Les glucides Structure, fonction et pathologie Docteur Marie-José STASIA Institut de Formation en Soins Infirmiers 1 ère Année Année universitaire 2014-2015 PLAN Plan INTRODUCTION Définition, Appellation, Classification LES OSES SIMPLES ET DIHOLOSIDES OU DISACCHARIDES ESSENTIELS Principaux oses simples et disaccharides essentiels pour l homme Oses: glucose, fructose, ribose Disaccharides: maltose, saccharose, lactose Propriétés utiles des oses simples et des disaccharides 1. Pouvoir sucrant 2. Hydrosolubilité 3. Réducteurs (acide glucuronique/sels biliaires, vitamine C) 4. Oxydants (glucitol, galactitol, mannitol) 5. Les desoxyoses (ADN, ARN) 6. Les oses phosphorylés (Formes actives des oses) UN POLYSACCHARIDES ESSENTIEL, L AMIDON SUCRES ET DIETETIQUE Sucres lents, sucres rapides et index glycémique (IG) Les oligosaccharides ou FOS (le bifidus actif) AUTRES POLYSACCHARIDES IMPORTANTS Le glycogène, les alginates 1
PLAN (suite) LES GLUCIDES COMPLEXES OU LES GLYCOCONJUGUES Conséquences physiologiques et physiopathologiques de la glycosylation des protéines 1. Les MBL ou antigènes glucidiques 2. les glycoprotéines du HIV 3. Importance de l étiquette mannose 6 phosphate Défaut d adressage des enzymes lysosomiaux 4. Pathologies liées à un défaut de glycosylation Les Glycolipides, intérêt pour la distinction des groupes sanguins LES GLUCIDES ULTRA COMPLEXES OU LES PROTEOGLYCANES ET PEPTIDOGLYCANES La matrice extracellulaire (MEC), charpente et colle biologique des tissus L acide hyaluronique, prototype de glycosaminoglycanes (GAG), constituants principaux de la MEC L aggrécane, GAG constituant principal du cartilage Les peptidoglycanes de la paroi bactérienne, action de la pénicilline Introduction Ils sont des : réserves énergétiques (glycogène pour les mammifères, la cellulose pour les végétaux) éléments de structure (matrice extracellulaire, charpente et colle des tissus) composants de métabolites fondamentaux (ADN, ARN, les vitamines...) Ils sont considérés maintenant comme des : signaux de reconnaissance (l étiquette mannose de certains enzymes essentielle pour leurs localisations et leurs fonctionnements dans la cellule, si absence enzymopathie grave) déterminants antigéniques (détermination du groupe sanguin selon la structure glucidique des antigènes de surface du globule rouge) Ils entrent dans la composition de produits de synthèse comme les : Vaccins polysaccharidiques Formes nouvelles d administration de médicaments Alimentation allégée (Aspartam, Fibres alimentaires) 2
Définition générale des glucides ou carbonehydrates Source : gluconéogenèse ( glycogène) ou photosynthèse ( cellulose) Dégradation métabolique : source d énergie glycolyse Molécules organiques nommées hydrates de carbone, composées d un enchainement d atomes de carbone C portant: des fonctions alcools (OH) parfois une fonction acide (COOH)ouaminée(NH2) 1 fonction aldéhyde (CHO) pour les aldoses ou une fonction cétonique (CO) pour les cétoses. Ce sont des aldéhydes ou cétoses polyhydroxylés (plusieurs fonctions alcools (OH). Glucose (Aldose) Fructose (Cétose) Appellation des glucides selon leur composition chimique Le sucre ou glucide le plus simple est l OSE, dont le nom dépend du nombre d atomes de carbone C et s il possède une fonction aldéhyde ou cétone dans sa structure. Le nombre d atomes de carbone : 3C (triose) ; 6C (hexose) la nature de la fonction : Aldéhyde (CHO) Aldose ; Cétone (CO) Cétose La combinaison de ces 2 critères caractérise l ose : Aldopentose (aldéhyde à 5C), Aldohexose (aldéhyde à 6C), Cétopentose (Cétone à 5C), Cétohexose (Cétone à 6C Tous possédant des fonction alcool OH qui leur confèrent une solubilité dans l eau 3
