UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE HOUARI BOUMEDIENE (USTHB) FACULTE DES SCIENCES BIOLOGIQUES (FSB)
DEUXIEME ANNEE SCIENCES DE LA NATURE ET DE LA VIE (SNV) (LMD)
BIOCHIMIE
Résumé et Illustration du cours Premier fascicule:
Structure des glucides
2011 -2012
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2011-2012
A.M.L
SOMMAIRE
I) Introduction 1) Définition a)Origine b) Appellation c) Importance biologique 2) Classification
II) Les oses simples 1) Nomenclature 2) Filiation des oses: synthèse de KILANI-FISCHER 3) Propriétés physiques des oses 4) Propriétés chimiques des oses a) Oxydation et réduction des oses b) Formation de hémiacétals c) Réaction avec la phénylhydrazine d) Formation des dérivés furfuraliques 5) Anomalies réactionnelles de la forme linéaire 6) Cyclisation des oses (Tollens, Haworth) 7) Principaux oses et dérivés 2
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A.M.L I) Introduction 1)Définition Les glucides sont les biomolécules les plus abondantes sur la terre.Ce sont des composés organiques renfermant des fonctions carbonylées( pseudoaldéhydiques ou pseudocétoniques) et des fonctions alcool. . a)Origine P h o t os y n t h é s e Chez les végétaux: A partir de co2 et de l'eau Glucose. Le glucose est la molécule précurseur des autres biomolécules, il est stocké sous forme d'amidon ou cellulose Chez les animaux: La majeure partie des glucides provient de l'alimentation.Néanmoins les glucides peuvent être synthétisés à partir de molécules non glucidiques(Néoglucogenèse) b )Appellation Ils tirent leur nom '' glucides " du glucose.Les glucides sont aussi appelés hydrates de carbone par les diététiciens et carbohydrates par les anglo-américains. c) Importance biologique Les glucides possèdent des rôles multiples: Au niveau extracellulaire(: structural) ils se trouvent sous forme de fibres ou de gels, ils participent comme éléments de soutien ou de protection. Exemples: Cellulose dans la paroi des végétaux. La chitine des exosquelettes des insectes, crustacés et arthropodes. La muréine de la paroi bactérienne. Les glycosaminoglycanes du cartilage et tendons Au niveau intracellulaire:(Energétique et Constituants métaboliques) ● Energétique: l'oxydation des glucides est l' une des voies essentielles de production d'énergie .L'amidon chez les végétaux et glycogène chez les animaux. ● Constituants métaboliques:Ils sont transformés en d'autres molécules d'intérêt biologique, glucidiques ou non.(nucléosides, cœnzymes) Au niveau intercellulaire: (Fonctionnel) Les glucides liés à des protéines ou des lipides membranaires sont impliqués dans le processus de communication cellulaire 2) Classification non hydrolysables = oses GLUCIDES
holosides= condensation d'un ou 3
plusieurs oses hydrolysables =
osides hétérosides =holoside ou ose +aglycone
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A.M.L II) Les oses 1) Nomenclature Substances non hydrolysables caractérisées par l'existence: -d'une fonction réductrice= pseudoaldéhydique pour les aldoses ou pseudocétonique pour les cétoses. -n fonctions alcools (primaires ou secondaires) 3 <nombre de carbone<7 Les oses sont classés selon le nombre de leur atomes de carbone et la nature du groupement carbonyle Exemples aldose cétose
3c =triose aldotriose cétotriose
4c =tétrose aldotétrose cétotetrose
5c = pentose aldopentose cétopentose
6c =hexose aldohexose cétohexose
Structure linéaire des oses: Présence de carbones substitués asymétriquement(C*). Stéréoisomérie. ●Notions d'isomérie Pour ceux qui se mélangent les crayons,les pédales,voire les pinceaux dans cette histoire d'isomérie j'ose faire (encore) un petit rappel: isomérie de constitution (même formule brute mais formules développées différentes)
