La plupart des gens connaissent les glucides, un type de macromolécule, en particulier lorsqu’il s’agit de ce que nous mangeons. Pour perdre du poids, certaines personnes adhèrent à des régimes ”faibles en glucides ». Les athlètes, en revanche, « chargent souvent des glucides » avant les compétitions importantes pour s’assurer qu’ils ont suffisamment d’énergie pour concourir à un niveau élevé. Les glucides sont, en fait, une partie essentielle de notre alimentation; les céréales, les fruits et les légumes sont toutes des sources naturelles de glucides. Les glucides fournissent de l’énergie au corps, en particulier par le glucose, un sucre simple qui est un composant de l’amidon et un ingrédient de nombreux aliments de base. Les glucides ont également d’autres fonctions importantes chez les humains, les animaux et les plantes.

Les structures moléculaires

Les glucides peuvent être représentés par la formule stoechiométrique (CH2O) n, où n est le nombre de carbones dans la molécule. En d’autres termes, le rapport carbone / hydrogène / oxygène est de 1: 2: 1 dans les molécules de glucides. Cette formule explique également l’origine du terme « glucide”: les composants sont le carbone (”carbo ») et les composants de l’eau (d’où ”hydrater »). Les glucides sont classés en trois sous-types: les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

Les monosaccharides

Les monosaccharides (mono-= »un”; sacchar-= « doux ») sont des sucres simples, dont le plus commun est le glucose. Dans les monosaccharides, le nombre de carbones varie généralement de trois à sept. La plupart des noms de monosaccharides se terminent par le suffixe -ose. Si le sucre a un groupe aldéhyde (le groupe fonctionnel de structure R-CHO), il est appelé aldose, et s’il a un groupe cétone (le groupe fonctionnel de structure RC (= O) R ’), il est appelé cétose. Selon le nombre de carbones dans le sucre, ils peuvent également être appelés trioses (trois carbones), pentoses (cinq carbones) et ou hexoses (six carbones). Voir la figure 1 pour une illustration des monosaccharides.

Figure 1. Les monosaccharides sont classés en fonction de la position de leur groupe carbonyle et du nombre de carbones dans le squelette. Les aldoses ont un groupe carbonyle (indiqué en vert) à la fin de la chaîne carbonée, et les cétoses ont un groupe carbonyle au milieu de la chaîne carbonée. Les trioses, les pentoses et les hexoses ont respectivement trois, cinq et six os dorsaux en carbone.

La formule chimique du glucose est C6H12O6. Chez l’homme, le glucose est une source d’énergie importante. Pendant la respiration cellulaire, l’énergie est libérée par le glucose, et cette énergie est utilisée pour aider à fabriquer de l’adénosine triphosphate (ATP). Les plantes synthétisent le glucose à l’aide de dioxyde de carbone et d’eau, et le glucose à son tour est utilisé pour les besoins énergétiques de la plante. L’excès de glucose est souvent stocké sous forme d’amidon catabolisé (décomposition de molécules plus grosses par les cellules) par les humains et d’autres animaux qui se nourrissent de plantes.

Le galactose (partie du lactose, ou sucre du lait) et le fructose (partie du saccharose, ou sucre des fruits) sont d’autres monosaccharides courants. Bien que le glucose, le galactose et le fructose aient tous la même formule chimique (C6H12O6), ils diffèrent structurellement et chimiquement (et sont connus sous le nom d’isomères) en raison de la disposition différente des groupes fonctionnels autour du carbone asymétrique; tous ces monosaccharides ont plus d’un carbone asymétrique (Figure 2).

Pratique

Figure 2. Le glucose, le galactose et le fructose sont tous des hexoses. Ce sont des isomères structuraux, ce qui signifie qu’ils ont la même formule chimique (C6H12O6) mais une disposition différente des atomes.

Quels sont ces sucres, aldose ou cétose?

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Le glucose et le galactose sont des aldoses. Le fructose est un cétose.

Les monosaccharides peuvent exister sous forme de chaîne linéaire ou de molécules en forme d’anneau; dans les solutions aqueuses, ils se trouvent généralement sous forme d’anneau (Figure 3). Le glucose sous forme de cycle peut avoir deux dispositions différentes du groupe hydroxyle (-OH) autour du carbone anomérique (carbone 1 qui devient asymétrique dans le processus de formation du cycle). Si le groupe hydroxyle est inférieur au nombre de carbone 1 dans le sucre, il est dit en position alpha (α), et s’il est au-dessus du plan, il est dit en position bêta (β).

