Structural Biochemistry: Lipids and Fatty Acids

Introduction à la Biochimie Structurale des Lipides

Les lipides sont un groupe hétérogène de molécules organiques essentielles au corps humain, composées principalement d'acides gras et d'alcools. Contrairement aux glucides, aux protéines et aux acides nucléiques, ils se caractérisent par leur nature hydrophobe. Ils se présentent sous diverses formes, allant des huiles liquides aux graisses solides et aux cires.

Rôles des Lipides

Les lipides jouent plusieurs rôles cruciaux dans l'organisme :

• Rôle énergétique :

  • Ils constituent environ 20% du poids corporel.

  • Ils représentent une réserve mobilisable très calorique (9 kcal/1g de lipides).

  • Ils sont stockés sous forme de triglycérides dans le tissu adipeux.

• Rôle métabolique :

  • Ils sont des précurseurs de vitamines liposolubles (A, D, E, K) et d'hormones stéroïdes (cortisol, aldostérone, testostérone).

  • Ils agissent comme médiateurs cellulaires (inositol 3 phosphate, diacylglycérol) et éléments de signalisation cellulaire, traversant la membrane plasmique sans récepteurs

• Rôle structural :

  • Ils sont des constituants fondamentaux de toutes les membranes cellulaires (phospholipides, glycolipides, glycérolipides).

  • Leur organisation en bicouches contrôle la fluidité membranaire (élasticité, viscosité).

Classification des Lipides

Les lipides sont divisés en deux grandes catégories :

• Lipides à base d'acides gras (saponifiables) : Ce sont des lipides qui peuvent être saponifiés (produire du savon par traitement alcalin). Ils incluent les acides gras (AG), les lipides simples et les lipides complexes.

• Lipides à base d'isoprène (insaponifiables) : Ces lipides polyisopréniques, comme les stéroïdes et les vitamines liposolubles, ne sont pas saponifiables. Ils ne sont généralement pas inclus dans les programmes d'études de base.

Les Acides Gras (AG)

Les acides gras sont l'unité de base de nombreux lipides et constituent des molécules essentielles.

Généralités sur les Acides Gras

Les acides gras sont des acides organiques faibles, caractérisés par une chaîne carbonée aliphatique et un groupe carboxyle (). Le carbone du groupe carboxyle est numéroté 1.

• Ils sont monocarboxyliques (un seul groupe COOH).

• Ils possèdent un nombre pair d'atomes de carbone, généralement entre 4 et 30.

• Il existe deux catégories principales :

  • Acides Gras Saturés (AGS) : Ne contiennent que des liaisons simples .

  • Acides Gras Insaturés (AGI) : Contiennent au moins une double liaison .

Acides Gras Saturés (AGS)

Les AGS ne possèdent aucune double liaison dans leur chaîne carbonée.

• La formule chimique est ou .

• Leur structure est en zig-zag, globalement linéaire.

• Si , ils se trouvent dans les huiles.

• Si , ils se trouvent dans les graisses et les cires.

Nomenclature des Acides Gras Saturés

1. Nom usuel : Attribué selon l'origine (ex: acide butyrique, palmitique, stéarique).

2. Nomenclature chimique : Acide + (radical) anoïque (ex: acide butanoïque pour C4:0).

3. Nomenclature physiologique : , où est le nombre d'atomes de carbone et $0$ indique l'absence de double liaison.

omenclature chimique (NPA) Nomenclature physiologique Formule chimique semi-désaturée acide butyrique acide butanoïque C4:0 acide palmitique acide hexadécanoïque C16:0 acide stéarique acide octodécanoïque C18:0

Acides Gras Insaturés (AGI)

Les AGI possèdent une ou plusieurs doubles liaisons () et peuvent présenter une isomérie ou . Les AGI naturels sont généralement de configuration .

• AG monoinsaturés () : Une seule double liaison.

• AG polyinsaturés : Plusieurs doubles liaisons, séparées par un ou plusieurs (jamais conjuguées, sauf exceptions végétales).

• AG essentiels : Certains AGI, comme l'acide linoléique et l'acide linolénique, ne peuvent être synthétisés par l'organisme et doivent être apportés par l'alimentation.