isomérie de chaîne (Chaînes carbonées différentes)
isomérie de position (même chaîne carbonée même groupement fonctionnel mais en positions différentes)
isomérie de fonction (même chaîne carbonée mais groupements fonctionnels différents) Stéréoisomérie(même formule brute, même formule développée) mais structures spatiales différentes
Stéréoisomèrie de conformation interconversion sans rupture de liaison chimique
Stéréoisomérie de configuration interconversion avec rupture de liaison chimique
diastéreoisomère
enantiomère 4
( les 2molécules ne sont pas images en miroir l'une de l'autre)
( 'les 2 molécules sont images en miroir l'une de l'autre: elles différent par la configuration de tous les C asymétriques)
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A.M.L Représentations des oses: Enantionmères Enantionmorphes CHO
OH
CHO
C
C H
HOH2C
CHO
H
CHO
C
OH CH2OH
OH
H CH2OH
H C
HOH2C
OH
Antipodes optiques Projection de Fischer : on fait passer le plan de projection par le C*: CHO
CHO
CH2OH
CHO
H —C—OH
OH —C— H
CH2OH
CH2OH
CHO
CH2OH
Convention de Fischer: position du — OH du Cn-1 — OH à droite SERIE D
— OH à gauche SERIE L
●Série naturelle des oses : série D ● Les atomes de carbone sont numérotés d'une extrémité è l'autre de la chaîne dans le sens qui donne le nombre le plus faible à l'atome dont le degré d'oxydation et le plus élevé (fonction carbonyle). ● Deux énantiomères ont mêmes propriétés physiques et chimiques mais différent par leur activité optique (par leur action sur la lumière polarisée). - L'un dévie le plan de polarisation à droite : il est dextrogyre, noté (+). - L'autre le dévie à gauche : il est lévogyre, noté (-). ● L'appartenance d'un ose à la série D(ou L) ne préjuge pas de son pouvoir rotatoire qui peut être(+)ou(-). Mesure de l'activité optique (pouvoir rotatoire) La mesure de l'activité optique s'effectue habituellement à 20 °C,avec la longueur d'onde 589nm . Si l'on appelle [α] l'angle dont est dévié le plan de la lumière polarisée par une substance en solution, traversée sur une longueur l(dm), contenant une substance dont la concentration est c(g. ml-1), on a: [α]= [α]20°c
.c . l
(relation de Biot)
589nm
[α]20°c
: est le pouvoir rotatoire spécifique de la substance,à 20°c (589nm)
589nm
Si [α]20°c > 0 Substance dextrogyre
Si [α]20°c < 0 Substance lévogyre. 5
589nm
589nm
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A.M.L 2) Filiation des oses a) Cas des aldoses A partir du D-glycéraldéhyde qui est le premier élément de la série des aldoses, il est possible de synthétiser par voie chimique, les aldotétroses: c'est la synthèse de KILIANI-FISCHER appelée aussi synthèse cyanhydrique. Principe de la réaction: C≡N CONH2 COOH CHO CHO * CHOH * CHOH * CHOH * CHOH H - C-OH +H - C ≡ N ——→ H - C-OH ——→ H - C-OH ——→H -C-OH ——→H -C-OH CH2OH Acide CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-glycéraldéhyde cyanhydrique cyanhydrine Amide Acide Aldose (n+1) C 3C Aldonique 4C Le OH porté par le C2 de l' aldotétrose peut s'écrire à droite ou à gauche (2 possibilités d'écriture) Remarque:On voit que: L'élongation d'un carbone se fait par l'extrémité –CHO Cette élongation fait apparaître un nouveau C* asymétrique Cette synthèse chimique donnera naissance à deux isomères (Epimères enC2 ) Les aldoses ainsi formés appartiennent à la même série
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( Planche01) Filiation des oses de la série D. a) Filiation des D Aldoses.
