Cours des Glucides PDF

COURS DES GLUCIDES Biochimie structurale Niveau : SVI-3 Module 11 Pr. Y. BAKRI Faculté des Sciences -Agdal Université Mohammed V– Rabat- Maroc I - Les oses : (Monosaccharides) : 1- Plan de base des oses 2- Appellati...

COURS DES GLUCIDES Biochimie structurale Niveau : SVI-3 Module 11 Pr. Y. BAKRI Faculté des Sciences -Agdal Université Mohammed V– Rabat- Maroc I - Les oses : (Monosaccharides) : 1- Plan de base des oses 2- Appellation des oses 3- Dissimétrie moléculaire-pouvoir rotatoire 4- Diversité des oses 5- Filiation des oses 6- Formule complète et simplifiée 7- Filiation des D-aldoses 8- Filiation des D-cétoses 9- Structure cyclique des oses 10- Conformation spatiale des oses 11- Propriété des oses 12- Oses d'intérêt biologique II- Les oligosides : (oligosaccharides) 1 - Liaison O-glycosidique 2 - Diversité d'enchaînements 3 - Conventions d'écriture 4 - Analyse structurale des oligosaccharides 5 - Etudes de quelques oligosides IV- Polysaccharides A- les homopolysaccharides : 1- Polysaccharides de réserve 2- Polysaccharides de structure B- les héteropolysaccharides : C- Exemples de polysaccharides V- Hétérosides  Les Glucides I- Introduction : Ce sont les molécules les plus abondantes à la surface du globe. La majeure partie des glucides de la planète est produite par la photosynthèse. Les glucides peuvent être oxydés pour produire de l'énergie dans les processus métaboliques. Chez les animaux et les plantes, des polymères glucidiques (glycogène, amidon) servent de réservoir energétique. D’autres polymères (cellulose, chitine...) sont aussi trouvés dans les parois cellulaires (rôle de protection) Des dérivés de glucides se retrouvent dans un grand nombre de molécules biologiques comme les acides nucléiques, ADN et ARN. Les sucres sont utilisés dans l’industrie alimentaire et les biotechnologies Les sucres interviennent dans les interactions entre les cellules d’un même organisme Les sucres sont utilisées par des microorganismes pour infecter les organismes hôtes Classification des Glucides Aldoses * n-1 fonctions alcools 1 fonction aldéhyde sur C1 oses = (CH2O)n * 1 fonction carbonyle (Monosaccharides) * n atomes de carbone Unités simples Cetoses non hydrolysables 1 fonction cétone sur C2 + dérivésd’oses X= 2 (diholoside) X= 3 (tiholoside) Oligosides X= 4 (tetraholoside) (oligosaccharides) Glucides 2 ≤ x ≤10 Etc….. Holosides hydrolyse Homopolyosides polyosides (1 seul type d’oses) 1 ou plusieurs (polysaccharides) osides types d’oses X unités > 10 Hétéropolyosides O-Héterosides (Pls types d’oses) Héterosides N-Héterosides S-Héterosides hydrolyse Fraction glucidique + Fraction non glucidique = aglycone  II- Les oses : 1 - Plan de base des oses Les oses, monosaccharides ou encore sucres simples, possèdent un squelette carboné linéaire, comportant 3 à 6 C (quelquefois 7, voire 8 carbones). Alcool primaire Fonction carbonyle CH2OH CHO CO [H C OH]n [H C OH]n Alcool secondaire CH2OH CH2OH Alcool primaire ALDOSE CETOSE On distingue deux familles d'oses, définies par les deux fonctions du carbonyle. Un aldéhyde caractérise un aldose et une cétone caractérise un cétose.  2- Appellation des oses Les oses peuvent être classés de deux manières: + par le nombre de carbones de leur squelette (3 : trioses, 4 : tétroses, 5 pentoses, 6 hexoses etc...) + par la nature de la fonction du carbonyle (aldéhyde = aldoses, cétone = cétoses). Les deux classifications peuvent être combinées: * aldotétrose (aldose à 4 carbones) * cétopentose (cétose à 5 carbones)  3- Dissimétrie moléculaire-pouvoir rotatoire a - Chiralité : Exemple du glycéraldéhyde Miroire 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 Le carbone 2 est lié à quatre substituants différents: C'est un carbone asymétrique.(C*) C’est un centre de chiralité = aucun élément de symétrie. La molécule est dite chirale (non superposable à sa propre image dans un miroir). Elle présente une activité optique : une solution de glycéraldéhyde fait "tourner" le plan de polarisation de lumière qui la traverse.  