Cours des Glucides SVI3 PDF 2020-2021

UNIVERSITE CHOUAIB DOUKKALI FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE BIOLOGIE ELJADIDA FILIERE SCIENCES DE LA VIE MODULE : BIOCHIMIE STRUCTURALE (S3) Structure des glucides Responsable : Pr Bamhaoud Année Universitaire 2020 - 2021 bamhaoud.blogspot.com 2012-201 1 Table des matières Table des matières............................................................................................................................................... 2 INTRODUCTION.................................................................................................................................................... 4 Chapitre I : STRUCTURE DES OSES........................................................................................................................ 6 I. STRUCTURE LINEAIRE........................................................................................................................................ 6 1. Définition.......................................................................................................................................................... 6 2. Classification..................................................................................................................................................... 6 3. Stéréoisomérie (Pouvoir rotatoire).................................................................................................................. 6 II. FORMULES DEVELOPPEES CYCLIQUES............................................................................................................ 11 1. Comportement particulier.............................................................................................................................. 11 1.1 Les aldoses ne réagissent pas avec le bisulfite (NaHSO3) ou réactif de Schiff............................................. 11 1.2- Les aldéhydes traitées par du méthanol en milieu acide............................................................................ 11 1.3. Mutarotation (Expérience de Lowry).......................................................................................................... 12 1.4. Réaction avec le sulfate de méthyle :.......................................................................................................... 12 2. Le pont oxydique............................................................................................................................................ 13 III. CONFORMATION SPATIALE DES OSES........................................................................................................... 17 IV. EQUILIBRE TAUTOMERE................................................................................................................................ 18 V. PROPRIETES CHIMIQUES DES OSES................................................................................................................ 18 1. Stabilité chimique........................................................................................................................................... 18 1.1. En milieu alcalin........................................................................................................................................... 18 1.2. En milieu acide concentré à chaud.............................................................................................................. 19 1. 2. 2. avec un cétose (cétohexoses uniquement) :.......................................................................................... 20 2. Propriétés chimiques des oses en solution.................................................................................................... 21 2. 1. Réactions provoquant l’ouverture du cycle............................................................................................... 21 2. 1. 1. Réduction des oses................................................................................................................................. 21 2. 1. 2. Oxydation des oses................................................................................................................................. 22 2. 1. 3. Addition nucléophiles sur le C n°1.......................................................................................................... 23 2. 1. 3. 1. Synthèse de KILIANI-FISHER................................................................................................................ 23 2. 1. 3. 2. Dégradation de WOHL........................................................................................................................ 24 2. 1. 3. 3. Réaction de la phénylhydrazine.......................................................................................................... 24 2. 2. Réactions qui conservent l’ose sous sa forme cyclique.............................................................................. 25 2. 2. 1. Propriétés communes aux 2 types d’OH................................................................................................ 25 2 2. 2. 1. 1. Méthylation........................................................................................................................................ 25 2. 2. 1. 2. Formation d’esters.............................................................................................................................. 25 2. 2. 2. Particularités de la fonction semi-acétalique......................................................................................... 26 2. 2. 3. Remarques générales............................................................................................................................. 26 VI – Les DERIVES DES OSES................................................................................................................................. 27 1- Les désoxy-oses ou désoses........................................................................................................................... 