Les Glucides. Généralités : Les glucides sont un groupe de molécules organiques composées essentiellement de carbone, oxygène, hydrogène et à une moindre mesure d’azote, phosphore et soufre. Leur appellation hydrate de carbone est basée sur leur formule chimique Cn(H2O)n Les glucides sont en classés en fonction de leur réaction à l’hydrolyse et de leur taille en sucres simples « oses » (monosaccharides tel que le glucose, le galactose ou le fructose) et en « osides », tel que le lactose et l’amidon. Ils sont présents partout dans la biosphère et y représentent, en poids, (après l’eau) la classe la plus importante des molécules organiques . -Classification des glucides : Fig1- Classification des glucides Rôles biologiques des glucides EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 1 Principales molécules de stockage et de consommation d’énergie Ils font partie, avec les protéines et les lipides, des constituants essentiels des êtres vivants et de leur nutrition. 1- Réserves énergétiques : Glycogène chez les animaux Amidon chez les végétaux 2- Eléments de structure : Cellulose dans les parois de cellules végétales Chitine dans les parois bactériennes et fongiques Lubrifiant des articulations 3- Composants de molécules essentielles : Le ribose dans des coenzymes NADH, NADPH... Le ribose dans l’adénosine triphosphate (ATP) Le ribose ou le désoxyribose dans les acides nucléiques Signal de reconnaissance cellulaire ( liés à protéines ou lipides) Propriétés fonctionnelles Les glucides sont très largement utilisés en industrie agroalimentaire, pharmaceutique et cosmétique. 1- pouvoir sucrant (saccharose) 2- agent de texture = gélifiant, épaississent, émulsifiant 3- propriétés d’être thermo-formable (biomatériaux) 4- dépresseur de l’activité de l’eau (agent de conservation, agent absorbant) (5)- substrat de fermentation dans des procédés d’élaboration d’aliments 1. Les oses 1.1.Définition : Sucres simples ou monosaccharides ,unité osidique non hydrolysables Composés non ramifiés possédant un squelette carboné linéaire, dont tous les carbones (de 3 à 9) portent une fonction alcool (une fonction alcool I aire et plusieurs IIaires) sauf un qui porte une fonction carbonyle réductrice Aldéhyde ou Cétone). 1.2.Nomenclature et Classification On classe les oses selon leur fonction carbonyle et selon le nombre d’atomes de carbone de leur molécule : Leur fonction carbonyle : Les aldoses. : ce sont les glucides possédant une fonction aldéhyde sur le premier carbone. Le plus simple est le glyceraldéhyde. Le glucose et le galactose sont les aldoses les plus importants. Les cétoses : Possèdent une fonction cétone sur le deuxième carbone Le plus simple est un cétotriose : la dihydroxyacétone. Le fructose est le cétohexose principal . EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 2 Leur nombre de carbone : Trioses : possèdent 3 carbones ;Tetroses : possèdent 4 carbones ; Pentoses : possèdent 5 carbones ;Hexoses : possèdent 6 carbones ; Heptoses : possèdent 7 carbones ;Octoses : possèdent 8 carbones. 1.3 . Représentation des oses 1.3.1. Formule linéaire des oses : modèle de FISCHER Selon la représentation d’Emile FISCHER, la structure d’un ose simple est linéaire. La fonction aldéhyde occupe une extrémité de la molécule. La numérotation des carbones commence alors par le carbone aldéhydique. S’il existe une fonction cétone, elle se trouve (dans les cétoses naturels) sur l’atome de carbone suivant immédiatement un carbone d’extrémité que l’on numérote par 1. Le carbone cétonique porte donc le numéro 2. Fig2-Configuration selon FISHER du D-glucose et du D-Fructose . Représentation de CRAM • C dans le plan de la feuille. • Liaison en pointillés : liaison dirigée vers l’arrière. • Liaison en trait épais : liaison dirigée vers l’avant. Fig 3-représentations de Cram et de Fischer du D-glucose. A- Nomenclature D et L des oses La nomenclature D et L des oses est une nomenclature relative et par filiation. Tous les sucres seront préfixés par les lettres D ou L en référence pour les aldoses à la configuration du glycéraldéhyde et pour les cétoses à la configuration du EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 3 cétotétrose. Ce préfixe sera suivi de la nature du pouvoir rotatoire de la molécule (–) ou (+). a. Aldoses La nomenclature est définie par rapport à la position de l’hydroxyle porté par le carbone