Cours de Biochimie Structurale - Structure et Propriétés des Glucides 2024-2025 PDF

2024 - 2025 1  Sommaire I. Introduction générale.......................................................................................................................................................... 3 II – Struc...

2024 - 2025 1  Sommaire I. Introduction générale.......................................................................................................................................................... 3 II – Structure des monosaccharides....................................................................................................................................... 5 A. les deux familles des Monosaccharides sont des aldoses et cétoses............................................................................. 5 B. Les monosaccharides ont des centres asymétriques..................................................................................................... 6 C. Filiation des oses........................................................................................................................................................... 11 D- Structure cyclique des oses: Anomères....................................................................................................................... 13 III. Propriétés des oses......................................................................................................................................................... 18 A- propriétés physiques.................................................................................................................................................... 18 B- Propriétés chimiques.................................................................................................................................................... 19 1- Propriétés dues à la fonction carbonyle................................................................................................................... 19 2-Propriétés dues à la fonction alcool.......................................................................................................................... 26 3-Propriétés dues à un groupement alcool et un groupement carbonyle voisins....................................................... 29 IV-- Oses et leurs dérivés d’intérêts biologiques................................................................................................................. 31 V-Les osides.......................................................................................................................................................................... 36 A- Les oligosides................................................................................................................................................................ 36 B -Polysaccharides............................................................................................................................................................. 42 1-Homopolysaccharides ou homoglycanes.................................................................................................................. 43 2 Hétéropolysaccharides ou hétéroglycanes................................................................................................................ 46 C- Hétérosides................................................................................................................................................................... 47 2 Objectifs Q1: Quels sont les différents types de glucides? Obj1: être capable de définir les monosaccharides, les disaccharides et les polysacharides et de reconnaitre les exemples. Q2: Pourquoi les oses monoascharides sont chiraux, et comment ceci influence Les nombres et les types des isomers? Obj2: être capable d’identifier le carbone chiral des monoasaccharides, prédire leur nombre d’ isomères des différents, et identifier les pairs d’énantiomères. Q3: quelles sont les structures des monosaccharides, et comment sont elles représentées leurs formules Obj3: être capable d’expliquer les relations entre les chaines linéaires et cycliques des structures des monosaccharides, décrire leurs isomères, et montrer comment sont ‘ils représentées dans les projections de Fischer et les formules cycliques ? Q4: Comment les monosacharides réagissent’ ils avec les agents oxydants et les alcools? Obj1 : être capable de reconnaitre les glucides réduits et les produits de leur oxydation, reconnaitre les acétals des monosaccharides, et décrire les liaisons osidiques des disaccharides; Q5 : Quelles sont les structures de certains disaccharides importants? Obj5: être capable d’identifier les monosaccharides combinés dans les principaux disaccharides (le maltose, le lactose et le saccharose) et de décrire les types de liaisons entre les monosaccharides Q6 : Quelles sont les fonctions de certains glucides importants ayant des monosacharides structuralement modifiés? Obj6: être capable d’identifier les fonction de la chitine, de l’héparine, des glycoprotéines, et des polysaccharides du tissu connectif. Q7 : Quelles les structures et les fonctions du cellulose, de l’amidon, et du glycogène? Obj7: être capable de décrire les monosaccharides et les liaisons de ces polysaccharides, et leur destinée métabolique Concepts clés Acide aldarique - Acid Aldonique - Acide uronique - Aldose -Aldonolactone - Alginates - Anomère α - Anomère β- Carbone anomerique - Amidon- Carbohydrate - Cellulose - Cétose - Chitine - Chondroitine - Dégradation de Wohl - Dextrane - Disaccharide - Enantiomère - Epimère- Furfural - Glycogène - Glycoside - Glycosaminoglycans - Héterosides- Héparine- Héxose - Hyaluronate - Inuline - Lactose - Liaison glycosidique - Monosaccharide - Mutarotation - Osazones - Pentose - Peptidoglycane - Polysaccharide - Projection de Fischer - Projection de Haworth - Sugar réducteur Reactif de Fehling - Reactif de Bennedict - Réactif de Tollens - Saccharose - Stereoisomers - Sugars aminés - Sucres Deoxy - Synthèse de kiliani Fischer - Tetrose- Triose I. Introduction générale Les glucides (carbohydrates), le plus abondant groupe de molécules organiques naturelles, représentent approximativement 50 % de la biomasse terrestre. Historiquement, le mot carbohydrate était attribué à ce groupe de composés parce que la formule moléculaire des carbohydrates simples peut être écrite comme Cn(H2O)n, faisant ainsi d’eux des hydrates de carbones. Ils Sont simples ou complexes, ayant aussi peu que 3 ou autant que des milliers d’atomes de C. ☞les monosaccharides ont plusieurs groupes fonctionnels (carbonyle, hydroxyle, amine…), ce qui leur permet de subir une variété de changements structuraux et de réactions chimiques : - Ils réagissent entre eux pour former des disaccharides et des polysaccharides. - Ils réagissent avec les alcools, les lipides et les protéines pour former des biomolécules fonctionnelles. - Leurs structures et propriétés peuvent être comprises en appliquant les principes de base de la chimie organique. - Sont communément référés aux sucres et à l’amidon, sont des aldéhydes et des cétones polyhydroxylés, ou composés qui peuvent être hydrolysés en eux. Importance biologique des glucides 3 - Polysaccharides insolubles : rôle structural et protecteur : paroi bactérienne, plantes, tissus connectifs des animaux, - Autres polysaccharides lubrifient les articulations squelettiques. - Ils participent dans la reconnaissance et l’adhésion entre les cellules. - 40 à 50 % des calories apportées par l’alimentation humaine sont des glucides. - Ils ont un rôle de réserve énergétique dans le foie et les muscles (glycogène). - Eléments de soutien (cellulose). - Ils sont des constituants de molécules fondamentales : acides nucléiques, coenzymes, vitamines, ATP, NAD(P)H… - Parfois, d’autres atomes font parties des glucides, comme l’azote des acides aminés (AA) certains de ces produits telle que la glucosamine a la capacité de moduler les douleurs articulaires. - Le glucose réjouit d’une importance biologique primordiale : Principal carburant des tissus, Unique carburant du fœtus, 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. - Processus de fertilisation : l’ovule attire le SPZ par l’intermédiaire d’un tétrasaccharide (Sialyl-LewisX ) attaché sur O-glycan à la surface cellulaire. Classification des Carbohydrates Il y a une variété de schémas de classification étroitement liés ; le plus utilisé divise les carbohydrates en 3 groupes selon le nombre d’unités simples d’oses (monosaccharides): - Les monosaccharides contiennent une seule unité simple. - Les disaccharides contiennent deux unités d’oses. - Les polysaccharides contiennent plusieurs unités comme polymères- la plupart sont formés par le glucose comme unité monosaccharidique. 