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CHO
CH2OH D (+) Glycéraldéhyde 1 D-Aldotriose Synthèse de KILIANI-FISCHER CHO
2 D-Aldotétroses Epiméres en C2
CH2OH D (-) Thréose (Trans)
CH2OH D (-) Erythrose (Cis)
4 D-Aldopentoses CHO CHO
CHO Epiméres en C2 CH2OH D(-)Lyxose
CHO
CHO
CHO
Epiméres en C2 CH2OH D(+)Xylose
CHO
CHO
CH2OH CH2OH
CHO
CH2OH CH2OH
CH2OH D(-) Arabinose
CHO
CHO
CH2OH CH2OH
CH2OH D(-) Ribose
CHO
CHO
CH2OH
CH2OH
D(+)Talose
Epimére du glucose en
C4
C2
7
D(+)Galactose D(-) Idose
D(-) Gulose
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D
-
A l d o h e x o s e s
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A.M.L Définition 2 oses sont épimères lorsqu'ils ne diffèrent que par la position. De l'OH porté par un carbone asymétrique (Dans ce cas on doit préciser de quel C* il s'agit) NB:La famille du L-glycéraldéhyde compte les même aldoses mais tous sont en configuration L
b)Cas des cétoses Les possibilités de filiation sont les mêmes mais le nombre d'isomères est plus faible que celui des cétoses correspondants. La steréoisomérie se manifeste à partir des cétotétroses. Le groupement carbonyl est porté par le carbone 2 pour les cétoses. Nomenclature : addition du suffixe ulose (ribose → ribulose) sauf glucose→ fructose La série est donnée par le carbone préterminal Cn-1 (le OH de ol secondaire le plus éloigné du C=O)
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A.M.L planche 02 Filiation des oses de la série D. (suite) b) Filiation des D - Cétoses. CH2OH
=0 CH2OH Dihydroxyacétone (D H A)
Pas de carbone C*
CH2OH
=0
1 seul cétotriose appartenant à la série naturelle D
CH2OH D(-) Erythrulose
CH2OH
CH2OH
=0
=0 2
CH2OH D (-) Xylulose
D-Cétopentoses
CH2OH D (-) Ribulose
CH2OH
CH2OH
CH2OH
=0
=0
=0
CH2OH
=0 4 D-Cétohexoses
CH2OH D (-) Tagatose
CH2OH D (+) Sorbose
CH2OH
CH2 OH
D (-) Fructose 9
D (+)Psicose
4
D-Cé t o h e x o s e s
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A.M.L c/ L'oxydation peut porter sur les 02 fonctions (ol 1aire et fonction réductrice) Cette oxydation est appelée aussi oxydation poussée. L'acide HNO3 (nitrique) à chaud oxydent les 02 fonctions terminales des aldoses (CHO et CH2OH) formant un acide 1-6 dicarboxylique appelé acides aldariques ou glycariques. Exemples CHO
COOH
CHO
HNO3
HNO3
CH2OH D glucose
COOH Acide D gluconique Acide D saccharique
CHO
COOH
CH2OH D mannose
COOH Acide D mannarique
On remarque: que l'acide mucique est optiquement inactif à la lumière polarisée parce qu'il présente un plan de Symétrie.
HNO3
CH2OH D galactose
COOH
COOH Acide D galactarique ou Acide mucique
Remarques importantes: ● L'oxydation poussée par HNO3 des cétoses est complexe, elle provoque une rupture de la chaîne carbonée et formation d'acide oxalique. ● Le L gulose donne le même acide aldarique que celui obtenu à partir de l'oxydation par HNO3 du D glucose (Acide glucarique) avec rotation de 180°, c à d la configuration du C2, C3 devient celle du C4 C5 et inversement. ● Quelques diacides présentent un plan de symétrie donc ils sont optiquement inactifs à la lumière polarisée (A. mucique, ribarique, xylarique allarique) d/ Oxydation par l'acide périodique ou (périodate: HIO4) HIO4 coupe les liaisons C — C vicinaux, voisins portant des OH libres. HIO4 exerce une action fort intéressante, c'est un outil remarquable aussi bien au plan analytique que pour l'étude des structures des glucides (pour la détermination nature du cycle et la liaison osidique) Ceci en tenant compte du nombre de moles HIO4 consommées et le nombre de moles d'acide formique (HCOOH) ou d'aldéhyde formique (méthanal HCHO) produites 10
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A.M.L Exemples: CH2OH CHOH
