Glucides: Osides Complexes

GLUCIDES

Les glucides sont des moléculesorganiques essentielles, souvent appelées « sucres ». Ils jouent un rôle fondamental dans le métabolisme énergétique et la structure cellulaire.

1. Généralités

• Formule brute :Souvent exprimée comme $C_nH_{2n}O_n$.
• Composition :
  • Oses (glucides simples ou monosaccharides)
  • Osides (glucides complexes)
• Rôles fondamentaux :
  • Métabolisme énergétique :
    • Carburant (principalement le glucose).
    • Réserve énergétique (ex: amidon chez les végétaux, glycogène chez les animaux).
  • Structure cellulaire:
    • Éléments de soutien (ex: cellulose dans la paroi végétale).
    • Constituants de molécules fondamentales (acides nucléiques, coenzymes, vitamines).
    • Éléments de reconnaissance cellulaire (ex: groupes sanguins).

2. Oses (Glucides simples)

a. Généralités

• Structure minimale : Au moins 3 carbones, un groupement carbonyle ($C=O$), et des fonctions alcool (primaires $CH_2OH$, secondaires$CHOH$).
• Définition d'un ose : Molécule organique polyhydroxylée qui est un aldéhyde (aldose) ou une cétone (cétose).
• Classification selon la nature de la fonction carbonyle et lenombre de carbones :
  • Aldoses (aldéhyde en C-1)
  • Cétoses (cétone en C-2)

• Exemples :
  • Aldose : Le glycéraldéhyde (aldotriose).
  • Cétose : La dihydroxyacétone (cétotriose).
• Représentations :
  • Formule développée plane : Représentation de Fisher (convention).
  • Représentation dans l'espace : Haworth (pour les oses cyclisés).

b. Structure linéaire (Fisher)

• Classification en séries D/L : Basée sur la position du groupement hydroxyle (OH) de l'alcool secondaire du carbone le plus éloigné de la fonction carbonyle (C $n-1$).
  • OH du C $n-1$ à droite $\rightarrow$ Série D.
  • OH du C $n-1$ à gauche $\rightarrow$ Série L.
  • Important : Les sucres naturels sont généralement de la série D.
• Filiation desaldoses de la série D : Par ajout d'un groupe $HCOH$ entre C-1 et C-2.
  • Glycéraldéhyde (3C) $\rightarrow$ Érythrose, Thréose (4C).
  • Érythrose, Thréose (4C) $\rightarrow$ Ribose, Arabinose, Xylose, Lyxose (5C).
  • Ribose, Arabinose, Xylose, Lyxose (5C) $\rightarrow$ Allose, Altrose, Glucose, Mannose, Gulose, Idose, Galactose, Talose (6C).
• Filiation des cétoses de la série D : La fonction cétone reste en C-2. Nom de l'aldose + "-ulose".
• Exemple : D-fructose peut aussi s'appeler D-gluculose ou D-mannulose.
• Importance de certains oses :
  • D-Glucose :
    • Ose le plus abondant et directement assimilable.
    • Carburant principal du métabolisme.
    • Intervient dans la structure de nombreux osides.
  • D-Fructose :
    • Abondant dans les fruits.
    • Pouvoir sucrant élevé (référence = 1).
    • Constituant du saccharose.
  • D-Galactose :
    • Faible pouvoir sucrant.
    • Présent dans le lait et certains osides.
  • D-Ribose :
    • Aldopentose essentiel.
    • Constituant des ARN (et ADN sous forme désoxydée).
    • Constituant d'ATP, NADH.

c. Isomérie

• Isomères : Molécules avec la même formule brute mais une formule développée différente.
• Isomérie de constitution : Ordre des atomes et groupements fonctionnels différents (ex: glucose et fructose, $C_6H_{12}O_6$).
• Carbone asymétrique ($C^*$) : Possède 4 groupes différents.
  • Une molécule avec un $C^*$ est chirale.
  • Une molécule chirale n'est pas superposable à son image miroir.
• Isomérie géométrique (Stéréoisomérie) : Ordre des atomes identique, seule l'orientation spatiale d'un OH porté par un $C^*$ diffère.
• Chiralité : Propriété physique de dévier la lumière polarisée (pouvoir rotatoire).
  • Dextrogyre (+) : déviation vers la droite.
  • Lévogyre (-) : déviation vers la gauche.
  • Attention : nepas confondre avec les séries D/L. Des oses de la série D peuvent être (+) ou (-).
• Épimères : Stéréoisomères qui ne diffèrent que par un seul C chiral (ex: le glucose et lemannose sont épimères en C2).
• Nombre de stéréoisomères optiques : $2^N$, où N est le nombre de $C^*$.
  • Aldohexoses (4 $C^*$) : $2^4 = 16$ stéréoisomères (8 D et 8 L).
  • Cétohexoses (3 $C^*$) : $2^3 = 8$ stéréoisomères (4 D et 4 L).
• Énantiomères : Stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir, avec un pouvoir rotatoire de même valeur mais de signe opposé.

