BIEN SE NOURRIR EN AFRIQUE

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1 Présentation générale; 2 Glucose; 3 Glucides et photosynthèse; 4 Transports d'énergie,d'hydrogène; 5 Holosides; 6 Hétérosides.

1 Présentation générale

Les glucides ne sont pas dérivés des hydrocarbures.


Le premier composé de la série des hydrocarbures est le méthane CH4 (cf Chimie générale: l'atome de carbone) , largement répandu dans la nature qui en fabrique en permanence. Il fait partie des gaz à effet de serre . Les termes suivants de la série des hydrocarbures saturés en hydrogène sont pour la plupart extraits du pétrole :

-l'éthane C2H6 est un produit de base de l'industrie chimique ;

-le propane C3H8 et le butane C4H8 sont des gaz combustibles vendus « en   bouteilles » ;

-l'hexane C6H14 est un liquide utilisé comme solvant de composés organiques en raison de son inertie chimique ;

-l'octane C8H18 est un constituant de l'essence utilisée dans les moteurs à explosion .


Ces quelques exemples ne contiennent que du carbone et de l'hydrogène. Ils sont très stables . Leur combustion dans l'oxygène peut être explosive. Elle aboutit à la formation d'anhydride carbonique CO2 et d'eau H2O .


Cependant il est très difficile d'obtenir une oxydation ménagée des hydrocarbures . Ainsi l' hexane C6H14 renferme 6 atomes de carbone et 14 atomes d'hydrogène . On pourrait le comparer au glucose C6H12O6, mais la comparaison ne débouche sur rien : on ne peut pas greffer dans l'hexane des atomes d'oxygène pour obtenir du glucose. L'oxydation ménagée de l'hexane peut se faire par synthèse chimique mais elle n' aboutit pas au glucose.


Les glucides simples , ou oses, ne contiennent que du carbone, de l' hydrogène et de l'oxygène . L'archétype des oses est le glucose, un hexose (du grec « hexa », six) dont la projection développée (Figure 28-a, page suivante ) correspond à la formule globale C6H12O6 . Le terme « archétype » est employé pour signifier que le glucose est omniprésent dans les règnes végétal et animal et qu'il participe aux mécanismes fondamentaux, -métabolismes-, nécessaires à la propagation de la vie depuis son apparition sur la planète terre.


Les glucides, le glucose, tiennent leur éthymologie (du grec « glukos », doux ). C'est une allusion à la saveur sucrée que procurent notamment le glucose, le fructose et le saccharose au contact des papilles de la langue. Le mécanisme de cette perception sensorielle est complexe. De nombreux composés chimiques provoquent la sensation de saveur sucrée. Leurs molécules n'ont aucun point commun. Pour simplifier le sujet, on admet que la saveur sucrée est le fait de récepteurs, soit des cellules sensorielles, soit des substances émises par ces cellules. Des liaisons hydrogène entre édulcorants et récepteurs provoquent l'émission d'un signal transmis par des neurones au cerveau qui met en forme la sensation sucrée.


Les glucides à pouvoir sucrant ont entraîné le développement de filières industrielles très importantes et d'activités artisanales, dans le monde entier.

2 Le glucose: structure, formules

Figure 28 a)-Le glucose: formules linéaires


Les atomes de carbone 2 à 5 sont porteurs de radicaux H (en rouge) et OH (en bleu) . Les « rouges » et les « bleus » peuvent être permutés horizontalement et verticalement, ce qui génère un grand nombre de combinaisons possibles que l'on appelle « isomères » . Dans la nature il n'existe qu'une quinzaine d'isomères. La formule a), dite « projection de Fischer » correspond au D-glucose naturel .


L'atome du carbone 6 est porteur de 2 atomes d'hydrogène et d'un radical OH, ce qui fait CH2OH . Il s'agit de la fonction alcool très réactive aussi bien au niveau des atomes H que du radical OH .

b) Le carbone 1 est associé à un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène . Le carbone étant porteur de 4 valences (cf Chimie générale: l'atome de carbone), on met en évidence une double liaison . L'ensemble répond à la formule CHO, groupement caractèristique d'un aldéhyde. Pour cette raison le glucose appartient à la catégorie des aldoses .


