B21 – Biochimie structurale L1 Bio 2010/2011 - E

B21 – Biochimie structurale
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Rappel Biomolécules :
Ce ne sont pas des structures vivantes mais ce sont des éléments constitutifs de la
matière vivante. Les organismes vivants sont composés d‟un grand nombre de molécules plus
ou moins complexe. Exemple : l‟hydrogène, l‟eau, le carbone, le glucose, la cellulose.
La biochimie consiste à décrire et à comprendre la composition moléculaire des
éléments. Ils ne sont pas répartis de façon égale dans la matière vivante.
Les éléments principaux (majeurs) constituent plus de 99% des organismes. Ils
participent à la constitution des organismes vivants. Les oligoéléments sont présents en très
faible quantité-traces. Ils ont un rôle essentiellement catalytique.
Les éléments principaux : H, Na, K, Ca, C, N, O, F, S, Cl.
Comparaison entre la croûte terrestre (matière inerte) et le corps humain (matière
vivante) :
- Corps humain : H, O, C, N, Ca, P, Cl, K (H et O à plus de 80%)
- Croûte terrestre : O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg (O et Si supérieur, le reste sont des
éléments minéraux)
Molécules d‟intérêt biologique : glucide, lipide, protéine et acide nucléique. L‟interaction
entre protéine et ADN dans les cellules donne lieu à la réplication.
Ordre de grandeur : Les molécules sont de l‟ordre du nm, elles se condensent pour former
la cellule qui est de l‟ordre du µm, qui elles même se condensent pour former les organes qui
sont de l‟ordre du cm, qui eux même vont former l‟organisme vivant.
Comparaison entre cellules procaryotes et cellules eucaryotes : Les cellules procaryotes
sont de l‟ordre de 2µm et les cellules eucaryotes de l‟ordre de 10 à 100µm.
Dimension des molécules biologiques : Les atomes sont de l‟ordre de l‟angström.
Atome < glucide < hémoglobine < ribosome < bactérie < globule rouge.
Constituant moléculaire de la bactérie d‟E. coli :
- Eau : 70%
- Protéine : 15%
- Acide nucléique :
o ADN : 1%
o ARN : 6%
- Sucre : 3%
- Lipide : 2%
- Molécules intermédiaires : 2%
- Molécules inorganiques : 1%
On peut donc en conclure sur le fait que l‟élément principal constituant les être vivant est
l‟eau.
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Chapitre 1 : Propriété de l‟eau
La vie est apparue dans l‟eau et les cellules sont parfaitement adaptées à la vie dans
l‟eau. Un apport insuffisant en eau entraine une déshydratation et la mort des cellules. L‟eau
représente 70% de la matière vivante.
L‟eau est un excellent solvant des biomolécules. La formation de nombreuses liaisons
hydrogènes permet de solubiliser beaucoup de biomolécules polaires. Les liaisons hydrogènes
jouent un rôle important en biochimie.
L‟eau s‟ionise en libérant un proton H+ et un ion OH-. Cela crée donc un gradient de
pH et il faut savoir que l‟ionisation des biomolécules est importante pour leur fonction.
I.
Propriété particulière de l‟eau
Etats de l‟eau : liquide, solide, gazeux. Le point de fusion ou la température de fusion
d‟un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un
composé chimique passe de l‟état solide à l‟état liquide. Le point de congélation est la
transition inverse.
L‟eau diffère des alcools par un point de fusion, un point d‟ébullition et une enthalpie
de vaporisation plus élevé que les valeurs attendues. La glace fond à 0°C et non à -90°C.
(voir graphique)
Sur la base de ce raisonnement on s‟attendrait à avoir une température de fusion de 90°C et d‟ébullition de -50°C.
L‟eau a donc un point de fusion et d‟ébullition anormalement plus élevé pour une
substance ni métallique ni ionisé ayant cette masse molaire.
Ces propriétés suggèrent que les forces d‟attractions entre les molécules d‟eau doivent
être élevées. De plus la cohésion interne entre ses molécules doit être forte. Ces différences de
prédictions sont liées à la structure même des molécules d‟eau.
La molécule d‟eau forme un tétraèdre. L‟angle entre les liaisons est de 104,5°. Deux
sommets sont occupés par un hydrogène et les deux autres par une orbitale à deux électrons.
(voir schéma)
Moment dipolaire :
(voir schéma)
Les deux atomes d‟hydrogènes sont liés à l‟oxygène de façon covalente. Chaque
hydrogène va partager une paire d‟électron avec l‟oxygène et ceci crée une courbure de la
molécule. Si la structure de la molécule d‟eau était linéaire, l‟eau serait une substance
apolaire.
Dans la configuration courbe, l‟oxygène électronégatif et les deux atomes
d‟hydrogènes forment un dipôle qui rend la molécule très polaire. La structure dipolaire est
idéalement adaptée par la formation des liaisons hydrogènes.
II.
Formation des liaisons (ponts)
(voir schéma)
Interaction de type électrostatique entre l‟oxygène et l‟hydrogène de deux molécules
différentes. L‟énergie à fournir pour rompre ses liaisons est de 4kcal/mole (pour une liaison
covalent elle est de 110kcal/mole). C‟est donc une liaison de faible énergie.
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L‟eau peut servir à la fois de donneur et d‟accepteur de proton H+. Les liaisons
hydrogènes sont à l‟origine de la forte attraction intermoléculaire dans l‟eau.
Potentiellement, une molécule d‟eau peut faire des liaisons hydrogène avec quatre
molécules environnantes : C‟est cette capacité à faire des liaisons hydrogènes qui donnent à
l‟eau ses propriétés particulières comme le point d‟ébullition, le point de fusion, la chaleur de
vaporisation et la tension superficielle aussi élevé.
2.1. Aux différents états
A l‟état de vapeur : Distance très grande entre les molécules et donc il n‟y a pas
vraiment de liaison hydrogène.
A l‟état liquide : Le nombre de liaison hydrogène est d‟environs 3,4 par molécules en
moyenne. La structure n‟est pas figée, les liaisons se rompent er se reforment en permanence.
La durée de vie d‟une liaison hydrogène est de 10-8 à 10-12 s.
A l‟état solide : Chaque molécule forme quatre liaisons hydrogènes. Toutes les
liaisons vont être parfaitement orientées d‟où la formation d‟un cristal. Les liaisons
hydrogènes ont une durée de vie beaucoup plus longue qu‟à l‟état liquide, soit 1000 fois plus.
La structure est moins compact d‟où une masse volumique plus faible.
C‟est la présence des charges partielles de l‟eau qui permet la formation de liaison hydrogène.
2.2. Liaison de faible énergie
2.2.1. Liaisons de Van der Waals
Elle résulte d‟interactions entre toutes les molécules neutres par suite à l‟existence
d‟un caractère polaire permanent induit ou instantanée. Le nuage électronique n‟est pas figé, il
va fluctuer entre le noyau chargé positif et les électrons d‟atomes voisins.
(voir schéma)
La force de ce type d‟interaction dépend de la taille des molécules et de la distance qui
les sépare. Plus la distance est grande plus l‟énergie est faible.
La taille va également déterminer la zone de contact entre les molécules. Plus la taille
de la molécule est grande plus l‟énergie d‟interaction est importante.
La force d‟attraction est inversement proportionnelle à la distance qui sépare les deux
éléments.
2.2.2. Liaison hydrogène
Cas particulier dites de Van der Waals. Lorsqu‟un atome électronégatif (O, N, etc.) est
lié à un atome d‟hydrogène, il attire alors les électrons de la liaison covalente. L‟hydrogène
porte alors une charge partielle positive et N/O une charge partielle négative. Un autre atome
porteur de doublet électronique libre (porteur d‟une charge partielle négative) peut alors
interagir avec l‟hydrogène.
(voir schéma)
2.2.3. Interaction hydrophobes
Due à l‟exclusion des molécules non polaires par les molécules d‟eau. Les molécules
non polaires se rassemblent par coalescence pour former une phase organique distincte de la
phase aqueuse. Exemple : les gouttelettes d‟huile.
(voir schéma)
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2.2.4. Liaison ionique
Résultent des forces d‟attractions entre deux fonctions polaires dont les charges
électriques sont opposées. Les deux atomes ayant des forces d‟attractions très inégales sur les
électrons périphériques que l‟atome le plus électronégatif va arracher un électron à l‟autre
atome.
Formation d‟un atome Cl- et d‟un cation Na+. Composés ioniques portent le nom de sel
ou de ponts salins.
(voir schéma)
2.2.5. Liaisons chimiques et leurs énergies relatives
(voir tableau)
2.3. solubilisation
La nature extrêmement polaire de l‟eau fait qu‟elle est un excellent solvant des substances
ionisables (les sels) mais aussi des substances non ionisables mais polaire (oses alcool amine
aldéhyde)
Les interactions entre les anions et les cations d‟un sel sont fortes mais l‟eau va les dissoudre
rapidement en créant des interactions électrostatiques avec les ions – et + conduisant a la
formation d‟enveloppe d‟hydratation.
Une des propriétés importante de l‟eau sont les formations des liaisons hydrogène. L‟autre est
la solubilisation de l‟eau.
On appelle hydratation des molécules d‟eau avec les ions (enveloppe ou manteau
d‟hydratation). Les interactions mises en jeu sont plus fortes que la tendance à s‟attirer
mutuellement.
La capacité de l‟eau à entourer les ions et à diminuer les attractions entres eux est une mesure
de sa constance diélectrique.
L‟ionisation des sels en solution dépend de la constante diélectrique du solvant.
La valeur de la constante diélectrique D est reliée à la force mesurée entre deux ions de
charges opposées (e1 et e2) séparés par une distance r selon le rapport :
F = e1e2/Dr²
La constante diélectrique de l‟eau est deux fois plus élevée que celle du méthanol et environs
40 fois plus élevé que celle du benzène.
3.2.1. Comportement des molécules biologiques dans un milieu aqueux
La solubilisation des molécules non ionisables va dépendre de leur capacité à s‟insérer dans la
structure tridimensionnelle de l‟eau par formation de liaison H.
Plus une molécule contient de groupements polaires et plus elle sera soluble dans l‟eau.
Les liaisons H vont permettre à l‟eau d‟entourer ces molécules de former une couronne
d‟hydratation.
Les molécules biologiques en solution peuvent se comporter de trois façons différentes :
A. Les molécules polaires ou hydrophiles
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Ces molécules sont essentiellement formées de groupes polaires et sont donc complètement
soluble dans l‟eau.
Principaux groupe polaire rencontrés en biochimie : alcool, carboxyle, amine, amide,
aldéhyde, cétone, ester et éther.
B. molécules apolaires ou hydrophobes
Ces molécules ne comportent pas de groupements polaires.
Elles sont formées de chaine aliphatique ou cycle carbonés.
Elles ont insolubles dans l‟eau mais soluble dans les solvants apolaires.
Exemple : Benzène, Hexane.
C. Molécules amphiphiles ou amphipolaires
Ces molécules comportent un groupement polaire ainsi que des structures apolaires.
Elles pourront être solubles lorsque leur structure tertiaire leur permettra de présenter à
l‟extérieur des groupes polaires.
Des poches internes hydrophobes vont être ainsi inaccessibles à l‟eau (protéine).
Ex : chaines paraffinique (hydrophobe) et groupement carboxylate (hydrophile).
Elles peuvent former des agrégats : micelles.
Elles peuvent former des couches à l‟interface eau/air (comme les bulles de savon).
Elles peuvent s‟organiser en bicouche et former des vésicules dites liposomes (membranes).
3.1. Ionisation
L‟eau a une tendance faible mais réelle à se dissocier.
Cette dissociation est démontrée par la conductivité électrique de l‟eau pure.
Présence d‟espèce chargée : les ions.
L‟eau se dissocie en ions H+ et OH-.
L‟eau s‟ionise car l‟oxygène plus volumineux et fortement électronégatif arrache l‟électron de
l‟un des deux atomes d‟hydrogène, laissant le proton H+ se dissocier.
Deux sortes d‟ions sont formés les protons ou ions hydrogène (H+) ainsi que les ions
hydroxyles (OH-).
Les protons libres s‟hydratent rapidement pour former des ions hydroniums (H3O+).
En solution il y a donc solvatation de l‟ion H+ :
H2O + H+ = H3O+
L‟hydrogène hydraté (H3O+) est l‟espèce active en solution. Cependant, on va souvent parler
de la concentration d‟hydrogènes libres (H+), bien que les protons seuls n‟existent pas
vraiment.
La dissociation de l‟eau se poursuit jusqu‟à ce que 10-7 moles de OH- et 10-7 moles de H+
soient présents à l‟équilibre dans un litre d‟eau à 25°C.
La constante d‟équilibre de ce processus est :
Keq = [H+] [OH-] / [H2O]
[H2O] = 55,5M (soit 1000g.L-1/18g.mol-1)
Keq = 1,8.10-16 M (mesure expérimentale)
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D‟où : [H+] [OH-] = 10-14 M²
3.2. Echelles de pH
Dans l‟eau pure on a [H3O+] = [OH-] = 10-7 M
Si la concentration des ions H+ est supérieur à celle des ions OH- on dit que la solution est
acide
Si la concentration des ions H+ est inférieure aux ions OH- on parle d‟une solution basique.
On définit le pH = -log [H+]
Une solution est acide lorsque son pH est inférieur à 7.
Une solution est basique lorsque son pH est supérieur à 7.
La variation d‟une unité pH correspond à une variation de facteur de 10 de la concentration en
ions H+.
3.3. Equilibre acido-basique dans l‟eau
A. Les électrolytes forts
Les électrolytes forts (acides ou bases) sont des substances qui en solutions vont se dissocier
presque totalement pour former des ions.
Un acide fort se dissocie totalement dans l‟eau
HCl = H+ + ClLa constante d‟équilibre (constante de dissociation de l‟acide) de ce processus est :
Ka = [H+] [Cl-] / [HCl]
Pour le HCl la constante de dissociation est extrêmement élevée car la concentration en HCl
dans la solution aqueuse tend vers zéro (toutes les molécules HCl sont ionisées).
