Biochimie Structurale des Composés Lipidiques Christophe Six UMR UPMC CNRS 7144 Station Biologique de Roscoff Bureau 354 [email protected] I. Définition et Fonctions Biologiques Comment définir les lipides ? . Groupe hétérogène, composés variés, structures très différentes. On en connaît près d’un millier. . Plusieurs classifications anciennes, basées sur les produits d'hydrolyse, abandonnées au profit d'une classification basée sur la structure. . Pas de polymérisation au sens strict mais des agrégations/condensations de molécules . Molécules organiques insolubles dans l’eau (lipos) et solubles dans les solvants organiques peu polaires comme acétone, benzène, chloroforme, éther, alcools, etc… . Présence d’une chaine aliphatique (-CH2-) dite chaine grasse, d’au moins 8 atomes de carbone (exception : acide butyrique en C4) . Les termes de « graisse » ou d’« huile » désignent des mélanges de lipides, respectivement solides et liquides à T°C ordinaire. . Sont rattachés aux lipides, en raison de leur insolubilité dans l’eau : le cholestérol, les stéroïdes, la vitamine D, et d’autres dérivés polyisopréniques. Fonctions Biologiques des lipides - Les lipides représentent environ 20 % du poids du corps. - 2 acides gras polyinsaturés indispensables (car non synthétisés par l’organisme) doivent être apportés par l’alimentation : acide linoléique et acide linolénique. Toutes les membranes cellulaires ont une structure lipidique Ils sont une réserve énergétique mobilisable : 1g lipides → 9 Kcal Ils ont des rôles de précurseurs, de catalyseurs, d’hormones II. Les acides gras Acides (mono)carboxyliques, linéaires, à nombre pair de carbone (4 à 40), saturés ou insaturés (double liaisons). . Rarement en molécule libre, souvent engagés dans liaisons éther ou amide. Les plus fréquent sont en C16 et C18 . En moins gde quantité, on trouve des acides à 14 et 20 carbones. Les autres sont plus rares et se rencontrent dans des tissus spécialisés. . Les acides gras à nombre de C impairs existent mais sont rares et très peu abondants 1°/ Les acides gras saturés Formule générique : [CH3 - (CH2)n - COOH] 4 C Acide butyrique : CH3 – (CH2)2 – COOH 16 C Acide palmitique : CH3 – (CH2)14 – COOH 18 C Acide stéarique : CH3 – (CH2)16 – COOH 24 C Acide lignocérique : CH3 – (CH2)22 – COOH Les acides gras saturés les plus courants dans le monde vivant : . 16 C Acide palmitique : CH3 – (CH2)14 – COOH . C’est un solide blanc, qui fond à 64°C . Principal produit de la synthèse des lipides dans nos cellules. Aliment très énergétique . Son nom vient de l’huile de palme, mais il est abondant dans toutes les graisses et huiles animales ou végétales . Industriellement on l’utilise pour la fabrication des margarines, des savons durs . 18 C Acide stéarique : CH3 – (CH2)16 – COOH . Solide blanc, qui fond à 70°C . Son nom signifie graisse en grec : il est abondant dans toutes les graisses animales (surtout chez les ruminants) ou végétales . L’acide stéarique sert industriellement à faire des bougies, des savons. Numérotation conventionnelle : Le premier carbone est toujours le carboxyle Exemple : Acide palmitique (16 C) : CH3 - (CH2)14 - COOH 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 16 1 3 Notation chiffrée : COOH 16 : 0 Acide palmitique (16:0) Chaine carbonnée ‘grasse’ Hydrophobe Groupement Acide carboxylique hydrophile Le groupement carboxyle peut facilement perdre un atome d’hydrogène : CH3 - (CH2)14 - COOH CH3 - (CH2)14 – COO- + H+ 2°/ Les acides gras monoinsaturés (=monodésaturés) Insaturé = non saturé en hydrogène double liaisons Dans les acides gras monoinsaturés, la position de la double liaison peut s’exprimer : - soit en partant du carboxyle (1er C) ; le symbole est delta ∆ - soit en partant de l’extrémité méthyl (dernier C) ; le symbole est oméga ω. En médecine clinique et en biologie, la