Figure 3. Cinq et six monosaccharides de carbone existent en équilibre entre les formes linéaires et annulaires. Lorsque l’anneau se forme, la chaîne latérale sur laquelle il se ferme est verrouillée en position α ou β. Le fructose et le ribose forment également des anneaux, bien qu’ils forment des anneaux à cinq chaînons par opposition à l’anneau à six chaînons du glucose.

Disaccharides

Les disaccharides (di–= »deux”) se forment lorsque deux monosaccharides subissent une réaction de déshydratation (également appelée synthèse de déshydratation). Au cours de ce processus, le groupe hydroxyle d’un monosaccharide se combine avec l’hydrogène d’un autre monosaccharide, libérant une molécule d’eau et formant une liaison covalente. Une liaison covalente formée entre une molécule d’hydrate de carbone et une autre molécule (dans ce cas, entre deux monosaccharides) est connue sous le nom de liaison glycosidique (Figure 4). Les liaisons glycosidiques (également appelées liaisons glycosidiques) peuvent être de type alpha ou bêta.

Figure 4. Le saccharose se forme lorsqu’un monomère de glucose et un monomère de fructose sont réunis dans une réaction de déshydratation pour former une liaison glycosidique. Dans le processus, une molécule d’eau est perdue. Par convention, les atomes de carbone d’un monosaccharide sont numérotés à partir du carbone terminal le plus proche du groupe carbonyle. Dans le saccharose, une liaison glycosidique se forme entre le carbone 1 dans le glucose et le carbone 2 dans le fructose.

Les disaccharides courants comprennent le lactose, le maltose et le saccharose (figure 5). Le lactose est un disaccharide constitué des monomères glucose et galactose. On le trouve naturellement dans le lait. Le maltose, ou sucre de malt, est un disaccharide formé par une réaction de déshydratation entre deux molécules de glucose. Le disaccharide le plus courant est le saccharose, ou sucre de table, qui est composé des monomères glucose et fructose.

Figure 5. Les disaccharides courants comprennent le maltose (sucre de grain), le lactose (sucre de lait) et le saccharose (sucre de table).

Polysaccharides

Une longue chaîne de monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques est connue sous le nom de polysaccharide (poly–= « beaucoup”). La chaîne peut être ramifiée ou non ramifiée, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Le poids moléculaire peut être de 100 000 daltons ou plus en fonction du nombre de monomères réunis. L’amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont des exemples primaires de polysaccharides.

L’amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composé d’un mélange d’amylose et d’amylopectine (les deux polymères du glucose). Les plantes sont capables de synthétiser le glucose et l’excès de glucose, au-delà des besoins énergétiques immédiats de la plante, est stocké sous forme d’amidon dans différentes parties de la plante, y compris les racines et les graines. L’amidon contenu dans les graines fournit de la nourriture à l’embryon lors de sa germination et peut également servir de source de nourriture pour les humains et les animaux. L’amidon consommé par l’homme est décomposé par des enzymes, telles que les amylases salivaires, en molécules plus petites, telles que le maltose et le glucose. Les cellules peuvent alors absorber le glucose.

L’amidon est constitué de monomères de glucose qui sont reliés par des liaisons glycosidiques α 1-4 ou α 1-6. Les nombres 1-4 et 1-6 se réfèrent au nombre de carbone des deux résidus qui se sont joints pour former la liaison. Comme illustré à la figure 6, l’amylose est un amidon formé par des chaînes non ramifiées de monomères de glucose (uniquement des liaisons α 1-4), tandis que l’amylopectine est un polysaccharide ramifié (liaisons α 1-6 aux points de ramification).

Figure 6. L’amylose et l’amylopectine sont deux formes différentes d’amidon. L’amylose est composée de chaînes non ramifiées de monomères de glucose reliées par des liaisons glycosidiques α 1,4. L’amylopectine est composée de chaînes ramifiées de monomères de glucose reliées par des liaisons glycosidiques α 1,4 et α 1,6. En raison de la façon dont les sous-unités sont jointes, les chaînes de glucose ont une structure hélicoïdale. Le glycogène (non représenté) a une structure similaire à celle de l’amylopectine, mais est plus ramifié.

Le glycogène est la forme de stockage du glucose chez l’homme et d’autres vertébrés et est composé de monomères de glucose. Le glycogène est l’équivalent animal de l’amidon et est une molécule hautement ramifiée habituellement stockée dans les cellules hépatiques et musculaires. Chaque fois que la glycémie diminue, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose dans un processus appelé glycogénolyse.

La cellulose est le biopolymère naturel le plus abondant. La paroi cellulaire des plantes est principalement constituée de cellulose, ce qui fournit un soutien structurel à la cellule. Le bois et le papier sont principalement de nature cellulosique. La cellulose est constituée de monomères de glucose liés par des liaisons glycosidiques β 1-4 (Figure 7).

Figure 7. Dans la cellulose, les monomères du glucose sont liés en chaînes non ramifiées par des liaisons glycosidiques β 1-4. En raison de la façon dont les sous-unités de glucose sont jointes, chaque monomère de glucose est retourné par rapport au suivant, ce qui donne une structure fibreuse linéaire.

Comme le montre la figure 7, un monomère de glucose sur deux dans la cellulose est retourné et les monomères sont emballés étroitement sous forme de longues chaînes prolongées. Cela confère à la cellulose sa rigidité et sa résistance à la traction élevée — ce qui est si important pour les cellules végétales. Alors que la liaison β 1-4 ne peut pas être décomposée par les enzymes digestives humaines, les herbivores tels que les vaches, les koalas, les buffles et les chevaux sont capables, à l’aide de la flore spécialisée de leur estomac, de digérer le matériel végétal riche en cellulose et de l’utiliser comme source de nourriture. Chez ces animaux, certaines espèces de bactéries et de protistes résident dans le rumen (partie du système digestif des herbivores) et sécrètent l’enzyme cellulase. L’annexe des animaux de pâturage contient également des bactéries qui digèrent la cellulose, ce qui lui confère un rôle important dans le système digestif des ruminants. Les cellulases peuvent décomposer la cellulose en monomères de glucose qui peuvent être utilisés comme source d’énergie par l’animal. Les termites sont également capables de décomposer la cellulose en raison de la présence d’autres organismes dans leur corps qui sécrètent des cellulases.

Figure 8. Les insectes ont un exosquelette externe dur fait de chitine, un type de polysaccharide. (crédit: Louise Docker)

Les glucides remplissent diverses fonctions chez différents animaux. Les arthropodes (insectes, crustacés et autres) ont un squelette externe, appelé exosquelette, qui protège leurs parties internes du corps (comme on le voit sur l’abeille à la figure 8). Cet exosquelette est constitué de la chitine de la macromolécule biologique, qui est un azote contenant des polysaccharides. Il est constitué de motifs répétitifs de N-acétyl-β-d-glucosamine, un sucre modifié. La chitine est également un composant majeur des parois cellulaires fongiques; les champignons ne sont ni des animaux ni des plantes et forment un royaume qui leur est propre dans le domaine Eukarya.

Résumé de la section

Les glucides sont un groupe de macromolécules qui sont une source d’énergie vitale pour la cellule et fournissent un soutien structurel aux cellules végétales, aux champignons et à tous les arthropodes, notamment les homards, les crabes, les crevettes, les insectes et les araignées. Les glucides sont classés comme monosaccharides, disaccharides et polysaccharides en fonction du nombre de monomères dans la molécule. Les monosaccharides sont liés par des liaisons glycosidiques qui se forment à la suite de réactions de déshydratation, formant des disaccharides et des polysaccharides avec élimination d’une molécule d’eau pour chaque liaison formée. Le glucose, le galactose et le fructose sont des monosaccharides communs, tandis que les disaccharides communs comprennent le lactose, le maltose et le saccharose. L’amidon et le glycogène, exemples de polysaccharides, sont les formes de stockage du glucose chez les plantes et les animaux, respectivement. Les longues chaînes polysaccharidiques peuvent être ramifiées ou non. La cellulose est un exemple de polysaccharide non ramifié, tandis que l’amylopectine, un constituant de l’amidon, est une molécule hautement ramifiée. Le stockage du glucose, sous forme de polymères comme l’amidon du glycogène, le rend légèrement moins accessible pour le métabolisme; cependant, cela l’empêche de s’échapper de la cellule ou de créer une pression osmotique élevée qui pourrait provoquer une absorption excessive d’eau par la cellule.

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