Structure des glucides et des lipides

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1 Faculté de Médecine Pierre et Marie Curie PCEM Pr Joëlle MASLIAH Structure des glucides et des lipides I- Structure et fonction des glucides A- Principales fonctions biologiques des glucides B- Les glucides sont des carburants cellulaires B-Fonctions, structure et propriétés du glucose B-Mise en réserve du glucose : le glycogène B- Apport alimentaire de glucose : amidon, lactose, saccharose C- Rôle structural des glucides C- Éléments de soutien de la matrice extracellulaire C- Constituants de molécules complexes Acides nucléiques, nucléotides, Vitamine C C- Les glucides liés aux protéines et aux lipides sont des molécules de reconnaissance A- Principales fonctions biologiques des glucides - constituants majeurs de la biomasse : biomolécules les plus abondantes du monde végétal production de cellulose : milliards de tonnes/an production d amidon, de saccharose : millions de tonnes/an -carburant cellulaire : 0 à 0% des calories apportées par l alimentation humaine = sucres glucose, amidon, saccharose, lactose Réserve énergétique des animaux ( glycogène dans le foie et le muscle) et des végétaux (amidon) - Rôle structural - Eléments de soutien, - Constituants de molécules indispensables (coenzymes, vitamines, acides nucléiques ), - Rôle de reconnaissance

2 B- Les glucides sont des carburants cellulaires Rôle central du glucose dans le métabolisme chez l homme : -Tous les glucides alimentaires sont transformés en glucose -Tous les glucides sont synthétisés à partir du glucose -Quantité constante dans le sang (glycémie) -Principal aliment cellulaire, de certains tissus (cerveau, globule rouge) Stocké Les glucides sous la ou forme Hydrates de glycogène de carbone (polymère : (CH )n, du glucose) ou saccharides sont constitués d oses H C = H C H H C H H C H H C H CH H D Glucose très hydrophiles : forte interaction avec H Fonction Carbonyle réductrice Structure du glucose Le glucose est un ose : Squelette carboné Fonction carbonyle Fonctions alcool Les oses sont des aldéhydes ou des cétones polyhydroxylées Nomenclature : H -C= R aldose ou R- C= R cétose H C = H C H H C H H C H H C H CH H D Glucose - Nombre de C : C (triose) C (pentose) C (hexose) - Nature du carbonyle : Aldopentose, aldohexose Cétopentose, cétohexose Le glucose est un aldo hexose

3 Le glucose et son énantiomère D Aldohexose H C = H C H H C H H C H H C H CH H D Glucose L Glucose Les séries D et L sont caractérisées par leur C Seul le D glucose est reconnu par les enzymes du métabolisme Image du D glucose dans un miroir H C = H C H H C H H C H H C H CH H Rappel sur les structures D et L Exemple du Glycéraldéhyde H C = H H CH H D-Glycéraldéhyde Un carbone asymétrique (*C) en C Miroir H C = H H CH H L- Glycéraldéhyde Molécule asymétrique - Isomères optiques ou énantiomères Structure de la Dihydroxyacétone CH H C = Pas de *C : molécule symétrique CH H

4 Les ses naturels sont principalement de la Filiation chimique à partir du D-Glycéraldéhyde série D (par addition de C successifs) D- Glycéraldéhyde + C H C = H H CH H H C = H H H H CH H H C = H H H H CH H Stéréo Isomères en C = épimères en C + C H C = H H H H CH H Triose Tétroses Pentoses 8 Hexoses C C C C H C = H H H H H H CH H H C = H H H H H * C H H H CH H 7 Le glucose est cyclisé en solution : forte réactivité du carbonyle H C = C C C C H CH H CH H H H CH H H + H0 H CH H H H H H Formation d un hémiacétal D glucose D Glc CH H Anomère H H * Carbone asymétrique supplémentaire Cycle pyranique CH H Anomère H * H 8

