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PCEM1, premier semestre, Cours de BiochimiePr Joëlle MASLIAH
I- Structure des glucides et des lipides
A- LES GLUCIDES
Plan I- Généralités- Structure générale- Importance en Biologie- ClassificationII- Les oses1- Structure linéaire2- Structure cyclique3- Dérivés des osesIII- les osides1-Les diholosides2-Les Polyosides3-Les glycosaminoglycanes, les protéoglycannes4-Les Glycoprotéines 1
oses ou Hydrates de carbone : (CH2O)nLes glucides sont constitués d’
I- Généralités
Molécules organiques comportant plusieurs fonctions alcools, une fonction aldéhyde ou cétone, parfois une fonction acide ou amine.Ce sont donc des aldéhydes ou des cétones polyhydroxylées
H – C = O|
H – C – OH|
HO – C – H|
H – C – OH|
H – C – OH|CH2OH
D Glucose
Squelette carbonéFonction carbonyleFonctions alcool
Structure générale :
très hydrophiles : forte interaction avec H2O
2
ImportanceImportance des glucides en Biologie des glucides en Biologie 1-Rôle énergétique : 40 à 50% des calories apportées par
l’alimentation humaine = sucres (saveur)Réserve énergétique des animaux ( glycogène dans le foie et le muscle)
et des végétaux (amidon)2- Rôle structural :
- éléments de soutien, - constituants de molécules indispensables
(coenzymes, vitamines , acides nucléiques……), - Rôle de reconnaissance- représentent un fort pourcentage de la biomasse
3- rôle économique : biomolécules les plus abondantes,constituants majeurs du monde végétal
Cellulose : milliards de tonnes /anAmidon, saccharose : millions de tonnes /an
4- place du glucose chez l’homme :Principal carburant des tissus (cerveau) , aliment cellulaireTous les glucides alimentaires sont transformés en glucoseTous les glucides sont synthétisés à partir du glucose 3
Classification des glucides Classification des glucides I- Les oses : mono saccharides, ex : D glucose
IIII-- Les osides : Les osides : (molécules dont l’hydrolyse fournit 1 ou plusieurs oses)(molécules dont l’hydrolyse fournit 1 ou plusieurs oses)--liaison osidiqueliaison osidiqueEn fonction de leur composition :-Holosides = n oses : - Hétérosides : Oses + aglycone (bases, protéines, lipides)
En fonction de la taille de la partie glucidique : - Di-, tri- Tétra….holosides.oligosides : plusieurs oses, n ≥ 3 sont associéspar liaison covalente à des protéines
( glycoprotéines) ou des lipides (glycolipides)
- polyosides n= 100 à 1000 oses- éléments structuraux et protecteurs (bactéries,
tissu conjonctif, manteau des cellules animales)- réserve (végétaux , animaux)
- protéoglycannes : structure complexe associant protéines et polyosidesreliés par des liaisons covalentes et non covalentes 4
IIII-- les Osesles Oses
Eléments constitutifs de tous les glucides
Fonctionréductrice
R -C=O ouH
aldose cétose
R-C=OR ’
Nombre de C : 3C (triose)5C (pentose)6C (hexose)
Nomenclature Nomenclature :