b – Pouvoir rotatoire spécifique, Loi de Biot : α -α +α Source lumière Oeil Polarisation Substance Rotation du plan de la lumière active de polarisation Lumière sortante Lumière incidente Toute molécule chirale possède la particularité d’être optiquement active ou douée de pouvoir rotatoire : Traversée par un faisceau de lumière polarisée plan, elle provoque la rotation du plan de polarisation de la lumière. L’angle α de rotation est donné par la loi de Biot : α = [α α] l C [α] est le pouvoir rotatoire spécifique de la substance étudiée, l est la longueur de la cuve polarimétrique et C la concentration de la solution étudiée. * Lorsque la rotation est vers la droite le composé est dit dextrogyre et son pouvoir rotatoire est positif * Lorsque la rotation est vers la gauche le composé est dit levogyre et son pouvoir rotatoire est négatif NB : Le pouvoir rotatoire d’un mélange de substances est la somme des pouvoirs rotatoires de chaque substance. α = Σ[α αi l Ci]  c – Convention de FISCHER- Projection de FISCHER c.1- Cas du glycéraldéhyde 1CHO 1CHO 1CHO 2 2 2 H C OH OH C H HO C H 3 3 3 CH2OH CH2OH CH2OH Perspective Miroire Aldotriose (molécule chirale) C2 est asymétrique Les carbones C1, C2 et C3 sont dans le plan vertical et l’angle C1 C2 C3 a le sommet pointé vers l’observateur  Appartenance à la série D ou L L’appartenance à la série D ou L pour un ose à n C est déterminé par la configuration du Cn-1. NB: pour un ose donné, les formes D et L sont appelées énantiomères Ils ont les même propriétés chimiques mais le pouvoir rotatoire est différent. 1CHO 1CHO 2 2 H C OH OH C H 3 3 CH2OH CH2OH D-glycéraldéhyde L- glycéraldéhyde  c.2 - L’érythrose Aldotetrose (molécule chirale) C2 et C3 sont asymétriques 1 1 CHO CHO 2 2 H C OH HO C H Les carbones C2 et C3 sont asymétriques 3 -> 2 centres de chiralité H C OH HO 3C H 4 4 CH2OH CH2OH D- Erythrose L-Erythrose c.3- Cas de la dihydroxyacétone 1CH OH Cétotriose (molécule achirale) 2 2 C O Aucun carbone asymétrique 3 CH2OH La dihydroxyacétone n’a pas d’activité optique Pas de pouvoir rotatoire donc son image dans un miroir est elle même  c.4- L’érythrulose Cétotetriose (molécule chirale) C3 carbone asymétrique 1CH OH 1CH OH 2 2 2 2 Le carbone C3 est asymétrique C O C O -> 1 centre de chiralité 3 HO 3C H C OH H 4 4 CH2OH CH2OH 4- Diversité des oses La diversité des oses provient des différentes configurations absolues des carbones asymétriques a - Configuration absolue Tout carbone asymétrique (C*) est définit par sa configuration absolue qui décrit l'arrangement dans l'espace des atomes ou groupes fonctionnels auxquels il est lié (ses substituants). Pour le glycéraldéhyde, deux configurations absolues sont possibles (1C*). On a deux molécules différentes de glycéraldéhyde non superposables l'une à l'autre. Ce sont deux formes stéréoisomères du glycéraldéhyde 1CHO 1CHO cette stéréoisomérie est appelée énantiomérie. 2 2 H C OH OH C H Les deux molécules ont des activités optiques 3 3 contraires, déviant le plan de polarisation de la CH2OH CH2OH lumière d'une même valeur d'angle, mais dans les deux directions opposées D-glycéraldéhyde L- glycéraldéhyde NB : Un mélange équimoléculaire des deux énantiomères d'une même molécule est appelé : mélange racémique (n'a pas d'activité optique).  * Chaque carbone asymétrique peut exister sous deux états structuraux distincts (deux configurations absolues), * Le nombre n des structures moléculaires possibles avec x carbones asymétriques suit une progression géométrique telle que : n = 2x * Ces structures moléculaires sont appelées stéréoisomères. a.1 - Nomenclature R/S La configuration absolue, R ou S, de chacun des carbones asymétriques est déterminée selon la 1CHO 1CHO convention de Cahn, Ingold et Prelog. (Cf. cours chimie organique) 2 2 H C OH OH C H 3 3 CH2OH CH2OH Cahnsim.swf D-glycéraldéhyde L- glycéraldéhyde Dans cette nomenclature, le D-glycéraldéhyde est le 2R-triose, et le L-glycéraldéhyde est le 2S- triose. Le D-(+)-glucose est le 2R,3S,4R,5R -hexose. La nomenclature R/S est très précise mais peu parlante, surtout lorsqu'on en arrive à un nombre élevé de carbones. C'est pourquoi elle est assez peu utilisée en biochimie.  a.2 – Filiation et série de Fischer La grande majorité des oses naturels appartient à la série D de Fischer, mais des oses de série L existent également. Tout aldose dérive théoriquement d'un glycéraldéhyde par une ou plusieurs étapes d'insertion d'un chaînon asymétrique H-C-OH, selon le principe dit de la filiation des oses (voir Synthèse de Kiliani- Fischer). * L'ose appartient à la série D de Fischer si sur le carbone n-1 le OH est à droite sur la projection de Fischer. * L'ose appartient à la série L si sur le carbone n-1OH est à gauche sur la projection de Fischer. la série de Fischer est indiquée par un D- ou un L- placé devant le nom de l'ose. Attention ! La série D ou L de Fischer ne préjuge en rien du caractère dextrogyre (+) ou lévogyre (-) de la molécule. Ainsi, le D-(+)-glucose est bien dextrogyre (= +52° °), mais le D-(-)- fructose, lui, est fortement lévogyre (= -92,4° °). C'est d'ailleurs de là que leur viennent leurs anciens noms de dextrose et de lévulose, respectivement. L'activité optique d'une molécule est la somme algébrique des activités optiques des C* qui la composent.  