Les glucides sont les biomolécules les plus abondantes de la biosphère : environ 70 % du poids sec des végétaux, 5 % chez les animaux. Ce chapitre étudie leurs unités de base, les oses, depuis la formule linéaire de Fischer jusqu'aux cycles de Haworth. La stéréochimie (série D, épimères, anomères) et la cyclisation sont les deux points sur lesquels les examens de Biochimie structurale S3 insistent le plus.
1. Définition et classification des glucides
Les glucides sont des polyhydroxyaldéhydes ou polyhydroxycétones de formule brute générale Cn(H2O)n, d'où l'ancien nom d'« hydrates de carbone » (à éviter en français). On distingue les oses (monosaccharides), non hydrolysables, et les osides, dont l'hydrolyse libère plusieurs molécules : les holosides ne donnent que des oses (saccharose, amidon, glycogène), les hétérosides libèrent en plus une partie non glucidique appelée aglycone. Un ose porte une fonction carbonyle et une fonction alcool sur chaque autre carbone : si le carbonyle est un aldéhyde sur le C1, c'est un aldose ; si c'est une cétone sur le C2, c'est un cétose. On classe aussi les oses par le nombre de carbones : trioses (3 C), tétroses, pentoses (ribose), hexoses (glucose, fructose, galactose), heptoses.
2. Stéréoisomérie : série D/L, épimères, énantiomères
L'ose le plus simple, le glycéraldéhyde, possède un carbone asymétrique (C2) et existe donc sous deux formes énantiomères : D (OH à droite en projection de Fischer) et L (OH à gauche). Par convention, un ose appartient à la série D si l'hydroxyle porté par l'avant-dernier carbone (le carbone asymétrique le plus éloigné du carbonyle) est à droite dans la représentation de Fischer. La quasi-totalité des oses naturels sont de série D. Un aldose à n carbones asymétriques possède 2n stéréoisomères : les aldohexoses (4 C asymétriques) forment 16 stéréoisomères, soit 8 de série D.
Deux oses qui ne diffèrent que par la configuration d'un seul carbone asymétrique sont des épimères : glucose et mannose sont épimères en C2, glucose et galactose épimères en C4. Deux énantiomères (D-glucose et L-glucose) sont images l'un de l'autre dans un miroir. Ne confonds pas la série D/L avec le pouvoir rotatoire : une solution d'ose dévie le plan de la lumière polarisée à droite (dextrogyre, +) ou à gauche (lévogyre, −), et ce signe est mesuré expérimentalement au polarimètre. Le D-glucose est dextrogyre (+) mais le D-fructose est lévogyre (−) : la lettre D n'indique donc jamais le sens de rotation.
3. Filiation des oses : aldoses et cétoses remarquables
La synthèse de Kiliani-Fischer permet de passer d'un aldose à n carbones à ses deux homologues supérieurs (n + 1 carbones), épimères en C2. On construit ainsi l'arbre des D-aldoses : D-glycéraldéhyde → D-érythrose et D-thréose → D-ribose, D-arabinose, D-xylose, D-lyxose → D-glucose, D-mannose, D-galactose… Inversement, la dégradation de Wohl retire un carbone. Les cétoses dérivent de la dihydroxyacétone (CH2OH–CO–CH2OH), seul ose sans carbone asymétrique ; ils ont un carbone asymétrique de moins que l'aldose de même taille. Cétoses à connaître : dihydroxyacétone (triose), ribulose et xylulose (pentoses), fructose (hexose, le plus important).
4. Cyclisation : pyranose, furanose, anomères et mutarotation
En solution, plusieurs observations contredisent la forme linéaire : le pouvoir rotatoire du glucose fraîchement dissous évolue avec le temps (mutarotation), et certaines réactions des aldéhydes sont incomplètes. L'explication est la cyclisation : la fonction carbonyle réagit avec un hydroxyle de la même molécule pour former un hémiacétal (aldose) ou un hémicétal (cétose) intramoléculaire. Un pont oxydique entre C1 et C5 donne un cycle à six sommets, le pyranose (5 C + 1 O, comme le glucopyranose) ; un pont entre C1 et C4 (ou C2 et C5 pour le fructose) donne un cycle à cinq sommets, le furanose (fructofuranose, ribofuranose).
