Glucides : Structure, Nomenclature et Classification

Ce cours sur les glucides est dense, mais en le structurant bien, il deviendra plus facile à assimiler. Voici une version réorganisée et formatée pour faciliter l'apprentissage.

I – Aspects Structuraux des Glucides

A – Généralités

Les glucides, du latin « glucis » (doux), sont aussi appelés sucres et sont des molécules organiques essentielles aux organismes vivants.

• Ils représentent l'un des composants importants des organismes vivants, au même titre que les lipides et les protéines.

• Ils interviennent dans les structures cellulaires et tissulaires.

• Ils constituent une réserve énergétique (ex: glycogène).

• Ils servent de signaux de reconnaissance et de déterminants antigéniques.

• Ils sont des composants de métabolites fondamentaux.

• Présents dans toutes les cellules, ils peuvent représenter jusqu'à 70% du poids sec des végétaux.

B – Dénomination et Propriétés

Autrefois appelés « hydrates de carbone » (formule générique ), cette appellation est aujourd'hui impropre car tous les hydrates de carbone ne sont pas des sucres.

• Les glucides sont des aldéhydes ou cétones polyhydroxylées.

• Ils possèdent des fonctions alcool (primaires et secondaires), aldéhydes ou cétoniques, et parfois acides ou aminé es.

Principales propriétés des oses :

• Certains ont un goût sucré (fructose, saccharose).

• Ce sont des molécules très hydrosolubles grâce à leurs nombreux groupements -OH.

• Les aldoses sont des molécules réductrices par leur fonction hémiacétalique.

• Les cétoses sont peu réducteurs.

• Les oses se réduisent en polyols par voie chimique ou enzymatique.

Importance en biologie :

• Rôle énergétique:

  • La moitié des calories humaines proviennent des glucides.

  • Rôle de réserve énergétique (foie et muscles) sous forme de glycogène (animaux) ou d'amidon (végétaux).

• Rôle structural:

  • Éléments de soutien (ex: cellulose chez les végétaux).

  • Rôle de protection et reconnaissance cellulaire.

  • Composants fondamentaux des acides nucléiques et vitamines.

  • Représentent un fort pourcentage de la biomasse terrestre.

C – Classification des Glucides

Les glucides sont produits lors de la glyconéogenèse ou de la photosynthèse.

L'unité de base est le monosaccharide.

1. Les Oses Simples (Monosaccharides)

• Sucres élémentaires non hydrolysables.

• Ex: glucose, fructose, galactose.

2. Les Osides

• Molécules hydrolysables.

• Regroupent différentes catégories d'oses:

  • Disaccharides (2 sucres).

  • Trisaccharides (3 sucres).

  • Hétérosides (chaînes linéaires ou ramifiées complexes).

  • Holosides.

Classification des oses selon :

1. Nombre d'atomes de carbone:

   • 3C: Triose

   • 4C: Tétrose

   • 5C: Pentose

   • 6C: Hexose

2. Nature du carbonyle:

   • Fonction aldéhyde: Aldose

   • Fonction cétone: Cétose

Les oses se différencient aussi par la position spatiale des groupements hydroxyles.

Familles des saccharides :

• Monosaccharides: Sucres simples (ex: composants des acides nucléiques).

• Oligosaccharides: Quelques unités monosaccharidiques liées de manière covalente (ex: glycoprotéines).

• Polysaccharides: Poids moléculaire > 1000 kDa, rôle structural ou de stockage d'énergie (ex: glycogène).

II – Les Monosaccharides : Aspects Généraux

Les monosaccharides sont des sucres simples, non hydrolysables.

• Ils possèdent généralement 3 à 7 atomes de carbone.

• Leur squelette est une chaîne carbonée non ramifiée avec des liaisons simples.

• Ils sont extrêmement hydrophiles en raison de leur richesse en fonctions alcool.

• Exemples: Triose (3C), Tétrose (4C), Pentose (5C), Hexose (6C), Heptose (7C).

Carbones asymétriques :

• La présence de carbones asymétriques (liés à quatre groupements différents) confère un pouvoir rotatoire aux molécules.

• Ils peuvent dévier la lumière polarisée (dextrogyre ou lévogyre).

• Ex: Le D-glucose possède quatre carbones asymétriques.

Nomenclature :

• La nomenclature des oses est relative et par filiation.

• Le préfixe est suivi de la nature du pouvoir rotatoire (+ ou -).

• Si l'hydroxyle est à droite, il appartient à la série D ; s'il est à gauche, à la série L.

