葡萄糖

葡萄糖（glucose）是 有机化合物 ，是自然界分布最广且最重要的一种单糖，是一种“ 右旋糖 ”，别名玉米葡糖、 超甜玉米 糖， 分子式 为 C₆H₁₂ O₆。

葡萄糖是一种白色结晶固体， 熔点 为146⁰C。当葡萄糖分子用冷水结晶时，会形成葡萄糖一 水合物 ，分子式为 C₆H₁₂ O₆，熔点为86⁰C。它极易溶于水，仅微溶于 乙醇 ，不溶于 乙醚 。具有甜味，具有光学活性，存在一个同分异构体即β-葡萄糖。 因其分子中含有 醛基 （-CHO），所以具有还原性，是一种还原性糖，可以发生氧化还原等反应，也可有 催化 剂催化生成 、醚等化合物。 通常由淀粉 水解 制备， 因其是机体的主要供能物质，在机体内有多种作用，在其他领域也具有多种应用可用于营养补剂和制备山梨醇的原料，也可用作动物饲料。 葡萄糖在机体中经吸收代谢产生大量能量，用于维持机体正常血糖水平和维持机体组织、器官的功能，特别是大脑组织的功能。

发展历史

1747年， 德国 化学家 马格拉夫 自 葡萄干 中分离出少量的葡萄糖，并于1749年将这一过程发表在《从德国产的几种植物中提炼蔗糖的化学试验》，在第90页中写道：“用少量的水润湿葡萄干将其软化，然后压榨被挤出的汁，经过 提纯 浓缩后，得到了一种糖。”1838年， 法国 化学家尚-巴蒂斯特杜马正式将其命名为葡萄糖（glucose），该英文为其首创，源自 德语 中的gleukos——未发酵的甜果酒，前缀gluc-源于德语 gly kys，即甘甜的意思，后缀-ose则表明其化学分类，指出它是一个 糖类 。由于葡萄糖在生物体中的重要地位，了解其 化学 组成和结构成为19世纪有机化学的重要课题，当时所知的单糖只有4种：两种 已醛糖 （葡萄糖、 半乳糖 ）、两种已 酮糖 （ 果糖 、 山梨 糖），它们具有相同的 分子式 C₆H₁₂ O₆， 慕尼黑大学 的化学家吉连尼 ( H . iKhani ) 初步探明葡萄糖和半乳糖是直链的五羟基醛，果糖和山梨糖是直链的五 羟基 。 费歇尔 发现，葡萄糖、果糖和 甘露糖 与苯脐生成相同的脉，因此推断，这三种糖在第二个 碳原子 以下具有相同的构型。根据范特荷夫( Van ’tHoff)和勒贝尔(eLeBl)的 立体异构 理论， 费歇尔 推断， 已醛糖 有16种可能的构型。用氧化、还原、降解、加成等方法，到1891年,他确定了D一系列已醛糖所有成员的构型。随后 德国 化学家 费歇尔 因确定了葡萄糖的链状结构及其立体异构体，获得1902年 诺贝尔化学奖 。

1923年， 加拿大 医学家 弗雷德里克·班廷 (Frederick Banting)和 苏格兰 生理学家 约翰·麦克劳德 (John Macleod)因为“发现 胰岛素 ”而被授予 诺贝尔生理学或医学奖 ， 1947年， 美国 生物化学家 格蒂·科里 (Gerty Cori)因为阐释了葡萄糖的代谢作用，对治疗 糖尿病 以及解决众多医学问题有重要作用，获得了 诺贝尔医学奖 ， 蛋白质 相互作用最重要的调节机制之一是可逆的 蛋白质磷酸化 ，可逆蛋白质磷酸化具有从 糖原 中动员葡萄糖等功能，1992年美国生物化学家埃德蒙·费舍尔(Edmond Fischer)和 埃德温·克雷布斯 (Edwin Krebs)纯化并 表征 了这种类型的第一种酶，被授予 诺贝尔生理学或医学奖 。

2022年4月，中国科学家通过电催化结合 生物合成 的方式，以 二氧化碳 为原料经合成和微生物作用合成了葡萄糖和油脂， 2022年4月28日以封面文章形式在国际学术期刊《自然—催化》发表。

葡萄糖结构

葡萄糖( 己烯 O₆)含有六个 碳原子 和一个 醛基 ，因此被称为 己醛 糖。葡萄糖分子可以以开链和环形式存在（处于平衡状态），后者是醛C 原子 与C-5 羟基 发生分子内反应形成分子内 半缩醛 的结果。在 水溶液 中，两种形式都处于平衡状态。

