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Chapitre 2
Organisation moléculaire des structures du vivant

 

 

Glucides

Les glucides sont communément appelés " sucres " ou anciennement " hydrates de carbone ". Ils contiennent du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène dans un rapport qui est généralement de 1:2:1. La formule générale est (CH2O)n. Les glucides sont classés en trois catégories : les monosaccharides (monomère de base des autres glucides), les disaccharides (deux monomères) et les polysaccharides (plusieurs monomères) selon leur taille et leur solubilité. De façon générale, plus la molécule est grosse, moins elle est hydrosoluble. Ils représentent 1 à 2 % de la masse cellulaire et constituent la source d'énergie la plus facilement utilisable par les cellules.

Monosaccharides

Les monosaccharides sont formés d'une chaîne de 3 à 7 carbones qui peut être linéaire ou cyclique (en milieu aqueux). Leur nom générique dépend du nombre de carbones et se termine généralement par le suffixe " ose " (triose, tétrose, pentose, hexose, heptose).

 

Molécules linéaire et cyclique  

Molécule linéaire et cyclique

(Anne-Marie Bernier)

 

 

Les principaux monosaccharides sont le glucose (un hexose qui constitue la principale source d'énergie des cellules), le ribose (un pentose qui entre dans la construction de l'ARN; c'est le désoxyribose qui se trouve dans l'ADN) et le galactose et le fructose (qui sont des isomères du glucose que l'organisme transforme généralement en glucose).

 

 

Glucose

 
Le glucose est un aldohexose qui possède une fonction aldéhyde et plusieurs fonctions hydroxyle. Il a l'aspect d'une poudre blanche de saveur sucrée caramélisant à partir de 150 °C. Il est soluble dans l'eau et l'éthanol puisqu'il s'agit d'une molécule polaire (à cause de ses fonctions alcools) mais insoluble dans les solvants organiques. Le glucose est un sucre réducteur parce qu'il contient une fonction aldéhyde.

 

On le nomme aussi dextrose lorsqu'il s'agit de D-glucose. Il a la même formule brute que ses isomères le mannose et le fructose soit C6H12O6.

 

Le glucose est une molécule suffisamment petite pour pouvoir passer à travers les membranes des cellules (par l'intermédiaire de protéines de transport).

 
glucose
 

Molécule de glucose

(Wikipedia)

 

 

Le pouvoir sucrant du glucose est plus faible (75) que celui du saccharose (100), mais est supérieur à celui du sorbitol (50) et inférieur à celui du maltitol (90). Le pouvoir sucrant de l'aspartame (un dipeptide) est quant à lui d'environ 200 fois celui du saccharose.

 

L'aspartame (Nutrasuc, Egal, Nutrasweet) utilisé dans les produits Diètes a un pouvoir sucrant de 18000. Ce n'est pas un glucide. Quel type de molécule est-ce?

Est-ce un produit naturel?

Les personnes diabétiques doivent contrôler leur glycémie c'est-à-dire la concentration plasmatique de glucose (le plasma est la partie liquide du sang).

 

Ribose et désoxyribose

 
Le ribose est un pentose retrouvé dans l'ARN et est apparenté au désoxyribose retrouvé dans l'ADN. On le retrouve également dans l'ATP (adénosine triphosphate), le NADH et diverses autres molécules du métabolisme cellulaire. Sa formule générale est C5H10O5.

 

Le désoxyribose est également un pentose. Il est obtenu en remplaçant une fonction hydroxyle (OH) par un hydrogène sur le carbone 2 (ce qui enlève un oxygène d'où le préfixe " désoxy "). Il forme un cycle à 5 atomes composé de 4 atomes de carbone et un d'oxygène (cycle furanose).

 

 
desoxyriboseribose
 

Molécules de désoxyribose et de ribose

 

 

Galactose

 
Le galactose est un hexose de la famille des aldoses (il est donc un sucre réducteur à cause de sa fonction aldéhyde). On le trouve dans le lait puisqu'il est un constituant du lactose.

 

 
galactose
 

Molécule de galactose

 

 

Fructose

 
Le fructose est un hexose du groupe des cétoses (à cause de sa fonction cétone). On le retrouve dans les fruits et le miel. Il a la même formule brute que son isomère le glucose (C6H12O6). Il a un pouvoir sucrant supérieur au saccharose, qui est le sucre de référence ce qui explique que son utilisation soit préconisée dans certains régimes.