d. Cyclisation

• Mutarotation : En solution, lesoses se cyclisent et peuvent exister sous forme de deux isomères supplémentaires, les anomères, expliquant la variation du pouvoir rotatoire.
• Mécanisme : Réaction entre la fonction carbonyle et une fonction alcool pour former un pont oxydique.
  • Hémiacétalisation intramoléculaire (aldéhyde).
  • Hémicétalisation intramoléculaire (cétone).
• Carbone anomérique : Le carbone initialement porteur de la fonction carbonyle devient asymétrique après cyclisation.
• Anomères : Deux nouveaux isomères.
  • Anomère $\alpha$ : le OH du carbone anomérique est du même côté que le OH du $C_{n-1}$ (déterminant la série D/L).
  • Anomère $\beta$ : le OH du carbone anomérique est du côté opposé.
• Exemple des aldohexoses :
  • Pont oxydique C-1 et C-5 : Cycle pyranose (6sommets, ~plus stable).
  • Pont oxydique C-1 et C-4 : Cycle furanose (5 sommets).
• Exemple des cétohexoses :
  • Pont oxydique C-2 etC-6 : Cycle pyranose.
  • Pont oxydique C-2 et C-5 : Cycle furanose (plus stable pour les cétohexoses).
• Mutarotation et équilibre : En solution aqueuse, le glucose cyclise principalement en pyranose, avec une prédominance de la forme $\beta$-D-glucopyranose. La conversion transitoire par la forme linéaire est possible.
• Représentation de Haworth :
  • Cycle pyranose : $C-1$ à droite, numérotation horaire. OH à droite en Fisher $\rightarrow$ en bas en Haworth.
  • Cycle furanose : $C-2$ à droite, numérotation horaire. OH à droite en Fisher $\rightarrow$ en bas en Haworth.

e. Fonctions chimiques

1. Les oses peuvent s'oxyder

• Oxydation : Transfert d'électrons ; la molécule s'oxyde en donnant des électrons.
• Aldoses : Peuvent s'oxyder sur l'aldéhyde ou une fonction alcool.
• Cétoses : La cétone ne s'oxyde pas directement, mais une fonction alcool peut s'oxyder.
• Propriété réductrice dessucres.
• 1.1. Oxydation de la fonction aldéhyde en acides aldoniques :
  • Aldéhyde ($\text{CHO}$) s'oxyde en acide carboxylique ($\text{COOH}$).
  • Ex: Glucose $\rightarrow$ Acide gluconique.
  • Les acides aldoniques peuvent se cycliser en lactones (ester cyclique).
  • Intérêt biomédical :
    • Dosage du glucose sanguin (méthodes enzymatiques basées sur cette oxydation).
    • Recherche de glucosurie(bandelette urinaire).
• 1.2. Oxydation de l'alcool primaire en C-6 en acides uroniques :
  • Surtout chez les aldohexoses en acides hexuroniques (ex: Acide glucuronique).
  • Rôle dans la détoxication hépatique (glucuronoconjugaison) : augmente la solubilité des composés pour leur élimination.
  • Constituants de certains polyolosides complexes (glycoaminoglycanes).

2. Le groupe carbonyle des oses peut se réduire

• Réduction en C-1 (glucose) ou C-2 (fructose) $\rightarrow$ Polyols.
• Ex: Glucose $\rightarrow$ Sorbitol. Fructose $\rightarrow$Sorbitol et Mannitol.
• Sorbitol :
  • Édulcorant (prévention carie, diabète).
  • Métabolisé par le foie.
  • Intermédiaire métabolique : réduction du glucose $\rightarrow$ sorbitol ; oxydation du sorbitol $\rightarrow$ fructose.
• Mannitol :
  • Isomère du sorbitol en C2.
  • Non métabolisé chez l'homme.
  • Utilisé commesoluté de remplissage vasculaire hypertonique.