开链形式

当葡萄糖结构以开链的形式表示时，可以看出具有六个碳原子的线性链。每个碳原子上都有一个羟基，第一个碳原子除外。葡萄糖的第一个碳是醛基的一部分。由于醛代 官能团 的存在，葡萄糖也被称为醛 己糖 。

环形式

在pH=7时，环状形式占主导地位。由于环含有五个 碳原子 和一个 氧原子 ，类似于 吡喃 的结构，因此葡萄糖的环状形式也被称为 吡喃葡萄糖 。 当葡萄糖 环化 时，会在C1处产生一个额外的 不对称中心 （称为 异头碳原子 ），并且可以形成两个称为端基异构体的环结构——α-葡萄糖和β-葡萄糖。它们在结构上的不同之处在于连接到环中C-1的 羟基 的方向。当D-葡萄糖被绘制为Haworth投影时，名称α表示连接到C-1的羟基在环平面下方，β表示它在环平面上方。

变旋

α和β形式在 水溶液 中经过数小时的时间尺度相互转换，最终稳定为α:β36:64，这一过程称为变旋。 当葡萄糖 环化 进入半缩环时，一个额外的 不对称中心 在C–1生成后，这种碳被称为异构 碳原子 ，而形成的两个环结构，称为异构体，可以命名为α–D– 吡喃葡萄糖 和β–D–吡喃葡萄糖。在结构上，它们在与以下链接的 羟基 的方向上有所不同。α葡萄糖和β葡萄糖之间的主要区别是α葡萄糖中的羟基( -OH )在分子的第一个 碳原子 上与CH2OH的碳原子位置相反，β葡萄糖中的中羟基(–OH)在第一个碳上与CH2OH的位置相同。

生化特性

人体摄入食物后将其中的 糖类 例如淀粉等其他 二糖 通过酶的作用降解为葡萄糖从而被人体吸收利用，从而维持机体正常血糖水平和维持机体组织、器官的功能，特别是大脑组织的功能。大多数情况下，葡萄糖是大脑唯一和最重要的能量来源。脑组织不含其他可利用的能量，只能依靠葡萄糖，当血糖浓度过低时，容易发生脑功能障碍。正常情况下机体通过一系列调节机制维持血糖的稳定。

葡萄糖的吸收

食物在机体除了在 小肠 中分解为葡萄糖外，还伴随 钠离子 吸收，肾小球滤液的葡萄糖在近曲小管伴随钠离子全部重吸收，超过肾糖阈将随尿液排出体外。在肠道被吸收的葡萄糖，一部分以 糖原 形式储存于肝脏和肌肉中，即为 肝糖原 与肌糖原，血液葡萄糖主要通过易化扩散的方式进入组织、 细胞 。在人类，骨骼肌是由 胰岛素 介导的葡萄糖摄取的主要场所。

葡萄糖的代谢

糖代谢 涉及多个过程，包括 糖酵解 、 糖异生 、 糖原分解 和糖生成。肝脏中的糖酵解是一个涉及各种酶的过程，这些酶会促进细胞中的葡萄糖分解代谢。特别是 葡萄糖激酶 ，会使得肝脏感知血液中葡萄糖水平，并在血糖水平升高时利用葡萄糖。当 肝细胞 线粒体 中的非 糖类 成分合成葡萄糖时，就会发生糖异生。在 禁食 期间， 胰腺 分泌 胰高血糖素 ，从而开始糖原分解过程。在 糖原 分解中，糖原（葡萄糖的储存形式）以葡萄糖的形式释放。合成 糖原 的过程称为糖生成，当肝脏中存在过量的碳水化合物时会自动合成糖原。

血液葡萄糖浓度维持在一定水平也具有重要意义。若血糖浓度太低，则不利于葡萄糖进入组织和 细胞 ，若浓度太高，大量葡萄糖将经过肾脏随尿液流失。在非 糖尿病 的健康个体，血糖浓度基本上是恒定的，餐后有所升高，但伴随有 胰岛素 的释放增加，外周组织对葡萄糖摄取和利用增加，过多的血液葡萄糖在肝脏和脂肪等组织中合成糖原或转换成脂肪，同时抑制 糖异生 ，血糖浓度下降。当血糖浓度降至正常水平以下时， 交感神经兴奋 ， 胰高血糖素 、 儿茶酚 胺、 糖皮质激素 和生长激素浓度升高，通过刺激 肝糖原 分解、糖异生及抑制外周胰岛素介导的葡萄糖摄取，使血糖浓度升高，从而维持血糖浓度的稳定。

