3.2 : Glucides

Compétences à développer

• Discuter du rôle des glucides dans les cellules et dans le matériel extracellulaire des animaux et des plantes.
• Expliquer la classification des glucides
• Énumérer les monosaccharides, disaccharides et polysaccharides courants

La plupart des gens connaissent les glucides, un type de macromolécule, surtout 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, font souvent le plein de glucides avant les compétitions importantes afin de s'assurer qu'ils ont suffisamment d'énergie pour concourir à un haut niveau. Les glucides constituent en fait une partie essentielle de notre alimentation ; les céréales, les fruits et les légumes sont tous des sources naturelles de glucides. Les glucides fournissent de l'énergie à l'organisme, notamment par le biais du 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.

Structures moléculaires

Les glucides peuvent être représentés par la formule stœchiométrique (CH ₂ O) _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 « hydrate de carbone » : les composants sont le carbone (« carbo ») et les composants de l'eau (d'où « hydrate »). Les glucides sont classés en trois sous-types : les monosaccharides, les disaccharides et les polysaccharides.

Monosaccharides

Les monosaccharides (mono- = « un » ; sacchar- = « sucré ») sont des sucres simples, dont le plus courant 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 possède un groupe aldéhyde (le groupe fonctionnel ayant la structure R-CHO), il est appelé aldose, et s'il possède un groupe cétone (le groupe fonctionnel ayant la structure RC (=O) R'), il est connu sous le nom de cétose. Selon le nombre de carbones contenus dans le sucre, ils peuvent également être appelés trioses (trois atomes de carbone), pentoses (cinq atomes de carbone) et/ou hexoses (six atomes de carbone). Voir la figure\(\PageIndex{1}\) pour une illustration des monosaccharides.

Figure\(\PageIndex{1}\) : 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 l'extrémité 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 trois, cinq et six squelettes carbonés, respectivement.

La formule chimique du glucose est C ₆ H ₁₂ O ₆. Chez l'homme, le glucose est une source d'énergie importante. Pendant la respiration cellulaire, de 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 est à son tour 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 les autres animaux qui se nourrissent de plantes.

Le galactose (partie du lactose, ou sucre du lait) et le fructose (présent dans le saccharose, dans les fruits) sont d'autres monosaccharides courants. Bien que le glucose, le galactose et le fructose aient tous la même formule chimique (C ₆ H ₁₂ O ₆), 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 comportent plus d'un carbone asymétrique (Figure\(\PageIndex{2}\)).

Art Connection

Figure\(\PageIndex{2}\) : Le glucose, le galactose et le fructose sont tous des hexoses. Ce sont des isomères structuraux, c'est-à-dire qu'ils ont la même formule chimique (C ₆ H ₁₂ O ₆) mais une disposition différente des atomes.

De quel type de sucres s'agit-il, aldose ou cétose ?

Le glucose, le galactose et le fructose sont des monosaccharides isomères (hexoses), ce qui signifie qu'ils ont la même formule chimique mais des structures légèrement différentes. Le glucose et le galactose sont des aldoses, et 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 de cycles (Figure\(\PageIndex{3}\)). Le glucose sous forme de cycle peut avoir deux arrangements différents du groupe hydroxyle (OH) autour du carbone anomère (carbone 1 qui devient asymétrique au cours du processus de formation du cycle). Si le groupe hydroxyle est en dessous du carbone numéro 1 dans le sucre, il est dit qu'il est en position alpha (α), et s'il est au-dessus du plan, il est dit qu'il est en position bêta (β).

Figure\(\PageIndex{3}\) : Cinq et six monosaccharides de carbone existent en équilibre entre les formes linéaires et cycliques. Lorsque l'anneau se forme, la chaîne latérale sur laquelle il se ferme est bloquée en position α ou β. Le fructose et le ribose forment également des cycles, bien qu'ils forment des cycles à cinq chaînons par opposition au cycle à six chaînons du glucose.

Disaccharides

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

Figure\(\PageIndex{4}\) : 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. Au cours du 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 incluent le lactose, le maltose et le saccharose (Figure\(\PageIndex{5}\)). Le lactose est un disaccharide composé 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\(\PageIndex{5}\) : Les disaccharides courants incluent le maltose (sucre des céréales), le lactose (sucre du 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- = « plusieurs »). La chaîne peut être ramifiée ou non, et elle peut contenir différents types de monosaccharides. Le poids moléculaire peut être de 100 000 daltons ou plus selon le nombre de monomères joints. L'amidon, le glycogène, la cellulose et la chitine sont les principaux exemples de polysaccharides.

L'amidon est la forme stockée des sucres dans les plantes et est composé d'un mélange d'amylose et d'amylopectine (deux polymères du glucose). Les plantes sont capables de synthétiser du 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 les humains 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 composé de monomères de glucose reliés par des liaisons glycosidiques α 1-4 ou α 1-6. Les nombres 1-4 et 1-6 font référence à l'indice de carbone des deux résidus qui se sont joints pour former la liaison. Comme l'illustre la figure\(\PageIndex{6}\), l'amylose est de l'amidon formé par des chaînes non ramifiées de monomères de glucose (uniquement des liaisons α 1 à 4), tandis que l'amylopectine est un polysaccharide ramifié (liaisons α 1 à 6 aux points de ramification).

Figure\(\PageIndex{6}\) : 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 manière 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 fortement ramifié.

Le glycogène est la forme de stockage du glucose chez les humains et les autres vertébrés. Il est composé de monomères du glucose. Le glycogène est l'équivalent animal de l'amidon et est une molécule hautement ramifiée habituellement stockée dans les cellules du foie et des muscles. Chaque fois que la glycémie diminue, le glycogène est décomposé pour libérer du glucose dans le cadre d'un processus connu sous le nom de glycogénolyse.

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

Figure\(\PageIndex{7}\) : Dans la cellulose, les monomères de glucose sont liés en chaînes non ramifiées par des liaisons glycosidiques β 1-4. En raison de la manière dont les sous-unités de glucose sont jointes, chaque monomère de glucose est inversé par rapport au suivant, ce qui donne une structure fibreuse linéaire.

Comme le montre la figure\(\PageIndex{7}\), tous les autres monomères de glucose présents dans la cellulose sont retournés et les monomères sont emballés étroitement sous forme de longues chaînes étendues. Cela confère à la cellulose sa rigidité et sa haute résistance à la traction, ce qui est très important pour les cellules végétales. Bien que la liaison β 1-4 ne puisse pas être décomposée par les enzymes digestives humaines, les herbivores tels que les vaches, les koalas, les buffles et les chevaux sont capables, grâce à la flore spécialisée de leur estomac, de digérer la matière végétale 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'appendice des animaux au 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.

Les glucides remplissent diverses fonctions chez différents animaux. Les arthropodes (insectes, crustacés et autres) possèdent un squelette externe, appelé exosquelette, qui protège les parties internes de leur corps (comme le montre l'abeille sur la figure\(\PageIndex{8}\)). Cet exosquelette est constitué de la macromolécule biologique chitine, qui est un azote contenant des polysaccharides. Il est composé d'unités répétées 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 à part entière dans le domaine Eukarya.

Figure\(\PageIndex{8}\) : Les insectes possèdent un exosquelette externe dur fait de chitine, un type de polysaccharide. (crédit : Louise Docker)

Career Connections : Diététiste agréé

L'obésité est un problème de santé mondial, et de nombreuses maladies telles que le diabète et les maladies cardiaques sont de plus en plus répandues en raison de l'obésité. C'est l'une des raisons pour lesquelles les conseils des diététistes professionnels sont de plus en plus sollicités. Les diététistes agréés aident à planifier des programmes de nutrition pour les individus dans divers contextes. Ils travaillent souvent avec les patients dans les établissements de santé, élaborant des plans nutritionnels pour traiter et prévenir les maladies. Par exemple, les diététistes peuvent enseigner à un patient diabétique comment gérer son taux de sucre dans le sang en consommant les bons types et quantités de glucides. Les diététistes peuvent également travailler dans des maisons de retraite, des écoles et des cabinets privés.

Pour devenir diététiste agréé, il faut obtenir au moins un baccalauréat en diététique, en nutrition, en technologie alimentaire ou dans un domaine connexe. De plus, les diététistes agréés doivent suivre un programme de stage supervisé et réussir un examen national. Les personnes qui poursuivent une carrière en diététique suivent des cours de nutrition, de chimie, de biochimie, de biologie, de microbiologie et de physiologie humaine. Les diététistes doivent devenir des experts de la chimie et de la physiologie (fonctions biologiques) des aliments (protéines, glucides et graisses).

Bienfaits des glucides

Les glucides sont-ils bons pour la santé ? On dit souvent aux personnes qui souhaitent perdre du poids que les glucides sont mauvais pour elles et doivent être évités. Certains régimes interdisent complètement la consommation de glucides, affirmant qu'un régime pauvre en glucides aide les gens à perdre du poids plus rapidement. Cependant, les glucides constituent une partie importante de l'alimentation humaine depuis des milliers d'années ; des artefacts provenant de civilisations anciennes montrent la présence de blé, de riz et de maïs dans les entrepôts de nos ancêtres.

Les glucides doivent être complétés par des protéines, des vitamines et des graisses pour faire partie d'une alimentation équilibrée. En termes de calories, un gramme de glucides fournit 4,3 kcal. À titre de comparaison, les graisses fournissent 9 kcal/g, un ratio moins souhaitable. Les glucides contiennent des éléments solubles et insolubles ; la partie insoluble est connue sous le nom de fibre, qui est principalement constituée de cellulose. Les fibres ont de nombreuses utilisations ; elles favorisent la régularité des selles en ajoutant du volume et régulent le taux de consommation de glucose dans le sang. Les fibres aident également à éliminer l'excès de cholestérol de l'organisme : les fibres se lient au cholestérol de l'intestin grêle, se fixent ensuite au cholestérol et empêchent les particules de cholestérol de pénétrer dans la circulation sanguine, puis le cholestérol sort de l'organisme par les matières fécales. Les régimes riches en fibres jouent également un rôle protecteur dans la réduction de la survenue du cancer du côlon. De plus, un repas contenant des grains entiers et des légumes donne une sensation de satiété. En tant que source d'énergie immédiate, le glucose se décompose au cours du processus de respiration cellulaire, qui produit de l'ATP, la monnaie énergétique de la cellule. Sans la consommation de glucides, la disponibilité de « l'énergie instantanée » serait réduite. L'élimination des glucides de l'alimentation n'est pas le meilleur moyen de perdre du poids. Un régime hypocalorique riche en grains entiers, en fruits, en légumes et en viande maigre, associé à beaucoup d'exercice et à beaucoup d'eau, est le moyen le plus judicieux de perdre du poids.

Lien vers l'apprentissage

Pour une perspective supplémentaire sur les glucides, explorez « Les biomolécules : les glucides » à travers cette animation interactive.

Résumé

Les glucides sont un groupe de macromolécules qui constituent 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 en 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 courants, tandis que les disaccharides courants incluent 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 de polysaccharides 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 tels que l'amidon ou le glycogène, le rend légèrement moins accessible au métabolisme ; toutefois, cela l'empêche de s'échapper de la cellule ou de créer une pression osmotique élevée qui pourrait entraîner une absorption excessive d'eau par la cellule.

Connexions artistiques

Figure\(\PageIndex{2}\) : De quel type de sucres s'agit-il, aldose ou cétose ?

Réponse

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

Lexique

glucide

macromolécule biologique dans laquelle le rapport entre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène est de 1:2:1 ; les glucides servent de sources d'énergie et de support structurel aux cellules et forment l'exosquelette cellulaire des arthropodes

cellulose

polysaccharide qui constitue la paroi cellulaire des plantes ; fournit un support structurel à la cellule

chitine

type de glucide qui forme le squelette externe de tous les arthropodes, y compris les crustacés et les insectes ; il forme également les parois cellulaires des champignons

disaccharide

deux monomères de sucre liés entre eux par une liaison glycosidique

glycogène

stockage des glucides chez les animaux

liaison glycosidique

liaison formée par une réaction de déshydratation entre deux monosaccharides avec élimination d'une molécule d'eau

monosaccharide

unité ou monomère unique de glucides

polysaccharide

longue chaîne de monosaccharides ; peut être ramifiée ou non

amidon

stockage des glucides dans les plantes