La cellulose (fibre) est un polysaccharide végétal, qui est la substance organique la plus répandue sur Terre.
Ce biopolymère possède une grande résistance mécanique et agit comme un matériau de support pour les plantes, formant la paroi des cellules végétales. Il est utilisé dans la production de papier, de fibres artificielles, de films, de plastiques, de peintures et vernis, de poudres sans fumée, d'explosifs, de combustible solide pour fusée, pour la production d'alcool hydrolytique, etc.
La cellulose se trouve en grande quantité dans les tissus du bois (40 à 55 %), les fibres de lin (60 à 85 %) et le coton (95 à 98 %).
Les chaînes de cellulose sont construites à partir de résidus β-glucose et ont une structure linéaire.
Figure 9
Le poids moléculaire de la cellulose est compris entre 400 000 et 2 millions.
Figure 10
· La cellulose est l'un des polymères à chaîne les plus rigides dans lequel la flexibilité des macromolécules ne se manifeste pratiquement pas. La flexibilité des macromolécules est leur capacité à changer de forme de manière réversible (sans rompre les liaisons chimiques).
La chitine et le chitosane ont une composition chimique différente de celle de la cellulose, mais leur structure s'en rapproche. La différence est qu'au niveau du deuxième atome de carbone des unités a-D-glucopyranose liées par des liaisons 1,4-lycosidiques, le groupe OH est remplacé par des groupes –NHCH 3 COO dans la chitine et par un groupe –NH 2 dans le chitosane.
La cellulose se trouve dans l'écorce et le bois des arbres et des tiges de plantes : le coton contient plus de 90 % de cellulose, les conifères - plus de 60 %, les feuillus - environ 40 %. La résistance des fibres de cellulose est due au fait qu’elles sont formées de monocristaux dans lesquels les macromolécules sont emballées parallèlement les unes aux autres. La cellulose constitue la base structurelle des représentants non seulement du monde végétal, mais également de certaines bactéries.
D'un point de vue chimique, la chitine est un poly( N-acétoglucosamine). Voici sa structure :
Figure 11
Dans le monde animal, les polysaccharides ne sont « utilisés » que par les insectes et les arthropodes comme polymères de soutien et de formation de structures. Le plus souvent, la chitine est utilisée à ces fins, car elle sert à construire ce qu'on appelle le squelette externe des crabes, des écrevisses et des crevettes. À partir de la chitine, la désacétylation produit du chitosane qui, contrairement à la chitine insoluble, est soluble dans les solutions aqueuses d'acides formique, acétique et chlorhydrique. À cet égard, et également en raison de l'ensemble de propriétés précieuses combinées à la biocompatibilité, le chitosane a de grandes perspectives d'utilisation pratique à grande échelle dans un avenir proche.
L'amidon est l'un des polysaccharides qui agissent comme substance alimentaire de réserve chez les plantes. Les tubercules, les fruits et les graines contiennent jusqu'à 70 % d'amidon. Le polysaccharide stocké chez les animaux est le glycogène, que l'on trouve principalement dans le foie et les muscles.
La fonction de produit nutritif stocké est assurée par l'inuline, présente dans les asperges et les artichauts, ce qui leur confère un goût spécifique. Ses unités monomères sont à cinq chaînons, puisque le fructose est un cétose, mais en général ce polymère est structuré de la même manière que les polymères de glucose.
Lignine(de lat. lignum- arbre, bois) - une substance caractérisant les parois ligneuses des cellules végétales. Un composé polymère complexe présent dans les cellules des plantes vasculaires et de certaines algues.
Molécule de lignine
Figure 12
Les parois cellulaires ligneuses ont une ultrastructure comparable à la structure du béton armé : les microfibrilles de cellulose ont des propriétés similaires au renforcement, et la lignine, qui a une haute résistance à la compression, correspond au béton. La molécule de lignine est constituée de produits de polymérisation d'alcools aromatiques ; le monomère principal est l'alcool coniférylique.
Le bois de feuillus contient jusqu'à 20 % de lignine, le bois de conifères jusqu'à 30 %. La lignine est une matière première chimique précieuse utilisée dans de nombreuses industries.
La résistance des troncs et des tiges des plantes, en plus du squelette des fibres de cellulose, est déterminée par le tissu conjonctif de la plante. Une partie importante des arbres est constituée de lignine - jusqu'à 30 %. Sa structure n’est pas précisément établie. Il est connu pour avoir un poids moléculaire relativement faible ( M~ 10 4) un polymère hyperramifié formé principalement de restes phénols substitués en position ortho par des groupements -OCH3, en position para par des groupements -CH=CH-CH 2 OH. Actuellement, une énorme quantité de lignines s'est accumulée sous forme de déchets provenant de l'industrie de l'hydrolyse de la cellulose, mais le problème de leur élimination n'a pas été résolu. Les éléments de soutien des tissus végétaux comprennent les substances pectiques et en particulier la pectine, que l'on trouve principalement dans les parois cellulaires. Sa teneur dans les écorces de pommes et la partie blanche des écorces d'agrumes atteint jusqu'à 30 %. La pectine appartient aux hétéropolysaccharides, c'est-à-dire aux copolymères. Ses macromolécules sont principalement composées de résidus d'acide D-galacturonique et de son ester méthylique liés par des liaisons 1,4-glycosidiques.
