BIOCHIMIE : LES GLUCIDES PDF

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Cours de PACES sur les glucides en biochimie...

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M. SAPIN

BIOCHIMIE

28/10/16

L ES GL U C I D ES TABLE DES MATIÈRES I.

GÉNÉRALITÉS........................................................................................................................1

II. OSES ......................................................................................................................................... 2 A. STRUCTURE .................................................................................................................................................. 2 1. STRUCTURE LINÉAIRE ...................................................................................................................... 2 2. STRUCTURE CYCLIQUE...................................................................................................................... 3 B. PROPRIÉTÉS DES OSES ........................................................................................................................... 4 1. GÉNÉRALITÉS........................................................................................................................................ 4 2. STABILITÉ CHIMIQUE ......................................................................................................................... 4 3. PROPRIÉTÉS DU GROUPEMENT CARBONYLE ........................................................................ 5 4. PROPRIÉTÉS DES FONCTIONS ALCOOLS ................................................................................... 6 C. OSES D’INTÉRÊT BIOLOGIQUE .......................................................................................................... 7 1. TRIOSES (OSES À TROIS CARBONES) ............................................................................................ 7 2. TÉTROSES (OSES À QUATRE CARBONES) ................................................................................. 7 3. PENTOSES (OSES À CINQ CARBONES) ........................................................................................ 7 4. HEXOSES................................................................................................................................................... 8 5. STRUCTURES APPARENTÉES AUX OSES .................................................................................. 9

I.

GÉNÉRALITÉS

Les glucides sont des molécules particulièrement abondantes : on les retrouve chez les végétaux en grande quantité (via le mécanisme de la photosynthèse), chez les procaryotes et chez les eucaryotes. On retrouve également les noms d’hydrates de carbones ou de carbohydrates comme autres dénominations, du fait de la structure générale des glucides : 𝐶" (𝐻% 𝑂" ). Toutefois, on retrouve dans certains glucides des atomes d’azote, de phosphore ou de soufre. Les glucides ont plusieurs rôles biologiques importants : •

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• • •

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Stockage : ils constituent une réserve énergétique, même si elle est mineure chez l’Homme. En effet, à volume égal, la dégradation des glucides fournit beaucoup moins d’énergie que celle des lipides ; les glucides stockant de l’eau, ils sont plus volumineux que les lipides, hydrophobes. Chez l’Homme, la molécule glucidique qui assure le stockage de l’énergie est le glycogène : le seul avantage qu’il possède par rapport aux lipides est qu’il est très rapidement dégradable. Ce glycogène est stocké au niveau des cellules hépatiques. Chez les végétaux en revanche, les glucides servent de réserve énergétique principale : le glucide végétal par excellence est l’amidon. Structure : chez les végétaux, les glucides entrent dans la composition de la cellulose (qui constitue la structure de certains vaisseaux). On retrouve également un glucide particulier, la chitine, dans la composition des carapaces de certains invertébrés. Unité de base de molécules fondamentales : et notamment l’ATP, les coenzymes, les acides nucléiques, etc. Maturation post-traductionnelle : les glucides sont au cœur des réactions de glycosylation (enzymatique). Reconnaissance cellulaire et différenciation : certains motifs glucidiques présents à la surface des cellules ont des propriétés signalétiques. 1

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Déterminant antigénique : certains motifs glucidiques sont à l’origine du système ABO.

L’ingestion de glucides génère un goût sucré : on retrouve des récepteurs membranaires aux glucides au niveau des papilles gustatives, de la langue, des bourgeons du goût, etc. Il est néanmoins possible de générer un goût sucré avec des édulcorants qui n’ont pas la structure des glucides (comme l’aspartame, la saccharine ou la brazzéine). Si on s’intéresse à la nomenclature des glucides, on va distinguer : •

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Les oses : qui sont de petites molécules organiques à chaîne carboné portant des groupements OH et des fonctions aldéhyde, cétone, amine ou acide carboxylique. Selon la fonction carbonyle et le nombre d’atomes de carbone, on parlera : Ø D’aldose : dans le cas où la fonction carbonyle est un aldéhyde. Ø De cétose : dans le cas où la fonction carbonyle est une cétone. Ø Le passage d’une cétose à un aldose (ou réciproquement) est appelé une interconversion. Cette interconversion est réversible. Ø Pour un sucre à 5 atomes de carbone, on parlera de pentose, 6 atomes de carbone, hexose, etc. Les osides : qui correspondent à une combinaison moléculaire résultant de l’association d’au moins une molécule d’ose avec une autre molécule d’ose ou un groupement non-glucidique hydrolysable. On distingue : Ø Les holosides : composés d’oses uniquement. On parle de liaison glycosidique entre les oses, mais de liaison glucosidique si un glucose est impliqué dans la liaison. § Si 2 < 𝑛 < 10, on parle d’oligosides. § Si 𝑛 > 10, on parle de polyosides. Ø Les hétérosides : composés d’oses et de molécules non-glucidiques. On parle de liaison aglycone entre un ose et une molécule non-glucidique. ALDOSES et dérivés OSES CÉTOSES et dérivés GLUCIDES HÉTÉROSIDES OSIDES

OLIGOSIDES HOLOSIDES POLYOSIDES

II.