• Les lettres D ou L ne sont pas liées à la dextrogyrie ou à la lévogyrie.

• La plupart des monosaccharides naturels sont de la série D, en référence au D-glycéraldéhyde.

A – Les Aldoses (Familles C3 → C4 → C5 → C6) - Série D

Les aldoses sont des sucres dont la configuration est définie par la position de l'hydroxyle, en référence au glycéraldéhyde (triose de base).

1. Aldotétroses (C4) et Aldopentoses (C5)

• Aldopentoses:

  • Le ribose est un constituant de l'ARN.

  • Le désoxyribose est un constituant de l'ADN.

  • Ces molécules sont peu présentes à l'état libre.

2. Filiation des Aldoses : D-Aldohexoses (C6)

À bien retenir :

• D(+)Glucose: rôle majeur dans le métabolisme énergétique.

• D(+)Galactose: lié au glucose pour former le lactose.

• D(+)Mannose: impliqué dans la structure de certaines glycoprotéines.

Ces molécules ont la même formule chimique () mais des structures différentes (position des groupements hydroxyle). L'hydroxyle de l'avant-dernier carbone est à droite, les classant dans la série D.

Les aldohexoses possèdent 6 carbones dont 4 carbones asymétriques (), ce qui donne 16 stéréoisomères (8 de série D et 8 de série L).

Lorsque deux monosaccharides ne diffèrent que par la configuration d'un seul atome de carbone asymétrique, ils sont appelés épimères.

B – Les Cétoses (Famille C3 à C6) - Série D

• Les cétoses possèdent une fonction cétone.

• Le premier sucre cétone est la dihydroxyacétone (C3), mais il ne possède pas de et ne peut servir de référence D/L.

• La référence est le D-érythrulose (C4), qui possède un carbone asymétrique.

Exemples de cétoses :

• En C4: D-érythrulose.

• En C5: D-ribulose et D-xylulose.

• En C6: D-fructose.

Les cétoses ont un de moins que les aldoses, ce qui réduit de moitié le nombre de stéréoisomères.

C – Cyclisation des Oses : La Mutarotation

La mutarotation est l'évolution du pouvoir rotatoire des sucres en solution.

• En solution, les oses se cyclisent par une liaison covalente entre une fonction carbonyle et une fonction hydroxyle.

• Formation d'un pont intramoléculaire avec l'hydroxyle en C5 pour former un hétérocycle à 6 sommets (pyranose).

• Cela crée un nouveau carbone asymétrique (carbone anomérique).

• Pour le glucose:

  • Forme -D-glucopyranose (OH au-dessus du plan, 63%, majoritaire).

  • Forme -D-glucopyranose (OH au-dessous du plan, 37%).

• Une cyclisation avec le C4 peut aussi former un hétérocycle à 5 sommets (furanose), mais ces formes sont minoritaires et moins stables.

Cas du D-Fructose (cétohexose) :

• En solution, cyclisation entre le C2 et le C5.

• Formation d'un hétérocycle de type furane (5 sommets, dont 4 C et 1 O).

• Obtention de deux anomères: -D-fructofuranose (OH au-dessus) et -D-fructofuranose (OH en dessous).

D – Principaux Dérivés des Oses

On retrouve des molécules aminées et acides.

L'Acide Glucuronique (Uronique) :

• Dérivé du glucose, un hydroxyle du Glu a été oxydé en C6, donnant une fonction acide carboxylique.

• Molécule importante dans la glucuroconjugaison hépatique.

• Ce mécanisme augmente la solubilité des hormones, métabolites, drogues et médicaments pour leur élimination urinaire.

III – Les Disaccharides / Les Osides

Les osides sont des molécules qui donnent, par hydrolyse, 2 ou plusieurs molécules d'oses. Ils sont hydrolysables.

• Les oses peuvent être identiques ou différents, reliés par une liaison osidique (ou glucosidique).

• Les disaccharides résultent de l'union de 2 monosaccharides par une réaction de synthèse.

• La liaison osidique est une liaison covalente, forte.

• Ils sont présents en grande quantité dans l'alimentation humaine.

• Les principaux diholosides sont le saccharose, le lactose et le maltose.

• Ils sont caractérisés par une hydrolyse enzymatique pour être assimilés.

Formation de la liaison osidique :

• Se fait au détriment d'une molécule d'eau.

• Entre l'hydroxyle réducteur d'un ose (porté par le C anomérique: C1 pour aldoses, C2 pour cétoses) et un hydroxyle d'un autre ose.

• Cette liaison est stable en milieu alcalin, mais hydrolysable par hydrolyse acide ou enzymatique.