Figure 13
Parmi les pentoses, les plus importants sont les polymères arabinose et xylose, qui forment des polysaccharides appelés arabines et xylanes. Ils déterminent, avec la cellulose, les propriétés typiques du bois.
La pectine mentionnée ci-dessus appartient aux hétéropolysaccharides. En plus de cela, on connaît les hétéropolysaccharides qui font partie du corps animal. L'acide hyaluronique fait partie du corps vitré de l'œil, ainsi que du liquide qui assure le glissement dans les articulations (on le retrouve dans les capsules articulaires). Un autre polysaccharide animal important, le sulfate de chondroïtine, se trouve dans les tissus et le cartilage. Les deux polysaccharides forment souvent des complexes complexes avec les protéines et les lipides du corps animal.
Écureuils
Les protéines (polypeptides) sont des biopolymères construits à partir de résidus d'acides aminés α connectés peptide(amide) liaisons.
Les glucides- les substances organiques dont les molécules sont constituées d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, et où l'hydrogène et l'oxygène s'y trouvent généralement dans le même rapport que dans une molécule d'eau (2 : 1).
La formule générale des glucides est C n (H 2 O) m, c'est-à-dire qu'ils semblent être constitués de carbone et d'eau, d'où le nom de la classe, qui a des racines historiques. Il est apparu sur la base de l’analyse des premiers glucides connus. Plus tard, il a été découvert qu'il existe des glucides dans les molécules dont le rapport spécifié (2 : 1) n'est pas observé, par exemple le désoxyribose - C 5 H 10 O 4. On connaît également des composés organiques dont la composition correspond à la formule générale donnée, mais qui n'appartiennent pas à la classe des glucides. Ceux-ci incluent, par exemple, le formaldéhyde CH 2 O et l'acide acétique CH 3 COOH.
Cependant, le nom « glucides » a pris racine et est désormais généralement accepté pour ces substances.
Les glucides, selon leur capacité à s'hydrolyser, peuvent être divisés en trois groupes principaux : les mono-, di- et polysaccharides.
Monosaccharides- des glucides qui ne s'hydrolysent pas (ne se décomposent pas avec l'eau). À leur tour, en fonction du nombre d'atomes de carbone, les monosaccharides sont divisés en trioses (dont les molécules contiennent trois atomes de carbone), tétroses (quatre atomes de carbone), pentoses (cinq), hexoses (six), etc.
Dans la nature, les monosaccharides sont majoritairement représentés pentoses Et hexoses.
À pentoses comprennent, par exemple, le ribose - C 5 H 10 O 5 et le désoxyribose (ribose dont l'atome d'oxygène a été « retiré ») - C 5 H 10 O 4. Ils font partie de l'ARN et de l'ADN et déterminent la première partie des noms des acides nucléiques.
À hexoses répondant à la formule moléculaire générale C 6 H 12 O 6 comprennent, par exemple, le glucose, le fructose, le galactose.
Disaccharides- des glucides qui s'hydrolysent pour former deux molécules de monosaccharides, comme les hexoses. La formule générale de la grande majorité des disaccharides n'est pas difficile à dériver : il faut « ajouter » deux formules d'hexose et « soustraire » une molécule d'eau de la formule résultante - C 12 H 22 O 11. En conséquence, nous pouvons écrire l’équation générale de l’hydrolyse :
Les disaccharides comprennent :
1. Saccharose(sucre de table commun), qui, lors de l'hydrolyse, forme une molécule de glucose et une molécule de fructose. On le retrouve en grande quantité dans la betterave sucrière, la canne à sucre (d'où les noms de betterave ou sucre de canne), l'érable (les pionniers canadiens extrayaient le sucre d'érable), le palmier à sucre, le maïs, etc.
2. Maltose(sucre de malt), qui s'hydrolyse pour former deux molécules de glucose. Le maltose peut être obtenu par hydrolyse de l'amidon sous l'action d'enzymes contenues dans le malt - grains d'orge germés, séchés et moulus.
3. Lactose(sucre du lait), qui s'hydrolyse pour former des molécules de glucose et de galactose. On le trouve dans le lait des mammifères (jusqu'à 4 à 6 %), il est peu sucré et est utilisé comme agent de remplissage dans les dragées et les comprimés pharmaceutiques.
Le goût sucré des différents mono- et disaccharides est différent. Ainsi, le monosaccharide le plus sucré - le fructose - est 1,5 fois plus sucré que le glucose, qui est considéré comme la norme. Le saccharose (un disaccharide), quant à lui, est 2 fois plus sucré que le glucose et 4 à 5 fois plus sucré que le lactose, qui est presque insipide.
Polysaccharides- l'amidon, le glycogène, les dextrines, la cellulose, etc. - les glucides qui sont hydrolysés pour former de nombreuses molécules de monosaccharides, le plus souvent du glucose.