27 2. Les osamines (2-amino-2-désoxy-oses).......................................................................................................... 27 3- Les Dérivés des osamines acétylées............................................................................................................... 28 3. 1. Acide N-acétyl-muramique (3-Lactyl-N-acétyl-D-Glucosamine)................................................................ 28 3. 2. Acide neuraminique.................................................................................................................................... 28 3. 3. Acides Sialiques.......................................................................................................................................... 28 4. Les acides Uroniques...................................................................................................................................... 29 Chapitre II : STRUCTURE DES OSIDES................................................................................................................. 30 1. GENERALITES.................................................................................................................................................. 30 1. Définition........................................................................................................................................................ 30 2. Méthodes d’études des osides....................................................................................................................... 30 2. 2. Structure primaire des osides..................................................................................................................... 30 3. Conformation Spatiale des macromolécules glucidiques.............................................................................. 31 II. ETUDES DESCRIPTIVE DE QUELQUES OSIDES................................................................................................. 31 1. Diholosides non réducteurs............................................................................................................................ 31 2. Diholosides réducteurs................................................................................................................................... 31 3. Oligoholosides :.............................................................................................................................................. 32 1. Homopolysaccharides :................................................................................................................................... 33 1. 1. Polyholosides de réserve :.......................................................................................................................... 33 1. 1. 1. Amidon :.................................................................................................................................................. 33 1.1.2. Glycogène................................................................................................................................................. 34 1.2. Polyholosides de structure.......................................................................................................................... 34 2. Polysaccharides hétérogènes......................................................................................................................... 34 2.1. Polyosides hétérogènes bactériens............................................................................................................. 34 2. 2. Glycosaminoglycanes.................................................................................................................................. 34 3. Hétérosides..................................................................................................................................................... 34 3. 1. Glycoprotéines :.......................................................................................................................................... 34 3 INTRODUCTION Les glucides sont des molécules organiques naturelles, forment un groupe de composés très importants. Ils sont appelés aussi sucres ou hydrates de carbone : due au fait qu’un grand nombre de ces composés répondent à la formule Cn(H2O)n. Mais il existe beaucoup d’exceptions : ainsi le désoxyribose, un constituant des acides désoxyribonucléiques a une formule globale C5H10O4 où hydrogène et oxygène ne sont pas dans le rapport 2/1 et il y a aussi des glucides renferment de l’azote et du soufre. Du point de vue chimique, les glucides sont caractérisés par la présence de chaînes carbonées porteuses de groupements hydroxyle et de fonctions aldéhyde ou cétone. Dans la biosphère, les glucides représentent une masse plus importante que tous les autres composés organiques réunis: - 5% du poids sec des animaux - 70 % du poids sec des végétaux. On trouve les glucides chez tous les êtres vivants où ils jouent différents rôles biologiques : * Eléments de structure : - Cellulose des végétaux - Chitine des invertébrés - Polysaccharides des parois bactériennes * Métabolites fondamentaux : - Ribose des ARN et désoxyribose des ADN * Réserve énergétique : - Glycogène chez les animaux - Amidon chez les végétaux * Reconnaissance cellulaire : - Groupe sanguins (A, B, AB, O) 4 Les glucides peuvent être classés en deux catégories : Glucides Oses Osides Holosides Hétérosides Homogènes Hétérogènes ♦ Les oses ou monosaccharides ♦ Les osides qui donnent par hydrolyse : - soit 2 molécules d’oses : dioside ou disaccharide. - soit 2 à 6 molécules d’oses : oligoside ou oligosaccharide. - soit plus de 6 molécules d’oses : polyoside ou polysaccharide. ♦ Les holosides ne libèrent par hydrolyse que des molécules d’oses. On distingue : - Les holosides homogènes formés d’un seul type d’oses. - Les holosides hétérogènes formés de 2 ou plusieurs types d’oses. ♦ Les hétérosides contiennent en plus d’un ou plusieurs types d’oses, une molécule non glucidique appelée aglycone. 