Cours : Biochimie des glucides

Les Glucides : Définition, Classification,

Cours sur les Glucides

1. Définition et Intérêts des Glucides

1.1. Définition

• Les oses (ou monosaccharides), qui sont des sucres simples avec un squelette carboné linéaire généralement de 3 à 6 carbones (parfois 7 ou 8).
• Les osides (ou sucres complexes), qui résultent de l'assemblage de plusieurs oses.

1.2. Intérêts biologiques des Glucides

• Source d'énergie:
  • Énergie immédiate: Le glucose est la molécule carburant principale pour la plupart des cellules du monde vivant.
  • Énergie de réserve: L'amidon chez les végétaux et le glycogène chez les animaux sont des polymères de glucose qui stockent l'énergie.
• Rôle structural:
  • La cellulose est le principal composant des parois végétales.
  • La chitine forme l'exosquelette des invertébrés (insectes, crustacés) et des parois cellulaires de champignons.
  • Ils sont des constituants essentiels de macromolécules comme les acides nucléiques (ADN, ARN), les coenzymes.
• Rôle dans la reconnaissance cellulaire et la signalisation:
  • Les glycanes des glycoprotéines et glycolipides à la surface des cellules sont impliqués dans la reconnaissance intercellulaire.
  • Ils constituent des déterminants antigéniques importants, comme ceux des bactéries ou des groupes sanguins.

2. Classification des Glucides

2.1. Les Oses (Monosaccharides)

2.1.1. Nomenclature

1. Selon le nombre de carbones dans leur squelette:
   • 3 carbones: trioses
   • 4 carbones: tétroses
   • 5 carbones: pentoses
   • 6 carbones: hexoses
   • etc.
2. Selon la nature de la fonction carbonyle:
   • Fonction aldéhyde (): aldoses (le nom se termine généralement par -ose, ex: glucose).
   • Fonction cétone (): cétoses (le nom se termine généralement par -ulose, ex: ribulose, sauf pour le fructose qui est aussi connu sous le nom de lévulose ou gluculose).

  CHO
  |
  CHOH
  |
  CH₂OH

  CH₂OH
  |
  C=O
  |
  CH₂OH

2.1.2. Dissymétrie moléculaire et Pouvoir rotatoire

a. Chiralité et Carbone Asymétrique

b. Pouvoir Rotatoire Spécifique (PRS)

• : Angle de déviation de la lumière polarisée (en degrés).
• : Concentration de la solution (en g/mL). Si en g/100mL, la formule devient .
• : Longueur du tube contenant la solution (en dm).

c. Convention de Fischer et Projection de Fischer

• La chaîne carbonée principale est représentée verticalement, avec le carbone le plus oxydé (ayant le plus petit indice en nomenclature, ex: la fonction aldéhyde) en haut.
• Les liaisons dirigées vers l'observateur sont placées sur l'horizontale.
• Les liaisons dirigées vers l'arrière sont placées sur la verticale.
• Au croisement de la verticale et de l'horizontale se trouve un carbone asymétrique (C*), dont l'atome d'hydrogène n'est généralement pas figuré.

  CHO
  |
H-C*-OH  (D-glycéraldéhyde)
  | 
  CH2OH

  CHO
  |
HO-C*-H  (L-glycéraldéhyde)
  |
  CH2OH

d. Appartenance à la série D ou L

• Si le groupe de ce carbone est à droite en projection de Fischer, l'ose appartient à la série D.
• S'il est à gauche, l'ose appartient à la série L.

e. Configuration Absolue et Stéréoisomérie

• Énantiomères: Ce sont des stéréoisomères qui sont images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables (ex: D-glycéraldéhyde et L-glycéraldéhyde). Ils ont des activités optiques opposées (même valeur d'angle mais directions contraires). Un mélange équimoléculaire de deux énantiomères est un mélange racémique et n'a pas d'activité optique.
• Diastéréoisomères: Ce sont des stéréoisomères qui ne sont pas des images l'un de l'autre dans un miroir. Le D-glucose et le D-gulose en sont un exemple, car ils diffèrent par la configuration de plusieurs carbones asymétriques.
• Épimères: Deux stéréoisomères qui ne diffèrent que par la configuration d'un seul carbone asymétrique (hormis le carbone anomérique) sont des épimères. Par exemple, le D-glucose et le D-galactose sont épimères au niveau du carbone 4. L'épimérisation est un processus biologique catalysé par des épimérases, essentiel au métabolisme. L'absence d'épimérisation du galactose en glucose cause la galactosémie congénitale.