Pour dériver la formule des polysaccharides, il faut « soustraire » une molécule d'eau d'une molécule de glucose et écrire une expression d'indice n : (C 6 H 10 O 5) n, car cela est dû à l'élimination des molécules d'eau que les di- et polysaccharides se forment dans la nature.
Le rôle des glucides dans la nature et leur importance pour la vie humaine sont extrêmement importants. Formés dans les cellules végétales à la suite de la photosynthèse, ils agissent comme une source d'énergie pour les cellules animales. Cela s'applique principalement au glucose.
De nombreux glucides (amidon, glycogène, saccharose) remplissent une fonction de stockage, rôle de la réserve nutritionnelle.
Les acides d'ARN et d'ADN, qui contiennent certains glucides (pentose-ribose et désoxyribose), remplissent les fonctions de transmission d'informations héréditaires.
Cellulose- matériau de construction des cellules végétales - joue le rôle de cadre pour les membranes de ces cellules. Un autre polysaccharide, la chitine, joue un rôle similaire dans les cellules de certains animaux : il forme le squelette externe des arthropodes (crustacés), des insectes et des arachnides.
Les glucides constituent en fin de compte notre source de nutrition : nous consommons des céréales qui contiennent de l'amidon ou les donnons aux animaux, dans le corps desquels l'amidon est transformé en protéines et en graisses. Les vêtements les plus hygiéniques sont fabriqués à partir de cellulose ou de produits à base de cellulose : coton et lin, fibre de viscose, acétate de soie. Les maisons et les meubles en bois sont construits à partir de la même cellulose qui constitue le bois.
La production de films photographiques et cinématographiques repose sur la même cellulose. Les livres, les journaux, les lettres, les billets de banque sont tous des produits de l’industrie des pâtes et papiers. Cela signifie que les glucides nous fournissent tout ce dont nous avons besoin pour vivre : nourriture, vêtements, abri.
De plus, les glucides participent à la construction de protéines, d’enzymes et d’hormones complexes. Les glucides comprennent également des substances vitales telles que l'héparine (elle joue un rôle essentiel dans la prévention de la coagulation sanguine), l'agar-agar (il est obtenu à partir d'algues et est utilisé dans les industries microbiologiques et de confiserie - rappelez-vous le célèbre gâteau au lait d'oiseau).
Il faut souligner que le seul type d'énergie sur Terre (en dehors du nucléaire bien sûr) est l'énergie du Soleil, et que le seul moyen de l'accumuler pour assurer la vie de tous les organismes vivants est le processus photosynthèse, qui se produit dans les cellules des plantes vivantes et conduit à la synthèse de glucides à partir de l'eau et du dioxyde de carbone. C'est lors de cette transformation que se forme l'oxygène, sans lequel la vie sur notre planète serait impossible :
Monosaccharides. Glucose
Glucose et fructose- substances cristallines solides incolores. Le glucose, présent dans le jus de raisin (d'où le nom « sucre de raisin »), ainsi que le fructose, présent dans certains fruits et fruits (d'où le nom « sucre de fruit »), constituent une part importante du miel. Le sang des humains et des animaux contient en permanence environ 0,1 % de glucose (80 à 120 mg pour 100 ml de sang). La majeure partie (environ 70 %) subit une oxydation lente dans les tissus avec libération d'énergie et formation de produits finaux - dioxyde de carbone et eau (processus de glycolyse) :
L'énergie libérée lors de la glycolyse couvre en grande partie les besoins énergétiques des organismes vivants.
Un dépassement du taux de glucose dans le sang de 180 mg pour 100 ml de sang indique une violation du métabolisme des glucides et le développement d'une maladie dangereuse - le diabète sucré.
Structure de la molécule de glucose
La structure de la molécule de glucose peut être jugée sur la base de données expérimentales. Il réagit avec les acides carboxyliques pour former des esters contenant de 1 à 5 résidus acides. Si une solution de glucose est ajoutée à de l'hydroxyde de cuivre (II) fraîchement obtenu, le précipité se dissout et une solution bleu vif du composé de cuivre se forme, c'est-à-dire qu'une réaction qualitative aux alcools polyhydriques se produit. Le glucose est donc un alcool polyhydrique. Si la solution résultante est chauffée, un précipité se formera à nouveau, mais cette fois il sera de couleur rougeâtre, c'est-à-dire qu'une réaction qualitative aux aldéhydes se produira. De même, si une solution de glucose est chauffée avec une solution d’ammoniaque d’oxyde d’argent, une réaction « miroir d’argent » se produira. Par conséquent, le glucose est à la fois un alcool polyhydrique et un aldéhyde - un alcool aldéhydique. Essayons de dériver la formule développée du glucose. Il y a six atomes de carbone dans la molécule C 6 H 12 O 6. Un atome est inclus dans la composition groupe aldéhyde:
Les cinq atomes restants sont associés à cinq groupes hydroxy.
