MODULE DE BIOCHIMIE STRUCTURALE ET CHIMIE ORGANIQUE ...

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SV3. MODULE DE BIOCHIMIE STRUCTURALE. ET CHIMIE ORGANIQUE. Cours des glucides. Pr : Najat ALIF. (Année Universitaire : 2012– 2013) ...
SV3 MODULE DE BIOCHIMIE STRUCTURALE ET CHIMIE ORGANIQUE Cours des glucides

Pr : Najat ALIF (Année Universitaire : 2012– 2013)

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SV3 – Cours des glucides – Faculté des Sciences, Agadir

Introduction Les glucides, généralement désignés par ‘hydrates de carbone’ ou sucres, sont des composés importants. Ils représentent une source d’énergie pour les organismes vivants immédiatement utilisable (glucose) ou sous forme de réserves (amidon, glycogène). Ils assurent un rôle structural (cellulose : matière organique la plus abondante dans la biosphère qui se trouve dans la paroi des cellules végétales ; chitine chez les arthropodes …), se comportent comme constituants des acides nucléiques et de coenzymes et interviennent comme signaux de reconnaissance moléculaire par association aux protéines et aux lipides. Les glucides se divisent en oses (aldoses ou cétoses et leurs dérivés) et en osides (Fig. 1). Aldoses et leurs dérivés Oses Cétoses et leurs dérivés Glucides

Oligosides

Holosides Polyosides

Osides Hétérosides

Fig. 1 : Classification des glucides. Les oses ou sucres simples non hydrolysables dits aussi monosaccharides, sont des molécules organiques polyhydroxylées porteuses d’une fonction réductrice, soit un aldéhyde (aldose), soit une cétone (cétose). Les osides sont des sucres complexes formés de l’association de plusieurs oses (holosides : oligo ou polyosides) avec éventuellement d’autres molécules non glucidiques dites aglycones (hétérosides).

Chapitre I : Les oses I- Définition et filiation : Les oses dérivent soit du glycéraldéhyde quand la fonction réductrice du sucre est un aldéhyde ou de la dihydroxyacétone quand la fonction réductrice est une cétone. Ces derniers sont des molécules à 3 atomes de carbone ou triose.

Fonction réductrice (aldéhyde) Carbone asymétrique

1 2

3

D-glycéraldéhyde

L-glycéraldéhyde

Dihydroxyacétone

Fig. 2 : Structure de trioses La présence d’un carbone asymétrique (carbone lié à 4 substituants différents) conduit à 2 configurations différentes qui diffèrent par la position spatiale de l’hydroxyle (stério-isomères) : la configuration D désigne la structure où le OH du carbone asymétrique est à droite de l’axe de la chaîne carbonée alors que la configuration L représente la structure où le OH du carbone asymétrique est à gauche de cet axe. A partir de ces trioses et par addition de

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groupement HCOH, on obtient des oses à 4C (tétroses), 5C (pentoses), 6C (hexoses) et 7C (Héptoses) dont les formules non détaillées sont mentionnées sur le tableau 1.

Ose Aldose Triose (C3)

Glycéraldéhyde

Cétose Dihydroxyacétone

Tétrose (C4)

Pentose (C5)

Hexose (C6)

Héptose (C7)

Tableau 1 : Filiation des oses Dans le cas des oses ayant plus d’un atome asymétrique, les symboles D et L réfèrent à la configuration du carbone le plus distant de la fonction réductrice et s’aligne sur la situation du glycéraldéhyde. Une molécule comportant n carbones asymétriques possède 2n stéréo-isomères. On désigne par énantiomères, 2 molécules qui sont images l’une de l’autre dans un miroir. C’est le cas du D et L-glucose. L’addition d’un groupement HCOH au triose engendre 4 aldotétroses (n=2 ; 22=4) avec 2 configurations D et 2 configurations L qui représentent des énantiomères (voir exemple de la Fig. 3).