désignation des acides gras insaturés la plus courante est l’oméga ω. Exemple : l’acide oléique C18 : 1 ω9 (abondant dans les graisses animales et végétales) L’acide oléique possède : - 18 C - 1 seule double liaison - localisée au 9ème C en partant du méthyl terminal Acide oléique C18 : 1 ω9 = C18 : 1 ∆9 ∆: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 ω 1 cis - Acide palmitoléique C16 : 1 ω7 = C16 : 1 ∆9 ∆:1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 O H H H H H H H H H H H H H O 2 C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H H H H H H H H H 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 H ω Ce qu’implique une double liaison… Isomère : même formule générale mais conformation différente CH H H C C CH2 CH2 cis CH H 2C H C C H CH2 trans Les acides gras naturels sont des isomères cis Isomères cis et trans de l’acide oléique Les isomères trans sont peu utilisables par l’organisme. Ce qu’implique une double liaison… Saturé Monoinsaturé Acide stéarique Acide oléique C18 : 0 C18 : 1 ω9 Groupe carboxylique Chaine carbonnée (cis) Department of Biochemistry and Molecular Biophysics, University of Arizona L’acide oléique . L’acide oléique est le plus abondant des acides gras insaturés dans notre organisme . Son nom vient de l’huile d’olive, mais il est abondant dans toutes les huiles animales ou végétales . Aliment énergétique . A la température de notre corps, c’est un liquide ; solidification à 4°C . Comme beaucoup d’acides gras usuels, il est utilisé pour la fabrication des savonnettes 3°/ Les acides gras polyinsaturés (=polydésaturés) Plusieurs double-liaisons Dans le monde du vivant : . Mammifères : jusqu’à 22 carbones et 6 insaturations . Végétaux : Jusqu’à 18 C et 4 insaturations • La famille linoléique (ω6) Acide linoléique C18 : 2 ω6,9 C’est un acide gras en C18 avec 2 doubles liaisons cis aux carbones 9 et 12 9 Acide linoléique C18 : 2 ω6,9 . Son nom vient de l’huile de lin, mais il est abondant dans toutes les huiles végétales . A la température de notre corps c’est un liquide ; solidification à -12°C. . En présence d’air, il s’oxyde rapidement (rancissement) . L’acide linoléique est un acide gras indispensable : il ne peut pas être synthétisé par les organismes animaux (besoins quotidiens humains : 3-4 g). . L’acide linoléique est essentiel à la formation de la barrière imperméable de la peau (épiderme). . Dans l’organisme, il conduit à l’acide arachidonique par voie enzymatique. 3°/ Les acides gras polyinsaturés • La famille linoléique (ω6) Acide arachidonique C20 : 4 ω6,9,12,15 Il possède 20 C avec 4 doubles liaisons cis aux carbones 5, 8, 11 et 14 9 ω 6 12 15 En l’absence d’acide linoléique dans l’alimentation, l’acide arachidonique devient indispensable à l’organisme 3°/ Les acides gras polyinsaturés • La famille linolénique (ω3) Acide linolénique C18 : 3 ω3,6,9 Il possède 18 C avec 3 doubles liaisons cis aux carbones 9, 12 et 15 ω 6 HOOC 9 3 . A la température de notre corps c’est un liquide ; solidification à -11°C . Les acides gras polyinsaturés s’oxydent à l’air en se saturant ce qui élève leur point de fusion et les rend solides. Cette propriété permet la fabrication des peintures à l’huile, du linoléum, etc... • L’indice d’iode - L'indice d'iode d'un lipide est la masse de diiode (I2) exprimée en g capable de se fixer sur les insaturations pour 100 g d’acide gras (pas d’unité) - L’indice d’iode d’un acide gras saturé est nul si l'on connaît la masse molaire de l'acide gras et son indice d'iode, on peut déterminer le nombre de doubles liaisons de cet acide gras - on détermine l'indice d'iode par la méthode de Wijs Réactif de Wijs = monochlorure d’iode - Exemples d’indices d’iode pour des graisses et huiles: Saindoux : Olive : Mais : Tournesol : Sardine : 52-68 83-87 110-128 120-136 170-190 4°/ Acides gras