Cours sur les lipides : structure et propriétés

1. Définition, rôle et classification des lipides

Les lipides sedéfinissent comme des molécules insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvantsorganiques non polaires. Ils jouent des rôles essentiels dans les organismes vivants, notamment en tant que réserve énergétique, composants structuraux des membranes et messagers cellulaires.

Classification des lipides

• Lipides simples (homolipides) : Composés uniquement de carbone, hydrogène et oxygène.

  • Acides gras

  • Acylglycérols (ex: triglycérides)

  • Cérides

  • Stérols (ex: cholestérol)

• Lipides complexes (hétérolipides) : Contiennent d'autres éléments comme le phosphore ou l'azote.

  • Glycérophospholipides

  • Sphingolipides

• Dérivés de lipides : Molécules liposolubles dérivées des deux catégories précédentes.

  • Vitamines liposolubles (A, D, E, K)

  • Terpènes

2. Acides gras

Les acides gras sont des acides carboxyliques à longue chaîne hydrocarbonée.

2.1. Acides gras saturés

Les acides gras saturés ne contiennent aucune double liaison carbone-carbone dans leur chaînehydrocarbonée.

• Formule brute : (où n est un nombre pair).

• Formule semi-développée :

• Fonction : Le groupe acide carboxylique () confère les propriétés acides.

• Fonction ionisée : Le carboxylate () est la forme ionisée à pH physiologique.

Numérotation et nomenclature des acides gras

• Numérotation : À partir du carbone du groupe carboxyle (C1). Le carbone voisin du carboxyle est le carbone . Le dernier carbone méthyle est le carbone .

• Nomenclature systématique : n-[nC]anoïque (ex: acide n-dodécanoïque pour 12 carbones).

  • n : indique une chaîne linéaire.

  • [nC] : nombre d'atomes de carbone.

  • an : indique une chaîne saturée (alcane).

  • oïque : indique la fonction acide carboxylique.

• Symbole : n:x (ou Cn:x) où n est le nombre de carbones et x le nombre de doubles liaisons (x=0 pour saturés). Ex: 12:0.

• Nom commun : Souvent lié à leur origine naturelle (ex: acide laurique du laurier).

Exemples d'acides gras saturés

2.2. Acides gras insaturés

Les acides gras insaturés possèdent une ou plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans leur chaîne.

• Formule brute : (n: nombre pair d'atomes de carbone; s: nombre de doubles liaisons).

  • s = 1 : acide gras monoéthylénique ()

  • s = 2 : acide gras diéthylénique ()

• Configuration des doubles liaisons :

  • Z (cis) : Les substituants les plus lourds de chaque carbone de la double liaison sont du même côté. C'est la configuration la plus fréquente dans la nature, induisant uncoude dans la chaîne.

  • E (trans) : Les substituants les plus lourds sont de côtés opposés. La chaîne reste plus linéaire.

Nomenclature des acides gras insaturés

• Nomenclaturesystématique : pconf-[nC](x)énoïque (ex: Acide 9Z-hexadécénoïque).

  • p : position des doubles liaisons.

  • conf : configuration (Z ou E).

  • [nC] : nombre de carbones.

  • x : nombre de doubles liaisons (di, tri, etc.).

  • én : indique une insaturation (alcène).

• Symbole : (n:s)Δ ou C(Δ) (Δ indique la présence et la position de la double liaison). Ex: (18:1)Δ.

• Numérotation : Les acides gras peuvent être classés par série (omega) en numérotant à partir du carbone méthyle terminal.

  • Acide oléique (18:1)Δ : série .

  • Acide linoléique (18:2)Δ : série .

  • Acide -linolénique (18:3)Δ : série .

Acides gras essentiels

Certains acides gras insaturés ne peuvent pas être synthétisés par l'organisme et doivent être apportés par l'alimentation. Ce sont les acides gras essentiels (ex: acide linoléique, acide -linolénique).

Exemples d'acides gras insaturés

2.3. Propriétés physiques

2.3.1. Solubilité

• Les acides gras sont des molécules amphiphiles, possédant une tête polaire (carboxyle) et une longue queue apolaire (hydrocarbonée).

• Le caractère hydrophobe prédomine avec l'augmentation de la longueur dela chaîne carbonée, rendant les acides gras plus longs insolubles dans l'eau.

• Les acides gras ayant moins de 6 carbones sont partiellement solubles dans l'eau.