Le pH d‟une solution d‟HCl se calcul facilement puisque :
La concentration de H+ en solution est égale à la concentration de HCl ajoutée à la solution.
Ainsi une solution de 1M d‟HCl a un pH théorique de zéro. Une solution de 0,001M a un pH
de 3.
[H+] = 10-pH
pH = -log10 [H+]
Bases fortes :
NaOH = Na+ + OHUne base forte se dissocie totalement dans l‟eau.
Une solution à 0,1mol.L-1 de NaOH donne une solution à 0,1mol.L-1 d‟OH-.
Raisonnement similaire que précédemment pour l‟acide fort.
B. Les électrolytes faibles
Un électrolyte faible se dissocie que partiellement dans l‟eau, il s‟établit alors un équilibre
entre les différentes formes en solution.
AH = H+ + AAH est l‟acide et A- est la base conjuguée.
Exemple acide acétique :
CH3COOH = CH3COO- + H+
La constante d‟équilibre (constante d‟ionisation) de ce processus est :
Ka = [H+] [CH3COO-] / [CH3COOH]
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L‟équation d‟Henderson-Hasselbalch :
La constante d‟ionisation d‟un acide faible AH est :
Ka = [H+] [A-] / [AH]
Si on fait sortir le paramètre [H+] :
[H+] = Ka [AH] / [A-]
Si on prend le logarithme des deux membres de l‟équation :
Log [H+] = log Ka + log10 ([AH] / [A-])
Si on change de signes et on définit pKa = -log Ka :
pH = pKa – log10 ([AH]/[A-])
Ou encore, en inversant [A-] et [AH] :
pH = pKa + log10 ([A-]/[AH])
L‟équation d‟Henderson-Hasselbalch permet de calculer le pH d‟une solution d‟un électrolyte
faible, si Ka et les concentrations de l‟acide faible et de sa base conjuguée sont connus.
Pour un acide AH le relation entre le pKa, les concentrations des formes protonées et
déprotonées et le pH est :
pH = pKa + log10 ([A-]/[AH])
Si le pH est égale au pKa [AH] = [A-].
Si le pH est inférieur au pKa, la forme AH prédomine (acide).
Si le pH est supérieur au pKa, la forme A- prédomine (base).
3.4. Courbes de titration
La titration est une méthode analytique qui va permettre de mesurer la quantité d‟un acide en
solution.
Un volume déterminé d‟une solution acide est titré par addition d‟une solution de base
(NaOH), de concentration connue.
Après chaque addition, on mesure le pH de la solution et on trace une courbe de titration où le
pH est en fonction de la quantité d‟OH- ajouté (pH en ordonnée, concentration en OH- en
abscisse).
Courbe de titration de l‟acide acétique CH3COOH :
Il faut tenir compte de deux équilibres :
1. HAc = H+ + Ac2. H+ + OH- = H2O
Première zone est un domaine où l‟on a un excès d‟acide. Neutralisation progressive de
l‟acide faible par la base forte ajoutée.
La deuxième zone est un domaine où l‟on a un excès de base. Augmentation de la
concentration du mélange en OH-. Le pH du mélange tend vers le pH de la solution de la base
forte utilisée pour faire la titration.
Le point d‟équivalence correspond à un point où la moitié de l‟acide a été neutralisé. La
concentration de l‟acide et de la base est la même et pH est égale à pKa.
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Il y a donc un équilibre entre la forme acide et la base conjuguée.
3.5. Les solutions tampons
Les solutions tampons sont des solutions qui tendent à résister à la variation de pH lors de
l‟addition d‟un acide ou d‟une base.
Un système tampon est composé d‟un acide faible er de sa base conjuguée.
Lorsque le pH est égal à pKa il y a peu de fluctuation du pH (la courbe est relativement plate).
La quantité de la base conjuguée est voisine de celle de l‟acide fort.
Lorsque AH et A- sont présents en quantités suffisantes la solution peut recevoir des H+ ou
OH- sans que sont pH varie sensiblement.
Le maintient du pH est vital pour toutes les cellules (fonctionnement des enzymes).
Les organismes disposent d‟une grande variété de système tampon pour maintenir leur pH
constant en adéquation avec les besoins de chaque organelle.
Zone d‟activité d‟enzyme en fonction du pH :
Pepsine, trypsine, lysozyme (courbes).
L‟activité catalytique des enzymes est très sensible au pH.
Le pH optimum d‟une enzyme est l‟une de ses plus importantes caractéristiques.
Pepsine : enzyme de la digestion des protéines, active dans le suc gastrique.
Trypsine : enzyme protéolytique qui agit dans l‟intestin grêle.
Lysozyme : digère les parois bactériennes (présente dans les larmes).
Systèmes tampons des organismes vivants :
Le pH des fluides extra cellulaires est stabilisé par le système HCO3-/ H2CO3.
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Chapitre II : Les lipides
1. Introduction
Du grec « lipos » ou graisse.
Ce sont des molécules insolubles dans l‟eau et solubles dans les solvants organiques non
polaires (chloroforme, éther, méthanol, acétone, etc.).
Ils peuvent être soient :
Complètement apolaire (hydrophobes) ou bipolaire (amphiphile) ils contiennent à la fois des
groupements polaires et apolaires.
La nature hydrophobe des molécules lipidiques leur confère une fonction de barrière efficace
qui s‟oppose au passage des molécules polaires (exemple : la membrane).
Ils vont avoir plusieurs rôles physiologiques :
- Stockage d‟énergie ou de vitamine liposoluble dans les graisses.
- Rôle structural dans les membranes biologiques. Ils participent à la structure des
organismes. Les cellules ont une membrane composée de lipides.
- Transport de l‟information (hormones, médiateur intra ou extra cellulaire). Les
hormones induisent un signal qui sera par exemple transmis au noyau.
- Certaine vitamine sont impliquées dans la catalyse de réactions enzymatiques.
2. Les lipides vrais
Ils résultent de la condensation d‟acides gras avec des alcools par liaison amide ou ester.
→ Les acides gras
→ Les lipides simples qui vont se subdiviser en :
- Les acylglycérols
- Les cérides
- Les stérides
2.1. Les acides gras.
Ils sont des acides organiques à longue chaîne hydrocarbonée (4 à 32 C)
Leur formule générale brute est CnH2nO2
Chaine hydrocarbonée (ou aliphatique) fonction acide déprotonées à pH7 (pKa 4,75)
H3C-(CH2)n-COOPartie hydrophobe + partie hydrophile → molécule amphiphile
Les acides gras comportent en général un nombre paire de carbone le plus souvent entre 16 et
18.
Si un acide gras ne présente pas de double liaison on dit qu‟il est saturé.
Si un acide gras présente une ou plusieurs doubles liaisons il est insaturé.
L‟acide palmitique est saturé
L‟acide palmitoléique est insaturé
2.1.1. Nomenclature.
Le nombre de carbone de l‟acide gras est d‟abord indiqué puis « : » et le nombre
d‟insaturations.
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Enfin la position des insaturations est symbolisée par un Δ (une insaturation entre les
carbones 9 et 10 s‟écrira Δ9).
C18:2Δ9, 12 correspond à un acide gras de 18 carbones présentant 2 insaturation en positions 9
et 12 c‟est l‟acide linoléique (acide gras essentiel).
La double liaison au niveau des acides gras peut avoir deux configurations « cis » ou
« trans ».
Dans les acides gras naturels, la conformation de la double liaison est de type cis.
Ceci induit une courbure rigide de la chaîne aliphatique.
Exemple :
C16:0 acide palmitique (ou palmitate).
C16 :12Δ9 acide palmitoléique (ou palmitoléate).
Pour les acides gras saturés :
- le nom systématique s‟écrit n-[nC] an oique
- n : indique que l‟acide gras est normal (chaine non branché)
- [nC] : nombre de carbone
- An : indique que la chaine est saturée
- Le symbole est Cn :0 (0indique que la chaine est saturé)
- Le nom courant rappelle son origine
Pour les acides gras non saturés :
- le nom systématique s‟écrit : conf-p-[nC] x én oique
- conf-p : configuration et position des doubles liaisons
- [nC] nombre de carbones
- X : nombre de doubles liaisons (di, tri, etc.)
- Le symbole est Cn : mΔ(p, p‟, etc.)
- Cn : le nombre de carbones
- M : nombre de doubles liaisons
- (p, p‟, etc.) : position des doubles liaisons en numérotation normale
- Le nom courant rappelle son origine.
Les acides gras insaturés sont classés en diététique par série et non par la longueur de leur
chaine
Il existe 4 séries principales : ω3, ω6, ω9 et ω7
Dans la série oméga 3 la première classe aura une double liaison, la deuxième classe aura
2doubles liaisons en ω3 et en ω6, etc.
La série est de la forme oméga n où n est la position de la première double liaison notée par
rapport à la position de ω, dernier carbone de la chaine aliphatique.
Acides gras saturés (voir tableau du polycopié).
Acides gras insaturés (voir tableau du polycopié).
Il existe des acides gras plus complexes :
- Hydroxylés (comportant un groupement OH)
- Ramifiés (l‟acide gras porte plusieurs chaînes aliphatiques)
Exemple : acide mycolique (voir poly)
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2.1.2. Propriété physique des acides gras.
A. Le point de fusion.
L‟état physique des acides gras en fonction de la température peut avoir des conséquences
vitales sur les organismes vivants.
Le passage de la forme gel à la forme fluide se fait à une température précise, le point de
fusion.
- Longueur de la chaine augmente le point de fusion.
- Méthylation diminue le point de fusion.
- L‟insaturation de la chaine carbonée diminue le point de fusion.
Plus l‟acide gras est long et plus son point de fusion augmente :
C12 :0 → 44°C
C14 :0 → 53,9°C
Plus l‟acide gras est insaturé et plus son point de fusion est bas :
C18 :0 → 70°C
C18 :1 → 13°C
C18 :2 → -5°C
Les liaisons C-C présentent une liberté de rotation. Parmi les milliers de positions possibles il
en existe deux extrêmes appelés anti et gauche.
La position anti est la plus stable car il n‟y a pas de gène stérique des carbones. Plus les
groupements sont éloignés, plus la molécule est stable.
Rappel conformation (voir poly).
A basse température c‟est la position anti qui prédomine. Les acides gras sont alors bien
ordonnés, on dit qu‟ils sont dans un état gel.
A température élevée, ce sont les positions gauches qui prédominent (grâce à l‟agitation
thermique). L‟acide gras est alors peu ordonné, on dit qu‟il est dans un état fluide.
B. La solubilité des acides gras (micellisation)
Les acides gras sont amphiphiles, ils ont une partie polaire et une partie apolaire. Plus la partie
apolaire est longue et moins les acides gras sont solubles dans l‟eau.
Dans cette structure les parties hydrophobes vont s‟associer entre elles et seules les parties
polaires des acides gras sont au contact de l‟eau.
Exemple : bulle de savon.
S‟ils sont en concentration suffisante, les acides gras vont spontanément s‟organiser en
micelles.
Cette organisation en micelle n‟a lieu que si on a dépassé la concentration micellaire critique
(cmc) de l‟acide gras.
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Si l‟acide gras est à une concentration inférieure à la cmc il est présent en solution
sous forme de monomère
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Si l‟acide gras est à une concentration supérieure à la cmc il est présent sous forme de
micelles.
2.1.3. Propriété chimique
A. Le groupe carboxyle
Le groupement carboxyle est rarement libre (forme des esters, anhydrides, amides, etc.).
Son pKa est d‟environs 4,75 à 25°C.
L‟acidité libre des lipides est dosable : elle permet de marquer la dégradation des corps gras
en contrôle alimentaire.
A.1. salification des acides gras
Traité par les bases les acides gras forment des sels appelés savons :
R-COOH + NaOH → R-COONa + H2O
Les savons sodiques sont dits “durs” alors que les savons potassiques sont dits “mous”.
Les savons sont ionisés et donc solubles dans l‟eau. Les anions R-COO- sont amphiphiles. La
queue hydrophobe peut se mélanger aux graisses. La tête hydrophile se met en contact avec
l‟eau.
A.2. Indice d‟acide
Il correspond à la masse de KOH (en mg) nécessaire pour neutraliser l‟acidité libre contenue
dans 1g de matière grasse.
L‟indice d‟acide (Ia) permet de calculer la masse molaire de l‟acide gras.
R-COOH  R-COO- + H+
H+ + OH- → H2O
Bilan:
R-COOH + OH- → R-COO- + H2O
(Voir poly)
A.3. Estérification
Condensation entre une molécule d‟alcool et une molécule d‟acide pour donner une molécule
d‟ester et de l‟eau.
Les acides gras libres sont rares à l‟état naturel. On les retrouve sous forme d‟esters d‟acide
gras (glycérides, stérides, cérides).
En présence de fonction alcool, la fonction carboxylique se condense pour donner une
fonction ester.
R-COOH + R‟-OH →R-COO-R‟ + H2O
B. Propriété liées aux insaturations.
B.1. oxydation.
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Les oxydants puissants (ozone, ion permanganate en milieu alcalin) provoquent la scission de
la molécule d‟un acide gras insaturé en mono et diacides (voir poly).
L‟auto oxydation des huiles et des graisses à l‟air libre a pour résultat :
- le rancissement des aliments c‟est un état d‟oxydation des graisses, il produit des
peroxydes puis par rupture de la chaine, des aldéhydes responsables de l‟odeur, et des
acides (tous toxiques). Les aliments perdent alors leur qualité organoleptique. On
rajoute souvent des antioxydants (vitamine C et E) aux aliments riches en matières
grasses afin de retarder ce phénomène.
- La siccativité : des huiles polyinsaturées comme l‟huile de lin par fixation du
dioxygène, se polymérisent en vernis et solides imperméables.
Oxydation biologique :
Les lipides insaturés des membranes subissent une dégradation lors d‟agression oxydative
(irradiation UV, espèces réactives de l‟oxygène comme les peroxydes ou les radicaux libres).
La vitamine E composée terpénique, a un effet protecteur contre cette dégradation.