5 Chapitre I : STRUCTURE DES OSES I. STRUCTURE LINEAIRE 1. Définition Les oses sont des polyalcools possédant une fonction réductrice, soit aldéhydique, soit cétonique. Selon la nature de cette fonction, on distingue : ▪ Les aldoses portent une fonction aldéhyde. Exemple : le glucose CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-CHO O HOCH2 CHOH CHOH CHOH CHOH C H Fonction réductrice ▪ Les cétoses portent une fonction cétone. HOCH2 CHOH CHOH CHOH C CH2 OH O Fonction réductrice Ces deux oses ont la même formule chimique brute C6H12O6), ce sont des isomères chimiques. 2. Classification Les oses sont classés en fonction de la nature de la fonction réductrice (aldéhyde ou cétone) et du nombre de carbone (3 à 7 carbones) : Nombre de carbone C3 C4 C5 C6 C7 Nature de triose tetrose pentose hexose heptose la fonction réductrice Fonction aldéhyde Aldo Aldo Aldo Aldo Aldotriose tetrose pentose hexose heptose - (-CHO) Fonction cétone Céto Céto Céto Céto Cétotriose tetrose pentose hexose heptose - (-CO-) 3. Stéréoisomérie (Pouvoir rotatoire) Les oses sont capables, lorsqu’ils sont en solution dans l’eau, de dévier vers la droite ou vers la gauche le plan de polarisation de la lumière qui traverse la solution, on dit que les oses sont optiquement actifs. Les mesures sont faites en général à 20°C. La lumière monochromatique utilisée est le plus souvent la raie D du Sodium (589nm).  Plan de lumière Plan Angle de Source monochromatique dévié déviation de lumière tube contenant lumière Polarisateur la solution Analyseur polychromatique 6 Le pouvoir rotatoire est exprimé par la loi de BIOT : 20   = C X L D α : Angle de rotation du plan de polarisation mesuré en degré C : Concentration de la substance en g/ml L : Longueur du tube du polarimètre contenant la solution exprimée en dm Cette propriété optique particulière apparaît à chaque fois qu’une solution contient une substance ayant dans sa molécule un ou plusieurs carbones asymétriques. C’est le cas par exemple du glycéraldéhyde (aldotriose) qui possède un atome de carbone dit asymétrique (chiral) car il porte quatre substituants différents, et il est signalé par un astérisque. CHO *C H OH CH2OH L’existence d’un carbone asymétrique entraîne pour cette molécule la possibilité de deux configurations spatiales : Miroir CHO CHO H *C OH HO C * H CH2OH CH2OH D-Glycéraldéhyde L-Glycéraldéhyde Dans un cas l’hydroxyle porté par le carbone asymétrique est situé à droite du plan formé par la chaîne carbonée, c’est la configuration D, dans l’autre cas, l’hydroxyle est situé à gauche de ce plan, c’est la configuration L. C’est deux formes sont l’image l’une de l’autre dans un miroir, elles représentent un couple d’isomères optiques (ou d’énantiomères) dont les propriétés chimiques sont identiques mais diffèrent par une propriété physique caractéristique, la capacité de faire tourner le plan de la lumière polarisée. Le glucose possède 4 carbones asymétriques. On peut donc prévoir l’existence de 2 4 = 16 isomères stériques ou stéréoisomères dont 8 appartiennent à la série D et 8 à la série L 7 Remarque : Les formules développées données ci-dessous sont représentées en projection de FISHER, selon la convention de FISHER : - La chaîne carbonée la plus longue représentée par un trait vertical - Le carbone le plus oxydé situé en haut - Les substituants des différents carbones sont représentés par un des traits horizontaux vers la gauche ou vers la droite - Si l’OH porté par le carbone n-1 est vers la droite il s’agit de la série Dextrogyre (D), s’il est vers la gauche il s’agit de la série Lévogyre (L). Série D CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH A B C D E F G H Glucose Mannose Galactose Série L CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH A' B' C' D' E' F' G' H' - (A, B, ….., H) et (A’, B’, ….., H’) sont deux séries ayant même formule chimique brute (C6H12O6) ne différent que par la position d’un ou plusieurs OH. Ce sont deux séries de diastéréoisomères (isomère géométrique). Dans le cas particulier où la différence est due à la position d’un seul OH on parle d’épimères. Exemples : Mannose épimère en C2 du Glucose Galactose épimère en C4 du Glucose - Tous les isomères de la série D ont la même configuration du carbone 5 (Cn-1). Ils appartiennent à la série D (dextrogyre). Ceux de la série (A’, B’, ….., H’) appartiennent à la série L (lévogyre). - A et A’, B et B’, …, H et H’ sont l’image l’une de l’autre dans un miroir. Ce sont des paires d’énantiomères (isomère optique). L’un dévie la lumière vers la droite, l’autre vers la gauche. Remarque : L’appartenance à la série D ou L est totalement indépendante du signe du pouvoir rotatoire qui sera indiqué par (+) ou (-). 8 4. les familles d’oses Les oses naturels sont de la série D (à quelques exceptions près). Dans les 2 tableaux suivants, seuls les oses soulignés existent à l’état naturel. Tous les autres ont été obtenus par synthèse chimique. Aldoses de la série D CHO CH2OH D (+) Glycéraldéhyde CHO CHO CH2OH CH2OH D (-) Erythrose D (+) Thréose CHO CHO CHO CHO CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D (-) Ribose D (-) Arabinose D (-) Lyxose D (+) Xylose CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D (+) Allose D (+) Glucose D (+) Galactose D (-) Gulose D (+) Altrose D (+) Mannose D (+) Idose D (+) Tallose Remarque : - Aldotrioses et aldotétroses sont des composés intermédiaires du métabolisme des glucides. Ils interviennent surtout sous forme d’esters phosphoriques. Ils n’ont pas toutes les propriétés caractéristiques des oses. - Aldopentoses : D (-) Ribose : très rare à l’état libre ou en association avec d’autres oses. On le trouve dans les nucléotides et la vitamine B12. 