3. Les oses peuvent s'estérifier (Phosphorylation)

• Formation d'esters entre les alcools des oses et l'acide phosphorique.
• Ex: Glucose6-phosphate, Fructose 1,6-bisphosphate.
• Importance :
  • Intermédiaires clés du métabolisme (ex: glycolyse).
  • Génèrent des oses anioniques :
    • Favorisent l'interaction électrostatique avec les enzymes.
    • Empêchent les oses de traverser les membranes cellulaires (maintien dans la cellule).
  • Crée des intermédiaires réactifs pour la formation de liaisons O- ou N-glycosidiques.

4. Autres dérivés des oses

• 4.1. Osamines (Hexosamines) :
  • Substitution d'un $\text{OH}$ par une fonction amine ($\text{NH}_2$), souvent en C-2 (ex: Glucosamine, Galactosamine).
  • Constituants des glycolipides, glycoprotéines, glycoaminoglycanes.
  • Peuvent être N-acétylées (ex: N-acétyl-glucosamine, GlcNAc).
  • AcideN-acétyl-neuraminique (NANA) : Acide sialique fréquent, constituant des glycoprotéines et glycolipides des parois cellulaires. Rôle dans la reconnaissance cellulaire.
• 4.2. Osamines désoxydées :
  • Désoxyribose : Réduction de l'alcool secondaire en C-2 du ribose (constituant de l'ADN).
  • Fucose : Réduction de l'alcool primaire en C-6 du L-galactose (impliqué dans l'interaction cellulaire, glycoconjugués).
• 4.3. Glycosides :
  • Condensation entre le $\text{OH}$ du carbone anomérique d'un ose et un second composé.
  • Formation d'une liaison $\alpha$- ou $\beta$-glycosidique.
  • Si le second groupement est un $\text{OH} \rightarrow$ liaison O-glycosidique.
  • Si le second groupement est une amine $\rightarrow$ liaison N-glycosidique.

3. Osides (Glucides complexes)

a. Généralités

• Définition : Sucres complexes.
• Classification :
  • Holosides : L'hydrolyse libère exclusivement des oses.
  • Hétérosides : L'hydrolyse libère des oses et un groupement non-glucidique (aglycone, ex: lipides, protides).
• Holosides : Résidus de monosaccharides unis par une liaison glycosidique.
  • 2 oses : Diholosides (disaccharides).
  • 10 à 15 oses : Oligoholosides (oligosaccharides).
  • $\gt$ 15 oses : Polyoses (polysaccharides).

b. Disaccharides

• Maltose :
  • Hydrolyse de l'amidon.
  • 2 molécules de glucose unies par une liaison $\alpha$-1$\rightarrow$4 O-glycosidique.
  • Digéré par la maltase intestinale.
• Saccharose :
  • Sucre detable (canne à sucre, betterave).
  • $\alpha$-D-glucose et $\beta$-D-fructose unis par une liaison $\alpha$-1$\rightarrow$2 O-glycosidique.
  • Particularité : Perte des $\text{OH}$ libres des carbones anomériques (donc non réducteur).
  • Digéré par la saccharase intestinale.
• Lactose :
  • Disaccharide du lait.
  • $\beta$-D-galactose et glucose unis par une liaison $\beta$-1$\rightarrow$4 O-glycosidique.
  • Digéré par la lactase intestinale.
  • Intolérance au lactose : Déficit en lactase,provoquant malabsorption, ballonnements, diarrhées.
  • Galactosémies héréditaires : Déficits enzymatiques conduisant à une accumulation de galactose, avec des conséquences graves (troubles digestifs, dégénérescence hépatique, hypoglycémies, cataracte). Traitement par éviction du galactose alimentaire.

c. Polysaccharides

• Fonctions : Structurales et de stockage.
• Homopolysaccharides : Hydrolyse libère uniquement des sucres.
• Hétéropolysaccharides : Composés de sucres et de parties non sucrées (aglycones).

