Module 7 : Les glucides simples : les oses et leurs dérivés - PDF

Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Module 7 Les glucides simples : les oses et leurs dérivés Introduction Saccharides, sucres ou encore hydrates de carbone sont tous...

Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Module 7 Les glucides simples : les oses et leurs dérivés Introduction Saccharides, sucres ou encore hydrates de carbone sont tous des synonymes du mot glucide. Les glucides sont la classe de biomolécules la plus abondante dans la biosphère. La plupart des sucres sont les produits de la photosynthèse. Les organismes photosynthétiques (bactéries, algues, plantes) utilisent l’énergie solaire pour synthétiser des glucides à partir de CO2 et H2O. Chaque année, 100 milliards de tonnes de glucides sont fabriquées sur la Terre, principalement sous la forme de cellulose. La cellulose représente 50 % de la matière organique sur la Terre. Les glucides ont une variété de fonctions biologiques. Production rapide d’énergie lorsqu’ils sont sous forme de monosaccharides. o Le glucose Précurseurs métaboliques pour produire d’autres biomolécules (ce sujet sera traité dans votre futur cours de métabolisme). o La synthèse des acides aminés et des lipides Composants des nucléotides et des acides nucléiques (modules 8 et 12). o Le ribose (ARN) et le désoxyribose (ADN) Réserve d’énergie lorsqu’ils sont sous forme de polysaccharides (module 8). o L'amidon chez les plantes et le glycogène chez les animaux Constituants des cellules (rôle structural) (module 8). o La cellulose des parois des cellules végétales o Les peptidoglycanes des parois bactériennes o La chitine des insectes et des crustacés Reconnaissance cellulaire, signalisation et réponse immunitaire lorsqu’ils sont présents à la surface cellulaire (module 8). o Glucides complexes - Glycoconjugués La figure 7.1 présente la classification des glucides. Page 1 Module 7  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Glucides Oses Osides Monomères Monosaccharides Dérivés d’oses Holosides Hétérosides Oses simples Groupement (CH2O)n fonctionnel modifié n≥3 Disaccharides Oligosaccharides Polysaccharides Figure 7.1 : Classification des glucides.  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Les monosaccharides, aussi appelés oses simples, ainsi que leurs dérivés sont les unités de base constituant les glucides complexes (osides). L’appellation « hydrates de carbone » vient du fait que les monosaccharides (et seulement eux) correspondent à la formule (CH2O)n, où n ≥ 3. Les monosaccharides contiennent généralement de 3 à 7 atomes de carbone, mais certains en contiennent plus de 9 ; les plus répandus dans le vivant contiennent 5 ou 6 atomes de carbone. Les dérivés d’oses sont obtenus par l’ajout ou la modification d’un des groupements fonctionnels d’un monosaccharide. Les oses et leurs dérivés sont aussi présents sous forme polymérisée dans de nombreuses macromolécules importantes comme les polysaccharides, les acides nucléiques, les glycoprotéines et certains lipides complexes. Les macromolécules contenant des oses sont appelées osides. Ils vous seront présentés dans le module 8. 7.1 La structure des oses Les monosaccharides sont des aldéhydes ou des cétones polyhydroxylés (Figure 7.2A). Tous les carbones, sauf celui du carbonyle, portent un groupement hydroxyle. Puisqu’ils portent un grand nombre de groupements polaires, les monosaccharides sont très solubles dans l’eau. La plupart ont une saveur sucrée. Les monosaccharides sont subdivisés en 2 classes (aldoses ou cétoses) selon le groupement fonctionnel dans lequel se situe le carbonyle (C=O) de la molécule. Ainsi, lorsque le carbonyle forme un aldéhyde, on parlera d’un aldose. Lorsque le carbonyle forme une cétone, on est en présence d’un cétose. La projection de Fischer est généralement utilisée pour représenter les oses linéaires. Les atomes de carbone sont alors placés en chaine verticale et numérotés à partir du haut (Figure 7.2B). Chez les oses, le carbone du carbonyle porte le numéro le moins élevé possible (C1 pour les aldoses et C2 pour les cétoses). Page 3  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement A B Aldose Cétose Glycéraldéhyde Dihydroxyacétone Figure 7.2 : Représentation des 2 groupes d’oses. A) Structure générale des aldoses et des cétoses. B) Les plus petits oses et la numérotation des atomes de carbone. Un suffixe correspondant au nombre d’atomes de carbone de la chaine est ajouté afin de désigner plus spécifiquement un sous-groupe à