Classification des glucides selon leur structure GLUCIDES Oses (monosaccharides, glucides simples) (n = Unité de base d ose) (ex: glucose, fructose, ribose) Osides (polysaccharides, glucides complexes) Oligosaccharides (Plusieurs oses enchainés n < 10) ex: les disaccharides (2 unités de base comme maltose, lactose, saccharose) Polysaccharides : enchainement d un nombre important d oses, n>10 [rôle de stockage (amidon, glycogène) ou structural (cellulose, chitine)] Glycoconjugués : Structures glucidiques complexes composés de glucides liés à une protéine (glycoprotéines) ou un lipide (glycolipides) ou un peptide (peptidoglycanes, les protéoglycanes). Oses simples et diholosides ou disaccharides essentiels 4
Les principaux oses simples essentiels pour l homme 1 Le glucose: ose simple de référence (aldohexose) Ose majeur dans tous les métabolismes glucidiques fondamentaux (néoglucogénèse, glycolyse...) Le taux normal de glucose dans le sang ou glycémie est compris entre 0,7 et 1,1 g/l soit 1 g/l correspondant à 5,5mM Si > 1,2 g/l alors diabète Excès de Glucose dans le sang mesure de la glycémie à jeun glycosurie (glucose dans les urines) si glycémie > [1,8g/L] Diabète de type 1 (DID) juvénile maladie autoimmune : destruction des cellules (ilôts ) productrices d insuline. Diabète de type 2 (DNID) après 50 ans absence de réponse des tissus périphériques à l insuline. AGE dans le plasma : Modification de l hémoglobine circulant par glycosylation anormale du à un excès de glucose dans le sang des diabétiques ex Hémoglobine glyquée Son dosage est le reflet de la glycémie chez le diabétique (DID) et de la clairance rénale (insuffisance rénale) Les principaux oses simples essentiels pour l homme (suite) 2 Fructose (cétohexose) Structure proche du glucose,, retrouvé dans les fruits, le miel, les sécrétions séminales Ose aussi fondamental que le glucose entre dans tous les métabolismes glucidiques de l organisme Fructose cyclisé forme active 3 Ribose (aldopentose, aldéhyde à 5C) Ose très important car il entre dans la composition des acides nucléiques (ADN, ARN), Mais aussi dans la structure des coenzymes activateurs d enzymes essentiels aux métabolismes de l organisme Et dans la structure des nucléotides tels que NAD, NADP, FAD, tout aussi essentiels aux réactions enzymatiques de notre organisme Ribose cyclisé forme active 5
Les différentes formes d isomérie, propriétés physiques des oses simples Fonction alcool secondaire Isomérie de fonction : aldéhyde ou cétone Fonction aldéhyde Fonction alcool primaire Isomérie optique : propriétés physiques de déviation d un faisceau lumineux Fonction cétone Isomères «conformationnels» : forme de la molécule de glucides cyclisés (formes bateau ou chaise) Glucose Aldose Fructose cétose L isomérie n a aucune influence sur la fonction Principaux diholosides ou disaccharides utiles à l homme Le maltose Formé par l union de 2 molécules de glucose. Produit d hydrolyse obtenu par digestion des polysaccharides (amidon et glycogène) par les amylases. Le saccharose Le saccharose est extrait de la canne à sucre et de la betterave. Il est cristallisable et soluble dans l eau. C est le sucre de table. Le lactose Il est présent dans le lait de tous les mammifères. Rôle Des disaccharidases intestinales Véritables scapels spécifiques des dissacharides (maltases, saccharases, lactases) Sont localisées à la surface externe des cellules épithéliales de l intestin grêle Elles participent à la digestion et l absorption des nutriments Intolérance au lactose Signes: vomissements, diarrhées/constipation, douleurs abdominales Arrêt au changement d alimentation Les disaccharides comme le lactose ne peuvent entrer directement dans les cellules : nécessité d une disaccharidase intestinale pour hydrolyser, au préalable le lactose en galactose + glucose. Dans l intolérance au lactose, disparition de l activité lactase des cellules intestinales. 6