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L-érythrose

D-érythrose Miroir

Fig. 3 : L-érythrose et D-érythrose: 2 énantiomères

La Fig. 4 représente la filiation de la série D des aldotrioses jusqu’aux aldohéxoses (C3 Æ C6). 1 2 3 D-glycéraldéhyde 1 2 3 4 D-érythrose

D-thréose

1 2 3 4 5

D-ribose

D-arabinose

D-xylose

D-lyxose

1 2 3 4 5 6 D-allose

D-altrose

D-glucose

D-mannose

D-gulose

D-Idose

Fig. 4 : Filiation de la série D du aldotriose aux aldohéxoses

D-galactose

D-talose

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Au niveau des tétroses, le D-érythrose et le D-thréose ont la même configuration en C3 mais une configuration opposée en C2 et, de ce fait, ils ne sont pas des énantiomères mais des diastéréo-isomères (molécules ayant au moins 2 carbones asymétriques mais qui ne sont pas des énantiomères). Les aldoses à 5C ont 3 atomes de carbone asymétrique donc 23 = 8 stéréo-isomères. (4 de la série D et 4 de la série L). Les aldoses à 6C en possèdent 16 (24). Les configurations stéréochimiques sont moins abondantes au niveau de l’affiliation des cétoses car la dihydroxyacétone est optiquement inactive. L’affiliation des cétoses de la série D de C3 à C6 est représentée par la Fig. 5. 1 2 3 Dihydroxyacétone

1 2 3 4 D-érythrulose 1 2 3 4 5 D-ribulose

D- xylulose

1 2 3 4 5 6 D-psicose

D- fructose

D-sorbose

D-tagatose

Fig. 5 : Filiation de la série D du cétotriose aux cétohéxoses Par définition : - Les stéréo-isomères sont des composés ayant la même formule brute et développée mais diffèrent par l’arrangement spatial des atomes. Leurs propriétés optiques, physiques ou chimiques peuvent être différentes. - Les énantiomères, dits inverses optiques, représentent 2 composés stéréo-isomères qui sont image l’un de l’autre dans un miroir. Ils ont les mêmes propriétés physiques et chimiques et un même pouvoir rotatoire mais de signe différent (déviation de la lumière polarisée d’un même angle mais dans un sens opposé).

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- Les diastéréo-isomères représentent le cas des composés qui ont au moins 2 carbones asymétriques et qui ne sont pas énantiomères. - Les épimères représentent les diastéréo-isomères qui ne diffèrent que par la configuration spatiale d’un seul carbone asymétrique. - Les conformères sont des composés qui ne diffèrent que par une rotation de l’un des carbones par rapport à l’autre autour de la liaison C-C prise comme axe. - Si les substituants des carbones sont rencontrés dans un même sens, le diastéréo-isomère est dit érythro. Si les substituants des carbones sont rencontrés dans un sens inverse, le diastéréo-isomère est dit thréo. La configuration érythro optiquement inactive est dite méso. - Un mélange racémique est un mélange dont l’activité optique globale est nulle.

II- Cyclisation des oses :

La forme linéaire des oses n’explique pas certaines de leurs propriétés de sorte qu’en réalité, ces oses sont capables de se cycliser. Quand un aldéhyde interagit avec une fonction alcool, il se forme un hémi-acétal selon la réaction :

Aldéhyde

Alcool

Hémi-acétal ou semi-acétal

La cyclisation a lieu chez le glucose entre la fonction aldéhydique et le carbone C5 pour donner une structure qui rappelle le noyau pyrane (cycle à 6 atomes) :

C’est la forme glucopyranose (Fig. 6). 6

1 2

1

4

3

3

- H2O 4 5

2

α-D-glucopyranose (représentation de Haworth)

6 6

1

5

2 D-glucose : Projection de Fischer

+ H2O

3 - H2O

4 5 6

Hydrate d’aldéhyde

4

1 3

2

β-D-glucopyranose (représentation de Haworth) Semi-acétal (pont oxydique 1-5) Représentation de Tollen

Fig. 6 : Cyclisation du glucose

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Dans le cas où le pont oxydique s’établie avec le C4, on génère un cycle à 5 atomes qui rappelle le noyau furane (forme glucofuranose). La cyclisation se produit également chez les cétoses et conduit dans le cas du fructose à la formation d’un pont oxydique entre la fonction cétone (C2) et le C6 ou le C5 conduisant à une pseudo-cétone. Cette pseudo-cétone est le résultat de la réaction générale suivante :

Cétone

Alcool

Pseudo-cétone

Dans la représentation de Haworth, le cycle des carbones est perpendiculaire au plan de la feuille. Les liaisons en trait gras et fin sont respectivement devant et derrière ce plan. Les substituants des carbones qui se trouvent à droite de l’axe des carbones dans la représentation de Tollen se retrouvent en dessous du cycle dans la représentation d’Haworth alors que ceux à gauche de l’axe des carbones figurent au dessus. Les atomes de carbone non inclus dans le cycle sont placés au dessus dans la représentation d’Haworth si le pont oxydique est à droite dans la représentation de Tollen et en dessous si le pont oxydique est à gauche dans la représentation de Tollen (voir Fig. 6). La cyclisation crée un nouveau carbone asymétrique avec 2 anomères possibles : l’anomère α qui a l’hydroxyle du carbone anomérique placé en dessous du plan de la molécule (Il est en position trans avec le C6) et l’anomère β qui a ce même hydroxyle placé au-dessus de ce plan (il est en position cis avec le C6). La Fig. 7 représente un exemple de cyclisation selon la forme furane.