Les oxygénations enzymatiques, par différentes oxygénases du précurseur acide
arachidonique conduisent aux médiateurs des familles des prostaglandines, leucotriènes et
tromboxanes.
B.2. hydrogénation catalytique
Comme les alcènes les acides gras insaturés sont capables d‟être saturés au niveau de leur
double liaisons (catalyseur : platine, palladium) par addition de dihydrogène.
-CH=CH- + H2 => -CH2-CH2Les acides gras insaturé sont habituellement liquides à températures ambiantes (huiles) mais
s‟oxydes assez facilement à l‟air.
L‟hydrogénation est utilisée pour transformer des huiles comestibles d‟acides gras insaturés
en margarine qui est composé d‟acide gras saturés qui sont solides à la température ambiante
et qui de plus ne s‟oxydent pas.
B.3. l‟addition d‟halogène et indice d‟iode
Le nombre d‟insaturation x peut être déterminé grâce à la détermination de l‟indice d‟iode.
L‟indice d‟iode correspond à la masse de diode I2 (en g) nécessaire à la saturation de toutes
les doubles liaisons de 100 g de matière grasse.
Réaction addition:
-CH-CH + I2 => -CHI – CHITechnique base sur l‟utilisation d‟un excès connu de chlorure d‟iode (réactif de Wijs) qui se
fixe mieux que le diode sur les doubles liaisons.
L‟excès de ICl est transformé en I2 plus facile à doser par le thiosulfate (S2O32-) dosage
indirect.
I2 mis en évidence par l‟emplois d‟amidon, disparition de la coloration violette lorsque tout le
diiode est réduit en iodure.
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(voir poly).
2.2. Les lipides simples
Les lipides simples encore appelés homolipides sont des corps ternaires (C, H, O) ils sont des
esters d‟acides gras que l‟on classe en fonction de l‟alcool :
- Acylglycérols (ou glycérides) sont des esters du glycérol
- Cérides sont des esters d‟alcool à longue chaine (alcool gras)
- Stérides sont des esters de stérols (alcool polycyclique)
2.2.1. Les acylglycérols (ou glycérides)
Ce sont des lipides qui contiennent une molécule de glycérol. Des acides gras estérifient le
glycérol pour donner des mono- di- ou triglycérides.
Si les acides gras constituant le di ou triester sont identiques, on parlera de diacylglycérol ou
triacylglycérol homogènes, dans le cas contraire de diacyglycérol mixtes.
Les triacylglycérols sont des lipides neutres.
Nomenclature (voir schéma) :
Pour les a-monoacylglycérols, les aβ-diglycérols ou les diglycérols mixtes ou encore les
triacylglycérols mixtent, le carbone C2 (ou β) du squelette du glycérol devient un carbone
chiral (déviation de la lumière polarisée).
Pour les triacylglycérols (TAG) la nomenclature adopté est celle du système de numérotation
stéréospécifique (sn), sachant que la configuration des TAG mixtes naturels peut être
rattachée à la configuration du L-glycéraldéhyde :
- On considère le glycérol comme dérivant du L-glycéraldéhyde.
- La formule du TAG est écrite en sachant que l‟OH secondaire est à gauche en
projection de Fischer.
- On numérote le squelette du glycérol de haut en bas.
- On décline les groupements acyles précédés du numéro du carbone du squelette du
glycérol sur lequel à lieu la liaison ester suivi de sn-glycérol.
Exemple : le triglycéride 1-palmityl-2,3-dioléyl-sn-glycérol (voir poly).
2.2.1.1. Propriétés physiques
Complètement apolaire. Les groupes polaires (hydroxyle ou carboxyle) disparaissent dans les
liaisons esters.
Ils sont insoluble dans l‟eau et très soluble dans les solvants les plus apolaires comme
l‟acétone.
Agités dans l‟eau, ils forment des émulsions très instables qui se transforment en système biphasique (micelle).
2.2.1.2. Propriétés chimiques
Propriétés des chaînes d‟acides gras ainsi que celle des esters.
A. L‟hydrolyse chimique
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Le traitement par faible addition d‟acide (acide sulfurique) ou de base (chaux) libère les
constituants : les acides ras et du glycérol mais en général de façon incomplète.
En milieu fortement alcalin et à chaud les TAG sont saponifiés → glycérol + savons.
Indice de saponification Is :
Le nombre de mg de potasse (KOH) nécessaire pour saponifier 1g de substance.
La saponification est réalisé à chaud en présence d‟un excès de potasse qui est ensuite dosée
par une solution acide titrée en présence de phénolphtaléine (voir poly).
Au cours de la réaction, il y neutralisation des acides présents et saponification des esters
d‟où :
Indice d‟ester IE :
Le nombre de mg de potasse (KOH) necessaire pour saponifier les esters contenus dans 1g de
substance.
IS = IA + IE
IS : Indice de saponification.
IA : Indice d‟acide.
IE : Indice d‟ester.
B. L‟hydrolyse enzymatique
Les lipases sont abondantes dans le suc pancréatique, la paroi intestinale et le foie. Les lipases
libèrent, à partir des TAG, des Di-AG, des Mono-AG et des acides gras. La lipase
pancréatique permet la digestion des TAG alimentaire solubilisés sous forme d‟émulsions
stabilisées par les sels biliaires.
Rôle biologique (voir schéma) :
Réserve énergétique : la plupart des eucaryotes stockent les lipides neutres dans des inclusions
huileuses du cytosol : graines de plantes oléagineuses, tissu adipeux des mammifères. Cette
réserve énergétique offre des avantages par rapport aux glucides :
- hydrophobes donc compacte et sans eau
- réserve à long terme de quelques mois (les oiseaux migrateurs, les animaux hibernants
ou polaires, chameau (bosse de graisse) les sucres se consomment vite.
Isolant thermique : le tissu adipeux sous-cutané est un isolant thermique très efficace chez les
animaux à sang chaud des régions polaires, chez les animaux hibernants.
2.2.2. Les cérides
Principaux constituants des cires animales, végétales et bactériennes. Les cérides sont des
mono esters d‟acide gras et d‟alcools aliphatiques à longue chaîne qui sont en général des
alcools primaires, à nombre pair de carbones, saturés et non ramifiés (voir poly).
Exemples :
- Palmitate de cétyle CH3 – (CH2)14 – COO – CH2 – (CH2)14 – CH3 → le blanc de
baleine est un mélange de TAG insaturés et du palmitate de cétyle (C16 ; C16).
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La cire d‟abeille de composition complexe palmitate de céryle (26 carbones) et de
myricyle (30 carbones).
Les cires des parois bactériennes sont des acides mycoliques estérifiés par des alcools
à longue chaîne (20 carbones) ou des hydroxyles d‟osides (résistance aux agressions
extérieurs).
2.2.2.1. Propriétés physicochimiques
Les cérides comportent deux longues chaînes carbonées saturées qui confèrent les propriétés
physicochimiques suivantes :
- Points de fusion élevés, donc solides à température ambiante.
- Très apolaire donc fortement insoluble dans l‟eau.
- Soluble qu‟à chaud dans les solvants organiques.
- Inerte chimiquement : résistants aux acides, difficilement saponifiables.
2.2.2.2. Rôle biologique
Ils constituent des revêtements de protection :
- Enduit imperméabilisant (plumes des oiseaux aquatiques, la peau des animaux marins, etc.)
- Cuticule des feuilles brillantes (houx, etc.)
- Pellicule des fruits qui prévient l‟évaporation et s‟oppose au développement de moisissures
et à l‟infestation par des parasites.
- Paroi résistante de certains bacilles.
2.2.3. Les stérides
Ils résultent de l‟estérification d‟acides gras par des stérols.
Stérols : alcools qui dérivent du noyau stéroïde (3 cycles à 6C + 1 cycle à 5C)
Voir poly (le stéride le plus représentatif est le cholestérol).
Groupement hydroxyle carbone 3. Ce groupement chimique constitue la tête polaire du
cholestérol qui peut être estérifié par un acide gras qui rend la molécule totalement insoluble
dans l‟eau.
Le cholestérol tire son nom du grec ancien chole- (bile) et de stereos (solide), car il fut
découvert sous forme solide dans les calculs biliaires en 1758 par François Poulletier de la
salle.
Le cholestérol est rare dans le règne végétal ou dans les bactéries hormis les mycoplasmes.
Chez les animaux, on le trouve en tant que constituant membranaire et comme précurseur de
molécules biologiques comme les acides biliaires, hormones stéroïdes et vitamines.
Le cholestérol et ses formes estérifiées sont transportés avec les autres lipides sous la forme
d‟associations non covalentes : les lipoprotéines.
3. Les lipides complexes (hétérolipides)
Les lipides complexes contiennent en plus de C, H, O, des groupements phosphates (P, sulfate
(S) azote (N) ou encore glucidiques.
Ils sont classés par rapport à la molécule qui fixe les acides gras :
- Glycéro-phospholipides
- Sphingolipides
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3.1. Glycéro-phospholipides
Ce sont les lipides les plus nombreux et les plus représentés qui sont construits à partir du
squelette d‟un mono-ester du glycérol (voir poly).
Ils sont classés en fonction de l‟alcool qui estérifie l‟acide phosphatidique (voir poly).
Les Glycéro-phospholipides sont les constituants majeurs des membranes des cellules.
3.1.1. Propriétés physico-chimiques
A. Caractère amphiphile
Comme les savons d‟acides gras, les Glycéro-phospholipides sont des molécules à deux
pôles :
- Tête polaire ionisée : le phosphoglycérol substitué
- Partie apolaire : deux queues hydrophobes constituées par les chaînes hydrocarbonées
des AG.
- Bonne solubilité dans les solvants organiques.
- Solubilité dans l‟eau limitée malgré la tête polaire.
- Propriété tensio-active, détergente, surfactant.
Le surfactant des alvéoles pulmonaires contient 10% de protéines et 90% de lipides dont la
moitié est la dipalmitoylphosphatidylcholine (molécule saturée qui résiste bien aux conditions
oxydantes de l‟air alvéolaire).
B. Hydrolyse par les phospholipases
Les phospholipases sont des enzymes qui catalysent l‟hydrolyse spécifique des différentes
liaisons ester. Elles sont présentes au niveau dans suc pancréatique, membrane, venins, toxine
à de Clostridium perfringens.
(Voir poly).
PLA1 pour la liaison ester sur le carbone 1, PLA2 sur le carbone 2 et PLC et PLD pour la
liaison ester avec l‟acide phosphorique.
3.1.2. Dérivés des glycérophospholipides
A. Les dérivés éther-oxydes
On les trouve dans :
- les tissus à haute intensité respiratoire (système nerveux, muscle cardiaque)
- dans les cellules de la glande thyroïde
(Voir schéma)
B. Les dérivés des Glycérolipides
L‟alcool du carbone C3 à la différence des glycérolipides n‟est pas estérifié, mais il est
lié à un ose par une liaison glycosidique (avec le carbone anomérique de l‟ose).
- Rare dans le monde animal. Présent au niveau des chloroplastes.
(Voir schéma)
-
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3.2. Sphingolipides
Le glycérol est remplacé par la sphingosine. L‟acide gras est uni à la sphingosine par une
liaison amide et non par une liaison ester.
Particulièrement abondant dans le tissu nerveux. La classification des sphingolipides va
dépendre de la nature du groupe fixé à l‟hydroxyle.
3.2.1. Céramides
Le carbone deux aminé fixe l‟acide gras (le plus fréquent étant l‟acide lignocérique C24 :0)
par une liaison amide (donc insensible aux estérases).
Les céramides sont les précurseurs de la biosynthèse des sphingolipides.
3.2.2. Sphingomyélines
Céramide avec dérivé phosphate. Les sphingomyélines sont des phosphosphingolipides.
L‟alcool primaire de la sphingosine est estérifié par le phosphate de la phosphocholine.
Présents dans la gaine de myéline.
3.2.3. Glycosphingolipides
L‟alcool primaire de la sphingosine fixe une partie glucidique par une liaison osidique avec le
carbone aldéhydique d‟un ose ou d‟un oligoside :
- Si le glucide est un ose simple, le glycolipide est un cérébroside.
- Si le glucide est un oligoside, le glycolipide est un ganglioside.
3.3. Rôle biologique
A. Constituant membranaire
-
Membrane plasmique du tissu nerveux des mammifères
Rôle de protection et d‟isolant électrique des axones
B. Molécule de reconnaissance
Les glycosphingolipides par leur partie osidique agissent en tant que :
- Antigène de surface (déterminants des groupes sanguins A, B, O).
- Sites de fixation sur les cellules de virus (exemple : virus de la grippe) ou de toxines
bactériennes (toxine cholérique, toxine tétanique).
C. Médiateur intracellulaire
Cytokines (facteurs de croissance, interleukines,…)
Céramide constitue le second messager (apoptose et croissance cellulaire)
Les céramides fragilisent la membrane mitochondriales qui va laisser passer les protéines
apoptotiques telles que BAX.
-
4. Les composés à caractère lipidique
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Composés naturels dépourvus d‟acide gras, trait commun des lipides vrais, mais qui leur sont
apparentés par leurs propriétés physiques et en particulier leur solubilité (voir schéma).
4.1. Dérivés de l‟acide arachidonique (AA)
Acide gras polyinsaturé à 20carbones et 4 doubles liaisons. L‟AA est libéré de la membrane
par l‟action de la phospholipase A2. Il agit en tant que substrat produisant des médiateurs à
actioons extracellulaire : facteurs d‟adhérence, d‟égrégation plaquettaire, de perméabilité
vasculaire ou encore intermédiaire de réaction inflammatoire ou allergie.
Les principaux dérivés de l‟AA sont prostaglandines (PG), les prostacyclines (PC),
tromboxanes (TX), leucotriènes (LT).
4.2. Terpènes
L‟isoprène (de formule brute C5H8) est un précurseur d‟un grand nombre de composés
naturels.
Les lipides isopréniques ou isoprénoïdes sont des polymères d‟unités isopréniques qui
peuvent être linéaires, cycliques ou mixtes.
Les vitamines liposolubles A, E et K sont des dérivés terpéniques.