Un aldéhyde se forme par oxydation d'un alcool primaire (radical CH2OH) . Ainsi l'éthanol, l'alcool renfermé dans le vin, la bière,etc. , est oxydé en éthanal, suivant la réaction globale :

                                CH3-CH2OH + 0 == CH3-CHO + H2O

L'élimination d'eau justifie le vocable « alhéhyde » qui est la contraction de l'expression « alcool déshydraté ». La réaction est accélérée, au laboratoire, au moyen d'un catalyseur, ou d'une enzyme dans les milieux naturels .

Dans les milieux naturels, on observe en permanence le phénomène de dismutation qui est un déplacement d'oxygène entre deux molécules d'aldéhyde.

Exemple: l'éthanal CH3-CHO:
CH3-CHO + CH3-CHO + H2O  == CH3-H2OH + CH3-COOH
       2 aldhéhydes        + 1 eau ==   1 alcool    + 1  acide

L'équilibre de la réaction dépend du pH du milieu.
Dans l'exemple présenté, l'éthanal est en équilibre avec l'éthanol et l'acide acétique. Le radical COOH caractéristique des acides carboxylés est ionisé en anion COO-.
La dismutation réalise en interne le couplage entre une réduction et une oxydation. On rencontre ce type de réaction dans la plupart des métabolismes des êtres vivants.

Figure 28 c) Il s'agit d'une configuration de l'hexose dans laquelle l'atome d'oxygène et sa double liaison sont fixés non plus sur le carbone C1, mais sur le carbone C2. Cela entraîne la formation du radical CO caractéristique de la fonction cétone.


L'hexose représenté sur la figure 28 c) est le D-fructose , un isomère du D-glucose . Il appartient à la catégorie des cétoses, pour rappeler la présence du radical CO. Doué d'une puissante saveur sucrée, il est présent dans la plupart des fruits à côté du glucose. Il est excellent pour la santé.

Figure 28 d), e), f)

d) Une cétone résulte de l'oxydation d'un alcool primaire (radical CHOH) . Exemple :l'oxydation du méthanol aboutit à la formation d'acétone.


e) La représentation linéaire de la molécule de glucose, Figure 28 a), ne correspond pas à la configuration réellement présente dans les solutions aqueuses. La double liaison du carbone 1 est en effet faible et instable. Sa rupture provoque en interne l'oxydation du carbone 5 . Un pont « oxygène » est établi entre les carbones 1 et 5.


 f) Dans le fructose, la double liaison est avec le carbone 2. Le pont est établi entre les carbones 2 et 6 .

Ces formules développées ont été abandonnées au profit de la représentation des molécules dans les 3 dimensions de l'espace:

Figure 29-Molécule de D-glucose

Figure 29-Molécule de D-glucose
Figure 29-Molécule de D-glucose

Commentaires de la Figure 29

a) La projection des différents atomes et radicaux dans un plan (projection de Haworth) représente la molécule sous forme d'un cycle hexagonal et un pont oxygène entre les carbone 1 et 5 . Les radicaux OH et H se trouve en dessus ou en dessous du plan, générant des isomères. La molécule est plus compacte que la forme dessinée.

b) En fait le cycle est déformé . Le carbone 1 est abaissé en-dessous du plan du çycle, tandis que le carbone 4 est relevé. La figure prend l'allure d'une « chaise ». Les radicaux OH, seuls représentés, se trouvent en-dessus ou en-dessous du plan horizontal. Cette configuration n'est pas la seule possible, elle correspond au glucopyranose (du grec « pyros », feu ). En effet elle subsiste dans les solutions concentrées par chauffage, et même déshydratées jusqu'à la formation de cristaux .
Le D-glucose est commercialisé sous forme de sirops concentrés ou de poudres de « dextrose  . Il est très utilisé en confiserie, biscuiterie, et dans l'industrie des boissons .

c) Le glucopyranose est majoritairement répandu dans la nature . Il existe cependant des cycles de forme pentagonale résultant d'un pont oxygène entre les carbones 1 et 4 . C'est le cas du glucofuranose  (du latin «furfur », son) qui est un hexose  extrait des enveloppes des graines et des écorces des arbres.

