Module 8: Les Glucides Complexes (PDF)

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Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Module 8 Les glucides complexes Introduction Les osides sont des glucides complexes. Il existe 2 classes d’osides (Figure 8.1). Les holosides sont formés par l’association de molécules d’ose ou de dérivés d’oses uniquement (section 8.2). En revanche, les hétérosides, ou glycoconjugués, sont formés par l’association d’un ou plusieurs oses avec une molécule non glucidique (section 8.3). Les oses présents dans un oside sont appelés résidus d’oses. Ils sont liés entre eux ou avec des molécules non glucidiques par des liaisons glycosidiques. 8.1. Les liens glycosidiques Une liaison glycosidique est une liaison covalente formée entre le carbone anomérique d’un ose et un groupement hydroxyle (lien O-glycosidique), amine (lien N-glycosidique) ou thiol (lien S-glycosidique) d’une seconde molécule qui n’est pas nécessairement un ose. Dans les polymères formés exclusivement d’oses ou de dérivés d’oses, les résidus d’oses sont liés par des liens O-glycosidiques. Lorsque le carbone anomérique d’un ose forme une liaison glycosidique, il n’y a plus de mutarotation puisque la linéarisation de ce résidu n’est plus possible. Par conséquent, sa configuration anomérique est gelée. On utilise cette configuration gelée pour définir le lien glycosidique. Carbone anomérique gelé en position α – Liaison α glycosidique Carbone anomérique gelé en position β – Liaison β glycosidique Page 1 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Glucides Oses Osides Monomères Glucides complexes Monosaccharides Dérivés d’oses Holosides Hétérosides Oses simples Groupement Polymères d’oses ou de Glycoconjugués (CH2O)n fonctionnel modifié dérivés d’oses Oses + aglycone n≥3 Disaccharides Oligosaccharides Polysaccharides 2 oses ˃ 20 oses 3 à 20 oses Figure 8.1 : Classification des glucides.  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.2. Les holosides Les holosides sont des polymères formés exclusivement d’oses ou de dérivés d’oses liés par des liens O-glycosidiques. Ces liaisons se font entre le carbone anomérique d’un premier ose et l’un des groupements hydroxyle d’un second ose. Figure 8.2 : Les différentes possibilités de liens O-glycosidiques entre 2 oses (McKee, 2009). La versatilité du lien glycosidique explique la grande diversité des holosides. Par exemple, il y a 10 possibilités de liens glycosidiques entre les 2 oses présentés à la figure 8.2. Le carbone anomérique du premier ose peut former un lien glycosidique avec chacun des 5 groupements hydroxyle de la seconde molécule. De plus, le carbone anomérique peut prendre la configuration α ou β avant de former le lien, ce qui double le nombre de possibilités. On décrit un lien glycosidique en indiquant d’abord la configuration anomérique gelée, puis on ajoute entre parenthèses les numéros des atomes de carbone impliqués dans la liaison glycosidique (Tableau 8.1). Les holosides sont divisés en 3 catégories selon le nombre de résidus les constituant (Figure 8.1). Les disaccharides sont formés de 2 résidus d’oses ou de dérivés d’oses réunis par une liaison glycosidique. La distinction entre les oligosaccharides et les polysaccharides varie selon les auteurs. Dans ce cours, un oside composé de 3 à 20 résidus d’oses est considéré comme un oligosaccharide. Lorsque le sucre contient plus de 20 résidus d’oses, on est en présence d’un polysaccharide. Page 3 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.2.1. Les disaccharides La structure d’un disaccharide est déterminée par : La nature et la configuration des 2 oses qui le composent L'ordre d’enchainement des 2 oses Les groupements hydroxyle impliqués dans la liaison glycosidique La configuration du carbone anomérique impliqué dans le lien glycosidique (α ou β) Le maltose est formé de 2 molécules de D-glucose associées par une liaison glycosidique α(1→4). Il est peu répandu à l’état libre; c'est le dimère qui se répète dans l'amidon et le glycogène, 2 polysaccharides de réserve (section 8.2.4). Le cellobiose est aussi formé de 2 molécules de D-glucose, mais associées cette fois par un lien β(1→4). On retrouve le cellobiose chez les plantes; c'est le dimère qui se répète dans la cellulose (section 8.2.4). Le lactose est formé par la liaison glycosidique β(1→4) d’une molécule de galactose et d’une molécule de glucose. On retrouve le lactose principalement