asymétrique voisin de la fonction alcool primaire en référence au glycéraldéhyde. Fig 4- Nomenclature D et L des aldoses. b. Cétoses La nomenclature est définie par rapport à la position de l’hydroxyle porté par le carbone asymétrique voisin de la fonction alcool primaire la plus éloignée de la fonction cétone en référence au cétotétrose. Fig 5 – Nomenclature D et L des cétoses. – Dans la forme D, le groupement alcool (–OH) porté par le carbone n-1 est à droite (en représentation de Fischer) ; – Dans la forme L, le groupement alcool (–OH) porté par le carbone n-1 est à gauche (en représentation de Fischer). La plus grande partie des oses naturels sont de la série D (exceptions : le L-fucose et le L-acide-ascorbique, acide L-iduronique). Ce type de structure linéaire n’est que rarement réalisé à l’état naturel car la structure de ces composés les conduit à former des cycles en milieu aqueux. B- Filiation des oses La réaction de Kiliani permet de passer par voie chimique d’un aldose constitué de n éléments carbone à un aldose constitué de n+1 éléments C . EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 4 Fig 6.Réaction de KILIANI FISHER La Dégradation de WOHL-ZEMPLEN : il s’agit d’une réaction qui permet de permet de passer par voie chimique d’un aldose constitué de n éléments carbone à un aldose constitué de n-1 éléments C. Fig 7.Filiation des D aldoses Fig 8-Filiation des D-Cétoses . EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 5 C-Isomérie des oses Les isomères sont des molécules ayant la même formule brute et des formules développées différentes Les stéréo-isomères différent par la disposition des atomes dans l’espace Le nombre de stéréo-isomères est de 2 n-2 pour les aldoses et 2n-3 pour les cétoses (n est le nombre de carbone de l’ose) Epimères : Deux oses sont épimères lorsqu’ils ne se différencient que par la configuration d’un seul carbone asymétrique . Le D-galactose est l’épimère en C4 du Dglucose, de même le D-mannose est l’épimère en C2 du D-glucose. Le D-xylose est un épimère en 3 du ribose. Diastereoisomères : Lorsqu’ils se différencient par la configuration de plus d’un seul carbone asymétrique mais pas de tous. Enantiomères (Isomères optiques) Tous les oses (à l’exception du dihydroxyacetone ) possèdent un pouvoir rotatoire du fait de la présence d’un carbone asymétrique (lié à quatre substituants différents), et sont dits chiraux. Les composés chiraux sont caractérisés par leur effet sur la lumière polarisée. Celle-ci se propage dans un plan, que les molécules chirales détournent soit vers la droite soit vers la gauche. Les deux formes chirales sont dites D (pour dextrogyre) et L (pour lévogyre). En général les organismes ne produisent qu’un seul des deux énantiomères d’une molécule. C’est ainsi que dans la plupart des organismes les sucres sont D. Si n est le nombre d’atomes de carbone de la chaîne, le nombre d’atomes de carbone assymétriques sera de : – (n - 2) pour les aldoses ; – (n - 3) pour les cétoses. Les énantiomères se différencient par la configuration de tous leurs carbone asymétriques. Un mélange racémique n’a pas d’activité optique. Isomères de fonction : Lorsque deux isomères ne se différencient que par leur groupement fonctionnel (glucose et fructose). EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 6 Fig 9 : Les formes d’isomérie des oses. Le glucose a pour formule développée : HOH2C – C*HOH – C*HOH – C*HOH – C*HOH – CH = O Il possède 4 carbones asymétriques (C*). Il existe donc 24 = 16 stéréoisomères différents. 1.3.2.Cyclisation des oses modèle de HAWORTH La cyclisation est réalisée par réaction de la fonction aldhéhyde ou cétone avec une fonction alcool portée par la même molécule,il se forme alors: -Un hémiacétal :le produit de la condensation d’un alcool avec un aldéhyde ou -Un hémicetal une cétone avec un alcool, les oses sont sous forme cycliques avec dans le cycle un atome d’oxygène, appelé généralement « pont oxygéne ou oxydique ». EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 7 Fig 10.a – Cylisation du glucose sous forme pyranique et furanique . Fig 10.a – Cylisation du Fructose sous forme furanique . Cyclisation des aldoses : Cycle pyranique : (C1-C5) quand le cycle résultant comporte 6 sommets, il est hexagonal et porte le nom de cycle pyranique dans ce cas l’ose est un pyranose. Cycle furanique : (C1-C4) quand le cycle