3 Les glucides et la photosynthèse


Lors de l'incessant va-et-vient de la sève de haut en bas puis de bas en haut, les végétaux puisent dans le sol des éléments minéraux, le phosphore, le potassium et l'azote. Ce sont les principaux ingrédients des engrais . Les plantes ont aussi besoin d'eau, la séve est une solution aqueuse diluée . Elle circule entre le sol et les parties vertes de la plante qui sont le lieu de la photosynthèse  (Figure 30) .


a) L'atome de phosphore possède dans sa couche périphérique 5 électrons répartis en 1 doublet et 3 électrovalences (Chimie générale, Figure 26) . L'anion phosphate PO3- - - comporte 1 doublet mis commun avec 1 oxygène saturé, et 3 oxygènes insaturés, soit 3 charges électronégatives .
b) Le glucose possède une fonction alcool sur le carbone 6 (Figure 29, ci-dessus) ; elle peut être estérifiée pour former le glucose 6-phosphate (Figure 30 b). L'oxygène du groupement CH2OH est mis en commun avec un oxygène O- - du phosphate, ce qui libère deux cations H+ qui se trouvent amalgamés avec ceux de l'eau .
L'équilibre glucose/glucose 6-phosphate est régulé par une enzyme hydrolase, la glucose 6-phosphatase.Si elle n'est pas activée, la réaction n'a pas lieu. Activée, elle catalyse l'hydrolyse en accélérant sa vitesse. Le glucose 6-phosphate se comporte comme un couple acide/base (cf Chimie générale). Ce type de réaction est présent dans un grand nombre de métabolismes .

L'estérification des alcools a une place importante en chimie organique . Notamment ils contribuent largement à la composition des arômes naturels .

c) Le ribulose est un pentose, (du grec « penta », cinq), un ose comportant 5 atomes de carbone, du type cétose, possédant une fonction cétone (cf page 40) sur le carbone 2 . Comme le fructose, il possède 2 fonctions alcool qui peuvent être estérifiées ; avec le phosphate, cela donne le ribulose -1,5-diphosphate qui a un rôle fondamental dans la photo-synthèse.

D'une façon générale les pentoses et leurs dérivés sont très abondants dans le règne végétal. Ce sont des productions cellulaires que l'on rencontre dans tous les tissus et organes végétaux, le bois, les racines, les graines .

Dans le mécanisme de la photosynthèse, le pentose intervient comme fixateur de CO2 suivant le bilan global :
                               6 CO2 + 12 H+ ::   Hexose + 3 O2
La réaction est équilibrée quantitativement, mais la charge positive du membre de gauche n'est pas compensée à droite . Les ions H+ proviennent de la décomposition de l'eau sous l'effet de la lumière :
                                H2O ::  2H+ + O--
Cette réaction n'est possible qu'avec l'intervention d'un transporteur d'énergie, l' adénosine triphosphate ATP, étudié plus loin .

Figure 30-Molécules de la photosynthèse

4 Transporteurs d'énergie, transporteurs d'hydrogène

Figure 31-L'ATP, transporteur d'énergie

Le carbone 1 d'un pentose, le ribose est lié à une base nucléique, l'adénine, et le carbone 6 est porteur d'une fonction alcool estérifiée par 3 anions phosphate.


Toutes les réactions biochimique font intervenir des transferts d'énergie. L'ATP peut être déphosphorylé en bout de chaîne, libérant l''énergie de la liaison coupée :
                           ATP ::  ADP + 1 ion phosphate + énergie

Figure 32-Transporteurs d'hydrogène

L'équilibre entre l'adénosine triphosphate ATP et l'adénosine diphosphate ADP est à double sens, en fonction des besoins de l'organisme . De gauche droite, il y a une libération d'énergie nécessaire aux biosynthèses . Dans le sens inverse, il y a récupération d'énergie issue de l' hydrolyse de molécules, ou de la photosynthèse.