4 II – Structure des monosaccharides A. les deux familles des Monosaccharides sont des aldoses et cétoses Les plus simples des glucides, généralement ont une chaine de 3-6 C (qqs fois 7, voir 8 C), avec un groupe carbonyle, situé soit sur le carbone terminal C1, ou sur le carbone qui lui est adjacent (C2). Généralement, le reste des carbones ont un groupe hydroxyle. 5 Les monosaccharides sont Classifiés selon : Le nombre d’atomes de C présents dans la molécule. Ainsi, un ose contenant le groupe fonctionnel aldéhyde est appelé aldose, et un ose contenant un groupe cétone est nommé cétose. Ces deux classifications sont fréquemment combinées : - Un aldose C4 est nommé aldotétrose. - Un cétose C5 est nommé cétopentose. Les atomes de carbone d'un ose sont numérotés à partir du carbone le plus oxydé. Le Glycéraldéhyde (GAD) et le dihydroxyacétone (DHA) sont les plus simples des aldoses et des cétoses, respectivement. Les deux oses ont la même formule moléculaire C3H6O3 ; ils sont donc des isomères constitutionnels (même formule mais un arrangement d’atomes différent). Le glucose est l’aldose le plus fréquent. Tous les glucides ont des noms communs sauf ceux du Gly et du DHA qui ne se termine pas par le suffix –ose. B. Les monosaccharides ont des centres asymétriques 1 - Stéreochimie des carbohydrates : Projection de Fischer a. Stéréoisomérie et chiralité Les glucides ont souvent plusieurs centres de chiralité, d’où la nécessité d’une représentation stéréochimique. En 1981, Emil Fischer suggéra une méthode de la projection du C tétrahydrique sur une surface plane. Le C tétrahydrique est représenté dans la projection de Fischer par deux lignes croisées : La ligne horizontale représente les liaisons sortant de la page. La ligne verticale représente les liaisons entrant dans la page. b. Séries D & L des oses GHA et DHA sont les plus simple des oses. Seul le GHA contient un centre chiral et par conséquent, il a deux énantiomères. 6  Seul l’énantiomère dextre se produit naturellement. Il tourne le plan de la lumière polarisée dans le sens de l’aiguille d’une montre, noté (+) Comme (+) -GHA avait été configuré R –GHA à C2, Il peut être représenté dans la projection de Fischer comme suite : Bien que le système R, S est largement accepté aujourd’hui comme une configuration standard, la configuration des glucides est communément désignée en utilisant le système D, L proposé par Fischer (1981). Fischer sut que l’un des énantiomères du GHA avait une rotation spécifique de +13,5° et l’autre de -13,5°. Il désigna arbitrairement les 2 énantiomères par D et L sans savoir expérimentalement le pouvoir rotatoire spécifique de chacun : D pour celui qui un pouvoir rotatoire positif, et L pour celui qui un pouvoir rotatoire négatif. En 1952, les propositions de Fischer pour le système D, L ont été confirmées. ☞ D –GHA et L-GHA servent de point de référence pour la configuration relative de tous les aldoses et cétoses. Le point de référence est le pénultième carbone (avant-dernier) : - Un D-ose a la même configuration dans son pénultième C comme le D-GHA (son groupe –OH est à droite sur la projection de Fischer. 7  Un L-ose a la même configuration dans son pénultième C comme le L-GHA (son groupe –OH est à gauche sur la projection de Fischer. Contrairement aux D-monosaccharides, les L- monosaccharides ont une configuration S au pénultième chiral C avec un OH orienté à gauche sur la projection de Fischer. Les D-monosaccharides est l’image miroir de L- monosaccharides correspondants : tous les centres chiraux sont opposés : - Les notations D et L n’ont aucun rapport avec le pouvoir rotatoire des sucres ; un D-ose peut être dextrogyre ou lévogyre: le préfix D indique seulement que OH du pénultième centre chiral est à droite sur la projection de Fischer. - Le système D, L des oses décrit uniquement la configuration d’un seul centre chiral et ne dit rien à propos de la configuration des autres centres asymétriques. Si le D-glycéraldéhyde est dextrogyre (par définition), autre D-oses ne le sont pas nécessairement. Par exemple, D-érythrose et D-thréose sont effectivement lévogyres. Dans ce contexte, le D ne fait plus référence à la direction dans laquelle la lumière polarisé est mise en rotation. Toutefois, il signifie que le centre chiral le plus bas (le plus loin du groupement carbonyle a une configuration R comme il le fait dans le (+)-glycéraldéhyde. Semblablement, L-oses ne sont pas nécessairement Lévogyres, mais un L-ose est simplement l’énantiomère du D- ose correspondant. b. Configuration des oses Tout *C (C chiral) est définit par sa configuration absolue décrivant l’arrangement dans l’espace des atomes ou groupes fonctionnels auxquels il est lié. - Deux *C adjacents avec une même configuration absolue R ou S forment un couple érythro (ex : D-erythrose). - Deux *C adjacents avec deux configurations absolues opposées forment un couple thréo (D-thréose). Il existe un nom commun pour chaque combinaison de configuations. Ex: le ribose est un aldopentose dont les 3 *C ont la même configuation absolue: érythro 2 à 2 La configuration érythro optiquement inactive est dite méso. Un mélange dont l’activité optique globale est nulle : mélange racémique. Le nombre n des structures moléculaires possibles avec n*C suit une progression géométrique : 2n (stéréoisomères). 8 Ex1 : Aldotétroses ont deux C*: - 2 2 = 4 stéréoisomères possibles, ou 2 pairs D, L d’énantiomères appelés érythrose et thréose. Ex 2 : Aldopentoses à 3 C*: - 23 = 8 stéréo-isomères possibles = 4 pairs D, L d’énantiomères : ribose, arabinose, xylose and lyxose D-Ribose : ARN ; L-arabinose: Plusieurs plantes ; Xylose: végétaux et animaux Ex3 : Aldohéxoses à 4C*: - 24 stéréoisoméries possibles or 8 pairs D, L d’enatiomères : allose, altrose, glucose, mannose, gulose, idose, galactose, et talose. Les plus répandus sont :D-glucose( amidon et cellulose), D-gal (gums and fruit pectins) - D-mannose et D-talose sont produit naturelement mais en faible abondance. Le cétotriose (dihydroxyacétone) est une molécule achirale, il n’a pas d’activité optique (pas de pouvoir rotatoire), donc son image dans un miroir est la même. c. Epimérie Deux épimères sont deux isomères qui ne diffèrent que par La configuration absolue d’un seul centre chiral. Ex: D-galactose et D-mannose sont deux épimères de D-glucose en C2 et C4 respectively. Chaque épimère ne diffère de D-glucose que par la configuration d’un seul centre chiral. e. Diastéréoisomérie On appelle diastéréoisomères des stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères. Pour concevoir un diastéréoisomère à partir d'une molécule possédant plusieurs centres de chiralité, il suffit de changer la configuration absolue d'un de ses centres de chiralité. Le D-glucose et le D-gulose sont diastéréoisomère car ils diffèrent par la configuration de 2 sur 4 de leur carbone asymétriques. 9 Fig. Possible relationship between two molecules 10 C. Filiation des oses a- Filiation des aldoses Un ose peut être représenté par une formule complète ou simplifiée : La projection de Fischer des D-aldoses à 4, 5, 6 C est illustrée dans la figure ci-dessous : - On ajoute chaque fois un *C (groupe (HCOH)) juste au-dessous du carbone aldéhyde de telle sorte qu’il forme avec le C adjacent deux configurations : couple érythro et couple thréo. Ainsi, chaque élément de la paire d’aldose de (n-1) C conduit à deux D-aldoses de n C (4 au total). En plus, chaque D –aldose de la figure a son miroir image, L enatiomère (n’est pas montré). - La figure montre qu’à deux aldoses épimères en C2 correspond un même cétose (l’interconversion peut avoir lieu en milieu alcalin (eau de chaux)) (Voir filiation des cétoses). 11 d. Filiation des cétoses Filiation de la série D du cétotriose aux cétohéxoses. 