+ H2O

D-fructose (Représentation de Fischer)

- H2O

Cétone hydratée

Cyclisation (Représentation de Tollens)

α-D-fructofuranose (représenattion d’Haworth)

Fig. 7 : Exemple de cyclisation du D-fructose

La forme furane du β-D-ribofuranose et du β-D-déoxyribofuranose est un exemple de la cyclisation du sucre à 5C (Fig. 8).

β-D-ribofuranose

β-D-déoxyribofuranose

Fig. 8 : Structure du β-D-ribofuranose et du β-D-déoxyribofuranose

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A cause de la géométrie du carbone saturé, les cycles pyranose et furanose ne sont pas plans mais adoptent la configuration ‘chaise’ ou ‘bateau’ (représentations de Reeves) où les substituants des carbones sont dans une position axiale (perpendiculaire au plan des carbones) ou équatoriales (presque parallèle au plan des carbones).

Forme bateau (B1)

Forme chaise (C1)

Les dispositions axiales et équatoriales des substituants des carbones de la forme chaise (la forme énergétiquement la plus stable) du α-D- glucose et du β-D-glucose sont mentionnées ci-après (Fig. 9) :

α-D-glucoyranose

β-D-glucoyranose

Fig. 10 : Formes chaise du D-glucoyranose (axial : trait gras ; équatorial : trait fin)

III- Différents types d’oses : Les oses peuvent être divisés en oses neutres, osamines, acides uroniques et acides sialiques. A- Oses neutres : Ce sont des oses ayant une fonction réductrice (aldéhyde ou cétone) et des fonctions alcool. Parmi eux, on distingue les désoses dont l’ose a perdu un oxygène au niveau de la fonction alcool pour donner un CH2 ou un CH3. Parmi les oses les plus importants, on distingue : ● Le glucose : Le glucose est un sucre important qui se présente sous forme de poudre blanche avec une saveur sucrée caramélisant à partir de 150°C. Il est soluble dans l’eau et cristallise au dessus d’une concentration de 30% (30g/100 ml). Il est directement assimilable par l’organisme et sa dégradation lui fournit de l’énergie. Le taux du glucose dans le sang (glycémie) est normalement stable dans l’organisme. Sa valeur normale est comprise entre 0,74 et 1,16 g/l. ● Le fructose : Caractérisé par un fort pouvoir édulcorant (goût sucré), le fructose est abondant dans les fruits et le miel. ● Le galactose : C’est un sucre présent dans le lait des mammifères sous forme de lactose dont l’hydrolyse par la βgalactosidase donne du glucose et du galactose. ● Le mannose : C’est un composé fréquent dans les polyholosides homogènes comme les mannanes et hétérogènes comme le galactomannane. La mannosamine liée à l’acide pyruvique forme l’acide neuraminique présent chez les animaux. Cet ose est caractérisé par sa forte solubilité qui atteint les 250g/100 ml d’eau. ● Le ribose : Le ribose et sa forme désoxygénée entre dans la constitution des acides nucléiques, de l’ATP et d’autres molécules. Il améliore l’endurance de l’organisme par son implication dans la synthèse de l’ATP.

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B- Osamines : Les osamines sont le résultat de substitution dans un ose, d’un hydroxyle (en général au niveau C2) par une amine ou une acétylamine. Les osamines les plus importantes sont la D-galactosamine, la N-acétyl-D-glucosamine et l’acide N-acétyl-muramique (Fig. 11).

D-galactosamine

N-acétyl-D-glucosamine

N-acétyl-muramique

Fig. 12 : Exemples d’osamines C- Acides uroniques : Résultent de l’oxydation de l’aldéhyde et de la fonction alcool primaire d’un ose en fonction acide. L’acide Dglycuronique (ou glucuronique) est l’un des plus importants de ces acides (Fig. 13).

Fig. 13 : Acide D-glucuronique

D- Acides sialiques : Appelés aussi acides neuraminiques, ils entrent dans la composition de glycoprotéines et de glycolipides. Ce sont les produits de condensation de l’acide pyruvique et le D-mannosamine. La formule de l’acide sialique ou Nacétylneuraminique est représentée dans la fig. 14.