dans le lait; c'est une source majeure d'énergie chez l'animal. Le sucrose (aussi appelé saccharose ou sucre de table) est un disaccharide particulier, car les carbones anomériques des 2 oses sont liés. La liaison glycosidique α(1→2) a lieu entre un glucose et un fructose. C'est le disaccharide le plus abondant; on le retrouve dans les plantes, notamment dans les fruits. Tableau 8.1 : Caractéristiques des disaccharides décrits dans ce module. Type de Disaccharide Composant(s) Principale source liaison Maltose D-glucose α(1→4) Produit de l’hydrolyse de l’amidon et (homodisaccharide) du glycogène Cellobiose D-glucose β(1→4) Produit de l’hydrolyse de la cellulose (homodisaccharide) Lactose D-galactose β(1→4) Sucre du lait (hétérodisaccharide) D-glucose Sucrose D-glucose α(1→2) Plantes, fruits, sucre de table (hétérodisaccharide) D-fructose Page 4 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.2.2. Les sucres réducteurs Les oses simples cyclique ont tous la capacité de réduire un agent oxydant par l’oxydation de leur carbone anomérique de manière à générer un groupement carbonyle. On dit donc que ce sont des sucres réducteurs puisque leur oxydation est accompagnée par la réduction d’un agent oxydant. Il s’agit en fait de la conversion de l’ose en un sucre acide et sa lactone correspondante. Figure 8.3 : Oxydation d’un sucre réducteur. La liaison osidique fait perdre sa capacité d’être oxydé au résidu d'ose dont le carbone anomérique n’est plus libre. Un holoside est réducteur lorsqu’au moins un de ses carbones anomériques est libre. On parle d’un sucre non réducteur lorsque tous les carbones anomériques de l’holoside sont impliqués dans des liaisons glycosidiques (autrement dit lorsqu’aucun carbone anomérique n’est libre). Le maltose, le cellobiose et le lactose possèdent un carbone anomérique libre. On nomme cette partie de la molécule l’extrémité réductrice à cause de sa capacité à réduire un agent oxydant. En revanche, les 2 unités du sucrose sont reliées par un lien osidique entre les 2 carbones anomériques. Ils ne peuvent donc pas être oxydés. Par conséquent, le sucrose est un sucre non réducteur (Figures 8.4 et 8.5). Page 5 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 8.4 : Structure des principaux dissaccharides. Notez la présence d’un carbone anomérique libre dans le lactose, le maltose et le cellobiose (Horton, 2006). Figure 8.5 : Certains auteurs représentent le sucrose en inversant l’une des molécules (carbone anomérique à gauche pour le glucose). (Nelson, 2013). Page 6 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.2.3. Les oligosaccharides La structure d’un oligosaccharide est décrite en utilisant les mêmes critères que ceux utilisés pour les disaccharides. Cependant, les oligosaccharides ne sont pas tous linéaires. La présence de ramifications augmente le nombre de structures possibles. Les oligosaccharides sont généralement liés de façon covalente à des lipides ou à des protéines (glycolipides ou glycoprotéines). Sous cette forme, ils servent principalement de marqueurs à la surface de certaines cellules (voir la section 8.3). Quelques oligosaccharides existent toutefois sous forme d’holosides. Par exemple, le raffinose est un trisaccharide retrouvé dans plusieurs légumes comme les haricots, le chou, le brocoli, et les asperges. Les humains ne possèdent pas l'enzyme nécessaire à son hydrolyse. Ainsi, cet oside n'est pas digéré par l’homme, mais est partiellement fermenté par les bactéries présentes dans le gros intestin. Cela produit des gaz conduisant à la formation de flatulences généralement associées à la consommation de ces légumes. 8.2.4. Les polysaccharides Les polysaccharides peuvent se présenter aussi bien sous forme linéaire que ramifiée. On les regroupe en 2 classes. Les homopolysaccharides sont formés de la répétition d’un seul type d’ose ou dérivé d’ose, La monotonie de leur composition est compensée par le fait qu’il existe plusieurs types de liaison glycosidique et qu’il y a souvent présence de ramifications. Les hétéropolysaccharides sont formés d’au moins 2 types d’oses ou de dérivés d’oses. Les hétéropolysaccharides se retrouvent en général sous forme de glycoconjugués (section 8.3). On regroupe fréquemment les polysaccharides selon leur fonction. On distingue donc les polysaccharides de réserve des polysaccharides de structure. Le tableau 8.2 présente un résumé des polysaccharides décrits dans ce module. Page 7 