5 Principales propriétés s chimiques du glucose - cristaux incolores, très solubles dans l'eau, - pas de goût sucré! ( fructose, saccharose) - son pouvoir réducteur (fonction C=) est utilisé pour mesurer la glycémie (la concentration de glucose libre dans le sang = mm/l) C - liqueur de Fehling Cu++ Cu+ CH HCH HCH HCH HCH CH H D glucose H HCH HCH HCH H HCH (glucose oxydase) CH H D gluconate xydation de la fonction aldéhyde en C Cyclisation en - - H CH H H H H H gluconolactone (cycle lactonique = ester interne) CH H Pas d anomèrie H = H H 9 Le glucose est métabolisé dans la cellule sous forme de dérivés phosphorylés P= Esters phosphates Dès son entrée dans la cellule, le glucose est estérifié en C CH H H H H H Glucose phosphate CH HCH - charges négativesn CH -P= - D Glycéraldéhyde phosphate ( phosphate) D autres oses peuvent être phosphorylés - fructose P, fructose, bis P intermédiaires dans la génération métabolique d'énergie 0 - ribose ou désoxyribose en et Constituants des nucléotides

6 B- Mise en réserve r du glucose : le glycogène Polymère de glucose ramification Liaison - Chaîne principale Liaison - H, H Polyoside synthétisé dans le foie et le muscle. Stockage sous la forme de granules cytosoliques qui contiennent les enzymes de synthèse et de dégradation Les molécules de glucose sont reliées par une liaison osidique H H liaison acétalique entre le carbone réducteur d'un ose (blocage d une forme anomérique spécifique) et une fonction H d'un autre ose (ou CH H CH son H carbone réducteur). Dans le glycogène : glucose glucose Liaison - (chaîne principale) H H H H H CH H glucose H H CH H glucose H Liaison - (H, H) CH H H glucose H H H H (H, (H, H) H) H H CH H glucose H H CH H CH glucose H Liaison - (ramification) (H, H) glucose (H, H H H) H

7 Rappel sur la synthèse des biomolécules Acides nucléiques Code génétique Protéines (n AA) Enzymes oses Lipides Polyosides - Contrairement aux autres biomolécules, les polyosides ont un poids moléculaire non défini : leur programme de synthèse est déterminé par l activité des enzymes Dégradation cellulaire du glycogène : Dégradation simultanée par les différentes extrémités conversion en glucose P par la glycogène phosphorylase contrôle complexe de la dégradation et de la synthèse (voir le métabolisme) - CH H - - P= H H H H Glucose P

8 Déficit en lactase B- Apport alimentaire de glucose Le glucose libre est directement absorbé par l intestin. C est une forme minoritaire de l apport alimentaire de glucides Le lactose : principal glucide du lait Lactase ( - galactosidase) CH H gal CH H glc D Galactose - glucose Le galactose est un épimère du glucose Dégradation dans la bordure en brosse intestinale (H, H) D galactose + D glucose H C = *C *C H CH H D Galactose H C = *C H CH H D Glucose CH H glucose H H H HCH fru H CH H H Le Saccharose : sucre de table Synthétisé chez les végétaux, non réducteur Liaison glucose - fructose ( glucosidase ou fructosidase) Dégradation dans la bordure en brosse intestinale Saccharase Double spécificité D fructose + D glucose Cycle furanique CH H C = *C H CH H H C = *C H CH H D Fructose Cétohexose D Glucose

9 L amidon ramification Polymère de glucose Polyoside de réserve végétal. Principale source de glucides alimentaires chez l homme Liaison - Chaîne principale Structure similaire au glycogène, mais moins ramifié Liaison - Glycogène 7 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 : ) Les amylases : - glucosidase, ) - salivaire : inactivée par le ph acide de l'estomac - pancréatique : production de dextrines limites, glucosidase ) enzyme débranchant ou - glucosidase amylase ) maltase - glucosidase maltase maltotriose maltose glucose enzymes de la bordure en brosse intestinale ) absorption intestinale du glucose 8

10 La nature de la liaison glucose - glucose détermine la fonction des polyosides Glc - glc Amidon et glycogène Enroulement, forme compacte Glc - glc Cellulose Forme étirée, formation de fibres La cellulose est hydrolysée par la cellulase ( - glucosidase) 9 Pas par l amylase ( - glucosidase Hydrolyse des liaisons osidiques : les osidases Spécificité des osidases : elles reconnaissent : ) La nature de l ose qui engage son carbone réducteur y compris sa forme anomérique maltase = glucosidase lactase = galactosidase saccharase = glucosidase, fructosidase ) La nature de la liaison osidique (-, -, -) )La dimension de la molécule maltase amylase CH H maltase CH H (H, H) D glucoses 0

11 C-. Les Glycosaminoglycanes Polyosides hétérogènes, constitués de diholosides acide uronique acide hyaluronique acides uroniques : xydation de la fonction alcool primaire d un ose C - C- rôle r structural des glucides H H H D glucuronate osamine : glucosamine galactosamine C- CH H - - D glucuronate NH CCH N-acétyl D glucosamine samines : un ose avec une fonction amine en C, souvent N-acétyl CH H H H H NH- C- CH DN-acétyl glucosamine Propriétés de l acide hyaluronique : poids moléculaire très élevé, forme de longs filaments (liaisons ) nombreuses charges négatives (mais pas de sulfates) très hydrophile, se gorge d eau - libre : humeur vitrée, articulations : lubrifiant - conjugué dans la matrice extracellulaire : cartilage et tendons élasticité

12 C-. Les autres Glycosaminoglycanes chondroitine sulfate osamine sulfatation héparine liaisons sulfatation C- D glucuronate - CH H S - - NH CCH N acétyl D galactosamine C- CH S - S - - L héparine : anticoagulant physiologique D glucuronate o - NH CS - D glucosamine C-- Les Glycosaminoglycanes associés à des protéines forment des protéoglycanes N Exemple de protéoglycane complexe : l agrégane 0 nm N protéine de liaison acide hyaluronique m GAG : kératane, chondroïtine sulfates Constituant majeur du cartilage

13 Rôle des protéoglycanes - Rôle mécanique : - forte hydratation : charges négatives - résistance aux chocs - Attachement à la matrice extracellulaire : - liaison à des protéines membranaires - ancrage et migration cellulaire - Rétention de protéines : - réservoir de facteurs de croissance - protection contre les protéases : effet prolongé - facilitent leur interaction avec les récepteurs Dégradation des glycosaminoglycanes Hyaluronidase : dépolymérise l acide hyaluronique coupe en - Bactéries : diminue la résistance à la pénétration au cours d une infection Spermatozoïdes : hydrolyse l enveloppe de l ovule - C- D glucuronate - CHH NH CCH N- acétyl D glucosamine C- D glucuronate - CH

14 C-- Les constituants de molécules complexes Aldopentose (Série D) - acides nucléiques, nucléotides : H C = H H H CH H H D ribose H H H C = H H H H H H désoxy- D ribose CH H ARN, ATP, autres nucléotides (NAD, FAD, etc..) ADN 7 L ATP liaison hétérosidique NH Liaison ester N adénosine N N H----P----P----P----CH Liaison ribose anhydride H H d acide adénosine monophosphate AMP adénosine diphosphate ADP = = = adénosine triphosphate nucléotides : - Forme de stockage de l'énergie cellulaire, - Précurseurs des acides nucléiques =P- - CH ribose ' ' NH N H N AMP cyclique ATP Précurseur de second messager ATP Adényl cyclase 8

15 constituants des acides nucléiques H' ' =P--CH - ' ribose ' H ' A ' H' =P--CH - ' d ribose ' H ' T ' =P- - - U =P- - - A CH ribose CH d ribose H =P- - - CH ribose C H =P- - - CH d ribose G H H ARN ADN 9 C-- Les constituants de molécules complexes Certaines vitamines sont des dérivés d oses Exemple de la vitamine C ou acide ascorbique Dérivé de l acide D glucuronique CH H *CHH * CH CH H CH H H acide L ascorbique CH acide glucuronique CH (N est pas synthétisée chez l homme) 0