OSES A.

STRUCTURE 1.

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STRUCTURE LINÉAIRE

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Pour numéroter les glucides, on part du principe que le carbone le plus oxydé porte l’indice le plus faible. A)

CARBONE ASYMÉTRIQUE

Tous les oses présentent un carbone asymétrique, exceptés les cétotrioses qui présentent une fonction cétone sur leur carbone 3. Qui dit carbone asymétrique dit différents stéréoisomères possibles : si 𝑛 est le nombre total de carbones dans le glucide considéré, on aura : • •

2".% stéréoisomères pour les aldoses. 2"/–/1 stéréoisomères pour les cétoses. B)

OSES ET LUMIÈRE POLARISÉE

La lumière polarisée permet de mettre en évidence le pouvoir rotatoire des glucides, pouvoir dû à un centre chiral. Ils peuvent donc être lévogyre et dextrogyre, mais cette propriété n’est pas corrélée avec leur caractère L ou D. Deux molécules présentant 𝑛 centres chiraux mais ne différant que par un seul centre chiral sont appelées des épimères. Par exemple, le D-fructose peut s’interconvertir (de manière réversible) en D-glucose ou en D-mannose. Le D-glucose et le D-mannose sont épimères : on passe de l’un à l’autre par épimérisation. Dans l’organisme, il existe des enzymes qui ont la capacité de passer de passer d’un épimère à l’autre, et dans l’exemple présent, du mannose au glucose directement (sans passer par le fructose). On nomme ces enzymes des épimérases. Les sucres de l’organise sont majoritairement sous forme D (alors que les acides aminés sont de forme L). Il y a donc une stéréospécificité des systèmes biologiques. Certains transporteurs ne sont capables que de reconnaître une des formes D ou L des molécules. Par exemple, le D-glucose est spécifiquement reconnu par le transporteur SGLT1 (transport membranaire actif) alors que GLUT2 (transport passif) prend en charge indifféremment le D-glucose et le L-glucose.

2.

STRUCTURE CYCLIQUE

Quand on fait réagir des oses linéaires entre eux, ces-derniers ont, par la liberté des fonctions aldéhyde ou cétone, la capacité de recolorer de la fuschine, préalablement décolorée par du bisulfite. Dans certains cas, les oses ne la recolorent pas : ils ont adopté une forme qui masque la partie de leur chaîne qui devrait assurer la recoloration. Cela correspond au phénomène de mutarotation après dissolution : l’ose en question hésite sur la valeur finale de son pouvoir rotatoire ; c’est une période d’adaptation où la forme linéaire est en équilibre avec la forme cyclique. A)

NOTION D’HÉMIACÉTAL ET D’HÉMICÉTAL

L’hémiacétalisation correspond à la réaction entre le groupement COH et un groupement OH. L’hémicétalisation correspond à la réaction entre le groupement CO et un groupement OH. B)

APPLICATION AUX OSES

Les aldohexoses forment des hémiacétals intramoléculaires entre C1 (aldéhyde) et C5 (OH). Cela donne une structure de type tétrahydropyranose (stable) qui dérive de l’hémiacétalisation.

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Les héxocétoses forment une structure de type tétrahydrofuranose par hémicétalisation entre C2 (cétone) et C5 (OH). ! Les aldohexoses peuvent également former une structure de type furanose, entre C1 (aldéhyde) et C4 (OH). Néanmoins, la structure furanose est moins stable que la structure pyranose.! Pour passer de la forme pyrane ou furane à la forme tétrahydropyranose ou tétrahydrofuranose, on enlève simplement les doubles-liaisons. La cyclisation des glucides amène à parler de la notion de carbone anomérique. Ils sont notés a ou b. Du fait de la liaison pour former le cycle tétrahydropyrane : on va avoir soit l’OH en-dessous du plan (le carbone porteur sera noté a) soit l’OH au-dessus du plan (le carbone porteur sera noté b). Un ose en solution va donc pendant quelques millisecondes être en équilibre entre les formes anomériques a et b, ce qui va permettre au pouvoir rotatoire de changer, avant de finalement se stabiliser ; c’est ce qui correspond au phénomène de mutarotation.

B.

PROPRIÉTÉS DES OSES 1.