• Les acides gras et les détergents, étant amphiphiles, peuvent formerdes micelles dans l'eau au-delà d'une certaine concentration appelée concentration micellaire critique (CMC). Dans une micelle, les queues grasses sont orientées vers l'intérieur (hydrophobe) et les têtes polaires vers l'extérieur (hydrophile).

2.3.2. Point de fusion

Le point de fusion est la température à laquelle un acide gras passe de l'état solide à l'état liquide.

• Il augmente avec la longueur de la chaîne carbonée pour les acides gras saturés (plus d'interactions de Van der Waals).

  • Acide laurique (C12:0)

  • Acide stéarique (C18:0)

• Il diminue avec le nombre et la configuration des doubles liaisons (insaturation).

  • Les doubles liaisons cis introduisent des coudes qui empêchent l'empilement régulier des molécules, réduisant ainsi les interactions intermoléculaires et abaissant le point de fusion.

  • Acide stéarique (C18:0)

  • Acide oléique (C18:1)

  • Acide linoléique (C18:2)

2.4. Propriétés chimiques

2.4.1. Propriétés de la fonction acide carboxylique

La fonction acide carboxylique () des acides gras est réactive.

• Réaction avec les amines : Formation d'amides.

• Réaction avec les alcools (estérification) : Formation d'esters.

  Cette réaction est fondamentale pour la formation des cérides (acide gras + alcool aliphatique) et des acylglycérols.

• Réaction avec les bases (saponification) : Formation de sels d'acides gras (savons).

  Cette hydrolyse alcaline (à chaud) des esters d'acides gras est la saponification, produisant des alcools et des savons.

Indices caractéristiques des lipides

Ces indices permettent de caractériser la longueur moyenne des chaînes d'acides gras et leur degré d'insaturation.

• Indice de saponification () :

  • Définition : Quantité de potasse (KOH) en mg nécessaire pour saponifier 1 g de matière grasse.

  • Interprétation : Plus est élevé, plus la masse molaire moyenne des acides gras est faible (chaînes courtes).

  • Calcul : Pour un ester, 1 mole d'ester réagit avec 1 mole de KOH (ou 3 moles de KOH pour un triglycéride).

• Indice d'acide (IA) :

  • Définition : Quantité de potasse (KOH) en mg nécessaire pour neutraliser 1 g d'acides gras libres dans une matière grasse.

  • Interprétation : Reflète la quantité d'acides gras non estérifiés. Un IA élevé indique une matière grasse de mauvaise qualité (hydrolyse).

• Indice d'ester (IE) :

  • Définition : Quantité de potasse (KOH) en mg nécessaire pour saponifier les esters dans 1 g de matière grasse (après élimination de l'acidité résiduelle).

  • Relation : .

2.4.2. Propriétés des acides gras éthyléniques (insaturés)

Les doubles liaisons desacides gras insaturés sont le siège de réactions spécifiques.

• Hydrogénation : Addition d'hydrogène sur les doubles liaisons en présence d'un catalyseur (ex: Ni, Pt), transformant les acides gras insaturés en acides gras saturés. Cette réaction estutilisée dans l'industrie pour solidifier les huiles végétales (obtention de margarines).

• Addition d'halogènes (ex: diiode) : Les doubles liaisons réagissent avec les halogènes.

• Indice d'iode (II) :

  • Définition : Quantité de diiode (I2) en cg nécessaire pour saturer les doubles liaisons contenues dans 1 g de matière grasse.

  • Interprétation : Plus II est élevé, plus le degré d'insaturation (nombrede doubles liaisons) de la matière grasse est important.

• Oxydation : Les doubles liaisons sont sensibles à l'oxydation (par l'oxygène de l'air, radicaux libres), conduisant à la formation de produits de dégradation(aldéhydes, cétones, acides carboxyliques plus courts) responsables du rancissement des graisses.

3. Méthodes de séparation et de dosage

La caractérisation et la quantification des lipides sont essentielles en biochimie.

3.1. Chromatographie sur Couche Mince (CCM)

La CCM est une technique de séparation simple et rapide, principalement basée sur l'adsorption.

• Principe : Les composés sont séparés en fonction de leur affinité pour la phase stationnaire et la phase mobile.

• Phase stationnaire : Un adsorbantsolide (ex: gel de silice) déposé sur une plaque.

• Phase mobile : Un solvant ou mélange de solvants qui migre par capillarité le long de la plaque.

• Séparation : Les composés les moins polaires (plus solubles dans la phase mobile,moins adsorbés par le gel de silice) migrent plus haut sur la plaque.

3.2. Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG)

La CPG est une technique puissante pour séparer des composés volatils ou rendus volatils.

• Principe: Les composés sont séparés en fonction de leur volatilité et de leur affinité pour la phase stationnaire.

• Préparation : Les lipides, souvent non volatils, sont transformés en dérivés volatils (ex: esters méthyliques d'acides gras) avant injection.

• Phase mobile : Un gaz inerte (ex: hélium, azote).

• Phase stationnaire : Liquide immobilisé sur un support inerte ou fixé sur les parois d'une colonne capillaire.

• Détection : Lescomposés sont détectés à leur sortie de la colonne, et leur temps de rétention (Tr) permet de les identifier.

• Interprétation :

  • Le Tr augmente avec le nombre de carbones de l'acide gras (plus lourds, moins volatils).

  • Le Tr augmente avec le nombre d'insaturations si la phase stationnaire est polaire (interaction avec les doubles liaisons).

4. Glycérolipides

Les glycérolipides sont des lipides basés sur une molécule de glycérol estérifiée par des acides gras.

4.1. Structure

Le glycérol est un alcool à trois carbones, chacun portant une fonction hydroxyle.

• Acylglycérols :

  • Monoglycérides (MG) : Un acide gras estérifie un groupe hydroxyle du glycérol.

  • Diglycérides (DG) : Deux acides gras estérifient deux groupes hydroxyles du glycérol.

  • Triglycérides (TG) : Trois acides gras estérifient les trois groupes hydroxyles du glycérol. C'est la forme principale de stockage des graisses.

• Les acides gras peuvent être identiques (TG homogène, ex: tripalmitine) ou différents (TG hétérogène).

4.2. Propriétés chimiques

4.2.1. Hydrolyse alcaline (saponification)

• Les triglycérides peuvent être hydrolysés en présence d'une base forte et de chaleur pour libérer duglycérol et des sels d'acides gras (savons).

• La réaction est stoechiométrique : 1 mole de TG nécessite 3 moles de KOH pour une saponification complète.

4.2.2. Hydrolyseenzymatique

• Les lipases sont des enzymes qui catalysent l'hydrolyse des liaisons ester des acylglycérols.

• Exemple : La lipase pancréatique hydrolyse les TG au niveau des positions 1 et 3,libérant des acides gras et un 2-monoglycéride.

5. Glycérophospholipides

Les glycérophospholipides sont des composants majeurs des membranes biologiques.

5.1. Structure

Ils dérivent de l'acide phosphatidique, composé d'un glycérol estérifié par deux acides gras (en C1 et C2) et un groupe phosphate (en C3).

• Un groupe X est attaché au groupe phosphate, déterminant le type de glycérophospholipide.

• Exemples :

  • Phosphatidylcholine (PC) : ()

  • Phosphatidyléthanolamine (PE) : ()

  • Phosphatidylsérine (PS) : ()

  • Phosphatidylinositol (PI) :

5.2. Propriétés physiques

5.2.1. Solubilité

• Les glycérophospholipides sont desmolécules fortement amphiphiles grâce à leur queue hydrophobe (acides gras) et leur tête hydrophile (phosphate et groupe X).

5.2.2. Formation de micelles et liposomes

• Dans l'eau, les glycérophospholipides s'organisent spontanément en structures ordonnées pour minimiser le contact entre les parties hydrophobes et l'eau.

• Micelles : Formations sphériques avec les queues hydrophobes empilées au centre.

• Bicouches lipidiques : Deux couches dephospholipides tête-bêche, formant une membrane. Cette structure est la base des liposomes (vésicules fermées délimitées par une bicouche) et des membranes biologiques.

  • Les liposomes enferment un espace intérieur hydrophile et ont une taille de 100 nm à plus de 1000 nm.

5.3. Propriétés chimiques

5.3.1. Hydrolyse acide

• L'hydrolyse acide forte des glycérophospholipides permet delibérer les acides gras, le glycérophosphate et le groupe X (ex: choline).

5.3.2. Hydrolyse alcaline

• L'hydrolyse alcaline des glycérophospholipides libère les groupes C1 et C2 estérifiés aux acides gras ainsi que les sels d'acides gras et le glycérophosphate lié au groupe X.

5.3.3. Hydrolyse enzymatique (Phospholipases)

Les différentes phospholipases hydrolysent des liaisons spécifiques dans les glycérophospholipides.

6. Sphingolipides

Les sphingolipides sont une autre classe importante de lipides membranaires, dont l'épine dorsale n'est pas le glycérol mais la sphingosine.