Nomenclature des Acides Gras Insaturés

1. Nom usuel : Selon l'origine (ex: acide oléique (huile d'olive), arachidonique (huile d'arachide)).

2. Nomenclature chimique : Utilise le suffixe "énoïque" pour monoinsaturés, "diénoïque" pour di-insaturés, etc. (ex: acide octadécénoïque pour C18:1).

3. Nomenclature systématique : , où est le nombre de carbones, le nombre de doubles liaisons, et leurs positions.

   • La numérotation commence à partir du carbone de la fonction carboxyle (C1).

   • Les carbones adjacents au C1 sont désignés par des lettres grecques ().

4. Nomenclature oméga ( ou ) : Regroupe les AGI en séries, définissant la position de la première double liaison par rapport au carbone méthyle () terminal. Utile en nutrition pour classer les aliments (ex: oméga-3).

Il existe 4 séries principales : (ou ), (ou ), (ou ), (ou ). Les sont importants pour le développement de la vision et du cerveau (trouvés dans les poissons).

Propriétés Physiques des Acides Gras

1. Le point de fusion (PF) : Le PF est la température à laquelle un AG passe de l'état solide à l'état liquide.

   • Le

PF augmente avec la masse moléculaire (longueur de la chaîne carbonée).

• Ex: acide butyrique (C4) : -8°C; acide stéarique (C18) : +69°C.

• À température ordinaire, les AG avec moins de 10 carbones sont liquides, ceux avec plus de 10 carbones sont solides.

• Le PF diminue avec l'augmentation du taux d'insaturation (nombre de doubles liaisons).

  • Ex: acide stéarique (0) : +69°C; acide oléique (1) : +16°C; acide linolénique (3) : -11°C.

  • À température ordinaire, tous les AGI sont liquides.

• Caractère amphiphile : Les AG sont amphiphiles, possédant une tête hydrophile (fonction acide) et une queue hydrophobe (chaîne carbonée). En milieu aqueux, ils peuvent s'assembler en micelles, vésicules (liposomes), ou bicouches.

• Solubilité :

  • Les AG sont partiellement solubles dans l'eau s'ils ont moins de 10 carbones. Au-delà de 10 carbones (acide caprique), ils deviennent strictement insolubles dans l'eau.

  • Ils sont solubles dans les solvants organiques apolaires (chloroforme, benzène, éther).

Propriétés Chimiques des Acides Gras

1. Propriétés dues à la fonction carboxylique :

1. Formation des sels (saponification) :

   Réactif	Réaction	Caractéristiques
   Hydroxyde métallique (NaOH, KOH)	Formation de sels alcalins d'AG (savons potassiques liquides ou sodiques durs : ou ).	Les savons sont solubles dans l'eau et possèdent des propriétés moussantes, mouillantes et émulsifiantes. L'indice de saponification mesure la masse de KOH nécessaire pour saponifier 1g de graisse.

2. Formation d'esters :

   Réactif	Réaction	Caractéristiques
   Alcool (glycérol, cholestérol)	Formation d'esters d'AG.	Cette réaction est à la base de la formation de toutes les classes de lipides.

2. Propriétés dues à la chaîne carbonée (aliphatique) :

1. Réaction d'halogénation :

   Réactif	Réaction	Caractéristiques
   Halogène ( ou )	Un AGI traité par un halogène donne un dérivé dihalogéné au niveau des doubles liaisons. Ex: .	Cette réaction est utilisée pour évaluer le degré d'insaturation des AG via l'indice d'iode (masse d'iode fixée par 100g de matière grasse).

2. Réaction d'hydrogénation :

   Réactif	Réaction	Caractéristiques
   Hydrogène ()	Réaction enzymatique ou industrielle de fixation d'hydrogène sur une double liaison, transformant les AGI en AGS correspondants. Ex: .	L'application industrielle permet de solidifier les huiles végétales ou animales pour produire de la margarine.