b – Configuration relative des oses La configuration relative d'une molécule décrit globalement les configurations absolues des C*. Elle permet d'attribuer un nom commun à la molécule. Il existe un nom commun pour chaque Deux carbones asymétriques adjacents combinaison de configurations. ayant la même configuration absolue, R ou S, Ex : le ribose est un aldopentose dont les trois carbones asymétriques ont la même configuration forment un couple érythro, tandis qu'ils absolue: ils sont érythro deux à deux. forment un couple thréo si leurs 1 1 configurations absolues sont opposées. CHO CHO 1 1 2 2 CHO CHO H C OH HO C H 2 2 3 3 H C OH HO C H H C OH HO C H 3 3 H C OH H C OH 4 H C OH HO 4C H 4 4 5 5 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-érythrose D-thréose L-Ribose D-Ribose  c – Cas d’isomérie Epimérie : Deux épimères sont deux isomères ne différant que par la configuration absolue d'un seul C*. 1 1 CHO CHO Le D-glucose et le 2 2 H C OH H C OH D-galactose sont épimères 3 3 HO C H HO C H au niveau du carbone 4. 4 4 H C OH HO C H 5 5 H C OH H C OH 6 6 CH2OH CH2OH D-glucose D-galactose Enantiomérie : Deux isomères différant par la configuration absolue de tous leurs carbones asymétriques sont images l'un de l'autre dans un miroir sont appelés énantiomères. 1 1 CHO CHO 2 2 H C OH OH C H 3 3 HO C H H C HO 4 4 H C OH OH C H 5 5 H C OH OH C H 6 6 CH2OH CH2OH D-glucose L-glucose Diastéréoisomèrie : La différence porte sur un nombre de C* compris entre 1 et leur nombre total x de C*. 1 1 CHO CHO 2 2 H C OH H C OH Diastéréoisomères 3 4 Le D-glucose et le D-gulose sont HO C H H C OH diastéréoisomères car ils diffèrent 4 3 H C OH HO C H par les configurations de 2 sur 5 5 4 de leurs C*. H C OH H C OH 6 6 CH2OH CH2OH D-glucose D-gulose 5 – Filiation des oses a- Synthèse cyanhydrique de Kiliani Ficher (sucre à n C

Sucre à n+1C) Etape 1 N C H N N + 1 1 C C H O 1 2 2 C H C OH HO C H 2 3 3 H C OH H C OH H C OH 3 4 4 H C OH H C OH H C OH 4 5 5 CH2OH CH2OH CH2OH 50% 50% Ose à 4 carbones Aldotetrose 2 cyanhydrines épimères (5C)  Synthèse cyanhydrique de Kiliani Ficher Etape 2 N H NH H O 1 C 1C 1C 2 H2 2 H2O 2 H C OH H C OH H C OH 3 3 3 H C OH H C OH H C OH T°, P 4 NH3 H C OH 4 4 H C OH H C OH 5 5 5 CH2OH CH2OH CH2OH Ose à 5 carbones cyanhydrine imine Aldopentose  b- Dégradation de WÖHL-ZEMPLEN (sucre à n C

Sucre à n-1C) Hydroxylamine H2N OH N C H + N H O H N OH C C C H O H C OH H C OH H C OH C H C OH H C OH H C OH H C OH H2O CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH Ose à 4 carbones Oxime cynhydrine Ose à 3 carbones Aldotetrose Aldotriose  6 – Formule complète et simplifiée Formule du Glyceraldéhyde Formule de l’erythrulose CHO CHO CH2OH CH2OH H C OH C O C O CH2OH CH2OH H C OH CH2OH Formule complète Formule simplifiée CH2OH Formule complète Formule simplifiée  7- Filiation CHO 8- Filiation CH2OH des D-aldoses des D-cétoses C O CHO dihydroxyacétone CHO CH2OH CH2OH ALDOTETROSES D-glycéraldehyde TETRULOSE CH2OH C O D-erythrulose CH2OH CH2OH D-erythrose D-thréose CHO CHO CHO CHO ALDOPENTOSES CH2OH CH2OH CH2OH PENTULOSES C O C O CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-ribose D-arabinose D-xylose D-lyxose CH2OH CH2OH CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO CHO D-ribulose D-xylulose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH ALDOHEXOSES C O C O C O C O HEXULOSES CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Allose D-glucose D-gulose D-galactose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-Altrose D-mannose D-idose D-talose D-pscicose D-fructose D-sorbose D-tagatose 9 – Structure cyclique des oses : Les oses ne sont pas des structures rigides et rectilignes. La structure linéaire ne permet pas d’expliquer les propriétés des oses. a – Objection à la forme linéaire Les aldéhydes et les cétones sous forme hydratée, réagissent avec 2 molécules d’alcool pour donner des Acétals alors que les oses se combinent seulement avec 1 seule molécule d’alcool pour donner un Hémiacétal. 