HCHO (Aldehyde formique) + CHO
R
R
1 mole HIO4
CH2OH 2 moles HIO4 CHOH CHOH
HCHO + HCOOH (acide formique) + R-CHO
On constante que: Après 02 coupures successives par le HIO4 —→ formation de HCOOH
R B- Rédaction des oses NaBH4, LiBH4 ou hydrogène pression en présence de Nickel (amalgame de sodium) ou par réduction enzymatique à l'aide de la sorbitol d'Hase. Transforme les aldoses en polyol. 1) cas des aldoses CHO
CH2OH
CHO
NaBH4
CH2OH D Erythrose CHO
CH2OH NaBH4
CH2OH Erythritol
CH2OH D glucose
CH2OH D glucitol ou D sorbitol
CH2OH NaBH4
CH2OH D mannose
CH2OH D mannitol
Remarque: Plusieurs polyols font l'objet d'applications en thérapeutiques ou en exploration fonctionnelle (sorbitol, mannitol) L'erythritol se trouve chez les plantes inférieures: algues, champignons et lichens. 11
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A.M.L 2) Cas des cétoses La réduction d'1 cétose par NaBH4 donne 2 polyols épimères en C2. Prenons le cas d'1 cétose. CH2OH =O
CH2OH
CH2OH peut s'écrire de 2 façons
CH2OH D sorbitol
NaBH4
2 polyols épimères en C2 CH2OH CH2OH D fructose
CH2OH
CH2OH D mannitol Remarque importante: Le D sorbitol peut être obtenu par la réduction du L gulose, L sorbose, D glucose et D fructose. La réduction enzymatique à l'aide de la sorbitol d'Hase donne 100% de sorbitol. Ces enzymes agissent preferentiellement dans le sens inverse: polyol→ cétose. D- Interconversion de Lobry de Bruyn. En milieu basique, on observe une interconversion passible des cétoses en aldoses, cela explique qu'en milieu alcalin avec les réactifs de type Tollens ou Fehling, les cétoses peuvent être réducteurs en se transformeront en aldoses. CHO │ CH2OH CHOH H−C−OH │ ║ │ (D glucose) C=O C − OH R │ │ R R CHO Cétose Ene Diol │ D Fructose Instable HO − C− H Très réductrice │ R D mannose épimères en C2 Ces formes "Ene Diol" encore appelées réductones prennent naissance lors de la stérilisation des milieux de culture glucosés pour les bactéries anaérobies. Rappel: La liqueur de Fehling (bleue) en présence d'un aldéhyde donne un précipité rouge brique d'oxyde cuivreux (CU2O). R−CHO+ Cu (OH) 2+OH -→ R−COO - + Cu2O + 2H2O 12
Ou: R−CHO + 4 OH - +2 Cu2+
———→ R−COOH+ Cu2O +2H2O (Couleur rouge brique)
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A.M.L Donc: Les oses réduisent la liqueur la liqueur de Fehling avec précipitation d'oxyde cuivreux Cu2+ →Cu+ (rouge brique) Par contre, le nitrate d'argent ammoniacal (Réactif de Tollens) est réduit en argent métallique qui précipite et forme ce qu'on appel "miroir d'argent". R−CHO + 2 [Ag (NH3)2 OH -] OH - → R−COONH3 + 2Ag + 3NH3 R−CHO + 2 [Ag (NH3)2]+3 OH -
———→
R−COO - + 2Ag + 4NH3 +H2O (Miroir d'argent)
E- Formation d'osazones La phénylhydrazine C6 H5 – NH – NH2 fut pendant long temps l'un des réactifs les plus précieux pour identifier les sucres réducteur. Il existe 02 possibilités de réaction. A froid: La fonction aldéhydique ou cétonique de l'ose. Se combine à 1 molécule de phénylhydrazine pour former une phénylhydrazone avec élimination d'1 molécule d'H2O CHO
H – C=N – NH-C6 H5 H2O +
H2 N - NH - C6H5 1er molécule de phénylhydrazine
CH2OH D glucose
CH2OH phénylhydrazone
A chaud: en milieu acétique et en présence d'un excès de phénylhydrazine, 2 autres molécules du réactif vont réagir (en tout 3) H-C=O H2O +
H2 N - NH - C6H5 1ère molécule de phénylhydrazine
CH2OH
H – C=N – NH-C6 H5 H OH
+2éme mol H2 N - NH - C6H5 de phénylhydrazine CH2OH phénylhydrazone
NH-C6 H5 N H-C1
H
C2
N
H – C=N – NH-C6 H5 C=O + NH3 (Ammoniac) + H2 N - C6 H5 CH2OH (aniline) Imiacétone
Cyclisation H –C=N – NH-C6 H5 pour │ C=N – NH-C6 H5 bloquer 13
+ H2 N - NH - C6H5 3éme mol de phénylhydrazine