Nature du carbonyle : Aldopentose, aldohexoseCétopentose, cétohexose
5
II-1. Structure Linéaire des Oses
D Aldohexose D Cétohexose
1
2
3
4
5
6
H – C = O|
H – C – OH|
HO – C – H|
H – C – OH|
H – C – OH|CH2OH
D Glucose
CH2OH|C = O|
HO – C – H|
H – C – OH|
H – C – OH|CH2OH
D Fructose
6
Structure du Glycéraldéhyde
H – C = O|
H – *C – OH|CH2OH
D-Glycéraldéhyde
1
2
3
H – C = O|
HO – *C – H|CH2OH
L- GlycéraldéhydeUn Carbone asymétrique (*C) en C2 Molécule chirale (= asymétrique)
- Isomères optiques ou énantiomères- Configuration stéréochimiqueet pouvoir rotatoire d’un ose
Miroir
Structure de la Dihydroxyacétone
Pas de *C : molécule symétrique
CH2OH|C = O|CH2OH
Dihydroxyacétone7
Filiation chimique des Oses selon FischerA-Formation à partir du D-Glycéraldéhyde (par addition de C successifs)
Triose Tétrose Pentose Hexose3C 4C 5C 6C
B-Triose Tétrose
D- Glycéraldéhyde
H – C = O|
H – *C – OH|CH2OH
1
2
3 H – C = O|
HO – *C – H|
H – *C – OH|CH2OH
(D- Thréose)
H – C = O|
H – *C – OH|
H – *C – OH|CH2OH
(D- Erythrose)
+ 1C + 1C
Stéréo Isomères en C2
1
2
3
4
8
C- Filiation chimique des Aldoses de la série DIsomères
9
D-Glycéraldéhyde
D-Ribose
D-Mannose D-GlucoseD-Galactose
Il s’agit d’une synthèse chimique = biologiqueCHOCH2OHOH
3 C 1 Triose de la série D
2 Tétroses de la série D4 C (D-Thréose) (D-Erythrose)
5 C 4 Pentoses de la série D
8 Hexoses de la série D
1 Triose de la série L donnera le même nombre
de Stéréoisomères6 C
Au totalun composé à n*C donnera
2 n Stéréoisomères
Principaux OsesPrincipaux OsesLes oses de la série D (oses naturels) dérivent du D glycéraldéhyde.Les oses de la série L dérivent du L glycéraldéhyde
Aldohexoses
10
(Série D)
1
2
3
4
5
6
H – C = O|
*C –|
–*C|
–*C|
*C – OH|CH2OH
D Gal
H – C = O|
*C –|
–*C|
*C –|
*C – OH|CH2OH
D Glc D RiboseD Fru
Aldopentose(Série D)
Cétohexose(Série D)
H – C = O|
*C –|
*C –|
*C – OH|CH2OH
CH2OH|
*C = O|
–*C|
*C –|
*C – OH|CH2OH
H – C = O|
– *C|
–*C|
*C –|
*C – OH|CH2OH
D Man
Épimères : galactose = épimère en 4 du glucosemannose = épimère en 2 du glucose
différents des énantiomères :
D glucose L glucose
11
Gal glu man
Déficit en épimérase : galactosémie congénitale(pas de transformation de galactose en glucose)
Objections à la Structure Linéaire des Oses
1 –pas de formation d’Acétal• Aldéhyde ou Cétone :
+ H2OHémiacétal Acétal
H|
R – C – OH|OR’
H|
R – C – OR’|OR’
+ R’OHRCHO + R’OH
• Aldose ou Cétose + R’OH Hémiacétal uniquement
2- Mutarotation :αD glucose +112°βD glucose +18°7 52°7
(2 anomères)
12
II-2. Structure Cyclique des oses
H – C = O|C –|
– C|C –|C – OH
|CH2OH
D Glc
| HOH2C – C – C – C – C – CHO
| | |
1
2
3
4
5
6
Rotation de 90°
156
CH2OH| |
HO – C – C – C – C –CHO| | 5
6 1
OH
La structure est convexe vers l’observateur.Par cette convexité les C1 et C6 sont proches dans l’espace.La rotation autour du C5 permet de mettre sur un même plan les atomes participant à la cyclisation, soit : le C1, le C5 et l’Oxygène du C5.
13
Cyclisation
O
CH2OH HOH
5
1
1 - Rotation autour du C5
O
CH2OH
HOH51
2 - Hémiacétalisation interne
14
ouAnomère β
Anomère α
O H
OO HCH2OH
H
O5
1*
Carbone assymétriquesupplémentaire
*
==> ==> les Oses sont cycliques en solutionles Oses sont cycliques en solution
Structure pyranique du D Glucose (Haworth)
Structure la plus stable : Noyau du tétrahydropyraneÀ 6 Sommets : 5 Carbones et 1 Oxygène
Anomère ββD Glucopyranose
ou
OH
H
CH2OHO
1
23
4
5
Anomère ααD GlucopyranoseOH
1
•Conséquences de la structure cyclique :•Fonction pseudo aldéhydique •( pseudo cétonique)
15Le D Glucose est très répandu. C’est le principal carburant de l’organismeIl est stocké sous forme polymérisée (glycogène) dans le foie et le muscle
D Galactopyranose
16
α D Galactopyranose
Constituant : - du Lactose = D Gal + D Glc- des Cérébrogalactosides du cerveau- de certains glycolipides et glycoprotéines
O
CH2OH
15
Liaison 1 - 5
1
5
D Mannopyranose
• Surtout chez les Végétaux et dans les Glycoprotéines chez l’Homme•
O
CH2OH
15
Liaison 1 - 5 αD Mannopyranose
D Fructofuranose :cyclisation en 2-5
17
HOH2C – C – C – C – C – CH2OH
OH O
=
125HO– C – C – C – C – CH2OH
HOH2C
5
2
O
=
2 substituants enC2 :-OH hémiacétalique anomère α ou β- CH2OH
1
O CH2OH
OH
HOH2C
2
3
4
5
6
αD FructofuranoseAbondant chez les végétaux : libre ou dans le saccharose
CH2OH|
*C = O|
–*C|
*C –|
*C – OH|CH2OH
Liaison 2,6
18
D Ribofuranose Cyclisation en 1-4 : forme furanique
HOH2C O1
234
5OH
OHOH
Constituant des nucléosides, nucléotides, acides nucléiques, coenzymes
2 désoxy ribose (ADN)
- Principales propriétés chimiques des osesPrincipales propriétés chimiques des oses- cristaux incolores, très solubles dans l'eau, - goût sucré (fructose)- pouvoir réducteur (fonction C=O) utilisé pour mesurer la glycémie (la concentration de glucose libre dans le sang 5mM/l)
COO-
HCOHHOCH
HCOHHCOH
CH2OH D gluconate
O2 H2O2(glucose oxydase)
CHOHCOH
HOCHHCOHHCOH
CH2OH D glucose
liqueur de Fehling2 Cu++ 2 Cu+
19
-interconversion aldose cétose
-Epimérisation : glucose mannose
-Réduction en polyols : glucose sorbitolfructose sorbitol ou mannitol
IIII--3.Dérivés des oses3.Dérivés des oses
aa-- désoxydésoxy osesoses ::
α 2 désoxy- D ribose
O
OHOH
5
4 32
1
HO
CH36 OH
β L fucose
6
O
OH
OH54
3
21
HOCH2OH
OH
β D galactose
constituants des acides nucléiques
O1
234
5OH
OHOH
O1
234
5OH
HOH
Composant des glycoprotéines et des glycolipides
20
21
b) b) Dérivés aminés : Dérivés aminés : osaminesosaminesConstituantsdes Glycosaminoglycanes
des glycoprotéinesdes glycolipides
αD Mannosamine
β D N- acétyl glucosamine
6
β D N- acétyl Galactosamine
H OH C O
H2N - C - HHO - C - HH - C -OHH - C
CH2OH
123456
H OH C O
H - C -- NH2
HO-C-- HH- C - OHH - C
CH2OH
123456
αD Glucosamine
OCH2OH
NH- CO- CH3
OCH2OH
NH- CO- CH3
c) c) Dérivés oxydésDérivés oxydésacides aldoniques : Oxydation de la fonction aldéhyde en C1
6 CH2OH5 C - OH
O-4 C OH 1 C
HO C C 2 O OH
3
gluconate gluconolactone(cycle lactonique= ester interne)
OCH2OH
OH =O
6
5
4
3
21
OH
HOCyclisation en 1-4- H2O
22
acides uroniques : Oxydation de la fonctionalcool primaire en C6
constituants des glycosaminoglycanes, role dans la détoxification hépatique
COO-
αD glucuronate
OOH
OH
5
4
3
21
OH
d) acide sialique ou N d) acide sialique ou N acétylacétyl neuraminiqueneuraminique (NANA)(NANA)
Produit de condensation d'acide pyruviqueet de D mannosamine
H OH C O
H2N- C -HHO -C - HH - C - OHH- C