A – Principaux Diholosides

1. Le Lactose

• Oside principal du lait chez les mammifères (69g/L dans le lait humain, 40g/L dans le lait de vache).

• Goût peu sucré.

• C'est un diholoside réducteur.

• Formé par l'association d'une molécule de D-galactose et d'une molécule de D-glucose, par une liaison glycosidique de type 1-4.

• Nom: -D-galactopyranosyl(1-4) -D-glucopyranose.

• Hydrolysé par la lactase (ou $\beta$1-4 galactosidase).

Intolérance au lactose :

• Due à une production enzymatique insuffisante ou absente de lactase.

• Le lactose non clivé fermente dans le gros intestin, causant ballonnements, coliques, diarrhées.

• Peut être d'origine congénitale ou se développer au fil de la vie.

• Différent de l'allergie aux protéines de lait de vache.

2. Le Saccharose

• Abondant chez les végétaux (canne à sucre, betterave sucrière).

• « Sucre de table », produit purifié d'origine naturelle le plus abondant.

• C'est un diholoside non réducteur.

• Formé par l'association d'-D-glucose et de -D-fructose, liés par une liaison glycosidique de type 1-2.

• Nom: -D-glucopyranosyl (1-2) -D-fructofuranoside.

• Clivé par la saccharase (ou -1-2 glucosidase).

3. Le Maltose

• Présent dans le malt, résultant de l'hydrolyse enzymatique de l'amidon.

• Peu abondant à l'état libre.

• Formé de deux molécules de D-glucose liées par une liaison alpha-1,4.

B – Hydrolyse Enzymatique des Osides

• Hydrolyse par des osidases spécifiques, caractérisées par:

  • La nature de l'ose.

  • La configuration anomérique de la liaison osidique ( ou ).

  • La taille des unités scindées.

• Lors de la digestion de l'amidon, on retrouve:

  • -amylases (-1-4-glucosidases).

  • Enzyme débranchante (-1-6-glucosidase).

  • Maltase (-1-4 glucosidase).

• L'amidon est digéré en oligosaccharides puis disaccharides (maltose).

• La cellulose n'est pas digérée par l'homme (absence d'enzymes pour rompre les liaisons 1-4).

Déficit en sucrase-isomaltase (SI) :

• Pathologie génétique rare (autosomique récessive) caractérisée par une intolérance au saccharose et à l'isomaltose.

• Empêche la dégradation normale de ces sucres, entraînant fermentation dans le gros intestin.

• Symptômes: gaz, distension abdominale, diarrhée.

• Peut conduire à un retard de croissance, déshydratation, malnutrition.

• Détecté lors de la diversification alimentaire.

IV – Les Polysaccharides

A – Les Homopolysaccharides

Formés par la condensation répétitive d'un ose par des liaisons glycosidiques (covalentes), dépassant 10 unités et pouvant atteindre des milliers.

• Certains sont linéaires, d'autres ramifiés.

Deux groupes :

1. Homopolysaccharides de réserve:

   • Amidon (végétaux).

   • Glycogène (animaux).

2. Homopolysaccharides de structure:

   • Cellulose (végétaux).

   • Chitine (crustacés, champignons).

B – Les Hétéropolysaccharides

Comportent plusieurs milliers de sucres différents assemblés par des liaisons covalentes.

• Ex: acide hyaluronique, chondroïtine sulfates.

• Rôle biologique important chez l'homme (soutien tissulaire).

A – Les Polysaccharides de Réserve

1. Amidon

• Retrouvé chez les végétaux (tubercules, céréales).

• Haut polymère insoluble dans l'eau froide.

• Issu de l'association de l'amylose et de l'amylopectine.

• Molécule branchée tous les 20 résidus de glucose.

2. Glycogène

Polysaccharide de réserve, forme de stockage de l'énergie chez les animaux.

• Permet la régulation de la glycémie et l'approvisionnement en glucose des tissus.

• Localisé dans les glycosomes (contenant glycogène et enzymes).

• Concentration:

  • Foie: 10 à 12% du poids.

  • Muscles: 50% du glycogène total.

  • Pas de glycogène dans le plasma.

• Les glycogénoses sont des maladies de stockage, mobilisation ou dégradation du glycogène (déficit enzymatique).

Structure du glycogène :

• Similaire à l'amylopectine, mais plus compacte et buissonnante (énormément de ramifications).

• Chaînes linéaires: liaisons 1-4.

• Chaînes ramifiées: liaisons 1-6.

