La différenciation

Qu'est-ce qui conditionne une cellule pour qu'elles se différencient ?

Exemple : l'hématopoièse. Et il y a un équilibre entre cellule en cycle (pluripotente = cellules souches) et cellule en différenciation, en étape de maturation. La différenciation est la maturation des cellules.

Exemple : l'organisation tissulaire, les cellules sont hautement différenciées.

Qu'est-ce que la différenciation ? C'est l'ensemble des processus aboutissant à l'acquisition, par une cellule donnée, de structures et de fonctions spécialisées.

1. L'épiderme

L'épiderme est organisé en couches qui évoluent dans le temps.

Il est composé de cellules différenciées appelées Keratinocyte, qui forme lorsqu'elles sont mortes des squames.

L'épiderme est un épithélium :

• les cellules épithéliales sont étroitement juxtaposées pour construire des feuillets appelés épithélium, qui ont pour fonction principale le revêtement ou la constitution de glandes.

• Les épithélium se caractérise par des mécanismes d'adhésion intercellulaire, d'adhésion avec la matrice extracellulaire et par leur différenciation (absorption, sécrétion, barrière).

1. L'intestin

L'intestin se différencie au cours de l'organogenèse, et chez l'adulte le long de l'axe crypte-villosité.

Dans les cryptes, il y a un assemblage de cellules où il y a des cellules souches qui se divisent, des cellules qui se différencient et des cellules différenciées.

Il n'y a donc 2 spécifications (flux in/out), quatre types cellulaires différents et des localisations différentes, et pourtant ceci provient de la même cellule souche. Il y a un équilibre entre prolifération et différenciation.

1. Quels sont les facteurs qui induisent la différenciation cellulaire ?

L'environnement agit if sur la différenciation. Les cellules voisines, les cellules à distance dans l'épithélium et les cellules à distance sanguine peuvent induire une différenciation cellulaire.

La différenciation est irréversible, une cellule épithéliale de la rétine ne peut pas donner une descendance de cellules musculaires.

La maturation où la différenciation se fait en différentes étapes.

1. prolifération cellulaire

il y est à un équilibre entre prolifération, apoptose et différenciation.

• Rôle des inhibiteurs dans l'arrêt du cycle en phase G1 et différenciation ?

La cycline dépendante kinase inhibitor (CKI). Il en existe plusieurs (p27 Kip1,

p21 CipI/WAFI, p16)

• Corrélation entre l'expression de CKI et le degré de différenciation.

Il y a une surexpression de p21 dans les cellules intestinales différenciées.

P27 dans les keratinocytes : l'augmentation de l'expression de p27 et concomitante avec la différenciation. Un oligonucléotide antisens de p27 inhibe la différenciation.

Un oligonucléotides antisens est une chaîne de nucléotides inverses de l'ARNm de p27.

1. les gènes de la différenciation

Les CKI exercent leur activité inhibitrice en s'associant avec les cycline dépendantes kinase ou le complexe cycline dépendante kinase/cycline. Ils peuvent bloquer l'engagement d'une phase mais peuvent également agir au cours d'une phase du cycle cellulaire.

Les CKI ils sont répartis en deux groupes :

• la famille des InK4 (inhibiteur des cycline dépendantes kinase 4)

• la famille des Cip/Kip représentée par p21Cip1, p27Kip1 et p57Kip2 (kinase inhibiting protein):

il s'agit d'un ensemble de protéines inhibitrices des cyclines dépendante kinase de la phase G1, dont surtout la p21, fabriqués sous la dépendance d'un gène (Waf1/Cip1 = pour Wild type protein 53 activated fragment et CdK2 inhibiting protein) dans l'activité est très en rapport avec la p53.

1. Rôle de la p21 dans la différenciation

Le complexe cycline/cycline dépendante kinase/p21 bloque la cellule en phase G1.

1. la localisation de p21 varie avec la différenciation

p21 = protéines nucléaires quand elle n'est pas différenciée, après différenciation, elle va dans le cytoplasme.

1. p21 intervient dans la différenciation osseuse par induction de formation d'osteoblaste.

1. comment l'interleukine 6 induit la différenciation cellulaire ?

Par l'intermédiaire de p21 :

L'IL6 active l'expression du gène p21 et bloque la phase G1.

La protéine 21 est fabriquée sous la dépendance du facteur p53, elles se lient aux CdK2, CdK4 et bloque le passage de G1 vers S. En outre, elle se lie au PCNA qui est un cofacteur important de la polymèrase d et qui est nécessaire pour la réplication de l'ADN.

Elle joue un rôle de régulation au moment du contrôle de la bonne conformité des copies d'ADN et des processus d'excision nécessaire.

P21 est capable d'inactiver les hétérodiméres cyclineD1-CdK4 et cyclineE-CdK2 provoquant ainsi un arrêt en amont de la transition G1-S.

Il peut également former un complexe avec PCNA est alors bloqué l'initiation de la réplication de l'ADN avant la transition G1-S, ou inhiber la synthèse progressive de l'ADN et provoquer ainsi la phase S.

1. les régulations de transition G1/S et G2/M par p21

• p27-Kip1 : médiateur de l'arrêt en G1, elle est induite par TGF-b, son expression entraîne l'inhibition de la phosphorylation de pRb et de l'entrée en phase S (via son action sur E2F).

• p57-Kip2 : présente une faible homologie avec p27-Kip1 mais présentent une forte inhibition des complexes cycline/cycline indépendante kinase spécifique des phases G1 et S (cyclineE-CdK, cyclineD2-CdK4, cyclineA-CdK2) et dans une moindre mesure de la cycline mitotique (cyclineB-CdK1). Sa localisation est nucléaire et sa stimulation produit un arrêt en phase G1.