CH2OH
123456
H-- C---OH H2N- C --H
O - C --- HH -- C -- OHH -- C --OH
CH2OH
COOHC - OH CH2
123456789
R = 7 CHOH8 CHOH9 CH2OH
H
OR
OH HOH
5
4 32
1H3C-CO-NH COO-
H H
6H
COOHCO + CH3
Acide neuraminiqueAcide N acétyl neuraminique(NANA)
23constituant des glycoprotéines et des glycolipides
ee-- acide L ascorbique (vitamine Cacide L ascorbique (vitamine C))(N’est pas synthétisée chez l’homme)
acide L ascorbique
1
CH2OH
*CHOH5
6
23
4
O
OH OH
O*
Déshydrogénase
COOH
COOH
24
Propriété réductrice de l’acide ascorbique
25
+ 2H
les vitamines : exemple de la vitamine C 1 - indispensable en petite quantité 2 - pas synthétisée par l'organisme (homme)3- carence : scorbut
-2H
acide Ldéhydroascorbique
rôles biologiques : coenzyme de la prolyl hydroxylase, indispensable à la synthèse d ’hydroxyproline. Role dans la synthèse des stéroides.La carence en vitamine C entraine des anomalies de la synthèse du collagène, une fragilité des parois vasculaires, des tendons, utilisé comme agent réducteur
Fonction éne diol
acide L ascorbique
1
CH2OH
*CHOH5
6
23
4
O
OH OH
O*
OO
Acide déhydroascorbique
ff) ) Dérivés Dérivés phosphorylésphosphorylés Esters phosphatesEsters phosphates
Estérification en C6 ou en C1
26
1 CHO2 HCOH O-3 CH2O-P=O
O-D Glycéraldéhyde3 phosphate(1 phosphate)
charges négativescharges négatives
Glucose 6 phosphate
O-CH2 O-P=O
O-
HO
O
OH
OH
OH
6
54
3 21
Fructose 1,6bis P
P OCH2
OH
HO
CH2O P
OH
O
intermédiaires dans la générationmétabolique d'énergie
27
O- O- O-HO----P-O---P-O---P-O---
O O O
= = =
Liaison ester liaison hétérosidique NH2
N N
N
3 ’
1 ’2 ’
4 ’
5 ’O
OH OH
ribose
CH2
adénosine
Liaison anhydrided ’acide
adénosine monophosphate AMPadénosine diphosphate ADP
adénosine triphosphate ATPATPnucléotides : - Forme de stockage de l'énergie cellulaire ,
- Précurseurs des acides nucléiques
O
O OH
ribose
N N
O=P-O-
CH2
3'
5'
NH2
AMP cyclique
ATPAdényl cyclase
Précuseur de second messager
L’ ATP
constituants des acides nucléiques
O
O OH
ribose
OH'O=P-O-CH2
O-
O
O OH
ribose
O
O OH
ribose
A
O=P-O-O- U
C
1'
2'3'
4'
5'
CH2
CH2
O=P-O-O-
ARN
OH'O=P-O-CH2
O- O
O H
d ribose
O
O H
d ribose
O
O H
d ribose
T
O=P-O-O- A
G
1'
2'3'
4'
CH2
CH2
O=P-O-O-
ADN28
IIIIII-- Les OsidesLes Osides
• Molécules donnant par hydrolyse 2 ou plusieurs molécules d’oses• Ces oses peuvent être identiques ou différents
1 – Holosides : Liaison des oses : Liaison Osidique (ou glycosidique)-diholosides : 2 oses- Oligosides : jusqu’à quelques dizaines d’oses- Polyosides : quelques centaines d’oses
Ose(s)2 - HétérosidesDonnent par hydrolyse
Aglycone : Base, Protéine, Lipide
29
III-1. Les Diholosides
Maltose : produit d'hydrolyse de l'amidon par les amylases
Liaison osidique :liaison acétalique entre le carbone réducteur d'un ose et une fonction OH d'un autre ose (ou son carbone réducteur). 6 6
O5
4
32
1
O5
4
32
1glucose glucose
OHHO
CH2OH CH2OH
OH OHOH
H
OHOH
OH
OH OH
(H, OH)1
HO
CH2OH CH2OH
O
OH4
6
5
32
1
O
OH
6
5
4
32
O
H Hglucose glucoseDiholoside réducteur : liaison oside- ose
D glucopyranosido α1-4 D glucopyranoseglc (α 1-4)glc 30
Lactose : spécifique du lait, peu sucré
D galactopyranosido (β 1-4) glucopyranosegal (β 1-4) glc
HOO
CH2OH
OH
OH
6
5
4
3 2
1
OCH2OH
OH
OH
(H, OH)
6
5
4
3 2
1Ogalactose Glucose
Saccharose : non réducteurintermédiaire de la photosynthèseSucre de table
D gluco pyranosido (α 1- 2 β) fructofuranosideglc (α 1- 2 β) fru
OH
OCH2OH
OH
65
4
3
2αDglucoseOH