La quantité d'ATP présente dans l'organisme est très faible . Cela signifie que la réaction d'équilibre ATP/ADP est très rapide. Il y a en permanence un va-et-vient de ces molécules entre le cytoplasme des cellules et leurs mitochondries.

Des enzymes de phosphorylation-déphosphorylation régulent le métabolisme énergétique. La phosphorylation a lieu dans la partie interne des mitochondries ; cela nécessite un apport d'énergie provenant d'autres réactions. Seul, l'ATP ne peut pas fonctionner, c'est un co-enzyme.


Du point de vue énergétique, le bilan de la photosynthèse est équilibré:
              6 CO2 + 18 ATP + 12 H+  ::  hexose + 18 ADP + 18 P
L'ADP et le phosphore libérés sont réintégrés dans le cycle du métabolisme énergétique .

L'équilibre des charges électropositives nécessite de faire appel à un transporteur d'hydrogène, le NADP+, nicotinamide-adénine-dinucléotide-phosphate (Figure 32 a):
    6 CO2 + 18 ATP + 12 H+ ::  hexose + 18 ADP + 18 P + 12 NADP+


Figure 32 a) b) c)-Molécule de niacine
Figure 32 a) b) c)-Molécule de niacine

4 Transporteurs d'hydrogène

On définit comme vitamine une substance indispensable à la vie et qui n'est pas synthétisée par l'organisme humain . C'est le cas de la niacine (Figure 32 a), vitamine B3, anciennement appelée vitamine PP, indispensable car c'est le précurseur des transporteurs d'hydrogène NAD et NADP . La molécule est un cycle stable de formule globale C6H5NO2 ; l'atome d'azote en position 3 a la particularité de posséder 4 valences, alors que l'azote n'en possède habituellement que 3 (cf Chimie générale: l'atome d'azote). La 4ème valence (double liaison entre les carbones 2 et 3) est instable et sa rupture libère un atome d'hydrogène qui se trouve récupéré par le carbone 6 (Figure 32,b). La liaison ainsi formée est instable, susceptible de relibérer l'hydrogène, justifiant ainsi l'appellation « transporteur d'hydrogène » que l'on attribue aux anions NAD et NADP NAD phosphaté) :

                            NAD+ + H+ + 2e-   ::  NADH
                        charge:-1                      charge:0  

Figure 32 c

La niacine se trouve greffée en a) sur un édifice compliqué qui constitue le NAD et le NADP (NAD phosphaté). Le groupement OH de la niacine est remplacé par un radical amide NH2, justifiant l'appellation du NADP « nicotinamide (issue de la niacine)- adénine-dinucléotide (les 2 cycles pentagonaux)-phosphate ».

NAD et NADP interviennent dans de nombreuses réactions biochimiques .
Dans le cas de la photosynthèse, NADP est impliqué dans le bilan global (cf paragraphe 3).

L'hydrogène nécessaire à la photosynthèse est fourni par la décomposition de l'eau de la séve en ions H+ par la lumière. L'atome d'hydrogène est un vecteur d'énergie.

Cependant le gaz carbonique CO2 contenu dans l'air ambiant n'est pas fixé directement pour enchaîner les 6 atomes de carbone du glucose. La nature procède autrement : «  5 = 3 + 2 » . C'est un moyen mnémotechnique pour décrire le cycle de Calvin qui consiste à utiliser et régénérer en permanence un glucide à 5 atomes de carbone « GC5 ».

GC5 est scindé en 2 molécules à 3 et 2 atomes de carbone » GC3 et GC2 ». Une molécule de CO2 se fixe par un processus d'oxydation sur GC2 qui devient GC3. Ce la fait 2 GC3, dont une partie va générer du glucose tandisque que l'autre partie est recyclée en GC5 par un processus de recombinaison et de réduction.

Tous ces mécanismes complexes font intervenir les transporteurs d'énergie. Chacune des étapes du cycle est régulée par une enzyme ; l'ensemble de celles-ci est connu sous le nom de Rubisco .

On notera aussi que le glucose n'est pas directement formé à l'état libre, mais à l'état de glucose-6 phosphate (Figure 30), véritable trait d'union entre les règnes végétal et animal.

