt phẳng (sắp xếp theo kiểu cis).
Do vậy, đồng phân chuỗi mở (open-chain isomer) của D-glucose có thể tạo thành bốn đồng phân tuần hoàn riêng biệt là α-D-glucopyranose, β-D-glucopyranose và α-D- glucofuranose và β-D-glucofuranose (hình 2.2). Cả bốn đồng phân này đều có dạng không đối ảnh.
Mỗi đồng phân Glucose còn có thể tạo thành các đồng phân quay. Trong dạng tuần hoàn, sự quay có thể xuất hiện xung quanh góc xoắn O6-C6-C5-O5, gọi là góc ω, để tạo thành ba cấu hình quay là gauche-gauche (gg), gauche-trans (gt) và trans-gauche (tg). Với methyl-α-D-glucopyranose ở trạng thái cân bằng tỉ lệ các phân tử ở trong mỗi cấu hình quay là 57:38:5 (gg:gt:tg).
Hình 2.2: Các đồng phân tuần hoàn không đối ảnh của D-glucose.
Quách Trung Đông 32 Chuyên ngành Quang học 2.1.2. Các đặc trưng vật lý của D-glucose
Glucose ở dạng nào thì cũng đều không có mùi, dễ tan trong nước, acetic acid và nhiều dung môi khác. Dạng chuỗi mở của D-glucose không bền về mặt nhiệt động học, bị đồng phân hoá một cách tự phát thành các dạng tuần hoàn. Trong dung dịch tại nhiệt độ phòng, bốn đồng phân tuần hoàn chuyển đổi qua lại theo giờ bởi một quá trình gọi là biến đổi quay (mutarotation). Dù với bất kỳ tỉ lệ nào, hỗn hợp đều quy về một tỉ lệ ổn định của α: β là 36:64. Tỉ lệ này có thể là 11:89 nếu không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng anomeric. Sự biến đổi quay xảy ra chậm hơn đáng kể tại nhiệt độ gần 00C.
Tuỳ thuộc vào điều kiện khác nhau, ba dạng rắn chính của Glucose có thể được tinh thể hoá từ dung dịch nước là α-glucopyranose, β-glucopyranose và β- glucopyranose hydrate.
Dù ở dạng lỏng hay rắn, D-glucose cũng là dextrorotatory, nghĩa là nó sẽ quay theo hướng của ánh sáng phân cực cùng chiều kim đồng hồ. Hiệu ứng này là do tính không đối ảnh của các phân tử.