16 acides aldoniques : xydation de la fonction aldéhyde en C C H C H CH H C- H C gluconate H CH C H Cyclisation en - - H cyclisation déshydrogénation CHH H = H H gluconolactone (cycle lactonique = ester interne) CH H *CHH * CH H Acide L aldonique H H acide L ascorbique Propriété réductrice de l acide ascorbique CH H *CHH Fonction éne diol Acide déhydroascorbique * -H + H H H acide L acide L ascorbique les vitamines : exemple de la vitamine C déhydroascorbique - indispensable en petite quantité - pas synthétisée par l'organisme (homme) - carence : scorbut rôles biologiques : coenzyme de la prolyl hydroxylase, indispensable à la synthèse d hydroxyproline. Rôle dans la synthèse des stéroïdes. La carence en vitamine C entraine des anomalies de la synthèse du collagène, une fragilité des parois vasculaires, des tendons, utilisé comme agent réducteur

17 C-- Les glucides liés aux protéines et aux lipides sont des molécules de reconnaissance Liaison covalente de chaînons glucidiques courts et ramifiés : très grande variabilité de structure Structure différente des polyosides : amidon, glycogène, cellulose, GAG Exemples de structures glucidiques de glycoprotéines: galactose Synthétisés dans le Golgi protéine N acétyl glucosamine NANA --- Sérine mannose L fucose Cœur commun protéine N Asparagine Synthétisés dans le réticulum endoplasmique et le Golgi (voir la Biologie cellulaire, module )

18 C-- Les glucides liés aux protéines et aux lipides sont des molécules de reconnaissance Leur variabilité est due à : - la nature des liaisons entre chaînons glucidiques et protéine - liaisons -osidiques (chaines plus courtes et Plus variables) - liaisons N-osidiques Nacglu Nac glu C NH - C - CH - CH NH (Cœur commun, chaines plus longues) C -CH -C H NH X - Ser, Thre - Asparagine Sérine, thréonine - leur position sur la protéine : - motif d insertion - accessibilité (partie périphérique des protéines globulaires ou membranaires C-- Les glucides liés aux protéines et aux lipides sont des molécules de reconnaissance Leur variabilité est due à : - la nature des oses ou des dérivés d oses H CH H H H D galactose H CH H H H D mannose CH H H H NH-CCH N acétyl D glucosamine CH H H H NH-C-CH N acétyl D galactosamine

19 ses particuliers ; acide sialique ou N acétyl H H neuraminique (NANA) C CH C + HN- C -H H -C - H CH H - C - H H- C CH H Produit de condensation d'acide pyruvique et de D mannosamine H HC-C-NH C R H H R = 7 CHH H H 8 CHH H H 9 CHH Acide N acétyl neuraminique (NANA) CH C - H CH H-- C---H HN- C --H - C --- H H -- C -- H H -- C --H CH H Acide neuraminique 7 H Une exception : le L fucose : Un désoxy ose de la série s L: CH H H H L fucose CHH H H H H D galactose Autre désoxy ose naturel : le désoxyribose, constituant de l ADN La variabilité des chaines osidiques est aussi due à : - la nature de la liaison entre oses ( spécificité des glycosyl transférases du réticulum et du Golgi) -, - -, -, mais d autres liaisons sont possibles 8

20 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 9 fin Rappel sur la structure des Principaux ses naturels Les oses de la série D (oses naturels) dérivent du D glycéraldéhyde. H C = *C *C H CH H D Gal Aldohexoses (Série D) H C = *C H CH H D Glc H C = *C *C H CH H D Man Cétohexose (Série D) CH H C = *C H CH H D Fru Aldopentose (Série D) H C = H CH H D Ribose 0

21 Hydrolyse spécifique des liaisons osidiques par les osidases Stéréo Spécificité des osidases : elles reconnaissent : ) La nature de l ose qui engage son carbone réducteur y compris sa forme anomérique maltase = glucosidase lactase = galactosidase saccharase = glucosidase, fructosidase ) La nature de la liaison osidique (-, -, -) )La dimension de la molécule maltase amylase CH H glc maltase CH H glc (H, H) D glucoses Spécificité comparable à celle des osyltransférases (synthèse des glycoprotéines)