hydroxylés . Les végétaux synthétisent des acides gras portant un ou plusieurs groupements hydroxyle Acide ricinoléique (acide 12-hydroxy-9-cis-octadecenoïque) 18 : 1 ω9 9 1 12 18 Constitue 90% de l’Huile de ricin . Nbreuses applications (Purgatif puissant utilisé pour torturer ; Italie fasciste) Certains de ces acides gras servent à la formation de la cutine des végétaux 5°/ Acides gras ramifiés . Beaucoup d’acides gras présentent des ramification méthyl et/ou éthyl . On trouve ce type d’acides gras en abondance dans les parois bactériennes Acide 15-méthylhexadécanoïque HOOC 6°/ Acides gras à longue chaine . Présents dans tout le monde vivant : bactéries, végétaux, animaux, etc… . Généralement de 25 à 40 C, nbre de C pair ou impair . Linéaires, ramifiés et/ou hydroxylés… Jusqu’à 70 C ! Acides mycoliques 7°/ Prostaglandines et leukotriènes . Prostaglandines et leukotriènes = dérivés d’acides gras polyinsaturés à 20 C ω3 et ω6 = eicosanoïdes Acide arachidonique Cyclooxygénase Prostaglandines Lipoxygénase Leukotriènes E2 E1 H1 A4 B4 7°/ Prostaglandines et leukotriènes . Chez les mammifères, ce sont des composés à actions hormonales diverses . Généralement de courte durée de vie : vite métabolisés en composés inactifs - Les Prostaglandine F et leukotriènes BCD activent la contraction de muscles lisses - Les leukotriènes sont d’importants acteurs de la réponse inflammatoire (B4) ; ils sont impliqués dans l’asthme Inflammation Leukotriène B4 produit par les globules blancs Activation et adhésion des globules blancs à l’endothélium 7°/ Prostaglandines et leukotriènes Leukotriène B4 Prostaglandine D2 8°/ Quelques propriétés des acides gras • Propriétés physiques • Solubles dans les solvants organiques apolaires : benzène, chloroforme… • L’acide butyrique à 4C est soluble dans l’eau, puis la solubilité des acides gras baisse progressivement Acide stéarique 18:0 : Acide oléique 18:1 : Acide linoléique 18:2 : Acide linolénique 18:3 : Acide arachidonique 20:2 : 70°C 13°C -5,8°C -11°C -49,5°C • Point de fusion augmente avec le nombre de C et diminue quand le nbre de doubles liaisons augmente. • Ils sont liquides à 20°C si n <10 C, solides si n > 10 C • Propriétés chimiques - Formation de sels de sodium ou potassium Ce sont des savons à propriétés moussantes, mouillantes et émulsionnantes. Dans l’eau les savons se dissocient en : Na+ + R-COO- L’anion a 2 pôles : Hydrophobe hydrophile Ces molécules dites amphiphiles ou amphipathiques, sont tensioactives : elles abaissent la tension superficielle de l’eau - Estérification et saponification L’estérification est la condensation d’un alcool et d’un acide carboxylique (réaction de Fisher) O R O + C R’ OH R + H2O C OH O R’ . Réaction lente, limitée, athermique La saponification est l’hydrolyse d’un ester en milieu basique, donnant un ion carboxylate et un alcool. O R O + C O OH- + Na+ R’ R + Na+ + R ’ OH C O- . Réaction lente, totale et exothermique Le savon est soluble dans l'eau, a des propriétés détergentes et un pouvoir moussant - Indice de saponification - Indice d’acide On peut doser les acides gras à l'aide d'une solution de potasse (KOH) alcoolique, en présence de phénolphtaléine. Ceci permet d'évaluer la quantité globale d'acides gras libres. On obtient un indice d'acide, correspondant aux mg de potasse nécessaires pour neutraliser l'acidité libre contenue dans 1 g de matière grasse - Indice d’ester C’est la quantité (mg) de potasse nécessaire pour estérifier 1 g de matière grasse. Indice de saponification = indice d'acidité + indice d'estérification III. Glycérolipides Ce sont des lipides dont la structure est basé sur l’estérification d’acides gras et d’un alcool : le glycérol liquide translucide, très visqueux, inodore, non toxique, au goût sucré Glycérol (glycérine) Propan-1,2,3-triol On distingue un grand nombre de