l’intérieur de chaque classe d’oses (Tableau 7.1). Les plus petits oses sont le glycéraldéhyde (aldotriose) et le dihydroxyacétone (cétotriose) (Figure 7.2B). Tableau 7.1 : Nomenclature des monosaccharides selon le groupement fonctionnel contenant le carbonyle (préfixe) et selon le nombre de carbones de la chaine (suffixe). Nombre de carbones Aldose Cétose 3 Aldotriose Cétotriose 4 Aldotétrose Cétotétrose 5 Aldopentose Cétopentose 6 Aldohexose Cétohexose Tous les monosaccharides sont des molécules chirales, à l’exception du dihydroxyacétone qui ne possède pas de carbone chiral (ou carbone asymétrique), c’est-à-dire un carbone lié à 4 substituants différents (Figure 7.2B). Les oses simples ont donc une activité optique (Module complémentaire). Ainsi, chaque monosaccharide (sauf le dihydroxyacétone) existe sous 2 formes d’énantiomères : la configuration D et la configuration L (Figure 7.3). Comme nous l’avons vu précédemment, la nature a préféré les acides aminés de la série L. À l’inverse, les oses sont presque toujours de la série D dans la nature. Les exceptions majeures sont le L-fucose, le L-rhamnose et le L-arabinose (Tableaux 7.2 et 7.4). Page 4  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Tableau 7.2 : Caractéristiques des oses discutés dans le cadre du cours. Ose Caractéristiques D-glucose Le plus important des oses (aldohexose) o Présent dans toutes les cellules o Principal carburant des cellules o Source d’énergie préférée du cerveau Retrouvé sous forme de monomère et de polymères D-galactose Peu répandu à l’état libre (sous forme de monomère) (aldohexose) Le plus abondant après le glucose dans les osides D-mannose Peu répandu à l’état libre (sous forme de monomère) (aldohexose) Principalement sous forme d’osides ou de dérivés d’oses Fréquent dans les osides végétaux et les lipides complexes D-fructose Le plus important de la famille des cétoses (cétohexose) Abondant à l’état libre (ose) : les fruits et le miel Fréquent dans les osides végétaux D-ribose Principalement sous forme d’osides (acides nucléiques) (aldopentose) o Présent dans l’ARN o Présent sous forme de dérivé d’ose dans l’ADN D-xylose Principalement sous forme d’osides ou de dérivés d’oses (aldopentose) Constituant des osides végétaux (bois) L-arabinose* Principalement sous forme d’osides végétaux (aldopentose) Gomme d’arbre (gomme arabique) * Le L-arabinose est le seul monosaccharide ayant la configuration L dans la nature. Le L- fucose et le L-rhamnose sont aussi retrouvés dans la configuration L, mais ce sont des dérivés d’oses (tableau 7.4). Page 5  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Pour un monosaccharide, la série est définie par la position du groupement hydroxyle sur le carbone chiral le plus éloigné du groupement aldéhyde ou du groupement cétone de l’ose, autrement dit sur le carbone chiral portant le numéro le plus élevé. o Série L : Le groupement –OH est à gauche o Série D : Le groupement –OH est à droite Figure 7.3 : Représentations des 2 formes énantiomériques du glycéraldéhyde. Il est important de se rappeler qu’il existe 2 types de stéréoisomères : les énantiomères et les diastéréoisomères (Module complémentaire). Pour un ose donné, le nombre total de stéréoisomères possibles (énantiomères ET diastéréoisomères) est égal à 2n où n est le nombre de carbones chiraux. Un cétose a toujours un carbone chiral de moins qu’un aldose ayant la même formule moléculaire. Deux épimères sont des diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration absolue d'un seul de leurs multiples carbones asymétriques. La capsule 7.1 s’attarde sur les différentes formes d’isomérie des oses. Les monosaccharides de la série D formés de 3 à 6 atomes de carbone sont présentés dans les figures 7.4 et 7.5. LEURS NOMS ET LEURS STRUCTURES NE SONT PAS À MÉMORISER, à l’exception des trioses de la figure 7.2 qui sont à apprendre. Cependant, vous devez être apable de classer un monosaccharide dans l’une des catégories du tableau 7.1 à partir de sa structure. Page 6  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 7.4 : Structures de D-aldose contenant de 3 à 6 atomes de carbone. Vous n’avez pas à retenir ces structures. Nous pouvons cependant vous présenter une structure et vous demander de la classer (aldotriose, aldotétrose. etc.) (Horton, 2006). Page 7  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 7.5 : Structures de D-cétose contenant de 3 à 6 atomes de carbone. Vous n’avez pas à retenir ces structures. Nous pouvons cependant vous présenter une structure et vous demander de la classer (cétotriose, cétotétrose. etc.) (Horton, 2006). Page 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 7.2 La cyclisation des oses Dans la nature, les oses contenant 4 carbones et plus existent principalement sous forme cyclique. La cyclisation transforme le carbone du groupement carbonyle en carbone chiral. Les formes cycliques des oses ont donc un carbone chiral de plus que les formes linéaires des mêmes oses. On nomme ce nouveau carbone chiral « carbone anomérique ». L’anomérie est donc une forme d’isomérie spécifique aux oses cycliques. Chaque anomère a un pouvoir rotatoire caractéristique. Lorsque l’on dissout un anomère pur d’un ose, son activité optique varie dans le temps. Comment explique-t-on ce phénomène? La cyclisation des oses est une réaction réversible en milieux aqueux. En solution, il y a interconversion entre les 2 formes anomériques  et  en passant par la forme linéaire. Ce phénomène s’appelle la mutarotation. La cyclisation des oses ainsi que la façon de représenter leurs différentes formes sont abordées dans la capsule 7.2. 7.3 La conformation des monosaccharides On nomme conformères les différentes conformations que peut prendre un ose cyclique. Il s’agit d’une autre forme d’isomérie appelée isomérie de conformation (capsule 7.1). Les pyranoses (anneaux de 6 atomes) existent principalement sous les conformations chaise et bateau. La forme chaise est énergétiquement favorisée, car elle minimise l’encombrement stérique; elle est donc plus fréquente. Les furanoses (anneaux de 5 atomes) présentent les conformations enveloppe ou twist. Page 9  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 7.4 Les dérivés d’oses Plusieurs molécules importantes en biochimie sont dérivées des monosaccharides. Elles jouent des rôles variés dans les organismes vivants. On peut les classer dans les catégories suivantes : Les esters phosphoriques o Hydroxyle remplacé par un ester phosphorique Les oses acides o Hydroxyle ou aldéhyde remplacé par un carboxyle Les alditols o Carbonyle remplacé par un hydroxyle Les désoxyoses o Hydroxyle remplacé par un hydrogène Les osamines o Hydroxyle remplacé par une amine Les structures caractérisant ces dérivés d’oses sont décrites dans la capsule 7.3. Les tableaux 7.3 à 7.5 présentent des exemples de dérivés d’oses ayant des rôles particuliers. Nous reviendrons sur certains au cours des prochains modules. Tableau 7.3 : Caractéristiques des alditols discutés dans le cadre du cours. Ose Caractéristiques Glycérol Dérivé du glycéraldéhyde Composant des osides o Fréquent dans les lipides Xylitol Dérivés respectivement du xylose, du glucose et du Sorbitol mannose Mannitol Importants en industrie alimentaire o Rafraichisseur d’haleine, gomme, bonbon, etc. o Repas hypocaloriques Page 10  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Tableau 7.4 : Caractéristiques des désoxyoses discutés dans le cadre du cours. Ose Caractéristiques D-désoxyribose Dérivé du ribose Présent dans l’ADN L-fucose Fréquent dans les osides à la surface cellulaire o Osides spécifiant les groupes sanguins L-rhamnose Fréquent dans les osides des fruits o Pectine Tableau 7.5 : Caractéristiques des osamines discutées dans le cadre du cours. Ose Caractéristiques N-acétylhexosamine Dérivé acétylé d’une hexosamine o Glucosamine o Galactosamine o Mannosamine Composant de certains osides : o Chitine o Glycosaminoglycanes o Osides spécifiant les groupes sanguins Acide N-acétylmuramique Dérivé d’un N-acétylhexosamine Composant du peptidoglycane o Paroi cellulaire bactérienne Acide N-acétylneuraminique Acide sialique Dérivé d’un N-acétylhexosamine Présents dans plusieurs osides : o Glycoprotéines o Glycolipides Page 11  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Bibliographie Garrett, R. H. et C. M. Grisham. 2010. Biochemistry, 4th edition. Édité par Brooks/Cole, Cengage learning. ISBN 0-495-10935-5. Horton, H. R., L. A. Moran, K. G. Scrimgeour, M. D. Perry et J. D. Rawn. 2006. Principles of biochemistry, Fourth edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 0- 13-145306-8. Nelson, D. L. et M. M. Cox. 2008. Lehninger's Principles of biochemistry. 5th edition. Édité par W. H. Freeman. ISBN 978-0716743392. McKee, T. et J. R. McKee. 2009. Biochemistry: the molecular basis of life, Fourth edition. Édité par Oxford University Press, inc. ISBN 978-0-19-530575-3. Moran, L. A., Horton, H. R., K. G. Scrimgeour et M. D. Perry. 2012. Principles of Biochemistry, 5th edition. Édité par Pearson Prentice Hall. ISBN 978-0-3217-0733-8. Page 12