2.1.3. Filiation des Oses et structure cyclique

a. Filiation des Oses (Synthèse de Fischer-Kiliani)

b. Structure Cyclique des Oses

c. Anomérie et Mutarotation

• Anomère : Le groupe anomérique est orienté vers le bas en série D (ou vers le haut en série L) en projection de Haworth.
• Anomère : Le groupe anomérique est orienté vers le haut en série D (ou vers le bas en série L) en projection de Haworth.

d. Projections de Haworth (représentation cyclique plane)

• Le cycle est dessiné en perspective, avec les liaisons les plus proches de l'observateur en gras.
• Les groupes à droite dans la projection de Fischer sont situés en dessous du plan du cycle dans la projection de Haworth.
• Les groupes à gauche dans la projection de Fischer sont situés au-dessus du plan du cycle.
• Si le du carbone le plus éloigné du carbonyle (critère D/L) est à droite en Fischer, le terminal sera au-dessus du plan du cycle en Haworth (série D).

• Les aldohexoses cyclisent généralement sous forme pyranique, mais peuvent aussi prendre une forme furanique. Pour la forme pyranique en série D, le est au-dessus du plan.
• Les aldopentoses cyclisent usuellement sous forme furanique, mais aussi pyranique. Pour la forme furanique en série D, le est au-dessus du plan.
• Les cétohexoses (ex: fructose) cyclisent habituellement sous forme furanique (pont C), formant -D-fructofuranose et -D-fructofuranose, mais peuvent aussi prendre une forme pyranique. Pour la forme furanique en série D, le C6 est au-dessus du plan.

e. Conformation Spatiale des Oses (Formes Chaise et Bateau)

• La forme chaise: la plus stable, où les carbones 1 et 4 sont de part et d'autre d'un plan formé par les carbones 2, 3, 5 et l'oxygène.
• La forme bateau: moins stable, caractérisée par des encombrements stériques importants, où les carbones 1 et 4 sont du même côté du plan.

• Axiales: liaisons perpendiculaires au plan moyen du cycle (6 liaisons).
• Équatoriales: liaisons dirigées vers l'extérieur du cycle, à des précédentes (6 liaisons).

2.1.4. Propriétés des Oses et Oses d'intérêt biologique

a. Propriétés physiques des oses

• Solubilité: Les oses sont très solubles dans l'eau grâce à leurs nombreux groupes qui permettent la formation de liaisons hydrogène. Leur cristallisation est facilitée par l'ajout d'alcool (méthanol ou éthanol) où ils sont peu solubles.
• Pouvoir rotatoire spécifique: Chaque ose chiral possède un pouvoir rotatoire spécifique.
• Absorption UV/IR: Les oses n'absorbent pas dans l'ultraviolet mais présentent des spectres significatifs dans l'infrarouge.

b. Propriétés chimiques des oses

• Réduction: Les aldoses et les cétoses peuvent être réduits irréversiblement en alditols (polyols) par des agents réducteurs comme les borohydrures alcalins (). Le suffixe -ose est remplacé par -itol.
  • Ex: D-glucose D-glucitol (Sorbitol)
  • Ex: D-mannose D-mannitol
• Oxydation:
  • Oxydation douce: Les aldoses s'oxydent en acides aldoniques (la fonction aldéhyde est transformée en fonction acide carboxylique ) en présence d'agents oxydants doux comme ou . Les cétoses ne sont généralement pas oxydés dans ces conditions.
    • Ex: D-glucose Acide D-gluconique.
  • Tests de détection (réducteurs): Les aldoses (et certains cétoses qui peuvent s'énoliser en aldoses en milieu alcalin) sont des sucres réducteurs. Ils réagissent avec des réactifs comme la Liqueur de Fehling (à chaud en milieu alcalin, l'oxyde cuivrique bleu est réduit en oxyde cuivreux rouge brique) ou le réactif de Tollens.
    • (Acide aldonique)
  • Oxydation forte: Une oxydation forte (ex: dilué et chaud) d'un aldose conduit à l'oxydation de la fonction aldéhyde et de l'alcool primaire terminal en fonctions acides carboxyliques, donnant des acides aldariques (di-acides carboxyliques).
• Action des amines et thiols (substitution):
  • Avec les amines primaires, les aldoses et cétoses se condensent pour former des imines cycliques, conduisant à des N-hétérosides.
    • Ex: D-glucose + amine primaire ou -N-D-glucopyranoside.
  • Avec les thiols, les aldoses peuvent former des S-hétérosides. Les cétoses ne réagissent pas dans ces conditions.