Propriétés utiles des mono et disaccharides 1 Le pouvoir sucrant c est à dire le goût sucré Le glucide de référence est le saccharose ou sucre de table Les édulcorants non nutritifs ou sucres de synthèse ont un pouvoir sucrant très élevé sans valeur calorique Le sorbitol a un pouvoir sucrant faible qui influence peu la glycémie et possède des propriétés laxatives Propriétés utiles des mono et disaccharides 2 L hydrosolubilité La facilité de dissolution des sucres (mono ou disaccharides) dans l eau est dû à leur fonction alcool (OH) dans leur structure 3 Facilement oxydés car réducteurs Cette propriété permet : L élimination des sels biliaires au niveau hépatique par la glucuronoconjugaison : Les sels biliaires se lient à l acide glucuronique (glucose oxydé) ce qui augmentent leur solubilité pour une meilleure élimination dans la bile (bilirubine conjuguée) Idem au niveau rénal Les oses oxydés entre dans la composition de la vitamine C (carence nommée scorbut), du collagène, de certains stéroïdes (hormones) 7
Propriétés utiles des mono et disaccharides 4 Peuvent être réduits donc oxydants aussi Formation de sucres alcools ou polyols Glucose Glucitol (ou Sorbitol) Le glucose réduit en son dérivé alcool le glucitol ou sorbitol; très soluble, faible pouvoir sucrant (édulcorant), non métabolisé (IG faible), laxatif Galactose Galactitol (ou Dulcitol) Si déficit en enzymes du métabolisme de galactose (maladie génétique rare la galactosémie congénitale) accumulation anormale de galacticol avec dépôt au niveau de l œil, cataractes et cécité Si non traitée évolution rapide vers la défaillance hépatocellulaire et rénale avec septicémie. Nécessité d un diagnostic rapide et instauration immédiate d une alimentation pauvre en lactose et galactose Mannose Mannitol Edulcorant, additif alimentaire (E421), diurétique, utilisé en soluté car hypertoniques dans pression intracranienne (voie intra veineuse), dans insuffisance rénale oligurique Propriétés utiles des mono et disaccharides 5 Les desoxyoses comme le desoxyribose (Ribose) Entre dans la composition des acides nucléiques (ADN, ARN) des molécules énergétiques de l organisme ou nucléotides (ATP, ADP), des coenzymes (FAD, NAD) permettant le fonctionnement de certains enzymes de métabolismes essentiels de l organisme 6 Les oses phosphorylés (glucose, fructose et mannose) Sont la seule forme active des oses. Pour être efficaces et entrer dans les métabolismes glucidiques (néoglycogénèse, glycolyse, glycogénolyse ) nécessité d être phosphorylés Ex: Glucose 6 phosphate, mannose 6 phosphate, fructose 6 phosphate 8
Un polysaccharide essentiel, l amidon L amidon, un polysaccharide essentiel Représente la moitié des glucides apportés l alimentation chez l homme. Structure compacte en hélice constituée d un enchainement d unité maltose (disaccharide = glucose+glucose) par maltase Dégradation digestive par des enzymes spécialisées: les amylases ( 1 4 glucosidase), surtout pancréatiques très actives plutôt que salivaires, inactivées par le ph de l estomac l enzyme débranchant ( 1 6 glucosidase), présent dans la bordure en brosse de l intestin La maltase intestinale (disaccharidase) dégrade le maltose 9
Sucres et Diététique Qu elle est l incidence physiopathologique de ces différentes structures osidiques? La notion de sucres lents et sucres rapides Définition ancestrale de sucre Sucres simples (monosaccharides) Sucres complexes (polysaccharides) rapides? Lents? ex: glucose, fructose ex: comme l amidon La structure des sucres est essentielle mais pas suffisante pour les classifier comme lents ou rapides 10