N CH2OH
C6 H 5
les OH Libres
Forme stable
H2O CH2OH Osazone
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A.M.L La réaction s'arrête à ce stade par suite d'une cyclisation de l'osazone ayant pour effet de bloquer l'hydroxyle libre voisin. Cas des cétoses A chaud: la 1ére molécule se fixe sur le C déjà prête (préparée) ║ O O la 2éme molécule transforme CH2OH en C H O la 3éme molécule se fixe sur le C (comme aldoses) H Remarques importantes: ● Les osazones sont des composés colorés en Jaune cristallisant de façon caractéristique lors de leur formation leurs propriété physiques (forme, solubilités, point de fusion pouvoir rotatoire) permettent leurs identification (détermination de la nature de l'ose à partir de pt de fusion Ex: Glucosazone 230°C a 2322° Galactosazone 214°C Arabinozazone 143°C Xylosazone 166°C ● Il est impossible d'en régénérer l'ose (pas d'étude quantitative). ● On constate que la formation d'osazones nécessitent 3mol de phenyl hydrazine, dont 2seulement se fixent. ● La formation d'une osazone met en jeu les gpt fonct du C1 et C2 de la chaîne de l'ose. Par conséquent 2 oses épimères en C2 et le cétose correspondant donnent la même osazone. Glucosazone ≡ Mannosuzone ≡ Fructosazone. F/. Formation de dérivés furfuraliques. Hcl, HBr, H2SO4, c a d les acide forts suffisamment concentrés et à chaud, sont capables de déshydrater les oses en donnant nanan ce à des composés hétérocycliques dérives du furane. Les pentoses conduisent au furfural et les hexoses à l'hydroxyméthyl furfural HO-C4
C3-OH H
H
HC
CH
Acide fort a'chaud
H-C5-H
C2
H C1HO
3H2O
CH
C-CHO O
OH OH Pentose
Furfural 14
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A.M.L H HO-C4
H C3-OH
H
H
C
C
Acide fort a'chaud 3H2O H
C5
C2
H
HOH2 C6
HOH2C6-C5
C - CHO
C1HO OH
OH
O
Hexose
Hydroxymethyl furfural
Remarque : Le furfural et ses dérivés peuvent se condenser avec les phénols (résorcinol, orcinol,α naphtol ) pour former des dérivés colorés intéressants pour l'analyse ou le dosage des oses. ( test de Molish génèral pour les glucides , de Bial (pentoses) et seliwanoff( cétoses) Les dérivés furfuraliques sont aussi exploités dans le contrôle de qualité en confiserie
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Rappel structures cyclique. La structure linéaire étudiée jusqu’à maintenant n’expliquant pas ou ne répondent pas à certains propriétés chimiques (caractéristiques des aldéhydes). 1- Les aldoses ne donnent pas la réaction de Schiff réaction caractéristique du gpt aldéhydique. R-CHO + NaHSO3
R-CHOH-SO3Na .
2-les aldoses réagissent difficilement avec HCN par contre les aldéhydes vrais réagissent rapidement et facilement 3-Le glucose ne réagit pas avec l’oxygène par contre les aldéhydes vrais donnent facilement les acides correspondantes, dans les même conditions. 4- les fonctions aldéhydiques des oses ne permettent pas la formation d’acétals, mais seulement d’hémi acétal
R-C
OH H OH
2R'OH R-C
OR' H OR'
R-C
OR' H OH
Acétal
2H2O Aldéhyde vrai 2/5 forme hydratée
R-C
OH H OH
R'OH
ou
R-C
OH H OR'
H2O Aldose (pseudo aldéhydique) hydratée Si on prend le cas du glucose qui est un aldohexose par action de CH3OH on constate qu’on obtient 2 types de méthylglucosides (selon le OH qui réagit avec CH3OH) Fischer a pu séparer les 2 composés et leur a donné l’appellation : 16
α methyl D glucoside :[ α] 20 ºc = +159º D
β methyl D glucoside :[ α] 20 ºc = -34º D
Par hydrolyse ; en milieu acide ; ces 2 méthyls D glucosides régénèrent le D glucose. Ceci prouve qu’il existe un centre de symétrie supplémentaire au niveau du gpt carbonyl ( la forme linéaire ne peut pas expliquer ce phénomène.
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