Et enfin, on répartit les atomes d'hydrogène dans la molécule en tenant compte du fait que le carbone est tétravalent :
Cependant, il a été établi que dans une solution de glucose, en plus des molécules linéaires (aldéhyde), il existe des molécules de structure cyclique qui composent le glucose cristallin. La transformation des molécules linéaires en molécules cycliques peut s’expliquer si l’on se souvient que les atomes de carbone peuvent tourner librement autour des liaisons σ situées à un angle de 109° 28′. Dans ce cas, le groupe aldéhyde (1er atome de carbone) peut se rapprocher du groupe hydroxyle du cinquième atome de carbone. Dans le premier, sous l'influence du groupe hydroxy, la liaison π est rompue : un atome d'hydrogène s'ajoute à l'atome d'oxygène, et l'oxygène du groupe hydroxy qui a « perdu » cet atome ferme le cycle :
À la suite de ce réarrangement des atomes, une molécule cyclique se forme. La formule cyclique montre non seulement l'ordre de liaison des atomes, mais également leur disposition spatiale. À la suite de l'interaction des premier et cinquième atomes de carbone, un nouveau groupe hydroxy apparaît au niveau du premier atome, qui peut occuper deux positions dans l'espace : au-dessus et en dessous du plan du cycle, et donc deux formes cycliques de glucose sont possibles :
UN) Forme α du glucose- les groupes hydroxyle au niveau du premier et du deuxième atomes de carbone sont situés d'un côté du cycle de la molécule ;
b) Forme β du glucose- les groupes hydroxyles sont situés sur les côtés opposés du cycle de la molécule :
Dans une solution aqueuse de glucose, trois de ses formes isomères sont en équilibre dynamique : la forme α cyclique, la forme linéaire (aldéhyde) et la forme β cyclique :
Dans l'équilibre dynamique établi, la forme β prédomine (environ 63 %), car elle est énergétiquement préférable - elle possède des groupes OH sur le premier et le deuxième atomes de carbone des côtés opposés du cycle. Dans la forme α (environ 37 %), les groupes OH sur les mêmes atomes de carbone sont situés d’un côté du plan, elle est donc énergétiquement moins stable que la forme β. La part de la forme linéaire à l'équilibre est très faible (seulement environ 0,0026 %).
L'équilibre dynamique peut être modifié. Par exemple, lorsque le glucose est exposé à une solution ammoniacale d'oxyde d'argent, la quantité de sa forme linéaire (aldéhyde), qui est très petite dans la solution, est constamment reconstituée en raison des formes cycliques, et le glucose est complètement oxydé en gluconique. acide.
L'isomère de l'alcool aldéhydique du glucose est l'alcool cétonique - fructose:
Propriétés chimiques du glucose
Les propriétés chimiques du glucose, comme de toute autre substance organique, sont déterminées par sa structure. Le glucose a une double fonction, étant à la fois aldéhyde, Et alcool polyhydrique, il se caractérise donc par les propriétés des alcools polyhydriques et des aldéhydes.
Réactions du glucose en tant qu'alcool polyhydrique.
Le glucose réagit qualitativement aux alcools polyhydriques (pensez au glycérol) avec l'hydroxyde de cuivre (II) fraîchement préparé, produisant une solution bleu vif du composé de cuivre (II).
Le glucose, comme les alcools, peut former des esters.
Réactions du glucose en tant qu'aldéhyde
1. Oxydation du groupe aldéhyde. Le glucose, en tant qu'aldéhyde, peut être oxydé en acide (gluconique) correspondant et donner lieu à des réactions aldéhydiques qualitatives.
Réaction du miroir argenté :
Réaction avec du Cu(OH) 2 fraîchement obtenu lorsqu'il est chauffé :
Réduction du groupe aldéhyde. Le glucose peut être réduit en alcool correspondant (sorbitol) :
Réactions fermentaires
Ces réactions se produisent sous l'influence de catalyseurs biologiques spéciaux de nature protéique - les enzymes.
1. Fermentation alcoolique :
est utilisé depuis longtemps par les humains pour produire de l'alcool éthylique et des boissons alcoolisées.
2. Fermentation lactique :
qui constitue la base de l'activité vitale des bactéries lactiques et se produit lors de la fermentation du lait, du marinage du chou et des concombres et de l'ensilage du fourrage vert.
Propriétés chimiques du glucose - résumé
Polysaccharides. Amidon et cellulose.
Amidon- poudre amorphe blanche, insoluble dans l'eau froide. Dans l'eau chaude, il gonfle et forme une solution colloïdale - une pâte d'amidon.
L'amidon est contenu dans le cytoplasme des cellules végétales sous forme de grains d'un nutriment de réserve. Les tubercules de pomme de terre contiennent environ 20 % d'amidon, les grains de blé et de maïs - environ 70 % et les grains de riz - près de 80 %.
Cellulose(du latin cellula - cellule), isolée de matériaux naturels (par exemple du coton ou du papier filtre), est une substance fibreuse solide, insoluble dans l'eau.
Les deux polysaccharides sont d'origine végétale, mais jouent des rôles différents dans les cellules végétales : la cellulose a une fonction de construction, de structure et l'amidon a une fonction de stockage. La cellulose est donc un élément essentiel de la paroi cellulaire végétale. Les fibres de coton contiennent jusqu'à 95 % de cellulose, les fibres de lin et de chanvre jusqu'à 80 % et le bois en contient environ 50 %.
