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C - Avant-propos - La biochimie constitue une des disciplines fondamentales de la biologie. Son enseignement trouve son importance à plusieurs niveaux dont la connaissance des principales structures chimiques rencontrées dans les organismes vivants, les caractéristiques particulières de ces structures qui se distinguent de celles du monde minéral ou organique inanimé, et qui trouvent leurs applications dans de très nombreux domaines, en particulier ceux de la santé, de l agroalimentaire... La biochimie est ainsi l étude des structures et du fonctionnement chimique des êtres vivants qui en a révélé la profonde unité d organisation. Le but de ce cours de biochimie structurale est de présenter les structures biochimiques essentielles c est à dire, précisément, celles qui sont communes à tous les organismes, toutes les cellules. L analyse élémentaire de ces structures chimiques révèle la présence de mêmes éléments en proportions comparables, chez tous les organismes. Le carbone, l oxygène, l hydrogène, l azote, le soufre, le phosphore, le chlore, le calcium, le potassium, le sodium représentent environ 99% des organismes. D autres éléments sont présents seulement à l état de traces : métalloïdes F, Br, I, et métaux Fe, Mg, Mn, Zn, Cu, Ce sont les oligoéléments. Leur présence en quantités faibles et variables est constante. Il s agit d éléments qui jouent des rôles spécifiques dans la cellule, en particulier au niveau de nombreuses réactions enzymatiques (rappelons que les enzymes sont des catalyseurs biologiques, de nature protéique, capables d accélérer les réactions biochimiques dans les organismes vivants dans des conditions de température et de ph compatibles avec leur fonctionnement). Les mêmes classes de composés organiques sont reconnues dans toutes les cellules : protéines, acides nucléiques, lipides, glucides. La dégradation des principales macromolécules (protéines, acides nucléiques, polysaccharides) les montrent constituées d un nombre très restreint de molécules organiques : Protéines acides aminés Acides nucléiques nucléotides (base azotée pentose phosphate) Polysaccharides hexoses et dérivés Cinq bases azotées principales et deux pentoses (ribose et désoxyribose) constituent les acides nucléiques ; vingt acides aminés, les protéines ; quelques hexoses surtout, en particulier glucose et galactose, ainsi que leurs dérivés, les polysaccharides. Ces constituants en nombre limité se retrouvent avec une structure identique, chez tous les organismes. Il faut opposer à cette unité et même cette simplicité de composition, l extrême diversité des macromolécules résultant de l assemblage de ces quelques molécules unitaires de base. Ceci est en particulier le cas, en ce qui concerne les GLUIDES pour les polyosides ou polysaccharides (glucides ou sucres complexes) constitués à partir de la répétition de quelques oses (glucides ou sucres simples) et de leurs dérivés. Institut Supérieur de Biotechnologie de Monastir RM MAAROUFI
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Cours de Biochimie structurale - Glucides II- Les oses. II-4 Diversité des oses. Isomérie. II-4- Diversité des oses, Isomérie : Diversité des oses La diversité des oses provient des différentes configurations absolues des carbones asymétriques a - Configuration absolue et isomérie Tout carbone asymétrique (C*) est définit par sa configuration absolue qui décrit l'arrangement dans l'espace des atomes ou groupes fonctionnels auxquels il est lié (ses substituants). Pour le glycéraldéhyde, deux configurations absolues sont possibles (1C*). On a deux molécules différentes de glycéraldéhyde non superposables l'une à l'autre. Ce sont deux formes stéréoisomères du glycéraldéhyde. Cette stéréoisomérie est appelée énantiomérie. Les deux molécules ont des activités optiques contraires, déviant le plan de polarisation de la lumière d'une même valeur d'angle, mais dans les deux directions opposées. NB : Un mélange équimoléculaire des deux énantiomères d'une même molécule est appelé : mélange racémique (n'a pas d'activité optique). Représentation de FISCHER : NB La configuration de l avant dernier carbone définit l appartenance à la série D ou L - OH à droite série D - OH à gauche série L Représentation de CRAM : Représentation dans l espace des formes D et L du glycéraldéhyde RM Maaroufi - ISBM - Université de Monastir Page - 6 -