Fig. 14 : Formule de l’acide sialique IV- Dérivés des oses : A- Acide ascorbique : C’est la vitamine C qui dérive d’un hexose, le glucose. La molécule comporte 6 carbones. Le premier carbone est porteur d’une fonction carboxylique formant un ester interne avec le carbone 4. Les carbones 2 et 3 sont porteurs d’une fonction enediol (2 hydroxyles sur 2 carbones échangeant une double liaison).L’acide ascorbique s’oxyde

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facilement en acide déhydro-L-ascorbique (Fig. 15). Il participe aux processus d’oxydo-réduction cellulaires et joue un rôle d’anti-oxydant. Il est utilisé à ce titre comme additif alimentaire.

Acide L-ascorbique

Acide déhydro-L-ascorbique

Fig. 15 : Vitamine C sous ses formes réduites et oxydées

B- Polyalcools : Dits aussi polyols, ils résultent de la réduction de la fonction réductrice d’un ose en alcool. Le sorbitol est obtenu par la réduction du fructose ou du glucose. Il est produit industriellement sous forme d’un sirop à 70% et utilisé en agroalimentaire. Le mannitol et le xylitol résultent respectivement de la réduction du mannose et du xylose. Le xylitol possède le même pouvoir sucrant que le saccharose sans l’effet néfaste des caries sur les dents. Chez les organismes supérieurs, le xylitol est transformé en glucose par une production lente qui est intéressante chez les diabétiques.

V- Propriétés physico-chimiques des oses : A- Propriétés physiques des oses : Les propriétés physiques des oses sont liées à leur pouvoir rotatoire, à leur solubilité dans l’eau (due à la présence des fonctions alcool) et au niveau de leur thermodégrabilité (la caramélisation qui s’opère en milieu acide et à chaud, consiste en l’hydrolyse du saccharose en glucose plus le fructose. Ces 2 sucres se dégradent et se complexent pour aboutir au caramel). 1- Pouvoir rotatoire des oses : L’existence de carbones asymétriques permet aux oses de dévier le plan de lumière polarisée. lorsque la déviation se fait à droite, l’ose est dit dextrogyre (+) alors que quand la déviation se fait à gauche, l’ose est dit lévogyre (-). L’angle de rotation du α-D-glucose est de 112° alors que celui du β-D-glucose est de 18,7°. Dans l’eau, ces 2 formes subissent une inter-conversion (mutarotation qui dépend du carbone anomérique) jusqu’à un équilibre où l’angle de rotation atteint 52,7° (1/3 d’anomère α et 2/3 d’anomère β avec une petite quantité de la forme linéaire qui n’excède pas 1%). L’angle de déviation de la lumière polarisée est : l : longueur en dm C : Concentration en g/ml Les propriétés chimiques des oses sont caractéristiques des fonctions réductrices et des groupements alcooliques. B- Stabilité chimique des oses : Les oses sont assez stables dans un milieu acide dilué et se cyclisent et se déshydratent dans un milieu acide fort à chaud (Fig. 15’). Les dérivés furfuraliques obtenus sont capables de se condenser avec des phénols ou des hétérocycles azotés pour former des composés colorés caractéristiques de l’ose de départ. Ainsi, en présence d’HCl et à chaut, on obtient : - Un anneau violet comme résultat d’action de l’α-naphtol sur les oses (réaction de Molish) ; - Une coloration verte comme résultat d’action de l’orcinol sur les pentoses (réaction de Bial) ; - Une coloration rouge comme résultat d’action du résorcinol sur un cétose (réaction de Sélivanoff).

10

3

4 2

6 5

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H2SO4 Chaleur 1

Hydroxyméthyl-furfural

Fig. 15’ : Déshydratation du glucose en dérivé furfuralique En milieu basique dilué et à froid, les oses subissent un phénomène d’énolisation et d’isomérisation (Fig. 16). Enolisation

Isomérisation

Fig. 16

Aldose

Ene-diol

Cétose

C- Oxydation des oses : L’oxydation douce des oses conduit à la transformation de la fonction réductrice en fonction acide alors l’oxydation forte aboutit à la transformation de la fonction réductrice et la fonction alcool primaire en acides ou à la dégradation récurrente de l’ose. 1- Action de l’iode ou du brome : L’I2 ou le Br2 comme oxydants doux, oxydent en milieu alcalin la fonction réductrice des aldoses en acide. Cette oxydation conduit à l’acide aldonique correspondant (glucose Æ acide gluconique ; galactose Æ acide galactonique ; mannose Æ acide mannonique). CH2OH – (CHOH)n – CHO