12 Comment se souvenir des structures et les noms des oses? 1. Etape1: tracer 8 FP (CHO au sommet, CH2OH à la base) Etape2: à C5, placer tous les 8 –OH gpes à droite 2. Etape 3: à C4, alterner 4 –OH à droite et 4 autres à gauche 3. Etape 4: à C3, alterner 2 –OH à droite , deux autres à gauche 4. Etape 5: à C2, alterner –OH à droite, gauche, … 5. Etape 6: nommer les 8 isomères par cette phrase mnémonique: All Altruits Gladly Make Gum In Gallon Tanks La structure des 4 D- aldopentoses peuvent être générés de la même manière et nommer :Ribs Are Extra Lean Héxuloses: interconvertir les pairs d’épimères des héxoses et nommer les: Pure Fruit Sounds Tasty D- Structure cyclique des oses: Anomères 1. Objections à la structure linéaire des oses La structure linéaire n’explique pas toutes les propriétés chimiques des oses: Formation d’Acétal Les aldéhydes et les cétones subissent des réactions d’addition avec les alcools (2 -OH) pour former les hémiacétals et des acétals. Mutarotation (anomères) - La valeur du pouvoir rotatoire d’un ose n’est pas fixée immédiatement ; elle le devient au bout d’un certain temps. Ce phénomène est lié à :  L’existence de 2 formes isomériques, l’anomère α ou β : mutarotation.  Ces 2 anomères différent par la position dans l’espace du OH hémiacétalique  Les oses, contrairement aux aldéhydes, ne recolorent pas le réactif de SCHIFF (NaHSO3)  La méthylation des hexoses ne se fait pas au niveau des C4 ou C5. C/C: les oses en solution, (y compris les compartiments liquidiens biologiques) ,existent sous forme cyclique. 2. Cyclisation des oses a. Structure cyclique de Tollens C’est une représentation cyclique plane. La fonction carbonyle hydratée engage un OH dans un pont oxydique intramoléculaire avec un OH alcoolique. L’hémiacétalisation crée, un nouveau C chiral: Anomérie Le C de la fonction (C=O) engagé dans le cycle est nommé C anomérique: anomérie α ou β. - Hydratation de la fonction (CHO), - Combinaison de la CHO avec –OH du C4 ou C5: Pont oxydique, - Si le pont oxydique (PO) a lieu entre C1 –C5: Cycle hexagonal, 13  - Si le PO se fait entre C1-C4: Cycle pentagonal. Le cycle hexagonal est nommé (en Ch. O.) cycle Pyrane. Le cycle pentagonal est nommé cycle Furane. - Pour les oses (aldoses et cétoses):  Les aldoses : C1-C5 (Pyranoses ) et C1-C4 (Furanoses)  Les cétoses: C2-C6 ((Pyranoses ) & C2-C5 (Furanoses - Seuls les oses à 5 ou 6 C forment des structures cycliques stables; les tétroses sont stables dans les solution sous forme ouverte. Structure cyclique de Haworth i-Cyclisation des aldose: formation de pyranoses (C1-C5) Les étapes de conversion de la forme acyclique à la forme cyclique : 1-faire une rotation de 90°, dans le sens de l’aiguille d’une montre, de la chaine carbonée. Les groupes représentés à droite dans la forme A finissent au-dessous de la forme B. 2. Faire tordre la chaine B pour situer le groupe OH de C5 proche du groupe aldéhyde, forme C. 3. Faire une rotation de la liaison C4-C5 de telle façon que les groupes portés par C5 tourne de 90°, amenant le CH2OH verticalement et OH horizontalement. 4. Finalement, la liaison hémiacétale O-R est formée en connectant l’Oxygène du groupe OH du C5 à C1, et le groupe hémiacétal OH est placé sur C1. ☞ Le C hémiacétal (C1) dans les structures cycliques est lié à deux atomes d’oxygène (1 dans OH et l’autre dans le cycle) ; ce carbone est chiral. Par conséquent, il y a deux formes cycliques de glucose : α anomère et β Anomère: - α anomère: L’hydroxyle OH de C1 est dirigé en dessous, et dans le côté opposé du cycle par rapport au groupe CH2OH 14  - β anomère: le OH du C1 est pointé en haut , et dans le même côté du cycle que le groupe CH2OH porté par C5 - Les oses qui diffèrent uniquement dans les substituants de C1 : oses anomères et C1= C anomérique - (C1 pour aldose et C2 pour cétose) - Les anomères α et β d’un ose donné ne sont pas des isomères optiques (ne sont pas des miroir images) - Cette légère différence structurale entre les α et β anomères a des conséquences biologiques énormes : Digestibilité des polysaccharides : la cellulose (polymère de β-D-Glucose) est non digestible mais l’amidon (polymère de α –D-Glucose) est digestible. Les enzymes sont spécifiques et sélectives vis-à-vis des types d’anomères d’oses et leurs conformations L anomère α est la forme cristalline ordinaire du glucose. Une fois solubilisée dans l’eau, un équilibre s’établit entre la chaine ouverte et les deux anomères. La rotation optique de la solution de α -D-glucose change graduellement de sa valeur originale jusqu’à atteindre une valeur constante de l’activité optique du mélange de l’équilibre : Mutarotation - Les deux anomères du D-glucose ont des propriétés physiques et chimiques légèrement différentes, y compris des rotations optiques différentes : - Les anomères interconvertissent librement dans la solution aqueuse, donc à l'équilibre, le D-glucose est un mélange du β anomère (63.6 %) et le α anomère (36.4 %). La forme linéaire est normalement le présente avec des quantités seulement infimes : - Tous les monosaccharides à C5 ou C6 atomes de carbones établissent un équilibre similaire mais avec des % différents des différentes formes. ii-Cyclisation des aldoses: formation de furanoses (C1-C4) 15 iii-Cyclisation des cétoses: formation de pyranoses (C2-C6) iv-Cyclisation des cétoses: formation de furanoses (C2-C5) Conclusion En passant de la représentation de Fischer (RF) à celle de Haworth (RH): Les groupes OH situés à droite de la RF sont en dessous du plan horizontal du cycle de la RH Les groupes de gauche dans la RF deviennent au-dessous du cycle de la RH L’anomère α d’un D-ose possède le pouvoir rotatoire spécifique (PRS) le plus élevé: position « trans » du OH en C1 pour les aldoses et C2 pour les cétoses par rapport au CH2OH porté par Cn-1 - L’anomère β est en position « cis » - L’anomère α a son groupe OH anomérique orienté vers le bas dans la série D et vers le haut dans la série L et inversement pour l’anomère β. - Si le groupe OH entrant dans le pont oxydique est situé à droite, le CH2OH terminal sera au-dessus du plan du cycle et l’inverse est vrai s’il est situé à gauche. c-Conformation des représentations des monosaccharides 16  Les cycles des pyranoses et des furanoses peuvent assumer différentes conformations : Le cycle pyrane des oses n’est pas planaire, à cause de la géométrie tétrahydrique de ses C saturés Le cycle pyranose adopte deux classes de conformations : chaise et bateau (conformères). Dans la forme chaise, les substituants de l’hexagonal ont deux orientations : axiale et équatoriale. Les substituants axiaux gênent les uns autres s’ils émergent du même côté du cycle (groupes 1,3 diaxial). Les substituants équatoriaux sont moins encombrés. Des deux conformations de chaise possibles, celui qui prédomine est le celui dans lequel les substituants les plus volumineux du cycle occupent des positions équatoriales plutôt que les positions axiales plus encombrées. Seulement, le β-D-glucose peut simultanément avoir tous les cinq de son non-H substituants dans des positions équatoriales. Peut-être c'est pourquoi le glucose est le monosaccharide le plus abondant dans la nature. La forme chaise du β-D-Glcp prédomine car toutes les positions axiales sont occupées par les atomes d’H. les groupes –OH et -CH2OH émergent à la périphérie la moins gênante. La forme bateau du Glu est défavorable parce qu’elle est stériquement gênante. Les cycles furanoses, comme les pyranoses ne sont pas planaires. Ils peuvent être plissés au point que 4 atomes sont coplanaires et le 5ème est à peu près 0.5A° loin du plan : forme enveloppe. Dans le ribose de la plupart des biomolécules, soit C-2 ou C-3 est à l’extérieur du plan du même côté du cycle comme le C-5 : conformation C-2- endo et C-3 -endo. Il est commode parfois de représenter les structures cycliques d’un monosaccharide sans spécifier la nature de la configuration du carbone anomérique α ou β. Dans ce cas on adopte La formule de la figure suivante Les cycles furanoses peuvent aussi adopter des conformations différentes, dont les stabilités dépendent des dispositions de substituants volumineux. Notez qu'un monosaccharide peut aisément changer sa conformation, parce qu'aucune liaison n'est cassée dans le processus. Le changement dans la configuration entre les formes anomériques α et β ou entre les formes pyranoses et les formes furanoses, qui exigent la cassure et reformation des liaisons, se produit lentement dans la solution aqueuse. D'autres changements de la configuration, comme l’épimérisation, n'arrivent pas dans des conditions physiologiques sans l'enzyme appropriée. 