Cours de Biochimie structurale - Glucides II- Les oses. II-4 Diversité des oses. Isomérie. Chiralité Exemple du glycéraldéhyde Le carbone 2 est lié à quatre substituants différents : C'est un carbone asymétrique (C*). C est un centre de chiralité = aucun élément de symétrie. La molécule est dite chirale (non superposable à sa propre image dans un miroir). Elle présente une activité optique : une solution de glycéraldéhyde fait "tourner" le plan de polarisation de lumière qui la traverse. b- Pouvoir rotatoire spécifique, Loi de Biot : Toute molécule chirale possède la particularité d être optiquement active ou douée de pouvoir rotatoire : Traversée par un faisceau de lumière polarisée plan, elle provoque la rotation du plan de polarisation de la lumière. L angle a de rotation est donné par la loi de Biot : α = [α] / C [α] est le pouvoir rotatoire spécifique de la substance étudiée, l est la longueur de la cuve polarimétrique et C la concentration de la solution étudiée. Lorsque la rotation est vers la droite le composé est dit dextrogyre et son pouvoir rotatoire est positif Lorsque la rotation est vers la gauche le composé est dit lévogyre et son pouvoir rotatoire est négatif NB : Le pouvoir rotatoire d un mélange de substances est la somme des pouvoirs rotatoires de chaque substance. α = Σ [αi / Ci] c- Isomérie * Chaque carbone asymétrique peut exister sous deux états structuraux distincts (deux configurations absolues), * Le nombre des structures moléculaires possibles avec n carbones asymétriques est égal à 2 n. Ces structures moléculaires sont appelées stéréoisomères On appelle isomères les composés qui ont la même formule brute mais des formules développées différentes. Cas du glycéraldéhyde : n = 1 2 n = 2 RM Maaroufi - ISBM - Université de Monastir Page - 7 -
Cours de Biochimie structurale - Glucides II- Les oses. II-4 Diversité des oses. Isomérie. D-glycéraldéhyde et L-glycéraldéhyde ont la même formule brute C 3H 6O 3 mais des formules développées différentes. Il en est de même du glucose, de formule brute C 6H 12O 6 Le nombre de carbones asymétriques est n = 4 carbones 2, 3, 4 et 5 Dans la nomenclature R/S, le D-(+)-glucose est le 2R,3S,4R,5R - hexose. Il existe donc 2 4 = 16 aldohexoses isomères. NB Isomères = même formule brute Isomères optiques = diffèrent par la configuration de leurs carbones asymétriques Diastéréoisomères = ni superposables, ni images en miroir Epimères = diastéréoisomères ne différant que pour un seul carbone asymétrique Enantiomères = images en miroir NB Le fructose (cétohexose) est un isomère de fonction du glucose. Ce n est pas un isomère optique. Dans la figure précédente, le D-glucose et le L-glucose sont des énantiomères. Ce sont des isomères optiques images en miroir l un de l autre. Tous les carbones asymétriques ont des configurations inverses les unes des autres. NB. Le D-glucose est le glucose naturel. Dans les polymères glucidiques, les monomères osidiques appartiennent, sauf exception, à la série D. RM Maaroufi - ISBM - Université de Monastir Page - 8 -
Cours de Biochimie structurale - Glucides II- Les oses. II-4 Diversité des oses. Isomérie. NB. Rappel : L appartenance à la série D- ou à la série L- pour un ose à n C est définie par la configuration de l avantdernier atome de carbone C n-1. Dans le cas du glucose (n=6) du carbone C 6-1 = C 5. C5 Les 16 aldohexoses isomères sont les suivants : 08 sont de la série D- et les 08 autres sont de la série L-. Les huit D-aldohexoses isomères optiques (série D) NB. Les huit L-aldohexoses (série L) portant les mêmes noms s obtiennent en inversant pour chaque molécule les configurations de tous les carbones asymétriques. RM Maaroufi - ISBM - Université de Monastir Page - 9 -