CH2OH – (CHOH)n – COOH

Æ

I2 ou Br2

2- Action de l’acide nitrique : Le HNO3 comme oxydant fort, permet l’oxydation à la fois de la fonction réductrice et de la fonction alcool primaire en acide. On obtient des acides aldariques (glucose Æ acide glucarique). CH2OH – (CHOH)n – CHO

Æ

HNO3 Chaleur

HOOC – (CHOH)n - COOH

Si on protégé la function aldéhyde, l’oxydation par HNO3 about it à l(oxidation de la function alcool primaire. 3- Action de l’acide périodique : Le HIO4 permet une coupure oxydative des diols. Il coupe entre 2 alcools adjacents, un alcool et un aldéhyde ou un alcool et une amine primaire. C’est le cas des oses où l’aldéhyde est éliminé sous forme d’acide formique et où l’alcool primaire est éliminé sous forme de formaldéhyde (Fig. 17). HIO4

HIO4

Formaldéhyde

(Cn-1) Aldose (Cn)

Acide formique

Acide formique

Fig. 17 : Action du HIO4 sur un aldose B

B

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Pour un ose cyclique, l’HIO4 produit une ouverture du cycle au niveau de la fonction semi-acétalique libre et une dégradation récurrente selon la réaction de la Fig. 18.

HIO4

4HIO4 HCOOH

β-D-glucose Fig. 18 : Action du HIO4 sur un aldose cyclique

4

+

Acide formique

Formaldéhyde

D-arabinose

4- Action de la liqueur de Fehling : Les ions cuivriques (Cu++) de la liqueur de Fehling sont réduits en milieu basique et à chaud en ions cuivreux (Cu+) après oxydation des fonctions réductrices des oses. La fonction aldéhydique ou cétonique est transformée en fonction acide. La couleur bleue du sel cuivrique passe à une couleur rouge brique de l’oxyde de cuivre (Cu2O). D- Réduction des oses : Le borohydrure de sodium (NaBH4) réduit la fonction réductrice des oses en alcool primaire (aldose) ou en alcool secondaire (cétose). E- Réaction de synthèse de Kiliani-Fischer : Cette une réaction d’addition qui permet en présence d’acide cyanhydrique, d’allonger la chaîne carbonée des oses (Fig. 19). LiBH4

+ Aldose (n)

Acide cyanhydrique

Hydratation en milieu acide

Réduction Aldose (n+1)

Fig. 19 : Réaction d’allongement d’un aldose

F- Condensation de la phénylhydrazine : La phénylhydrazine peut se condenser au niveau de la fonction carbonyle d’un ose pour donner une phénylhydrazone. La condensation peut également se faire sur le C2 pour conduire à une osazone suivant la réaction :

- H2O

D-glucose

Phénylhydrazone

Glucosazone

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Les osazones cristallisent et la forme des cristaux est caractéristique de l’ose de départ, ce qui permet son identification. Les oses épimères en C2 et leur forme cétonique correspondante donnent les mêmes osazones. Ainsi, le D-glucose, le D-mannose et le D-fructose conduisent à la même osazone appelée glucosazone.

G- Réaction de dégradation de Wohl: Cette réaction permet l’élimination du carbone de la fonction réductrice d’un ose. Elle se pratique en trois étapes en présence de l’hydroxylamine, de l’anhydride acétique et du méthylate de sodium et permet de passer d’un ose à Cn à un ose Cn-1 (Fig. 20).

Hydroxylamine

Méthylate de sodium

Aldose (Cn)

Anhydride acétique

Aldose (Cn-1)

Fig. 20 : Réaction de dégradation de Wohl H- Action sur les alcools : En milieu alcalin et en présence de sulfate de méthyle (SO4HCH3) ou d’iodure de méthyle (ICH3), les hydroxyles libres des oses sont remplacés par des groupements méthoxy (OCH3). L’alkylation ne porte pas sur les OH bloqués (pont oxydique, liaison glycosidique). Si le groupement hémi-acétalique est libre, il est aussi méthylé mais peut être facilement rompu par un acide dilué. L’acétylation des groupements alcool des oses est possible en présence de l’acide acétique ou de l’anhydride acétique. Elle conduit au remplacement des OH par des groupements O-acétyles (O-CO-CH3). La Fig. 21 montre un exemple d’estérification de l’α-D-glucopyranose.

Acide acétique ou anhydride acétique Pyridine

α-D-glucopyranose

2, 3, 4, 6-tétra-O-acétyl-1-acétyl-α-D-glucopyranoside Fig. 21 : Exemple d’estérification de l’α-D-glucopyranose

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Chapitre II : Les Osides I- Définition : Les osides sont des polymères d'oses liés entre eux par des liaisons de type osidique (ou glycosidique). On distingue les holosides dont l’hydrolyse ne libère que des oses et les hétérosides dont l’hydrolyse libère des oses et des substances non glucidiques. La liaison osidique s’établit entre l'hydroxyle réducteur d'un ose que l'on place à gauche et un hydroxyle quelconque d'un autre ose. La Fig. 22 montre une liaison osidique 1 Æ 4. Extrémité réductrice

+ OH

- H2O

HO

α-D-glucopyranose

α-D-mannopyranose

Fig. 22

Liaison osidique 1Æ 4

II- Nomenclature : Dans le cas des diholosides réducteurs, L'ose engagé par son OH-réducteur prend la terminaison "osyl" (exemple: α-D-glucopyranosyl) alors que l'ose engagé par son OH non réducteur se termine par "ose" (exempe: α-Dglucopyranose). Dans le cas des diholosides non réducteurs, l'ose terminal engagé par son OH réducteur dans une liaison osidique prend la terminaison " oside" (exemple: fructofuranoside).

III- Exemples d’holosides : A- Maltose : C’est un diholoside réducteur puisqu’il garde une fonction semi-acétalique libre. Il résulte de l’association de deux molécules de α-D-glucose liées par une liaison 1Æ4 osidique. Le maltose est le α-D-glucopyranosyl-(1Æ4)-Dglucopyranose (Fig. 23).

Fig. 23 : Structure du maltose

Afin de déterminer la structure de ce diholoside, on le soumet à une méthylation et à une hydrolyse en milieu acide dilué. Les oses hydrolysés sont séparés et identifiés par des techniques physicochimiques telles que la chromatographie ou l'électrophorèse. La maltose par exemple fournira du 2, 3, 4, 6-tétra-O-méthyl-glucose et du 2, 3, 6-tri-O-méthyl-glucose. L’ose dont le groupement réducteur est resté libre peut être déterminé après oxydation ou réduction et hydrolyse. Dans le cas du glucose, le produit obtenu serait respectivement de l’acide gluconique ou du sorbitol. L’utilisation d’un enzyme

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spécifique (α ou β-D-glucosidase) pourra nous renseigner sur la configuration de l’ose engagé par sa fonction semiacétalique. Afin de déterminer la structure cyclique des oses, On opère par une méthylation suivie par un traitement par un acide dilué et par l’acide nitrique comme suit :

HCl dilué

2,3,4,6-tétra-O-méthyl-α−D-glucopyranose

HNO3

Diacide-tri-O-métylé L'oxydation par l’acide nitrique rompt le cycle et élimine les carbones qui ne font pas partie de ce cycle (élimination du carbone 6 dans le cas d’un glucopyranose ou élimination des carbones 5 et 6 dans le cas d'un glucofuranose). Le reste du cycle se trouve sous la forme d’un diacide-tri-0-méthyle dans le cas d’un pyranose, et d’un diacide-di-0-méthyle dans le cas d’un furanose. B- Lactose : Se trouve dans le lait des mammifères. Il est formé de l’union d’une molécule de D-galactose et d’une molécule de D-glucose par une liaison β-(1Æ4) osidique ce qui conduit au β-D-galactopyranosyl-(1Æ4)-D-glucopyranose. C’est un diholoside réducteur.

Fig. 24 : Structure du lactose

C- Saccharose : C’est le sucre de table obtenu à partir de la canne à sucre ou de betterave. Il résulte de l’union du α-Dglucopyranose et de β-D-fructofuranose au niveau de leur fonction semi-acétalique par une liaison 1Æ2. Le saccharose est le α-D-glucopyranosyl-(1Æ2)-β-D-frucofuranoside (Fig. 25). C’est un sucre non réducteur car le deuxième ose qui le compose a sa fonction semi-acétalique engagé dans la liaison osidique. Le saccharose est rapidement utilisé par l’organisme et son hydrolyse enzymatique est réalisée par 2 osidases : l’α-glucosidase et la βfructofuranosidase.