2 alchools aldéhyde H O R’ H OH O R’ OH R C + H2O + R C R C R’ OH H OH O R’ Acétal OH aldose 1 alchool H H OH O + R’ OH R C R C + H2O R C O R’ H OH Hémiacétal L’objection à l’obtention d’un acétal indique l’existence d’un nouveau C* au niveau du carbonyle. L’hémiacétal obtenu se présente sous 2 formes ayant un pouvoir rotatoire différent Une forme α méthyl oside et une forme β méthyl oside  b – structure cyclique b-1. selon Tollens : C’est une représentation cyclique plane. La fonction carbonyle sous forme hydratée engage un des OH dans un pont oxidique intramoléculaire avec un OH alchoolique (hémiacétalisation), créant un nouveau C*. Ce nouveau cas de stéréoisomérie s’appelle anomérie. Les carbones de la fonction carbonyle engagés dans des cycles sont appelés anomériques. (anomérie α ou β) α-D-glucose β-D-glucose H O H HO H H OH OH 1C 1C OH 1C 1C H 2C OH 2 H C OH H 2 C OH H 2C OH 3 3 HO C H 3 HO C H HO 3 C H HO C H + H2O - H2O OU H 4C OH 4 H C OH H 4C OH H 4C OH 5 5 H 5C OH H C OH H 5C H C 6 6 6 6 CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH Forme aldéhyde vraie Hydrate d’aldéhyde Hémiacétal Forme cyclique Pont oxydique 1-5 Forme cyclique selon Tollens Forme linéaire  b-2. Principaux cycles des oses Compte-tenu de la flexibilité du squelette carboné et des angles de courbure permis par les atomes, les cycles les plus répandus dans la nature comportent : * 5 atomes (4 carbones et 1 oxygène) = furanoses. * 6 atomes (5 carbones et 1 oxygène) = pyranoses. Seuls les oses à 5 ou 6 carbones donnent des formes cycliques stables. Les tetroses existent en solution sous la forme ouverte.  b-3 – Selon Haworth C’est une représentation cyclique en perspective. On a des cycles à 5 sommets (pyranoses) ou 6 sommets (furanoses) b-3-1 Cyclisation des aldoses: 6 Animsim.swf + Formation de pyranoses (C1-C5) 6 CH2OH 1 CHO 5 CH2OH OH 4 O H 4 5 O H 6 5 4 2 1 2 HOH2C CHO C C 3 2 1 2 1 3 3 3 4 + H2O Anomère β 6 CH2OH 5 Anomère α H (OH en trans) (OH en cis) O 6 5 CH2OH 4 1 OH 6 CH2OH 6 CH2OH C D-glucose - H2O 2 OH O O 3 H 5 5 1 H 1 OH 4 OU 4 C α-D-Glcp C 2 H 2 OH β-D-Clcp 3 3 α-D-glucopyranose β-D-glucopyranose CH2OH CH2OH Aldohexopyranose H O H O OH H Plan H H OH H OH H Perspective OH OH H OH H OH H OH  + Formation de furanose (C1-C4) 6 6 1 CHO CH2OH CH2OH 6 5 O H +H O 5 H OH OH 5 4 2 1 4 2 2 HOH2C 3 CHO OH C 4 O 2 1 C1 2 H 3 3 3 4 5 Anomère α Anomère β - H2O (OH en trans) (OH en cis) 6 CH2OH 6 CH2OH 6 CH2OH D-glucose O O 5 5 1 H 1 OH α-D-Glcf 4 C OU 4 C β-D-Clcf 2 OH 2 H 3 3 α-D-glucofuranose β-D-glucfuranose CH2OH CH2OH Aldohexofuranose HO H HO H O O H OH Plan OH H OH H Perspective H OH H H H H OH OH  b-3-2 Cyclisation des cétoses: + Formation de pyranoses (C2-C6) 1 CH OH 6 2 CH2OH 6 2 1 CH2 OH 1 O CH2OH O 6 5 4 1 CH2OH 2C O HOH2C C CH2OH 5 C 5 3 2 C2 4 3 O 3 3 4 4 + H2O Anomère β 6C 5 Anomère α H (OH en trans) (OH en cis) O 6 OH CH2OH 5 2C D-fructose OU OH 6 4 6 O O - H2O 3 CH2OH 1 OH 1 5 CH2OH 5 2C 2C β-D-frup α-D-frup 4 CH2OH 4 OH 1 3 3 α-D-fructopyranose β-D-fructopyranose H H H O CH2OH O OH H Plan H H H H H OH Perspective Cétohexopyranose OH OH CH2OH OH OH OH OH H  + Formation de furanose (C2-C5) 1 CH OH 6CH OH 6CH OH 2 2 1 2 2 OH O CH2OH OH OH OH 6 5 4 1 C 2C O HOH2C C CH2OH 5 C 3 2 5 + H2O 4 2 CH2OH 3 O 4 3 3 1 4 5 - H2O 6 CH2OH Anomère α Anomère β D-fructose (OH en trans) (OH en cis) HOH2C 6 HOH2C 6 O O 1 CH2OH OH β-D-fruf α-D-fruf 5 2C 5 C 4 CH2OH 4 OH 1 3 3 α-D-fructofuranose β-D-fructofuranose CH2OH CH2OH O O CH2OH OH Plan H OH H OH H CH2OH Perspective Aldohexofuranose H OH OH OH H H  * Conclusions sur la structure cyclique: Règle 1 : passage de la Représentation de Ficscher (RF) à la Représentation de Haworth (RH) Les groupes OH qui se trouvent à droite dans la RF sont en dessous du plan horizontal formé par le cycle dans la RH Les groupes qui se trouvent à gauche dans la RF sont au dessus du plan du cycle dans la RH. Règle 2 : Règle d’Hudson L’anomère α d’un D ose est celui qui possède le pouvoir rotatoire le plus élevé. Ceci correspond à la position « trans » de l’OH en C1 pour les alodoses et C2 pour les cétoses par rapport au CH2OH porté par le Cn-1. L’anomère β correspond à la position « cis » En conclusion, l’anomère α a son groupement OH anomérique orienté vers le bas dans la série D et vers le Haut dans la série L et inversement pour l’anomère β. Règle 3 : Quand on cyclise un ose, si l’OH entrant dans le pont oxidique est situé à droite, le CH2 OH terminal sera au-dessus du plan du cycle. S’il est à gauche, le CH2OH sera en dessous du plan. Cette règle est valable quelque soit le OH entrant dans le cycle.  