composés phénoliques

Biomolécules d’origine végétale
d’intérêts industriels:
Les polyphénols …
Cours ULBI 456 Licence L2
Second semestre 2011
Christian Jay-Allemand
Université Montpellier 2
France
(Tél: 04 67143612, E-mail: [email protected])
Métabolites secondaires ?
Plan général du cours
-Diversité des structures chimiques
Partie I- Introduction
-Propriétés physico-chimiques
-Biodiversité végétale, adaptation et
plantes comme source de biomolécules
-Principales techniques d’analyse
-Sensibilisation aux «!métabolites
secondaires!» produits par les plantes
-Alcaloïdes
-Saponines et sapogénines
-Acides phénoliques et flavonoïdes
- Extraction, hydrolyses, …
- Séparat°, détect°, quantificat°
- Histolocalisation
Partie III- Activités cellulaires!et rôles
des composés phénoliques / Utilisations
- Fonctions cellulaires ?
-Métabolisme et voies métaboliques
- Couleur du bois
-Importance des composés phénoliques
utilisés par l’homme / Historique
- Couleur des fleurs et des fruits
Partie II- Biochimie des phénols et
techniques d’analyses
- Qualités organoleptiques
-Qu’est-ce qu’un phénol ?
-Réseaux métaboliques
- Brunissement des tissus
- Propriétés pharmacologiques
Partie IV- Conclusion et perspectives
PARTIE I
INTRODUCTION
I-1 Qu’est-ce qu’une plante ?
I-2 Les plantes, sources de biomolécules
d’intérêts industriels
I-3 Importance économique des métabolites
utilisés dans le monde
I-4 Historique et notion de métabolites
secondaires
I-1 Qu’est-ce qu’une plante ?
Comparaison entre Animal et Végétal ?
Plante = Vaste surface fixe aérienne et
souterraine pour un volume modeste.
Animal = Une symétrie bilatérale avec une
double polarité.
Plante = Une symétrie radiale avec une
seule polarité verticale pour les plantes.
Toute forme dépend de la gravité, de l’espace et de
la taille des organismes.
Adaptation à la fixité chez les végétaux =>
Diversité des biomolécules
Graines
Fertilité et pollinisation
Forte intensité
lumineuse et UV
Flavonoïdes
Basses températures
Anthocyanines
Ptérocarpanes
Esters sinapiques
Flavonoïdes
Isoflavonoïdes
Psoralènes
Blessures
Coumestrol
Psoralènes
Coumarines
Acide chlorogénique
Esters féruliques
Lignines et subérine
Taxifoline glucosylée
Signalisation à distance
Acide salicylique ?
Attaques par les
pathogènes
Ptérocarpanes
Isoflavonoïdes prénylés
Stilbènes
Coumarines
Flavanols
Aurones
Acétosyringone
Interactions avec les microorganismes
symbiotiques du sol Lutéoline,
Lutéoline, Apigénine
Daidzéine,
Daidzéine, Rutine, Tannins
Larve d’insecte
Régulation des
flux d’auxine et du
développement
Naringénine chalcone
Kaempférol
Quercétine
Carences en fer, nitrate et phosphate
Acides phénoliques, Flavonoïdes
Isoflavonoïdes,
Isoflavonoïdes, Anthocyanines
Graines d’arabette
(Figures 3 et 4)
Figure 3 : Comparaison des téguments de graines d’Arabidopsis thaliana sauvage (WT) et
mutée (tt12) grâce à une étude histochimique réalisée à l’aide d’une coloration au bleu de
toluidine (coloration en bleu-vert intense des composés de nature phénolique). Embryon
(emb), couche à aleurone (al), tégument interne (e), tégument externe (cl). Barre = 40 !m.
D’après Debeaujon et al., 2001.
Plant Cell, 13, 853-871
Temps d’imbibition (heure)
Figure 4 : Capacités germinatives de 4 lots de graines
d’Arabidopsis thaliana de type sauvage (WT) ou mutée (tt12)
déterminées en fonction de la durée d’imbibition appliquée à
ces différents lots.
Figure : Voie métabolique
des principaux flavonoïdes
connus chez les végétaux.
Sont indiqués les enzymes
(CHS, CHI, …) et les
mutants (tt2, tt7, …).
D’après Marinova et al.,
Plant Cell, 2007.