3. Réactions d'oxydation :

   Réactif	Réaction	Caractéristiques
   Peracide à froid (ex: acide performique)	Oxydation par un peracide, formant un époxyde.
   Acide minéral à 50°C	Oxydation, formant un glycol. Ex: .
   Oxydant puissant (ex: )	Oxydation qui coupe la double liaison, formant deux acides. Permet de localiser les doubles liaisons.
   Oxygène (auto-oxydation ou rancissement)	Formation de peroxydes,

puis d'aldéhydes toxiques et cétones par rupture de chaîne. Les doubles liaisons sont facilement oxydables. La vitesse d'auto-oxydation augmente avec le nombre de doubles liaisons. Causes l'odeur rance des graisses. Oxydation biologique (enzymatique) Par des oxygénases, l'acide arachidonique est oxydé pour donner des médiateurs (prostaglandines, leucotriènes, thromboxanes). Processus important pour la signalisation cellulaire.

Les Lipides Simples

Les lipides simples sont des composés ternaires (C, H, O) qui sont des esters d'acides gras et d'alcool. Ils sont classés selon la nature de l'alcool:

• Glycérides : L'alcool est le glycérol.

• Stérides : L'alcool est un stérol (alcool cyclique).

• Cérides : L'alcool est à longue chaîne aliphatique.

Les Glycérides

Les glycérides sont des esters d'acides gras et de glycérol, aussi appelés acylglycérols.

Classification des Glycérides

Selon le nombre d'acides gras liés au glycérol, on distingue :

• Monoglycérides : Un groupe -OH estérifié. Intermédiaires de synthèse des triglycérides et phospholipides. Seconds messagers activant les protéines kinases C.

• Diglycérides : Deux groupes -OH estérifiés. Similaires aux monoglycérides en termes de fonction.

• Triglycérides : Trois groupes -OH estérifiés.

  • Les acides gras peuvent être identiques ou différents, saturés ou insaturés.

  • Les triglycérides (TG) sont les lipides naturels les plus abondants.

  • Ils sont présents dans les tissus adipeux (graisses de réserve) et dans les huiles végétales, produits laitiers, et graisses animales. Ils représentent une importante réserve d'énergie.

Propriétés Physiques des Glycérides

• Insolubles dans l'eau, mais solubles dans les solvants organiques (acétone, benzène, chloroforme, éther).

• Leur point de fusion dépend de leur composition en AG : il augmente avec le nombre de carbones et diminue avec la quantité d'AG insaturés.

Propriétés Chimiques des Glycérides

1. Réaction d'halogénation :

   Réaction	Propriétés
   Fixation de l'iode (sur les AGI)	Mesurée par l'indice d'iode, qui renseigne sur la présence d'AG insaturés.

2. Saponification :

   Réaction	Propriétés
   Les TG traités par des bases fortes (NaOH ou KOH) en solution alcoolique et à chaud, coupent les liaisons esters, libérant les AG sous forme de sels (savons).	L'indice de saponification mesure la quantité de potasse nécessaire pour saponifier 1g de matière grasse.

3. Hydrolyse enzymatique :

   Réaction	Propriétés
   Triglycéride + lipase monoglycéride + 2 Acides gras. Monoglycéride + monoglycéride lipase Glycérol + Acide gras.	Les lipases pancréatiques (pour TG exogènes) nécessitent les sels biliaires. Une monoglycéride lipase achève l'hydrolyse des TG endogènes dans les tissus adipeux.

Les Stérides

Les stérides sont des esters d'acides gras et de stérols.

Définition et Classification des Stérides

Les stérols sont des alcools tétracycliques rattachés au groupe des stéroïdes. Leur noyau fondamental est le Cyclopentanoperhydrophénanthène (noyau stérane), dont le cholestérol est un exemple. Le cholestérol est un composant majeur de la membrane plasmique, régulant sa fluidité. Il est également un précurseur de :

• Hormones stéroïdiennes.

• Vitamine D.

• Acides biliaires.

L'ergostérol, structurellement similaire au cholestérol, est un constituant des membranes fongiques et de certains protozoaires.

Différentes classes de Stérides

1. Esters du cholestérol :

   Structure	Caractéristiques
   	Le cholestérol libre a une certaine solubilité dans l'eau, mais le cholestérol estérifié est complètement hydrophobe.