DEFINITION Sucres lents et sucres rapides Notion d Index glycémique (IG) Capacité d'un glucide donné à élever la glycémie après le repas par rapport à un standard de référence qui est le glucose pur (IG=100) Sucres rapides IG > 70 Sucre lents IG < 70 Sucres Exemple d IG de sucres simples (mono ou disaccharides) IG Glucose 100 Lactose 40 Saccharose (sucre blanc) 70 Disaccharides Fructose 20 Monosccharides Glucose Fructose Saccharose= Glucose + Fructose Glucose Fructose Lactose = Galactose + Glucose 11
Notion de l existence des amidons: rapport amylose/amylopectine (amidon partiellement digéré) Amylose :structure linéaire Amylopectine: structure ramifiée de l amylose Rapport amylose/amylopectine essentiel pour la rapidité de digestion des féculents Les sucres complexes dit lents mais pas toujours lents Sucres complexes (poylsaccharides) IG Pain blanc 90 Pain complet 65 Pommes de terre purée/four 85/90 Pommes de terre/eau 65 Riz blanc standard 70 Riz Basmati long 50 Pâtes complètes (blé entier) 50 Spaghettis bien cuits 55 Spaghettis al dente 40 IG dépend du rapport amylose/amylopectine, du temps et du mode de cuisson des aliments 12
Sucres et alimentation allégée Oligosaccharides ou Oligosaccharines Production: Les Oligosaccharides sont produits par tonne industriellement à partir de l amidon ou du saccharose ou du lactose, ex: FOS ou fructo oligo S et sont utilisés comme fibres alimentaires dans de nombreux produits (yaourts, céréales ) Propriétés : non hydrolysés, pas métabolisés, pas d absorption intestinale Améliore le transit intestinale (fibres alimentaires) Substrats de la flore intestinale saprophyte Les FOS sont utilisées par la flore intestinale pour sa croissance naturelle, donc stimule les défenses immunes intestinales naturelles (ex: yaourt au bifidus actif) Autres polysaccharides importants 13
Réserve dans le règne animal : Structure proche de l'amidon (enchaînement de glucose mais plus de ramifications) Poids moléculaire très élevé Foie : 10 % à 12 % du poids frais Muscles : 50 % du glycogène total Pas de glycogène dans le plasma Le glycogène Dégradation cellulaire dans le foie et le muscle glycogène par glycogénolyse régulée en permanence (hormones) Réserves faibles sur le plan énergétique : Régulation de la glycémie Approvisionnement des tissus Les alginates nocifs dans la mucoviscidose 14
Les alginates utiles Exemple de polysaccharides de synthèse utilisés en pharmacologie les cyclodextrines Complexation des principes actifs pour mieux contrôler leur passage dans le circuit sanguin ou la progressivité de leur diffusion Les alginates utiles suite Polysaccharides formant des gels durs utilisés comme aditifs alimentaires, épaississants, gélifiants (desserts lactés, jambon, panés) Utilisés en cosmétique, dans les peintures, encres, moulage Encapsulation de médicaments, enzymes, cellules 15
Les glucides complexes ou les glycoconjugués Les glycoprotéines Glucide + Protéine 1 % 70 % Liaison covalente : glycosylation (eucaryotes) Principales glycoprotéines Protéines de sécrétion (enzymes, hormones, anticorps) Protéines situées à la surface dans la membrane plasmique (récepteurs) Protéines plasmatiques Rôle de la glycosylation Maturation Solubilisation, protection contre protéolyse Diversité de structure, spécificité structurale, reconnaissance (Ag de surface) MBL Communication intercellulaire, cellule/hormone, cellule /virus HIV 16
Différents types de glycosylation dans différents compartiments subcellulaires Conséquences physiologiques et physiopathologiques de la glycosylation des protéines 17
Collectines ou M B L ou antigène de nature glucidique Circulation sanguine Structure oligomérique Propriétés spécificité de reconnaissance large (Mannose > NacGlc > maltose > Glucose > Galactose) grande avidité Fonction Récepteur anticorps universel (opsonine) surface des phagocytes Les glycoprotéines d enveloppe du VIH Structure glycane 50 % Un précurseur gp 120 Liaison sur la cellule hôte (tropisme) gp 41 Fusion membranaire Interaction Récepteur VIH Lymphocytes T gp 120 CD4 glycoprotéine de surface VIH Cerveau gp 120 Galactosyl céramide glycolipide de surface 18
