Les glucoses sont des sucres de formule brute . Le mot « glucose » provient du grec ancien , « vin doux ».. 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 carbonyle de fonction aldéhyde dans sa forme linéaire en fait un aldose tandis que ses six atomes de carbone en font un hexose ; il s'agit par conséquent 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 seize 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 D-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 D-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 D-glucose prêtes à être dégradées en fournissant de l'énergie dès que la cellule en a besoin. Il joue également un rôle structurel sous forme de cellulose chez les plantes. Le D-glucose circule à travers l'organisme dans le sang, et la concentration en D-glucose dans le plasma sanguin s'appelle la glycémie.
Histoire et étymologie Le D-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 sulfuriqueKirchhoff (1811), Mémoires de l'Académie impériale des sciences de St. Pétersbourg, 4:27 : . 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 , « vin doux » : . 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 du D-glucose 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 ».. La synthèse du D-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 au cours d'une période de 4 ans, 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 Les glucoses sont des aldoses dont les groupes hydroxyle –OH sont disposés selon une configuration déterminée le long d'une chaîne formée de six atomes de carbone. La molécule de ces hexoses peut adopter une configuration à chaîne ouverte ou cyclique.
Forme linéaire Dans sa configuration à chaîne ouverte, les molécules de glucose possèdent 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 des glucose des aldoses, tandis que la présence de six atomes de carbone en fait des hexoses : il s'agit d'aldohexoses. Comme tous les aldoses, les glucoses sont des oses réducteurs, sensibles 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 sont 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 quatorze diastéréoisomères du glucose.
Formes cycliques redresse=1.2|vignette|Addition nucléophile de l'aldéhyde en C-1 sur l'hydroxyle en C-5 donnant le cycle pyranose du glucopyranose. class=skin-invert-image|redresse=1.2|vignette|Formes cycliques du D-glucoseen projection de Haworth. class=skin-invert-image|redresse=1.2|vignette|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, moins de 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 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 (les configurations « gauche », « demi-chaise » et « enveloppe » ont perdu leur CHOH en pour un OH) :
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 tandis que le β-glucopyranose fond à .
Conformères 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 , 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.. La propension de l'angle à préférer une configuration gauche est attribuée à l'effet gauche.
Propriétés physiques vignette|Solution aqueuse de glucose à 5 %.
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..
Solutions Toutes les formes de glucose sont incolores et très solubles dans l'eau , l'acide acétique et divers autres solvants. Elles sont en revanche faiblement solubles dans le méthanol et l'éthanol .
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 . 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.
La mutarotation 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 essentiel 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..
Propriétés optiques Tautomères du D-glucose Forme linéaire Projection de Haworth class=skin-invert-image|100pxD-Glucose< 0,25 % class=skin-invert-image|120pxα-D-GlucofuranoseTraces class=skin-invert-image|120pxβ-D-GlucofuranoseTraces class=skin-invert-image|100pxα-D-Glucopyranose~ 36 % class=skin-invert-image|100pxβ-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.. 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 , 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 , 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-5, et certains D-aldohexoses sont lévogyres.