2. Acides biliaires

   Catégorie

Nom Ex. Caractéristiques Acides biliaires primaires Acide cholique, Acide chénodesoxycholique Formés dans le foie à partir du cholestérol, stockés dans la vésicule biliaire. Acides biliaires secondaires Conjugués à la Taurine ou à la Glycine pour donner les tauroacides et glycoacides biliaires (sels biliaires). Nécessaires à la digestion des lipides en formant des micelles qui facilitent l'action des lipases.

• Vitamine D :

  Structure	Caractéristiques
  Dérive du cholestérol. Le 7-déhydrocholestérol sous-cutané + UV Vitamine (cholécalciférol).	Rôle important dans la minéralisation osseuse. Rôles extra-osseux (immunité, cardiovasculaire, diabète). La vitamine est une prohormone qui subit deux hydroxylations (hépatique en 25-, rénale en 1-) pour donner le calcitriol (forme active).

• Hormones stéroïdiennes :

  Nom	Caractéristiques
  A. Cortisol	Glucocorticoïde, régule le métabolisme du glucose, favorise la dégradation protéique, rôle anti-inflammatoire et immunomodulateur.
  B. Aldostérone	Minéralocorticoïde, régule l'équilibre hydroélectrolytique et la tension artérielle.
  C. Testostérone	Produite par les cellules de Leydig. Contrôle la formation du sperme, le développement des organes génitaux et des caractères sexuels secondaires. Stimule l'anabolisme protéique.
  D. Œstradiol	Sécrété par l'ovaire et le placenta. Induit la formation des organes génitaux féminins, active la prolifération de l'endomètre et de l'épithélium vaginal. Contrôle les caractères sexuels secondaires féminins.
  E. Progestérone	Produite par l'ovaire et le corps jaune. Agit sur l'utérus préparé par l'œstradiol pour la nidation. C'est l'hormone de gestation.

Les Cérides (Cires)

Les cérides sont des esters d'acides gras et d'alcools à longue chaîne aliphatique (alcools gras primaires, saturés, non ramifiés, à nombre pair de carbones). L'alcool cétylique est un exemple courant.

Structure et Propriétés des Cérides

• Structure : où représente un acide gras et un alcool gras. Ex: le palmitate de cétyle.

• Présence : On les trouve dans les cires animales (blanc de baleine, cire d'abeilles) et végétales (cuticule des feuilles), ainsi que dans certaines parois bactériennes.

• Point de fusion : Élevé (60 à 100°C), solides à température ordinaire.

• Solubilité : Insolubles dans l'eau, solubles à chaud dans les solvants organiques.

• Inertie chimique : Résistent aux acides et à la plupart des réactifs, difficilement saponifiables.

Rôles Biologiques des Cérides

• Constituent les revêtements de protection des organismes vivants (protection contre l'évaporation, moisissures, parasites).

• Le palmitate de cétyle est une importante réserve énergétique pour les cétacés.

• Les cérides ne sont pas métabolisés par l'homme et les animaux supérieurs.

Les Lipides Complexes (Hétérolipides)

Les lipides complexes, ou hétérolipides, contiennent, en plus de C, H, O, des groupements phosphate, sulfate, glucidiques ou de l'azote. Ce sont des constituants essentiels des membranes plasmiques, assurant leur imperméabilité et délimitant les compartiments cellulaires. Ils sont classés selon la molécule qui fixe l'acide gras :

• Glycérophospholipides : Basés sur le glycérol.

• Glycéroglycolipides : Basés sur le glycérol.

• Sphingolipides : Basés sur la sphingosine.

Les Glycérophospholipides

La molécule de base est l'acide phosphatidique, qui est un glycérol-3-phosphate estérifié par deux acides gras en positions C1 et C2. L'AG en C2 est souvent insaturé.

Structure et Classification des Glycérophospholipides

L'estérification de l'acide phosphatidique au niveau de son groupement phosphorique par un alcool (X) donne naissance aux différentes classes de glycérophospholipides :

• Phosphatidylsérines : X = Sérine. (aussi appelées Céphalines, avec les phosphatidyléthanolamines)

• Phosphatidyléthanolamines : X = Éthanolamine. Présentes dans le tissu cérébral.

• Phosphatidylcholines (Lécithines) : X = Choline. Présentes dans le cerveau, le foie, le jaune d'œuf et la bile. Elles servent de réserve de choline (transmission nerveuse) et ont un rôle particulier comme surfactant pulmonaire (dipalmitoyl-phosphatidylcholine).