Fusion et entrée du VIH HIV Lymphocyte T CD4+ Structure glucidique Trafic intracellulaire ou l étiquette mannose -6-phosphate Mannose 6 phosphate protéine Les enzymes dépourvus de l étiquette mannose-6p ne sont pas canalisés vers le lysosome 19
Enzymopathies Défaut d adressage des enzymes lysosomiaux La mucopolisaccharidose de type II, maladie génétique de transmission autosomique récessive Dû à un déficit en transferase permettant la synthèse de l étiquette mannose 6 phosphate Défaut d adressage d enzymes lysosomales Clinique grave, surdité, retard psychomoteur, hirsutisme, limitation articulaire, décès dans l enfance par complication cardiorespiratoires Traitement symptomatique; ex biphosphonates pour atteinte osseuse, greffe de moelle osseuse Enzymopathies Défaut de synthèse des sucres Carbonhydrate Deficiency Glycoprotéin Syndrome (CDGS ) Groupe de maladies innées touchant la synthèse des glycoprotéines par défaut de glycosylation Tableau clinique variable et hétérogène, retard psychomoteur quasi constant, anomalies lipo cutanées, squelettiques, troubles de la coagulation, cytolyse et fibrose hépatiques Traitements difficiles le plus souvent Modification des sucres de surface : troubles de la glycosylation dans les cancers Altérations des cellules cancéreuses; paramètres de croissance modifiées d où agressivité accrue, dûes à des modifications de la glycosylation des glycoconjugués protéiques et/ou lipidiques Biosynthèse d antigènes glucidiques associés aux tumeurs ( le sialyl Lewis) qui accroissent le potentiel métastasique des cellules cancéreuses 20
Groupes sanguins spécificité apportés par les oses Céramide Sphingosine Acide gras Glc Gal GalNAc Gal Groupe O Fuc Glc Gal GalNAc Gal GalNAc Antigène A A Fuc Glc Gal GalNAc Gal Gal Antigène B B Fuc Les glucides ultra-complexes PROTEOGLYCANES PEPTIDOGLYCANES 21
La matrice extracellulaire (MEC) Réseau de protéines fibreuses (collagènes) dans un gel polysaccharidique hydraté (glycosaminoglucanes ou GAG) Molécules synthétisées par les cellules qui baignent dans la MEC (fibroblastes, chondroblastes, macrophages, mastocytes ) Charpente et colle biologique des tissus Favorise la diffusion des métabolites, hormones, nutriments Favorise le fonctionnement, la mobilisation des cellules de la MEC Les cellules, les GAG associées à des protéines, les collagènes, l élastine constituent le tissu conjonctif (peau, os, cerveau) Le prototype des GAG, l acide hyaluronique 22
L aggrécane, constituant principal du cartilage Les peptidoglycanes de la paroi bactérienne 23
Les pénicillines inhibent la synthèse du peptidoglycane Résistance à la pénicilline Mentions légales L'ensemble de ce document relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur et la propriété intellectuelle. Tous les droits de reproduction de tout ou partie sont réservés pour les textes ainsi que pour l'ensemble des documents iconographiques, photographiques, vidéos et sonores. Ce document est interdit à la vente ou à la location. Sa diffusion, duplication, mise à disposition du public (sous quelque forme ou support que ce soit), mise en réseau, partielles ou totales, sont strictement réservées aux Instituts de Formation en Soins Infirmiers de la région Rhône-Alpes. L'utilisation de ce document est strictement réservée à l'usage privé des étudiants inscrits dans les Instituts de Formation en Soins Infirmiers de la région Rhône-Alpes, et non destinée à une utilisation collective, gratuite ou payante. Institut de Formation en Soins Infirmiers 1 ère Année Année universitaire 2014-2015 24