Les monoterpènes terpènes sont facilement reconnaissables à leur odeur ou leur saveur :
- Limonène : citron
- Citronellal : rose
- Menthol : menthe
Les diterpènes :
- Phytol : chlorophylle
- Gibbérelline : hormone végétale
La vitamine E (tocophérol) est un composé diterpénique. C‟est un antioxydant qui va avoir un
rôle protecteur (protection des acides gras insaturés des membranes contre oxydation et donc
dégradation).
La vitamine K1 est biosynthétisée par les végétaux verts. Elle joue un rôle très important dans
la coagulation du sang.
Les carotènes sont des tétraterpènes (C40). Ils rentrent dans la composition de nombreux
pigments (carotène : orange ; xanthophylle : jaune). Ces carotènes sont pour les animaux les
précurseurs de la vitamine A liposoluble.
 Carence : troubles visuels
Les dérivés de la vitamine A sont impliqués dans la différenciation des tissus endothéliaux,
osseux et nerveux). La vitamine A est le groupement prosthétique de la rhodopsine (pourpre
rétinien des cellules à bâtonnet).
Le squalène est formé de 6 unités isoprènes. C‟est un intermédiaire de la synthèse du
cholestérol.
Présent dans l‟huile d‟olive, l‟huile de graines (céréales) ainsi que dans l‟huile de foie de
requin, d‟où son nom.
4.3. Dérivés de stérols (stéroïde)
(Voir schéma)
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Le cholestérol est le stéroïde le plus commun chez les animaux. C‟est le principal constituant
de la membrane plasmique (rigidité du noyau stéroïde et la faible polarité du groupement OH
en C3). C‟est le précurseur de tous les autres stéroïdes.
Les stéroïdes dérivés du cholestérol sont obtenus par la modification des positions de
méthylation, longueur de la chaine alkyl en C17. Polyinsaturation ou présence et forme de
groupement oxygène (OH ou carbonyl).
Comprennent cinq familles :
- Les androgènes : testostérone
- Les œstrogènes : œstradiol
Déterminent le développement des caractères sexuels secondaire ainsi que la fonction sexuelle
chez les animaux.
- Les progestatifs : progestérone
Régulation du cycle menstruel et gestation.
- Les minéralocorticoïdes : aldostérone
Régulation de l‟équilibre salin (Na+ ; K+ ; Cl-)
- Les glucocorticoïdes : cortisol
Régulation du métabolisme glucidique, protéique et lipidique.
- Les sels biliaires : acide cholique ou désoxycholique
Digestion et absorption intestinale des lipides alimentaires.
5. Membranes biologiques
Parmi les lipides, certains ont un rôle fonctionnel (hormones, vitamines…) d‟autres
essentiellement structural (constitution des membranes biologiques).
Les principaux lipides impliqués dans la structuration des membranes sont les phospholipides,
les glycolipides et les stérols (lipides à acides gras).
En solution, les lipides vont s‟associer entre eux afin d‟éviter que leurs parties hydrophobes
ne soient au contact de l‟eau.
Comme ils ne peuvent pas former des micelles (deux chaînes d‟acides gras) ils s‟organisent
donc en bicouche et en liposomes.
Les liposomes peuvent être uni-lamellaires ou multi-lamellaires.
Contrairement aux micelles, les liposomes renferment un compartiment aqueux interne.
(voir schéma)
Propriété des membranes biologiques :
- Les membranes constituent une barrière sélective imperméable à toutes les molécules
hydrophiles (ions, sucres…)
- Elle permet de compartimenter les cellules biologiques et le maintien de compositions
différentes spécifiques des milieux intracellulaires ou intra organites.
- Les membranes biologiques sont fluides. Leur cohésion est assurée par des
interactions de faible énergie (principalement hydrophobe). Les molécules qui
constituent ces membranes sont donc libres de diffuser et sont en mouvement constant.
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Les membranes étant imperméables, le transport des molécules à travers cette barrière
est assuré par des protéines qui sont insérées dans la membrane (protéines
intrinsèques) ou bien liées à la surface de la membrane (protéine périphériques).
Fluidité des membranes biologiques :
- Comme les acides gras, les lipides peuvent exister sous forme gel (à basse
température) ou fluide (à température élevée).
- Les membranes naturelles sont toujours dans un état fluide. Les protéines
membranaires ont alors une activité optimale.
- Pour toujours maintenir leurs membranes dans un état fluide les cellules modulent la
composition en lipides de leurs membranes.
o En augmentant la proportion de lipides insaturés
o En augmentant la proportion de lipides à courtes chaînes
C‟est ce que l‟on appelle l‟adaptation homéovisqueuse.
6. Méthodes d‟analyse des lipides
6.1. Purification des lipides
Les lipides n‟étant pas soluble dans l‟eau on les extraits avec des solvants organiques non
miscibles dans l‟eau (chloroforme, acétone…). Pour séparer les lipides des molécules solubles
dans l‟eau on effectue une partition (par exemple chloroforme/eau).
Voir schéma.
6.2. Chromatographie des lipides
6.2.1. Chromatographie en phase inverse
Elle met en jeu les interactions hydrophobes entre la phase stationnaire et les lipides. La phase
stationnaire est constituée de bille de silice sur lesquelles sont greffées des chaînes
hydrocarbonées plus ou moins longues (4 à 18C). Plus la chaîne est longue et plus la colonne
est hydrophobe.
(Voir schéma)
6.2.2. Chromatographie sur couche mince (CCM)
Au lieu d‟utiliser une colonne, la phase stationnaire est collée sur une plaque (en générale du
verre). La phase stationnaire est le plus souvent polaire (Al2O3 ; SiO2).
Les lipides sont déposés sur la plaque qui est ensuite partiellement immergée dans un solvant
qui va migrer par capillarité.
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Chapitre III : Les protéines
I. Introduction
Les protéines sont une classes de molécules biologiques « de première importance » (du grec
proteios ou prôtos : essentiel)
Dans une cellule procaryote, le nombre de protéines différentes varie entre 1500 et 2000.
Dans les cellules eucaryotes, cette quantité passe à 12000-15000.
Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules : ils constituent plus de
50% de leur masse sèche.
Elles jouent un rôle prédominant dans le fonctionnement cellulaire. Enzyme : lipase (digestion
des lipides alimentaires), hormones (adrénaline : transmission de l‟information).
II. Les acides aminés
Les protéines sont des macromolécules de type polymère. La brique de base qui constitue les
protéines est l‟acide aminé. Le carbone qui porte la fonction acide carboxylique et la fonction
amine est appelé α. Cette forme de l‟acide aminé n‟est retrouvée qu‟en très faible proportion
(0,001% au mieux).
A pH faible cette forme protonée de l‟acide aminé est prépondérante.
2.1.
Stéréo-isomérie des acides aminés
Le carbone α est sauf exception chiral et il existe donc des énantiomères L et D. Sauf pour la
glycine, on distingue pour chaque acide aminé deux énantiomères (de configuration absolue R
ou S). Pour les acides aminés au lieu d‟utiliser la représentation en perspective on utilise la
représentation qui suit les conventions de Fischer.
Représenter la chaîne carbonée principale verticale :
- Placer la fonction la plus oxydée (COO-) en haut
- Mettre les substituants du Carbone de la chaîne principale en arrière
- Mettre les substituants NH3+ et H en avant
- Si le NH3+ est à gauche l‟acide aminé est de série L s‟il est à droite il est de série D.
Seuls les acides aminés de la série L sont retrouvés dans les protéines.
Voir polycopié.
2.2.
Propriétés chimiques : caractère amphotère des acides aminés
Les acides aminés sont des composés amphotères, ils peuvent se composer comme un acide
(donneur de H+) ou comme une base (accepteur de H+). Voir polycopié
Pour un acide HA, la relation entre le pKa, les concentrations des formes protonées et
déprotonées et le pH est de la forme :
pH = pKa+log10 [A-]/[HA]
Pour un acide aminé, il y a deux constantes de dissociation: K1 et K2.
Voir poly.
-
Si pH < pK1 la forme cationique est majoritaire.
Si pH = pK1 les formes [cations] = [neutres].
Si pH = (pK1 + pK2)/2 la forme neutre est majoritaire, on parle de pHi.
Si pH = pK2 les formes [neutres] = [anions].
Si pH > pK2 la forme anionique est majoritaire.
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Classification des acides aminés :
Groupe
Sous Groupe
Particulier apolaire
non chargé
Polaires et non Hydroxyle
chargés
Amide
Polaires et chargés
Négatif
Positif
Non polaires
Contenant du souffre
Aromatiques
Non
polaires
aliphatiques
Symbole
G
Nom
Glycine
S
T
N
Q
E
D
K
R
H
M
C
W
F
Y
A
V
L
I
P
Stérine
Thréosine
Asparagine
Glutamine
Acide glutamique
Acide aspartique
Lysine
Arginine
Histidine
Méthionine
Cystéine
Tryptophane
Phénylalanine
Tyrosine
Alamine
Valine
Leucine
Isoleucine
Paoline
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Biochimie – résultats Google Recherche de livres
Reginald H. Garrett, charles M. Grisham, B. Lubochinsky 2000 Chapitre 4
2.4. Propriétés spectrales des acides amines
Absorption spectre UV visible, solution avec tryptophane tyrosine et phénylalanine à 1mM
(voir polycopié).
2.4.1. Propriétés spectrale des acides aminés : loi de Beer Lambert
La fraction de la lumière incidente est absorbée pat la solution à une longueur d‟onde donnée
dépend :
- De l‟épaisseur de la solution que la longueur d‟onde doit traverser (trajet optique)
- De la concentration de la solution en espèce absorbante
La loi de Beer Lambert combine ces deux relations :
I = I0 . e(-зlc)
З est un coefficient caractéristique de la substance appelé aussi coefficient d‟absorbance,
d‟absorption ou d‟extinction molaire c‟est en L.mol-1.cm-1.
L est trajet optique correspondant à l‟épaisseur de la cuve (cm)
C la concentration de la solution en mol.L-1
La relation fondamentale utilisée en spectrophotométrie est présentée sous la forme :
A=log(I0/I) = зlc
A est l‟absorbance ou densité optique.
З est une caractéristique de la molécule. Plus з sera grand, plus la solution absorbe.
Absorbance et concentration étant proportionnelles, cette relation peut être utilisée pour
réaliser des dosages ou des suivis cinétiques.
2.5. Séparation et analyse de mélange d‟acides aminés.
Les méthodes d‟analyse seront vu en détails à la fin du chapitre avec les protéines.
3. Peptides
3.1.
Définitions
Enchainement d‟acides aminés :
- Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu
- Deux résidus : dipeptide, trois résidus : tripeptides
- 12 à 20 résidus : oligopeptide
- 20 à 100 résidus polypeptides
- Au-delà de 100 : protéines
3.2.
Liaison peptidique
Rappel :
Les acides amines sont des molécules bi fonctionnelles.
Liaisons peptidiques (voir polycopié).
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La liaison peptidique est très stable (>ester). L‟hydrolyse nécessite des conditions drastiques :
HCl 6N, 110°C, 24h.
Quelque doit le nombre de résidus déjà présents dans la chaîne, il y a toujours une extrémité
N-terminale et une extrémité C-terminale pour jouter de nouveaux résidus.
La numérotation des résidus commence à l‟extrémité N-terminale (NH2).
Structure limites de résonnance :
Pas de rotation possible autour de la liaison peptidique. Les électrons π du groupe carbonyle
et le doublet électronique libre de l‟azote sont très proches. La résonnance de ces électrons
donne au groupe peptidique des structures intermédiaires entre deux formes mésomères.
Liaison intermédiaire entre une simple et une double liaison.
La structure du groupe petidique est rigide : les 6 atomes sont coplanaires. Les angles des
liaisons pour le carbone et pour l‟azote avec leur substituants sont de 120°C. Les deux Cα se
placent de part et d‟autre du pont C-N dans la configuration trans (plus favorable
thermodynamiquement).
Les rotations des groupes des liaisons Cα-N et Cα-C sont libres et seulement limitées par
l‟encombrement stérique.
3.3.
Quelques exemples de peptides d‟intérêt
Enképhalines :
Neuropeptides endogènes découverts par Hudges et Kosterlitz en 1975 (également produits
dans les cellules cardiaques).
Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu
Tyr-Gly-Gly-Phe-Met
Ils agissent sur les memes récepteurs que les opiacés (morphine et dérives). Rôle analgésique :
inhibition de la douleur.
β endorphine :
Elle se lie aux récepteurs aux opioïdes µ et d. Rôle analgésique. Procure une sensation de bien
être (excitation, orgasme…).
Vasopressine :
Hormone peptidique post-hypophysaire. Agit sur le rein en provoquant la rétention d‟eau
(antidiurétique, vasoconstricteur)
Ocytocine :
Agit sur la contraction des muscles lisses en particulier l‟utérus lors de l‟accouchement.
Sanofi-Aventis et Novartis en vendent plusieurs kilos par an.
Aspartame :
Edulcorant alimentaire. Composé de phénylalanine, acide aspartique et méthanol. La société
Searl (rachetée par Monsanto) en produit 4000 tonnes par an.
4. Architecture des protéines
Peptides au-delà de 100 = protéines.
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Les protéines sont des composés amphotères en fonction de la nature de leurs chaînes
latérales elles pourront avoir un comportement acide, basique ou neutre.
En fonction du pH auquel elles se trouvent elles présenteront une charge positive ou négative.
Les protéines présentent aussi un pH isoélectrique, c‟est le pH auquel la charge globale de la
protéine est neutre.
Ce pHi est une propriété qui peut être mise à profit pour la purification des protéines.
On distingue plusieurs niveaux d‟organisation des protéines. On les classes par ordre de
complexité croissante : structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire.
4.1.
Structure primaire
C‟est l‟ordre d‟enchainement des acides aminés qui constituent la protéine ou séquence. Les
acides aminés sont numérotés en partant du N-terminal en allant vers le C-terminal.
La structure primaire s‟écrit indifféremment en utilisant le code à une lettre ou le code à trois
lettres.
4.2.
Structure secondaire
C‟est le premier stade de l‟organisation dans l‟espace d‟une chaine peptidique.
Ce sont des structures qui sont stabilisées par la présence de nombreuses liaisons hydrogènes
entre les groupements carbonyle C=O et le groupement amine N-H du squelette
(indépendamment des chaines latérales).
On distingue :
- Les hélices α
- Les feuillets β
- Les couches β
4.2.1. L‟hélice α
La chaine principale s‟enroule en spirale. Cette structure est stabilisée par la formation des
liaisons hydrogènes entre les résidus n et n+4. Chaque tour d‟hélice comporte 3,6 résidus pour
une distance de 5,4 A°. les plans des liaison peptidiques sont parallèles à l‟axe de l‟hélice. Les
chaines latérales et les liaisons C-H pointent vers l‟extérieur. Certains résidus déstabilisent
l‟hélice par la présence de charge dans leurs chaines latérales (Asp, Glu, Arg et Lys).
La proline est un point de rupture d‟une hélice pour deux raisons :
- Il n‟existe pas de NH pour une liaison hydrogène
- Le cycle rigide pyrrolidone engagé dans la liaison peptidique bloque la rotation,
détruisant la continuité de l‟hélice.
Voir exemple polycopié.
4.2.2. Le feuillet β
La chaîne principale est étirée et deux segments de la protéine se placent cote à cote, unis par
de liaisons hydrogènes entre les groupements C=O et NH.
Si les segments sont orientés dans le même sens on parle de feuillets parallèles. Si les
segments sont orientés dans un sens opposé, on parle de feuillets antiparallèles. Dans ce
second cas les liaisons hydrogènes sont plus fortes.
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Dans le feuillet β le rapprochement des chaînes entraine leur plissement en accordéon. Les
chaînes latérales, R, se dressent au sommet des arrêtes.
4.2.3. Le coude β (β-turn ou β-bend)
C‟est un coude serré impliquant quatre résidus et permettant à la protéine de former des coins
et se replier sur elle-même. La présence de ces coudes en épingle à cheveux conduit à un
changement brutal de direction du feuillet β.
Les coudes contiennent en général une glycine ou une proline.
4.2.4. Random coil
Différents types d‟organisations : hélice α, feuillets β, coudes β. Une protéine qui ne présente
aucun de ses motifs est dite structurée en pelote statique ou random coil. Cette structure dite
aussi „‟au hasard‟‟ prend une ou plusieurs structures qui sont différentes des hélices α ou
feuillet β pour donner des formes indéfinies.
4.3.
Structure tertiaire
C‟est l‟arrangement dans l‟espace des différentes structures secondaires. Cet arrangement
dépend des interactions entre les chaînes latérales des différents résidus ainsi que des
interactions avec les molécules du milieu.
La structure tertiaire va être principalement dictée par des interactions non covalentes :
liaisons de faible énergie.
Les chaines latérales des acides aminés vont pouvoir établir entre elles différents type
d‟interactions en fonction de leur structure chimique (interaction électrostatique, dipolaire –
Van der Waals-, hydrophobes, liaisons hydrogènes…).
Parmi ces interactions, la première à prendre en compte est la polarité des acides aminés (25%
des acides aminés sont chargés).
Une protéine soluble (qui sera au contact de l‟eau) va se replier de façon à ce que les résidus
les plus polaires soient au contact du solvant. Les résidus apolaires, eux, seront au cœur de la
protéine de façon à ne pas interagir avec l‟eau.
Une protéine hydrophobe (qui sera insérée dans des lipides) va se replier de façon à ce que les
résidus les plus hydrophobes soient au contact des lipides qui l’entourent. Les résidus
polaires, eux, seront au cœur de la protéine de façon à ne pas interagir avec ces lipides.
La polarité des acides aminés va être importante non seulement pour le repliement des
protéines (structure tertiaire) mais également pour la reconnaissance intermoléculaire.
Voir schéma de l‟Acétylcholine estérase (régions rouges : potentiel électrostatique négatif,
son substrat, l‟acétylcholine, est positif).
Le cytochrome c interagit avec la membrane mitochondriale, chargée négativement, et avec
des régions négatives sur le cytochrome bc1 et le cytochrome oxydase.
Pont disulfures (-S-S-) :
La structure tertiaire de certaine protéines est stabilisée par la formation de ponts disulfures (S-S-) qui s‟établissent entre deux cystéines. C‟est aussi le cas de la carboxypeptidase.
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4.4.
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Structure quaternaire
C‟est l‟association de plusieurs chaines peptidique, ayant leur propre structure tertiaire, pour
donner un complexe stable et actif. Les chaines qui constituent ce complexe sont des
protomères ou sous-unités. L‟association des différentes chaines se fait via des liaisons faibles
et parfois aussi via des ponts disulfures.
Une protéine peut être monomérique (une seule chaine peptidique) ou multimérique (plusieurs
chaines peptidiques) = structure quaternaire.
On peut trouver des homomultimères (plusieurs chaines peptidiques identiques) et des
hétéromultimères (plusieurs chaines peptidiques différentes).
Exemple :
Glucoronidase : homodimère et Hémoglobine : hétéro-oligomère.
Force impliquées dans la structuration des protéines :
- Structure primaire : liaisons covalentes
- Structure II, III et IVaires : liaisons faibles et éventuellement covalentes (liaison S-S).
La séquence d‟acide aminés est caractéristique d‟une protéine, elle dépend du code génétique
porté par l‟ADN.
Toute l‟information nécessaire pour qu‟une protéine adapte sa conformation finale réside dans
sa structure primaire (séquence en acides aminés).
Cependant, certaines protéines ont besoin d‟autres protéines (appelées chaperons) pour se
replier convenablement.
5. Classification des protéines
5.1.
En fonction de leur structure : globulaires ou fibreuses
Les protéines globulaires sont des protéines biologiquement actives :
- Ce sont des protéines solubles
- Les résidus polaires sont au contact du solvant et les résidus hydrophobes sont tournés
vers l‟intérieur
- Leur structure est en général très flexible
- Elles contiennent souvent une cavité interne (une partie de la molécule est interne et
représente les résidus biologiquement actifs, un endroit au niveau de la protéine où il
va y avoir un rassemblement des acides aminés actifs de la protéine)
- Elles ont généralement un rôle fonctionnel (biologiquement active : enzyme…)
Les protéines fibreuses sont des protéines surtout impliquées dans la structure :
- La plupart des chaines peptidiques sont parallèles
- Ce sont des protéines mécaniquement très solides
- Elles sont en général insolubles
- Elles ont généralement un rôle structural
Exemple de protéines fibreuses : soie d‟araignée.
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La kératine est extrudée de la glande séricigène et subit quelques modifications par rupture
des liaisons hydrogènes. Il en résulte une structure composée de feuillets β (résistance)
entourés d‟hélices α (flexibilité) et de boucles β désordonnées.
5.2.
En fonction de leur fonction : transporteur, défense immunitaire, catalyseur,
réserve, régulation, motilité…
-
Enzyme « catalyse » (ribonucléase)
Protéines de régulation (insuline)
Protéines de transport (hémoglobine)
Protéines de structure (collagène)
Protéines contractiles (actine, myosine)
Protéines de défense (immunoglobuline : anticorps)
Protéines exotiques (protéines antigel chez certains poissons)
Catalyse : enzymes
Les enzymes forment la plus importante classe des protéines (plus de 3000 enzymes
différentes). Les enzymes sont des catalyseurs de réaction biologiques. Elles permettent
d‟augmenter la vitesse d‟une réaction en abaissant la barrière d‟activation de la réaction.
Ea énergie d‟activation de la réaction sans enzyme.
E‟a énergie d‟activation de la réaction catalysé par l‟enzyme.
Les enzymes qui catalysent des réactions présentent une très grande spécificité vis-à-vis de
leur substrat. La partie de l‟enzyme qui interagit avec le substrat est appelée le site actif (site
de catalyse).
La classification systématique des enzymes va dépendre de la nature de la réaction catalysée :
- Transfert d‟un groupement phosphate : phosphotransférase
- Oxydoréduction : oxydoréductase
- Clivage de liaison peptidique : peptidase
6. Méthode d‟analyse des protéines
La purification de toute molécule comprend trois étapes :
- Extraction de la molécule d‟intérêt
- Enrichissement intermédiaire
- Purification finale
La purification des protéines se fait :
- Dans du tampon s‟il s‟agit d‟une protéine soluble
- En présence de détergent s‟il s‟agit d‟une protéine non soluble (protéine membranaire)
6.1.
Isolation et extraction
(Voir schéma).
Les protéines hydrophobes se dénaturent au contact de l‟eau. Pour éviter cette dénaturation il
faut utiliser des détergents. Les détergents sont des molécules amphiphiles. Si leur
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concentration est suffisante, les molécules de détergents s‟organisent spontanément en micelle
dans l‟eau. La protéine hydrophobe va être protégée et pourra être purifiée comme une
protéine soluble.
6.2.
Enrichissement intermédiaire
Cette étape permet d‟éliminer grossièrement les molécules qui ne nous intéressent pas.
- Dans un premier temps on peut procéder à une centrifugation à faible vitesse pour
éliminer les débris cellulaires (morceaux de membranes…). Par la suite on va essayer
d‟éliminer les protéines qui ne nous intéressent pas (ou protéines contaminants) par
précipitation.
- Précipitation :
o Isoélectrique : Il suffit de modifier le pH de la solution de façon à se placer au
pHi de la protéine que l‟on veut purifier. La protéine étant globalement neutre,
il n‟y a plus de répulsions électrostatiques. Les protéines vont alors s‟agréger et
précipiter. On récupère les protéines par centrifugation.
o Par des sels : certains sels, comme le sulfate d‟ammonium (NH4)2SO4, sont
capables de piéger l‟eau et d‟induire la précipitation des protéines. Plus une
protéine est hydrophile et chargée plus il faudra ajouter de sels pour arriver à la
précipiter. Si une solution contient plusieurs protéines, on peut jouer sur la
concentration en sel pour les précipiter séparément :
 Faire précipiter les protéines contaminant pour les éliminer
 Faire précipiter la protéine d‟intérêt pour la récupérer.
6.3.
Purification
6.3.1. Méthodes chromatographiques
La chromatographie est une technique de séparation qui utilise un support qui possède des
propriétés physico-chimiques particulières. Ce support va retenir les protéines en fonction de
critères variables :
- En fonction de la charge des protéines
- En fonction de leur affinité pour des molécules (ligands…)
- En fonction de leur taille
A. Chromatographie d‟échange d‟ions
La phase stationnaire est composée d‟une résine qui peut être :
- Chargée positivement (échangeuse d‟anions)
o Exemple : groupement diéthylaminoéthylammonium
- Chargée négativement (échangeuse de cations)
o Exemple : groupement sulfonate SO3- ou carboxyméthyl CH2-COOLes interactions molécules colonne vont dépendre de la charge des molécules. Ces
interactions pourront être modulées par le pH et la force ionique (concentration en sels) du
milieu.
Exemple d‟une purification par échange de cations : séparation de trois acides aminés Ser,
Asp et Lys :
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Etape 1 : la colonne (chargée négativement) est équilibrée avec une solution
faiblement concentrée en sels. Les cations de la solution (ici Na+) vont se fixer sur les
charges négatives de la phase stationnaire.
Etape 2 : la solution contenant le mélange des molécules à séparer est déposée sur la
colonne. Ce sont les molécules présentes, en plus grande concentration, qui se fixent à
la colonne. Ici, les groupements chargés positivement vont se fixer à la colonne à la
place des ions Na+.
Etape 3 : on élue (on rince) la colonne avec une solution de NaCl un peu plus
concentrée. Les ions Na+ étant plus nombreux que précédemment ils vont entrer en
compétition avec les acides aminés pour se fixer sur la colonne. Ils vont remplacer tout
d‟abord les acides aminés les moins positifs.
Etape 4 : on augmente la concentration en NaCl de l‟éluant. La concentration en Na+
étant plus forte, seuls les acides aminés les plus chargés vont rester fixés à la colonne.
On ré-augmente encore la concentration en NaCl de l‟éluant. Les ions Na+ sont en
large excès, ils vont remplacer toutes les molécules qui étaient encore sur la colonne.
On a modifié la force ionique de l‟éluant pour décrocher les différents acides aminés. On
aurait également pu modifier le pH de l‟éluant et garder une concentration en NaCl constante.
En fonction de leur pKa respectifs, les acides aminés auraient changé de charge et se seraient
décrochés de la colonne.
Le principe est strictement le même pour une protéine.
B. Chromatographie d‟affinité
On greffe sur la colonne une molécule qui interagit de façon spécifique avec la protéine que
l‟on veut purifier. [Cf. polycopié]
De l‟étape 1 à 2 : quand on met le mélange sur la colonne, seule la protéine qui peut intéragir
avec le ligand se fixe.
De l‟étape 3 à 4 : Pour décrocher la protéine de la colonne, on élue avec une solution
contenant le ligand.
C. Chromatographie de perméation sur gel (filtration sur gel ou d‟exclusion)
On parle aussi de tamisage moléculaire car cette technique sépare les protéines en fonction de
leur taille. La colonne est remplie de billes poreuses. Les petites molécules pourront passer
par ces pores et entrer dans les billes alors que les grosses molécules en seront exclues. Les
petites molécules vont donc « perdre du temps » dans les billes alors que les grosses
molécules vont très vite traverser la colonne.
La taille et la forme des molécules vont déterminer leur migration :
- Les molécules les plus grosses migrent le plus vite
- Les molécules les moins globulaires migrent le plus vite
Détection des protéines :
On utilise les propriétés d‟absorption de la lumière des acides aminés aromatiques (280nm)
pour détecter toutes les protéines qui sortent de la colonne. Pour savoir où se trouve la
protéine recherchée il faudra doser son activité.
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Il existe également des méthodes colorimétriques permettant de détecter les protéines dans
une solution. Composé bleu-violet spécifique des acides aminés et protéines dosable à 570nm.
La proline a son groupement a aminé engagé dans le cycle. En présence de la ninhydrine elle
donne une coloration jaune détectable à 440nm.