GÉNÉRALITÉS

Un ose est une molécule très hydrosoluble ; cette hydrosolubilité est liée aux groupements OH. C’est par ailleurs à cause de cette hydrosolubilité que l’organisme va conserver l’énergie sous forme de lipides, car les oses, plus volumineux du fait de leur attirance pour l’eau, vont conserver moins d’énergie pour un même volume. La dégradation des sucres apporte ainsi moins d’énergie que la dégradation des lipides.! Sur le plan de la spectroscopie, les glucides n’ont pas de spectre dans l’UV, mais présentent un spectre IR spécifique. À l’état solide, les glucides forment des cristaux d’oses purs incolores.

2.

STABILITÉ CHIMIQUE A)

EN MILIEU ACIDE

En milieu acide et à chaud, les oses se transforment en composé de type furfural. Le furfural est issu d’un ose après cyclisation et déshydratation. Ce furfural va permettre d’identifier si on a affaire à un aldose ou à un cétose. On fait une réaction qualitative entre le furfural et : • • •

L’ a-naphtol (non-spécifique) : qui ne donne pas la structure cétone ou aldéhyde, mais permet d’affirmer qu’il y avait un ose au départ dans la solution. Le résorcinol : qui devient coloré si le furfural est issu d’un cétose. L’orcinol : qui devient coloré si le furfural est issu d’un aldose.

La couleur étant stable, cette réaction peut également servir sur le plan quantitatif : plus l’intensité de couleur sera forte, plus il y avait de composés en solution au départ. Application biologique : capacité de filtration du rein, ou Débit de Filtration Glomérulaire (DFG). En cas de dysfonctionnement rénal, le DFG diminue. On injecte au patient suspecté de déficit en DFB une dose d’inuline (type d’ose). On mesure la concentration en inuline (via la loi de Beer Lambert) dans les urines (car l’ose n’est pas dégradé en théorie en cas de DFG).

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On réalise un dosage dans le sang et les urines de l’inuline. La clairance, c’est-à-dire la capacité qu’à le rein à clarifier le sang d’une molécule donnée, à l’inuline est mesurée. On le ratio de la concentration d’inuline dans le sang et les urines : si la clairance diminue, le rein est souffrant et le patient est atteint d’une insuffisance rénale. B)

EN MILIEU ALCALIN

À froid, les oses s’épimérisent (ou interconversion). À chaud, les oses se dégradent.

3.

PROPRIÉTÉS DU GROUPEMENT CARBONYLE A)

RÉDUCTION DES OSES

On peut réduire les oses de façon chimique irréversible par du NaBH4. De façon enzymatique, la réduction est quant à elle réversible : ! • •

Si le groupement carbonyle est un aldéhyde, il y a greffe d’hydrogènes, l’aldéhyde se transforme en CH2OH : il n’y a donc pas formation d’un centre chiral supplémentaire.! Si le groupement est une cétone, il y a greffe d’un seul hydrogène au niveau de la substitution du carbone asymétrique, et il y a donc création d’un carbone chiral supplémentaire (et formation de 2 épimères).

La réduction des oses transforme ainsi des fonctions carbonyle en fonctions alcool, et entraine la genèse de polyols (ou polyalcools). Application biologique : si le patient est diabétique, il va y avoir une accumulation de glucose au niveau du cristallin (œil), et transformation du glucose en D-sorbitol (polyol), présentant un très grand nombre de fonction hydroxyle. Ces nombreuses fonctions OH vont capter des molécules d’eau en très grand nombre : cet excès d’eau va déformer le cristallin, conduisant à des problèmes de vision et à terme à une cataracte. B)

OXYDATION DES OSES

L’oxydation douce ne concerne que les fonctions aldéhydes : les aldoses sont transformés en acides aldoniques (mais jamais les cétoses). L’oxydation peut également être : •

•

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Chimique : Ø Par la liqueur de Fehling : on fait réagir un ose, en milieu alcalin et en présence de cations métalliques, avec la liqueur de Fehling (composée de sulfate de cuivre, de tartrate de potassium et de potasse KOH). La réaction entraîne une coloration de la solution. Ø Application biologique : chez un patient soupçonné diabétique, on fait réagir ses urines avec de la liqueur de Fehling. En théorie, le rein est capable de filtrer et de réabsorber les oses, mais sa capacité de réabsorption est limitée : on appelle cela le Tm (taux de réabsorption maximal). Si on détecte des oses ou du glucose dans les urines, la glycémie est supérieure à la capacité de réabsorption du rein, fixée à 10 mmol.L-1 au niveau sanguin. Enzymatique : Ø Application biologique : le glucose, quand on le soumet à la glucose oxydase (ou à une héxokinase) en présence d’oxygène, il va y avoir oxydation du sucre et genèse d’acide gluconique et d’une molécule de H2O2. Cette réaction enzymatique E1 est une réaction enzymatique douce. Ø Pour doser le glucose, on prend dans un second temps de la peroxydase, qui a la capacité en présence de H2O2 de transformer une molécule d’un substrat incolore en une molécule de substrat coloré. Suite à ces deux réactions enzymatiques, on mesure l’intensité de la couleur, et donc on a bien (comme une molécule de glucose donne une molécule d’H2O2, qui donne une molécule de substrat coloré), linéarité entre la concentration en D-glucose et l’intensité de la 5