• TGF-b appartient à la famille des facteurs de croissance impliquer dans la régulation de fonctions cellulaires et agissent comme inhibiteurs de la prolifération cellulaire. Il joue un rôle important dans le développement embryonnaire au niveau de la fabrication du mésoderme. TGF-b active l'expression du gène p15 et bloque la phase G1 par l'intermédiaire de Smad qui agit sur le promoteur du gène p15.

• La p21 est stimulée par la p53, en réponse à une atteinte de l'ADN. Elle a un effet inhibiteur sur la liaison cyclineE-CdK2, et un effet variable sur le PCNA. La protéine 16 issue du gène INK4 est stimulé par le TGF-b qui agit et sur la liaison CdK4-cyclineB,tandis que le TGF-b agit aussi sur la protéine 27 issu du gène Kip et sur la liaison CdK2-cyclineE. L'association CdK2-cyclineE agile sur la protéine Rb.

1. la différenciation vers le système musculaire

Il y a formation de quatre cellules différentes à partir d'une même cellule souche, donc différents gènes sont exprimés.

• La protéine MyoD

• le facteur de transcription responsable du programme musculaire

• différentiation ouvert la voie musculaire : activités des bHLH (helix double helix)

• liens entre MyoD et p21.

1. différenciation des cellules neuronales

A) Le dioxyde de carbone: CO₂

1) Propriétés.

C'est un gaz incolore, incombustible et inodore et est soluble dans l'eau. Le CO2 dissous réagit avec l'eau selon :

CO2dissous + H2O <=> H2CO3
H2CO3 + H2O <=> HCO3^- + H3O⁺
HCO3^- + H2O <=> CO3^2- + H3O⁺

^{Il réagit avec des bases fortes pour former des carbonates}

2) Les sources et puits du CO2 :

L'atmosphère de la terre contient environ 2,35.10¹² tonnes de CO2, les océans 1,3.10¹⁴ tonnes sous forme en partie de CO2 dissous : carbonate dissous CO3^2- et principalement HCO3^- hydrogénocarbonate. Il y a 50 fois plus de CO2 dans l'océan que dans l'atmosphère.
Le CO2 existe avant tous dans les carbonates, et particulièrement dans le CaCO3, MgCO3.
Parallèlement à la consommation en énergie primaire et par suite en combustible fossile, les émissions en CO2 augmentent de façon exponentielle.
Les émissions liées à l'homme jouent un rôle capital pour cette élévation de la teneur en CO2 de l'atmosphère. 60% sont captés par les océans et par la biosphère des continents. et 40% dans l'atmosphère contribuant à l'augmentation de la teneur en CO2 atmosphérique constatée ces dernières années.

Les émissions de CO2 s'élèvent mondialement à environ 850.10⁹tonne par an. Sur ce chiffre, environ 50% proviennent de la respiration et de la décomposition biologique. La combustion des combustibles fossiles ne constitue qu'à peu près 2 a 4,5%. (on évalue les émissions provenant des termites aux environs de 50.10⁹tonne par an).

Parallèlement à la consommation en énergie primaire, les émissions en dioxyde de carbone augmente de manière exponentielle.

Le transport du CO2 dans les océans depuis l'atmosphère se déroule lentement (en moyenne 7 à 8 ans = processus long) c'est la raison pour laquelle ce puits important ne peut pas capter de façon efficace les émissions de CO2 émises par l'homme qui sont en progression relativement rapide. Il y a un décalage entre production de CO2 est le temps que l'océan met a le capter, donc la concentration en CO2 atmosphérique augmente.
A moyen et long terme, la biosphère sur les continents absorbera éventuellement moins de CO2 parce que la croissance des plantes sera influencée de manière négative par d'autres facteurs comme l'élévation de la température.

3) Cycle du carbone.

Le cycle du carbone reçoit une attention particulière en raison de son importance dans les processus biologiques et de son rôle de gaz à effet de serre.
Le carbone est réparti dans 4 différents compartiments environnementaux et sous différentes formes.
Dans l'atmosphère, le carbone est principalement sous forme de CO2, les autres gaz tels que CO, COS, CH4 apparaissent négligeables devant CO2.
Pour chaque atome de carbone présent dans l'atmosphère, il y a environ 50 atomes de carbones dans l'hydrosphère (dans les océans), principalement sous forme d'hydrogénocarbonate HCO3^-, soit 35000 atomes dans les sédiments (principalement sous forme de carbonate et carbones organiques) et 1 atome de carbone dans la biosphère continentale.

4) Variation de la teneur en CO2 dans l'atmosphère.

La teneur en CO2 comme le rayonnement solaire est soumise au fluctuation temporelle (journalière et annuelle) et spatiale.
Le matin quand la photosynthèse commence, la teneur en CO2 diminue au-dessus des superficies recouvertes de verdures. L'après midi, la valeur de CO2 atteint sa valeur minimale car la photosynthèse atteint sont niveau maximum.
Durant la nuit, cette valeur remonte, car la photosynthèse s'arrête contrairement a la respiration qui continue.

Les valeurs en CO2 à proximité du sol peuvent varier de façon importante si un fort ensoleillement et selon la phase de croissance des plantes
Par temps ensoleillé, des variations d'environ ± 50 ppm et par temps couvert des variations de ± 15ppm ont été observées.
La teneur en CO2, varie de façon similaire au cours d'une année, et ceci pour les même raisons d'au cours de l'année, et ceci pour les mêmes raisons que dans le courant d'une journée.
Au début de la croissance des plantes (vers mars, hémisphère Nord), la teneur en CO2 commence à diminuer et atteint son minimum dans le deuxième semestre. Plus il y a de verdure, plus il y a de photosynthèse, et donc moins il y a de carbone dans l'atmosphère.

5) L'effet de serre.

S'il n'existe pas d'atmosphère, la température moyenne de l'atmosphère serait de –18°C. Actuellement la température moyenne, se situe au environ de 15°C. La surface de terre est ainsi 33°C plus chaude qu'elle ne le serait sans cet effet provoqué par l'atmosphère. Dans ce cas, on parle d'effet de serre naturel qui est indispensable à la naissance de la vie.