Homopolysaccharides

1. Amidon (Glucosane ou Glucane) :
   • Source majeure de glucides alimentaires(céréales, pommes de terre).
   • Dégradé par les amylases en maltose, maltotriose, et $\alpha$-dextrines.
   • Mélange d'amylopectine et d'amylose.
   • Amylopectine :
     • Homopolysaccharide ramifié.
     • Chaînes de glucose en liaisons $\alpha$-1$\rightarrow$4.
     • Ramifications en $\alpha$-1$\rightarrow$6 toutes les 30 molécules de glucose.
   • Amylose :
     • Constitue ~20% de l'amidon.
     • 200 à 3000 molécules de glucose en liaisons $\alpha$-1$\rightarrow$4 glycosidiques.
     • Conformation hélicoïdale stable par liaisons hydrogène.
   • Importance biomédicale : Soluté de remplissage (chocs hémorragiques), excipient.
2. Glycogène :
   • Réserve de glucose dans les cellules hépatiques et musculaires (cytoplasme).
   • Structure similaire à l'amylopectine mais plus ramifiée ($\alpha$-1$\rightarrow$6 toutes les 10-15 glucoses) $\rightarrow$ structure hélicoïdale plus compacte.
   • Glycogénolyse (libération de glucose) et Glycogénogenèse (synthèse de glycogène).
   • Rôle : Maintenir laglycémie (foie) et fournir de l'énergie aux muscles.
   • Glucose = seule source d'énergie pour le cerveau (sauf jeûne prolongé).
3. Cellulose :
   • Principal constituant de la paroi des cellules végétales.
   • Homopolymère de $\beta$-D-glucoses en liaisons $\beta$-1$\rightarrow$4 glycosidiques.
   • Chaque résidu de glucose est lié au suivant par une rotation de 180°.
   • Pas de rôle nutritionnel chez l'homme (pas de $\beta$-glucosidase).
   • Structure plane, fibrillaire, insoluble, stabilisée par liaisons hydrogène.
   • Importance biomédicale : Fibres alimentairesinsolubles ("lest" alimentaire) $\rightarrow$ rôle dans le transit intestinal, prévention du cancer colique.

Hétéropolysaccharides

1. Protéoglycanes :
   • Volume deschaînes osidiques >>> partie protéique.
   • Très longues chaînes linéaires osidiques (Glycoaminoglycanes - GAG) liées covalemment à des protéines.
   • Liaisons O- ou N-glycosidiques.
   • GAG (ou mucopolysaccharides acides) : Constituants majeurs de la matrice extracellulaire.
     • Unités répétitives disaccharidiques (dérivé d'ose aminé + fréquemment un acide uronique).
     • Riches en charges négatives (groupes sulfate et carboxylate des acides uroniques) $\rightarrow$ interaction avec les cations, rétention d'eau.
     • Ex: Acide hyaluronique, chondroïtine sulfate, kératane sulfate.
   • Agrécane : principal agrégat de protéoglycanes du cartilage (amortissement des forces de compression).
   • Localisation : Cartilages, os, tendons, peau, cornée, etc.
2. Glycoprotéines :
   • Volume des chaînes osidiques <<< partie protéique.
   • Courtes chaînes osidiques très ramifiées (~15 oses) liées covalemment aux protéines.
   • Grande variété de protéines glycosylées et de glycanes.
   • Ne comportent pas d'acide uronique.
   • Rôles variés : structure cellulaire, transport, enzymes, hormones, reconnaissancecellulaire.
   • Exemples : Sialoglycoprotéines (rôle dans la demi-vie, reconnaissance), Sélectines (adhésion cellulaire du système immunitaire).
   • Importance biomédicale : Nombreuses pathologies liées àdes anomalies des glycoprotéines (métastases, maladies lysosomiales, hémoglobinurie paroxystique nocturne).

3. Glycation, protéines glyquées

• Définition de la glycation :
  • Ajout non enzymatique d'un sucre sur une protéine.
  • Séquence de modifications moléculaires (réaction de Maillard).
  • Différent de la glycosylation où des enzymes interviennent.
• Mécanisme : Condensation du groupement carbonyle d'un ose (glucose) avec un groupement aminé d'un acide aminé d'une protéine.
  • Formation d'une imine (base de Schiff) par déshydratation.
  • Réarrangement d'Amadori $\rightarrow$ produit d'Amadori (produit de glycation précoce).
• Facteurs influençant la glycation :
  • Temps de contact avec le sucre.
  • Concentration en sucre.
• Importance biomédicale :
  • Chez les diabétiques non équilibrés, taux de protéines glyquées plus élevé (ex: Hémoglobine glyquée pour le suivi).
  • AGE (Advanced Glycation End Products) : Produits de glycation irréversibles formés au cours du temps.
  • Rôles des AGE :
    • Se fixent sur des récepteurs transmembranaires (RAGE).
    • Impliqués dans l'inflammation,le stress oxydant.
    • Rôle majeur dans la pathogénie des complications chroniques du diabète.
    • AGE d'origine alimentaire ou environnementale (tabagisme) ont aussi un rôle pathogène.