C – Mutarotation (cas du D-Glucose) Le glucose (glucopyranose ou glucofuranose) peut se présenter sous 2 formes avec des pouvoirs rotatoires différents : α-D-Glc, β-D-Glc. La modification du pouvoir rotatoire s’appelle la mutarotation. Ces transformations entre cycles pyranes et furane et entre l’anomère α et β se font dans des conditions de douce acidité. α-D-Glcp CH2OH CH2OH β-D-Glcp O H O OH H H OH OH OH OH H OH OH CH2OH OH OH H H C OH O OH α-D-Glcf CH OH CH2OH β-D-Glcf 2 OH CHOH O H O CHOH OH OH OH OH H OH OH  10 – Conformation spatiale des oses : la structure plane impliquerait des tensions considérables Elle est incompatible avec les données cristallographiques du cycle pyrane. a – Formes chaise et bateau. Conformères : L’étude cristallographique a montré que le cycle pyrane n’est pas plan. Il peut adopter 2 principales positions dans l’espace : * La forme chaise qui est la plus stable *La forme bateau qui est moins stable car elle implique des encombrements stériques importants.  CH2OH b– Formes C1 et C4 : H O OH H 4 1 β-D-Glup OH H OH H X Y H OH OH 1 4 HO CH2OH CH2OH OH HO Forme OH OH Bateau OH 4 1 4C OH 1C 1 4 Stable Formes Chaises encombrement c– Formes enveloppe : 3 La forme C2-endo 2 et C3-endo 1 1 du β-D-ribose 11 – Propriété des oses : a- Propriétés physiques : a-1- Solubilité et cristallisation * Les oses sont solubles dans l’eau car présentent plusieurs groupes OH * Les solutions aqueuses concentrées sont visqueuses, c’est des sirop (cristallisation difficile) * La cristallisation est facilité par ajout d’alcool (méthanol ou éthanol) où les oses sont peu solubles. * Les oses sont solubles dans le méthanol mais insolubles dans l’éther Donc on peut séparer les oses par chromatographie Migration de partage sur couche mince a-2- Pouvoir rotatoir Chaque ose a un pouvoir rotatoire spécifique qui permet de l’identifier Ose X Ose Y Témoin a-3- caractéristiques spéctrales * Les oses n’absorbent pas en ultraviolet mais dans l’infra rouge  b – Propriétés chimiques des oses : b-1 – Propriétés dues à la fonction carbonyle : b.1.1– Réduction des oses : obtention d’alditols (ositols) : Les aldoses et les cétoses sont irréversiblement réduits en alditols par addition d'hydrure. Agents alcalins : Borohydrures alcalins (NaBH4, LiBH4) Les noms des alditols s'obtiennent en remplaçant le suffixe -ose par le suffixe -itol. Par exemple le D-glucose donne le D-glucitol (D-sorbitol) et le D-mannose donne le D-mannitol, etc... - Formation d'alditol à partir d'un aldose La réaction implique exclusivement la forme ouverte de l'aldose CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH O OH OH H OH H H C NaBH4 C OH OH OH O OH OH H OH OH OH OH OH Forme Forme CH2OH cyclique ouverte D-glucose D-glucitol (D-Sorbitol)  - Formation d'alditols épimères à partir d'un cétose La réduction du D-fructose par NaBH4 donne un mélange équimoléculaire de D-glucitol et de D-mannitol, alditols épimères en C2. CH2OH CH2OH CH2OH H C OH C O HO C H NaBH4 NaBH4 CH2OH CH2OH CH2OH D-glucitol D-Fructose D-mannitol La réduction d'un cétose produit deux alditols épimères  ε CH b.1.2 – Oxydation des oses : 2OH – Oxydation douce en milieu alcalin : O δ γ OH O l'aldose R-CHO s'oxyde en acide aldonique R-COOH. Les cétoses ne sont pas oxydés. α OH Agents oxydants : I2, Br2, HNO3 dilué COOH β OH CH2OH CH2OH δ-gluconolactone O OH I2 OH OH C ε CH OH OH 2OH (OH-) O OH H δCHOH O OH OH γ OH O OH α D-glucose CH2OH β Acide D-gluconique OH γ-gluconolactone – Oxydation par les sels de métaux lourds : Le pouvoir réducteur des aldoses Réaction d'oxydation des aldoses par la liqueur de Fehling : à chaud en milieu alcalin, l'oxyde cuivrique (bleu) est réduit en oxyde cuivreux (rouge brique) insoluble, tandis que l'aldose s'oxyde en acide aldonique. Exp : Action de la liqueur de fehling avec les sels cuivriques (à chaud en présence d’un ose réducteur) R-CHO + 2 CuO + KOH R-COOK + Cu2O + H2O Acide aldonique  – Oxydation forte = oxydation nitrique : L'oxydation forte d'un aldose conduit à l'attaque simultanée de l'alcool primaire terminal et de l'aldéhyde. On obtient un di-acide carboxylique appelé acide aldarique. CHO COOH CHO COOH [HNO3] H2O [HNO3] H2O 60°C 60°C CH2OH COOH CH2OH COOH D-glucose Acide glucarique D-galactose Acide galactarique * La même réaction d'oxydation provoque la coupure oxydante du squelette carboné des cétoses. CH2OH COOH Acide oxalique C O COOH [HNO3] H2O COOH + D-fructose 60°C Acide tartrique CH2OH COOH b.1.3 – Réaction d’addition et de substitution : – Réaction avec les alcools et