classes de glycérolipides : - Les glycérides = acyl-glycérols - Les Glycérophospholipides : - Les Glycosylglycérides - Etc… 1°/ Les Glycérides A/ Structure . Ce sont des esters du trialcool glycérol et d’acide(s) gras, insolubles dans l’eau solubles dans l’acétone car très apolaires, ≠ phospholipides. Mono, di et triglycérides H2C OH HC OH H2C OH H2C OH HOOC R1 OH + HOOC R2 OH HOOC R3 HC H2C + 3HOOC R 3 H2O + 3 H2O + H2C O CO Groupement Acyl R HC O CO R H2C O CO R H2C O CO R1 HC O CO R2 H2C O CO R3 Triglycéride homogène Triglycéride hétérogène . Pour indiquer la position des acides gras, on numérote les 3 atomes de carbone du glycérol Diglycéride 1-palmitoyl 2-oléyl glycérol 1 H2C HC H2C 2 3 O CO (CH2)14 O CO (CH2)7 CH3 CH CH (CH2)7 CH3 OH Triglycéride 1 H2C HC H2C 2 3 O CO (CH2)14 O CO (CH2)7 CH O CO (CH2)16 CH3 1-palmitoyl 2-oléyl 3-stéaroyl glycérol CH3 CH (CH2)7 Isomère de type I CH3 1 H2C H3C (CH2)7 CH CH (CH2)7 CO O CO (CH2)14 CH3 O CO (CH2)16 CH3 2 CH H2C Isomère de type II : le plus courant dans la nature O 3 B/ Les glycérides comme réserve énergétique . D’importantes quantités de triglycérides peuvent être stockés par les organismes, car ils sont hydrophobes et n’affectent pas l’équilibre osmotique (≠ sucres) . Ce sont les lipides naturels les plus nombreux : 90% des tissus adipeux, bcp d’huiles végétales. Réserve énergétique importante chez bcp d’organismes : 10% du poids d’un animal non obèse . Présents dans les cellules sous forme liquide à l’état d’inclusions cytoplasmiques Adipocyte C/ Digestion des glycérides Catabolisme : l'ensemble des réactions de dégradations moléculaires Anabolisme : l’ensemble des réactions de synthèse Catabolisme + Anabolisme = Métabolisme . Durant la digestion, des molécules complexes sont dégradées en molécules plus facilement assimilables catabolisme . Durant la digestion, l’absorption des lipides enzymes lipolytiques + émulsification . Agents émulsifiants = sels biliaires (glycocholate de sodium) . Les enzymes lipolytiques Les lipases pancréatiques hydrolysent spécifiquement les esters du glycérol : (Fonction estérase) Triglycérides monoglycéride + 2 acides gras R1 – COOH R2 – COO R3 - COOH Les lipases pancréatiques agissent uniquement sur les lipides émulsionnés 2°/ Les glycérophospholipides ou phosphatides . Ce sont les représentants les plus nombreux de la grande famille des phospholipides . Composants essentiels des membranes cellulaires de tous les êtres vivants A/ Les acides phosphatidiques . Ce sont les éléments de base des glycérophospholipides, résultant de l’estérification du glycérol par 2 acides gras et par l’acide phosphorique : OO- P CH3OH O- + CH2OH R1 O- + R2 O COOH CH3OH COOH O- P O . Molécule asymétrique isomérie O H2C O CO R1 HC O CO R2 CH2 + 3 H2O Acide phosphatidique (Isomère naturel) - O - O P O O H2C O CO R1 HC O CO R2 CH2 Acide phosphatidique . Les deux acides gras ont une chaîne longue (≥ 14C), l’acide gras en position 2 est souvent insaturé. . L’acidité de la molécule provient des 2 H+ libres de l’acide phosphorique. Au pH sanguin (7.35 – 7.45), les 2 fonctions acides sont ionisées. . L’acide phosphatidique est un second messager intracellulaire. B/ Les classes de glycérophospholipides . Estérification entre une molécule d’alcool et une fonction acide de l’acide phosphorique (liaison phosphodiester) Selon l’alcool, on obtient des classes différentes de lipides : Phosphatidyl-sérines = Acides Phosphatidiques + Sérine Phosphatidyl-éthanolamines = Acides Phosphatidiques + Ethanolamine Phosphatidyl-cholines = Acides Phosphatidiques + Choline Phosphatidyl-inositols = Acides Phosphatidiques + Inositol Choline O- H3C N+ H3C CH2 CH2 O P H3C O H2C O CO R1 HC O CO R2 CH2 O Phosphatidyl-choline ou lécithine Phosphatidyl-éthanolamine H2C O CO R1 O- HC O CO R2 H2C O CO R1 HC O CO R2 NH3+ CH2 CH2 O P O CH2 