9 D (-) Arabinose : sucre végétale (gomme, fruits). Les deux formes D et L sont largement répandues. Il est peu métabolisé par l’homme. D (+) Xylose : on le trouve dans de nombreux osides végétaux. Il n’est pas métabolisé par l’homme. - Aldohexoses : D (+) Glucose : très répandu dans la nature sous forme libre ou liée. C’est l’ose le plus abondant. D (+) Galactose : peu répondu à l’état libre Il vient en seconde position en abondance après le Glucose. D (+) Mannose : peu abondant à l’état libre. Il est fréquent dans les osides végétaux, les lipides complexes et les glycoprotéines. Cétoses de la série D CH2OH O CH2OH Dihydroxyacétone CH2OH O CH2OH D (-) Erythrulose CH2OH CH2OH O O CH2OH CH2OH D (+) Ribulose D (+) Xylulose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O CH2OH CH2OH D (+) Allulose D (-) Fructose CH2OH CH2OH D (+) Sobrose D (-) Tagatose CH2OH O CH2OH D (+) Sedoheptulose Remarque : - Cétotriose : dihydroxyacétone est un intermédiaire du métabolisme glucidique sous forme d’ester phosphorique. - Cétopentose : D (+) Ribulose rare mais très important. C’est un intermédiaire du métabolisme glucidique et de la photosynthèse. - Cétohexose : D (-) Fructose appelé aussi lévulose, abondant dans les fruits et le miel. Très répandu dans l’ensemble des végétaux à l’état combiné. L’homme le métabolise facilement. - Cétoheptose : D (+) sédoheptulose intervient dans les réactions d’interconversion du métabolisme. 10 II. FORMULES DEVELOPPEES CYCLIQUES La représentation linéaire ne décrit pas fidèlement les propriétés chimiques des oses dont la chaîne carbonée comporte 5 ou plus de 5 carbones. 1. Comportement particulier 1.1 Les aldoses ne réagissent pas avec le bisulfite (NaHSO3) ou réactif de Schiff, comme le font la plupart des aldéhydes : R-CHO + NaHSO3 R-CHOH-SO3 Aldose + NaHSO3 Rien 1.2- Les aldéhydes traitées par du méthanol en milieu acide donnent des dérivés dialcoylés appelés acétals, tandis que les oses ne donnent que des dérivés monoalcoylés appelés semi-acétals. HCl OCH3 R-CHO + 2 CH3- OH R- CH + H 2O Anhydre OCH3 Aldéhyde Ether - oxyde double (acéta) Deux molécules de méthanol réagissent avec une molécule d’aldéhyde pour former un acétal. HCl C6HO5- OH + CH3OH C6H11O5 -O-CH3 + H2O Anhydre Ose Méthyl-Glucoside (semi-acétal) Alors que l’ose ne réagit qu’avec une seule molécule de méthanol, et l’on obtient un mélange de deux semi-acétals différents par leur pouvoir rotatoire : - L’α-méthyl-D-glucoside hydrolysable par une enzyme appelée α-glucosidase avec production d’ α-D-Glucose. - L’β-méthyl-D-glucoside hydrolysable par une enzyme appelée β -glucosidase avec production d’ β -D-Glucose. H O-CH3 CH3-O H C X C X R R -Méthyl-D-glucoside -Méthyl-D-glucoside 20 20  = +159°  = - 34° D D Par hydrolyse acide ces deux méthyl-D-glucosides régénèrent le D-Glucose. Donc il existe un centre d’asymétrique supplémentaire au niveau du groupement carbonyle (carbone n°1 des aldéhydes ou carbone n°2 des cétoses). 11 1.3. Mutarotation (Expérience de Lowry) pouvoir rotatoire spécifique Aussitôt après mise Au bout d'un certain 20 en solution temps  D Glucose cristallisé à + 112° + 52° la température ordinaire Glucose cristallisé à + 19° + 52° une température > 98 ° C Le glucose existe sous deux formes différentes : - Par évaporation d’une solution aqueuse à basse température on obtient une forme appelée α-Glucose. - Par chauffage à 110°C d’un sirop aqueux on obtient une forme appelée β-Glucose. Ces deux formes se distinguent par des pouvoirs rotatoires spécifiques différents mesurés sur des solutions fraîchement préparées : α-Glucose : +112° b-Glucose : +19° Dans les deux cas, après un certain temps, le pouvoir rotatoire spécifique évolue pour se stabiliser à une valeur identique +52°. En conclusion : il existe pour le D-Glucose 2 isomères optiques distincts ou anomères qui ont des pouvoirs rotatoires initiaux très différents. Chacun évolue en solution pour donner un état d’équilibre identique constitué par un mélange des deux stéréoisomères. Ce phénomène est appelé mutarotation. La formule linéaire ne permet pas de prévoir ces deux stéréoisomères. Leur existence nécessite la présence d’un nouveau carbone asymétrique. 1.4. Réaction avec le sulfate de méthyle : Si on fait agir le sulfate de méthyle en milieu alcalin sur un aldohexose (glucose), réagissant sous sa forme hydratée, la formule linéaire permet théoriquement de prévoir un dérivé heptaméthylé, par fixation de groupements CH3 sur les OH libres : 12 H OH H HO CH3-O O-CH3 c c H c OH H c Réaction théorique O-CH3 HO c H CH3-O c H H c OH H c O-CH3 H c OH c H O-CH3 CH2OH CH2O-CH3 D-Glucose (forme hydraté) D-Glucose heptaméthylé Conclusion : Pour le glucose il est impossible d’obtenir un dérivé méthylé sur l’OH du carbone n°5, Un OH est masqué. C’est donc cet OH qui n’est pas libre. 2. Le pont oxydique Pour expliquer l’ensemble de ces anomalies, Tollens (1883) a proposé l’hypothèse selon laquelle la fonction aldéhyde d’un aldose est partiellement bloquée sous la forme d’une liaison semi- acétalique avec l’une des fonctions alcooliques de l’ose. Il s’établit ainsi dans la molécule d’ose Un pont oxydique. Cette structure introduit au niveau du carbone n° 1 un nouveau centre d’assymétrie. OH H H OH H O OH c1 c c O H c OH H c OH H c OH 2 + H2 O - H2 O HO c H HO c H HO c H 3 H c OH H c OH H c OH 4 H c OH H c OH H c 5 6 CH2OH CH2OH CH2OH Forme aldéhyde Forme aldéhyde semi-acétal libre hydratée Forme cyclique Représentation de TOLLENS En effet les deux groupements (la fonction aldéhydique et le OH du carbone 5) peuvent réagir facilement car ils sont en fait proches dans l’espace ainsi la construction d’un modèle moléculaire (tenant compte des distances atomiques et des angles de valence) a permis de le constater. Cette cyclisation peut intéresser soit le carbone 5 soit le carbone 4 du glucose. - Chez les oses ayant au moins 5 carbones, on rencontre 4 ponts oxydiques différents donnant 2 types de cycles : 13 Aldoses Cétoses O Cycle Pyranique C1 C5 C2 C6 O Cycle Furanique C1 C4 C2 C5 Remarque : Un ose peut donc se trouver sous deux formes cycliques différentes. En fait, il existe toujours une forme plus stable pour un ose donné. Exemples : - Les aldohexoses, tel que le glucose, sont en général plus stable sous forme pyranique. - Les aldopentoses, tel que le ribose, sont en général plus stables sous forme furanique. - Les Cétohexoses, tel que le fructose, sont en général plus stables sous forme furanique. 