6.3.2. Electrophorèse
Technique qui consiste à faire migrer des protéines dans un champ électrique. Cette migration
se fait sur une feuille de papier ou (le plus souvent) dans un gel d‟acrylamide (sera vu en L2).
Le sens de migration de la protéine va dépendre de son pI (point isoélectrique). En fonction du
pH la protéine sera chargée positivement ou négativement, elle migrera donc vers l‟anode
(chargée +) ou la cathode (chargée -).
6.4.
Etude de la structure primaire d‟une protéine
Détermination de la composition et de la séquence en acides aminés de l‟insuline (Nobel
1958, Frederick Sanger). Méthode de séquençage de l‟ADN (Nobel 1980 avec M. Gilbert).
6.4.1. Stratégie du séquençage d‟une protéine
- Séparation des chaines polypeptidique (si plus d‟une)
Si la protéine est constituée de plusieurs chaines polypeptidiques (oligomère) les sous unités
doivent être dissociées. Cette dissociation ou dénaturation de la protéine peut être achevée
par :
o pH extrême
o Urée 8M
o Clhorure de guanidine 6M
o Concentration salines élevées
-
Rupture des ponts disulfure s’il y en a
Il existe plusieurs méthodes de clivage des ponts disulfure. Ce clivage doit être irréversible
(ex : clivage oxydatif par acide formique).
Si les ponts disulfure sont établis entre deux chaines, l‟étape 2 va précéder l‟étape 1
(dénaturation).
-
Détermination de la composition en acide aminé de chaque chaine polypeptidique
[Cf. polycopié]
Permet de déterminer la nature des acides aminés présents dans notre protéine d‟intérêt, leur
proportion mais pas la séquence.
-
Identification des résidus N et C-terminaux
Permet d‟identifier les résidus terminaux d‟une chaîne polypeptidique. Peut informer sur le
nombre d‟extrémités dans la protéine (donc nombres de chaînes polypeptidiques).
o Analyse de l‟extrémité N-terminal : méthode de Sanger
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La fonction amine de l‟acide aminé N-terminal est marquée avec un réactif coloré
(dinitrofluorobenzène). Le polypeptide est hydrolysé et l‟acide aminé marqué est isolé par
chromatographie (dosage à 320nm) puis identifié.
Méthode ou chlorure de Dansyle : même principe (le DNS se fixe sur l‟acide aminé Nterminal), L‟acide aminé marqué DNS-acide aminé est détecté par fluorescence. Il y a
hydrolyse totale de la chaîne polypeptidique.
Dégradation d‟Edman : [Cf. polycopié].
Le PITC se combien à l‟extrémité N-terminale. Un traitement acide ou TFA (acide
trifluoroacétique) libère l‟acide aminé N-terminal sans que les autres liaisons peptidiques ne
soient hydrolysées.
Le passage en milieu légèrement acide libère l‟acide aminé N-terminale sous forme de dérivé
PTH qui pourra être identifié par chromatographie.
Il n‟y a pas d‟hydrolyse totale de la chaîne polypeptidique. Après la première réaction, le
cycle de dégradation peut être répété pour identifier successivement tous les acides aminés de
la chaine. Il existe maintenant des séquenceurs qui effectuent automatiquement les diverses
opérations et permettent d‟identifier jusqu‟à 50 résidus d‟une chaîne polypeptidique sans
interruption.
o Analyse de l‟extrémité C-terminal
Pour l‟identification du résidu C-terminal, les approches enzymatiques sont préférés.
Carboxypeptidases : enzymes qui clivent les acides aminés à partir de l‟extrémité C-terminal
de la chaine polypeptidique.



-
La carboxypeptidase A (pancréas bovin) clive l‟acide aminé C-terminal
lorsque celui-ci est aromatique ou aliphatique (tous les acides aminés
sauf Pro, Arginine et Lysine).
La carboxypeptidase B (pancréas du porc), clive l‟acide aminé Cteminal lorsque celui-ci est basique (Arginine ou lysine).
La carboxypeptidase Y (levure) et C (végétale) ont un spectre large
(tous les acides aminés).
Chaque chaine est scindée (clivée/découpée) en petits fragments par des techniques
différentes afin d’obtenir des chevauchements (recouvrement)
La fragmentation de la chaine polypeptidique peut se faire par des méthodes chimique ou
enzymatique.
Intérêt : permet d‟obtenir des fragments plus petits facilement analysable par méthode de
séquençage.
Lorsque l‟on a affaire à un polypeptide de plus de 50 résidus, on ne peut déterminer
directement sa séquence.
On va :
o Le couper en peptide plus petits
o Purifier ces peptides
o Les séquencer individuellement
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o Puis on reconstruit le puzzle
Protéine → n peptides purifiés et séquencés → on reconstruit en identifiant les portions
communes.
Il existe plusieurs méthodes de coupures spécifiques au niveau d‟acides aminés donnés :
o La trypsine : coupe en C-terminal des acides aminés basiques Lys-Arg
(attention parfois coupures partielles).
Gly-Tyr-Ile-Glu-Arg-Leu-Trp-Val-Lys-Cys-Asn-Ale
→ un tripeptide, un tétrapeptide et un pentapeptide
o La chymotrypsine : coupe en C-terminal des acides aminés aromatiques : Phe,
Tyr, Trp
o Endoprotéase V8 (staphyloccocus aureus) : coté C-terminal de Glu, parfois de
Asp.
o Autres peptidases :


Asp N protéase : coté N-terminal de Asp, acide cystéique, parfois Glu.
Protéinase K (ou pronase), papaïne, pepsine (milieu acide) : protéase
avec spécificité de coupure très large. [Cf. Polycopié]
Le bromure de cyanogène CNBr (clivage chimique ciblant la méthionine) :
Le CNBr est un agent très sélectif, il attaque uniquement la méthionine.
o En milieu acide (acide formique 70%) le souffre de la Met réagit avec le CNBr
pour donner du sulfanium (instable)
o Il y a cyclisation de la molécule formant une iminolactone
o Hydrolyse en milieu aqueux et clivage de la chaine polypeptidique
o Libération de fragments avec en C-terminal une homosérine lactone (seul le Cterminal d‟origine ne contient pas de HSL)
-
La séquence globale de la protéine est reconstruite à partir de la séquence de ces
fragments
[Cf. polycopié]
Les fragments obtenus par différents clivages sont séquencés er le recouvrement
(chevauchement) des séquences partielles permet d‟établir la continuité de la séquence
d‟intérêt.
-
Localisation des ponts disulfures
Si les chaines polypeptidiques n‟ont pas été dénaturées avant le séquençage, les liaisons
disulfures vont rester stables. Ces ponts disulfures relieront des fragments peptidiques
contenant des résidus cystéines spécifiques. Après fragmentation ces résidus pourront être
isolés puis identifiés par des méthodes chromatographiques.
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7. Maladies liées aux protéines
7.1.
Hémoglobine S
Le résidu Val apolaire remplace un résidu Glu polaire au niveau de la sous unité β.
Cela crée un défaut dans l‟assemblage des quatre sous unités donc une déformation des
hématies (de forme faucille). C‟est la drépanocytose ou anémie falciforme.
7.2.
Maladie d’Alzheimer
Due au repliement inadéquat d‟une protéine endogène du tissus cérébral humain „le peptide βamyloïde‟. Le peptide β-amyloïde va passer d‟un état soluble riche en hélice α en un état
insoluble riche en feuillet β. Ces derniers s‟agrègent et forment des plaques séniles.
7.3.
Scorbut
Défaut de la maturation du collagène du à une carence en vitamine C. La vitamine C est un
cofacteur important pour l‟activité des lysyl et propyl hydroxylases. Les résidus Lys et Pro
deviennent hydroxylés ce qui porte atteinte à la stabilité conformationnelle du collagène.
Saignement des gencives, gonflement des articulations, mauvaise circulation et mort de
l‟individu.
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Chapitre IV : Les glucides
1. Introduction
Ce sont des molécules présentes dans toutes les cellules du monde vivant. Les glucides
peuvent représenter jusqu‟à 5% du poids sec des animaux et 70% des végétaux. Ils peuvent
avoir un rôle structural, fonctionnel ou être source d‟énergie.
Exemple :
La cellulose qui est présente sur la paroi des végétaux et permet de rigidifier leur structure.
La chitine qui est présente dans la carapace de certain insecte ou invertébrés et permet de
rigidifier la structure de leur carapace.
Ils peuvent aussi avoir un rôle fonctionnel : molécules signalétiques, groupes sanguins.
Glycogène (réserve énergétique) au niveau des cellules hépatiques. Amidon (réserve
énergétique) chez les végétaux.
Ils sont présent dans la structure l‟activité et la réserve énergétique.
Les glucides sont des composés ternaires (C, H, O). leur formule brute est de la forme
Cn(H2O)n. on les appelle parfois aussi hydrate de carbone.
Fonction chimique :
Groupement carbonyle : fonction aldéhyde ou cétone
Groupement hydroxyle : fonction alcool
On distingue deux catégories :
- Les molécules élémentaires non hydrolysables : les oses (petites molécules)
- Les composés hydrolysables : les osides
[Cf. polycopié]
2. Les oses (ou monosaccharides)
2.1.
Structure des oses
Ce sont des molécules constituées de plusieurs fonctions alcool et d‟une fonction réductrice
aldéhyde ou cétone. On parle alors d‟aldoses (-CHO) ou de cétoses (>C=O).
[Cf. formule du polycopié]
Si x=1, la molécule possède trois carbones, on parle alors d‟aldotriose ou cétotriose.
Si x=2, aldotetraose ou cétotétraose, etc.
L‟ose le plus répandu dans la nature est un aldohexose en C6 : le glucose (C6H12O6).
2.1.1. Classification et nomenclature
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A. En fonction du nombre de carbone
[Cf. tableau dans le polycopié]
B. En fonction de la nature de la fonction réductrice
[Cf. tableau dans le polycopié]
2.1.2. Stéréochimie des oses
Le glycéraldéhyde le plus simple est un aldotriose, le C2 porte 4 substituants différents, il est
donc asymétrique C*.
[Cf. polycopié]
Le passage de la représentation de Cram en représentation de Fischer :
- La chaîne carbonée est orientée avec son groupement le plus oxydé dirigé vers le haut
- Les traits verticaux symbolisent des liaisons dirigées vers l‟arrière
- Les traits horizontaux symbolisent des liaisons dirigées vers l‟avant.
Par convention on ne montre pas les H et les OH sont symbolisés par un trait [Cf. polycopié].
Par analogie au D-glycéraldéhyde, les oses sont D ou L en fonction de la configuration du C*
ayant la plus forte numérotation (le plus éloigné de la fonction –CHO ou >C=O).
Les oses naturels sont de configuration D.
Le glucose possède 4 carbones asymétriques. Il existe donc 24=16 stéréo-isomères différents.
Les stéréo-isomères sont des isomères de configuration, c'est-à-dire des molécules de
constitution identique mais dont l‟organisation spatiale des atomes est différente.
[Cf. polycopié]
A. Diversité des stéréo-isomères
Les isomères peuvent être divisés en trois sous-groupes :
- Epimères : deux oses d‟une même série qui ne diffèrent que par la configuration d‟un
seul C*.
- Diastéroisomères : isomère de configuration qui sont opposés sur un ou plusieurs
centres de chiralité mais qui ne sont pas image l‟un de l‟autre dans un miroir.
- Enantiomères : un énantiomère est un isomère de configuration superposable à son
homologue après symétrie dans un miroir.
Si les molécules ne diffèrent que par la configuration absolue d‟un carbone C*, ce sont des
épimères. Le galactose est l‟épimère en 4 du glucose.
B. Pouvoir rotatoire
Les oses sont des molécules possédant une activité optique. En solution, les molécules
possédant des carbones asymétriques dévient la lumière polarisée vers la droite ou vers la
gauche. L‟angle de déviation (de rotation) peut être caractérisé par la loi de Biot : α = [α].l.c
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Le sens de rotation optique peut être spécifié pour chaque ose. On ajoute le signe + pour
dextrogyre (déviation à droite) et – pour lévogyre (déviation à gauche).
D(+) Glucose : glucose dextrogyre
D(-) Glucose : glucose lévogyre
Les isomères D et L d‟un même ose ont un angle de rotation identique mais de sens opposé.
La nomenclature est la même pour les cétoses que pour les aldoses. A nombre égal de
carbones, les cétoses présentent un C* de moins.
Il faut connaitre par cœur le D-ribose, le D-glucose et le D-fructose.
2.1.3. Filiation des oses
Par des méthodes chimiques il est possible de passer d‟un ose à n carbone à son homologue
n+1 ou n-1.
A. Synthèse de Kiliani-Fischer
L‟acide cyanhydrique (HCN), le cyanure de sodium (NaCN) ou encore de potassium (KCN)
s‟additionnent sur la fonction aldéhyde pour former une cyanhydrine.
Par hydrolyse puis réduction on passe de la forme cyanhydrique à un aldose possédant n+1 C.
Réaction non stéréospécifique : deux isomères formés.
B. Dégradation de Wöhl-Zamplen
Condensation de la fonction aldéhyde avec l‟hydroxylamine pour former une oxyme à partir
de laquelle on peut faire dériver une cyanhydrine. En présence de l‟oxyde d‟argent on obtient
un aldose à n-1C.
C. Filiation des aldoses
[Cf. polycopié]
2.2.
Structure cyclique des oses
2.2.1. Mise en évidence de la cyclisation des oses
Le glucose possède une fonction –CHO donc en présence du réactif de Schiff on devrait avoir
une coloration rouge. Il n‟y a pas de coloration rouge pour le glucose bien qu‟il possède une
fonction aldéhyde [Cf. polycopié].
Une molécule d‟aldéhyde comme une cétone est capable de réagir avec deux molécules
d‟alcool pour former un hémiacétal puis un acétal. En présence d‟une deuxième molécule
d‟alcool l‟hémiacétal est supposé former un autre acétal. Le glucose ne réagit qu‟avec une
seule molécule de méthanol.
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Il s‟est produit une réaction entre la fonction aldéhydique et
(réaction d‟hémiacétalisation intramoléculaire).