O Phosphatidyl-sérine O- COONH3+ CH CH2 O P O O CH2 . Dans le cerveau, le foie, le jaune d’œuf, etc… L’inositol est un hexaalcool cyclique qui a 9 isomères possibles. Le myoinositol est le plus fréquent dans les lipides. Phosphatidyl-inositol O- 6 5 4 O P O H2C O CO R1 HC O CO R2 CH2 1 Myoinositol 3 2 O Il existe beaucoup d’autres groupes de glycérophospholipides… . Alkényl-phosphatides : l’acide gras au carbone 1 est remplacé par un aldéhyde gras . Alkyl-phosphatides : l’acide gras au carbone 1 est remplacé par un alcool gras . Phosphonolipides : présence d’une liaison Phosphore-Carbone . Etc… C/ Propriétés des glycérophospholipides • Ce sont des molécules amphiphiles car elles présentent 2 pôles : - l’un hydrophobe dû aux AG - l’autre hydrophile dû à l’ester phosphorique. Phosphatidyl-choline ou lécithine O- H3C H3C H3C N+ CH2 CH2 O P O H2C O CO R1 HC O CO R2 CH2 O • Une molécule ayant deux charges opposées (amphiphile) a des propriétés tensioactives, c'est-à-dire qu'elle permet de stabiliser des émulsions. • Ce sont des molécules amphotères car elles possèdent à la fois : - une fonction acide apportée par H3PO4 - une fonction basique apportée par l’AA alcool (sérine, thréonine) ou par la choline. D/ Digestion des glycérophospholipides Chez tous les être vivants, ces lipides sont dégradées par plusieurs types d’enzymes lipolytiques : . Les phospholipases détachent les acides gras des glycérophospholipides Plusieurs classes de phospholipases aux activités différentes : PL A1 Phosphatidyl-choline ou lécithine H3C H3C H3C PL D N+ CH2 CH2 O OP H2C O CO R1 HC O CO R2 PL C O CH2 PL A2 O . Les acides gras seront activés et subiront la β-oxydation dans les mitochondries 8 ATP par atome de carbone (contre 6 pour le glucose) . Certains venins de serpent contiennent des phospholipases A : hydrolyse membranes hémolyse . Les phosphodiestérases hydrolysent les liaisons phosphodiester en agissant sur la glycéryl-phosphoryl-choline obtenue après action des phospholipases A Elles peuvent rompre : - soit la liaison ester entre l’acide phosphorique et la choline - soit la liaison ester entre l’acide phosphorique et le glycérol Glycéryl-phosphoryl-choline O- H3C H3C N+ CH2 CH2 H3C H20 H3C H3C Choline N+ CH2 H2COH CH2OH O- H3C + O- P O HCOH O P H2C OH HC OH O CH2 O H3C H3C Phosphorylcholine N+ CH2 H3C CH2 O Glycérophosphate CH2 + H2OHC CHOH Glycérol O OP O CH2OH O- . Les phosphomonoestérases (ou phosphatases) finissent l’hydrolyse des produits libérés par les phosphodiestérases H2COH HCOH OO- H3C H3C P O CH2 ON+ CH2 O P O H3C O CH2 Phosphorylcholine Glycérophosphate H3C H2OHC CHOH CH2OH Glycérol + OO- P O- Acide O phosphorique H3C N+ H3C OO- CH2 + CH2OH Choline P O- Acide O phosphorique O- 3°/ Les glycosyldiglycérides . Ils résultent de la fixation, sur la fonction alcool libre d’un 1,2-diacylglycérol, d’une ou plusieurs molécules d’ose (jusqu’à 10). . Les oses les plus fréquents sont le glucose et le galactose. Un Digalactosyldiacyl-glycerol . Composant essentiel des systèmes membranaires bactériens et des organites issus d’endosymbiose IV. Les Sphingolipides 1°/ Sphingosine et céramides . Chez ces lipides, l’alcool n’est plus le glycérol mais un aminoalcool à longue chaine. Le plus souvent, c’est l’aminodiol appelé sphingosine : 1 2 5 3 4 7 6 9 8 11 10 13 12 15 14 17 16 18 Sphingosine .18 Carbones et une double liaison entre C4 et C5 . On peut aussi trouver : - la dihydrosphingosine (= sphingosine saturée) - la phytosphingosine (= sphingosine saturée et hydroxylée) Surtout dans les végétaux et les invertébrés Les sphingolipides sont des amides de la sphingosine : ils se forment par liaison du carboxyle de l’acide gras sur le -NH2 de la sphingosine (liaison amide) Formation d’un acylsphingosine = céramide H3C (CH2)12 CH CH H2N CHOH CH H3C + COOH (CH2)12 R1 R1 Sphingosine CH2OH