On appelle gaz a effet de serre, les gaz mineur de l'atmosphère qui peuvent absorber le rayonnement infrarouge et le restituer. Ils ont donc une influence sur les radiations par le sol sur l'espace et peuvent ainsi provoquer un réchauffement des couches d'air proche de la Terre.

Les gaz a effet de serre naturels les plus important qui atténuent le refroidissement nocturne et rendent de ce fait la vie possible sur Terre, sont la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone.
Mais depuis, quelques temps, on parle d'effet de serre additionnel, que quelques gaz mineurs sont responsables tels que CO2, CH4, les hydrocarbures chlorofluoré et les hydrocarbures perfluoré en particulier CF4 et C2F6 dont les teneurs augmentent de façon significative depuis quelques années. Dans ce cas, on parle de gaz à effet de serre anthropogéniques.

B) Dioxyde de soufre

1) Généralités

SO2, c'est un gaz incolore, incombustible, d'odeur pénétrante, soluble dans l'eau et environ 2 à 3 fois plus lourd que l'air.

2) Source et puits.

Le soufre est émis dans l'atmosphère sous forme d'aérosol, ce sont essentiellement des embruns marins Na2CO4 et des gaz plus ou moins oxydés (SO2, COS, H2S, CS2, (CH3)2S). Il y a d'avantage de dioxyde de soufre émis mondialement par les activités humaines, avant tout par le combustion des combustibles fossiles, que de dioxyde de soufre émis par des sources naturelles.
Les émissions croissantes de SO2 représentent maintenant prés de 70% des émissions de soufre dans l'hémisphère Nord. Dans cet hémisphère, il y a davantage de SO2 émis par les activités humaines qui ceux émis par les sources naturelles. Dans l'hémisphère sud, peu industrialisé, les émissions naturelles dépassent les émissions anthropiques.

3) Variations de la teneur en SO₂ dans l'atmosphère

Grâce aux mesures effectuées dans des carottes glaciaires au Groenland, on sait que la concentration en sulfate, dans l'hémisphère Nord a fortement augmenté au cours du vingtième siècle. Au contraire dans celles de l'antarctique, aucune augmentation n'a été constatée car, comme on l'a vu, il y a peu de production anthropique de SO₂ dans hémisphère sud car il est peu industrialisé, et la pollution en SO₂ de l'hémisphère Nord, n'a pas le temps d'aller jusqu'à l'hémisphère nord, grâce à son temps de vie court, la durée de vie atmosphérique de SO2 est inférieur au temps de mélange atmosphérique.

Globalement la teneur en SO2 a augmenté. Les sulfates, l'acide sulfurique sont responsables de pluies acides.

4) Le cycle du soufre

A l'exception du COS, tous les gaz soufrés s'oxydent en plusieurs jours en SO2, Ce dernier peut s'oxyder dans l'eau avec des oxydant comme H2O2 et l'ozone soit en phase gazeuse avec des radicaux OH-.
Ces réactions produisent rapidement des particules d'acide sulfurique qui participent à l'acidification des précipitations ou qui sont neutralisées par l'ammoniac NH3 pour former des particules de sels d'ammonium NH₄HSO₄ ou (NH₄)₂SO₄ .

COS est la seule espèce soufrée à vie longue dans la troposphère. Insoluble dans l'eau ce composé est préservé dans la troposphère et diffuse lentement dans la stratosphère où il est photodissocié ou photolysé selon la réaction : sous l'influence hv

COS g CO + S : Energie de dissociation = DH_R = 309 kJ.mol^-1

Le souffre ainsi formé, s'oxyde rapidement en SO2 et participe à la formation de la couche aérosol, appelée couche de JUNGE dans la stratosphère.

Le cycle du soufre est important dans la formation d'acide sulfurique qui conditionne l'acidité des précipitations. L'acidification des pluies par suite des rejets croissants de SO2, et leur impact sur les écosystèmes (dépérissement des forêts, acidification des lacs et rivières) ont fait l'objet dans les années d'une attention particulière. Avant cela, une pluie propre ne contenant que du CO2 comme gaz susceptible de changer le pH devrait avoir un pH compris entre 5 et 5,6. Mais dans la réalité, on trouve des valeurs de pH plus basse. Dans beaucoup de régions en Europe du Nord et aux Etats Unis, la pluie a une valeur de pH compris entre 4 et 4,5, on parle alors de pluies acides.
Le cycle de soufre intervient aussi dans le rôle que pourraient jouer ces petites particules de sulfates sur les climats.

Le cycle du soufre fait également l'objet de nombreuse études en raison du rôle que pourrait jouer ces petites particules de sulfate sur le climat. En effet, outre leur capacité à diffuser la lumière, propriété que possèdent toutes les autres particules présentes dans l'atmosphère, les particules de sulfates influencent la physique des systèmes nuageux : plus il y z de particule de sulfate, plus la quantité de gouttelette d'un nuage est élevée et plus le nuage réfléchi le rayonnement solaire vers l'espace. Les émissions croissantes de SO2 pourraient ainsi provoquer un refroidissement du climat et contrebalancer partiellement le réchauffement du a l'effet de serre du CO2.

5) Smog Londoniens

Smoke Fog (brouillard de fumée)

C'est une forme de pollution particulièrement désagréable et directement perceptible.

Il a été découvert en décembre 1952 à Londres. C'est la cause des ennuis de santé suivie en partie de mortalité, a été attribué à un brouillard acide formé dans les conditions du smog avec SO2 qui est oxydé en acide sulfurique. C'est un brouillard (système atmosphère à taux d'humidité élevé) contenant un mélange d'acide sulfurique et de suies, constituant une espèce fortement irritante pour les voies respiratoires. Depuis cette époque, pour ce type de smog issu du dioxyde de soufre/acide sulfurique et de brouillard, on parle de smog londonien ou smog d'hivers (car il se forme principalement en hiver).