est pentagonal, il est appelé furanique l’ose est alors appelée furanose. Le carbone 1 porte à la fois un groupement OH (hydroxyle) et le pont oxygéne. Cyclisation des Cétoses : Fig 11 D-Fructopyranose et D-Fructofuranose. La cyclisation des cétoses s’opère de la même façon, comme on peut le voir sur la structure du fructose. Cycle pyranique : (C2-C6) quand le cycle résultant comporte 6 sommets Cycle furanique : (C2-C5) quand le cycle est pentagonal. Règles appliquées aux aldoses et cétoses : La position des groupements hydroxyle est fonction de leur position dans la représentation de Fisher. Les H et OH se trouvant à droite dans la représentation de Fisher se retrouveront au-dessous du plan du cycle. La nomenclature D et L Dans la représentation de Haworth, est donnée par la position par rapport au plan de la feuille de la fonction alcool primaire qui déterminera la série : EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 8 Série D : –CH2OH au-dessus du plan du cycle ; Série L : –CH2OH au-dessous du plan. Généralement, les pyranoses sont plus stables, donc plus souvent représentés. A-L’Anomèrie C’est une forme d’isomérie qui apparait lors de la cyclisation des oses elle est déterminée par La position dans l’espace de l’hydroxyle placé sur le carbone hémiacétalique. Les anomères ont un pouvoir rotatoire différent, ils sont distingués par les lettres et ᵦ. La forme est si le groupement hydroxyle (–OH) anomérique et le groupement CH2OH terminal sont de part et d’autre du cycle, et β s’ils sont du même côté. Équilibre entre formes anomères : En solution dans l’eau, les deux formes anomères et β du glucose sont en équilibre permanent. Il existe à tout instant des transformations réversibles entre la forme aliphatique et les deux formes cycliques, Fig 11 : Equilibre entre formes , ᵦ et aliphatique du glucose. En réalité, la forme aliphatique se trouve toujours en très faibles quantités (traces). La forme qui est plus stable, atteint une proportion de 64% et la forme β de 36%. B- La Mutarotation La mutarotation est l’évolution du pouvoir rotatoire lors de la préparation d’une solution aqueuse à partir d’un ose liée aux “échanges” de configuration du carbone anomérique. Jusqu’à l’obtention d’un équilibre entre les formes et ᵦ. C-.Conformation spatiale des oses La formule plane de HAWORTH ne suffit pas à décrire les molécules dans l’espace. Les cycles à 6 sommets ne peuvent pas être contenus dans un seul plan, compte tenu de la valeur fixe des angles de valence du carbone 109°28’. D’où la représentation de la figure hexagonale, en forme chaise ou bateau. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 9 Fig 12 : Forme bateau et chaise . 1.4. Propriétés physicochimiques des oses 1.4.1. Propriétés physiques des oses simples a-Solubilité Les oses sont très solubles dans l’eau, leurs fonctions hydroxyles forment des liaisons hydrogènes avec l’eau. b-Thermodégradabilité : déstructurations sous l’effet d’une température élevée c-Propriétés optiques :modification de l’indice de réfraction et du pouvoir rotatoire (pas d’absorption dans le visible ou l’UV). d-Mesure du pouvoir optique (rotatoire) Loi de BIOT : a = [a ]20°C x C x l • a = pouvoir rotatoire lu en ° •" [a]20°C = pouvoir rotatoire spécifique de la substance X, en °.dm -1.g-1.mL-1 • C = concentration de la substance en g.mL-1 • l = longueur du tube en dm Loi d’additivité du pouvoir rotatoire : Pour un mélange contenant plusieurs substances actives optiquement, le pouvoir rotatoire α produit par ce mélange est égale à la somme algébrique des pouvoirs rotatoires correspondant aux diverses substances actives considérées isolément proportionnellement à leur concentration dans le mélange. Un mélange équimoléculaire des deux énantiomères d'une même molécule est appelé : mélange racémique (n'a pas d'activité optique) 1.4.2. Propriétés chimiques des oses simples a-Stabilité En milieu acide : les oses sont stables en milieu acide dilué. En milieu alcalin : Les solutions alcalines diluées, à température ambiante, produisent des isomérisations. On aura soit une inter-conversion d’un aldose en un cétose correspondant (ou l’inverse), soit une épimérisation. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 10 Fig13 :Interconversion des oses b-Réduction des oses Les aldoses et les cétoses sont susceptibles de réduction catalytique sur leur groupement carbonyle en donnant des polyalcools. Ceci peut se faire par : voie chimique par les borohydrures alcalins ou par voie enzymatique. Fig 14 :Réduction d’un aldose le glucose c-Oxydation Oxydation ménagée (douce) : La fonction aldéhydique est la plus facilement oxydable. L’iode en milieu basique la transforme en fonction acide : l’ose est transformée en acide aldonique. Dans le cas du glucose l’acide formé est l’acide gluconique. En oxydant l’ose, l’iode est réduit. Les oses simples et les diholosides ayant un carbone hémiacétalique libre sont réducteurs de par leur fonction aldéhyde. Ce type d’oxydation n’a pas d’effet sur les cetoses. Fig 15-a : Formation d’un acide aldonique l’acide gluconique Oxydation forte L’oxydation plus poussée des aldoses transforme la fonction carbonyle et la fonction alcool primaire en fonctions carboxyliques. On obtient un diacide appelé acide glycarique ou aldarique. La même réaction d'oxydation provoque la coupure oxydante du squelette carboné des cétoses. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 11 Fig 15-b : Formation d’un acide aldarique Si la fonction carbonyle est au préalable protégée (par combinaison à l’UDP, l’uridine diphosphate par exemple) seul la fonction alcool primaire est oxydée. On obtient des acides uroniques. Les acides uroniques peuvent se complexer avec des molécules toxiques pour l’organisme et permettre leur élimination ; cette association forme des urono-conjugués. Fig 15-c : Acide uronique e-Action des amines et de l’ammoniaque Les oses peuvent réagir avec des amines. Il se forme alors des N-glycosamines ou Nglycosides.(voir dérivés d’oses) f- Estérification L’estérification des fonctions alcool par l’acide phosphorique forme des esters phosphoriques d’une grande importance biologique comme le G6P, G1P, F6P. g-Action de la phénylhydrazine Une fonction aldéhyde ou cétone peut réagir à froid sur la phénylhydrazine pour donner par une réaction de condensation une phénylhydrazone. En faisant réagir à chaud, les phénylhydrazones des oses avec un excès de phénylhydrazine, on constate que par des réactions complexes une des molécules va oxyder la fonction alcool portée par le carbone 2 pour les phénylhydrazones des aldoses ou par le carbone 1 des phénylhydrazones des cétoses, pour donner une fonction aldéhyde pour les cétoses et une fonction cétone pour les aldoses. La troisième molécule de phénylhydrazine va réagir alors sur la fonction carbonyle formée pour donner une deuxième fonction phénylhydrazone. L’ensemble de la molécule ainsi formée s’appelle une osazone. Grâce à leurs constantes physiques (fusion, solubilité, types de cristaux), les osazones permettent l’identification des oses. On constate que les ozasones du D- EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 12 glucose et du D-fructose sont les mêmes (isomères de fonction) ; il en est de même pour l’osazone du D-mannose(l’épimère en C2 du glucose). Fig 16 – Réactions de formation d’une ozazone. f-La méthylation :permet de fixer un CH3 sur un OH (R-O-CH3). Au laboratoire, la méthylation des oses se fait avec l’iodure de méthyle (ICH3) et de l’oxyde d’argent (Ag2O), ou bien avec du sulfate de diméthyle (CH3)2SO4 en milieu alcalin (NaOH). La méthylation peut être : • ménagée : seul le OH de l’hémiacétal est alors méthylé, • complète, totale, prolongée = perméthylation : tous les OH libres de l’ose (qu’ils soient alcoolique ou hémiacétalique) sont méthylés. Parmi les hydroxyles, se trouve l’hydroxyle hémiacétalique dont les propriétés diffèrent de celles des hydroxyles d’alcools. Sa méthylation conduit à la formation réversible d’un acétal . Contrairement aux éthers, les acétals sont sensibles à l’hydrolyse acide. Cette technique de méthylation a 2 applications principales : • détermination de la structure des cycles (pyranose ou furanose). • détermination de l’enchaînement des oses dans un oside car les groupements OH engagés dans la formation de liaisons osidiques ne peuvent pas être méthylés. Fig 17 : résultat de la perméthylation du glucose suivie d’une hydrolyse acide Déshydratation à chaud Les pentoses et les hexoses peuvent être déshydratés pour former du furfural ou l’un de ses dérivés. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 13 Fig 17 :Déshydratation des oses EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 14 Fig 18 : schéma récapitulatif des principales propriétés chimiques du glucose 1.5. Les dérivés des oses A. Désoxyoses Ce sont des oses dans lesquels un OH est remplacé par un H. C’est le cas du désoxyribose rencontré dans la constitution de l’acide désoxyribonucléique (ADN). Fig 19 : Structure du 2-désoxyribose. B. Osamines Les oses aminés sont des oses simples sur lesquels une fonction amine remplace une fonction hydroxyle. Seules les hexosamines qui dérivent des principaux hexoses par substitution du OH porté par le C2, ont un intérêt biologique. C’est le cas du glucosamine, galactosamine et de la mannosamine. C. Dérivés N-acétylés des osamines À l’état naturel, les osamines sont presque toujours acétylées sur la fonction amine, ce qui forme le N-acétyl-glucosamine par exemple. Fig 20 : Structure du D Galactosamine et N-Acetyl-D-Glucosamine. La lettre N est indiquée pour montrer que le radical acétyl est fixé sur l’azote de la fonction amine de l’osamine. On ne trouve pas ces composés à l’état libre, mais incorporés à de grosses molécules comme des glycolipides, des glycoprotéines... d-L’acide acide ascorbique Vitamine C : Dérive du glucose. Molécule comporte 6 carbones. Le premier carbone est porteur d’une fonction carboxylique formant un ester interne avec le carbone 4. Les carbones 2 et 3 sont porteurs d’une fonction enediol (2 hydroxyles sur 2 carbones échangeant une double liaison).L’acide ascorbique s’oxyde facilement en acide déhydro-L-ascorbique. Seule la forme L est active. La vitamine C participe aux EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 15 processus d’oxydo-réduction cellulaires et joue un rôle d’anti-oxydant. C’est le coenzyme de la prolylhydroxylase qui intervient dans la synthèse d’hydroxyproline. Elle intervient aussi dans la synthèse des stéroïdes comme toutes les vitamines elle n’est pas synthétisée par l’organisme et est nécessaire en faible quantité. Sa carence conduit au scorbut. L’acide ascorbique est utilisé comme additif alimentaire. Fig 21 :Structure de l’acide ascorbique 1.6. Oses d’intérêt biologique Hormis de rares exceptions, les oses naturels et leurs dérivés sont de la série D. A. Trioses Les formes D et L du glycéraldéhyde sont présentes dans la nature. Les formes les plus importantes des trioses sont des dérivés phosphorylés que l’on trouve dans les premières étapes de la glycolyse(catabolisme oxydatif). B. Tétroses Le seul tétrose d’intérêt est l’aldose D(-)érythrose. il s’agit d’un intermédiaire de la voie des pentoses phosphates. C. Pentoses D-ribose : son dérivé de réduction le D-2-désoxyribose entre dans la composition des acides ribonucléiques et désoxyribonucléiques (ARN et ADN). D-ribulose : ce cétopentose est trouvé à l’état de ribulose-1,5-diphosphate qui est un élément fondamental dans le « cycle des pentoses » et des réactions de photosynthèse. L-arabinose : c’est l’un des rares sucres naturels de la série L. On le trouve dans toutes les plantes, D. Hexoses D(+)glucose : carburant du monde vivant , l’-D-glucopyranose polymérisé constitue les réserves énergétiques (amidon végétal, glycogène animal) abondant à l’état libre dans le miel, les fruits. Il est hydrosoluble dans les liquides biologiques. Le polymère formé à partir de l’anomère β donne un polyoside la cellulose. D(+)galactose : entre dans la constitution du lactose du lait des mammifères. et dans certains oligosides, hétérosides et glycoprotéines. D(+)mannose : peu abondant à l’état libre entre dans la constitution de polymères tels les mannanes, ou encore de glycoprotéines. D(-)fructose : un des rares cétoses naturels, retrouvé dans les fruits et le miel et composant du saccharose. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 16 Fig 22 : Isomères cycliques de certains oses ainsi que leurs taux de présence relative dans l’eau. EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 17 Références : 1. Biochimie. VOET.De boeck 2. Biochimie . HARPER. 3. Biochimie UR1 .BEAUMONT. 4. Ravenbio. RAVEN et al .Deboeck 5. Licence STE – Biochimie 1 : Les glucides 6. http://biochim-agro.univ-lille1.fr/polysaccharides 7. http://www.chups.jussieu.fr/polys/biochimie/SGLbioch/SGLbioch.pdf 8. http://www.scielo.br/ 9. http://biochimej.univangers.fr/Page2/TexteTD. 10. http://sciences-physiques.acmontpellier.fr/ABCDORGA/Famille/Produit/medicam3.html EPSNV/2eme année/2016-2017 /Biochimie structurale Cours 1 –Les Glucides.D Page 18