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coloration. En mesurant cette-dernière, on va pouvoir connaître la concentration en glucose dans les fluides biologiques. Ø Le dosage de la glycémie correspond à la mesure de la concentration en glucose dans le sang. Le diabète correspond à un taux trop élevé de glucose sanguin. L’OMS définit un patient diabétique comme étant un individu qui a une concentration à jeun supérieure à 1,26 g.L-1 , soit 7 mmol.L-1 , pendant deux jours consécutifs. Une seconde définition du diabète est celle selon laquelle il existe une glycosurie (apparition de glucose dans les urines) dans le cas où la concentration sanguine est supérieure à 10 mmol.L-1 (car le Tm est dépassé). Ø La glycorachie (mesure du glucose dans le LCR) permet de définir l’origine d’une méningite, cette-dernière pouvant être due à une bactérie ou à un virus. En effet, la bactérie utilise le glucose pour se multiplier (mais pas le virus) : quand un patient présente une méningite, on réalise une ponction de LCR pour mesurer la glycorachie. Si elle est diminuée, la méningite est d’origine bactérienne, si elle est normale, le diagnostic se dirigera vers une méningite d’origine virale. L’oxydation forte concerne quant à elle aussi bien l’aldéhyde que le dernier carbone de la chaîne (CH2OH). Elle entraîne la formation d’acide glycarique (ou aldarique) suite à un traitement à l’acide nitrique concentré. C)

ADDITION – SUBSTITUTION DU CARBONYLE

Les additions ou substitution au niveau du carbonyle sont impliquées dans la formation des hétérosides. •

•

Addition ou substitution par fonctions aminées : création de liaisons N a ou b osidique (on parle d’oximes). La réaction de Maillard entre l’aldéhyde du glucose et protéines est un exemple d’addition ou substitution par une fonction aminées. Les produits terminaux de glycation (Advanced Glycation Endproducts) comme l’hémoglobine glyquée (la glycation est un procédé nonenzymatique) sont issus de ce genre de réaction. Par fonction phosphorique : le glucose est transformable en acide a-D-glycosyl-1-phosphorique, et se retrouve activé, afin de permettre la synthèse de glycogène.

4.

PROPRIÉTÉS DES FONCTIONS ALCOOLS A)

•

FORMATION D’ESTERS NATURELS

Esters phosphoriques :

Monoesters : comme l’AMPc, à savoir l’adénosine 3-5 monophosphate cyclique (formé d’une adénine, d’un pentose et de 2 structures cycliques). L’AMPc sert de second messager.

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Triesters : comme l’ATP, qui constitue une molécule très riche en énergie. Le rapport est un bon 254 indicateur de la richesse en énergie d’une cellule : plus une cellule comporte de l’ATP, plus elle est riche en énergie. Si une cellule utilise de l’ATP, elle dégrade les liaisons riches en énergie qui la constitue, et forme 234

: si le ratio est haut, il y a beaucoup d’ATP et peu d’ADP, de l’ADP voire de l’AMP. On calcule le ratio 254 la consommation en énergie est faible et la cellule en est donc chargée. Si le ratio est bas, il y a peu d’ATP donc la cellule consomme de l’énergie. Esters sulfuriques : comme les glycosaminoglycanes (tissu conjonctif, rappel d’histologie : héparane sulfate, chondroïtine sulfate, kératane sulfate et dermatane sulfate).

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BIOCHIMIE B)

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FORMATION D’ESTERS ORGANIQUES

Les esters organiques ne sont pas retrouvés à l’état naturel. parmi eux les esters acétiques, benzoïques et sulfonés. C) OXYDATION DE FONCTION ALCOOL

On

compte LA

L’oxydation de la fonction alcool donne naissance à des acides uroniques. Par exemple, le glucose est transformé en acide glucuronique, impliqué dans la détoxification, la solubilisation (de médicaments ou hormones), etc. Lorsque l’organisme a une volonté d’éliminer au niveau urinaire médicaments ou hormone, on leur fait subir une glucuroconjugaison : le glucose réagit avec une glucuronyltransférase, entraînant la genèse de composés que l’on appelle des glucuronides (dérivés des médicaments ou hormones) éliminables.

C.

OSES D’INTÉRÊT BIOLOGIQUE 1.

TRIOSES (OSES À TROIS CARBONES)

Le Phospho-D-glycéraldéhyde ou le Phosphodihydroxyacétone sont des oses issus de la coupure du fructose-1,6-diphosp...