• Réaction de Maillard: C'est une réaction non enzymatique qui se produit entre la fonction carbonyle d'un ose et un groupement amine d'une protéine, en conditions de chaleur et en milieu anhydre. Cette réaction est importante dans l'industrie alimentaire (processus de brunissement) et a des implications biologiques.
  • Ex: Glucose + Hémoglobine (sur la Valine N-terminale) Hémoglobine glyquée (), un marqueur clinique important du diabète sucré.
  • La formation de fructosamines (protéines glyquées) est également un marqueur du diabète.

c. Oses d'intérêt biologique

1. Trioses: Les formes les plus importantes sont des dérivés phosphorylés comme le glycéraldéhyde-3-phosphate et le dihydroxyacétone phosphate, intermédiaires clés du catabolisme du fructose 1,6-diphosphate dans la glycolyse.
2. Tétroses: Le D-érythrose, notamment sous forme de D-érythrose-4-phosphate, est un intermédiaire important de la voie des pentoses phosphates.
3. Pentoses:
   • D-xylose: Présent dans le bois et les polyosides de matrices extracellulaires animales.
   • L-arabinose: Un des rares sucres naturels de la série L, trouvé dans toutes les plantes. Le D-arabinose, non métabolisé par l'homme, est un précurseur du D-glucose et D-mannose.
   • D-ribose et D-2-désoxyribose: Composants essentiels des acides nucléiques (ARN et ADN respectivement).
   • D-ribulose: Un cétopentose dont le dérivé phosphorylé, le ribulose-1,5-diphosphate, est fondamental dans la photosynthèse.
4. Hexoses:
   • D-glucose: La "molécule carburant" universelle, abondante dans le miel et les fruits. Sous forme polymérisée (amidon, glycogène), il constitue les réserves énergétiques.
   • D-galactose: Entre dans la constitution du lactose (sucre du lait).
   • D-mannose: Peu abondant à l'état libre, mais un constituant de polymères (mannanes) et de glycoprotéines.
   • D-fructose (lévulose): Un des rares sucres cétoniques naturels, trouvé dans les fruits et le miel. Il entre dans la composition du saccharose.

d. Dérivés d'Oses

1. Osamines (oses aminés): Sont des oses où un groupe a été remplacé par un groupe amine (). Certains d'entre eux sont souvent N-acétylés. Ils sont présents dans les glycosaminoglycanes et les glycoprotéines.
   • Ex: Glucosamine, Galactosamine, N-acétyl-glucosamine, N-acétyl-galactosamine.
2. Désoxyoses: Oses dans lesquels un groupe hydroxyle a été remplacé par un atome d'hydrogène.
   • Ex: Le fucose (6-désoxy-L-galactose) est l'un des rares sucres naturels de la série L. Il est présent dans les glycoprotéines, glycolipides, hétérosides et est un déterminant important des groupes sanguins.
   • Le D-2-désoxyribose des acides nucléiques.
3. Acides uroniques: Oses où la fonction alcool primaire terminale () a été oxydée en fonction acide carboxylique () tout en laissant la fonction aldéhyde intacte (dans la forme linéaire).
   • Ex: Acide D-glucuronique: Rôle structural, impliqué dans la glucuronoconjugaison (détoxication) et précurseur de la vitamine C. Constituant des glycosaminoglycanes.
   • Acide L-iduronique: Constituant de polyosides animaux comme le dermatane sulfate et l'héparane sulfate.
4. Acide Neuraminique et Acides Sialiques: L'acide neuraminique est un dérivé de cétose à 9 carbones, formé par aldolisation de l'acide pyruvique sur la D-mannosamine. Les dérivés N-acétylés ou N-glycolylés de l'acide neuraminique sont appelés acides sialiques. Ce sont des constituants importants des glycoprotéines et glycolipides membranaires, jouant un rôle crucial dans les phénomènes de reconnaissance cellulaire.
5. Acide L-ascorbique (Vitamine C): C'est une lactone dérivée d'ose, caractérisée par une fonction ène-diol capable d'oxydation réversible en dicétone. Cette propriété redox est à l'origine de son action physiologique comme antioxydant.