5 Holosides, polymérisation des osides

Figure 33-Molécule de saccharose

L'exemple de la photosynthèse a mis en évidence la réactivité des glucides simples, hexoses et pentoses, et leur faculté de pouvoir s'associer avec d'autres molécules.
Notamment le glucose peut former des liaisons avec ses isomères . C'est le cas du saccharose. Pour comprendre cette structure, il convient de se reporter à celle de la molécule de glucose (Figure 29 a).


Le saccharose, appelé aussi « sucrose », ou tout simplement « sucre », appartient à la famille des « diholosides », de 3 mots grecs que l'on peut traduire « glucide constitué de deux oses ». Il est présent dans certains jus de fruits, dans la séve de la canne à sucre et le jus de betterave. Son extraction et sa purification sont à la base d'une industrie importante, la sucrerie.


Sa formule globale C12H22O11 résulte de la condensation de deux molécules d' hexoses avec l'élimination d'une molécule d'eau. Peu réactif à l'état pur, il est spontanémént hydrolysé dans les solutions aqueuses en milieu acide ou sous l'effet d'une enzyme de l'intestin grêle, la saccharase ou invertase :

1 mole saccharose + H20  ::  1 mole glucose + 1 mole fructose

La réaction est réversible.


Parmi d'autres diholosides, on peut citer :

-le lactose, présent dans le lait des mammifères. Sa digestion demande l'intervention d'une enzyme, la lactase . L'absence de lactase rend le lait indigeste .

 -le maltose, ou sucre de malt, résulte de l'hydrolyse des amidons de céréales ou de tubercules grâce à des enzymes, les maltases que l'on trouve dans le commerce. Elles sont utilisées dans la fabrication de la bière et en glucoserie. d'une enzyme, la lactase .


La figure 33 montre comment deux molécules d'hexoses peuvent mettre en commun leur pont oxygène pour former un diholoside ; de proche en proche, ce phénomène peut se propager pour constituer des chaînes d' éléments glucose, plus ou moins longues, plus ou moins ramifiées. Ce sont des polyholosides.
Les plus répandus dans la nature sont les amidons massivement présents dans les farines de céréales et de tubercules (Figure 34) .

6 Amidons, glycogène, hétérosides

Figure 34-Granules d'amidon de pomme de terre

En ajoutant un peu d'eau à de la farine, on obtient un pâton. Par lavage sous un courant d'eau, on sépare les granules d'amidon et on les séche sous forme de fécule. Ils sont organisés en micro-plaquettes de polyholosides.


Graines et tubercules sont la nourriture de base des humains et de nombreux animaux. Ils ne peuvent être digérés qu'aprés action d' enzymes hydrolytiques, les amylases contenues dans la salive et le suc pancréatique .


Les amidons sont les substances de réserve des végétaux, utilisées lors de la germination des graines et tubercules. Chez les êtres humains l'amidon a pour équivalent le glycogène stocké dans le foie et les muscles. Le glycogène est en équilibre avec le glucose-1-phosphate, lui-même en équilibre avec le glucose-6-phosphate (Figure 30-b).

Il y a très peu de glucose libre dans le corps (cf Maladies Non Transmissibles) . Il y a un va-et-vient normal entre glycogène et glucose tout au long de la journée et pendant la digestion. En cas de jeûne, ce métabolisme est interrompu , la néoglucogénèse prend le relais. Du glucose est synthétisé dans le foie et les tubules rénaux à partir de constituants qui sont le glycérol et les acides aminés.


Pour terminer cette étude consacrée aux glucides, il faut citer les nombreuses combinaisons entre ces derniers et toutes sortes de molécules des règnes végétal ou animal. On les range dans la catégorie des hétérosides, du grec « heteros », « autre ». Ce sont par exemple les composés du bois, cellulose et lignine, la pectine, les sucroglycérides, ainsi que de nombreux composés protéiques.

Certains hétérosides sont
-des constituants des tissus de soutien des végétaux (par exemple les fibres que l'on aperçoit dans la Figure 34),
-des fibres des légumes et des fruits,
-des constituants des carapaces de crabes, la chitine des insectes, etc.