les phénols (addition) : formation d’oside Exp : Action du méthanol sur le glucose CH2OH CH2OH méthanol O OH O OCH3 CH3OH OH OH H OH H+/H2O OH H déméthylation OH OH D-glucose β-méthyl-O-D-glucopyranoside Un O-glycoside n'a pas de pouvoir réducteur (il ne réduit pas les oxydes métalliques) Il n'est pas capable de mutarotation Formation de O-Hétérosides – Action de l’acide cyanhydrique (addition) : (cf synthèse de kiliani Fischer)  – Action des amines (substitution) Les aldoses et les cétoses se condensent avec les amines primaires pour donner des imines cycliques. CH2OH CH2OH O OH O NH-R H2N-R OH OH H Formation de N-Hétérosides OH OH H OH OH D-glucose α ou β-N-D-glucopyranoside (Imine cyclique) Les imines formées par les oses tendent vers un équilibre anomérique (mutarotation), avec des formes α et β. Les imines cycliques ou glycosylamines N-substituées, ou encore N-glycosides. Comme les O-glycosides, les N-glycosides entrent dans la composition de nombreuses molécules biologiques, dont les plus connues sont les nucléosides et les nucléotides, constitutifs des acides nucléiques (Cf. cours AN). – Action des thiols (substitution) CH2OH CH2OH Les aldoses donnent des S-Héterosides O OH O S-R Les cétoses ne se combinent pas HS-R OH OH OH H H OH OH OH Formation de S-Hétérosides D-glucose α ou β-S-D-glucopyranoside  b.2 – Propriétés dues à la fonction alcool : b.2.1 – déshydratation en milieu acide : En milieu acide concentré et à chaud, les oses (à partir de 5 C) sont déshydratés en furfural ou dérivé du furfural H H H H H H H H HO C C OH C C HO C C OH C C [H+] [H+] H H H H C C C C C C C C 3H2O H 3H2O H CHO CHO HOH2C CHO HOH2C CHO OH OH O OH OH O Sucre à 5 C furfural Sucre à 6 C Hydroxyméthyl furfural pentose hexose Les Furfurals et dérivés se condensent avec des phénols pour donner des produits colorés utilisés pour la caractérisation et le dosage colorimétrique des oses. α-naphtol Anneau violet Réaction de Molish : Tous les oses HCl à chaud Orcinol Coloration verte Réaction de Bial : Pentoses HCl à chaud résorcinol Coloration rouge Réaction de Sélivanoff : Cétoses HCl à chaud  b.2.2 – Formation d’esters : Des esters d'oses existent à l'état naturel. Des oses mono- et diphosphate sont essentiels dans le métabolisme énergétique. CH2OH CH2O P H D-glucose O OH O OH HO P OH OH + D-glucose 6 P OH OH H H O OH OH OH b.2.3 – Formation d’éthers : Les plus utilisés sont les éthers méthyliques pour la détermination de la structure des cycles et les enchaînement des holosides Agents méthylants : ICH3/Ag2O ou SO4(CH3)2/NaOH Perméthylation CH2OH CH2OCH3 CH2OCH3 O OH O OCH3 O OH ICH3 HCl dilué OH OCH3 OCH3 H Ag2O OH H H OCH3 OCH3 OH OCH3 OCH3 β D-glucopyranose 2.3.4.6 tetra O-méthyl- 2.3.4.6 tetra O-méthyl-D- β 1 méthyl D-glucopyranoside glucopyranose  b.2.4 – Oxydation de la fonction alcool primaire : après protection de la fonction carbonyle, on obtient un acide uronique = Ac. Alduronique CH2OH CH2OH COOH COOH O OH O OCH3 O OCH3 O OH CH3OH HNO3 OH OH OH OH HCl OH H OH H H H OH OH OH OH OH OH D-glucose D-méthylglucoside Acide glucuronique b.2.5 – Oxydation par l’acide périodique : – Oses sous forme linéaire : H H IO4- * Fonction alcool primaire : C CH2OH C + HCHO O Aldéhyde formique OH * Fonction alcool secondaire : H H H H H IO4- C C C C + HCOOH + C O O OH OH OH Acide formique * Fonction aldéhyde : IO4- R-CHOH-CHO R-CHO + HCOOH + IO3- * Fonction cétone : IO4- R C CH2OH R-COOH + HCHO + IO3- O * Fonction acide : IO4- R-CHOH-COOH R-CHO + CO2 + IO3- * Fonction amine : IO4- R C CHOH R’ R-CHO + HOC-R’ NH3 + IO3- NH2  CHO – Oses sous forme cyclique : * Ose réducteur OH CH2OH CH2OH + H C O O OH O O IO4- CH2OH OH OH C OU OH H OH CHO H O OH OH OH OH +H C Ester formique OH H O D-glucose Hexose D-arabinose OH Pentose * Ose non réducteur + Cycle pyranose CH2OH CH2OH O OCH3 O OCH3 OH 2 IO4- OH C dialdéhyde + H C + 2IO3H + H2O OH H H O O H C OH O H + Cycle furanose + Aldopentose dialdéhyde CH2OH O OCH3 CH2OH O OCH3 OH IO4- HIO3 + H2O + H H C C OH O H O H + Aldohexose O CH2OH C O OCH3 H O OCH3 O CHOH + H C + 2 HIO3 + 2 H2O H OH 2 IO4- H C C H O H O H OH trialdéhyde + Cétohexose dialdéhyde CH2OH O OCH3 O CH2OH OCH3 OH IO4- + HIO3 + H2O CH2OH CH2OH C C OH O H O H  b.3 – Propriétés dues à un groupement alcool et un groupement carbonyle voisisns : b.3.1 – Action de la phényl hydrazine : Formation d’osazones * A froid : Obtention de phényl hydrazone * A chaud : Obtention d’osazone H2N-NH-C6H5 H2N-NH-C6H5 H H H H H R R C C R C C C C + NH3 + H2N-C6H5 O