2.2. Les Osides (Sucres Composés)

2.2.1. Holosides

a. Oligosides (ou oligoholosides)

Les oligosides sont des enchaînements covalents de 2 à 10 unités monosaccharidiques, liées entre elles par des liaisons O-glycosidiques. Une liaison O-glycosidique se forme entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle d'un autre ose, avec élimination d'une molécule d'eau. Ce type de liaison "bloque" la forme anomérique ( ou ) de l'ose impliqué.

• Diholosides (ou diosides): formés de 2 oses.
• Trisaccharides (ou triosides): formés de 3 oses.
• etc.

Conventions d'écriture:

• La nomenclature se fait de droite à gauche ou de haut en bas, en désignant l'ose non réducteur en premier.
• Si la liaison glycosidique n'engage pas le carbone semi-acétalique (anomérique) du deuxième ose, ce dernier peut encore exister sous ses deux formes anomériques, et le diholoside est alors réducteur. Sinon, il est non réducteur.

• Saccharose (sucrose):
  • Composition: -D-glucopyranosyl()-D-fructofuranose.
  • Liaison: Le carbone anomérique du glucose () est lié au carbone anomérique du fructose (), ce qui rend le saccharose non réducteur.
  • Hydrolyse: Par -glucosidase ou -fructosidase (invertase), il donne du glucose et du fructose.
  • Intérêt: Sucre de table, abondant dans le monde végétal.

• Lactose:
  • Composition: -D-galactopyranosyl()D-glucopyranose.
  • Liaison: Le galactose est lié par son carbone (-anomère) au carbone du glucose. La fonction hémiacétalique du glucose () reste libre, rendant le lactose réducteur.
  • Hydrolyse: Par -galactosidase (lactase), il donne du galactose et du glucose.
  • Intérêt: Sucre du lait des mammifères.
• Maltose:
  • Composition: -D-glucopyranosyl()D-glucopyranose.
  • Liaison: Deux unités de glucose liées par une liaison .
  • Intérêt: Produit de dégradation de l'amidon par les amylases.
• Cellobiose:
  • Composition: -D-glucopyranosyl()D-glucopyranose.
  • Liaison: Deux unités de glucose liées par une liaison .
  • Intérêt: Produit de dégradation de la cellulose par les cellulases.

b. Polyosides (ou polyholosides)

Les polyosides sont des polymères de plus de 10 unités monosaccharidiques. Ils peuvent être homogènes (constitués d'un seul type d'ose) ou hétérogènes (constitués de plusieurs types d'oses).