Acyl CH C CH NH CHOH CH CH2OH O Céramide L’acide gras est généralement saturé à longue chaîne. Exemple : Acide lignocérique A partir de cette structure de céramide, on distinguera ici deux groupes principaux de sphingolipide : - les sphingomyélines - les sphingoglicolipides 2°/ Les Sphingomyélines . Le céramide est lié par sa fonction alcool primaire (carbone 1) à une molécule de phosphorylcholine : Acide phosphorique Acide gras Choline Sphingosine Sphingomyéline . L’acide gras le plus fréquent est l’acide lignocérique (C24:0). . Les sphingomyélines existent dans la plupart des organismes. Elles sont présentes dans les membranes cellulaires, en particulier la membrane plasmique . Les sphingomyélines sont les constituants fondamentaux de la gaine de myéline des cellules nerveuses Augmentation de la vitesse de propagation de l’influx nerveux : 10 à 75 m.s-1 Axone Dendrites (Soma) Sclérose en plaques : Maladie neurologique auto-immune chronique du système nerveux central. Démyélinisation des fibres nerveuses du cerveau, de la moelle épinière et du nerf optique. 3°/ Les Sphingoglycolipides . Ce sont des lipides caractérisés par la présence dans leur molécule d’un ou plusieurs oses liés au carbone 1 d’un céramide. L’ose est toujours fixé sur le céramide par sa fonction réductrice. Monogalactosylcéramide = Sphingosine + Acide gras + 1 β-D-galactose Céramide Monogalactosylcéramide . Galactosylcéramides (ou cérébroside) : tissus rénal, nerveux et cérébral des vertébrés . Grande variété de structures de sphingoglycolipides : - Jusqu’à une dizaine de sucres peuvent être fixés - On peut trouver plusieurs sucres : glucose, galactose, mannose, fucose, glucosamine, galactosamine, etc… Exemple : Lactose = glucose + galactose Groupement acyl = palmitoyl 16:0 Sphingosine β-D-galactosyl-(1-4)-β-D-glucosyl-céramide = Lactosylcéramide . Chez les mammifères, le premier sucre est un glucose : groupe des glucosylcéramides . On retrouve les glucosylcéramides depuis les procaryotes jusqu’aux mammifères où ils peuvent représenter jusqu’à 20% des lipides totaux. . Des sphingoglycolipides particuliers : les Gangliosides - Leur structure est celle d’un lactosylcéramide sur lequel sont fixées une ou plusieurs molécules d’oses. - L’ose caractéristique des lipides gangliosides est l’acide neuraminique. - Le cerveau des vertébrés est riches en gangliosides complexes Acide neuraminique GM2 ganglioside Neuraminic acid V. Les lipides polyisopréniques 1°/ Hydrocarbures polyisopropéniques . Un grand nombre de composés présents surtout chez les végétaux, mais aussi chez les animaux et bactéries, sont formés par la polymérisation d’unités isoprène CH3 H2C Isoprène C HC CH2 Limonène = 2 unités Huiles essentielles d’agrumes Squalène = 6 unités Sebum humain, Huile de foie de requin Lycopène = 8 unités Pigment végétal rouge 2°/ Les caroténoïdes A/ Carotènes et xanthophylles . Molécules trouvées abondamment chez les végétaux (photosynthèse) et les champignons, et aussi parfois chez les animaux . 2 fonctions majeures chez les vgtx : Absorber la lumière et photoprotéger β-carotène (8 unités isoprène) Antioxydant végétal Biosynthèse des carotènes chez les végétaux D’après Liang et al. 2006 Beaucoup de végétaux accumulent ces composés Lycopène Pamplemousse Pastèque β-carotène Goyave Papaye . Les xanthophylles sont des carotènes oxygénés Lutéine Astaxanthine Canthaxanthine Canthaxanthine Zéaxanthine Fucoxanthine B/ Les vitamines A β-carotène . Dérivent directement des carotènes . Sensibles à l’oxygène, la lumière et la chaleur . Effet sur la croissance animale (os) . Système reproducteur . Croissance/protection des tissus épithéliaux, apoptose : acide rétinoïque Acide rétinoïque « Vitamères » . Cofacteur dans le processus de la vision Composant de la rétine . Carence sévère cécité, peau pâle et sèche, mort . Les surdoses sont toxiques . La vitamine A est un constituant de la photopile de l’œil. Dans les bâtonnets de l’œil : 11-cis-rétinal + opsine rhodopsine . Absorption d’un photon entraine une isomérisation ( dépliement) : 11-cis-rétinal tout-trans rétinal Influx nerveux dans le nerf optique Régénération par voie enzymatique : rétinal tout-trans Rétinol tout-trans 11-cis-rétinal Cellule Batonnet Nucleus Rétine Cone Howgego & May, Bristol University, UK 3°/ Stérols et Stéroides . Ce sont des composés nombreux et très variés, dérivant d’un noyau polycyclique : 12 11 le cyclo-pentano-phénanthrène = stérane (17 C) 1 Carbone asymétrique C 9 10 A 3 B 8 16 15 7 5 4 D 14 v 2 17 13 6 . La stéréochimie et la nomenclature des stéroïdes est très complexe noms usuels . Quasiment tous les dérivés sont substitués par un méthyl en C10 et C13. . Les stéroïdes ont des activités biologiques diverses. Une petite modification de structure/substituants modification de l’activité A/ Les stérols . Groupe d’alcools important, présents chez tous les eucaryotes. On en connaît une centaine Stérol A Principal stérol des vertébrés D B Principal stérol des champignons Ergostérol Cholestérol C A C D B Les procaryotes ne savent pas synthétiser le cholestérol C A D B Présent aussi chez les végétaux et les invertébrés Le cholestérol . C’est un constituant majeur des membranes : rôle dans la stabilité, le maintien, la perméabilité et la fluidité . Il s’intercale entre les phospholipides des membranes . Il est un précurseur fondamental de la synthèse de 3 groupes de molécules : les hormones stéroïdes, les acides biliaires et les vitamines D . Environ un tiers du cholestérol provient de l'alimentation (viandes, œufs, abats, produits laitiers, etc.) tandis que les 2/3 restants sont synthétisés par l'organisme dans le foie et l’intestin (dans le cas d'une alimentation équilibrée) . Le cholestérol n’est pas soluble ds le sang transporteurs = lipoprotéines de basse (LDL) et de haute (HDL) densité . Récepteurs aux LDL sont sensibles si oxydation des LDL, dépôt de cholestérol sur les parois (Athérome) . Les HDL conduisent le cholestérol au foie où il est dégradé B/ Les Stérides . Estérification des stérols par un acide gras les stérides . Petites quantités dans les tissus, un peu dans les membranes biologiques + Un exemple de stéride : Le palmitate de cholestéryle A C B . Le stéride le + rencontré dans le sang est le linoléate de cholestéryle D + H2O . L'oléate de cholestérol est un stéride présent dans beaucoup de cellules animales où il constitue une réserve de cholestérol . L’accumulation de stéride dans les parois des vaisseaux sanguins est pathologique (Athérome) C/ Les hormones stéroïdes - Hormones testiculaires mâles : la testostérone, l’androstérone Testostérone Hormone importante impliquée dans la régulation de nombreux processus : - le développement embryonnaire - le fonctionnement sexuel & caractères sexuels secondaires (ex: puberté) - la voix - la production de cellules sanguines - le comportement général - la force musculaire - etc… - Hormones ovariennes et placentaires : . Les hormones œstrogènes : l’œstradiol, l’œstrone, l’œstriol Œstradiol - Développement et maintien du sein. - Force, croissance et densité osseuse - Apport de lipides aux seins, hanches, cuisses lors de la puberté - Développement de l'utérus et de l'endomètre - Développement et maintien des muqueuses et des sécrétions vaginales - Hormones ovariennes et placentaires : . Les hormones lutéales : la progestérone Progestérone - Sécrétée par le corps jaune des ovaires - Impliquée dans le cycle menstruel féminin, la grossesse et l'embryogenèse Cette hormone peut être convertie en œstradiol ou en testostérone - Hormones corticosurrénales : la corticostérone, le cortisol, l’aldostérone Cortisol . Synthétisée et secrétée par le