La structure de l'amidon et de la cellulose
La composition de ces polysaccharides peut être exprimée par la formule générale (C6H10O5)n. Le nombre d'unités répétitives dans une macromolécule d'amidon peut varier de plusieurs centaines à plusieurs milliers. La cellulose, quant à elle, possède un nombre d'unités nettement plus important et, par conséquent, un poids moléculaire qui atteint plusieurs millions.
Les glucides diffèrent non seulement par leur poids moléculaire, mais aussi par leur structure. L'amidon est caractérisé par deux types de structures macromoléculaires : linéaires et ramifiées. Les macromolécules plus petites de cette partie de l'amidon, appelée amylose, ont une structure linéaire et les molécules d'un autre composant de l'amidon, l'amylopectine, ont une structure ramifiée.
Dans l'amidon, la part d'amylose est de 10 à 20 % et celle d'amylopectine est de 80 à 90 %. L'amylose d'amidon se dissout dans l'eau chaude et l'amylopectine ne fait que gonfler.
Les unités structurelles de l'amidon et de la cellulose sont construites différemment. Si l'unité d'amidon comprend des résidus α-glucose, alors la cellulose est un résidu β-glucose orienté vers les fibres naturelles :
Propriétés chimiques des polysaccharides
1. Formation de glucose. L'amidon et la cellulose subissent une hydrolyse pour former du glucose en présence d'acides minéraux, comme l'acide sulfurique :
Dans le tube digestif des animaux, l'amidon subit une hydrolyse complexe par étapes :
Le corps humain n’est pas adapté pour digérer la cellulose, car il ne possède pas les enzymes nécessaires pour rompre les liaisons entre les résidus β-glucose dans la macromolécule de cellulose.
Seuls les termites et les ruminants (par exemple les vaches) possèdent dans leur système digestif des micro-organismes qui produisent les enzymes nécessaires à cet effet.
2. Formation d'esters. L'amidon peut former des esters en raison des groupes hydroxy, mais ces esters n'ont pas trouvé d'application pratique.
Chaque unité de cellulose contient trois groupes hydroxy d'alcool libres. La formule générale de la cellulose peut donc s’écrire comme suit :
En raison de ces groupes hydroxy d’alcool, la cellulose peut former des esters largement utilisés.
Lorsque la cellulose est traitée avec un mélange d'acides nitrique et sulfurique, on obtient de la mono-, di- et trinitrocellulose, selon les conditions :
Application de glucides
Un mélange de mono- et de dinitrocellulose est appelé colloxyline. Une solution de colloxyline dans un mélange d'alcool et d'éther diéthylique - le collodion - est utilisée en médecine pour sceller les petites plaies et pour coller des bandages sur la peau.
Lorsqu'une solution de colloxyline et de camphre dans l'alcool sèche, il s'avère celluloïd- l'un des plastiques qui ont été les premiers à être largement utilisés dans la vie quotidienne de l'homme (des films photo et cinématographiques, ainsi que divers biens de consommation, en sont fabriqués). Des solutions de colloxyline dans des solvants organiques sont utilisées comme vernis nitrovars. Et lorsque des colorants y sont ajoutés, on obtient des peintures nitro durables et esthétiques, largement utilisées dans la vie quotidienne et dans la technologie.
Comme d’autres substances organiques contenant des groupes nitro dans leurs molécules, tous les types de nitrocellulose sont inflammables. Particulièrement dangereux à cet égard trinitrocellulose- l'explosif le plus puissant. Sous le nom de pyroxyline, elle est largement utilisée pour la production d'obus d'armes et les opérations de dynamitage, ainsi que pour la production de poudre sans fumée.
Avec l'acide acétique (dans l'industrie, une substance estérifiante plus puissante, l'anhydride acétique, est utilisée à ces fins), on obtient des (di- et tri-)esters similaires de cellulose et d'acide acétique, appelés acétate de cellulose:
Acétate de cellulose Il est utilisé pour produire des vernis et des peintures ; il sert également de matière première pour la production de soie artificielle. Pour ce faire, il est dissous dans de l'acétone, puis cette solution est forcée à travers les minces trous des matrices (capuchons métalliques comportant de nombreux trous). Les flux de solution qui s'écoulent sont soufflés avec de l'air chaud. Dans ce cas, l'acétone s'évapore rapidement et l'acétate de cellulose en séchant forme de fins fils brillants qui sont utilisés pour fabriquer du fil.
Amidon, contrairement à la cellulose, donne une couleur bleue lorsqu'il réagit avec l'iode. Cette réaction est qualitative pour l'amidon ou l'iode, selon la présence de la substance à prouver.