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Tableau 8.2 : Caractéristiques des polysaccharides décrits dans ce module. Type de Polysaccharide Composant Ramification Fonction liaison α-amylose Glucose α(1→4) Aucune Réserve Amylopectine Glucose α(1→4) α(1→6) Réserve Glycogène Glucose α(1→4) α(1→6) Réserve Cellulose Glucose β(1→4) Aucune Structure Chitine N-acétyl-D-glucosamine β(1→4) Aucune Structure Peptidoglycane N-acétyl-D-glucosamine β(1→4) Aucune Structure (portion glucidique) Acide N-acétylmuramique Glycosaminoglycane Osamine Variable Aucune Structure (GAG) Acide uronique ou ose Homopolysaccharides de réserve Les 2 principaux polysaccharides de réserve, l’amidon et le glycogène, sont des homopolysaccharides composés de résidus de glucose. On retrouve l’amidon chez les plantes et le glycogène chez les animaux (principalement dans le foie et les muscles). L'amidon est le plus important glucide dans l’alimentation humaine. C’est un mélange d'α- amylose et d'amylopectine. L’α-amylose est un polymère linéaire, faiblement soluble dans l’eau et constitué de 100 à 1000 unités de glucose réunies par des liaisons α(1→4). Les liaisons glycosidiques α(1→4) favorisent la formation d’une structure légèrement hélicoïdale, une forme compacte qui est idéale pour le stockage (Figure 8.5). L’amylopectine a une structure semblable à l’α-amylose, mais possède des ramifications reliées à la chaine principale par des liens α(1→6). Les ramifications rendent la macromolécule plus compacte (Figure 8.6A). Page 8 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 8.5 : Structures tridimensionnelles de l’α-amylose (Nelson, 2021). Le glycogène, l’homologue de l’amidon chez les animaux, a la même composition et la même structure que l’amylopectine, mais possède plus de ramifications (Figure 8.6B). On retrouve un point d'embranchement à tous les 25 résidus de glucose dans l’amylopectine, tandis que pour le glycogène, il y a une ramification à tous les 8 à 12 résidus. A B Figure 8.6 : Structures de l’amylopectine (A) et du glycogène (B)(Campbell, 2011). Page 9 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Homopolysaccharides de structure La cellulose et la chitine sont des homopolysaccharides de structure. La cellulose est le principal constituant des parois cellulaires chez les végétaux. C’est le glucide le plus abondant sur Terre. Il s’agit d’un sucre linéaire contenant jusqu'à 15 000 unités de D-glucose réunies par des liaisons osidiques β(1→4) (Figure 8.7). Contrairement à ce qui est observé pour l’α-amylose (liaisons α(1→4)), les liaisons β(1→4) de la cellulose permettent d'obtenir des chaines droites qui peuvent se lier entre elles par des liaisons hydrogène afin de former des microfibrilles. Ceci confère aux fibres de cellulose une grande résistance mécanique et les rend insolubles dans l'eau. Ce polysaccharide joue un rôle structural très important, car il permet aux plantes de s’élever jusqu’à 30 mètres du sol pour y chercher la lumière. Figure 8.7 : Structures tridimensionnelles de la cellulose (Nelson, 2021). La chitine est le principal constituant structural de l'exosquelette des insectes et des crustacés. Elle est aussi présente dans la paroi cellulaire de certains champignons, certaines algues et certaines levures. La chitine est un polymère linéaire constitué de résidus de N- acétyl-D-glucosamine réunis par des liaisons (1→4). Comme la cellulose, la chitine existe sous forme de microfibrilles; d’ailleurs elle ressemble beaucoup à la cellulose au niveau structural. Page 10 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.3. Les hétérosides Les hétérosides (aussi appelés glycoconjugués) sont des molécules formées par l’association d’oses et de substances non glucidiques qu’on appelle aglycones. Les aglycones sont des molécules organiques de différents types (composés phénoliques, alcaloïdes, stéroïdes, lipides, protéines, etc.). La capsule 8.1 porte sur la structure des hétérosides, plus particulièrement des glycoprotéines. Les glycoconjugués peuvent être classés selon 2 critères : Selon la nature de l’aglycone : – on parle de glycolipide lorsque l’aglycone est un lipide – on parle de glycoprotéine lorsque c’est un peptide ou une protéine. Selon le type de liaison unissant l’aglycone au glucide : – N-glycosidique, O-glycosidique ou encore S-glycosidique Hétéropolysaccharides de structure Les 2 formes d’hétéropolysaccharides de structure discutées dans ce module se retrouvent