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LES GLUCIDES Raphaël Thuillier Le CM. PACES 1  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voi...

LES GLUCIDES Raphaël Thuillier Le CM. PACES 1  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 2  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 3  Les Glucides Molécules sont composées de C, H, O selon la formule brute: (CH2O)n. Dans la formule brute, pour chaque carbone, il y aura 2 hydrogènes et un Oxygène 4  Pourquoi toujours CHON !? Proportion d’élément dans l’univers Mass fraction in Elément % parts per million Hydrogène 739,000 73.90 Hélium 240,000 24.00 Oxygène 10,400 1.04 Carbone 4,600 0.46 Néon 1,340 0.13 Fer 1,090 0.11 Azote 960 0.10 Silicone 650 0.07 Magnésium 580 0.06 Soufre 440 0.04 Croswell, Ken (February 1996). Alchemy of the Heavens. 5 Anchor. ISBN 0-385-47214-5.  Les Glucides Molécules sont composées de C, H, O selon la formule brute: (CH2O)n. Ce sont des molécules organiques dont les carbones sont porteurs — de fonctions alcools (-OH) alcool secondaire (milieu chaine), alcool primaire (fin chaine) — d’une fonction aldéhyde ou cétonique C=O, fin de chaine (aldéhyde), dans la chaine (cétone) — parfois d’une fonction acide ou aminée. Donc: aldéhyde ou cétone polyhydroxylées car un carbone est porteur soit d’un aldéhyde soit d’une cétone, tous les autres étant porteurs de fonctions alcools. 6  Les Glucides Importance en Biologie 1. Rôle énergétique 40 à 50 % des calories alimentaires Réserve (glycogène, foie et muscles) Mol/g 0.21 0.5 Kcal/g 2.53 6.04 Rendement: Kcal/litre O2 3.39 3 7  Les Glucides Importance en Biologie 2. Rôle structural Eléments de soutien (cellulose, acide hyaluronique…), de protection et de reconnaissance dans la cellule. Constituants de molécules fondamentales : acides nucléiques, coenzymes, vitamines, … 3. Rôle économique Cellulose : milliards de tonnes / an Amidon, saccharose : millions de tonnes / an. 8  Les Glucides Importance en Biologie 4. La place du GLUCOSE Principal carburant des tissus: Glycolyse Seul carburant du fœtus Rôle fondamental car tous les glucides alimentaires sont absorbés sons forme de glucose ou convertis en glucose dans le foie. Tous les glucides sont synthétisés à partir du glucose dans l’organisme 9  Les Glucides Classification On distingue les oses et les osides. Classification des oses Nombre d’atomes de carbone 3C (triose) ; 5C (pentose) ; 6C (hexose) Nature du carboxyle. Aldéhyde → Aldose ; Cétone → Cétose La combinaison de ces 2 critères caractérise l’ose : — Aldopentose, Aldohexose, … — Cétopentose, Cétohexose, … 10  Les Glucides Classification Les osides Ce sont des molécules dont l’hydrolyse fournit 2 ou plusieurs molécules d’oses. Ces oses sont identiques ou différents. On en distingue 2 grands groupes : Holosides et Hétérosides. Holosides (uniquement oses) — Liaison de n molécules d’oses par des liaisons glycosidiques. — Selon le nombre d’oses constitutifs : Di-, Tri, Tétra … holosides. — Oligosides : jusqu’à quelques dizaines d’oses. — Polyosides : quelques centaines d’oses (cellulose, amidon). Hétérosides (oses + autre) — Ils donnent par hydrolyse : oses + aglycone (partie non sucrée). — Liaison à des Protéines (glycoprotéines), à des Lipides (glycolipides), à des bases azotées… 11  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 12  Les Glucides Oses simples ou monosaccharides Noms et convention de numérotation des Carbones de la chaine Les oses se caractérisent par deux groupements symétriques à chaque extrémité, deux types d’oses: 1. Groupement carbonyle O Aldéhyde Cétone Premier C 1 C O CH2OH 2 C C O Carbones Asymétriques 3 C C Dernier C 4 C H2OH H C H2OH 2. CH2OH symétrique C H O H 13  Carbone Asymétrique OH : groupement hydroxyle CH2OH C O H C OH C H2OH 14  Les Glucides Oses simples ou