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un des groupements OH
La fonction CHO n‟étant plus libre :
- Il n‟y a pas de coloration du réactif de Schiff.
- La réaction se fait avec une seule molécule d‟alcool dans la réaction
d‟hémiacétalisation.
2.2.2. Représentation de Tollens
Tollens proposera une structure où le carbone 1 du glucose devient asymétrique après
l‟apparition d‟un cycle formé suite à l‟hémiacétalisation de la fonction aldéhydique par un
groupement hydroxyle (du carbone 4 au carbone 5) créant un pont oxydique [Cf. polycopié].
2.2.3. Représentation de Haworth
La représentation de Tollens est éloignée de la structure spatiale de la molécule. On utilise à la
place la représentation d‟Haworth.
Les OH à droite en Tollens se retrouvent en dessous en Haworth et inversement.
Pour des ramifications –C etc., on les place au dessus si le pont oxydique est placé à droite en
Tollens, et inversement.
Pour les aldoses :
- Dans le cas d‟un pont oxydique entre C1 et C5 on obtient un cycle hexagonal
comportant 5 carbones et un atome d‟oxygène : c‟est un noyau pyranose.
- Dans le cas d‟un pont oxydique entre C1 et C4 on obtient un cycle pentagonal
comportant 4 carbones et un atome d‟oxygène c‟est un noyau furanose.
Pour les cétoses :
- Dans le cas d‟un pont oxydique entre C2 et C6 on obtient un noyau pyranose.
- Dans le cas d‟un pont oxydique entre C2 et C5 on obtient un noyau furanose.
2.2.4. Phénomène de mutarotation
Cycle à 6 côtés : pyranose
Cycle à 5 côtés : furanose
Le dernier C* porte l‟O à droite : série D
- Le OH porté par le C1 est du même côté que le OH qui définit la série sous la forme
non cyclique : anomère a (a-D-glucopyranose)
- Le OH du C1 est du côté opposé : anomère β
Les deux formes anomères diffèrent par leur pouvoir rotatoire :
- Angle de rotation α = +112° pour la forme α
- Angle de rotation α = +19° pour la forme β
En solution il s‟établit un équilibre entre la forme linéaire, la forme α et la forme β.
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Représentation de Tollens/ nomenclature : [Cf. polycopié]
Cette nomenclature (α/β) est très importante pour décrire les liaisons chimiques contractées
dans les disaccharides et les polysaccharides.
La forme puranique est plus stable pour les aldoses en C6.
La forme furanique est plus stable pour les oses en C5.
La forme furanique est plus stable pour les cétones.
Les notions d‟épimères sont les mêmes en représentation de Haworth que pour la
représentation de Fischer. Si on parle d‟épimère en 4 du glucose, on a une molécule qui ne
diffère que par l‟orientation du OH porté par le carbone 4.
En représentation de Haworth, un changement de série implique une inversion de tous les
groupements portés par le cycle.
2.2.5. Conformation spatiale des oses
La représentation d‟Haworth ne donne pas la dispositin spatiale exact de chaque carbone
tétraédrique.
En effet le cycle hexagonal (pyranose) n‟est pas plan : en raison des angles de valences de
carbone.
Le cycle pyranique va donc prendre deux configurations : bateau ou chaise.
Exemple : β-D-glucopyranose [Cf. polycopié]
La gène stérique des constituants lourds (CH2OH) est plus importante en position axiale qu‟en
position équatoriale. La configuration 4C1 est plus favorable.
Pour une série L la position inverse du CH2OH favorise au contraire 1C4.
Exemple β-D-ribofuranose :
Deux conformations privilégiées : enveloppe et twist
- Enveloppe un seul atome hors du plan défini par les quatres autres
- Twist : deux atomes adjacents respectivement au dessus et en dessous du plan défini
par les trois autres atomes
La conformation est endo si le carbone hors du plan est du même côté que le CH2OH et exo
s‟il lui est opposé.
Nomenclature : T ou E +n° des C exoplanaires.
2.3.
Propriétés physico chimiques des oses
2.3.1. Propriétés physiques
A. Propriété optiques
- 40 -
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Les oses ne présentent pas d‟absorption dans le visible ou l‟UV
Les propriétés optiques des oses permettent de les doser par polarimétrie et
réfractométrie
B. Polarité
-
Les oses sont riches en groupements polaires (OH) ils peuvent établir de nombreuses
liaisons H. ils sont très hydrosolubles
C. Thermo dégradable
-
Les oses sont thermo dégradables (caramélisation)
2.4.
Propriété chimique
A. Oxydation
a. Oxydation douce par l‟iode en milieu faiblement basique
Oxydation de la fonction aldéhyde en acide et formation d‟acides aldoniques (si c‟est
l‟oxydation du glucose cela donne un acide gluconique).
b. Oxydation poussée par acide nitrique (HNO3) à chaud
La fonction alcool primaire et la fonction aldéhyde sont oxydées et on a la formation de
diacides.
c. Action de l‟acide périodique (HIO4)
L‟oxydation par l‟acide périodique donne un acide HCOOH et deux aldéhydes (RCHO et
HCHO). La fonction aldéhyde peut être bloquée par méthylation.
d. Oxydation contrôlée des aldoses
L‟oxydation des oses peut se faire de manière sélective → protection des groupements par
méthylation.
B. Réduction
a. Réduction des complexes métalliques
Les glucides qui ont leur OH anomérique libre peuvent passer de la forme cyclique à linéaire.
Quand le glucide est sous forme linéaire il est dit réducteur, car il a une fonction carbonyle
libre.
Cette propriété réductrice peut être mise en évidence grâce à la liqueur de Fehling (oxyde de
cuivre en oxyde cuivreux).
[Cf. polycopié]
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b. Réduction des complexes organiques
Les oses réduisent certains composés organiques tels que l‟acide picrique, le bleu de
méthylène, l‟acide 3,5-dinitrosalicyclique est réduit en acide 3-amino5-nitrosalicyclique
(composé rouge-orangé).
Méthode de dosage des oses.
c. Réduction de la fonction réductrice : formation de polyols
Les oses peuvent être réduits par hydrogénation catalytique (borohydrure de sodium NaBH4)
pour donner des polyalcools ou polyol (suffixe « itol »).
Le sorbitol et le mannitol sont des édulcorants utilisés comme additifs alimentaires
(respectivement E420 et E421) (exemple : chewing-gum).
Mais qui ont un effet laxatif à haute dose.
Le D-glycéraldéhyde et la dihydroxyacétone sont réduites en glycérol.
Molécule permettant de fixer des acides gras pour donner un glycéride.
[Cf. polycopié]
d. Réduction de la fonction alcool primaire ou secondaire
Cette réduction permet l‟obtention de désoxy-oses constitutifs entre autres de l‟acide
désoxyribonucléique (ADN). Exemple : le D-ribose est réduit en désoxy-D-ribose.
C. Méthylation
La méthylation permet de fixer un CH3 sur un OH (R-O-CH3).
Perméthylation : fixation d‟un groupement CH3 sur tous les OH.
-
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.
D. Estérification
L‟estérification correspond à l‟action d‟acides (minéraux ou organiques) sur les oses.
Les esters phosphoriques des oses permettent :
- La rétention du glucose dans la cellule (Gln-6-P est chargé négativement donc ne peut
pas traverser la membrane plasmique)
- Fixation sur le site actif des enzymes (métabolisation)
Exemple du glucose-6-P (Glc-6-P).
E. Condensation
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Le carbone anomérique des oses (C1 pour aldoses er C2 pour cétoses après hémiacétalisation)
est réactif vis-à-vis des groupements d‟alcools et de phénols.
La formation d‟une liaison osidique fait disparaitre le pouvoir réducteur et bloque la
configuration anomérique (un β reste un β).
Liaison assez stable en milieu basique, mais hydrolysable e milieu acide ou par des enzymes
les glycosidases.
2.5.
Etude de quelques oses d’intérêt biologique
A. Le glucose : (aldohexose – pyranose)
Extrêmement répandu dans le règne végétal et le règne animal à l‟état libre ou combiné à
d‟autre oses, sous forme phosphorylé ou non.
C‟est le combustible de la cellule, mis en réserve sous forme de glycogène (règne animal) ou
d‟amidon (règne végétal).
B. L’arabinose (aldopentose – pyranose)
L‟arabinose est abondant dans le monde végétal. Il contribue à la formation des tissus de
soutien.
C. Le galactose et le mannose (aldohexose-pyranose)
Ces deux oses sont beaucoup moins abondant dans les cellules que le glucose mais on les
trouve comme constituants des glycoprotéines et des glycolipides.
D. Le fructose (cétohexose – furanose)
C‟est le cétose que l‟on obtient par inter conversion du glucose et du mannose (fruits, miel,
sécrétion séminales).
2.6.
Les dérivés des oses
Certaines molécules dérivent les oses, elles ont une structure et une biosynthèse analogue. Les
plus importants sont les désoxyoses, les acides uroniques et les oses aminés.
2.6.1. Les désoxyoses
Les désoxyoses sont des oses qui ont perdu une fonction OH.
Exemple : α-L-fucose, site de terminaison ou d‟ancrage du polysaccharide et désoxyribose
(ADN).
2.6.2. Les acides uroniques
Les acides uroniques sont des oses qui ont une fonction COOH en 6.
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L‟acide D-glucuronique participe aux processus de détoxification, un certain nombre de
composés sont en effet éliminés par les organismes supérieurs sous forme d‟hétérosides
appelés glucuronides ou glucuro-conjugués.
2.6.3. les oses aminés
les oses aminés sont des oses qui ont une fonction NH2 en C2. Le NH2 peut être acétylé (NHCO-CH3).
Exemple : le peptidoglycane des bactéries est un polymère de glycosaminepeptide où la Nacétyl-glucosamine (NAG) et l‟acide N-acétyl-muranique (NAM) sont liés par des liaisons
osidiques.
La liaison va être N-osidique entre la fonction amine et une fonction OH suivante.
2.6.4. Autres dérivés
Acide ascorbique :
L‟acide L-ascorbique est une substance qui s‟oxyde facilement en acide déhydroascorbique
(réaction réversible) qui lui permet de participer aux processus d‟oxydoréduction cellulaires.
L‟acide ascorbique (C6H8O6) est un antioxydant puissant.
3. Les osides
[Cf. polycopié]
3.1.
Définition
Les osides sont des molécules complexes représentant sont des polymères d‟oses (qui
contiennent un ou plusieurs oses).
On les classes en deux catégories en fonction de leurs produits d‟hydrolyse :
- Les holosides qui libèrent des oses et/ou de dérivés d‟oses
- Les hétérosides qui libèrent des oses et des molécules aglycones (composés non
glucidiques).
En fonction de leur taille les osides peuvent être classés :
- En oligosides (ou oligosaccharides) pour les plus petits (constitués de quelques oses)
- En polyosides (ou polysaccharides) pour les plus gros (jusqu‟à plusieurs milliers
d‟oses associés)
Dans tous les cas les oses sont associés entre eux par une liaison osidique ou glycosidique
faisant systématiquement intervenir le OH porté par un carbone anomérique.
3.2.
La liaison osidique ou glycosidique
La liaison osidique est une liaison éther (C-O-C) résultant de la condensation de deux
molécules et la perte d‟une molécule d‟H2O.
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Elle s‟établit entre l‟hydroxyle réducteur du carbone anomérique (C1 pour les aldoses et C2
pour les cétoses ; OH hémiacétalique en position α ou β) et l‟hydroxyle d‟un autre ose.
Trois types de liaisons peuvent se former :
- OH hémiacétalique + OH alcool primaire C6 (OH de C1 libre donc diholoside
réducteur).
- OH hémiacétalique + OH alcool secondaire C2, C3, C4 (OH de C1 libre donc
diholoside réducteur).
- OH hémiacétalique + OH hémiacétalique (pas d‟OH hémiacétalique libre donc
diholoside non réducteur).
Exemple : D-glucose et D-galactose.
Les différentes liaisons osidiques possibles entre un glucose et un galactose [Cf. polycopié] :
-
La liaison glycosidique va bloquer la forme anomère de l‟ose engageant sa fonction
hémiacétalique dans une conformation : soit alpha soit béta.
Si la liaison n‟engage pas la fonction hémiacétalique du deuxième ose, le diholoside
pourra se trouver sous les deux formes anomères et la forme linéaire qui expliquera sa
propriété réductrice.
3.3.
Nomenclature et convention
Le premier ose engageant son C anomérique dans la liaison osidique prend le suffixe –osyl ou
–osido.
Si la liaison osidique n‟engage pas le C anomérique du deuxième ose, on utilise le suffixe –
ose pour le deuxième ose :
-
Osyl (alpha ou béta 1 donne n) …ose (n est différent du carbone anomérique)
Osido (alpha ou béta 1 donne n) …ose (ne est différent du carbone anomérique)
Ose qui fourni son carbone anomérique osyl (1=> n) ose ramifié –ose (n numéro des carbones
impliqués dans la liaison osidique.
Si la liaison osidique engage le carbone anomérique du deuxième ose, on utilise le suffixe –
oside pour le deuxième ose :
-
Pour les aldoses :
o …osyl (α ou béta 1 → alpha ou béta 1) …oside
o Osido (α ou béta 1 → alpha ou béta 1) …oside
-
Pour les cétoses :
o …osyl (alpha ou béta 1 → alpha ou béta 2) …oside
o …osido (alpha ou béta 1 → alpha ou béta 2) …oside
Ose qui fourni son carbone anomérique osyl (1 ↔ 1) ose ramifié par son carbone anomérique
oside
Numéros des carbones impliqués dans la liaison osidique
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[Cf polycopié]
Pour simplifier les écritures de polysaccharides, des écritures condensées conventionnelles ont
été définies : [Cf. polycopié]
3.4.
Stabilité de la liaison osidique
Les liaisons éther sont rompues par hydrolyse et on retrouve les molécules de départ avec
leurs deux fonctions hydroxyle.
La liaison est relativement stable à pH 7, toutefois moins que :
- La liaison peptidique (amide).
- La liaison éther (glycérides).