C) L'ozone

L'ozone est un gaz incolore, extrêmement toxique, c'est le photooydant (composé oxydant qui apparaissent dan l'atmosphère par voie photochimique) qu'on trouve dans la troposphère en quantité trop élevée tandis que dans la stratosphère, il en manque.

1) Généralités :

C'est un gaz incolore, très toxique, et c'est le photo-oxydant qu'on trouve dans l'atmosphère la plus élevé. C'est après le fluor, l'oxydant le plus fort avec un potentiel standard de 2,07V.

O3 + 2H⁺ + 2e^- --> O2 + H2O

La majeure partie de l'ozone atmosphérique (environ 90% ) se trouve dans la stratosphère. Les teneurs volumiques maximales se trouvent environ à une altitude de 30km. Dans la troposphère, on y trouve les 10% restant à l'altitude maximale.

2) L'ozone dans la troposphère.

La concentration de l'ozone augmente continuellement au sein de la troposphère a cause de l'activité humaine. Vers 1880, elle était de 7 à 10ppb, les teneurs se sont multipliées depuis l'industrialisation. De 1970 à 1990, la teneur moyenne en ozone dans les couches d'air proche du sol, a augmente de 40 à 50ppb. Le maximum journalier de la teneur en ozone se situe vers la période midi.

Le Smog de Los Angeles, ou Smog d'été ou encore Smog Photochimique :

Le smog « classique » est le smog londonien qui est composé de SO2 et de fumée et qui réagit de manière réductrice.
Le Smog de Los Angeles est connu depuis 1940. Il réagit de manière oxydante.
Pour que ce Smog puisse apparaître, il faut que des hydrocarbures ou des monoxydes de carbone et des monoxydes d'azote soient présents simultanément en plus du rayonnement solaire et des conditions d'inversion.
Les conditions d'inversion sont caractérisées par l'existence de masse d'air à proximité du sol, surmontée par des couches d'air plus chaudes empêchant l'échange vertical de l'air. Cela correspond à un temps chaud, sec, dépourvu de nuage avec peu de vent.
Les émissions de l'industrie pétrochimique peuvent être à l'origine de ce Smog mais il s'agit avant tous, d'un Smog d'automobile car la circulation des véhicules est le fournisseur principal des hydrocarbures et des oxydes d'azotes. La description du smog d'été resulte des mesures réalisées dans la « capitale mondiale de l'automobile » : los angeles.
Le matin, les teneurs en NO et en hydrocarbures augmentent à cause de la densité croissance de la circulation du aux gens qui vont au travail. En présence de soleil, la décomposition de NO2 par photodissociation commence. (NO2 → NO + O sous l'influance de hv avec l < 240nm) et donc la teneur en NO augmente.

L'oxygène atomique est donc disponible vis à vis de la formation de O3 (O + O2 --> O3 ).

Vers 7h du matin, l'effet des hydrocarbures devient sensible, ils réagissent avec des quantités considérable de NO dont la concentration diminue, celle de NO2 augmentant.
Les concentrations plus élevées de NO2 et le rayonnement solaire intensif augmentent la formation d'oxygène atomique et par suite celle de l'ozone.
Vers 10h, la concentration de NO dans l'atmosphère est fortement réduite, il n'y a donc presque plus d'ozone piégé selon la réaction (O3 + NO --> O2 + NO2)

3) Ozone dans la stratosphère.

A environ 30Km d'altitude au dessus de la Terre, il existe ce que l'on appelle une couche d'ozone, car c'est a cet endroit que la teneur volumique en ozone est la plus élevée. L'ozone est la seule substance présente dans la stratosphère qui absorbent le rayonnement solaire compris entre 200 et 310nm. Par conséquent, l'ozone protège les plantes et les animaux et les hommes des rayons UV riches en énergie.
N2, CO2, H2O, ainsi que les gaz mineurs tels que CH4 et N2O ne réagissent pas avec l'ozone et par conséquent ne joue pas le rôle de puits.
On sait que les composés : Cl, NO, OH, H, Br présents dans la stratosphère, réagissent avec O3 comme catalyseur ( élément chimique non consommé mais soit donne lieu a la réaction soit l'accélère) :

X + O₃ --> XO + O₂ avec Cl, NO, OH, H, Br
XO + O --> X + O₂

______________
O₃ + O --> 2O₂

Tous les composés chlorés possédant un temps de vie suffisant doivent être pris en compte. Il y a d'abord la source la plus importante de chlore, le chlorométhane, qui provient de processus biologiques se produisant dans les océans et qui apparaît lors de la combustion de la biomasse. Le chloro-méthane n'est pas très stable.
Les sources de chlore anthropiques les plus importantes sont les CFC (chloroFluoroCarbures), qui sont produit en quantité suffisante (800.10³ tonne de R11 et R12 en 1988) et sont exceptionnellement stable de sorte qu'ils soient à peine dans la troposphère et peuvent donc atteindre la stratosphère. Il n'y a pas de source naturelle de CFC connues.
La stabilité des CFC, en particulier, à de haute altitude, augmente avec le nombre d'atome de fluor présent dans la molécule. Les atomes de chlore peuvent se former directement à partir de ces composés, par exemple à partir de dichloro-difluoro-méthane :

CCl₂F₂ → CF2 + 2Cl à une longueur d'onde de 220nm
Un atome de chlore peut détruire plus de dizaine de millier de molécule de O₃ avant qu'il ne soit transformé en un composé tel que HCl et puisse être ensuite éloigné de la stratosphère par des précipitations
Pour le Br, c'est pareil sauf qu'il est moins efficace car moins présent dans la stratosphère.

4) Le trou...

La mise en évidence du trou de la couche d'ozone au-dessus de l'antarctique illustre l'action de l'homme sur l'environnement global. Dés 1970, le débat était ouvert à propos de l'effet néfaste des avions supersoniques qui émettant des oxydes d'azote et qui risquaient de mettre en péril la couche d'ozone.