monosaccharides Carbone asymétrique => isomères Exemple du Glycéraldéhyde Le carbonyle est toujours à droite (convention) C O C O C OH HO C C H2OH C H2OH OH à Droite: OH à gauche (Left): Serie D, dextrogyre Miroir Serie L, levogyre 15  Les Glucides Oses simples ou monosaccharides Pourquoi dextrogyre et levogyre Gyre: du latin gyrus, cercle Car pour le glycéraldéhyde en solution (et UNIQUEMENT pour le glycéraldéhyde): La forme D dévie la lumière vers la droite, la forme L vers la gauche Polarymètre à pénombre de Laurent 16  Les Glucides Oses simples ou monosaccharides Quid de L ou D pour les plus longues chaines? On regarde l’avant dernier carbone asymétrique C O C O C OH C OH C OH HO C C H2OH C H2OH OH à Droite: OH à gauche (Left): Serie D, dextrogyre Serie L, levogyre 17  Les Glucides Carbones asymétriques: 1. Porte 4 radicaux différents 2. Isomères optiques ou énantiomères Isomère dextrogyre (+) Isomère lévogyre (-) Mélange équimoléculaire des 2 isomères : Racémique (DL) -> inactif sur la lumière polarisée. 3. Une molécule chirale est une molécule optiquement active : Elle renferme au moins 1 C asymétrique Elle n’a pas de plan de symétrie. 4. Configuration stéréochimique et pouvoir rotatoire d’un ose En dehors du glycéraldéhyde, il n’y a aucune relation entre configuration stéréochimique de l’ose et son pouvoir rotatoire 18  Représentation de FISHER = OH Même Formule brute= isomères  Les Glucides Définitions Isomère : se dit d’une ou plusieurs molécules qui possèdent la même formule brute mais qui ont des formules semi développée ou développées différentes (CH2O)6 20  Les Glucides Définitions Parmi les isomères Diastéréoisomères: se dit que deux ou plusieurs molécules qui ont le même enchaînement d’atomes mais qui ne sont ni superposables ni l’image l’une de l’autre dans le miroir. D-Glucose D-Gulose D-Glucose L-Glucose 21  Les Glucides Définitions Parmi les isomères Isomères optiques = enantiomères : isomères qui sont l’image l’un de l’autre dans le miroir D-Glucose D-Gulose D-Glucose L-Glucose 22  Les Glucides Définitions Épimère: se dit de chacun des diastéréoisomères qui comportent plusieurs centres stéréogènes tétraédriques et qui possèdent des configurations opposées au niveau de l’un seulement de ces centres Epimères en 2 Epimères en 4 23  Les Glucides Le Glucose et ses épimères importants Importance des épimérases Le Galactose est épimère en 4 du Glucose. L’absence d’épimérase (UDP-glucose 4-epimerase) empêche la transformation du Galactose en Glucose et entraîne une des formes de la galactosémie congénitale du nouveau-né. Signes cliniques: cataracte, lésions hépatiques, surdité, retard mental Le galactose (soit venant de l’alimentation soit de la conversion du glucose) est la base de la synthèse du glutamate, de la glutamine et du GABA dans le cerveau: rôles dans la neurotransmission. Le Mannose est épimère en 2 du Glucose 24  Glucose et Fructose Très similaires Cristaux de Fructose d’un point de vue structural (cétose du mannose et du glucose) Fructose: index glycémique de 23 (versus 100 pour le glucose), -> mieux supporté par les diabétiques n’impacte pas directement la production d’insuline, ne provoque pas le même niveau de sensation de satiété. Industrie alimentaire: sirop de glucose/fructose préféré au saccharose. Au labo: consommation de fructose = addiction + modification du métabolisme (augmentation lipides &cholestérol circulant; accumulation de graisse hépatique et viscérale) L'indice glycémique, inventé par Dr Jenkins en 1981, décrit la capacité d’un aliment a élever le taux de glucose sanguin après injestion. 