Matériel de référence pour passer le test :
Tableau de Mendeleïev
Tableau de solubilité
Comme les autres fibres végétales, le coton est composé à 90 % de cellulose, qui est un polymère de glucose et un composant majeur des parois cellulaires végétales. Beaucoup de gens associent le mot « polymère » aux fibres synthétiques et aux plastiques, mais il existe également de nombreux polymères dans la nature. Ce mot vient de la langue grecque : poly- "beaucoup", et méros signifie partie ou unité, donc un polymère est une combinaison de plusieurs unités. Les polymères de glucose, également appelés polysaccharides, peuvent être classés en fonction de la fonction qu'ils remplissent dans l'organisme. Les polysaccharides structurels tels que la cellulose renforcent les tissus et les systèmes, et les polysaccharides de stockage sont une forme de stockage du glucose. Les polysaccharides structurels sont constitués d'unités β-glucose, celles de réserve - d'α-glucose. Nous avons mentionné dans le troisième chapitre que dans la structure β, le groupe OH sur le carbone C1 est situé au-dessus de la surface du cycle glucose, et dans la structure α, il se trouve sous la surface du cycle.
Structure du β-glucose
Structure de l'α-glucose
La différence entre le β- et l'α-glucose peut paraître insignifiante, mais elle est responsable d'une différence extrêmement importante dans la fonction des polysaccharides formés de l'une et l'autre des unités glucose : le groupe OH au dessus du cycle est une fonction structurale, en dessous du cycle est une pièce de rechange. En chimie, il arrive souvent que des changements apparemment mineurs dans la structure d'une molécule aient un effet très grave sur les propriétés de la substance. Les polymères d’α- et β-glucose en fournissent une excellente illustration.
Dans les polysaccharides de structure et de stockage, les unités glucose sont reliées les unes aux autres par l'atome de carbone C1 d'une unité et l'atome de carbone C4 de l'unité voisine. Lors de la combinaison, un atome d'hydrogène est éliminé d'un côté et un groupe OH de l'autre côté et une molécule d'eau est formée. Ce processus est appelé condensation et les polymères résultants sont appelés polymères de condensation.
Une réaction de condensation (élimination d'une molécule d'eau) entre deux molécules de β-glucose. A l’extrémité libre de chaque molécule, ce processus peut être répété.
Chaque extrémité libre de la molécule est capable d'entrer à nouveau dans une réaction de condensation, entraînant la formation de chaînes étendues d'unités glucose dans lesquelles les groupes OH restants sont répartis autour des chaînes.
Élimination des molécules d'eau entre les atomes C1 et C4 de deux molécules de β-glucose adjacentes pour former une longue chaîne polymère de cellulose. La figure montre cinq unités de glucose.
Structure d'un tronçon d'une chaîne cellulosique. Les atomes d'oxygène connectés à chaque atome C1 (indiqués par des flèches) sont en position β, c'est-à-dire situés au-dessus de la surface de l'anneau de glucose à leur gauche dans chaque cas.
Bon nombre des propriétés du coton qui font son succès sont dues à la structure unique de la cellulose. De longues chaînes de cellulose sont étroitement liées pour former les fibres résistantes et insolubles dans l’eau qui constituent les parois cellulaires végétales. L'analyse par diffraction des rayons X et la microscopie électronique - les principales méthodes d'étude de la structure physique des substances - montrent que les chaînes de cellulose sont disposées en faisceaux. La forme de la liaison β permet aux chaînes de cellulose de s’empiler étroitement. Ces faisceaux se tordent et forment des fibres visibles à l'œil nu. À la surface des faisceaux se trouvent des groupes OH qui ne participent pas à la formation des chaînes cellulosiques, et ces groupes OH sont capables d'attirer les molécules d'eau. La cellulose peut donc capter l’eau, ce qui explique la grande capacité de sorption du coton et des autres produits à base de cellulose. L’affirmation selon laquelle « le coton respire » n’a rien à voir avec la ventilation, mais avec sa capacité à absorber l’humidité. Sous la chaleur, la sueur qui apparaît sur le corps est absorbée par les vêtements en coton et lorsqu'elle s'évapore, le corps se refroidit. Les vêtements en nylon ou en polyester n'absorbent pas l'humidité, la sueur ne quitte pas le corps et nous ressentons un inconfort.
Section de la chaîne du polymère structurel chitine, qui fait partie des coquilles de mollusques. Le groupe OH au niveau de l'atome C2 de chaque résidu glucose est remplacé par un groupe NHCOCH 3.
Champ de coton. Photo de Peter LeCoutere
Un exemple d’un autre polysaccharide structurel est la chitine, qui entre dans la composition des carapaces de crabes, de crevettes et de homards. La chitine, comme la cellulose, est un β-polysaccharide. Elle ne diffère de la cellulose que par le substituant sur l'atome de carbone C2 de chaque unité glucose : au lieu du groupe OH, il y a un groupe amide (NHCOCH 3). Ainsi, l'unité chitine est un résidu glucose avec un groupe NHCOCH 3 au niveau de l'atome de carbone C2. Cette molécule est appelée N-acétylglucosamine. Cette information n’intéressera peut-être pas tout le monde, mais si vous souffrez d’arthrite ou de toute autre maladie articulaire, ce nom devrait vous être familier. La N-acétylglucosamine et son composé apparenté, la glucosamine (tous deux dérivés de crustacés) sont de bons médicaments contre l'arthrite. Apparemment, ces substances stimulent le remplacement du tissu cartilagineux dans les articulations.