17 III. Propriétés des oses A- propriétés physiques Les oses sont hydrosolubles (présence de plusieurs groupes hydroxyles). La cristallisation est difficile : les solutions aqueuses concentrées sont visqueuses (la cristallisation est facilitée par l’addition du méthanol ou de l’éthanol où les oses sont moins solubles). Les oses sont solubles dans le méthanol mais sont insolubles dans l’éther : les oses peuvent être séparés par chromatographie sur couches minces (CCM). Les oses ont des caractéristiques spectrales spécifiques : ils absorbent dans l’infrarouge (IR) mais pas dans l’UV. Chaque ose est identifié par son pouvoir rotatoire spécifique (loi de Biot). L’existence de carbones asymétriques permet aux oses de dévier le plan de lumière polarisée. PRS (α): quantité indiquant le degré de l’activité optique d’une substance en solution. Sa grandeur et son signe dépend de la structure de la molécule, et généralement varie selon la λ d’onde la lumière utilisée et la concentration de la substance. 18 B- Propriétés chimiques 1- Propriétés dues à la fonction carbonyle 1.1- Réduction des oses: Réductions aux alditols Le groupe -CHO de la forme acyclique d’un monosaccharide subit 2 deux réactions courantes: Réduction à un alcool Oxydation à un acide carboxylique Le groupe carbonyle d’un ose peut être réduit à un groupe hydroxyle par une variété d’agents réducteurs H2, catalyseur métalique de transition (ex : Palladium, Borohydrures alcalins (NaBH4, LiBH4). Les produits de réduction sont nommés: Alditols Nomenclature: aldose → Racine (ald) + itol= alditol Exemples : -; le D-mannose donne le D-mannitol ; le D-glucose donne le D-glucitol (D-sorbitol). - Le ribitol est un composant des coenzymes flavines. - Glycérol et myoinositol sont des constituants importants des lipides. - Le xylitol est édulocorant utilisé dans les gommes et les bonbons sans sucres. 19  Le NADH, agent réducteur biologique, est l’équivalent de NaBH4 La réduction du D-fructose par NaBH4 donne un mélange équimoléculaire de D-glucitol et de D- mannitol, alditols épimères en C2. 1.2 Oxydation des oses a-Oxydation aux acides aldoniques: sucres réducteurs Les aldéhydes (RCHO) sont oxydés aux acides carboxyliques (RCOOH) par plusieurs agents oxydants. De même le groupe aldéhyde d’un aldose peut être oxydé, sous les conditions basiques, à un groupe carboxylate. 20  Agents oxydants : I2, Br2, HNO3 dilué. L’eau de brome oxyde sélectivement le groupe –CHO à –CH2OH en convertissant un aldose à un ac aldonique Nomenclature: Racine de l’aldose =ald + onique → Acide aldonique Ex: Glucose devient Gluconique Les personnes diabétiques mesurent fréquemment leur glycémie par une méthode impliquant l’oxydation du glucose à l’acide aldonique par une enzyme appelée glucose oxydase : En présence de cette enzyme, l’oxygène de l’air oxyde le groupe aldéhyde du glucose à un groupe carboxylique L’oxygène, à son tour, est réduit au peroxyde d’hydrogène(H2O2). Dans les tests à bandelettes, le peroxyde d'hydrogène formé dans la réaction catalysée par le glucose oxydase oxyde l'o-toluidine incolore en un produit coloré, dans une réaction catalysée par l'enzyme peroxydase. L’intensité de la coloration est corrélée à la quantité du glucose dans le sang ou l’urine L’eau de brome oxyde spécifiquement l’anomère β, et le produit initial formeé est le δ-aldonolactone. Cette dernière peut être hydrolysée en acide aldonique qui peut à son tour subir une cyclisation pour former γ-aldonolactone: 21  Tout glucide qui réagit avec un agent oxydant pour former un acide aldonique est classifié comme un sucre réducteur. Les 2-cétoses sont sont également des sucres réducteurs. Le C1 (groupe CH2OH) du cétose n’est pas oxydé directement. Sous les conditions basiques de cette oxydation, un 2-cétose existe en équilibre avec un aldose par la voie d’un intermédiaire enediol. L’aldose est ensuite oxydé par oxydant doux. c- Réactions de Benedict, de Fehling et de Tollens Le réactif de Benedict (solution alcaline contenant un ion complexe de citrate de cuivre) et la solution de Tollens [Ag+(NH3)2OH ] oxydent et donnent des tests positifs avec les aldoses et les cétoses. Le réactif de Benedict est une sorte de substitut de la liqueur de Fehling dans laquelle l'hydroxyde de sodium est remplacé par le carbonate de sodium, ce qui le rend moins fort, et le citrate remplace le tartrate ce qui le rend plus stable. Les solutions de tartrate et de citrate de cuivre sont bues, et la réduction de Cu2+(bue) est réduit à Cu+, donnant Cu2O (rouge brique). Les sucres donnant un test positifs avec la solution de Benedict ou de Tollens sont des sucres réducteurs. Tous les sucres contenant un groupe hémiacétalique donnent des tests positifs. Les carbohydrates contenant uniquement un groupe acétal ne donnent pas des tests positifs avec les Solution de ° de Benedict et de Tollens. 22 d- Oxydation par l’acide nitrique: Acides aldariques L’acide nitrique [HNO3] dilué (oxydant fort par rapport avec l’eau de brome) oxyde le groupe –CHO et le le groupe –CH2OH de l’aldose au groupe –COOH formant un acide dicarboxylique: acides aldariques. On ne sait pas si un lactone est un intermédiaire dans l’oxydation d’un aldose à un acides aldariques, Cependant, les acides aldariques forment facilement les λ et δ-lactones. L’acide aldarique obtenu à partir du D-glucose est nommé D-acide glucarique. Les cétoses subissent les mêmes réactions d’oxydation coupant leur squelette carboné. d-Formation des Glycosides Le traitement de l’hémiacétal avec un alcool et un catalyseur acide donne un acétal. De la même façon, la traitement d’un ose hémiacétalique avec un alcool et catalyseur acide forme un acétal appelé : glycoside. Le OH anomérique de ce glycoside a été remplacé par un groupe –OR: La liaison du C anomérique au groupe –OR est appelée une liaison glycosidique Formation des O-osides 23  NB- Le glycoside est le nom du groupe fonctionnel pour un sucre quelconque, mais le glucoside est le glycoside formé spécialement à partir du glucose. Nomenclature: 1ère citation du groupe alkyl remplacer « ose » du sucre avec « –oside » Les glycosides sont stables dans l’eau neutre, ne sont pas en équilibre avec la chaine ouverte, et ne montrent pas de mutarotation. Ils peuvent être hydrolysés en ose plus alcool dans une solution acide. Sont abondant dans la nature, avec des rôles biologiques importants (ex: digitoxine) Formation de N-Hétérosides Le traitement des oses par les amines primaires donne des imines cycliques (Réaction de substitution) Comme les O-glycosides, les N-glycosides entrent dans la composition de diverses molécules biologiques : nucléosides, nucléotides… Les imines cycliques (glycoylamines N- substituées ou N-glycosides) formées sont douées d’une mutarotation des formes α et β. Formation de S-Hétérosides Contrairement aux cétoses, les aldoses peuvent donner des S-Hétérosides. 