On en est au certitude puisqu'on a effectivement mesuré une forte diminution de la concentration en ozone au dessus du continent antarctique durant le printemps austral (septembre / octobre).
Mai 1980 : diminution de 20 à 30 % et 60% en mai 1995.
Ce trou se développe au début du printemps et disparaît peu à peu en automne grâce au brassage par les vents stratosphériques de l'air antarctique avec des masses d'air des latitudes plus tempérées.
Même si le mécanisme de destruction massive s'arrete alors, il en resulte pas moins une nette diminution du bilan annuel d'ozone qui, entre 1978 et 1988, a atteint 10% au sur du 60^éme parallèle soit une élévation de 20% des ultraviolets B atteignant la surface de la Terre.

Les glucides (suite)

Les propriétés chimiques des oses :

En ce qui concerne les propriétés chimiques : il y en a qui sont liées à la présence d’un groupement carbonyle et il y en a qui sont liées à la présence d’une fonction alcool .

Les aldoses et les cétoses vont se comporter comme des réducteurs car leur fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) est susceptible d’être oxydée.

Les oses peuvent réduire, à chaud et en milieu alcalin, un certain nombre d’ions métalliques, cette réaction va libérer soit le métal lui même, soit des sels métalliques dans lesquels le métal va posséder un degré d’oxydation inférieur à celui qu’il possédait avant.

Au cours de cette réaction, à la réduction du métal correspond une oxydation de l’ose au niveau de la fonction aldéhyde. C’est le cas de la réduction par la liqueur de Fehling. C’est une solution alcaline de sels cuivriques : par chauffage et en milieu alcalin, le cuivre passe de l’état cuivrique à l’état cuivreux avec un changement de couleur, apparition d'un précipité rouge.

Dans le domaine de l'oxydoréduction, la fonction carbonyle occupe une position particulière qui est à mi-chemin entre la fonction alcool et la fonction acide. Ce carbonyle sera oxydée en fonction acide et aussi réduit en alcool.

Lorsqu’il s’agit d’un aldose et qu’il possède une fonction alcool primaire, si on part du D-glucose, on obtient du D-sorbitol et si on part du D-mannose, on obtient du D-manitol. S’il s’agit d’un cétose, la réduction de cette fonction cétose conduit à deux isomères qui ont une position spatiale différente du groupement OH porté par le carbone 2. Si on part du fructose, on obtient un mélange de D-sorbitol et de D-manitol.

Tous les oses peuvent réagir par leur fonction alcool avec des acides pour donner des esters. Il existe de très nombreux esters naturels, en particulier les esters de l’acide ortho phosphorique qui joue un rôle prépondérant dans le métabolisme du glucose . Ce ne sont pas les seuls, il existe des esters d’acide sulfurique retrouvé dans l'héparine ou dans des polyosides complexe (dans la constitution des groupes sanguins).

• Les dérivés des oses et des composés voisins :

Il existe de nombreux composés voisins qui existent, soit à l’état libre, soit à l’état composé. Ils sont classés dans la famille des oses :

- les désoxydes ou désoses. Ce sont des oses qui ont perdu l’oxygène d’une fonction alcool secondaire, ils n'ont donc plus de fonction alcool au alentour immédiat de la fonction réductrice, ce n'est donc plus un ose vrai. C'est le cas du désoxyribose en C₂ (a-D 2 désoxyribofuranose), il joue un rôle physiologique important parce qu’il entre dans la composition de l’ADN. On le classe dans les oses mais il ne répond pas à leurs critères.

- Les osamines : ce sont des oses dans lesquels un groupement hydroxyle appartenant à une fonction alcool secondaire est remplacé par un groupement amine. Il existe 3 hexoses aminés importants.

o la D-glucosamine : on la retrouve dans la constitution des polyosides complexes.

o la D-manosamine : on la retrouve dans les glycoprotéines de nombreux polyosides complexes.

o la a-D-galactosamine souvent transformée en N acétyl a Dglucosamine : on la retrouve dans les polyosides complexes.

Les osamines sont toxiques, à l’état libre, vis-à-vis des cellules hépatiques, c’est pourquoi, on ne les retrouve jamais libres mais plutôt incorporées dans de grosses molécules.

- Les méthylose. Il s’agit de desoxyses sur la fonction alcool primaire remplacé par un groupement méthyle.

- Les polyalcools : ils sont obtenus après réduction du groupement aldéhyde ou cétone en fonction alcool : le galactose et le galactitol. Le galactitol est responsable de problèmes de la cataracte. L’acide L-ascorbique (=vitamine C) ne peut pas être synthétisée par l‘homme, il en est incapable. Cet élément indispensable doit être fournit par l’alimentation. Cependant, certains animaux sont capables de la synthétiser. La vitamine C joue un rôle dans l’activation de la transcription de certains gènes, un rôle de co-facteurs dans de nombreuses réactions et un rôle de protection contre les substances oxydantes.

- Les acides dérivés des oses : les acides aldoniques sont obtenus par l’oxydation ménagée de la fonction pseudo-aldéhyde avec apparition d’un radical carboxylique.

On obtient l’acide gluconique en position 1 à partir du glucose. Glucose  acide gluconique .

Il existe aussi dans ce même groupe, des acides uroniques quand l’oxydation porte sur la fonction alcool en position 6. L’acide D-glucuronique se retrouve dans le foie et dans les reins où il joue un rôle dans les phénoméne de détoxication par conjugaison avec des substances toxiques => Glucoconjugaison. Cette liaison permet de rendre soluble ces substances pour pouvoir les déverser dans la bile ou dans les urines.