Les mammifères ne possèdent pas d'enzymes digestives capables de cliver les liaisons β dans les polysaccharides structuraux. Ils ne peuvent donc pas utiliser les polysaccharides structuraux comme source de nourriture, malgré le fait que les cellules végétales contiennent des milliards d'unités de glucose sous forme de cellulose. Cependant, certaines bactéries et protozoaires synthétisent des enzymes qui clivent ces liaisons et sont capables de séparer les chaînes polymères en leurs molécules de glucose constitutives. Ces micro-organismes vivent constamment dans le système digestif de certains animaux, permettant à leurs propriétaires de se nourrir de plantes. Par exemple, chez les chevaux, les bactéries vivent dans le caecum, une vaste extension située à la jonction de l’intestin grêle et du gros intestin. Les ruminants, qui comprennent les vaches et les moutons, ont un estomac à quatre chambres, dans une partie desquelles vivent des bactéries symbiotiques. Les vaches et les moutons régurgitent et mâchent parfois leur nourriture, une adaptation supplémentaire conçue pour augmenter l'efficacité du clivage des liaisons β.
Chez le lapin et certains autres rongeurs, les bactéries auxiliaires vivent dans le gros intestin. Étant donné que la majorité de l’absorption alimentaire se produit dans l’intestin grêle, qui précède le gros intestin, ces animaux obtiennent les produits du clivage de la liaison β en mangeant leurs propres excréments. Lorsque les nutriments traversent une seconde fois le système digestif, l’intestin grêle absorbe le glucose libéré lors du premier passage. Cela peut sembler une manière plutôt désagréable de résoudre le problème de l’orientation des groupes OH, mais ce système fonctionne plutôt bien. Certains insectes, notamment les termites, les fourmis charpentières et autres insectes xylophages, hébergent également des micro-organismes qui leur permettent de se nourrir de cellulose, avec des résultats parfois désastreux pour l'homme. Mais même pour nous, qui sommes incapables de digérer la cellulose, celle-ci reste un produit alimentaire important. Le fait est que les fibres végétales, constituées de cellulose et d’autres substances non digestibles, aident à déplacer les aliments dans le tube digestif.
Polysaccharides de stockage
Notre corps ne possède pas d’enzyme capable de briser les liaisons β, mais il existe une enzyme digestive qui détruit les liaisons α. Et les liaisons α, comme nous l’avons vu, se trouvent dans les polysaccharides de stockage tels que l’amidon et le glycogène. L’une des principales sources alimentaires de glucose, l’amidon, se trouve dans les racines, les tubercules et les graines de nombreuses plantes. Il se compose de deux polysaccharides légèrement différents, qui sont des polymères d'α-glucose. De 20 à 30 % de l'amidon est représenté par l'amylose - un polysaccharide non ramifié constitué de plusieurs milliers d'unités glucose reliées par l'atome C1 d'un résidu glucose et l'atome C4 d'un résidu adjacent. La seule différence entre la cellulose et l'amylose est que dans le premier cas, les résidus glucose sont reliés par une liaison β et dans le second par une liaison α. Cependant, les fonctions de la cellulose et de l’amylose sont complètement différentes.
Section de la chaîne amylose formée en combinant des résidus α-glucose pour libérer des molécules d'eau. Une liaison alpha dans la molécule signifie que l'atome d'oxygène (indiqué par la flèche) est situé sous la surface du cycle de glucose, qui implique l'atome C1.
L'amylopectine représente les 70 ou 80 % restants de la masse d'amidon. L'amylopectine est également constituée de longues chaînes d'α-glucose liées par des atomes C1 et C4, mais il s'agit d'une molécule ramifiée ayant des liaisons croisées entre l'atome C1 sur un résidu de glucose et l'atome C6 sur l'autre résidu. Ces liaisons croisées se produisent tous les 20 à 25 résidus de glucose. La présence de millions de résidus de glucose dans des chaînes interconnectées fait de l’amylopectine l’une des plus grosses molécules trouvées dans la nature.
Section de la structure de l'amylopectine. La flèche indique une réticulation entre l’atome C1 et l’atome C6, conduisant à la formation d’une structure ramifiée.
Les liaisons alpha de l’amidon nous permettent non seulement de le digérer, mais sont également responsables d’autres propriétés importantes de cette substance. Les chaînes d'amylose et d'amylopectine forment des hélices plutôt que des structures linéaires serrées comme dans la cellulose. Les molécules d'eau avec suffisamment d'énergie peuvent pénétrer à l'intérieur de la spirale, de sorte que l'amidon est soluble dans l'eau, mais pas la cellulose. Quiconque a manipulé l'amidon sait que sa solubilité dans l'eau dépend de la température. Si vous chauffez une suspension d'amidon dans l'eau, ses granules commencent à absorber plus d'eau et, à une certaine température, les molécules d'amidon se séparent, formant un réseau de longs fils répartis dans l'eau (ce qu'on appelle le gel). La suspension trouble devient plus claire et plus épaisse. Les chefs utilisent des féculents comme la farine, le tapioca et la fécule de maïs pour épaissir les sauces.