- La liaison phosphodiester (glycérophospholipides).
A. Hydrolyse chimique
Catalysée par les protons H+, l‟hydrolyse s‟effectue à pH acide (HCl 0,1M) et à chaud (60°C)
en une heure.
Cette hydrolyse n‟a aucune spécificité et toutes les liaisons osidiques sont rompues et les
produits obtenus sont les unités d‟oses.
B. Hydrolyse enzymatique
L‟hydrolyse des liaisons osidiques se fait par des catalyseurs enzymatiques d‟hydrolyse
(appelées hydrolases), spécifiques des liaisons glycosidiques (glycosidases).
La spécificité est telle qu‟une glycosidases peut agir uniquement sur un seul substrat
(spécificité principale) et sur un seul anomère et même un seul type de liaison (spécificité
secondaire). Par exemple, nous aurons des glycosidases, des α ou β glycosidases, des α ou β
galactosidases, etc.
4. Méthodes d’analyse des osides
La détermination de la structure de l‟oligoside implique :
- Détermination de la nature des oses
- Détermination de mode de liaison des oses
4.1.
Détermination de la nature des oses
On coupe de diholoside par voie acide :
- Un seul type d‟ose : diholoside homogène, ose identifié par pouvoir rotatoire.
- Deux types d‟oses différents : diholoside hétérogène, séparation et identification des
deux oses.
- Séparation des oses : chromatographie sur couche mince de cellulose ou colonne
amidon (comparaison oses témoins).
4.2.
Détermination de mode de liaison des oses
- 46 -
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Condensation des deux fonctions hémiacétaliques des deux oses : diholoside a perdu
le pouvoir réducteur.
Condensation de la fonction hémiacétalique de l‟un avec une fonction OH de l‟autre :
présence du pouvoir réducteur.
a. Détermination de l’ose réducteur
Exemple : lactose : galactose et glucose
Oxydation ménagé par l‟iode ou brome on obtient : acide aldonique seul la fonction
aldéhydique libre est oxydé : galactose et acide D-gluconique.
[Cf. polycopié]
b. Détermination de la position OH engagée dans la liaison osidique
-
Plusieurs méthodes : méthode Clancy-Weman qui utilise HIO4.
Si on traite par l‟ose engagé par la fonction réductrice ne sera pas modifié, seul l‟ose
engagé par la fonction OH sera transformé en polyol.
Exemple : diholoside
On le fait réagir avec IO4- : les deux liaisons possibles : 1-4 et 1,6.
IO4- coupe la liaison entre deux carbones porteur d‟OH :
-
Fonction alcool primaire : aldéhyde formique (CH2OH → HCHO)
Fonction alcool secondaire : acide formique (CHOH → HCOOH)
[Cf. polycopié]
Résultats de l‟analyse : [Cf. polycopié]
c. Détermination de l‟anomère β ou α
Enzymess :
- Béta D glucosidase
- Alpha D fructosidase
- Béta D galactosidase
5. Les holosides
5.1.
Les diholosides
Un oligoside avec deux molécules d‟oses est un diholoside ou disaccharide.
C12H22O11
Seuls trois diholosides existent à l‟état libre (les autres proviennent de l‟hydrolyse de
polyosides) :
- Lactose (lait animal)
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Saccharose (végétal)
Réhalose (hémolymphe des insectes, champignons)
A. Les diholosides réducteurs
Le lactose :
C‟est le sucre du lait des mammifères (50 g/L dans le lait de vache). Au niveau chimique,
c‟est une liaison osidique établit entre le carbone aldéhydique du galactose et un groupement
–OH du glucose. Il y a conservation du pouvoir réducteur et de l‟anomérie.
Exemple : β-D-galactopyranosyl (1 à 4) D-glucopyranoside ou Gal (β1 à 4) Glc.
Maltose :
C‟est un produit de dégradation de l‟amidon et du glycogène. Par hydrolyse il donne deux
molécules de glucose.
Exemple : D-glucopyranosido (α1→4) D-glucopyranose.
En abrégé : Glc (α1→4) Glc.
B. Les diholosides non réducteurs
Saccharose :
La liaison asidique entre les deux carbones anomériques bloque les deux oses dans l‟une des
formes anomères cycliques alpha ou béta.
Pas de phénomène de mutarotation.
Pas de pouvoir réducteur (réaction de Fehling négative).
Le saccharose est un osido-oside que l‟on trouve dans des végétaux. Il est mis en réserve dans
les tiges de la canne à sucre et dans les racines des betteraves.
5.2.
Les polyosides
Ils sont formés par la condensation répétitive d‟un ose par liaison osidique dépasant 10 unités
pour atteindre plusieurs centaines ou milliers d‟oses.
Peuvent être subdivisés en deux catégorie par rapport à leur fonctions :
- De réserve
- De structure
Ils diffèrent par :
- La configuration des oses
- Le type de liaison
- La présence de chaînes latérales branchées
- Le nombre d‟unités polymérisées
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5.2.1. Polyosides de réserves
Il s‟agit essentiellement des polymères de glucose (amidon et glycogène).
A. L’amidon
Forme condensée sous laquelle les végétaux accumulent les glucides synthétisés :
- Dans les feuilles à utilisation rapide
- Dans les graines (céréales) ou les tubercules (pomme de terre) à germination.
Ce haut polymère insoluble dans l‟eau froide est composé de deux fractions :
-
L‟amylose :
Enchainement linéaire parfaitement répétitif de 1000 à 4000 monomères de D-glucose sans
branchement, lié par une liaison osidique (a 1→4).
Structure en hélice gauche par rotation de la liaison osidique (a 1→4) et maintenue par une
liaison hydrogène entre les hydroxyles en C2 du premier cycle et C3 du deuxième cycle,
hélice à 6 glucose par tour.
-
L‟amylopectine :
Nombreuses unités de glucose, mais surtout, structure ramifiée. C‟est le branchement de
chaînes latérales par des liaisons a (1 à 6).
Au final on va avoir des structures arborescentes très compactes.
L‟amylose et l‟amylopectine n‟ont pas de pouvoir réducteur car la densité moléculaire des
fonctions réductrices est trop faible. Si l‟amidon est hydrolysé, les chaînes peuvent devenir
réductrices. Par hydrolyse totale, on peut obtenir différents produits en fonction du
catalyseur :
- HCl à chaud : D-glucose.
- Amylase : Maltose (dioside de glucose).
L‟amidon est utilisé dans l‟industrie :
- Rôle dans l‟alimentation comme sucre lent dans la fabrication de la bière.
- Fabrication de colles (empois : colle d‟amidon).
B. Glycogène
Le glycogène est un polymère de glucose que les animaux mettent en réserve dans le cytosol
des hépatocytes (glycémie : distribution à l‟organisme) et dans les muscles (contraction
musculaire).
Structure comparable à l‟amylopectine, mais comporte un nombre supérieur d‟unités glucoses
condensées et de branchements (tous les 8 à 12 résidus et 3 à 5 au centre de la molécule).
DONC molécule encore plus compacte (d‟où intérêt de stocker sous forme de glycogène).
- 49 -
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5.2.2. Polyosides de structure
En général extracellulaire, ils construisent les armatures des exosquelettes d‟algues, de
végétaux (cellulose) et d‟animaux (carapace de chitine des arthropodes).
Ce sont des polymères de glucose ou d‟un dérivé qui ne sont pas ramifiés et dont la liaison
entre unité est une liaison avec l‟anomère β.
A. La cellulose
Constituant majeur des fibres des parois végétales. Il prend la forme de longues chaînes
linéaires de 5 à 15000 unités de β-D-glucopyranose, liaison β (1 à 4).
B. La chitine
Utilisée par les invertébrés pour la confection d‟un exosquelette rigide et résistant.
Elle diffère de la cellulose que par le carbone 2 du glucose : son hydroxyle est remplacé par le
groupement acétylamine. Ce polymère GlcNac (β1→4) a la même structure que la cellulose.
On le trouve dans l‟exosquelette des invertébrés (crustacés, mollusques, insectes).
5.3.
Les polyosides hétérogènes
Ce sont des chaînes d‟oses ou de dérivés d‟oses différents, la plupart du temps limités à deux
types.
-
-
Les gommes, partie hydrophile des sécrétions des gommiers comme les acacias sont
des galactorabanes très ramifiés.
L‟agar-agar ou gélose, extrait des algues rouges et très employé en microbiologie pour
les cultures sur gel, est un polyoside complexe de D et L-galactose irrégulièrement
sulfaté.
Carraghénates (extrait d‟algues) épaississant et gélifiants employés dans l‟industrie
alimentaire.
Polymères linéaires d‟unités diosidiques de galactose sulfaté (carrabiose) lié par une
liaison (β1→4).
Alginates (algues brunes) polyuronides linéaires faits de deux acides uraniques, les
acides β-D-mannuronique et α-L-guluronique liés par une liaison (α1→4).
5.4.
Détermination de la structure d’un polyoside
Polyosides :
Polyosides homogène : même molécule d‟oses
Polyosides hétérogène : divers types d‟oses
-
Détermination de la structure du polyoside est la même que pour un oligoside
Détermination de la longueur de la chaine et du poids → méthode de méthylation :
o Tous les OH sont méthylés y compris celui de la fonction aldéhyde terminal
o Le OH dans la liaison osidique est masqué à la méthylation (la liaison R-O-R‟
est solide).
- 50 -
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1. Polyoside à chaine linéaire
[Cf. polycopié]
Ces composés sont séparés par chromatographie puis dosé. Dans l‟amylase pour 200
molécules de triméthyl-D-glucose il y a une molécule de tétraméthyl-D-glucose.
2. Polyosides branché
Ex : amylopectine
L‟amylopectine est un polyoside homogène branché formé de D-glucose sous forme de
pyrane, les liaisons osidiques sont de type α (1→4) comme l‟amylose mais il existe des
ramifications α (1→6).
[Cf. polycopié]
Tétraméthyl → nombre de chaines
Diméthyl → nombre de branchement
Triméthyl → glucose interne + glucose final
Résultats :
91% triméthyl D-glucose
5% tétraméthyl D-glucose
4% Diméthyl D-glucose
100 molécules de glucose, l‟amylopectine aura 4 branchements et 5 glucoses initiaux
(5chaines).
Poids moléculaire déterminé par multiplication du poids moléculaire de glucose par le nombre
de glucose.
6. Les hétérosides (les glycoconjugués)
Ils sont formés d‟un ose et d‟une partie non glucidique (aglycone) liés par liaison covalente.
6.1.
Les glycoaminoglycane
Polymères non branchés de diosides construits sur le schéma général suivant :
Acide uronique ou glucose flèche béta (1 à 3) hexose acétylaminé [formation du dioside]
flèche béta (1 à 4) [polymérisation]
Un des deux résidus ou les deux peuvent contenir au moins un groupement OH estérifié par
de l‟acide sulfurique.
Glycoaminoglycanes biologiquement importants [Cf. polycopié]
6.2.
Les glycolipides
- 51 -
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Les glycolipides sont des lipides liés à une fraction glucidique (liaison covalente). Maintient
de la rigidité et de la forme de la paroi cellulaire (chez bactérie).
Ex : lipopolysaccharides (LPS) de la paroi des bactérie Gram négatif (autrefois appelé
endotoxine car possède un très haut potentiel antigénique).
6.3.
Les glycoprotéines
Ce sont des hétérosides (composés de plusieurs oses différents) formant un motif glucidique
qui est fixé de façon covalente à une chaîne polypeptidique. Les glycoprotéines sont
synthétisées suite à la glycosylation d‟une protéine, qui peut être de deux types (Nglycosylation et O-glycosylation) selon l‟acide aminé utilisé. La fraction glucidique peut
représenter 5 à 40% de la molécule.
6.3.1. Protéoglycanes (PG)
Les protéoglycanes sont des polyosides souvent très long (GAG) associés à une protéine (par
O-glycosylation).
Les protéoglycanes sont les composants essentiels de la matrice extracellulaire. Ils entrent
aussi dans la constitution de la membrane plasmique ou du glycocalyx.
Jouent alors un rôle dans les relations cellule-matrice, flexibilité et élasticité.
6.3.2. Glycoprotéines (GP)
Les glycoprotéines sont des protéines sur lesquelles sont greffées des chaines glucidiques
courtes dont la fraction varie en général de 1 à 20%.
Les glycoprotéines présentes dans le glycocalyx sont N-glycosylées sur l‟asparagine.
Les chaines liées en N contiennent toutes une structure de base consistant en deux GlcNac et
trois mannoses : sur cette structure viennent se greffer d‟autres glucides.
Selon la nature de ces autres glucides, on divise les arorisations glucidiques liées en N en trois
familles :
- Type riche en mannose qui ne contient que des résidus mannose en plus de la structure
de base (c).
- Type hybride, qui contient différents sucres et sucres aminés (b).
- Type complexe, qui ressemble au type hybride mais contient aussi du NANA (acide
N-acetyl neuraminique) (a).
Rôle signalitique important.
6.3.3. Les peptidoglycanes
Les peptidoglycanes constituent un réseau de polyosides reliés par de nombreux petits
peptides. Squelette contient un polymère β (1→4) de dérivés d‟ose (aminés, acétylés). Rôle
dans la rigidité maintient de la forme de taille cellulaire.
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B21 – Biochimie structurale
L1 Bio
7. Pathologies liées aux glucides
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Cancer : l‟augmentation de la ramification des glycanes à la surface cellulaire peuvent
conduire à la formation de métastases.
Infections : les glycannes ainsi que glycoconjugués participent à la fixation de virus et
de bactéries aux cellules humaines. Ex : le virus de la grippe aviaire H5N1 se lie à des
récepteurs de surface contenant des glycannes terménés par le disaccharides gal α 2,3NeuAc.
Déficience dans les enzymes impliquées dans le métabolisme des glucides : Exmucopolysaccharidoses.
Déficience dans les enzymes impliquées dans les enzymes impliquées dans la dégradation et
le renouvellement des GAG :
- Organomégalie (hépato splénomégalie)
- Anomalie dans le développement des cartilages et os.
- Retard mental
- Dysmorphie faciale
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