HOCH2OH
2
3
45
βDfructose
OCH2OHO
H
OH
Diholoside réducteur : liaison oside- ose
Diholoside non réducteur : liaison oside- oside
Il n’y a plus de OH hémiacétalique libre réducteur 31
Les oligosidestrès peu à l'état libreliés par liaison covalente à des protéines (glycoprotéines)
à des lipides (glycolipides)chaînons courts : 3 à qq dizaines d'oses
IIIIII--2. Les Polyosides2. Les Polyosides
Très grande variabilitédestructure
- constitués d'un seul ose : homopolyoside1-polyosides de réserve (amidon , glycogène)2- polyosides de structure (cellulose, chitine)
- polyosides hétérogènes : 3- Glycosaminoglycannes, acide hyaluronique(peptidoglycane bactérien)( protéoglycannes )
32
- Les polyosides ont un poids moléculaire non défini :leur programme de synthèse est, contrairement aux acides nucléiques et au protéines, déterminé par les enzymes
Protéines(n AA)
Code génétique
Lipides
Acidesnucléiques
Polyosides
Enzymes
Glucides
Rappel sur la synthèse des biomolécules
33
34
Polyoside de réserve végétal : tubercules, graines stockage sous forme de granules intracellulaires. poids moléculaire variable 10 000 à 1 000 000 Role nutritionnel importantChez l’homme
liaison α 1-4
chaine principale
liaison α 1-6
chaine latérale
Amidon : chaîne principale : (glucose α 1-4 glucose)nbranchements α 1-6 ⇒ramifications
O
O
CH2OH
H
6
O
O
CH2OH
H
6
O
O
CH2
H
3
23
CH2OH
O
3 2 3 2 2
H
6
O
O
O
H
Glc initial Glc intrachaînes
Glc interchaîne(branché)
4
35
Glycogène : structure similaire à l’amidon
Polyoside de réserve animal (foie et muscle). mais branchements plus fréquents, plus compactpoids moléculaire qq 1 000 000.Stockage sous la forme de granules cytosoliques
Liaison α 1-4
Liaison α 1-6
36
Cellulose : Polyoside de structure, linéaire ,glucide naturel le plus abondant , qui représente plus de 50% du carbone végétal
OH OH
CH2OH CH2OH
OH
O
OHO
O
OH
liaison β 1- 4
cellulase = amylase
Glc β1-4 glc
amidon
Glc α 1-4 glc
La cellulose est hydrolysée par la cellulasePas par l’amylase.
Hydrolyse des liaisons osidiques : les osidases
Spécificité des osidases : elles reconnaissent : 1) La nature de l’ ose qui engage son carbone réducteur y compris sa forme anomérique maltase = α glucosidase
lactase = β galactosidasesaccharase = α glucosidase, β fructosidase
2) La nature de la liaison osidique (1-4, 1-3, 1-6)
3)La dimension de la molécule maltase ≠ amylase
maltase
OO
CH2OHO
CH2OH
(H, OH)11
4 2D glucosesglc glc
37
OO
CH2OH
23
6O
CH2OH
(H, OH)23
6
41
14 D galactose + D glucose
gal glc
Lactase
CH2OH
6
3OH
OOH
54
3
2glcOH
HO
2
45 fru
OHOCH2O
H
OH
CH2OH
Saccharase D fructose + D glucose
Double spécificité
Dans la paroi externe des cellules intestinales :saccharase (sucrase), maltase, lactase. Absence de β glucosidase
38
Hydrolyse de l’amidon dans le tube digestif :l'amidon représente la moitié des glucides alimentaires ingérés chez l'homme. Il est digéré en trois étapes :
α 1, 6 glucosidase
2) enzyme débranchant ou α 1-6 glucosidase α amylase
1) Les α amylases : α 1-4 glucosidase, n’hydrolysent pas la cellulosen’hydrolysent pas la cellulose- salivaire : inactivée par le pH acide de l'estomac- pancréatique : production de dextrines limites
3) maltase
maltotriose maltose glucoseα 1-4 glucosidase
maltase
enzymes de la bordure en brosse intestinale
4) absorption intestinale du glucose
39
Dégradation du glycogène :1 - digestive = amidon2- intracellulaire :degradation simultanée par les différentes extremités