La cyclisation crée un nouveau carbone asymétrique, le carbone anomérique (C1 des aldoses, C2 des cétoses). En représentation de Haworth, si l'hydroxyle anomérique est en dessous du plan du cycle, l'anomère est α ; s'il est au-dessus, il est β (règle valable pour la série D). L'α-D-glucopyranose et le β-D-glucopyranose s'interconvertissent en solution via la forme ouverte, jusqu'à un équilibre d'environ un tiers d'α pour deux tiers de β : c'est ce qui explique la mutarotation. Dans l'espace, le cycle pyranose adopte une conformation chaise, plus stable que la forme bateau ; dans le β-D-glucose, tous les hydroxyles sont en position équatoriale, ce qui en fait l'hexose le plus stable et le plus répandu.
5. Propriétés chimiques et dérivés d'oses
Les oses sont très solubles dans l'eau (nombreux OH), peu solubles dans les solvants apolaires. Leur fonction carbonyle libre est réductrice : elle réduit la liqueur de Fehling (Cu2+ → Cu2O rouge brique) et le réactif de Tollens, test qui distingue les sucres réducteurs. L'oxydation douce du C1 donne un acide aldonique (acide gluconique) ; l'oxydation de l'alcool primaire terminal en conservant l'aldéhyde donne un acide uronique (acide glucuronique, forme de détoxification hépatique ; acide galacturonique des pectines) ; l'oxydation des deux extrémités donne un acide aldarique. La réduction du carbonyle donne un polyol (glucose → sorbitol, mannose → mannitol). L'estérification par l'acide phosphorique produit les esters phosphoriques du métabolisme (glucose-6-phosphate, fructose-1,6-bisphosphate). Enfin, le remplacement de l'OH du C2 par une amine donne les osamines (glucosamine, galactosamine, N-acétyl-glucosamine de la chitine). Les désoxyoses (2-désoxyribose de l'ADN, fucose) ont perdu un hydroxyle.
Deux oses de même formule qui ne diffèrent que par la configuration d'un seul carbone asymétrique (glucose/galactose en C4 ; glucose/mannose en C2).
Les deux formes cycliques α et β d'un même ose, qui ne diffèrent que par l'orientation de l'hydroxyle porté par le carbone anomérique issu de la cyclisation.
| Dérivé | Modification chimique | Exemple |
|---|---|---|
| Acide aldonique | Oxydation du C1 (aldéhyde → COOH) | Acide gluconique |
| Acide uronique | Oxydation de l'alcool primaire terminal | Acide glucuronique |
| Polyol (alditol) | Réduction du carbonyle | Sorbitol, mannitol |
| Osamine | OH du C2 remplacé par NH₂ | Glucosamine, N-acétyl-glucosamine |
| Ester phosphorique | Estérification par H₃PO₄ | Glucose-6-phosphate |
| Désoxyose | Perte d'un OH | 2-désoxyribose |
Les dérivés d'oses et leur origine
- Ose = aldose (aldéhyde en C1) ou cétose (cétone en C2) ; osides = holosides (oses seuls) ou hétérosides (oses + aglycone).
- Série D si l'OH de l'avant-dernier carbone est à droite en Fischer ; 2ⁿ stéréoisomères pour n carbones asymétriques.
- Épimères : un seul carbone asymétrique différent (Glc/Gal en C4, Glc/Man en C2) ; D/L ne dit rien sur le sens (+/−) du pouvoir rotatoire.
- Cyclisation par hémiacétal : pyranose (C1–C5) ou furanose (C1–C4) ; carbone anomérique α (OH en dessous) ou β (au-dessus).
- Mutarotation = interconversion α ⇌ β en solution ; le carbonyle libre confère le pouvoir réducteur (Fehling).
Les sujets marocains demandent régulièrement de dessiner le D-glucose en Fischer puis en Haworth (α et β), de nommer les épimères ou de retrouver le nombre de stéréoisomères. Pièges fréquents : placer l'OH anomérique du mauvais côté, confondre épimère et énantiomère, ou écrire que D signifie dextrogyre. Entraîne-toi à dessiner les cycles sans modèle : c'est la question la plus rentable de ce chapitre.