 

 
fructose
 

Molécules de fructose

(Wikipedia)

 

 

Le fructose est assimilé plus lentement que le glucose ou le saccharose ce qui fait qu'il ne surcharge pas le pancréas (qui produit l'insuline). Il apporte autant de calories que le glucose, mais n'induit pas aussi rapidement la satiété, ce qui aboutit en une consommation plus importante.

 

 

Disaccharides

 
Les disaccharides sont formés de deux monosaccharides reliés par une liaison covalente appelée " glycosidique ". Les principaux disaccharides importants pour l'alimentation sont le sucrose (ou saccharose) qui se retrouve dans la canne à sucre et qui est constitué d'un glucose et d'un fructose, le lactose (lait) composé d'un glucose et d'un galactose et le maltose (amidon) formé de deux glucoses. Tous les disaccharides doivent être hydrolysés pour passer à travers les membranes cellulaires et pénétrer dans les cellules.

 

 

Sucrose (saccharose)

sucre
Le sucrose (ou saccharose) est le sucre commercial qui est produit à partir de la canne à sucre ou de la betterave à sucre. Il est formé par la condensation d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose.

 

Étant un disaccharide, il doit être hydrolysé avant de pouvoir traverser les membranes cellulaires. C'est l'enzyme invertase, en milieu aqueux et à TPN qui l'hydrolyse en glucose et en fructose. Le mélange produit par l'invertase est appelé sucre inverti.

 

L'invertase permet d'expliquer le secret de la Caramilk!

Quel est donc le secret de la Caramilk?

Le pouvoir sucrant du saccharose sert de référence dans l'échelle des produits sucrants (il est égal à 100 %).

 

 

saccharose

 

On utilise souvent en cuisine du sucre inverti. Il s'agit d'un sirop fait d'un mélange de glucose et de fructose obtenu par l'hydrolyse du saccharose. Quels sont les avantages d'utiliser un tel sucre?

 

saccharose
 

Molécules de sucrose

(Wikipedia)

 

 

Lactose

 

Le lactose est un sucre présent dans le lait (d'où son nom). Le lactose est un disaccharide composé d'une molécule de glucose et d'une molécule de galactose reliées entre elles par une liaison glycosidique. Sa formule brute est C12H22O11.

 

 

C'est l'enzyme lactase (β-galactosidase) qui hydrolyse le lactose en glucose et galactose. Le lactose a un faible pouvoir sucrant de 16.

 

 
lactose
 
lactose
 

Molécules de lactose

(Wikipedia)

 

 

Maltose

 

Le maltose (sucre de malt) apparaît lors de la germination dans les grains d'orge (céréale utilisée pour fabriquer la bière).

 

 

Sa formule brute est C12H22O11. Le maltose est le produit de l'hydrolyse enzymatique de l'amidon par une amylase. La maltase (α-glucosidase) hydrolyse le maltose en glucose.

 

 
maltose
 

Molécules de maltose

(Wikipedia)

 

 
maltose
 

Réaction de condensation du maltose

(Anne-Marie Bernier)

 

 

Polysaccharides

 
Les polysaccharides, longs polymères de sous-unités identiques, sont peu solubles dans l'eau. Ils permettent le stockage de glucose (amidon et glycogène par exemple) ou jouent un rôle structural (cellulose dans la paroi des végétaux). Les principaux polysaccharides sont l'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine. On en retrouve aussi attachés aux membranes cellulaires où elles peuvent être antigéniques.

 

 

Amidon

 

L'amidon est une forme de réserve utilisée par les végétaux supérieurs pour stocker de l'énergie. Il se présente sous forme de grains visibles au microscope.

 

 
amidon
 

Grains d'amidon dans une cellule végétale (Élodée)

(http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/metabo/photosynthese/images/013bm-elode6.jpg)

 

 

C'est un polysaccharide de formule chimique (C6H10O5)n. Il est composé de deux parties : l'amylose (environ 600 molécules de glucose reliées linéairement) et l'amylopectine (plus ramifiée). L'amylose forme une hélice droite à six glucoses par tour.

 

Quel type d'amidon

retrouve-t-on dans une pomme de terre?

Sous l'action d'enzymes (amylases salivaires et pancréatiques), il se décompose en maltose. L'amidon sous forme d'amylopectine est plus facilement hydrolysable par les amylases contrairement à l'amylose puisque la formation hélicoïdale ne favorise pas l'accessibilité aux enzymes.

 

 

L'amidon est insoluble dans l'eau froide. En le traitant par l'eau chaude, on obtient l'empois (utilisé pour repasser les cols de chemise ou comme colle).

On le trouve dans les graines (céréales et légumineuses), les racines (carottes), tubercules et rhizomes. Au contact d'une solution iodée, l'amidon prend une teinte violette.