葡萄糖的供能机理

葡萄糖在机体内有多种作用， 代谢途径 多样，如生成 糖原 、脂肪、氨基酸，参与 戊糖磷酸途径 ，骨骼肌摄取葡萄糖后进行 磷酸化 ，或者以 糖原 的形式储存，或者进行 糖酵解 后进入 三羧酸循环 、通过 氧化磷酸化 产生能量。其主要代谢途径是氧化供能，包括 无氧氧化 和有氧氧化供能，用简易公式可表示为：

无氧氧化也称为无氧酵解，即当机体相对缺氧（如剧烈运动）时葡萄糖分解产生能量的过程，在 细胞质 中进行。其主要生理功能是在缺氧时迅速提供能量，正常情况下为一些 细胞 提供部分能量， 糖酵解 是糖有氧氧化的前段过程，某些中间代谢物是 脂类 、氨基酸等合成的 前体 。而有氧氧化是指葡萄糖生成 丙酮酸 后，在有氧条件下，进一步氧化生成 乙酰辅酶A ，经 三羧酸循环 彻底氧化成水、 二氧化碳 和产生能量的过程。这是葡萄糖氧化的主要方式，也是机体获得能量的主要途径。其中的三羧酸循环是指在丙酮酸 脱氢酶 复合体 催化 下，丙酮酸进行氧化 脱羧反应 ，生成乙 辅酶A，经过三羧酸循环产生大量能量，这一过程也为体内绝大多数组织 细胞 提供了能量，最终体内1分子葡萄糖彻底有氧氧化生成32(或30)分子 ATP ，其中在肝、肾、心等组织生成32分子ATP，在骨骼肌、脑组织生成30分子ATP。

葡萄糖的来源

葡萄糖是机体的主要供能物质，膳食中 糖类 供给全身总热量的60%~70%， 人们可以从食物中摄取和分解从而得到葡萄糖。

理化性质

物理性质

传统葡萄糖主要是指 α -D-葡萄糖，是一种白色结晶固体， 熔点 为146⁰C。当这个葡萄糖分子用冷水结晶时，会形成葡萄糖一 水合物 ， 分子式 为 C₆H₁₂ O₆，熔点为86⁰C。它极易溶于水，仅微溶于 乙醇 ，不溶于 乙醚 。具有甜味，它的甜度大约是 蔗糖 的四分之三。它具有光学活性，天然葡萄糖在 水溶液 旋光向右，属于“ 右旋糖 ”。

化学性质

异构化与差向异构

将葡萄糖糖溶于水中，加碱可引起 羰基 烯醇 互变异构化 ，最终生成异构化产物。例如，D-葡萄糖水溶液在 存在下，放置数天，可分离得到D-葡萄糖、D- 甘露糖 和D-果糖。这个反应可认为是葡萄糖烯醇化的结果：

葡萄糖和 甘露糖 是C2的 差向异构体 。由于C2处于 基 的α位，在这些条件下的差向异构化只发生在C2上。D-葡萄糖通过烯醇 中间体 异构化为D-果糖是 糖酵解 (glycolysis)中的重要过程。

酯化反应

葡萄糖中的 羟基 能发生 酰基化反应 生成 。例如，在 弱碱 （如 乙酸钠 、哦咤等）的 催化 下，葡萄糖与乙酊（或乙酰氯等）反应生成 葡萄糖五乙酸酯 。

氧化还原反应

葡萄糖在pH=5时可以与 溴水 发生氧化反应，首先是处于平伏键的苷羟基被氧化（它比处于直立键的苷羟基容易被氧化）生成δ- 葡萄糖酸 内酯，然后 水解 成葡萄糖酸，最后转变成较稳定的γ-葡萄糖酸内酯。葡萄糖也可以发生还原反应，其本身的 羰基 可被还原成 羟基 ，工业上采用催化加氢的方法， 催化剂 有铂、Raney 等。

脎的生成

醛糖 和 酮糖 与苯 作用，生成 苯腙 ；当苯脎就过量时，则生成一种不溶于水的黄色结晶，称为脎。

脎的生成只发生在C1和 C2 上，因此，只是C1和C2不同的 糖类 ，将生成相同的脎。换言之，凡能生成相同脎的 己糖 ， C3 ，C4和C5的构型是相同的。不同的糖类一般生成不同的脎，即使能生成相同的脎，其反应 速率 和析出 糖脎 的时间也不相同，因此可利用脎的生成鉴别糖类。

苷的生成

在糖类分子中，苷 羟基 上的 氢原子 被其他 基团 取代后的化合物称为苷。例如，在 氯化氢 催化 下，D-（+）-葡萄糖与 甲醇 作用，生成 甲基 D-（+）- 吡喃 葡萄糖苷 。