25  Les Glucides Structure cyclique des oses : 6 structure de HAWORTH Réactivité de la fonction carbonylique et 5 formation d’une liaison hémicétalique 4 1 3 2 6 5 4 3 2 1 6 5 4 1 6 3 2 5 4 3 2 1 6 6 5 5 4 1 3 2 Dextrogyre: 4 1 3 2 6 5 O 4 1 3 2 En Levogyre: 6 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 6 5 O 4 6 1 Cycle Pyrane 3 2 Cycle Furane  Les Glucides Structure cyclique des oses : structure de HAWORTH Distinction des anomères α et β Cycle = plan Formation de la nouvelle fonction alcool au dessus (beta) ou en dessous (alpha) du plan 6 5 O OH 6 4 1 BETA 3 2 H 5 OH O 4 1 3 2 H 6 5 O H 4 1 ALPHA 3 2 OH 28  Les Glucides Quelques cycles souvent rencontrés αD Glucopyranose αD Mannopyranose 29  Les Glucides Propriétés 1. Certains oses (fructose) ou osides (saccharose) ont un goût sucré. 2. Les oses sont très hydrosolubles en raison de leurs nombreuses fonctions alcooliques. 3. Les aldoses sont réducteurs par leur fonction hémiacétalique (pseudoaldéhydique). Les cétoses sont très peu réducteurs. 4. Les oses se réduisent en polyols par voie chimique ou enzymatique — La fonction aldéhydique ou cétonique est réduite en alcool 30  Les Glucides Propriétés 5. Les oses subissent une interconversion et une épimérisation en milieu alcalin Interconversion Exemple: la glucose-6-phosphate isomérase interconvertit le α-D- glucose-6-phosphate produit au cours de la glycolyse en β-D-fructose-6- phosphate. Epimérisation : Mannose/Glucose épimères en C2, Galactose/Glucose épimères en C4, possible par une enzyme. 31  Les Glucides Propriétés 6. Les oses sont estérifiables : exemples du Glucose - 6 - Phosphate, du Fructose 1, 6 - bis Phosphate, molécules importantes du métabolisme énergétique. Glucose - 6 - Phosphate 32  Les Glucides Dérivés amines d’oses biologiques Deux osamines ont un intérêt biologique : la Glucosamine et la Galactosamine [-OH en 2 remplacé par -NH2] Le -NH2 est souvent acétylé pour donner une N- acétylglucosamine ou une N-acétylgalactosamine Les osamines sont des constituants des glycolipides, des glycosaminoglycanes (matrices cellulaires, glycocalyx) et des glycoprotéines (ex interface cellule/matrice extracellulaire, etc). 33  Les Glucides Dérivés acides d’oses biologiques Acides aldoniques -> oxydation de la fonction hémiacétalique des aldoses par les halogènes (les cétoses ne réagissent pas) Le Phospho-gluconolactone est un intermédiaire du cycle des pentoses phosphates (producteur d’énergie) 34  Les Glucides Acides uroniques On les obtient par oxydation de la fonction alcool primaire sur le C6 Constituants des Glycosaminoglycanes Rôle essentiel dans la détoxification hépatique: conjugaison a des métabolites insolubles (billirubine, xenobiotiques…) pour les rendre soluble et faciliter leur élimination 35  Les Glucides Acide sialique = Acide N-acétylneuraminique (NANA) L’acide neuraminique est le produit de condensation de : Acide pyruvique + D mannosamine. Ce sont des constituants des glycoprotéines et glycolipides de la paroi des cellules eucaryotes. 36  Les Glucides Acide ascorbique = vitamine C Les vitamines ne sont pas synthétisées par l’organisme et sont nécessaires en faible quantité. La vitamine C est indispensable car elle n’est pas synthétisée par l’organisme chez l’homme. Sa carence conduit au scorbut. Elle possède un pouvoir très réducteur. Elle est donc facilement oxydable en acide déhydroascorbique qui est aussi biologiquement actif C’est le coenzyme de la prolylhydroxylase qui intervient dans la synthèse d’hydroxyproline (role essential dans la matrice extracellulaire, entre autres). Elle intervient aussi dans la synthèse des stéroïdes. Sa carence entraîne des anomalies de la synthèse du collagène, la fragilité 37 des parois vasculaires.  