• Amidon:
  • Définition: Polycondensé de glucose, avec une masse moléculaire élevée (10 à 10 Da). C'est le principal polyoside de réserve des végétaux.
  • Propriétés: Poudre blanche, insoluble dans l'eau froide mais soluble dans l'eau chaude. Donne une coloration violette avec l'iode.
  • Structure: Composé de deux fractions:
    • Amylose (20%): Polyoside linéaire de D-glucose lié par des liaisons , adoptant une structure hélicoïdale. Chaque chaîne contient de 100 à 1000 résidus, avec un faible effet réducteur (un seul groupement réducteur par chaîne).
    • Amylopectine (80%): Polyoside ramifié. Des chaînes de D-glucose liées par des liaisons et des ramifications environ tous les 20 à 25 résidus.
  • Hydrolyse:
    • Acide: Donne finalement du glucose, avec des étapes intermédiaires (dextrines ramifiées, maltose).
    • Enzymatique: Réalisée par les amylases (-glucosidases), qui produisent divers oligosaccharides et glucose.
• Glycogène:
  • Découverte: Découvert par Claude Bernard en 1856, présent dans les muscles et le foie des animaux.
  • Intérêt clinique: Les maladies de stockage du glycogène (glycogénoses) sont dues à des déficits enzymatiques.
  • Propriétés: Poudre blanche, soluble dans l'eau (solution opalescente). Donne une coloration brun acajou avec l'iode.
  • Structure: Polyoside ramifié de glucose. Les molécules de glucose sont liées par des liaisons et des ramifications , avec un taux de ramification plus élevé que l'amylopectine (environ 10%).
  • Hydrolyse: Acide ou enzymatique (amylases, phosphorylases).
• Cellulose:
  • Définition: Polycondensé de -D-glucose lié par des liaisons , avec une masse moléculaire d'environ Da. C'est la substance de soutien des végétaux (ex: coton).
  • Propriétés: Insoluble dans l'eau et les solvants organiques.
  • Structure: Longues chaînes linéaires parallèles associées par des liaisons hydrogène ou de Van der Waals, formant des fibres rigides.
  • Hydrolyse:
    • Acide: Donne du glucose.
    • Enzymatique: Seule possible par les cellulases (présentes chez les micro-organismes, pas chez l'homme), produisant du cellobiose, qui est ensuite hydrolysé par la -glucosidase en glucose.
• Autres polyosides homogènes:
  • Chitine: Polymère de N-acétyl-glucosamine lié par des liaisons . Principal composant de l'exosquelette des arthropodes et des parois cellulaires des champignons.
  • Inuline: De la famille des fructosanes, c'est un composé de réserve chez certains végétaux. Polymère de -D-fructofuranose de 30 à 100 unités, lié par des liaisons .
  • Dextranes: Polyosides de réserve des bactéries et levures. Polymères d'-D-glucose liés par des liaisons , avec des branchements occasionnels sur les carbones 3 ou 4.

• Définition: Composés de deux ou plusieurs types d'oses différents. Les unités monosaccharidiques se suivent généralement en séquence selon un schéma répétitif, bien que des ramifications simples soient communes.
• Exemples:
  • Araboxylanes: Polymères mixtes d'arabinose et de xylose.
  • Galactoarabanes, galactomannanes etc.
  • Gommes (ex: des acacias): Galactoarabanes très ramifiés.
  • Agar-agar (gélose des algues rouges): Polyoside de D et L-galactose irrégulièrement sulfaté.
  • Carraghénates: Polymères linéaires d'unités diosidiques de galactose sulfaté lié au galactose, utilisés comme gélifiants dans l'industrie alimentaire.
  • Alginates (des algues brunes): Composés d'acides -D-mannuronique et -L-guluronique.

2.2.2. Hétérosides (ou glycoconjugués)

Les hétérosides sont des composés qui, par hydrolyse, libèrent un ou plusieurs oses et une partie non glucidique appelée aglycone. La liaison entre l'ose et l'aglycone est une liaison covalente. Ces composés sont cruciaux pour l'information qu'ils véhiculent.

Types de liaisons ose-aglycone:

• Liaisons O-glycosidiques: Condensation avec un groupe (alcoolique ou phénolique) de l'aglycone.
• Liaisons N-glycosidiques: Condensation avec un groupe aminé de l'aglycone.
• Liaisons S-glycosidiques: Condensation avec un groupe thiol de l'aglycone.

a. Glycoprotéines (GP)

Les glycoprotéines sont des protéines auxquelles sont liées des chaînes glucidiques (glycanes) par des liaisons osidiques. La partie glucidique représente généralement moins de 25% de la molécule, mais peut aller jusqu'à 70%.

• Types de liaisons ose-protéine:
  • Liaison N-osidique: Formée entre la N-acétylglucosamine et la fonction amide de l'asparagine (Asn) d'une protéine. Seuls les résidus Asn inclus dans la séquence Asn-X-Ser/Thr (où X est n'importe quel acide aminé) sont glycosylés. Exemples: récepteurs membranaires, molécules d'adhérence, immunoglobulines.
  • Liaison O-osidique: Formée entre la N-acétylgalactosamine et la fonction alcool de la sérine (Ser) ou de la thréonine (Thr). Contrairement aux N-glycoprotéines, tous les résidus Ser ou Thr ne sont pas glycosylés. Exemples: mucines (sécrétions muqueuses), globulines plasmatiques, glycoprotéines des groupes sanguins ABO.
• Constituants glucidiques des glycoprotéines: Des oses (pentoses comme le xylose, hexoses comme le D-galactose, D-mannose, rarement D-glucose), des 6-désoxyhexoses (L-rhamnose, L-fucose), des hexosamines (D-glucosamine, D-galactosamine, souvent N-acétylées), et des acides sialiques.
• Fonctions diverses des glycoprotéines: Elles sont présentes dans les tissus et liquides biologiques et remplissent de nombreuses fonctions: reconnaissance cellulaire (lectines), réponses immunitaires, infections (ex: orosomucoïde marqué par l'inflammation aiguë).