• Les osides :

Les osides sont des glucides qui peuvent être hydrolysés en composés plus simple selon l’hydrolyse utilisée. Celle-ci peut libérer soit des molécules d’oses, soit des molécules dérivées d’oses, soit des substances non glucidiques. Ce sont donc des produits reliés entre eux par des liaisons covalentes osidiques (solides). Cette liaison est très stable en milieu alcalin mais peut être facilement détruite en milieu acide ou par hydrolyse enzymatique.

Liaison glycosidique = liaison entre n'importe quels oses

Liaison glucosidique = liaison entre glucose

Pour créer une liaison osidique, il est obligatoire d’avoir deux fonctions:

1) une fonction pseudo-aldéhyde ou pseudo-cétose du premier ose (obligatoire)

2) elle peut être de trois natures différentes

- fonction pseudo-aldéhyde ou pseudo-cétose d’un second ose. Si la seconde fonction est une fonction pseudo-aldéhyde ou pseudo-cétone, ce sont les fonctions réductrices qui sont à l’origine de la liaison. Le diholoside qui résultera aura perdu tout pouvoir réducteur : c’est un osido-oside (Ex : saccharose)

- fonction alcool d’un second ose ou même d’un alcool quelconque. Si la seconde fonction est une fonction alcool portée par le second ose, le diholoside résultant va conserver son pouvoir réducteur : c’est un osido ose (Ex : maltose ou cellobiose). Dans le cas où l'alcool est quelconque, on est en présence d’une liaison de type osido-alcool et un hétéroside est formé.

- fonction amine secondaire d’une base purique ou pyrimidique

I. Les oligoholosides ou oligosaccharides :

Ce sont des glucides dont l’hydrolyse ne libère que des molécules d’oses. Ils sont constitués d’un petit nombre d’oses (en général, moins de 10).

a. Les diholosides réducteurs (liaison osido-ose)

Ils se rencontrent rarement à l’état libre sauf le lactose. Ils sont obtenus après hydrolyse partielle de polyholosides. Ils sont solubles dans l’eau, on peut les obtenir sous forme cristallisée et trois d’entre eux sont importants sur le plan biologique :

- Cas du lactose : après hydrolyse, par la b-galactosidase , on a : lactose --> a-D galactose + b-D glucose. La liaison est de type osidique en b (1-4).

Lors de la digestion, il est hydrolysé par une enzyme qui se trouve dans les anthérocytes des cellules intestinales, c’est une b-galactosidase et c’est une enzyme qui se retrouve chez les enfants non sevrés et elle se retrouve aussi dans les populations de l’Europe du nord. Le plupart des autres populations, présente un déficit en b-galactosidase, ceci explique l’existence d’une pathologie bénigne d’intolérance au lactose. La galactosémie congénitale est une maladie d'intolérance au lactose qui est génétique et grave car c'est l'absence de b-galactosidase dés la naissance.

- Cas du maltose : c'est une molécule importante qui existe à l’état libre chez certains végétaux, c’est un produit de l’hydrolyse partielle de l’amidon et du glycogène. Le maltose peut etre hydrolysé par une maltase intestinale qui est l'a -glucosidase. Les deux glucoses sont liés par une liaison en a 1-4

- Cas du cellobiose: il apparaît au cours de la dégradation de la cellulose, il est hydrolysé par une b-glucosidase mais cette enzyme spécifique n’existe pas dans les sécrétions digestives de l’homme : l’homme contrairement à certains animaux, ne se nourrit pas de cellulose. Il est composé de deux glucoses liés en b 1-4.

b. Les diholosides non réducteurs : les osido-oside :

Le principal est le saccharose, c’est certainement le diholoside le plus abondant de la planète, il existe dans tous les végétaux chlorophylliens et peut être hydrolysé par 2 types d’enzymes : une a-glucosidase (présente dans le suc intestinal) qui reconnaît le glucose sous sa forme a et une b-fructosidase (produite par l’intestin) qui reconnaît le fructose sous sa forme b.

Dans les deux cas, on retrouve du glucose et du fructose et ces deux oses vont pouvoir franchir la barrière intestinale ce qui n’est pas le cas du saccharose.

Ces deux oses engagent leur fonction hémiactéalique  disparition du pouvoir réducteur.

II. Les polysaccharides :

Ce sont des osides formés par l’association d’un grand nombre de molécule d’oses réunies par des liaisons osidiques et on distingue plusieurs cas :

-toutes les molécules sont identiques, ce sont des homopolyosides = homopolysaccharides

-les molécules d’oses sont différentes ce sont des hétéropolyosides =étéropolysaccharides

a) les homopolysaccharides

L’amidon, le glycogène et la cellulose sont importants.

• Amidon: c’est une forme de réserve des monosaccharides chez les végétaux chlorophylliens. Il constitue, après ingestion, le principal élément glucidique chez l’homme. L’amidon est un mélange de deux types de polymères imbriqué dont les structures sont différentes.

Par exemple, pour la pomme de terre, on trouve l’amylose (amidon non ramifié) qui représente environ 20% de l’amidon et l’amilopectine (amidon ramifié) qui représente 80 % de l’amidon. Les pourcentages varient en fonction de l'origine de l'amidon.

• Le glycogène : il est la principale réserve d’énergie chez les animaux. Il est abondant dans le foie et dans les muscles. Sa taille est variable selon l’origine mais elle peut aller jusqu’à 25 000 résidus de glucose. Sa structure est à peu près celle de l’amylopectine mais beaucoup plus ramifiée (les liaisons sont plus proches) et à chaînes plus courtes.

L’amidon et le glycogène vont subir une hydrolyse par l’a-amylase que l’on retrouve dans la salive et dans le pancréas. Cette enzyme va hydrolyser, au hasard, les liaisons de type a-1-4 à l’intérieur de la molécule. Cela aboutit à l’obtention de fragments de tailles variables comme des résidus à deux molécules de glucose (pour avoir du maltose) mais l’hydrolyse n’est pas complète car, au hasard et elle ne peut pas se faire correctement au niveau des points de ramification et des extrémité.