2 e-Synthèse et dégradation des monosaccharides i-Synthèse de Kiliani-Fischer Un aldose peut être converti à un acide aldonique épimérique ayant un C de plus à travers l’addition de cyanure d’H2 et une hydrolyse subséquente des cyanhydrines épimères. Les aldonolactones abtenus à partir de l’acide aldonique peuvent être réduit aux aldoses. Aujourd’hui, cette méthode d’élongation de la chaine carbonée des aldoses est appelée : Synthèse de Kiliani-Fischer. Ex: synthèse de D-thréose et de D-Erythrose à partir du glycéraldéhyde 24  L’addition de cyanure d’hydrogène (HCN) au glycéraldéhyde produit deux cyanohydrines épimères car la réaction crée un nouveau centre chiral. Les cyanhydrines peuvent être séparés facilement (puisque ce sont des diastéreoisomères), et chaqu’un peut être convertis à un aldose par l’hydrolyse, l’acidification, lactonisation et réduction avec Na-Hg à pH 3-5. L’un des cyanhydrines produit finalement D (-) erythrose et l’autre produit D-(-)-thréose. Pour s’assurer de la filiation D de ces deux sucres, nous les oxydons les deux aldotétroses aux acides aldariques, un D- (-)-erythrose produira produit optiquement inactif(méso) quant à l’autre D-(-) thréose produira un élément optiquement actif. ii-Dégradation de Wohl: Raccourcissement de la chaîne La dégradation de Wohl est l'inverse de la synthèse Fischer-Kiliani et implique la suppression d'un atome de carbone d'un aldose. Le groupe aldéhyde est d'abord converti en une cyanhydrine, suivie par la perte de HCN en présence 25 d'une base. Au total, le résultat net est la capacité à raccourcir une chaîne glucidique par un atome de carbone. La conversion de l'aldéhyde en un groupe cyano est réalisée par formation d'oxime suivie d'une déshydratation. La cyanhydrine résultante perd alors HCN lorsqu'il est traitée avec une base forte pour donner le nouveau glucide qui a un atome de carbone de moins que celui de départ: Induit une oxydation d’un aldose à un acide aldonique par (Br2, H2O) et une décarboxylation oxydative de l’acide aldonique à un aldose plus petit, en utilisant le péroxyde d’H2 et le sulfate ferrique. Ex: Dégradation de D-ribose à D’érythrose 2-Propriétés dues à la fonction alcool 2.1- oxydation aux acides uroniques L’oxydation de l’alcool primaire (C6) d’un hexose donne un acide uronique. Nomenclature: racine de l’aldose = ald + suffixe= uronique Glucose → acide glucuronique 26  L’acide glucuronique est largement distribué dans le règne animal et végétal. Chez l’homme :  Il sert comme acide polysaccharidique du tissu connectif.  Il détoxifie les phénols et les alcools au niveau du foie en les convertissant en glycosides de l’acide glucuronique (glucuronides), et excrétés dans les urines. 2.2 Déshydratation en milieu acide : Furfurals Les oses (Cn ≥ 5) subissent une déshydratation dans un milieu acide concentré et à chaud en produisant des furfurals ou dérivés. La condensation des furfurals et leurs dérivés avec des phénols donnent des produits colorés. Ces derniers sont utilisés dans la caractérisation et le dosage colorimétrique des oses 2.3 Formation d’Esters Des esters d’oses existent à l’état naturel ; des oses mono- et diphosphate sont essentiels dans le métabolisme énergétique. Les esters phosphoriques d’oses, synthétisés par voie enzymatique, jouent des rôles biologiques cruciaux en tant qu’intermédiaires métaboliques. La phosphorylation enzymatique du Glucose au niveau du C6 a lieu par deux enzymes, la glucokinase et l’hexokinase. Le ribose des nucléotides (ATP, GTP, UTP…) est phosphorylé au niveau du carbone 5’ (voir Biochimie métabolique). 27  L’estérification est normalement réalisée en traitant les carbohydrates avec un acide chlorhydrique ou un anhydride d’acide en présence d’une base. Tous les groupes –OH réagissent, y compris celui porté par le C anomérique. Le D-glucopyranose est converti à un penta-acétate par traitement avec l’anhydride acétique dans une solution de pyridine. 2.4 Formation d’éthers Les glucides sont convertis en éthers par traitement avec un halogène alkyl en présence d’une base. Par exemple, le α-D-glucopyranose est converti en son pentamethy éther à 85% avec un iodométhane et Ag2O. Les éthers méthyliques sont plus utilisés pour la détermination de la structure des cycles et les enchailements des holosides. Les carbohydrates sont convertis en ethers par un traitement avec un halogène alkyl en pce d’une base. Les éthers méthyliques sont plus utilisés pour la détermination de la structure des cycles et les enchailements des holosides Ex : α-D-Glcp est converti en son penta- méthyle éther à 85% avec un iodométhane et Ag2O. 2.5 – Oxydation par l’acide périodique Les composés ayant des groupes –OH sur les atomes adjacents subissent un clivage oxydatif quand ils sont traités par une solution aqueuse de l’acide périodique (HIO4). La réaction brise les liaisons C-C et produisent des composés carbonyles (aldéhydes, cétones ou acides). La stœchiométrie du clivage oxydatif par HIO4 est : 28  Pour chaque liaison C-C cassée, une liaison C-O est formé sur chaque Carbon. Quand trois ou plusieurs groupes –CHOH sont adjacents, ceux du milieu sont obtenus comme acide formique : Ex : Oxydation/HIO4 du glycérol donne 2 équivalents molaires de formaldéhyde et un équivalent molaire de l’acide formique. Le clivage oxydatif a lieu aussi quand un groupe –OH est adjacent au groupe carbonyle d’un aldéhyde ou une cétone (mais non pas celui d’in acide ou un ester). Le Glycéraldéhyde produit deux équivalents molaires de l’acide formique et un équivalent molaire d’un formaldéhyde. Quant aux dihydroxyacétones, il donne deux équivalents molaires de formaldéhyde et un équivalent molaire du CO2. L’acide périodique ne clive pas les composés dans lesquels les groupes hydroxyles sont séparés par un groupe CH2 intermédiaire, et ceux ayant des groupes hydroxyles adjacents aux fonctions éther ou acétal. 3-Propriétés dues à un groupement alcool et un groupement carbonyle voisins 3.1 Réactions des Monosaccharides avec la Phénylhydrazine: Osazones Généralement, Les réactifs des groupement carbonyls, comme hydroxylamine (NH2OH), phénylhydrazine ( C6H5NHNH2 )…, forment des dérivés d’aldéhydes et des cétones (voir chimie organique des aldéhydes et des cétones). 29  Le groupe aldéhyde d’un aldose réagit avec les réactifs de la fonction carbonyle (ex. hydrohylamine et phénylhydrazine. Avec l’hydroxylamine, le produit formé est une oxime. Mais la réaction avec la phénylhydrazine , trois équivalents molaires de cette dernière sont consommés dont l’un est introduit à C-2. Le produit est appelé phénylosazone. Les phényosazones crystallisent facilement ( contrairement aux sucres) et sont des dérivés utiles pour l’identification des sucres. La formation d’osazone conduit à une perte du centre chiral à C-2 mais n’affecte pas les autres centres chiraux; D-glucose et D- mannose, par exemple, produisent le même phénylosazone 3.2 Enolisation, Tautomérisation, et Isomérisation La dissolution des monosaccharides dans une solution aqueuse basique entraine leur énolisation, et céto-enol tautomérisation qui conduit à des isomérisations. Si, par exemple, une solution de D-glucose est solubilisé dans une solution contenant l’hydroxyde du calcium, après plusieurs jours, certains produits peuvent être isolés, incluant le D-fructose et le D-mannose Conclusion 30 IV-- Oses et leurs dérivés d’intérêts biologiques 1-oses d’intérêts biologiques 1.1 Trioses Les oses phosphorylés sont des intermédiaires clés dans la génération d’énergie et dans la biosynthèse des sucres. A titre indicatif, la 1ère étape de la glycolyse est la phosphorylation du glucose en glucose-6-phosphate. En outre, plusieurs intermédiaires subséquents de cette voie métabolique, comme le Dihydroxyacétone-P et le glycéraldéhyde-P, sont des oses phosphorylés. 31  La phosphorylation rend les sucres anioniques ; la charge négative empêche ces sucres de quitter spontanément la cellule en traversant les membranes plasmiques (double couche lipidique). La phosphorylation crée également des réactifs intermédiaires qui vont se lier à d’autres molécules. Les dérivés phosphorylés du ribose jouent des rôles clés dans la biosynthèse des nucléotides purines et des pyrimidines. La phosphorylation rend les sucres anioniques, la charge négative empêche ces sucres de quitter spontanément la cellule en traversant les membranes plasmiques (double couche lipidique). La phosphorylation crée également des intermédiaires réactifs qui vont se lier à d’autres molécules. Les dérivés phosphorylés du ribose jouent des rôles clés dans la biosynthèse des nucléotides purines et des pyrimidines. 1.2 Tétroses Le seul tétrose d'intérêt est le D-érythrose. Son ester-4-phosphate est l'un des intermédiaires de la photosynthèse et la dégradation de l'acide phospho-gluconique. 1.3 Pentoses D-ribose, largement distribue, est un composant de l’ARN et des coenzymes nucléotidiques, il existe toujours sous forme furanique. Les dérivés phosphorylés du ribose jouent des rôles clés dans la biosynthèse des nucléotides purines et pyrimidines. D-xylose et L-arabinose sont rarement trouvés sous forme libre. Ils sont des constituants des polysaccharides des membranes végétales. Les esters d’acide phosphorique du D-ribulose sont des intermédiaires de la voie des Pentoses et de la photosynthèse. 