Dans les tissus animaux, les sucres sont stockés sous forme de glycogène, formé principalement dans les cellules du foie et des muscles squelettiques. Le glycogène est très similaire à l'amylopectine, mais les liaisons croisées entre les atomes C1 et C6 y sont plus fréquentes - tous les dix résidus de glucose. En conséquence, la molécule est très ramifiée. C’est extrêmement important pour les animaux, et voici pourquoi. Une chaîne droite n’a que deux extrémités, mais une chaîne ramifiée, constituée du même nombre d’unités glucose, a beaucoup plus d’extrémités. Lorsque vous avez besoin d'obtenir rapidement de l'énergie, vous pouvez cliver plusieurs résidus de glucose à plusieurs extrémités en même temps. Les plantes, contrairement aux animaux, n’ont pas besoin de dépenser soudainement de l’énergie pour échapper à des prédateurs ou pour chasser des proies. Le stockage d’énergie sous forme d’amylopectine faiblement ramifiée et d’amylose à chaîne droite est donc bien adapté aux processus métaboliques plus lents des plantes. Cette petite différence chimique, liée uniquement au nombre, pas même au type, des liaisons croisées, est à la base de l'une des différences les plus importantes entre les plantes et les animaux.
La nature de la ramification des chaînes polysaccharidiques de l'amidon (amylose et amylopectine) et du glycogène. Plus le polymère est ramifié, plus les extrémités de chaîne sont disponibles pour l'enzyme et plus le glucose est libéré rapidement.
Informations connexes.
Polysaccharides obtenu par polycondensation de monosaccharides. Formule générale ( C6H10O5)n. Les représentants les plus simples sont l'amidon et la cellulose.
L'amidon est produit lors de la photosynthèse et déposé dans les racines et les graines. C'est une poudre blanche, insoluble dans l'eau froide, mais qui forme une solution colloïdale dans l'eau chaude.
Amidon- un polymère naturel formé de résidus α -glucose. Il peut se présenter sous 2 formes : l'amylose et l'amyopectine.
Amylose est un polymère linéaire, soluble dans l'eau, dans lequel les résidus glucose sont liés par 1 et 4 atomes de carbone.
Une chaîne polymère linéaire est enroulée en spirale. Le complexe d'amylose et d'iode donne une couleur bleue. Cette réaction est qualitative pour la détection de l'iode.
L'amylopectine est insoluble dans l'eau et est ramifiée :
Propriétés chimiques des polysaccharides.
Lorsqu'il est chauffé dans un environnement acide, l'amidon subit une hydrolyse. Le produit final est du glucose :
Cette réaction est d'une importance industrielle.
Cellulose.
Cellulose est le principal produit des cellules végétales. Le bois est composé de cellulose, tandis que le coton et le lin contiennent presque 100 % de cellulose. Il s'agit d'un polymère naturel :
Propriétés chimiques de la cellulose.
1. La cellulose subit une hydrolyse dans un environnement acide lorsqu’elle est chauffée. Le produit final est du glucose.
2. La réaction de formation d'esters est caractéristique :
Le trinitrate de cellulose est une substance explosive à partir de laquelle on fabrique de la poudre à canon.
(C 6 H 10 O 5) n
(n varie de 100 à plusieurs milliers)
Les représentants les plus importants
Cellulose, amidon, glycogène
Structure cellulosique
La cellulose (fibre) est le polysaccharide le plus courant. Le bois contient environ 50 % de cellulose, tandis que le coton et le lin sont presque de la cellulose pure.
Les macromolécules de cellulose sont constituées d'un grand nombre (de plusieurs centaines à 10 à 14 000) de résidus β-glucose liés par des liaisons β-1,4-glycosidiques. Fragment biotique de cellulose :
Unité structurelle de cellulose :
Propriétés chimiques de la cellulose
1. Hydrolyse (en milieu acide)
2. Formation d'enzymes complexes
(Le trinitrate de cellulose est la base de la poudre sans fumée.)
(Triacétate de cellulose - matière première pour la production de fibres d'acétate)
3. Combustion
(C 6 H 10 O 5) n + 6nO 2 → 6nCO 2 + 5nH 2 O
La structure de l'amidon
L'amidon est un polysaccharide végétal constitué de deux fractions : l'amylopectine et l'amylose.
Les macromolécules d'amylose ont une structure linéaire et sont constituées d'un grand nombre de résidus α-glucose liés par des liaisons α-1,4-glycosidiques. Le poids moléculaire de l'amylose varie de 150 000 à 500 000.
Fragment biologique d'amylose :
Les macromolécules d'amylopectine sont très ramifiées et constituées de fragments d'amylose (environ 20 résidus monosaccharides) interconnectés par des liaisons α-1,6-glycosidiques. Poids moléculaire 10 6 -10 9.
Fragment de macromolécule d'amylopectine :
Propriétés chimiques de l'amidon
1. Hydrolyse (acide ou enzymatique)
2. Réaction qualitative à l'amidon
(C 6 H 10 O 5) n + I 2 → Le complexe d'adsorption de l'amylose avec l'iode est bleu.
Glycogène
Il s'agit d'un polysaccharide animal qui a une structure similaire à celle de l'amylopectine, mais qui en diffère par ses chaînes plus ramifiées et son poids moléculaire plus élevé.