3 - Anomérie des oses Nous savons qu’il existe pour le D-Glucose, deux isomères optiques ou anomères ayant des pouvoirs rotatoires différents. L’anomérie est du au fait que dans tout ose sous forme cyclique, Le carbone semi-acétalique (C1 des aldoses ou des C2 des cétoses) est asymétrique et peut prendre deux configurations différentes. En représentation de TOLLENS tous les oses naturels montrent que : - L’anomère  a son OH semi-acétalique du même coté que le pont oxydique - L’anomère  a son OH semi-acétalique du coté opposé du pont oxydique. H OH HO H C C H C OH H C OH O O HO C H HO C H H C OH H C OH H C H C CH2OH CH2OH -D-Glucose -D-Glucose A l’heure actuelle, on utilise de plus en plus fréquemment la représentation proposé par HAWORTH. En représentation de HAWORTH - L’anomère  est l’ose dont le OH semiacétalique est situé en position trans par rapport au carbone n° 6. - L’anomère  est l’ose dont le OH semiacétalique est situé en position cis par rapport au carbone n° 6. 14 CH2OH 6 CH2OH 6 5 O H OH 5 O 4 OH 1 4 OH 1 HO 2 3 OH HO 2 3 H OH OH -D-Glucopyranose -D-Glucopyranose Remarque : Pour passer de la représentation de TOLLENS à celle de HAWORTH il suffit de représenter les groupements OH situés à droite de la chaîne carbonée (représentation TOLLENS) vers le bas (représentation HAWORTH) et inversement les groupements OH situés à gauche doivent être représentes vers le haut, c.-à-d. au dessus du plan formé par le cycle. H OH CH2OH 1C 6 H C2 OH H 5 O O H 4 H 1 HO C H OH H 3 H C OH HO OH 4 3 2 H C H OH 5 HCH2OH Représentation TOLLENS Représentation HAWORTH -D-Glucopyranose - L’existence des anomères  et  des oses, multiplie par deux le nombre des isomères possibles. Ainsi, dans le cas des aldohexoses par exemple, il y avait 8 aldohexoses de la série D et 8 aldohexoses de la série L. Avec l’anomèrie du C1, on a réalité : - 8 -D- aldohexoses et 8 -D- aldohexoses. - 8 -L- aldohexoses et 8 -L- aldohexoses. 15 H OH HO H C CH2OH 1 6 1C CH2OH H C OH H 5 O 2 O H H C OH 6 H 2 O H O HO C H 4 1 5 OH 3 OH H HO C H H HO OH 3 4 1 H C OH 2 OH H 4 3 H C OH H H 4 HO 2 H C OH 3 5 OU H C 5 OU H OH CH2OH CH2OH -D-Glucopyranose -D-Glucopyranose CH2OH CH2OH 1 H 1 OH OH CH2OH CH2OH 2C 6 O 2C HOH2C H 1 O 6 1 HO C H H HO C H 3 O 5 2 5 H HO 3 O H HO 2 H C OH HO OH H C OH 4 4 H OH 4 3 3 H C OH OU 4 5 OH H H C OH OU 5 H CH2 HO 6 6 CH2OH -D-Fructopyranose -D-Fructofuranose CH2OH 1 OH C OH 2 HOH2C O HO H 6 3C O 2 5 H HO H 4 C OH OU 1 H CH2OH 4 3 H 5C OH H 6 CH2OH -D-Fructofuranose H OH C 1 H C OH HOH2C O H 2 O 5 H C OH 4 1 3 H H OU H C H OH 4 3 2 OH OH 5 CH2OH -D-ribofuranose Exemples de passage de la représentation de Tollens à la représentation de Haworth 16 III. CONFORMATION SPATIALE DES OSES La représentation de HAWORTH qui fait des hétérocycles furanose et pyranose des cycles plans est bien sûr plus proche de la réalité que la représentation de TOLLENS. Pour le cycle furanose, elle est très près de la réalité, il est presque plan. Mais pour le cycle pyranose il n’est pas exacte d’admettre qu’il est plan. Dans ce dernier cas la conformation peut être soit de type « chaise » soit de type « bateau ». O O Forme chaise forme bateau La forme chaise étant la plus stable, on admet actuellement que les hexoses adoptent cette conformation. Si on définit comme plan moyen du cycle le plan passant par les quatre atomes centraux. Les dix liaisons disponibles sur les 5 carbones du cycle se répartissent en 2 groupes : - 5 liaisons axiales, perpendiculaires au plan moyen du cycle et disposées alternativement de part et d’autre de ce plan. - 5 liaisons équatoriales, faisant un angle faible avec le plan moyen du cycle et également alternées. Voici à titre d’exemples, les dispositions axiales ou équatoriales que prennent les groupes de substituant dans le cas des glucoses  et β. H CH2OH H H O CH2OH H O HO H HO HO OH HO H OH H OH H OH H H - glucose - glucose 17 IV. EQUILIBRE TAUTOMERE En solution, un ose présente toujours un équilibre entre sa forme aldéhydique et ses formes cycliques. Cet équilibre tautomère est en faveur des formes cycliques. HOH2C CH2OH HOHC O O CHO  D - Glucofuranose  D - Glucopyranose CH2OH HOH2C D - Glucose CH2OH HOHC O O  D - Glucofuranose  D - Glucopyranose Les formes  et β du glucopyranose dominent toujours très largement (95 à 99 %) à l’équilibre. La forme β est la plus abondante 65 % contre 35% pour la forme  V. PROPRIETES CHIMIQUES DES OSES 1. Stabilité chimique Aux pH extrêmes (très acide ou très basique), les molécules d’oses se transforment : 1.1. En milieu alcalin A froid, les oses donnent soit une interconversion soit une épimérisation: H O H H O H OH C 1 C H O O H HO C H R R H OH Ene -diol Epimérisation - H HO R H O H C CH2OH Aldose O H O 2 R R Interconversion 18 Exemple : un contact de 5 jours d’une solution de D-glucose avec de l’eau de chaux à 35% donne le mélange: D-glucose 63,5%, D-fructose 31% et le D-mannose 2,5%. H O C HO H O H OH HO C C OH OH OH OH HO HO D-Mannose CH2OH OH OH Epimérisation OH OH CH2OH CH2OH CH2OH O D-Glucose Ene -diol HO OH D-Fructose OH CH2OH Interconversion A chaud, la dégradation est totale. 1.2. En milieu acide concentré à chaud La molécule d’ose subit une déshydratation interne avec cyclisation. On obtient un furfural ou un dérivé furfural. 1. 2. 1. avec un aldose (aldohexoses et aldopentoses) H H HO C C OH HCl ou H2SO4 + 3H2O Chaud H C C H R OH HO CHO R CHO O Furfural ou dérivé Furfural Exemples : H HOH2C CHO CHO O O Furfural Hydroxyméthylfurfural - Avec un aldopentose R=H on obtient - Avec un aldohexose R=CH2OH on obtient 19 1. 2. 