Polysaccharide - Polysaccharide

Structure 3D de la cellulose , un polysaccharide bêta-glucane
L'amylose est un polymère linéaire du glucose principalement lié par des liaisons α(1→4). Il peut être constitué de plusieurs milliers d'unités de glucose. C'est l'un des deux composants de l' amidon , l'autre étant l' amylopectine .

Polysaccharides ( / ˌ p ɒ l i s æ k ə r d / ), ou polycarbohydrates , sont les plus abondants hydrate de carbone trouvé dans les aliments . Ce sont des glucides polymériques à longue chaîne composés d' unités monosaccharidiques liées entre elles par des liaisons glycosidiques . Ce glucide peut réagir avec l'eau ( hydrolyse ) en utilisant des enzymes amylases comme catalyseur, ce qui produit des sucres constitutifs ( monosaccharides ou oligosaccharides ). Leur structure varie de linéaire à fortement ramifiée. Les exemples incluent les polysaccharides de stockage tels que l' amidon , le glycogène et le galactogène et les polysaccharides structurels tels que la cellulose et la chitine .

Les polysaccharides sont souvent assez hétérogènes, contenant de légères modifications de l'unité répétitive. Selon la structure, ces macromolécules peuvent avoir des propriétés distinctes de leurs blocs de construction monosaccharidiques. Ils peuvent être amorphes voire insolubles dans l'eau. Lorsque tous les monosaccharides d'un polysaccharide sont du même type, le polysaccharide est appelé homopolysaccharide ou homoglycane , mais lorsque plus d'un type de monosaccharide est présent, ils sont appelés hétéropolysaccharides ou hétéroglycanes .

Les saccharides naturels sont généralement composés de glucides simples appelés monosaccharides de formule générale (CH 2 O) nn est égal ou supérieur à trois. Des exemples de monosaccharides sont le glucose , le fructose et le glycéraldéhyde . Les polysaccharides, quant à eux, ont une formule générale de C x (H 2 O) yx est généralement un grand nombre compris entre 200 et 2500. Lorsque les unités récurrentes dans le squelette polymère sont des monosaccharides à six carbones , comme c'est souvent le cas, le la formule générale se simplifie en (C 6 H 10 O 5 ) n , où typiquement 40 n 3000 .

En règle générale, les polysaccharides contiennent plus de dix unités monosaccharides, tandis que les oligosaccharides contiennent trois à dix unités monosaccharides ; mais la coupure précise varie quelque peu selon la convention. Les polysaccharides sont une classe importante de polymères biologiques . Leur fonction dans les organismes vivants est généralement liée à la structure ou au stockage. L'amidon (un polymère de glucose) est utilisé comme polysaccharide de stockage dans les plantes, se trouvant à la fois sous forme d' amylose et d' amylopectine ramifiée . Chez les animaux, le polymère de glucose structurellement similaire est le glycogène le plus densément ramifié , parfois appelé « amidon animal ». Les propriétés du glycogène lui permettent d'être métabolisé plus rapidement, ce qui convient à la vie active des animaux en mouvement. Chez les bactéries , ils jouent un rôle important dans la multicellularité bactérienne.

La cellulose et la chitine sont des exemples de polysaccharides structurels. La cellulose est utilisée dans les parois cellulaires des plantes et d'autres organismes et serait la molécule organique la plus abondante sur Terre. Il a de nombreuses utilisations telles qu'un rôle important dans les industries du papier et du textile, et est utilisé comme matière première pour la production de rayonne (via le processus de viscose ), d'acétate de cellulose, de celluloïde et de nitrocellulose. La chitine a une structure similaire, mais a des branches latérales contenant de l' azote , ce qui augmente sa force. On le trouve dans les exosquelettes des arthropodes et dans les parois cellulaires de certains champignons . Il a également de multiples utilisations, y compris les fils chirurgicaux . Les polysaccharides comprennent également la callose ou la laminarine , la chrysolaminarine , le xylane , l' arabinoxylane , le mannane , le fucoïdane et le galactomannane .

Fonction

Structure

Les polysaccharides nutritionnels sont des sources d'énergie courantes. De nombreux organismes peuvent facilement décomposer les amidons en glucose ; cependant, la plupart des organismes ne peuvent pas métaboliser la cellulose ou d'autres polysaccharides comme la chitine et les arabinoxylanes . Ces types de glucides peuvent être métabolisés par certaines bactéries et protistes. Les ruminants et les termites , par exemple, utilisent des micro-organismes pour traiter la cellulose .

Même si ces polysaccharides complexes ne sont pas très digestes, ils fournissent des éléments alimentaires importants pour l'homme. Appelés fibres alimentaires , ces glucides améliorent la digestion, entre autres avantages. L'action principale des fibres alimentaires est de modifier la nature du contenu du tractus gastro-intestinal et de modifier la façon dont les autres nutriments et produits chimiques sont absorbés. Les fibres solubles se lient aux acides biliaires dans l'intestin grêle, les rendant moins susceptibles de pénétrer dans l'organisme; ceci à son tour abaisse le taux de cholestérol dans le sang. Les fibres solubles atténuent également l'absorption du sucre, réduisent la réponse au sucre après avoir mangé, normalisent les taux de lipides sanguins et, une fois fermentées dans le côlon, produisent des acides gras à chaîne courte en tant que sous-produits avec des activités physiologiques de grande envergure (discussion ci-dessous). Bien que les fibres insolubles soient associées à une réduction du risque de diabète, le mécanisme par lequel cela se produit est inconnu.

Pas encore formellement proposées comme macronutriment essentiel (en 2005), les fibres alimentaires sont néanmoins considérées comme importantes pour l'alimentation, les autorités réglementaires de nombreux pays développés recommandant une augmentation de l'apport en fibres.

Polysaccharides de stockage

Amidon

L'amidon est un polymère de glucose dans lequel les unités glucopyranose sont liées par des liaisons alpha . Il est composé d'un mélange d' amylose (15-20%) et d' amylopectine (80-85%). L'amylose consiste en une chaîne linéaire de plusieurs centaines de molécules de glucose et l'amylopectine est une molécule ramifiée composée de plusieurs milliers d'unités de glucose (chaque chaîne de 24 à 30 unités de glucose est une unité d'amylopectine). Les amidons sont insolubles dans l' eau . Ils peuvent être digérés en rompant les liaisons alpha (liaisons glycosidiques). Les humains et les autres animaux ont des amylases, ils peuvent donc digérer les amidons. La pomme de terre , le riz , le blé et le maïs sont les principales sources d'amidon dans l'alimentation humaine. Les formations d'amidons sont les moyens par lesquels les plantes stockent le glucose .

Glycogène

Le glycogène sert de stockage d'énergie secondaire à long terme dans les cellules animales et fongiques , les réserves d'énergie primaires étant détenues dans le tissu adipeux . Le glycogène est produit principalement par le foie et les muscles , mais peut également être produit par la glycogenèse dans le cerveau et l' estomac .

Le glycogène est analogue à l' amidon , un polymère de glucose dans les plantes , et est parfois appelé amidon animal , ayant une structure similaire à l' amylopectine mais plus ramifié et compact que l'amidon. Le glycogène est un polymère de liaisons glycosidiques (1→4) liées, avec des branches (1→6) liées. Le glycogène se trouve sous forme de granules dans le cytosol /cytoplasme de nombreux types cellulaires et joue un rôle important dans le cycle du glucose . Le glycogène constitue une réserve énergétique rapidement mobilisable pour répondre à un besoin soudain de glucose, mais moins compacte et plus immédiatement disponible comme réserve énergétique que les triglycérides (lipides).

Dans les hépatocytes du foie , le glycogène peut composer jusqu'à 8 pour cent (100 à 120 grammes chez un adulte) du poids frais peu après un repas. Seul le glycogène stocké dans le foie peut être rendu accessible à d'autres organes. Dans les muscles , le glycogène se trouve à une faible concentration d'un à deux pour cent de la masse musculaire. La quantité de glycogène stockée dans le corps, en particulier dans les muscles , le foie et les globules rouges, varie en fonction de l'activité physique, du métabolisme de base et des habitudes alimentaires telles que le jeûne intermittent . De petites quantités de glycogène se trouvent dans les reins et des quantités encore plus faibles dans certaines cellules gliales du cerveau et des globules blancs . L'utérus stocke également du glycogène pendant la grossesse, pour nourrir l'embryon.

Le glycogène est composé d'une chaîne ramifiée de résidus de glucose. Il est stocké dans le foie et les muscles.

  • C'est une réserve d'énergie pour les animaux.
  • C'est la principale forme d'hydrate de carbone stocké dans le corps animal.
  • Il est insoluble dans l'eau. Il devient brun-rouge lorsqu'il est mélangé avec de l'iode.
  • Il donne également du glucose lors de l' hydrolyse .

galactogène

Le galactogène est un polysaccharide de galactose qui sert de stockage d'énergie dans les escargots pulmonés et certains Caenogastropoda . Ce polysaccharide est exclusif à la reproduction et se trouve uniquement dans la glande albumen du système reproducteur de l'escargot femelle et dans le liquide périvitellin des œufs.

Le galactogène sert de réserve d'énergie pour le développement des embryons et des nouveau-nés, qui est ensuite remplacé par le glycogène chez les juvéniles et les adultes.

Inuline

L'inuline est un glucide complexe polysaccharidique naturel composé de fibres alimentaires , un aliment d'origine végétale qui ne peut pas être complètement décomposé par les enzymes digestives humaines.

Polysaccharides structurels

Quelques polysaccharides structuraux naturels importants

Arabinoxylanes

Les arabinoxylanes se trouvent à la fois dans les parois cellulaires primaires et secondaires des plantes et sont les copolymères de deux sucres : l' arabinose et le xylose . Ils peuvent également avoir des effets bénéfiques sur la santé humaine.

Cellulose

Les composants structurels des plantes sont constitués principalement de cellulose . Le bois est en grande partie de la cellulose et de la lignine , tandis que le papier et le coton sont presque de la cellulose pure. La cellulose est un polymère composé d'unités de glucose répétées liées entre elles par des liaisons bêta . Les humains et de nombreux animaux manquent d'une enzyme pour rompre les liaisons bêta , de sorte qu'ils ne digèrent pas la cellulose. Certains animaux comme les termites peuvent digérer la cellulose, car des bactéries possédant l'enzyme sont présentes dans leur intestin. La cellulose est insoluble dans l'eau. Il ne change pas de couleur lorsqu'il est mélangé avec de l'iode. Lors de l'hydrolyse, il donne du glucose. C'est le glucide le plus abondant dans la nature.

Chitine

La chitine est l'un des nombreux polymères naturels . Il forme un composant structurel de nombreux animaux, tels que les exosquelettes . Au fil du temps, il est biodégradable dans le milieu naturel. Sa dégradation peut être catalysée par des enzymes appelées chitinases , sécrétées par des micro-organismes tels que des bactéries et des champignons et produites par certaines plantes. Certains de ces micro-organismes possèdent des récepteurs aux sucres simples issus de la décomposition de la chitine. Si la chitine est détectée, ils produisent alors des enzymes pour la digérer en clivant les liaisons glycosidiques afin de la convertir en sucres simples et en ammoniac .

Chimiquement, la chitine est étroitement liée au chitosane (un dérivé plus soluble dans l'eau de la chitine). Il est également étroitement lié à la cellulose en ce qu'il s'agit d'une longue chaîne non ramifiée de dérivés du glucose . Les deux matériaux contribuent à la structure et à la résistance, protégeant l'organisme.

Pectines

Les pectines sont une famille de polysaccharides complexes qui contiennent des résidus d'acide -D- galactosyl uronique liés en 1,4 . Ils sont présents dans la plupart des parois cellulaires primaires et dans les parties non ligneuses des plantes terrestres.

Polysaccharides acides

Les polysaccharides acides sont des polysaccharides qui contiennent des groupes carboxyle, des groupes phosphate et/ou des groupes ester sulfurique .

Polysaccharides bactériens

Les bactéries pathogènes produisent généralement une épaisse couche de polysaccharide semblable à du mucus. Cette "capsule" masque des protéines antigéniques à la surface bactérienne qui, autrement, provoqueraient une réponse immunitaire et conduiraient ainsi à la destruction de la bactérie. Les polysaccharides capsulaires sont solubles dans l'eau, généralement acides et ont des poids moléculaires de l'ordre de 100 000 à 2 000 000 daltons . Ils sont linéaires et consistent en des sous-unités répétitives de un à six monosaccharides . Il existe une énorme diversité structurelle; près de deux cents polysaccharides différents sont produits par E. coli seul. Des mélanges de polysaccharides capsulaires, conjugués ou natifs, sont utilisés comme vaccins .

Les bactéries et de nombreux autres microbes, y compris les champignons et les algues , sécrètent souvent des polysaccharides pour les aider à adhérer aux surfaces et les empêcher de se dessécher. Les humains ont transformé certains de ces polysaccharides en produits utiles, notamment la gomme xanthane , le dextrane , la gomme welan , la gomme gellane , la gomme diutane et le pullulane . Il a été rapporté que l' exopolysaccharide de type Levan produit par Pantoea agglomerans ZMR7 diminue la viabilité des cellules de rhabdomyosarcome (RD) et de cancer du sein (MDA) par rapport aux cellules cancéreuses non traitées. De plus, il a une activité antiparasitaire élevée contre le promastigote de Leishmania tropica.

La plupart de ces polysaccharides présentent des propriétés viscoélastiques utiles lorsqu'ils sont dissous dans l'eau à de très faibles niveaux. Cela rend divers liquides utilisés dans la vie quotidienne, tels que certains aliments, lotions, nettoyants et peintures, visqueux à l'arrêt, mais beaucoup plus fluides lorsque même un léger cisaillement est appliqué en remuant ou en secouant, en versant, en essuyant ou en brossant. Cette propriété est nommée pseudoplasticité ou amincissement par cisaillement ; l'étude de ces matières s'appelle la rhéologie .

Viscosité de la gomme Welan
Taux de cisaillement (tr/min) Viscosité ( cP ou mPa⋅s)
0,3 23330
0,5 16000
1 11000
2 5500
4 3250
5 2900
dix 1700
20 900
50 520
100 310

Les solutions aqueuses du polysaccharide seul ont un comportement curieux lorsqu'elles sont agitées : après l'arrêt de l'agitation, la solution continue initialement à tourbillonner en raison de la quantité de mouvement, puis ralentit jusqu'à s'arrêter en raison de la viscosité et inverse brièvement la direction avant de s'arrêter. Ce recul est dû à l'effet élastique des chaînes polysaccharidiques, préalablement étirées en solution, revenant à leur état relâché.

Les polysaccharides de surface cellulaire jouent divers rôles dans l' écologie et la physiologie bactériennes . Ils servent de barrière entre la paroi cellulaire et l'environnement, médient les interactions hôte-pathogène. Les polysaccharides jouent également un rôle important dans la formation de biofilms et la structuration de formes de vie complexes chez des bactéries comme Myxococcus xanthus .

Ces polysaccharides sont synthétisés à partir de précurseurs activés par les nucléotides (appelés sucres nucléotidiques ) et, dans la plupart des cas, toutes les enzymes nécessaires à la biosynthèse, à l'assemblage et au transport du polymère terminé sont codées par des gènes organisés en clusters dédiés au sein du génome de l' organisme . Le lipopolysaccharide est l'un des polysaccharides de surface cellulaire les plus importants, car il joue un rôle structurel clé dans l'intégrité de la membrane externe, tout en étant un médiateur important des interactions hôte-pathogène.

Les enzymes qui fabriquent les antigènes O de la bande A (homopolymère) et de la bande B (hétéropolymère) ont été identifiées et les voies métaboliques définies. L'alginate exopolysaccharidique est un copolymère linéaire de résidus d'acide D- mannuronique et L- guluronique liés en -1,4, et est responsable du phénotype mucoïde de la mucoviscidose au stade avancé de la mucoviscidose. Les loci pel et psl sont deux groupes de gènes récemment découverts qui codent également des exopolysaccharides qui se sont avérés importants pour la formation de biofilm. Le rhamnolipide est un biosurfactant dont la production est étroitement régulée au niveau transcriptionnel , mais le rôle précis qu'il joue dans la maladie n'est pas bien compris à l'heure actuelle. La glycosylation des protéines , en particulier de la piline et de la flagelline , est devenue un sujet de recherche de plusieurs groupes à partir de 2007 environ et s'est avérée importante pour l'adhésion et l'invasion lors d'une infection bactérienne.

Tests d'identification chimique des polysaccharides

Coloration acide-Schiff périodique (PAS)

Les polysaccharides contenant des diols vicinaux non protégés ou des sucres aminés (où certains groupes hydroxyle sont remplacés par des amines ) donnent une coloration positive à l' acide périodique de Schiff (PAS). La liste des polysaccharides qui se colorent avec le PAS est longue. Bien que les mucines d'origine épithéliale se colorent avec le PAS, les mucines d'origine du tissu conjonctif ont tellement de substitutions acides qu'il ne leur reste plus assez de groupes glycol ou amino-alcool pour réagir avec le PAS.

Voir également

Les références

Liens externes