I-2 Les plantes, une source de biomolécules d’intérêts industriels
Glucides / Monosaccharides (oses) et polysaccharides
Lipides / A. gras => Triglycérides, phospholipides, …
Protides / Aminoacides => peptides et protéines
Nucléotides / ARN, ADN, ATP, ADP, NAD, NADP, FAD, FMN
Acides organiques / Cycles de Krebs et de Calvin, voie
shikimique, …
Polyamines aliphatiques et aromatiques
Hormones / Auxines - cytokinines - gibbérellines - éthylène Brassinostéroïdes
Composés poly-isopréniques, jasmonates, éthanol, vitamines,
éléments minéraux
Chlorophylles, caroténoïdes, stérols, terpènes, alcaloïdes,
saponines, composés phénoliques, …=> Usine chimique
Alcaloïdes et composés
azotés particuliers
Hétérosides
Terpenoïdes
Composés
phénoliques
Wink et al. (2003) Phytochemistry 64, 3–19
B
I
O
D
I
V
E
R
SI
T
É
Relations entre métabolisme
secondaire et métabolisme primaire
CO2+ H2O
Photosynthèse
Saponosides
Cardénolides
Glucides
Glycolyse
Respiration
Assimilation
de l’azote
Hétérosides
cyanogènes et
glucosinolates
Voie du
shikimate
Auxines, Polyamines
Acetyl CoA
Terpenoïdes
Cytokinines
Brassinostéroïdes
Acides
aminés
Composés
phénoliques
Malonyl CoA
Acides gras
Oxylipines
Jasmonate
Cires
Alcaloïdes
Flavonoïdes
Acide
salicylique
Tannins condensés
La pervenche de
Madagascar
Alcaloïde
dimérique
Structure de quelques alcaloïdes d’intérêts
Morphine
Cochicine
Réserpine
Codéine
Quinine
Cocaïne
Atropine
Ergotamine
Intérêts thérapeutiques des alcaloïdes
Atropine = Traitement des spasmes viscéraux
Bromocriptine = Inhibiteur de la lactation
Cocaïne = Anesthésiques locaux et stupéfiant
Codéine (méthyl-morphine) = Analgésique et calmant de la toux
Colchicine = Anti-inflamatoire spécifique / Goutte
Dérivé dihydrogéné de l’ergotamine = Vasodilatateur / anti-migraine
Ergotamine = Dépresseur du système nerveux sympathique
Ésérine / Carbamates = insecticides puissants
Morphine = Analgésique / calmant de la douleur
Quinine = Antimalarique / forme grave du paludisme (Plasmodium f.)
Réserpine et chlorpromazine = Neuroleptiques des psychoses aigües
Vinblastine et vincristine = Leucémies, Maladie de Hodgkin, cancers
Centella asiatica
Saponines et sapogénines
triterpénoïdiques
Cicatrisants, anti-inflamatoires,
régénération du derme / cosméto
Pouvoir Hémolytique des saponines de
Centella asiatica
110
100
90
80
% d'hémolyse
70
60
Acide Asiatique
50
Acide Madécassique
Asiaticoside
40
Madécassoside
30
20
10
0
-10 0
0,0133
0,0266
0,0399
0,0532
0,0665
0,0798
0,0931
Concentration en mMol.L
Figure: Pouvoir hémolytique des
différentes saponines de Centella
asiatica mesuré par spectrophotométrie
-1
0,1064
0,1197
0,133
0,1463
Les saponines
stéroïdiques et
triterpénoïdiques
La génine,
précurseur des
stéroïdes
Couleur
Écorce
A
B
Aubier
Lignines
Zone de
Transition
Bois de coeur
C
Colorants
M
- CHS
.