N-NH-C6H5 O N-NH-C6H5 OH OH Aldose Phényl-hydrazone H2N-NH-C6H5 H R C C osazone N-NH-C6H5 H5C6-NH-N b.3.2 – Isomérisation alcaline EPIMERISATION Conversion Conversion O O H OH OH OH H H H C H2C C C C H C C O HO C H OH C OH OH C R R R R R Aldose Cétose correspondant Aldose Épimère en C2 11- Oses d'intérêt biologique Les oses naturels et leurs dérivés sont de la série D. a- Trioses Les formes les plus importantes des trioses sont des dérivés phosphorylés dérivés du catabolisme du du fructose 1-6 diphosphate CHO CH2O P glyceraldehyde-phosphate C O Dihydroxyacétone-phosphate CH2O P CH2OH b- Tétroses Le seul tétrose d'intérêt est le D-érythrose. Son ester-4-phosphate est l'un des intermédiaires de la photosynthèse et de dégradation de l'acide phospho-gluconique. CHO CH2O P  c- Pentoses HOH2C - le D-xylose, dans bois dont et polyosides de matrices OH O extracellulaires animales. OH H HO - le L-arabinose, c'est l'un des rares sucres naturels L-arabinose D-arabinose de la série L. On le trouve dans toutes les plantes. OH HOH2C OH O O HO HO -Le D-arabinose lui est précurseur du D-glucose et HOH2C H H D-mannose. Non métabolisé par l'homme, il est éliminé directement dans les urines. OH OH - le D-ribose et son dérivé le D-2-déoxyribose entrent composition des acides nucléiques (ARN et ADN). P OH2C OH - le D-ribulose cétopentose trouvé à l'état de O ribulose-1,5-diphosphate qui est fondamental dans les réactions de photosynthèse. CH2O P OH HO  d- Hexoses Les hexoses importants, isomères de la série D, sont le glucose, deux de ses épimères le galactose et le mannose ainsi qu'un cétose, le fructose et des dérivés aminés. - le D-glucose la "molécule carburant" du monde vivant. abondant à dans miel et fruits. Sous forme polymérisée constitue les réserves énergétiques (amidon végétal, glycogène animal). CH2OH - le D-galactose entre dans la constitution du lactose du lait des OH O H mammifères. H OH H H OH H OH CH2OH - le D-mannose H O H Peu abondant à l'état libre si ce n'est dans l'écorce H OH OH d'orange, il entre dans la constitution de polymères tels OH OH les mannanes, ou encore de glycoprotéines. H H - le D-fructose CH2OH O CH2OH C'est l'un des rares sucres cétoniques naturels : on le H OH trouve à l'état naturel dans les fruits et le miel auquel il H OH donne sa consistance à cause de sa cristallisation difficile. Il entre dans la composition du saccharose. OH H - les osamines Ce sont des oses dans lesquels une fonction alcool a été substituée par une amine. Les plus importantes sont des hexosamines, dérivés du glucose ou du galactose par substitution sur le C2 : Les osamines ont les mêmes propriétés que les oses (propriétés réductrices, formes cycliques,…) et les propriétés des amines (basique : fixation d'un proton). On les trouve essentiellement dans : - sous forme polymérisée, par exemple dans la chitine (squelette des arthropodes) - dans la confection de la muréine (paroi des bactéries) - dans les glycoprotéines. CH2OH CH2OH CH2OH O O O (H,OH) (H,OH) OH O NH-COH3 NH2 NH-COCH3 CH3-CH-COOH D-glucosamine N-acétyl α D-glucosamine Acide N-acétyl muramique CH2NH2 O O H2N CH2OH O (H,OH) H3C-NH (H,OH) CH2OH (OH,COOH) NH2 Acide neuraminique Néosamine N-méthyl L glucosamine  III- Les oligosides : (oligosaccharides) Les oligosaccharides sont des enchaînements covalents de 2 à quelques dizaines d'unités monosaccharidiques, liées entre elles par la Liaison O-glycosidique 1 – Liaison O-glycosidique : La liaison O-glycosidique est un acétal formé entre deux oses. Elle aboutit à la formation d’un disaccharide (ou dioside) est un oligosaccharide formé de 2 oses, un trisaccharide (ou trioside) est formé de 3 oses, etc... CH2OH O H α-D-glcp OH OH CH2OH CH2OH OH OH O O H O CH2OH H H O OH O (H,OH) OH H β-D-fruf H OH OH H CH2OH β-D-galp D-glcp OH OH H Dans le lactose, la liaison O-glycosidique unit le Dans le saccharose, la liaison glycosidique unit le carbone anomérique C1 d'un D-galactopyranose carbone anomérique C1 d'un D-glucopyranose au au carbone C4 d'un D-glucopyranose. carbone anomérique C2 d'un D-fructofuranose  2 - Diversité d'enchaînements : Si le groupement hydroxylehémi-acétal initial est en configurationα : la liaisonosidique est α. Si le groupement hydroxylehémi-acétal initial est en configuration β : la liaisonosidique est β. CH2OH CH2OH OSE A O O O OH OSE B OH OH OH OH OH OH Il existe (au moins) 20 manières différentes de lier deux aldohexoses A et B en un disaccharide : A peut-être lié par son carbone anomérique α ou β à chacune des 4 fonctions alcool de B A et B peuvent être liés par leurs carbones anomériques selon 4 combinaisons de configurations : α-α, α-β, β-β, et β-α.  3 - Conventions d'écriture La liaison glycosidique bloque la forme anomère de l'ose dans une conformation α ou β : cet ose est non réducteur. Si la liaison n'engage pas pour le deuxième ose sa fonction semi-acétalique nous aurons les deux formes anomères et donc le diholoside est réducteur. Nomenclature et convention Génériquement le nom s’ecrit: x…osyl ((anomère) 1-> n) y…ose (n est différent du carbone anomérique) x…osyl ((anomère) 1-> 1 (anomère)) y…oside Pour les cétoses le carbone anomérique est en position 2, il suffit d'adapter cette formule générique et pour le cétose, remplacer 1 par 2.  La nomenclature se fait de droite à gauche ou de haut en bas CH2OH CH2OH OH O Pour le lactose, le nom systématique complet est : H O H OH O H (H,OH) β-D-Galactopyranosyl-(1->4)-D-glucopyranose OH H Le nom abrégé est : β-D-Galp-(1->4)-D-Glcp OH β-D-galp D-glcp OH CH2OH O H α-D-glcp OH Pour le saccharose, le nom systématique complet est : OH OH α-D-glucopyranoside β-D-Fructofuranosyl O CH2OH Le nom abrégé est : α-D-Glcp-(1->2)-β-D-Fruf O β-D-fruf H OH H CH2OH OH H  CH2OH OH O α-D-galp H OH OH2C OH O H α-D-glcp OH OH OH O CH2OH O β-D-fruf H OH H CH2OH OH H Pour le raffinose le nom systématique complet est : α-D-Galactopyranosyl-(1->6)-α-D-glucopyranosyl-(1->2)-β-D-fructofuranoside Le nom abrégé est : α-D-Galp-(1->6)-α-D-Glcp-(1->2)-β-D-Fruf Cas d'oligosaccharides ramifiés : Lorsqu’un même résidu d'une chaîne oligo- ou polysaccharidique est lié à plusieurs autres résidus il y’a création d’une ramification. L'écriture la plus simple consiste à mettre les différentes chaînes sur des lignes différentes, la chaîne la plus longue est la chaîne principale. α-D-Glcp-(1->4)-α-D-Glcp-α 1 chaîne secondaire de 2 résidus 6 α-D-Glcp-(1->4)-α-D-Glcp α-D-Glcp-(1->4)-α chaîne principale de 3 résidus L’autre écriture de ce même oligoside peut décrire toute la structure en une seule ligne. La chaîne secondaire est écrite entre crochets [ ] , immédiatement à gauche du résidu porteur de la ramification. a-D-Glcp-(1->4)-[α-D-Glcp-(1->4)-α-D-Glcp-α 1]->6- α-D-Glcp-(1-4)-α-D-Glcp Exemlpe d’oligosides Planche 25 Disaccharide réducteur (Lactose, Maltose, Cellobiose) Disaccharide non réducteur (Saccharose, Tréhalose) Trisaccharide non réducteur (Tréhalose)  4) Détermination de la structure d'un oligoside. 4-1) Hydrolyse d’un oligoside et séparation des oses. Il faut couper la liaison par hydrolyse acide et on se retrouve avec un mélange d'oses. Ose 4 Ose 3 HCl Ose 1 Ose 2 Ose 3 Ose 4 Hydrolyse acide Oligoside Ose 2 Ose 1 Mélange d’oses Donc il faut faire une séparation des oses par technique de chromatographie a) Chromatographie sur couche mince: + AgNo3 Migration Migration Cuve de Chromatographie Solvant : Butanol / Pyrimidine / HCl Mélange d’oses Témoins +Révelateur Mélange d’oses Témoins + Détection  b) Chromatographie en phase gazeuse. 3 acteurs : solvants: gaz (azote-argon) Phase stationnaire: silice dans la colonne. un soluté Détection Infra rouge Spectrometrie Masse Temps (min) 4-2) Détermination de la nature des oses. a- Perméthylation ou méthylation complète d’un héxose suivie d’une hydrolyse acide Pyranose Furanose Pyranose Furanose CH2OCH3 CH2OCH3 CH2OCH3 CH2OCH3 H3CO H3CO O (H,OCH3) O (H,OH) ALDOSE OCH3 (H,OCH3) OCH3 (H,OH) H3CO H3CO OCH3 OCH3 H3CO OCH3 H3CO OCH3 HCl C. méthylés 1,2,3,4,6 1,2,3,5,6 2,3,4,6 2,3,5,6 CH2OCH3 OH CH2OCH3 OCH3 OH O OCH3 O CETOSE OCH3 OCH3 CH2OCH3 H3CO CH2OCH3 CH2OCH3 H3CO CH2OCH3 OCH3 OCH3 H3CO OCH3 H3CO OCH3 C. méthylés 1,2,3,4,5 1,2,3,4,6 1,3,4,5 1,3,4,6 b- Action de l’acide périodique (HIO4-) sur un méthylhexoside Pyranose Furanose CH2OH CH2OH ALDOSE O (H,OCH3) (H,OCH3) Bilan 2HIO4- + 1 HCOOH 2HIO4- + 1 HCHO CH2OH OCH3 OCH3 O CETOSE CH2OH CH2OH Bilan 2HIO4- + 1 HCOOH 1 HIO4-  4-3) Détermination du mode de liaison des oses a) Liaison oside-oside (diholoside) Dans le cas d'un aldose, sa fonction réductrice est portée par le carbone 1. Dans le cas d'un cétose, sa fonction réductrice est porté par le carbone 2. Diholoside Liqueur de Fehling Aldose-Aldose Test négatif 1-1’ Solution reste bleue Liqueur de Fehling Aldose-cétose Test négatif Les 2 fonctions 1-2 réductrices restent Liqueur de Fehling bloquées Cétose-Cétose Test négatif 2-2’ b) Liaison oside-ose Liqueur de Fehling Aldose-Aldhexose Test Positif 1-> x (2,3,4,5,6) Rouge Liqueur de Fehling Cétose-A