6.1. Sphingosine

La sphingosine est un amino-alcool à longue chaîne hydrocarbonée insaturée.

6.2. Céramide

Un céramide est formé par l'établissement d'une liaison amide entre le groupe amino de la sphingosine et un acidegras. C'est le motif structural de base de tous les sphingolipides complexes.

6.3. Sphingophospholipide

Les sphingophospholipides (ex: sphingomyéline) sont des céramides estérifiés sur le groupe hydroxyle primairede la sphingosine par un groupe phosphate, lui-même lié à une molécule polaire (souvent la choline).

• La sphingomyéline est abondante dans la gaine de myéline des cellules nerveuses.

7. Stérols

Les stérols sont des lipides caractérisés par un noyau stéroïde à quatre cycles fusionnés.

• Le cholestérol () est le stérol le plus connu, essentiel pour la fluidité membranaire et précurseur de nombreuses molécules (hormones stéroïdiennes, vitamine D, acides biliaires).

8. Membranes biologiques

Les membranes biologiques sont des structures essentielles qui délimitent les cellules et les organites.

Structure générale

• Elles sontprincipalement composées d'une bicouche lipidique et de protéines.

• La bicouche est formée par l'auto-assemblage de lipides amphiphiles (phospholipides, sphingolipides, cholestérol) en milieu aqueux.

• Modèle de la mosaïque fluide : Les membranes ne sont pas statiques ; lipides et protéines peuvent se déplacer latéralement.

Types de protéines membranaires

• Protéines intégrales : Traversent la bicouche lipidique (protéines transmembranaires) ou sont fortement ancrées.

• Protéines périphériques : Associées lâchement à la surface de la membrane, souvent par des interactions faibles avec les têtes polaires des lipides ou les protéines intégrales.

• Protéines ancrées par un bras lipidique: Liées de manière covalente à une molécule lipidique insérée dans la membrane.

• Protéines à ancrage glycosylphosphatidylinositol (GPI) : Un type spécifique de bras lipidique.

Membrane = système dissymétrique

• La composition lipidique (et protéique) des deux feuillets de la bicouche n'est pas identique. Cette dissymétrie est cruciale pour la fonction membranaire (ex: répartition des lipides dans la membrane des érythrocytes).

Mouvements des constituants membranaires

Les lipides et les protéines peuvent effectuer divers mouvements au sein de la membrane, contribuant à sa fluidité.

• Rotation des lipides : Les molécules lipidiques peuvent tourner sur elles-mêmes.

• Mouvement de balancier (flexion) : Les chaînes d'acides gras peuvent fléchir.

• Rotation des protéines.

• Diffusion latérale des lipides et des protéines : Mouvement rapide au sein du feuillet membranaire.

• Flip-flop (translocation transversale) : Rareet lent pour les lipides et inexistant pour les protéines, car il nécessite le passage d'une tête polaire à travers la phase hydrophobe. Des enzymes (flippases, floppases, scramblases) peuvent catalyser ce mouvement.

Annexes

Quelques fonctions organiques rencontrées en biochimie

Les interactions faibles

Les interactions faibles sont cruciales pour la structure et la fonction des biomolécules.

• Solubilité dans l'eau :

  • Les molécules polaires sont facilement solubles dans l'eau (hydrophiles) grâce aux liaisons hydrogènes et aux interactions électrostatiques.

  • Les molécules non polaires (apolaires) sont faiblement solubles dans l'eau (hydrophobes) et ont tendance à s'associer entre elles par interactions hydrophobes.

• Liaisons hydrogènes : Attracteurs entre un atome d'hydrogène (partiellement positif) lié à un atome électronégatif (O ou N) et un autre atome électronégatif. L'eau forme des réseaux de liaisons hydrogènes.

• Interactions ioniques : Attractions ou répulsions entre charges opposées ou demême signe. L'eau, solvant polaire, dissout les composés chargés.

• Composés amphipathiques (amphiphiles) : Possèdent à la fois des régions polaires/chargées et des régions apolaires. Ex: détergents, phospholipides. Ils s'organisent en micelles ou bicouches.

• Forces de Van der Waals : Interactions faibles et de courte portée entre molécules non chargées, résultant de dipôles transitoires induits. Elles incluent :

  • Interaction entre dipôles permanents.

  • Interaction entre un dipôle permanent et un dipôle induit.

  • Forces de dispersion de London : Interactions entre dipôles temporaires induits mutuellement, présentes entre toutes les molécules mais prédominantes pour les molécules apolaires.