Pour être complète, l’hydrolyse nécessite l’intervention de deux enzymes supplémentaires : -une a-glucosidase (=enzyme débranchante) qui va cliver les liaisons osidiques 1-6

-une maltase qui est une a-glucosidase qui va cliver des molécules de maltose en deux molécules de glucose.

• La cellulose : substance de soutien qui constitue l’essentiel des parois cellulaires des végétaux. Les fibres de coton sont constituées de 96 % de cellulose. La cellulose est constituée de longues chaînes non ramifiées de b-D glucopyranose reliées entre elles par des liaisons b-1-4, enchainement des molécules de cellobiose sous forme b . Chaque résidu de b-D glucopyranose est relié au précédent par une rotation de 180°, ce qui permet à l’oxygène du cycle d’un des résidus de s’unir par une liaison hydrogéne avec l’H de l’OH du C3 du résidu suivant. On a des liaisons internes qui vont se mettre en place dans la molécule et, c’est cette configuration qui va donner à cette molécule sa rigidité, beaucoup plus stable.

La longueur des chaînes varie en fonction de l’origine, cela va de quelques centaines d’unités jusqu’à plus de 3 000, comme dans les fibres de coton. Les chaînes courtes ont tendance à se regrouper en formant des liaisons H d’une chaîne à l’autre. On peut retrouver jusqu’à une cinquantaine reliées les unes aux autres. On obtient des microfibrilles insolubles qui donnent une grande cohésion aux molécules de cellulose.

Les mammifères n'hydrolyse pas la cellulose avec leur propres enzymes, mais des protozoaires ou des bactéries vivent dans leur intestin et synthétisent les enzymes nécessaires.

b)Les hétéropolyholosides :

Les hétéropolyholosides sont des polysaccharides où des molécules d’oses sont différentes, on les appelle aussi hétéropolyosides ou encore GAG (= glyco-aminoglycane). Ce sont des composés dont l'hydrolise va libérer plusieurs types d’oses associés ou non à des dérivés d’oses. Certains existent à l’état libre mais le plus souvent, ils sont associés à des protéines pour former des protéoglycanes.

Ce sont, en général, de longues chaînes qui résultent de la condensation d’un grand nombre d’unités diosidiques élémentaires répétitives. Ces unités sont constituées de résidus d’acide uronique (acide D glucuronique ou acide iduronique), associé par liaison osidique où s’associe un résidu d’hexosamine parfois hydroxylé ou sulfaté. Ceci provoque un caractère acide marqué du à la présence des groupement COOH ou S.

Il existe trois types de glyco-aminoglycane :

• L'acide hyaluronique est un GAG de structure qui entre dans la composition de la matrice

extracellulaire et que l’on retrouve chez tous les animaux dans le tissus conjonctif, dans le liquide sinovial, dans le corps vitré de l’œil… La longueur variable d'une centaine et peut atteindre plusieurs milliers d’unités élémentaires.

Le disaccharide de structure est : N acétylglucosamine + acide D glucuronique lié par liaison b 1-3.

L'acide hyaluronique est un GAG non sulfaté qui n’est donc jamais lié par des liaisons covalentes à des fractions protéique mais elle est plutôt liée par des liaisons ioniques.

Ce sont de longs fragments sans branchement constitués en hélice dont la structure diffère selon le tissu dans lequel elle se trouve par le nombre d'unité saccharidique par tour d'hélice. Deux molécule d'acide hyaluronique peuvent se lier par liaison hydrogène lorsqu'elle sont face à face de façon antiparalléle. En raison du très grand nombre de groupements polaires portés par cette molécule, elle va être associée à de très nombreuses molécules d’eau par liaison hydrogène, ce qui explique la très forte viscosité des fortes liaisons d’acide hyaluronique. Il joue un rôle important dans l’hydratation du tissu conjonctif et un rôle de ciment intercellulaire,ce qui minimise la place offerte à la circulation d'autres molécules, il est aussi un amortisseur de choc et lubrifiant. Il est parfois sensible à une enzyme, la hyaluronidase (enzyme que l’on trouve dans certaines bactéries pathogènes comme le pneumocoque, le streptocoque…) et dans certains venins d’animaux (abeilles, serpents) va faciliter la diffusion de ces bactéries et de ces enzymes. Les spermatozoïdes humains en contiennent  rôle dans la fécondation en hydrolysant le mucus sécrété par le col utérin

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• Cas du sulfate de chondroïtine : c'est un GAG sulfaté. L'unité saccharidique est un

acide bDglucuronique et Nacétylb Dgalactosamine.

C’est un composé constitué d’une dizaine d’unités et l’arrangement dans l’espace forme une hélice et chaque tour d’hélice comprend entre 3 et 8 unités (unités élémentaires, c’est-à-dire disaccharide). La Nacétylb Dgalactosamine sera sulfatés en 4 ou en 6 et est dirigée vers l’extérieur de l’hélice. Cette chondroitine sulfate possède de très nombreuses charges négatives qui vont aider à fixer la calcium. C’est-ce qui explique leur présence surtout dans les zones d’ossification : cartilage, et dans tous les os en phase de croissance. Les chondroitine sulfate sont fortement fixés sur des protéines par une liaison covalente qui s’établit au niveau de l’extrémité réductrice.

• L’héparine est un GAG de sécrétion pour une action d'inhibition de la coagulation.

Elle est sécrétée par les mastocytes dans lesquels cette héparine est stockée sous forme de granules. Cette héparine se retrouve à peu près dans tous les tissus mais elle est surtout abondante dans le foie, les poumons et les muscles. L’unité disccahridique élémentaire est formé d’un acide a-L glucuronique et d’une a -D glucosamine relié par une liaison a 1-4. L’héparine est souvent sulfaté (voire bisulfaté), les molécules de sulfate se fixe toujours sur l’a-Dglucosamine et la sulfatation a lieu sur le carbone 2 et/ou le carbone 6. Comme la plupart des GAG sont reliés par une liaison covalente de la fonction réductrice  ils forment des protéoglycanes qui sont des édifices de grande complexité avec un poids moléculaire élevé et dont le poids total est représenté à 95 % par des molécules de glucides. Ils sont représentés dans tous les tissus de poids moléculaire importants.

LE METABOLISME DES GLUCIDES

Toutes les cellules animales utilisent les glucides comme fournisseur d’énergie. Le rôle principal est tenu par le glucose qui est l’ose circulant dans le sang. Ce glucose est destiné a alimenter l’ensemble des cellules dans lesquelles son catabolisme va produire de l’énergie. Le glucose ne pénètre pas librement à l’intérieure des cellules, il a donc besoin de transporteurs membranaires spécifiques.

Il existe deux grands groupes de transporteurs ou de co-transporteurs (ils se chargent de plusieurs molécules à la fois) :

-Le principal est le SGLT qui est le sodium glucose transporteur qui transporte à la fois une molécule de sodium et une molécule de glucose. Dans l’intestin grêle, c’est SGLT-1 et dans le rein, c’est SGLT-2. Les SGLT fournissent un transport actif qui nécessite la fourniture d’énergie.

-Les transporteurs passifs : les GLUT (glucose transférase) qui permettent sans dépense d’énergie mais plutôt grâce à plusieurs glycoprotéines transmembranaires (les perméases)qui vont faciliter l’entrée du glucose dans de très nombreux types cellulaires. Suivant les espèces, les cellules, les organes, les GLUT sont différentes : la GLUT-1 que l’on retrouve dans presque toutes les cellules animales et qui est prépondérante dans les hématies. Elle a pour rôle principal de faire pénétrer le glucose lorsque la glycémie (taux de glucose dans le sang circulant) est normale ou basse. La GLUT-2 est prépondérante dans le foie, le pancréas et vont faire entrer le glucose dans la cellule quand la glycémie est élevée (en période post prandiale, dans les deux heures qui suivent le repas). Cette GLUT-2 n’est pas sensible à l’insuline : ils ne sont pas insulinodépendant. La GLUT-3 se retrouve prépondérante dans les cellules du cerveau mais on les retrouve à peu près dans toutes les cellules et elle agira surtout quand la glycémie est basse. La GLUT-4 se retrouve principalement dans les cellules musculaires et dans les adipocytes. Ce sont des cellules où la consommation de glucose est extrêmement importante.

Lors de la digestion alimentaire des glucides, on a trois types d’oses : le glucose qui provient de l’hydrolyse de glucides, le galactose qui provient de l’hydrolyse du lactose et le fructose qui provient de l’hydrolyse du saccharose. Ces trois oses vont franchir les cellules de la muqueuse intestinale par différents types de transport.

Le glucose, après avoir traversé la membrane, sera phosphorylé en glucose-6-phosphate. C’est la plaque tournante du métabolisme des glucides.

1) La voie de la glycolyse

Cette voie est une séquence de réactions assurant la transformation du glucose en pyruvate avec pour conséquence la production d’ATP. Dans la glycolyse, on distingue deux grandes étapes :

1) l’activation de la molécule de glucose qui s’achève lors de l’obtention du glycéraldéhyde – 3-phosphate.

2) période d’oxydoréduction avec formation et conservation de l’énergie sous forme d’ATP qui concerne des étapes où le glycéraldéhyde-3-phosphate se transforme en pyruvate. Sur le plan cellulaire, cette voie de la glycolyse est complètement cytosolique (extramitochondriale car toutes les enzymes nécessaires à cette oxydation se trouvent dans le cytoplasme). C’est sûrement une des voies les plus importantes pour un grand nombre de cellules.

La glycolyse est importante dans les cellules cérébrales car seul le glucose passe la barrière céphalo-méningée, dans les globules rouges, dans les cellules musculaires striées lors d'un effort physique et dans les muscles lisses lorsqu'il y a diminution du passage sanguin (pathologie coronarienne).

• Première étape = phosphorylation du glucose

Dès son entrée dans la cellule, le glucose est phosphorylé en gluco-6-phosphate. Le donneur du groupement phosphorylé est l’ATP.

Dans l’absolu, cette réaction est irréversibles dans les conditions physiologiques. Elle est catalysée par deux groupes d’enzymes qui appartiennent aux kinases : l’hexokinases (qui concernent les sucres en C6) et la glucokinase (spécifique du substrat). Dans la plupart des tissus, la réaction utilise l’hexokinase. Elle est capable de phosphoryler divers hexoses (fructose, glucose, malose). Dans le foie, on a l’action simultanée des deux enzymes. La glucokinase phosphoryle le glucose à une vitesse beaucoup plus grande que l’hexokinase. Son activité ne semble pas affectée par des variations des conditions physiologiques. Cette glucokinase est sous contrôle hormonal de l'insuline. Le rôle de la glucokinase est d’initier la synthèse de glycogène dans le foie quand la concentration de glucose dans le sang est supérieure au besoin de l’organisme.

À glycémie normale : hexokinases saturé par son substrat (glucose)

A glycémie haute : hexokinases débordé par son substrar donc la glucokinase prend le relais.

• Seconde étape : isomérisation du glucose-6-phosphate en fructose 6 phosphate

L’isomérisation est une réaction réversible. L’Enzyme qui catalyse cette réaction est la phospho-hexose-isomérase. Ceci en présence de magnésium seulement.

• Troisième étape : phosphorylation du fructose-6-phosphate :

elle va s’effectuer sur le carbone 1 du fructose et elle nécessite l’apport d’un phosphate par l’ATP. On obtient un fructose deux fois phosphorylé : la fructose 1-6 biphosphate. C’est une réaction irréversibles catalysée par la pospho-fructo-kinase I : c’est l’étape la plus lente de la glycolyse. C’est donc l’étape limitante de la glycolyse, elle joue un rôle clé dans la régulation de cette voie.