2. avec un cétose (cétohexoses uniquement) : H H HO C C OH HCl ou H2SO4 + 3H2O Chaud H C C H C O H OH HO C O O CH2OH CH2OH Les dérivés furfural obtenu ont la propriété de se condenser avec des phénols, des amines cycliques ou des hétérocycles azotés, ces dernières combinaisons donnent naissance à des matières colorantes S’ils sont suffisamment stables, ces composés peuvent servir au dosage spéctrophotométrique de l’ose. Exemples : * Le résorcinol en milieu chlorhydrique donne une coloration rouge (réaction de Sellivanoff). Il permet le dosage des cétoses (les aldoses ne donnent rien). HO H O C OH OH + Cétohexose CH2OH HO O O HCL, chauffage C O Coloration rouge cerise CH2 * L’orcinol donne une teinte verte en milieu chlorhydrique (réaction de Bial). Il permet le dosage des pentoses (Ribose des ARN). HO HO H O C CH3 CH3 + Aldopentose OH HO HO O O H H + / Fe+++ C CH3 H2SO4 CH3COOH Coloration verte concentré à chaud HO 20 * L’-naphtol donne une coloration rouge violacée (Réaction de Molisch) H R O OH C OH + Aldose OH  naphtol R O H H2SO4 C O concentré Coloration rouge-violet 2. Propriétés chimiques des oses en solution Pour que l’ose ne soit pas altéré, le pH de la solution doit être neutre ou légèrement acide ou alcalin. Les oses ont à la fois les propriétés de la fonction alcool et de la fonction carbonyle. Pour cette dernière. Ils cumulent les propriétés de la fonction carbonyle et de la fonction semi-acétale grâce à leur polymorphisme. Suivant le milieu réactionnel, l’équilibre tautomère sera déplacé vers la forme ouverte ou sera totalement en faveur de la forme cyclique (voir équilibre tautomère). 2. 1. Réactions provoquant l’ouverture du cycle Ce sont les réactions de la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) vraie. 2. 1. 1. Réduction des oses On obtient des polyalcools linéaires par addition d’hydrure alcalins : hydrure de Bore et sodium (NaBH4), Hydrure de Lithium et d’Aluminium (LiAlH4). En partant d’un aldose, on obtient un isomère unique Exemple : CH2OH CH2OH CH2OH O OH (H, OH) NaBH 4 CH2 OH 50% HOH2C O NaBH4 (OH, D-Glucopyranose D-Glucitol ou CH2OH CH2OH) D-Sorbitol CH2OH 50% CH2OH CH2OH D-Fructofuranose O OH (H, OH) NaBH4 CH2 OH D-Mannopyranose D-Mannitol CH2OH 21 2. 1. 2. Oxydation des oses Il y a ouverture du cycle quand la fonction carbonyle est libre * Oxydation très douce : En présence d’eau de brome en milieu neutre ou d’iode en milieu alcalin l’aldose se transforme en acide aldonique par déshydrogénation du carbone n°1 et réduction du brome ou de l’iode. Les cétoses ne donnent rien. R-CHO + I2 (ou Br2) + H2O R-COOH + 2HI ( ou 2 HBr) Aldose Acide Aldonique Les acides aldoniques se transforment facilement en lactones par formation d’un ester interne : CH2OH O CH2OH CH2OH COOH O O OH (H, OH) I2 COOH D-Gluconolactone OH - CH2OH D-Glucopyranose Ac Gluconique CH2OH HOHC O O -D-Gluconolactone * Oxydation par l’acide nitrique En présence d’acide nitrique (HNO3) à froid, il y a oxydation de la fonction alcool primaire et de la fonction carbonyle. Un aldose est oxydé en diacide appelé Acide Aldarique ou Glucarique. CH2OH COOH COOH O OH (H, OH) HNO3 COOH D-Glucopyranose COOH Ac D-Glucarique Ac D-Saccharique CH2OH COOH COOH O OH (H, OH) HNO3 COOH D-Galactopyranose Ac D-Mucique COOH Ac D-Galactarique Remarque : Un cétose est coupé au niveau du carbonyle par cette oxydation. Il se forme principalement de l’acide oxalique (HOOC-COOH). * Oxydation par l’acide périodique Les -glycols (-CHOH-CHOH-) sont oxydés par l’acide périodique ((HIO4) avec coupure de la liaison C – C entre deux fonctions OH et formation de composés à fonction aldéhyde ou carboxyle : 22 R CH CH R' + HIO4 R - CHO + HOC - R' + HIO3 + H2O OH OH * Cas d'un alcool primaire: H CH CH R + HIO4 H - CHO + HOC - R + HIO3 + H2O OH OH Formadéhyde Alcool primaire * Cas d'un alcool secondaire: R CH CH CH R' + 2HIO4 R - CHO + H-COOH + HOC- R' + 2HIO3 +2H2O OH OH OH Ac Formique Remarque : Cette oxydation peut être utilisée pour : - Déterminer la nature de la forme cyclique d’un ose à condition que la fonction semi- acétalique soit bloquée par méthyl-osidation. - Déterminer la position de l’OH engagé dans la liaison osidique avec un autre ose. * Oxydation par la liqueur de Fehling En présence de la liqueur de Fehling il y a oxydation de l’ose par l’oxyde cuivrique qui se réduit à l’état d’oxyde cuivreux rouge. R - CHO + 2 CuO + KOH R - COO - K + + Cu2O + H2O Oxyde Oxyde Cuivrique Cuivreux (Précipité rouge-brique) 2. 1. 3. Addition nucléophiles sur le C n°1 2. 1. 3. 1. Synthèse de KILIANI-FISHER L’action de l’acide cyanhydrique (HCN) sur un aldose entraîne la formation d’une cyanhydrine par addition sur la fonction aldéhyde. C’est le moyen de passer d’un aldose à son homologue supérieur, comportant un carbone et une fonction alcool secondaire de plus. Cette réaction n’est pas spécifique et on obtient 2 épimères pour le carbone n°2. O O O O C N C OH C C H C H CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH O HCN + H2O CHOH - H2O CHOH Réduction CHOH CHOH CHOH CHOH NH3 CH CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH CHOH Aldoses à Cyanhydrine n carbones ou - lactone Aldoses à n+ 1 carbones 23 2. 1. 3. 2. Dégradation de WOHL L’action de l’hydroxylamine sur la fonction aldéhyde donne une oxime dont la déshydratation forme une cyanhydrine. En présence d’oxyde d’argent, cette dernière se scinde en acide cyanhydrique et un aldose comportant un carbone et une fonction OH secondaire en moins : H H H C O C N OH C N H CHOH NH2OH CHOH CHOH C O - H2O Ag2O CHOH + HCN CHOH CHOH CHOH Aldoses à Aldoses à n carbones Oxime n - 1 carbones 2. 1. 3. 3. Réaction de la phénylhydrazine En présence de phénylhydrazine on obtient un dérivé d’addition sur le carbone n°1 des aldoses et sur le carbone n°2 des cétoses. Il s’agit d’un ose-phénylhydrazone: H H C O C N N H H HC OH + H N N HC OH + H H2O (CHOH)3 (CHOH)3 Phénylhydrazine CH2OH CH2OH D- Glucose Glucose- phénylhydrazone Comme celle de la plupart des autres hexoses, la glucose-phénylhydrazone, est soluble dans l’eau (sauf la mannose-phénylhydrazone). A chaud, avec un excès de phénylhydrazine. H H C N N C N N 1 H H H C O HC OH H N N + H + NH3 (CHOH)3 (CHOH)3 + H2N CH2OH CH2OH H Aniline 2 C N N H H + H2O C N N H N N H H (CHOH)3 Glucose-phénylhydrazone ou Glucosazone CH2OH Ces osazones cristallisent très bien avec des formes caractéristiques de l’ose (voir TP de Biochimie). 