en général sous forme d’hétérosides. Les parois bactériennes sont composées d’hétéropolysaccharides liés à des peptides. On nomme ce composé peptidoglycane. La portion saccharidique contient plusieurs répétitions d’un disaccharide formé de N-acétylglucosamine et d’acide N-acétylmuramique. Les glycosaminoglycanes (GAGs) sont formés par les répétitions d'un disaccharide composé d’une molécule d’osamine et d’une molécule d’acide uronique ou d’un ose simple (Figure 8.8). Une molécule de GAG peut contenir plus de 25 000 répétitions du même disaccharide de base (donc 50 000 résidus). Les résidus qui forment le disaccharide peuvent être sulfatés. La présence de groupements sulfates et carboxyle confère une charge fortement négative aux GAGs. On les retrouve principalement liés à des peptides ou des protéines, sous forme de protéoglycanes. Page 11 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Acide uronique Acide uronique OU Osamine OU Osamine Ose simple Ose simple Figure 8.8 : Exemples des disaccharides répétés dans les glycosaminoglycanes. Ces structures sont données à titre indicatif seulement et ne sont pas à mémoriser. Les groupements sulfates et carboxyle (ceux portant une charge) sont encerclés respectivement en rouge et en bleu (Garrett, 2010). Page 12 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement 8.4. Rôles des glucides à la surface cellulaire On retrouve à la surface de pratiquement toutes les cellules une couche de polysaccharides qui jouent des rôles diversifiés (capsule 8.2). 8.5. Les méthodes d’analyses des glucides complexes Les glucides complexes ont été beaucoup moins étudiés que les protéines parce qu’ils sont plus difficiles à analyser. Cela s’explique par plusieurs facteurs. Tout d’abord, contrairement aux protéines ou aux acides nucléiques, les polysaccharides n'ont pas de masse moléculaire bien déterminée. Comme ils ne sont pas formés à partir d’un plan précis, des exemplaires du même polysaccharide (mêmes types de résidus et mêmes liens glycosidiques), mais dont le nombre de résidus diffère, peuvent être présents dans une même cellule. C’est ce qu’on appelle le phénomène de microhétérogénéité des sucres (capsule 8.1). De plus, la liaison glycosidique est beaucoup plus versatile que la liaison peptidique. L’analyse d’un glycoconjugué est résumée dans la Figure 8.9. 1. On doit d’abord libérer la partie aglycone. Pour ce faire, on peut utiliser différents types d’enzymes, par exemple des glycosidases (enzymes qui hydrolysent des liens glycosidiques). 2. Le mélange de polysaccharides obtenus doit ensuite être purifié. Pour les oses ne contenant pas d’aglycone, leur analyse commence directement par la purification du mélange de polysaccharides. Les techniques utilisées sont les mêmes que pour les protéines. On commence par la précipitation et la centrifugation afin de séparer les polysaccharides des autres composants cellulaires. On peut ensuite utiliser différentes méthodes de chromatographie comme la chromatographie d’exclusion, la chromatographie à échange d’ions ou la chromatographie d’affinité. La chromatographie d’affinité est une technique particulièrement performante avec les sucres. On utilise les lectines (capsule 8.2) comme ligand à l’intérieur de la colonne. En revanche, la chromatographie d’exclusion peut être difficile à appliquer puisque la taille d’un même polysaccharide varie grandement, et cela à l’intérieur d’une même cellule. Page 13 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 8.9 : Les différentes étapes d’analyse d’un glucide complexe (Nelson, 2021). Si l’on ne s’intéresse qu’à la composition du glucide, on provoque l’hydrolyse de la liaison osidique en acidifiant le milieu. L’identification des différents résidus d’oses se fait alors par HPLC (module 4) ou par chromatographie en phase gazeuse (GC). Il existe plusieurs méthodes pour déterminer précisément la composition et la séquence des résidus en plus des positions et configurations des liens glycosidiques. La spectrométrie de masse (MS) (Figure 8.10) et la résonnance magnétique nucléaire (RMN) sont les plus utilisées. Page 14 Module 8  Biochimie structurale BCM-1001 Cahier d’accompagnement Figure 8.10 : Résultat de l’analyse d’oligosaccharides par MALDI MS (Nelson, 2008). Bibliographie Campbell, M. K. et S. O. Farrell. 2011. Biochemistry. 7th edition. Édité par Brooks/Cole. ISBN 978-0840068583. 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 15 Module 8