cortex de la glande surrénale, à partir du cholestérol . Stimule l'augmentation du glucose sanguin : elle permet donc de libérer de l'énergie à partir des réserves de l'organisme . Rythmes circadien et annuel de sécrétion http://healthwriter.eu/testosterone-effects-low-testosterone-causes-and-symptoms/ Le rôle fondamental du cholestérol en tant que précurseur dans la biosynthèse des hormones D/ Autres dérivés stéroïdes . Les acides biliaires : les acides choliques et desoxycholique - Très faible solubilité dans l’eau - Présents dans la bile intestinale, conjugués à des acides aminés (glycine, taurine, etc…) Acide glycocholique Acide cholique stérol glycine - Production dans le foie à partir du cholestérol, stockés dans la vésicule biliaire, puis déversé avec la bile dans l’intestin - Facilitent la digestion des graisses en déstabilisant leurs liaisons hydrophobes . La vitamine D ou calcitriol - Les vitamines D sont un groupe de molécules d’origine stéroïde - 2 précurseurs de la forme active : D2 (ergocalciférol) végétaux, invertébrés, champignons D3 (cholécalciférol) animaux (huile de foie de poisson) - Action hormonale : régulation du taux de calcium sanguin action au niveau de l’absorption du calcium et du phosphore par les intestins et les reins - Incorporation du calcium par les os (prévient notamment le rachitisme) Calcitriol - Un précurseur est formé à partir d’un dérivé du cholestérol - Ce précurseur se transforme en vitamine D3 sous l’effet des UV au niveau de la peau - Première hydroxylation (foie) puis seconde hydroxylation (reins) 7-déhydro-cholestérol Vitamine D3 Vitamine D fonctionelle (calcitriol) 2°/ Autres dérivés polyisopréniques A/ Les hopanoïdes - Les procaryotes sont incapables de synthétiser du cholestérol - Certains utilisent des dérivés voisins des stéroïdes : les hopanoïdes - Structure de base = hopane (30 C) - On connaît une 50aine de composés dérivés - Rôle dans l’adaptation aux milieux extrêmes B/ Les quinones à chaine isoprénique et dérivés Naphtoquinone . Quinone = dicétone éthylènique cyclique : Benzoquinone . Ubiquinone50 = Coenzyme Q10 : chaine latérale à 50 C (10 unités isoprène) Plastoquinone 2H+ + 2e- Ubiquinone Ubiquinol = Hydroubiquinone . Les vitamines K - K1 (végétale) = naphtoquinone + une chaine phytyle (4 unités isoprène) Phylloquinone (Vitamine K1) - K2 = ménaquinones = jusqu’à 10 unités isopréniques - Synthétisée par bactéries intestinales et à partir de la phylloquinone (alimentation) - K2 Impliquée ds la maturation de facteurs de coagulation sanguine (prothrombine) - K2 : Fixation du calcium sur l’ostéocalcine, une protéine constituant des os carboxylation de protéines - Antidote en cas d’ingestion de mort aux rats (action anti hémorragique) VI. Cérides et hydrocarbures 1°/ Les cérides . Ce sont les constituants des cires : cires végétales, cires d’insectes (hyménoptères), plumage des oiseaux, sebum cutané, humain, etc… . Substances solides, incolores et chimiquement inerte : protections biologiques . Secrétées par des mycobactéries tuberculose . Esters jusqu’à 50 C, entre des acide gras et des alcools à longue chaine Exemple : le palmitate de cétyle H3C (CH2)14 C O (CH2)15 CH3 O Présent dans le « blanc de baleine » = spermaceti du cachalot Physeter macrocephalus (sperm whale) Un appareil stabilisateur du Cachalot à base de cérides Spermaceti Inhalation d’eau froide Etat solide : diminution du volume Plongée Circulation du sang à 37°C Etat liquide : augmentation du volume Remontée en surface D’après Clark, 1979 2°/ Les hydrocarbures . Composés de structure générale : H3C (CH2)n CH3 . Uniquement composé de C et de H Peuvent être ramifiés, désaturés, (alcanes, alcènes, alcynes), etc… . Très hydrophobe . En faible concentration dans les organismes vivants . Exemple : la cuticule des insectes contient des alcanes à 40 C