24 2. 2. Réactions qui conservent l’ose sous sa forme cyclique Ce sont les réactions des OH alcooliques et semi-acétaliques. 2. 2. 1. Propriétés communes aux 2 types d’OH 2. 2. 1. 1. Méthylation La méthylation par CH3I en milieu alcalin en présence de DMSO (Diméthyl-sulfoxyde) est une technique utilisée pour l’étude de la structure des oses et osides. Exemple : CH2OH CH2OCH3 O O CH3I OH O CH3 OH (DMSO) HO O CH3 CH3O OH O CH3 -D- Glucopyranose 1, 2, 3, 4, 6 - penta -O-méthyl- -D- Glucopyranose La méthylation est toujours complète et les produits sont stables et suffisamment volatils pour être analysés par chromatographie en phase gazeuse. Mais il y a risque d’ouverture du cycle. Remarque : La liaison O-CH3 n’est pas de même nature avec l’OH alcoolique (liaison éther- oxyde) et l’OH semi- acétalique (liaison osidique). CH2OCH3 CH2OCH3 O O HCl dilué O CH3 (H, OCH3) O CH3 (H, OH) CH3O CH3O O CH3 O CH3 Quand l’ose est sous forme cyclique, l’alkylation ne porte pas sur les OH bloqués, comme ceux qui sont engagés dans le pont oxydique ou ceux engagés dans une liaison osidique. CH2OCH3 CH2OCH3 CH3O CH2OCH3 CH2OCH3 O O CH3O O OH O HCl dilué O CH3 O O CH3 O CH3 + O CH3 O CH3 O CH3 HO OH O CH3 O CH3 O CH3 2, 3, 4, 6 - tétra-O-méthyl 2, 3, 6 - tri-O-méthyl Lactose méthylé -D- Galactopyranose -D- Glucopyranose 2. 2. 1. 2. Formation d’esters Les fonctions alcools I et II des oses peuvent être estérifiées par des acides organiques. Dans la forme cyclique de l’ose, l’OH semi-acétalique réagit aussi avec les acides, mais la liaison pseudo-ester formée n’est pas de même nature que les liaisons ester vraies. 25 * Esters carboxyliques (en particulier ester acétique) les esters acétiques sont rares à l’état naturel. Mais les esters acétiques artificiels sont importants car l’acétylation est un excellent moyen de protéger les OH libres des oses. La synthèse se fait par l’anhydride acétique en présence de pyridine. CH2OH O O CH2OAc O O 3 HC C O C CH3 OH OAc HO OH Pyridine OAc AcO OH O OAc Ac = C CH3 2. 2. 2. Particularités de la fonction semi-acétalique Certaines réactions concernent uniquement la fonction semi-acétalique et ne touchent pas les OH alcooliques on les utilise pour le blocage ou la protection spécifique de la fonction réductrice d’un ose. Exemple : L’OH semi-acétalique réagit avec le méthanol appelé Méthyloside ou Méthylglycoside. Mais la liaison fournie est de type osidique. Le réactif acide s’obtient avec de l’HCl gazeux 1N à reflux dans le méthanol anhydre pendant 12 heures. La méthylglycosidation dure 8 heures à 80°C. CH2OH CH2OH O O CH3OH / HCl g 1N OH OH OH 8 heures à 80 °C O CH HO HO 3 OH OH -D-Glucopyranose éthyl--D-Glucopyranoside 2. 2. 3. Remarques générales - L’OH semi-acétalique d’un ose se combine à des composés variés. Ces réactions entraînent la disparition du pouvoir réducteur de l’ose et le plus souvent stabilisent sa structure sous forme cyclique en configuration  ou β. - La liaison de l’OH semi-acétalique avec un acide est appelée liaison pseudo-ester. La liaison avec les alcools et phénols est une liaison O-osidique, avec les amines c’est une liaison N- osidique et avec les thiols il s’agit d’une liaison S-osidique. - La nomenclature moderne utilise le terme de liaison glycosidique (liaison osidique). Les propriétés chimiques de cette liaison sont intermédiaires entre celles de la liaison acétal et celle de la liaison éther-oxyde. Elle est stable en milieu alcalin mais facilement rompue par hydrolyse acide. 26 VI – Les DERIVES DES OSES 1- Les désoxy-oses ou désoses Ce sont des oses qui ont perdu un oxygène sur un OH généralement en position 2 ou 6. Ils présentent les structures et la plupart des propriétés des oses. Exemples : CHO CHO CHO O CH2OH O CH3 (H, OH) CH2 O CH3 (H, OH) (H, OH) CH3 CH3 CH3 6-désoxy-L-Galactose 6-désoxy-L-Mannose ou 2-désoxy-D-Ribose ou L-Fucose ou L-Rhamnose D-désoxyribose Le L-Rhamnose existe chez les végétaux mais n’est pas métabolisé par l’homme. -Le L-Fucose est un constituant fondamental des plyosides du lait maternel et des glycoprotéines. -Le désoxy-ribose est présent dans toutes les cellules comme constituant des nucléotides (ADN). 2. Les osamines (2-amino-2-désoxy-oses) Dérivent des oses par remplacement d’un OH (le plus souvent celui porté par le carbone 2 ) par une fonction amine NH2. Exemple : D-Glucosamine constituant des glycoprotéines et des glycosaminoglycanees (mucopolysaccharides). CH2OH O 2-amino-2-désoxy D-glucopyranose (H, OH) ou D-Glucosamine NH2 Les osamines sont rarement à l’état libre mais le plus souvent sous forme N-acétylée. CH2OH CH2OH O O (H, OH) (H, OH) NHCOCH3 NHCOCH3 N- acétyl-D-Glucosamine N- acétyl-D-Galactosamine 27 3- Les Dérivés des osamines acétylées 3. 1. Acide N-acétyl-muramique (3-Lactyl-N-acétyl-D-Glucosamine) C’est un dérivé de la N-acétylglucosamine: une molécule d’acide lactique (CH3-CHOH-COOH) est liée par une liaison éther oxyde grâce à son groupement OH à la fonction alcool II en position 3 de la N- acétylglucosamine (GlcNAC), l’acide N-acétyl muramique participe à l’édifice de la muréine des parois bactériennes. CH2OH O (H, OH) O HOOC Acide-N- acétyl-muramique HC NHCOCH3 CH3 3. 2. Acide neuraminique C’est un cétose à 9 carbones qui résulte de la condensation de l’acide pyruvique (C1, 2 et 3 ) avec la D-mannosamine (C4 à 9). Le nouvel OH en position 4 se plaçant en trans par rapport au NH 2 en position 5. COOH O CHO C O H2 N OH OH H2 N CH2 OH COOH HO H2 N CH2OH + OH HO COOH C O OH OH OH CH3 OH CH2OH Acide D-Mannosamine CH2OH Acide Neuraminique pyruvique L’acide neuraminique n’existe pas à l’état libre, mais toujours sous forme combinées avec des groupements acétyle ou glycosyl appelés acides sialiques. 