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides GM - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 38  Les Glucides Les osides Les osides sont des molécules qui donnent par hydrolyse 2 ou plusieurs molécules d’oses. Ces oses peuvent être identiques ou différents On distingue deux types de liaisons dans les diolosides Diholoside non réducteur : liaison osido-oside Il y a condensation de la fonction hémiacétalique de chaque ose par une liaison osido-oside Diholoside réducteur : liaison osido-ose Il y a condensation d’une fonction hémiacétalique d’un ose avec une fonction alcoolique d’un second ose par une liaison osido-ose. Il reste donc dans le diholoside un -OH hémiacétalique libre responsable du pouvoir réducteur de la molécule. 39  Les Glucides Les principaux diholosides Le Maltose C’est un produit d’hydrolyse obtenu lors de la digestion des polyosides (amidon et glycogène) par les amylases. Il est formé par l’union de 2 molécules de glucose unies en α 1-4. C’est un oside réducteur. Il est hydrolysé en 2 molécules de glucose par une enzyme spécifique, la maltase. La maladie génétique de Pompe (maladie rare: 1/10000) est caractérisée par une déficience en Maltase acide (spécifique des lysosomes), perturbant gravement le métabolisme du glycogène 40  Les Glucides Les principaux diholosides Le Lactose Il est présent dans le lait de tous les mammifères. C’est un diholoside réducteur constitué d’une molécule de Gal et d’une molécule de Glc unies par une liaison β 1-4 osidique. 41  Les Glucides L’intolérance au lactose Activité de la lactase très forte chez les nouveaux nés, mais decline avec le temps (particulièrement après le sevrage). Persistence de l’activité chez les population Nordiques (>90% en scandinavie et en Hollande) et disparait plus au Sud: (~50% en espagne, Italie et chez les population Arabes pastoriales), pour être quasi absent en Asie et en Afrique non pastorale (~1% en Chine, ~5%–20% en Afrique de l’ouest agricole). Plus commun chez les peoples dépendant encore du lait. Ne pas confondre avec la tolérance, développée par ex chez les individus buvant du lait depuis le plus jeune âge. Facteurs confondants: exposition (dose/fréquence), flore intestinale et atteintes intestinales. 42  Les Glucides Les principaux diholosides Le Saccharose C’est un diholoside non réducteur, très répandu dans les végétaux. C’est le sucre de table. Le saccharose est hydrolysable par voie enzymatique avec une α glucosidase ou une β fructosidase La déficience congénitale en sucrose-isomaltase. Touche 1/5000 personne de descendance Européenne, voir 1/20 chez les population du cercle arctique. Symptômes similaires à l’intolérance au lactose 43  Les Glucides Les polyosides Les polyosides homogènes sont constitués d’un seul type d’ose. Ce sont soit des polyosides de réserve (amidon, glycogène) soit des polyosides de structure (cellulose). Contrairement aux protéines et aux acides nucléiques, le poids moléculaire des polyosides n’est pas défini car leur programme de synthèse est déterminé par les enzymes. 44  Les Glucides Les polyosides A. L’Amidon C’est le polyoside végétal le plus abondant (réserve glucidique), qui a un rôle nutritionnel important chez l’homme et l’animal. Il est synthétisé dans les grains d’amyloplastes des cellules végétales. Son poids moléculaire est variable selon l’espèce végétale et peut atteindre plusieurs millions. Il est constitué d’une chaîne principale faite de glucoses unis en α1-4 et de ramifications (ou branchements) faites de glucoses unis en α1-6. 45  Les Glucides Les polyosides Le Glycogène C’est la forme de stockage du glucose dans le foie et les muscles C’est un polyhoside plus ramifié que l’amidon car ses branchements sont plus nombreux (liaisons α1-6) et plus rapprochés. 