1.4 Héxoses D-glucose constitue la proportion substantielle des polymères de glucose (cellulose et amidon), trouvé dans les jus de plantes, le sang des animaux, le lactose. D-Galactose est un composant du régime alim humain. Il est trouvé, avec le D-man dans les glycolipides et glycoprotéines. 32  D-fructose est plus abondant, il existe sous forme libre dans les jus de fruits et dans le miel. Le fructose lié est trouvé dans le saccharose et les polysaccharides des végétaux. Le D-mannose est peu abondant à l’état libre si ce n’est dans l’écorce d’orange. Il entre dans la composition des polysaccharides tels que les mannanes et les glycoprotéines. Les humains ont besoin d’obtenir 8 oses considérés essentiels pour le bon fonctionnement du corps. Bien qu’ils puissent être biosynthétisés par le corps à partir des précurseurs simples en cas de nécessité, le mécanisme est énergiquement très coûteux. Les 8 monosaccharides sont : L-fucose, (6-deoxy-L-galactose), D-galactose, D-glucose, D-mannose, N- acetyl-D-glucosamine, N-acetyl-D-galactosamine, D-xylose, et Acide N-acetyl-D-neuraminique. Tous les monosaccharides essentiels dérivent du Glucose, par des conversions à travers diverses voies métaboliques de synthèse (Biochimie métabolique). 2. Dérivés d’oses Le groupement -OH du composé parent est remplacé avec un autre substituant. Le C est oxydé en groupe carboxylique. Les sucres aminés Le groupe –OH à C2 du composé parent est remplacé par un groupe amine. Le groupe amine est souvent condensé avec un acide acétique. Les sucres amino acétylés, N-acetyl-D- glucosamine et N-acétyle-D-gal 33 actosamine, sont souvent rencontrés comme composant des glycoprotéines. La paroi bactérienne contient des dérivés de glucosamine, L’acide N- acétylmuramique, dans lequel l’acide lactique est lié à l’oxygène à la position C-3 par une liaison éther. 2.1 Les désoxyoses ou désoses La substitution du groupe –OH par un hydrogène au carbone C-6 du L-galactose ou du L-mannose produit le L- fucose ou le L-rhamnose, respectivement. Ces désoxyoses sont trouvés dans les polysaccharides des plantes, et dans le complexe oligosaccharidique composant les glycoprotéines et les glycolipides. Le 2-deoxy-D-ribose, composant de l’ADN, est réduit en C2. 2.2. Dérivés acides d’oses biologiques L’oxydation du carbonyle aldéhyde au groupe carboxyle produit les acides aldoniques. L’oxydation du carbone 6 de la terminaison de la chaine carbonée du glucose, du galactose, du mannose... forment les acides uroniques qui sont respectivement l’acide glucuronique, l’acide galacturonique et l’acide mannuronique. Les acides uroniques et aldoniques forment des esters intramoléculaires stables appelés lactones. L’acide N-acétylneuraminique ou l’acide sialique est un dérivé de N-acetylmannosamine. Il est un composant des glycoprotéines et des glycolipides. Chez les animaux, les groupes carboxyliques des oses acides s’ionisent à pH 7, et par conséquent, sont nommés des carboxylates : glucuronates, galacturonate, etc. Certains oses acidiques sont des constituants typiques des glycosamines trouvés dans les tissus connectifs (ex: acides D-glucuronique, acide D-galacturonique et acide L-iduronique). 34 2.3 Les polyalcools : les alditols Les sucres polyols résultent de la réduction de la fonction carbonyle au groupe –OH. Il s’agit des produits naturels, comme le D-glucitol (D- sorbitol) obtenu par réduction de D-glucose ou de L-sorbose. Le D-glucitol est un produit majoritaire de la photosynthèse, trouvé en abondance dans les bactéries, le règne animal, et le sperme humain. Il s’accumule dans les les cellules rétinales du diabétique. Autres alditols: mannitol, 1,5-anhydro-D-glucitol. 2.4 Autres dérivés Le 6-Sulfo-α-D-Quinovose, trouvé dans les lipides des membranes photsynthétiques. Le groupe sulfate est attaché avec une liaison ester aux unités des sucres. L’acide ascorbique est un antioxydant ; il s’oxyde facilement en acide déhydroascorbique par une réaction réversible. Il participe activement dans les processus cellulaires rédox. 35  Conclusion V-Les osides En plus de leur état libre, les oses se trouve généralement condensée avec autres sucres, et forment des holosides, ou combinés à d’autres molécules en constituant des hétérosides. La taille de ces associations détermine deux classes : - Oligoholosides: le nombre d’ose est compris entre deux et 10 (2 ≤ n ≤ 10). - Polyholosides: le nombre d’ose est supérieur à 10. Ils sont soit homopolysaccharides (constitués d’un seul type d’oses ou hétéropolysaccharides (constitués de plus d’un type d’oses). La liaison entre deux oses ou une partie aglycone est appelée liaison osidique ou glycosidique. A- Les oligosides Les oligosides ou oligoholosides sont des holosides qui résultent de la condensation de 2 à 10 molécules d’oses ou des dérivés d’oses par formation entre chacune d’elles d’une liaison éther. 36 1-La liaison osidique Elle s’établit entre l’hydroxyle OH semi-acétalique en position α ou Β d’un ose porté par le carbone anomérique (C1 pour les aldoses et C2 pour les cétoses),avec le groupe hydroxyle -OH ( -NH2 ou -SH) d’1 autre molécule (ose ou aglycone). S’il s’agit d’un ose (R=ose) qui est engagé dans la liaison osidique, on parle alors d’un holoside. Mais en cas d’engagement d’un aglycone (génine), (R ♯ose) l’oligosaccharide sera un hétéroside. Ainsi, on distingue trois types d’hétéroside selon le type de liaison: O-hétéroside: hétéroside d’alcools ou de phénols. N-hétéroside: hétéroside d’amine. S-hétéroside: hétéroside de thiol. Si le groupe hydroxyle hémiacétal initial est en configuration α alors la liaison osidique est α. Si le groupe hydroxyle hémiacétal initial est en configuration β alors la liaison osidique est β Il existe (au moins) 20 enchainements possibles entre deux aldohexoses dans un diholoside: - X peut être lié par son carbone anomérique α ou β à chacune des cinq fonctions alcools de Y. - X et Y peuvent être liés par leurs carbones anomériques selon 4 combinaisons de configurations : α - α , α - β, β - β, et β - α. Dans le cas d’un holoside, trois types de liaisons peuvent se former : - OH semi-acétalique + OH d’un alcool primaire (diholoside réducteur, le OH semi-acétalique est libre). - OH semi-acétalique + OH d’un alcool secondaire (diholoside réducteur : idem) - OH semi-acétalique + OH semi-acétalique (diholoside non réducteur, pas de OH semiacétalique libre). La liaison osidique est stable à pH 7, mais il peut être hydrolysée in vivo par des enzymes spécifiques : osidases (spécificité du type de liaison : nature de l’ose engagé par son – OH hémiacétalique, position α ou β). In vitro, la liaison osidique peut être rompue par hydrolyse acide (pH 1 à 2, 60°C). Nomenclature : Une liaison osidique est caractérisée par : la nature des 2 oses et leur forme cyclique, la configuration anomérique α et β, et Le numéro du carbone portant le groupe –OH engagé dans la liaison (cas des sucres réducteurs) Ainsi, l’oside sera nommé comme suite : 37  X..osyl (α ou β1 → n) Y…ose X..osyl (α ou β1 → α ou β1 ) Y…oside - n: numéro du C non anomérique (C-2 est le C anomérique des cétoses, donc appliquer cette formule en remplaçant 1 par 2) - Ose: le groupe –OH hémiacétalique est libre. - Osyl: le groupe –OH hémiacétalique du 1er ose est engagé dans la liaison osidique. - Oside: le groupe –OH hémiacétalique du dernier ose est engagé dans la liaison osidique. Cas d’oligosaccharides ramifiés Mettre les différentes chaines sur des lignes différentes, la chaine la plus longue est la chaine principale. Ce même oligoside peut être écris d’une autre manière en écrivant toute la structure sur la même ligne. La chaine secondaire est écrite entre crochets [ ], et immédiatement à gauche de la chaine principale. La structure de ce même oligoside peut être écrite sur la même ligne en mettant la chaine secondaire entre crochets [ ], et immédiatement à gauche de la chaine principale. 