M
M
- DFR - F3’5H + F3’5H
- FLS
Brunissement
Diversité des structures de nature phénolique
Dérivés d’acides hydroxycinnamiques
Flavonoïdes
I-3 Importance des métabolites utilisés dans le monde
Poids économique des «!drogues!» d’origine
végétale dans le monde (estimation pour 2002)
Alcaloïdes (nicotine, cocaïne, morphine, …)
=> 4 milliards $
Terpènes et stéroïdes (diogénine, taxol, …)
=> 12 milliards $
Glycosides et phénols (lignanes, digoxine, …)
=> 14 milliards $
Utilisation des composés phénoliques
Paramètres de la qualité sensorielle des produits
végétaux
Brunissement et altération des produits
alimentaires
Importance des composés phénoliques dans
l’alimentation, la santé et la cosmétologie
Implications industrielles: Tannins, colorants,
dégradation des lignines, qualité des bois,
protection des plantes cultivées, …
ROLES MAJEURS
Pigments
Parfums et arômes
(Jasmin)
Substances biologiquement actives
I-4 Historique et notion de métabolites secondaires
XIXème
Avènement de la phytochimie
Isolement et caractérisation de nombreux
composés spécifiques aux végétaux
Recherche de principes actifs chez les
plantes médicinales
Un composé
phénolique : l’acide
salicylique
En 1825, un pharmacien italien,
Francesco Fontana, isole le
principe actif du saule blanc qu'il
appelle la "salicine"
En 1828 : Johann Büchner
isolement à partir d’écorces
de saule du salicylate
Un composé phénolique :
l’acide salicylique
1899 : Felix Hoffman (Bayer)
Synthèse d’Aspirine = acétylsalicylate à
partir de salicylate extrait de Spiraea
ulmaria (Reine des prés) !
Découverte d’un alcaloïde :
la morphine
1803 : isolement
1827 : commercialisation par Merck
Guerre de 1870 développement de l’usage
médical
>30 alcaloïdes
différents dont
10% de
morphine
Papaver somniferum album
Découverte d’un alcaloïde :
la morphine
1925 : caractérisation de la structure
chimique
Sir Robert Robinson
Prix Nobel de
Chimie
Les premières hypothèses
Julius von SACHS (XIXe siècle): Les
tannins sont des déchets du
métabolisme
J. von Sachs
(botaniste allemand)
Historique des métabolites
secondaires
Frederich Czapek (1921)
Taxons végétaux ! processus
biochimiques qui pourraient ne pas être
indispensables ! caractères secondaires
Développement de l’idée que les métabolites
secondaires n’ont aucun rôle : des déchets ou
des excréments / incréments ?
Un exutoire du métabolisme primaire en
situation de flux excessif (produits de fin de
chaîne métabolique) ?
Années 70-80 : Deux écoles
1- Anglo-saxonne : « Chemical
Ecology »
Miriam Rothschild
Jeffrey Harborne
Le MS est d’une importance capitale
dans les interactions écologiques
2- Allemande : Kurt Mothes
Le MS n’a pas de signification
physiologique
! Théorie neutraliste de l’évolution
Aujourd’hui : Nombreuses
fonctions reconnues pour les
métabolites secondaires
Fonctions écologiques
& physiologiques
Activités biologiques et autres
propriétés physico-chimiques
valorisées par l’homme
WT
tt4
At seedlings 13 days
after germination
Les flavonols (cas de la naringénine) et le NPA (acide
naphtylphtalamidique, molécule de synthèse) inhibent le transport
polarisé de l’auxine dans les racines d’Arabidopsis thaliana
via
l’inhibition des faciliteurs / transporteurs d’efflux d’auxine. WT, type
sauvage; tt4, mutant chalcone synthase (CHS) déficient en flavonoïdes.
Programme de recherche
Transporteurs
auxiniques (TA)
2
OH
3
O
OH
TA
OH
OH
O
Flavonols
OH
O
OH
4
OH
AIA
OH
OH
O
1
Synthèse
Transport
glycosylation
-Eau
- Nitrates
- Phosphates
- Sulfates
AIA
Dans les
cellules
péricycliques
AIA en µM
AIA= Acide indole 3acétique
Complexité des réseaux métaboliques / Métabolismes primaire et
secondaire (métabolisme phénolique via la voie de l’acide shikimique)
La formation des racines
latérales est sous contrôle des
flux d’auxines / transporteur!d’influx AUX1
WT
aux1
D’après Swarup et al., 2001. Gene & Develmopment, 15,
2648-2653.
Figure: Analyse de l’auxine (IAA) accumulée dans les pointes
racinaires de l’arabette (At) sauvage (WT) ou mutante (aux1). B,
image d’une racine colorée / activité Glucuronidase (gène
pDR5::GUS) chez WT; C, image d’une racine colorée / activité
Glucuronase (gène pDR5::GUS) chez le mutant aux1.
ws
tt4
Biotests / Roots
+
-