46  Les Glucides Les polyosides La Cellulose C’est un polyoside linéaire qui représente 50 % du carbone végétal. Il est formé de l’union de 2 Glucoses unis en β 1-4 (cellobiose). Il est hydrolysé par une β glucosidase (cellulase) non présente dans le tube digestif chez l’homme. La cellulose n’est donc pas hydrolysée lors de la digestion chez l’homme. La cellulose n’est pas ramifiée 47  Les Glucides Les polyosides Pourquoi l’homme ne digère pas la Cellulose ? En fait si, il la digère. Enfin pas lui, mais les bactéries de la flore intestinales Question de TD La cellulose, ainsi que d’autres fibres végétales, sont fermentées par les bactéries du gros colon pour produire des acides gras à chaine courte 48  Les Glucides Hydrolyse enzymatique des osides et polyosides Hydrolyse réalisée par des osidases qui sont spécifiques : — de la nature de l’ose — de la configuration anomérique α ou β de la liaison osidique — de la dimension des unités attaquées dans le polyoside. Ex: L’amidon (½ des glucides apportés par l’alimentation): 3 enzymes. La α1-4 glucosidase: agit en n’importe quel point de la chaîne sur les liaisons α1-4 pour donner des molécules de maltose et des dextrines limites car leur action s’arrête au voisinage des liaisons α1-6. Il existe une amylase salivaire, peu active car elle est inactivée par le pH acide de l’estomac et, surtout, une amylase pancréatique très active. L’enzyme débranchant ou α1-6 glucosidase: scinde la liaison α1-6 glucosidique c’est-à-dire les points de branchement. Il est présent dans la bordure en brosse de l’intestin. La maltase Tous les maltoses obtenus précédemment sont hydrolysés en 2 molécules de glucose par la maltase (α1-4 glucosidase) 49  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 50  Les Glucides Glycosaminoglycanes Ce sont des polyosides hétérogènes qui résultent de la polycondensation d’osamines et d’acides glucuroniques. (ex: l’héparine) Exemple: le glycocalyx 51  Les Glucides Glycosaminoglycanes Pour l’heparane sulfate et la chondroitine sulfate: Encrage sur une sérine flanquée de glycine + un pont tetrasaccharide : xylose (Xyl) / deux galactose (Gal) / Acide Glucuronique (GluA) R.F. van Golen et al. / ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING 2014  Les Glucides Glycosaminoglycanes Couvre la surface des vaisseaux (surtout de petits calibre), rôle dans la régulation de l’adhésion, du stress oxydant, des échanges cellule/lumière, de la perception et régulation des forces de cisaillement.  Les Glucides Les glycoprotéines Ce sont des hétéroprotéines qui résultent de l’union d’une fraction glucidique (de type oligoside) et protéique par des liaisons covalentes. Elles sont très répandues dans la nature et ont des fonctions biologiques très variées. Elles renferment plus de 5 % de glucides Différents oses: D mannose, D galactose, L fucose, Glucosamine, Galactosamine, Acide N-acétylneuraminique (NANA) Enchaînement glucidique souvent ramifié Elles interviennent dans l’interaction cellule-cellule : contact, transfert d’information… Elles influencent le repliement des protéines. Elles protègent les protéines contre les protéases. La spécificité des groupes sanguins dépend de la fraction glucidique des glycoprotéines des globules rouges 54  Les Glucides - Généralités - Oses simples ou monosaccharides - Oses complexes ou polysaccharides - Glycosaminoglycanes & Glycoprotéines - Un exemple de voie métabolique des oses : la glycolyse 55 Les Glucides La glycolyse  Les Glucides La glycolyse Etape 1: Fructose 1,6-biphosphate 6C 6C Bilan énergétique: - 2 ATP  Les Glucides La glycolyse Etape 2: Triose phosphate 6C 3C  Les Glucides La glycolyse Etape 3: Pyruvate 3C 3C Bilan énergétique: 1 glycéraldéhyde-3-phosphate: + 2 ATP + 1 NADH, H+  Les Glucides Bilan Energétique La glycolyse 1 glucose = Etape 1: -2 ATP Etape 2: 0 Etape 3: 2 x (1 pyruvate, 2 ATP, 1 NADH, H+) Global: Glucose + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP 2 pyruvate + 2 NADH, H+ + 2 ATP + 2 H2O 1 Pyruvate = 1 CoA 1 Acétyl-CoA 2 CO2 KREBS 3 NADH,H+ + 1 FADH2 + 1 ATP = 10 ATP Grossièrement: 1 NADH,H+ = 2.5 ATP 1 FADH2 = 1.5 ATP Bilan final: 1 glucose ≈