Fig. 25 : structure du saccharose

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Les sucres sont caractérisés par leur pouvoir édulcorant (goût sucré). A titre d’exemple, le tableau 2 indique le pouvoir édulcorant des sucres importants par référence au saccharose dont le pouvoir édulcorant est de 100%. Glucide

Pouvoir édulcorant

D-fructose Saccharose D-glucose D-galactose Maltose Lactose

114 100 69 63 46 22

Tableau 2 : Pouvoir édulcorant de quelques glucides (solution à 10g/100 ml) Les édulcorants sont des substances non glucidiques qui possèdent un goût sucré. La chlorination contrôlée du saccharose conduit à la sucralose, une molécule dont le pouvoir édulcorant est 600 fois supérieure à celui du saccharose. Elle est utilisée comme additif alimentaire pour introduire une saveur sucrée dans les denrées alimentaires.

III- Les polyosides:

Les polyosides dits aussi polyholosides sont formés par la condensation d’un grand nombre de molécules d’oses identiques (homopolyosides) ou différentes (hétéropolyosides). Parmi les polyosides, on distingue :

A- L’amidon : C’est la forme de réserve glucidique chez les végétaux (blé, pomme de terre, riz, maïs...). Il se présente sous forme de grains avec 2 constituants : 1- L’amylose : C’est un polyoside à chaînes linéaires, formé d’unités de D-glucose liées par des liaisons α-(1Æ 4) glucosidiques. Sa masse moléculaire varie de 150 000 à 600 000. 2- L’amylopectine : C’est un polysaccharide dont les chaînes principales sont identiques à celles de l’amylose mais sur lesquelles viennent s’attacher – par des liaisons α-(1Æ 6) glucosidiques (ramifications branchés) – des chaînes latérales ayant la même structure que les chaînes principales (Fig. 26). L’hydrolyse enzymatique de l’amidon fait appel aux α-amylases qui coupent les liaisons α-(1Æ 4) des chaînes d’amylose et d’amylopectine, les β-amylases qui hydrolysent l’amidon à partir de l’extrémité non réductrice de ses chaînes et les glucoamylases qui hydrolysent à la fois les liaisons α-(1Æ 4) et α-(1Æ 6) en libérant le D-glucose. Les β-amylases sont des exoenzymes qui coupent une liaison sur deux à partir de l'extrémité non réductrice, libérant ainsi des unités maltosyle. Les α-amylases sont des endoenzymes qui coupent à l'intérieur des chaînes en formant des oligosides de petite taille (3 à 8 résidus). Ces enzymes jouent un rôle important dans les applications industrielles en brasserie, panification et confiserie.

B- Le glycogène :

Fig. 26: Structure de l’amylopectine

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Le glycogène est la forme du stockage du glucose chez les bactéries, les champignons et les animaux (au niveau du foie et des muscles). Sa structure est la même que celle de l’amylopectine avec d’avantage de ramifications α-(1Æ6)-glucosidiques. C- La cellulose : C’est la substance contenue dans la paroi des cellules végétales (98% du coton). Elle n’est pas hydrolysable par l’Homme mais par les ruminants et les insectes phytophages grâce aux microorganismes contenus dans leur tube digestif. Elle se présente sous forme de structure fibreuse formée de chaînes linéaire de molécules de glucose liées par des liaisons β-(1Æ4)-glucosidiques.

Fig. 27 : Représentation schématique de la cellulose dans la paroi cellulaire

L’acétate de cellulose est utilisé dans la fabrication des films, des bandes magnétiques ou des membranes de dialyse, etc. IV- Les hétérosides : Résultent de l’association d’un sucre et d’un composé non glucidique appelé aglycane. La fonction semiacétalique d’un ose peut se lier par exemple au hydroxyle alcoolique (sérine ou thréonine d’une protéine) ou phénolique de l’aglycane (O-hétérosides) ou à l’azote d’une base purique ou pyrimidique ou à l’asparagine d’une protéine (N-hétérosides, Fig. 28).

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Fig. 28 : Types de liaison entre la partie glycane et la protéine dans une glycoprotéine Les hétérosides incluent les glycoprotéines et les glycolipides. Les glycoprotéines résultent de l’association, par liaison covalente, d’une protéine avec un groupement glucidique (glycane). Elles sont impliquées dans la constitution de la membrane cellulaire, la reconnaissance cellulaire ou le système immunitaire (anticorps). Les protéines membranaires N-glycosylées contiennent une partie commune incluant 3 mannoses et 2-acétylglycosamines et des résidus formés d’autres types de sucres (Fig. 29).