38 2-Les disaccharides Un monosaccharide cyclique (hémiacétal) peut réagir avec un alcool pour former un glycoside (acétal). La même réaction peut produire un disaccharide où l’un des monosaccharides réactifs fonctionne comme un hémiacétal, et l’autre comme un alcool. Trois diholosides existent à l’état libre, les autres proviennent de l’hydrolyse des polyosides. Ils résultent de la condensation, avec élimination d’eau, de deux hexoses. Leur formule brute est C12H22O11 ; il s’agit du lactose (trouvé lait animal), du saccharose (disaccharide végétal) et du tréhalose (=mycose or tremalose, trouvé dans l’hémolymphe des insectes, et dans les champignons). L’usage a consacré une classification en rapport avec le caractère réducteur des diholosides (réaction avec la liqueur de Fehling), conséquence de la nature de la liaison glycosidique. Ainsi on distingue deux classes : les disaccharides réducteurs et disaccharides non réducteurs. 2.1 Disaccharides réducteurs C’est un osido-ose qui possède une fonction -OH semi-acétalique libre. Le diholoside est réducteur et se présente sous deux formes d’anomères α et β et une structure linéaire en équilibre. 2.1.1 Maltose Le maltose (sucre du malt) est produit chaque fois l’amidon est hydrolysé. Ceci a lieu lors de la germination des graines et pendant la digestion humaine de l’amidon. Structuralement, le maltose est fait de deux unités de D-glucose, l’une d’elles doit être un α –D-glucose. La liaison glycosidique entre les deux unités du glucose est appelée une liaison α (1 → 4). Les deux groupes –OH formant la liaison glycosidique sont attachés respectivement au carbone C-1 de la première unité du Glucose et au carbone C-4 du second ose. 39  Le maltose est un sucre réducteur car le glucose de la droite a un carbone hémiacétalique (C-1). D’où, il peut s’ouvrir et se fermer ; il est en équilibre avec sa forme aldéhydique ouverte. L’hydrolyse de D-maltose dans les conditions acidiques ou en présence de maltase donne deux molécules de glucose. 2.1.2 Isomaltose Il résulte de la dégradation de l’amidon et du glycogène. 2.1.3 Cellobiose Il est produit comme un intermédiaire de l’hydrolyse de la cellulose. Comme le maltose, le cellobiose contient deux unités de D-glucose ; l’une fonctionnant comme un hémiacétal, et doit avoir une configuration β au lieu de α pour le maltose : liaison β (1 : 4). Comme le maltose, le cellobiose est sucre réducteur, il a 3 formes isomériques dans une solution aqueuse. Lors de l’hydrolyse, il libère deux molécule de 2 D-glucose. Malgré leur similitude, le maltose et le cellobiose (liaison α (1 → 4) vs liaison β (1 : 4), respectivement) ont des comportements biochimiques différents. Ces différences sont reliées à la stéréochimie de leur liaison glycosidique. Ainsi, l’homme digère facilement le maltose par le maltase qui brise la liaison α (1 → 4), mais ne dispose pas de cellobiase qui hydrolyse la liaison β (1 → 4) du cellobiose. 40 2.1.4 Lactose Le lactose est un disaccharide produit naturellement dans le lait des mammifères. Comme le maltose et la cellobiose, le lactose est un sucre réducteur, il exhibe une mutarotation et il est un glycoside lié par une liaison β (1→4) entre le carbone C-1 du galactose et le carbone C-4 du glucose. Le lactose peut être hydrolysé par un acide ou une enzyme appelée β-galactosidase formant une mixture équimolaire. 2.2 Disaccharides non réducteurs 2.2.1 Saccharose Les tiges de la canne à sucre et les racines de la betterave sont les sources principales du saccharose, sucre de table. On le trouve également dans les fruits et le miel. Contrairement à la plupart des disaccharides, le saccharose n’a pas de groupe hémiacétal. Ainsi, les deux monosaccharides (glucose et fructose) sont joinés par leurs carbones anomériques par une liaison (1→2) faisant du saccharose un sucre non réducteur. Le glucose et le fructose sont liés par une liaison de type : (α1→ β2) D-glucopyranosyl (α1 → β2) D-fructofuranoside. En abrégé: D-Glcp (α1→ β2) D-Fruf Par traitement acide ou enzymatique (soit une α- glucosidase, soit une β-fructosidase), le saccharose, dextrogyre et de pouvoir rotatoire spécifique de 65°, libère un mélange de D(+)glucose (52,5°) et de D(-)fructose (-93°) qui est lévogyre. Ce mélange produit est le « sucre inverti ou interverti» et on parle de phénomène d’inversion du saccharose. 2.2.2 Tréhalose C’est un osido-oside que l’on trouve dans les champignons, les bactéries ou encore dans l’hémolymphe d’insectes. De nombreux organismes l’accumulent en réponse à des chocs thermiques (froid) ou à la dessiccation. D-glucopyranosyl (α1→α1) D-glucopyranoside En abrégé : D-Glcp (α1→α1) D-Glcp 2.3 Autres oligosides Ils contiennent 3 à 10 monosaccharides liés les uns aux autres par des liaisons glycosidiques. 2.3.1 Raffinose, Stachyose, et Gentianose Le raffinose, le stachyose sont deux olidoasccharides naturels trouvés dans l’oignon, les choux, le brocoli, le blé entier et dans tous les types d’haricots. Les monosaccharides composant le raffinose sont : le galactose, le glucose et le fructose. La stucture du stachyose diffère de celle du raffinose par la présence d’une unité de galactose de plus. Les deux oligosaccharides montrent deux types de liaisons glycosidiques : α (1 → 6) et α β (1 → 2). 41  Le gentianose est retrouvé dans la gentiane, sa structure est : D-glucopyranosyl (β1 →6) D-glucopyranosyl (α1→β2) D-fructofuranoside 2.3.2 La solanine La solanine est un glycoalcaloïde trouvé dans les pommes de terre. La génine (aglycone) est un système amine multi-cyclique (solanidine) auquel est attaché un trisaccharide. La solanine est toxique, et responsable des taches vertes dans les tubercules de pommes de terre. Solanine est formé d’une génine (solanidine)) est un trisaccharide. La fonction de l’entité glycone est de faciliter la solubilité de la molécule. 2.3.3 Oligosaccharides comme marqueurs biochimiques des groupes sanguins La base biochimique des différents groupes sanguins implique des oligosaccharides qui sont attachés à la membrane plasmique des globules rouges. Ces oligosaccharides, appelés marqueurs biochimiques, ont trois formules différentes : l’une d’eux est un tétrasaccharide et les deux autres sont des pentasaccharides. Notez que les trois marqueurs oligosaccharidiques ont une séquence de quatre monosaccharides communs dans leur structure (Galactose, acétylgalactosamine, galactose, Fucose ). L’absence ou la présence d’un cinquième monosaccharide (attaché au deuxième galactose) détermine le groupe sanguin : - Le type O n’a pas la cinquième unité de monosaccharide, - Le Type A a une N-acétyl-galactosamine comme une cinquième unité , - Le type B a un galactose comme cinquième unité, et - Le type AB contient à la fois les marqueurs de type A et B 2.3.4 Certains antibiotiques Les oligosaccharides sont largement répandus comme (par des liaisons glycosidiques) antibiotiques dérivant de diverses sources: - Bleomycine A2 (un agent anticancéreux utilisé cliniquement contre des tumeurs spécifiques). - Buramycine C ( agent antibiotique et anticancéreux). -Sulfurmycine B (actif contre les bactéries Gram-positif, les mycobactéries et les tumeurs). -Streptomycine ( est un antibiotique avec une large spectre d’action). B -Polysaccharides Un polysaccharide (glycane) est un polymère qui contient plusieurs unités de monosaccharides liés les unes aux autres par des liaisons glycosidiques. Les paramètres importants qui distinguent les différents polysaccharides les unes des autres sont : 42  1. L’identité de l’unité de répétition de(s) monosaccharide (s) dans la chaîne du polymère : i) un homopolysaccharide est constitué d’un seul type d’oses (l’amidon, la cellulose...) ; ii) un hétéropolysaccharide est composé de plus d’un type d’oses (habituellement deux) (l’acide hyaluronique, l’héparine…). 2. La longueur de la chaîne du polymère (une centaine, voire un million de monomères). 3. Le type de liaison glycosidique entre les unités monomériques. 4. Le degré de ramification de la chaîne des polymères. NB- Les Polysaccharides forment des chaines ramifiées différemment des protéines et des acides nucléiques, qui sont des polymères linéaires (non ramifié). Les fonctions des polysaccharides sont variées : Matériaux de réserve : amidon, glycogène, inuline, … Composants structuraux : Chitine, cellulose... Substances protectives : acides hyaluroniques... Communication et reconnaissance intercellulaires. 