conversion en oses accéléréeglycogène phosphorylase glucose 1P
controle complexe, voir métabolisme
40
41
osamine :glucosaminegalactosamine
acide uronique
CH2OHO O
NH COCH3
acide hyaluroniqueO
N- acétyl D glucosamine
β 1-3 β 1- 4
COO-
D glucuronate
O
Constituants de la matrice extra-cellulaire
III-3. Les GlycosaminoglycanesPolyosides hétérogènes
poids moléculaire très élevé, charges -, pas de sulfates- libre : humeur vitrée, articulations : lubrifiant- conjugué : matrice extracellulaire : cartilage et tendons élasticité
Hyaluronidase : dépolymérise l’acide hyaluroniquecoupe en β 1-4
N- acétyl D glucosamine
β 1- 4CH2OH
O
NH COCH3
O
D glucuronate
O Oβ 1-3
COO-
D glucuronate
O Oβ 1-3
COO- CH2OO
Bactéries : diminue la résistance à la pénétration au cours d ’une infectionSpermatozoïdes : hydrolyse l’enveloppe de l ’ovule
III-3. Les Glycosaminoglycanes
CH2OSO3-
O SO3-
O
ONH COSO3-α 1- 4
α 1- 4
D glucosamine
héparine
chondoitine sulfate
CH2OH
N acétyl D galactosamine
OSO3-
β 1-3 β 1- 4O O
NH COCH3
O OCOO-
D glucuronateCOO-
D glucuronate
Oo
L’héparine : anticoagulant physiologique
42
III-3- Les Protéoglycannes :Glycosaminoglycanes portés par des protéines
Exemple de protéoglycane complexe
protéine de liaison
acide hyaluronique2µm
30 nm
GAG : kératane, chondoitine sulfates
NN
43
- rétention de protéines : réservoir de facteurs de croissanceprotection contre les protéases : effet prolongéfacilitent leur interaction avec les récepteurs
Rôle des protéoglycannes-Rôle mécanique : - forte hydratation : charges –- - résistance aux chocs
- - attachement à la matrice extracellulaire :liaison à des protéines membranairesancrage et migration cellulaire
Différences entre Glycoprotéines (GP) et Protéoglycanes (PG)
Les Protéoglycanes diffèrent des Glycoprotéines par :
• une chaîne glucidique plus longue
• une proportion de Glucides plus importante
• un enchaînement glucidique monotone44
III-4. Les Glycoprotéinesoligosides liés à une protéine : proportion de glucides << protéoglycanestrès grande variabilité :1- séquence des chainons glucidiques- nature des oses : oses (galactose , mannose), osamines ( glucosamine, N acétyl glucosamine, N acétyl galactosamine), acide Nacétyl neuraminique(NANA), désoxy oses ( L fucose)…...- enchainement spécifique des chainons oligosidiques : glycosyl transférases
45
COO-CH2 -C H
NH
2- nature des liaisons glucides / protéine
liaisons O- osidiques Sérine, thréonineNac gal
liaisons N- osidiquesCO
NH - CO - CH2 - CHNH
X - Ser, Thre -
AsparagineNacglu
3 - Place des branchements sur la protéineEnvironnement peptidique approprié : séquences spécifiques
NANA
man
Nacglu
gal
gal O1
234
56
mannose
N acétyl glucosaminegalactose galNANA
NANA
O--- Sérineβ
α
α Nacgal
Synthétisés dans le Golgi
N Asparagine
Synthétisés dans le
réticulum endoplasmique et le Golgi
Cœur commun
Exemples :
Glycoprotéines sériquesGlycoprotéines membranaireslectines
46
47
rôle des fractions oligosidiques des glycoprotéines Physiques
- augmentent la polarité et la solubilité des protéines :maintien à distance dans le glycocalix
- influencent le reploiement des protéines- protection contre les protéases
Biologiques = rôles spécifiques- reconnaissance spécifique par d'autres protéines : lectines(enzymes , récepteurs)
ex : accrochage bactérie par adhésines= oligosides de structure de la paroi cellulaire
- Interaction cellule-cellule