Partie commune

A

B

Fig. 29 : Unités de liaisons d’oligosaccharides N-liés dans les glycoprotéines. A : glycane type riche en mannose ; B : glycane type complexe. Asn : Asparagine ; Fuc : Fucose ; GlcNAc : N-acétylglucosamine ; Man : Mannose ; Sia : acide sialique.

La partie glucidique des glycoprotéines est directement impliquée dans le système des groupes sanguins. Dans ce système, les déterminants antigéniques spécifiques sont de nature glucidique : - L'antigène H est la structure de base, présent chez les individus de type 0 (Fig. 30) ; - L'antigène A diffère de H par la présence supplémentaire d'une N-acétyl-D-galactosamine terminale ; - L'antigène B diffère de A par la substitution du résidu terminal par le D-galactose.

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Fig. 30 : Structure glucidique des antigènes du système sanguin ABO

Documentation en relation avec le cours et disponible à la bibliothèque de la Faculté : • • • • • •

BIOCHIMIE GENERALE, J-H Weil, édition: Masson BIOCHIMIE STRUCTURALE, Boissonnet et al., édition : Smer BIOCHIMIE, E. Hebert, édition : Atlani GLUCIDES, M. Ettalibi, éditions : Actes PRINCIPES DE BIOCHIMIE, Lehninger, Edition : Flammarion BIOLOGIE CELLULAIRE ET MOLECULAIRE, De Robertis, édition : Laval

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Université Ibn Zohr Faculté des Sciences

Département de Biologie Laboratoire de Biochimie

Agadir

SV3 - Module de Biochimie T.D. Glucides Exercice 1 : Donner selon la projection de Fischer tous les stéréo-isomères des pentitols : CH2OH – (CHOH)3 – CH2OH. Exercice 2 : 1) Représenter selon Fischer, Tollens et Haworth, l’énantiomère du β-D-mannopyranose. 2) Donner un diastéréo-isomère du β-D-mannopyranose . 3) En numérotant les carbones et en représentant uniquement les groupements hydroxyles, construire les molécules glucidiques suivantes : a- β-D-glucopyranose ; b- α-D-fructofuranose. 4) Construire la molécule du β-D-galactopyranose sous la conformation chaise C1 et 1C. Les deux formes sont elles épimères, conformères ou diatéréisomères ? Quelle est la conformation la plus stable et pourquoi ? Exercice 3 : Préciser la nomenclature des structures glucidiques suivantes :

A

B

C

D

E

F

Exercice 4 : Ecrire la structure cyclique selon Haworth des composés inconnus et compléter les réactions chimiques suivantes : β- Maltose + (ICH3 / Ag2O ) Æ A A + HCl dilué Æ B + C (B est l’anomère α) α- Lactose + NaBH4 Æ D D + HCl dilué Æ E +F

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Exercice 5 : L’analyse d’un glucide a fourni les renseignements suivants : -

Poids moléculaire du composé : 342 g/mole Composé non réducteur Hydrolysable La méthylation suivie d’hydrolyse de ce composé permet d’identifier par chromatographie 2 hexoses méthylés différents : • Hexose n°1 méthylé en 2, 3, 4 et 6 ; • Hexose n°2 méthylé en 1, 3, 4 et 6.

L’hexose n°1 dérive par synthèse de Kiliani-Fischer du D-arabinose. On sait d’autre part que c’est un épimère du D-mannose. L’hexose n°2 est un isomère D et possède un carbone asymétrique de moins. 1) Ecrire la formule des 2 hexoses sous la forme pyranique ; 2) Les renseignements précédents sont-ils suffisants pour écrire la structure développée du diholoside ? Justifier votre réponse. Exercice 6 : Un polyoside homogène H de poids moléculaire d’environ 162 000 g/mole peut être entièrement dégradé par les α et β amylases. La perméthylation suivie d’hydrolyse acide donne des dérivés O-méthyles de l’ose X polymérisé. 1) Quelle est la nature de l’ose X polymérisé sachant que son poids moléculaire est de 180 g/mole ? Justifier votre réponse. 2) De quel polyoside peut-il s’agir ? Justifier votre réponse. 3) Calculez le pourcentage du dérivé 2, 3, 4, 6-tétra-O-méthyl-Ose obtenu après perméthylation suivie d’hydrolyse acide. Exercice 7 : Soient, une solution de saccharose à 200 g/l et une solution de saccharose à 200 g/l additionnée d’une solution dilué d’HCl. 1) comment vont évoluer les pouvoirs rotatoires de ces deux solutions ? Justifier la réponse. 2) Comment appelle-t-on ce phénomène ?