b. Protéoglycanes (PG)

Les protéoglycanes sont une classe particulière de glycoprotéines hautement glycosylées. Ils sont composés d'une protéine centrale (core protein) à laquelle sont attachées de longues chaînes polyosidiques appelées glycosaminoglycanes (GAG). Les GAG sont très majoritaires (plus de 90%) dans la molécule totale.

• Localisation: Principalement dans la matrice extracellulaire des tissus conjonctifs et dans les membranes plasmiques.
• Glycosaminoglycanes (GAG):
  • Définition: Polycondensation linéaire d'unités d'osamines (hexosamines) et d'acides uroniques, qui peuvent être sulfatés. Ils sont de nature fortement polyanionique.
  • Principales classes de GAG (souvent classés selon leur composition disaccharidique répétitive):

    GAG	Premier composant	Deuxième composant
    Acide hyaluronique	N-acétyl-D-glucosamine	Acide D-glucuronique
    Chondroïtine sulfate	N-acétyl-D-galactosamine-sulfate	Acide D-glucuronique
    Dermatane sulfate	N-acétyl-D-galactosamine-sulfate	Acide L-iduronique
    Kératane sulfate	D-galactose-sulfate	N-acétyl-D-glucosamine-sulfate
    Héparane sulfate / Héparine	D-glucosamine (souvent N-sulfatée)	Acide D-glucuronique ou L-iduronique

  • Rôles des protéoglycanes:
    • Propriétés rhéologiques: Hydratation, résistance aux forces compressives, capacité de filtration, transparence (ex: dans le cartilage, humeur vitrée).
    • Activités cellulaires: Prolifération, différenciation, adhérence, migration.
    • Régulation des facteurs de croissance et cytokines: Peuvent contrôler leur biodisponibilité et leur stabilité.
    • Neutralisation d'effets toxiques, potentialisation d'activité dans le traitement de diverses maladies.
  • Pathologies: Les troubles du métabolisme des GAG sont à l'origine des mucopolysaccharidoses. Des altérations peuvent contribuer à des pathologies comme la plaque d'athérome.

c. Peptidoglycanes (Muréine)

Les peptidoglycanes (muréine, mucocomplexe, ou mucopeptide) sont les composants majeurs de la paroi bactérienne. Ils assurent une protection mécanique essentielle contre la pression osmotique. La structure de la paroi varie chez les bactéries à Gram positif (couche épaisse) et Gram négatif (couche fine).

• Structure: Polymère d'unités alternées de:
  • N-acétylglucosamine (NAG).
  • Acide N-acétylmuramique (NAM): un NAG lié à un acide lactique par une liaison éther-oxyde sur le du glucose.
  Ces chaînes sont réticulées par de courts peptides (d'où le nom "peptido-glycane").
• Cible antibiotique: Les pénicillines agissent en inhibant la dernière étape de la synthèse des peptidoglycanes, rendant cet antibiotique bactéricide.

d. Glycolipides

Les glycolipides sont des composants majeurs des membranes cellulaires, impliqués dans les phénomènes de reconnaissance et d'interactions moléculaires et cellulaires. Ils sont constitués d'une chaîne glucidique (glycane) liée à un lipide.

• Types de liaisons et structures lipidiques:
  • Liaison d'un ose simple ou d'un oligosaccharide à un groupe du glycérol d'un diglycéride (glycéroglycolipide), courants dans le règne végétal.
  • Liaison à la sphingosine d'un céramide (glycosphingolipide), rencontrés principalement dans les membranes plasmiques des cellules animales.
• Chaînes glycaniques: Comprennent les mêmes oses que celles des glycoprotéines.

3. Conclusion