α-D-(+)- 吡喃葡萄糖 和β-D-(+)-吡喃葡萄糖通过开链式可相互转变，但形成背苷以后，因分子中已无苷羟基，不能再转变成开链式，故不能再相互转变。苷是一种 缩醛 （或 缩酮 ），所以比较稳定，不易被氧化，不与 苯肼 、Tollens试剂和Fehling试剂等作用，也无变旋光现象，对碱也稳定。但在稀酸或酶的作用下，苷易 水解 生成原来的 糖类 和醇等 羟基化合物 。

醚的生成

在 氯化氢 的 催化 下，葡萄糖的苷 羟基 能转变成酸（苷），但其他 醇羟基 则不能。然而在Williamson合成醚的条件下， 糖类 中的醇羟基能生成醚。例如，在 氧化银 存在下，葡萄糖或 烷基糖苷 与过量的 碘甲烷 作用，糖类中的羟基被 彻底甲基化 。另外，在碱（如 氢氧化钠 ）的存在下，葡萄糖或葡萄糖苷与过量的 硫酸二甲酯 作用，同样得到彻底甲基化的产物。

制备方式

可以由淀粉水解制备葡萄糖，其中传统方法为酶酸法，即采用加酸后对淀粉进行加压糖化，利用酸水解制得，经改良后采用酶 液化 ，酶酸化糖化新工艺。近年来，连续喷射技术在淀粉液化、糖化中也得到了应用，诞生了新的制备方法即双酶法，其包括液化和糖化两个过程。液化包括淀粉糊化的物理过程，以硬糊化淀粉的 糊精 化的 化学过程 ，糖化是将糊精彻底 水解 为葡萄糖。

应用

医药领域

5%葡萄糖溶液和10%葡萄糖溶液是临床常用的补液用液和治疗用液，不同浓度的高渗葡萄糖是临床治疗时常用的能量来源。葡萄糖可以作为一种口服液应用于医疗行业，其可以在 妇科学 腹腔镜手术术前口服10%葡萄糖溶液，其不仅可以使患者舒适度更好，还可以促进术后胃肠功能的恢复。

食品领域

葡萄糖还可以通过化学反应转变为 氨基葡萄糖 ，氨基葡萄糖是人体关节 软骨 基质以及关节滑液中 蛋白聚糖 的重要组成成分，其可以作为一种保健食品摄入人体，改善关节软骨代谢，促进骨关节健康。

工业领域

葡萄糖还可以作为原料用来制备山梨醇，即葡萄糖 水溶液 在 催化剂 的作用下，通过葡萄糖发生加氢反应制备山梨醇。

体育领域

葡萄糖是生物体内能量的主要物质来源，通过研究证明葡萄糖可提高人体运动能力和改善人体运动疲劳，其可以在体育中作为口服液摄入，缓解疲劳。

动物饲料

葡萄糖还可以作为鱼类饲料而应用，可以采用30%的配比配置 草鱼 饲料，并且先对于玉米淀粉作为饲料，葡萄糖饲料更利于草鱼的生长。

安全事宜

健康危害

糖尿病 （I型或II型）患者中发现非常高的 血清 葡萄糖水平， 高血糖 （>7mM）会产生 尿频 、 口渴 增加和饥饿感增加的症状。 高血糖 还会导致许多并发症，急性并发症包括 糖尿病酮症酸中毒 （以恶心、呕吐和腹痛为特征，呼吸中出现 丙酮 气味）和非酮症性 高渗性非酮症糖尿病昏迷 。严重的长期并发症包括心脏病、 中风 、 肾衰竭 、足部 溃疡 和眼睛损伤。并且糖尿病的并发症与血管损伤有关，使 心血管疾病 的风险增加一倍，大约75%的糖尿病患者死亡是由于冠状动脉疾病。

防护措施

葡萄糖粉尘可能对 呼吸道 造成刺激，应避免吸入粉尘，在操作过程中，要确保良好的通风条件，必要时戴上口罩。同时应避免眼睛和皮肤接触，虽然葡萄糖对皮肤和眼睛的刺激性较低，但长时间接触可能仍会导致不适。如有接触，应立即用大量水冲洗。在特定条件下，还需防止 粉尘爆炸 ，葡萄糖粉尘在空气中达到一定浓度时，可能存在爆炸风险。应确保设备和操作符合防爆安全标准，避免粉尘堆积和火源接触。

储存条件

葡萄糖应储存在干燥、阴凉、通风良好的环境中，远离火源、高温和 强氧化剂 。避免暴露在阳光下，以免脱水或降解。