3. 3. Acides Sialiques L’acétylation ou la glycosylation peuvent se faire soit sur le NH2 du C5 soit sur le OH des C4 ou C7. Exemple : Acide N-Acétyl Neuraminique (NANA) O O HC C HN 3 OH OH OH CH2OH COOH OH Acide N-acétylNeuraminique (NANA) 28 Les acides sialiques sont d’un très grand intérêt en biologie. Ils interviennent dans la construction des glycoprotéines des membranes cellulaires. 4. Les acides Uroniques Ce sont les produits d’oxydation de la seule fonction alcool primaire des oses. C’est le cas par exemple de l’acide glucuronique qui entre dans la composition d’osides et dans la structure des glycosaminoglycanes (ou mucopolysaccharides). COOH O OH ( H, OH) HO OH Acide Glucuronique 29 Chapitre II : STRUCTURE DES OSIDES 1. GENERALITES 1. Définition Les osides résultent de la condensation de deux ou plusieurs molécules d’oses par formation entre chacune d’elles d’une liaison appelée liaison osidique ou glycosidique. Cette liaison est stable en milieu alcalin mais peut être facilement rompue en milieu acide. CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O OH + OH OH OH HO OH HO OH O OH HO OH OH H2O OH OH Liaison Osidique Selon la nature du groupement qui se fixe à la fonction semi-acétalique, on distingue : - La liaison O-glycosidique: association avec R-OH - La liaison N-glycosidique: association avec R-NH2 - La liaison S-glycosidique: association avec R-SH 2. Méthodes d’études des osides L’oside doit tout d’abord être extrait, isolé et purifié en évitant au maximum toute altération de sa structure. L’étude structurale d’un oside se fait généralement en deux étapes. 2. 1. Analyses qualitative et quantitative L’analyse qualitative peut se faire par hydrolyse acide totale. L’identification des produits obtenus donnant la composition qualitative de l’oside. Exemple : Lactose libère du glucose + galactose. Remarque : Les méthodes chromatographiques permettent de faire à la fois la séparation, l’identification et le dosage des oses libérés par hydrolyse acides (voir TD). 2. 2. Structure primaire des osides Le mode d’enchaînement des oses est obtenus par l’interprétation de certaines réactions chimique comme : - Le pouvoir réducteur de l’oside. - La méthylation suivie d’hydrolyse acide ménagée de l’oside, ou bien l’oxydation périodique de celui- ci. Ces réactions permettent de fixer la position des liaisons osidiques et donc l’ordre d’enchaînement des oses et la place des branchements. Elles déterminent aussi la forme pyranique ou furanique des oses. Ainsi, la structure primaire donne, en plus de la nature des oses et de leurs formes cycliques, la configuration  ou  des liaisons osidiques. 30 On utilise aussi des hydrolyses enzymatiques. En effet, certaines enzymes hydrolysent de façon très spécifique soit des liaisons (  glycosidases) soit des liaisons  (  glycosidases). Exemple : CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH HO O O -Galactosidase HO O OH O OH OH (H, OH) OH + OH (H, OH) O OH OH OH OH Lactose -Galactopyranose D-Glucopyranose 3. Conformation Spatiale des macromolécules glucidiques Parmi les méthodes utilisées pour déterminer et étudier la conformation d’une macromolécule glucidique, il y a : - La diffraction aux Rayons X - La spectrophotomètre Infra-Rouge. - La Résonance Magnétique nucléaire du proton. II. ETUDES DESCRIPTIVE DE QUELQUES OSIDES 1. Diholosides non réducteurs 1.1. Tréalose: -D-glucopyranosyl-(1→1’)- -D-glucopyranoside CH2OH O O HOH2C O Tréalose: -D-Glucopyranosyl-(1 1')--D-Glucopyranoside On le trouve chez les bactéries, champignons et insectes. 1. 2. Saccharose : -D-glucopyranosyl-(1→2)- -D-fructofuranoside CH2OH O CH2OH 6 1 O HOH2C 5 O 2 ou 4 1 O 2 O HOH2C CH2OH O 3 CH2OH Très répandu chez tous les végétaux en particulier la betterave et la canne à sucre. 2. Diholosides réducteurs 2. 1- Maltose : -D-glucopyranosyl-(1→4)- -D-glucopyranose CH 2OH CH 2OH O O (H, OH) O 31 Cet oside constitue l’unité répétitive des polysaccharides suivants : Amylose, Amylopéctine et glycogène. 2. 2- Isomaltose: -D-glucopyranosyl-(1→6)-D-glucopyranose CH 2OH O O CH 2 O (H, OH) Trouvé dans les hydrolysats d’amylopéctine et de glycogène. 2. 3- Cellobiose: -D-glucopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose CH 2OH CH 2OH O O O (H, OH) 2.4- Lactose : -D-galactpyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose CH 2OH CH 2OH O O O (H, OH) Ne se trouve que dans le lait 3. Oligoholosides : 3. 1- Raffinose : -D-galactpyranosyl-(1→6)-α-D-glucopyranosyl-(1→2)-β-D-Fructofuranoside CH 2OH O O CH 2 O O HOH 2C O CH 2OH 32 III- POLYHOLOSIDES OU POLYSACCHARIDES ou GLYCANES Ils sont constitués par un enchaînement d’oses ou de dérivés d’oses par des liaisons glycosidiques, formant des composés de poids moléculaires élevés. Cet enchaînement peut être linéaire ou présenter des ramifications. On peut y trouver une seule sorte d’oses (homopolysaccharides) ou des oses de nature différente (hétéropolysaccharides). 1. Homopolysaccharides : 1. 1. Polyholosides de réserve : 1. 1. 1. Amidon : Très répandu chez les végétaux. Il se compose d’amylose (15 à 30%) et d’amylopéctine (70 à 85 %). - L’amylose : est un enchaînement de résidus de molécule de D-Glucose en -(1→4), 200 à 300 résidus par molécule. Le poids moléculaire varie entre 150 000 et 500 000 selon l’origine et le protocole d’isolement. - L’amylose : est un enchaînement de résidus de molécule de D-Glucose en -(1→4), 200 à 300 résidus par molécule. Le poids moléculaire varie entre 150 000 et 500 000 selon l’origine et le protocole d’isolement. - L’amylose : est un enchaînement de résidus de molécule de D-Glucose en -(1→4), 200 à 300 résidus par molécule. Le poids moléculaire varie entre 150 000 et 500 000 selon l’origine et le protocole d’isolement. CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O O O O O O O O O Unité répétitive - L’amylopéctine: présente une structure ra

Cours des Glucides SVI3 PDF 2020-2021

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue