Les molécules de la vie

Hydrocarbures

Les glucides sont les plus abondants des composés organiques présents dans la nature. Ils constituent une part importante des aliments que nous consommons et nous fournissent l’énergie nécessaire au maintien de la vie. Le sucre de table, le lait, le miel et les fruits contiennent tous des glucides de faible masse moléculaire qui sont facilement assimilés par le corps humain. En revanche, les parois des cellules végétales et le bois contiennent des glucides de masse moléculaire élevée que nous ne pouvons pas digérer.

On pensait autrefois qu’il s’agissait d’hydrates de carbone de formule générale Cn(H2O)m, les glucidesUn aldéhyde polyhydroxylé ou une cétone polyhydroxylé de formule générale Cn(H2O)m. sont en fait des polyhydroxyaldéhydes ou des polyhydroxycétones (c’est-à-dire, aldéhydes ou cétones avec plusieurs groupes -OH attachés à l’hydrocarbure parent). Les glucides les plus simples consistent en des chaînes non ramifiées de trois à huit atomes de carbone : un atome de carbone fait partie d’un groupe carbonyle, et certains ou tous les autres sont liés à des groupes hydroxyle. La structure d’un glucide peut être représentée soit par une chaîne d’hydrocarbures, à l’aide d’une projection de Fischer, soit par un anneau, à l’aide d’une projection de Haworth (Figure 24.21  » Projection de Fischer et projection de Haworth du glucose « ). La projection d’Haworth doit son nom au chimiste britannique Sir Walter Norman Haworth, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 1937 pour avoir découvert que les sucres existent principalement sous leur forme cyclique, ainsi que pour avoir collaboré à la synthèse de la vitamine C. La forme cyclique est le produit de la réaction entre le glucose et l’hydrogène. La forme cyclique est le produit de l’attaque nucléophile par l’oxygène d’un groupe hydroxyle sur le carbone électrophile du groupe carbonyle au sein de la même molécule, produisant une structure cyclique stable composée de cinq ou six carbones qui minimise la contrainte de liaison (Figure 24.21  » Projection de Fischer et projection d’Haworth du glucose « ). Les substituants situés sur le côté droit de la chaîne carbonée dans une projection de Fischer sont en position  » basse  » dans la projection de Haworth correspondante. L’attaque par le groupe hydroxyle de part et d’autre du groupe carbonyle conduit à la formation de deux formes cycliques, appelées anomères : une forme α, avec le -OH en position « basse », et une forme β, avec le -OH en position « haute ».

Les glucides sont classés selon le nombre d’unités saccharides, ou sucres, simples qu’ils contiennent (du latin saccharum, qui signifie « sucre »). Les plus simples sont les monosaccharides ; un disaccharide est constitué de deux unités monosaccharidiques liées ; un trisaccharide a trois unités monosaccharidiques liées ; et ainsi de suite. Le glucose est un monosaccharide et le saccharose (sucre de table courant) est un disaccharide. L’hydrolyse du saccharose produit du glucose et un autre monosaccharide, le fructose, dans une réaction catalysée par une enzyme ou par un acide :

Les polysaccharides s’hydrolysent pour produire plus de 10 unités monosaccharides.

Les monosaccharides communs contiennent plusieurs carbones chiraux et existent sous plusieurs formes isomériques. Un isomère du glucose, par exemple, est le galactose, qui diffère du glucose par la position de la liaison -OH sur le carbone 4 :

Parce que les carbones-2, -3, -4 et -5 du glucose sont chiraux, changer la position du -OH sur le carbone-4 ne produit pas un énantiomère du glucose mais un composé différent, le galactose, avec des propriétés physiques et chimiques distinctes. Le galactose est un produit d’hydrolyse du lactose, un disaccharide présent dans le lait. Les personnes atteintes de galactosémie sont dépourvues de l’enzyme nécessaire pour convertir le galactose en glucose, qui est ensuite métabolisé en CO2 et H2O, libérant ainsi de l’énergie. Le galactose s’accumule dans leur sang et leurs tissus, entraînant un retard mental, des cataractes et une cirrhose du foie.

Parce que les glucides possèdent un groupe fonctionnel carbonyle et plusieurs groupes hydroxyles, ils peuvent subir une variété de réactions biochimiquement importantes. Le groupe carbonyle, par exemple, peut être oxydé pour former un acide carboxylique ou réduit pour former un alcool. Les groupes hydroxyle peuvent subir des réactions de substitution, donnant lieu à des dérivés du composé d’origine. L’un de ces dérivés est le sucralose, un édulcorant artificiel qui est six fois plus sucré que le saccharose ; il est fabriqué en remplaçant deux des groupes hydroxyles du saccharose par du chlore. Les glucides peuvent également éliminer les groupes hydroxyles, produisant des alcènes.

Deux polysaccharides familiers sont l’amidon et la cellulose, qui s’hydrolysent tous deux pour produire des milliers d’unités de glucose. Ils ne diffèrent que par le lien entre les unités de glucose et la quantité de ramification dans la molécule (figure 24.22  » Les polysaccharides amidon et cellulose « ). Les amidons peuvent être enroulés ou ramifiés et sont hydrolysés par les enzymes de notre salive et de nos sucs pancréatiques. L’amidon animal, appelé glycogène, est stocké dans le foie et les muscles. Il est constitué d’unités de glucose ramifiées et reliées par des liens qui produisent une structure enroulée. Les unités de glucose de la cellulose, en revanche, sont liées pour donner de longues chaînes non ramifiées. Les chaînes de la cellulose s’empilent en rangées parallèles maintenues ensemble par des liaisons hydrogène entre les groupes hydroxyle. Cet arrangement produit une structure rigide qui est insoluble dans l’eau.

La cellulose est le matériau structurel primaire des plantes et l’une des substances organiques les plus abondantes sur Terre. Comme nos enzymes ne sont pas capables d’hydrolyser les liaisons entre les unités de glucose de la cellulose, nous sommes incapables de la digérer. Un produit récemment commercialisé contenant un pourcentage élevé de cellulose était vendu comme substance diététique pour une perte de poids rapide, mais les personnes qui l’ont consommé ont éprouvé de graves malaises intestinaux parce que la cellulose ne pouvait pas être digérée. Le produit a été rapidement retiré du marché.

Exemple 9

La projection de Fischer du xylose, présent dans de nombreuses variétés de pommes, est représentée. Dessinez la forme annulaire (projection de Haworth) du xylose.

Donné : Projection de Fischer d’un sucre

Demande : structure cyclique

Stratégie :

A Identifier le nucléophile et l’électrophile. Indiquez le point d’attaque, en vous rappelant que les structures cycliques sont plus stables lorsqu’elles contiennent au moins cinq atomes dans le cycle pour éviter la déformation des liaisons par des angles de liaison trop petits.

B Dessinez la forme cyclique de la structure.

Solution :

A Le carbone du carbonyle (C1) est un bon électrophile, et chaque oxygène est un bon nucléophile. L’attaque nucléophile se produit à partir du groupe -OH sur C4, produisant un cycle stable à cinq membres.

B En raison de la rotation autour de la liaison entre C1 et C2, la formation du cycle donne des anomères a et b, avec les structures suivantes (les atomes H ont été omis pour plus de clarté):

Exercice

Dessinez la ou les formes cycliques du galactose, dont la projection de Fischer est montrée dans la discussion précédente.

Réponse :