 

Pourquoi l'iode

colore-t-il l'amidon?

Amidon

Amidon

(http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/LAD/C4c/graphics/fig_starch01.gif)

 

 

Glycogène

 

Le glycogène est une molécule permettant aux animaux de stocker le glucose (comme l'amidon chez les végétaux) dans le foie (comme réserve globale) et les muscles (pour les activités physiques intenses). Il a une formule chimique (C6H10O5)n.

 

La glycogénolyse (hydrolyse du glycogène) s'effectue dans le foie pour libérer du glucose dans le sang. Si les réserves de glycogène s'épuisent (au bout de 12 heures de jeûne chez l'être humain), le foie utilisera alors des protéines ou du lactate pour reformer du glucose, par néoglucogenèse. La production de glycogène dans l'organisme est stimulée par l'insuline et la dégradation du glycogène en glucose est stimulée par le glucagon et l'adrénaline.

 

 
glycogène
 

Glycogène

(Wikipedia)

 

 

Cellulose

 

La cellulose est un polymère du glucose, dont la formule est (C6H10O5)n où 200 < n < 14 000. Il est le principal constituant de la paroi des cellules végétales.

 

On retrouve de la cellulose dans le papier et le coton.

 

La cellulose est le principal constituant du bois et la matière organique la plus abondante sur la Terre (plus de 50 % de la biomasse). On peut l'utiliser pour fabriquer de l'alcool en fermentant les résidus de biomasse et ainsi produire du biocarburant.

 

Quels sont les autres

types de biocarburant?

Cette molécule n'est pas digérée par l'homme, mais est utile au bon fonctionnement des intestins puisqu'elle forme des fibres végétales. Les herbivores et les termites ne peuvent pas digérer la cellulose, mais utilisent des enzymes provenant de microorganismes pour la digérer.

 

 
Cellulose

Bien que l'humain ne puisse pas digérer la cellulose, on recommande d'en consommer régulièrement. La cellulose constitue une bonne partie des fibres alimentaires.

Pourquoi conseille-t-on de manger des aliments riches en fibres alimentaires (son, céréales entières, fruits et légumes, légumineuses)?

Cellulose

(http://www.papiergeschiedenis.nl/images/techniek/tech_stof_cellulose_01.gif)

 

 

Chitine

 

La chitine est un polymère de sucres aminés. En présence de carbonate de calcium, elle devient rigide et forme alors l'exosquelette des insectes, des crustacés et de tous les animaux à coquille tels que les escargots. Elle joue donc un rôle de protection pour ces animaux. On la retrouve également chez les lichens et les champignons.

 

 
chitine
 

Structure de base de la chitine

(Wikipedia)

 

 

Cette molécule est utilisée en cosmétique et dans le traitement des brûlures. On l'utilise également dans la fabrication de fils chirurgicaux en raison de sa résistance et de sa flexibilité.

 

 

La figure qui suit vise à démontrer que la cellulose est le polysaccharide qui est le moins ramifié. Le glycogène est le plus ramifié tandis que l'amidon a un niveau de ramifications intermédiaire. Ceci est dû à leur rôle : la cellulose joue un rôle structurel (paroi des cellules végétales) tandis que les 2 autres constituent des réserves de glucides.

 

 
polysaccharides
 
Polysaccharides

(Anne-Marie Bernier)

 

 

L'amidon se trouvant dans les cellules végétales n'a pas à être aussi ramifié que le glycogène. Les nombreuses ramifications du glycogène (à tous les 10 à 12 monomères) permettent à plusieurs enzymes de l'hydrolyser simultanément ce qui permet de libérer rapidement du glucose chez les animaux. Les végétaux n'ont pas besoin d'un temps de réponse aussi rapide; c'est pourquoi l'amidon (ramifié à tous les 30 monomères) est moins ramifié que le glycogène. La cellulose, quant à elle, n'est jamais ramifiée.

 

 
   

Recherche

 

Le miel est un mélange de sucre et d'eau. Quels sont les sucres retrouvés dans le miel? Dans quelles proportions?

 

Le miel est un bon aliment contenant des vitamines et des minéraux. Est-il préférable de sucrer ses aliments avec du miel plutôt qu'avec du saccharose raffiné? Combien faudrait-il manger de miel pour combler nos besoins quotidiens en vitamine C? En calcium?

 

Quel est le glucose le plus abondant sur Terre?

 

 

Certains nutritionnistes classent souvent les aliments selon leur indice glycémique. Quel est l'avis de Michel Montignac? (Voir le site de l'émission Découverte à la SRC.)