• Phosphatidylinositols : X = Inositol. Phospholipide important du cerveau, membranes cellulaires et mitochondriales. Leur hydrolyse par la phospholipase C (PLC) donne l'inositol triphosphate (IP3) et le diacylglycérol (DAG), qui sont des seconds messagers cellulaires.

Propriétés Physiques des Glycérophospholipides

• Solubilité : Insolubles dans l'eau, mais solubles dans les solvants organiques (chloroforme, benzène). Les lécithines sont insolubles dans l'acétone, ce qui permet de les séparer des lipides neutres (TG et stérides).

• Polarité et caractère amphiphile : Ce sont des molécules amphiphiles, avec une tête polaire (ester phosphorique) et une queue apolaire (acides gras). En milieu aqueux, elles s'organisent en micelles, vésicules (liposomes) ou bicouches, jouant un rôle fondamental dans les membranes biologiques.

Propriétés Chimiques des Glycérophospholipides

1. Hydrolyse alcaline (saponification) :

   • Hydrolyse alcaline douce : Libération des AG sous forme de savons + squelette (glycérol-P-alcool).

   • Hydrolyse alcaline forte : Libération des AG sous forme de savons + alcool + glycérol-P.

2. Hydrolyse acide : Le traitement acide à chaud hydrolyse les liaisons esters, libérant les AG et les autres constituants.

3. Hydrolyse enzymatique (par phospholipases) : Les glycérophospholipides sont hydrolysés par des phospholipases spécifiques () au niveau de l'intestin et des tissus. Cette hydrolyse libère des composés biologiquement actifs :

   • AG + lyso-1-phospholipide.

   • AG + lyso-2-phospholipide. (ex : le venin de serpent contient une qui produit de la lysolécithine, causant une hémolyse).

   • Diglycéride + phosphoalcool. L'action de la PLC sur le phosphatidylinositol diphosphate libère l'inositol triphosphate (IP3), un second messager cellulaire.

   • Acide phosphatidique + Alcool.

Les Glycéroglycolipides

Ces lipides ont les alcools des C1 et C2 du glycérol estérifiés par des AG, et l'alcool du C3 lié à un ose par une liaison glycosidique (glycérol + 2AG + Ose sur C3). Ils sont rares chez les animaux et les humains, mais constituent la moitié des lipides des végétaux verts.

Les Sphingolipides

Ce sont des amides de la sphingosine (un alcool aminé synthétisé à partir de palmitoyl CoA et de sérine) et d'acides gras.

Structure et Classification des Sphingolipides

1. Acylsphingosine ou Céramide :

   Nom/Structure	Propriétés	Rôle biologique
   Céramide = Sphingosine + AG	La fixation d'un AG sur le groupe de la sphingosine par une liaison amide donne un céramide, la molécule de base de tous les sphingolipides.	Lipides majoritaires du stratum corneum de l'épiderme, maintenant la cohésion cellulaire et contrôlant l'hydratation de la peau.

2. Sphingomyélines :

   Composition	Propriétés
   Céramide + Phosphocholine	Présentes dans le tissu nerveux (myéline), les membranes cellulaires et la cornée. Hydrolysées par des sphingomyélinases. Un déficit entraîne la maladie de Niemann-Pick.

3. Cérébrosides :

   Composition	Propriétés
   C

céramide + Ose Le céramide est lié par son alcool primaire à un ose :

• -galactose pour les cérébrosides du cerveau (galactocérébrosides). Catabolisé par la -galactosidase (déficit maladie de Krabbe).

• -glucose pour les cérébrosides des autres organes (glucocérébrosides). Catabolisé par la -glucosidase (déficit maladie de Gaucher).

Sulfatides :

• Gangliosides :

  Composition	Propriétés
  Glycolipides acides dont les chaînes oligosaccharidiques se terminent par des résidus d'acides sialiques (NANA). Notation GXy : G=Ganglioside, X (M,D,T,Q) indique le nombre de résidus d'acide sialique (1,2,3,4), y indique le nombre de résidus d'oses.	Constituants de la membrane cellulaire du système nerveux.

Récapitulatif des Fonctions des Familles de Lipides