• Longueur moyenne des chaînes ramifiées en 1-6 est plus courte.

• Branchements tous les 10 résidus en moyenne, et tous les 3 résidus au centre.

• Cette structure permet une libération plus rapide du glucose.

3. La Cellulose

Polysaccharide de structure, macromolécule la plus abondante sur Terre, retrouvée dans les tissus de soutien des végétaux.

• Polyglucose (10 000 à 15 000 molécules) de -D-glucose liés par une liaison de type 1-4.

• Structure plane, stabilisée par des liaisons hydrogène intra et intermoléculaires.

• Formation de microfibrilles (80 molécules de cellulose), générant une structure extrêmement solide (paroi cellulaire végétale).

• Chez l'Homme, absence d'enzymes pour rompre les liaisons 1-4, donc pas de digestion.

• Importante pour l'apport de fibres et un bon transit intestinal.

4. La Chitine et les Chitosanes

• Chaînes de dérivés de glucose.

• Deuxième polymère le plus abondant après la cellulose.

• Structure cristalline complexe.

• Trouvée dans les carapaces des crustacés et arthropodes, algues, champignons (paroi des membranes cellulaires).

• Composée d'unités de N-acétyl--D-glucosamine ou D-glucosamine liées en -1,4.

Application : Chitosane

• Chitine désacétylée.

• Matériau solide, non poreux, très stable.

• Utilisé en biologie médicale (support pour culture cellulaire, greffes) car neutre (non toxique, non allergisant).

• Également en cosmétique et agriculture.

V – Les Hétéropolysaccharides

Ce sont des polyosides qui comportent plusieurs milliers de sucres assemblés par des liaisons covalentes.

A – Les Glycosaminoglycanes (GAG)

• Hétéropolysaccharides linéaires à longues chaînes non ramifiées, présents dans presque tous les tissus.

• Résultent de la polycondensation d'osamine et d'acide glucuronique.

• Peuvent exister librement ou liés de manière covalente à un noyau protéique (glycoprotéines).

5 familles principales :

• Héparine (rôle dans la coagulation).

• Acide hyaluronique.

• Chondroïtine sulfates.

• Dermatanes sulfates.

• Keratanes sulfates.

• Présents dans la plupart des cellules et tissus.

• Des anomalies d'accumulation de GAG sont responsables des mucopolysaccharidoses.

Composition des GAG :

• Un hexose (le plus souvent de l'acide hexuronique).

• Une molécule d'hexoamine (ex: N-acétyl-hexoamine).

• Ces deux entités sont reliées par une liaison $\beta$1-3 et forment l'unité de base disaccharidique.

• Ce motif est répété des centaines ou milliers de fois.

• Le motif de base est lié aux autres motifs par une liaison 1-4.

• Entre les 2 oses du motif: liaisons $1-3 ; entre chaque motif disaccharidique: liaisons " data-type="inline-math"></span><em>\beta$1-4.

1. L'Acide Hyaluronique

• Appartient aux GAG.

• Chaîne linéaire non ramifiée formée d'un motif disaccharidique répétitif (environ 50 000 fois chez l'homme).

• Unité de base: acide D-glucuronique et D-N-acétyl-glucosamine, unis par une liaison 1-3.

• Chaque unité disaccharidique est reliée à la suivante par une liaison de type 1-4.

• En solution, il a un pouvoir visqueux et élastique.

• Retrouvé dans:

  • La synovie (lubrifie les articulations).

  • L'humeur aqueuse de l'œil.

  • La MEC du cartilage (maintien de la structure et élasticité).

• Peut être lié à des protéines.

• Dégradé par la hyaluronidase (hydrolyse des liaisons $\beta$1-4).

• Cette enzyme est présente dans certaines bactéries, venins de serpents, et le spermatozoïde (permet la pénétration dans la zone pellucide de l'ovocyte).

B – La Mucopolysaccharidose de Type I

• Maladie génétique rare due à l'accumulation anormale de GAG dans les cellules.

• Causée par un dérèglement des processus de dégradation des GAG.

• Entraîne des lésions cellulaires, tissulaires et organiques irréversibles.

• Affecte les os, articulations, yeux, cœur, cerveau.

• Symptômes: surdité, atteinte cardiaque, développement osseux anormal, baisse de la vision, déficit intellectuel.

C – Les Glycoconjugués

Un glycoconjugué est un glucide lié de manière covalente à un autre type de molécule (protéines, lipides).

• On distingue les glycoprotéines et les glycolipides.

• Ils sont notamment impliqués dans la détermination des groupes sanguins ABO.