1-Homopolysaccharides ou homoglycanes Les homopolysaccharides sont souvent nommés d’après l’unité du monosaccharide qui les compose : Les homopolysaccharides composés de glucose sont des glucanes, Les homopolysaccharides constitués de mannose sont des mannanes. Autres noms d’homopolysaccharide sont évidents : galacturonans, arabinans, etc Ils peuvent être classés en 2 grandes classes selon leur fonction : 1.1 Homopolysaccharide de réserve Deux homopolysaccharides différents de Glucose (glucanes) peuvent être isolés à partir de la plupart des amidons : l’amylose et l’amylopectine. 1.1.1 L’amylose L’amylose, un polymère de glucose à chaîne droite (non ramifiée), représente habituellement 15% à 20% de l’amidon. Dans la structure non ramifiée de l’amylose, les unités de glucose sont reliées par des liaisons glycosidiques α (1 → 4) (figure a). Le nombre d’unités de glucose présentes dans une chaîne d’amylose dépend de la source de l’amidon (300-500 unités sont habituellement présentes). Les interactions des liaisons hydrogènes au sein de ce polymère des anomères α de glucose confèrent à l’amylose une structure hélicoïdale (figure b). 1.1.2 L’amylopectine 43  L’amylopectine résulte d’une ramification de polyglucoses. Les points de branchement comportent des liaisons α (1→6) avec une raison de 25 -30 unités de glucose. Son poids moléculaire est supérieur à celui de l’amylose linéaire (jusqu’à 100 000 unités de glucose). Les liaisons glycosidiques de l’amidon (l’amylose et l’amylopectine) sont de type α. Dans l’amylose, toutes les liaisons sont de type α (1→4). Alors que dans l’amylopectine, deux types de liaisons α (1 → 4) et α (1 → 6) sont présentes. L’amidon a une valeur nutritionnelle parce que les deux types de liaisons peuvent être brisées par hydrolyse enzymatique au niveau du tube digestif. Les amylases hydrolysent les liaisons glycosidiques α (1 → 4). Il y a deux types d’amylases : l’une existe dans la salive et l’autre dans l’intestin. Les deux enzymes coupent les longues chaînes d’amidon en morceaux plus courts appelés : dextrines. Dans l’intestin, l’amylase débranchante hydrolyse les liaisons α (1 → 6) de l’amylopectine. Ces enzymes éventuellement décomposent l’amidon en un mélange de glucose et maltose, ce dernier est ensuite décomposé en glucose par une maltase. 1.1.3 Glycogène C’est un polysaccharide de stockage du glucose chez les humains et les animaux. Sa fonction est donc similaire à celle de l’amidon chez les plantes, et il est parfois appelé amidon animal. Les cellules hépatiques et les cellules musculaires sont des sites de stockage de glycogène chez l’homme. Le glycogène a une structure similaire à celle de l’amylopectine ; toutes les liaisons glycosidiques sont de type α et à la fois les liaisons α (1→ 4), et α (1 →6) sont présentes. Cependant, le glycogène et l’amylopectine diffèrent par le nombre d’unités de glucose entre les points des ramifications et par le nombre total d’unités de glucose présent dans une molécule. Le glycogène est environ 3 fois plus ramifié (répétition des points de branchement avec une raison de 8 à 12 unités de Glucose), que l’amylopectine. De plus, la molécule du glycogène est beaucoup plus grande que celle de l’amylopectine (10000 unités) ; elle peut contenir jusqu’à 60.000 unités de glucose. 44  1.1.4 L’inuline C’est un composé de réserve appartenant à la famille des fructosanes. L’inuline est un polymère de D-fructofuranose de 30 à 100 unités liés par des liaisons (2 → 1) que l’on trouve chez certains végétaux. On distingue deux types d’inuline : - Inulines avec un glucose terminal : - α-D-glucopyranosyl-[beta-D-fructofuranosyl] (n-1)-D- fructofuranosides, abbreviated as GpyFn. - Inulines sans glucose : β-D-fructopyranosyl-[D-fructofuranosyl] (n-1)-D- fructofuranosides, abbreviated as FpyFn 1.1.5 Dextranes Les dextranes sont des polysaccharides α(1→6) de D-glucose avec des chaînes ramifiées. Ils sont trouvés dans les levures et les bactéries. L’unité de répétition est l’isomaltose: Glc α (1→ 6) Glc. Les points de branchement dans les différentes espèces sont : 1→2, 1→3, or 1→4. La plaque dentaire résulte de l’accumulation extracéllulaire des dextranes produits par des bactéries. Les gels de Sephadex sont formés à partir des chaînes de dextranes réticulées avec l’épichlorhydrine. 1.2 Homopolysaccharide de structure Elément de structure dans les parois cellulaires des plantes et de certains animaux la cellulose et la chitine sont deux Homopolysaccharides structuraux les plus répandus. 1.2.1 La cellulose Elle représente un composant structural des parois cellulaires végétales. Comme l’amylose, la cellulose est un polymère de glucose non ramifié. La différence structurale entre la cellulose et l’amylose leur confère des propriétés complètement différentes: les glucoses de la cellulose ont une configuration β tandis que ceux de l’ amylose ont une configuration α. Par conséquent, les liaisons glycosidiques de la cellulose sont de type β(1→ 4) au lieu de α (1→4). Cette différence dans le type de liaison glycosidique confère à la cellulose et l’amylose des formes moléculaires différentes : Les molécules d’amylose ont tendance à avoir des structures en forme de spirale, tandis que les molécules de cellulose prennent des structures linéaires. 1.2.2 Chitine La chitine est un polysaccharide semblable à la cellulose, aussi bien dans sa fonction biologique que dans sa structure primaire, secondaire et tertiaire. 45  Elle joue un rôle structurale essentiel chez les champignons, les lichens, les mycorhizes, les crustacés, les insectes, les araignées... La structure de la chitine, un ruban étendu, est identique à la cellulose, à l’exception que le groupe -OH sur chaque carbone C- 2 est remplacé par ONHCOCH3, de telle sorte que les motifs de répétition sont constitués de N- acétyl-D-glucosamine, avec une liaison β (1→4). Les revêtements à base de chitine peuvent prolonger la durée de conservation des fruits. 2 Hétéropolysaccharides ou hétéroglycanes 2.1 Alginates Ce sont des polysaccharides d’algues brunes marines (Phéophycées). Leur structure est une sorte de rubans prolongés qui lient des ions métalliques, en particulier le calcium. On distingue deux grandes classes principales : - Les poly (β-D-mannuronate): ce sont des chaines liées (1→4), formés à partir d’acide β-mannuronique. - Les poly (α-L-guluronate): Chaines liées (1→4) formés à partir de l’acide α-L-guluronique. 2.2 l’agar-agar ou gélose C’est un mélange important de polysaccharides isolés d’algues rouges (Rhodophycées). Il est constitué de deux composants, l’agarose et agaropectine. L’agarose est une chaîne faite d’une alternance de D-galactose et du 3,6 -anhydro-Lgalactose, plus des chaînes latérales composées de 6-méthyl-D-galactose. L’agaropectine est similaire, mais contient en plus des chaînes latérales de sulfate d’ester et de l’acide D-glucuronique. 2.3 Glycosaminoglycanes 46  Ils sont constitués de chaînes linéaires de disaccharides répétés dans laquelle l’une des deux unités de monosaccharides est un sucre aminé et l’autre (ou les deux) contient au moins un sulfate chargé négativement ou un groupe carboxylate. La répétition des structures disaccharidiques trouvés communément dans les glycosaminoglycanes sont les suivantes: 2.3.1 Heparine C’est un anticoagulant naturel. Il se fixe fortement à l’antithrombine III, inhibant ainsi la coagulation du sang. Contrairement aux autres glycosaminoglycanes, l’héparine n’est pas un constituant des tissus of connectifs, mais se produit presque exclusivement dans les granules intracellulaires des mastocytes. 2.2.2 Hyaluronate Composant de l’humour vitreux dans l’œil (Le gel qui remplit l’espace entre la lentille et la rétine du globe oculaire et le fluide synovial , (lubricant fluid of joints in the body). 2.2.3 Chondroitine Trouvés dans les tendons, cartilage, et tissus connectifs. 2.2.4 Sulfate de kératane Composant de la matrice extracellulaire de la peau C- Hétérosides -Les Glycolipides : polyosides liés à des lipides -les protéoglycannes (PG) : polyosides très longs (les glycosaminoglycannes ou GAG) associés à une protéine en restant très majoritaires (> 90%) -les glycoprotéines (GP) : protéines portant des chaînes glucidiques courtes (1 à 20%). -les peptidoglycannes : polyosides reliés par de nombreux petits peptides. -les protéines glyquées : produits de la fixation chimique d’une unité de glucose. L’hyperglycémie du diabète insulinique favorise la fixation de cet ose sur les protéines plasmatiques (marqueur du diabète). 47 Conclusion 48