Structure 3D de la cellulose.

Le polysaccharide est l’un quelconque d’une classe de glucides relativement complexes, de poids moléculaire élevé, consistant en de longues chaînes de nombreux monosaccharides reliés entre eux par des liaisons glycosidiques. Ces macromolécules très grandes, souvent ramifiées, sont généralement considérées comme ayant plus de dix résidus de monosaccharides et il y a souvent des centaines de monosaccharides liés. Leur formule générale est Cn(H2O)m, n étant généralement compris entre 200 et 2500. Les polysaccharides bien connus comprennent les polysaccharides de stockage comme l’amidon et le glycogène et les polysaccharides structurels comme la cellulose et la chitine.

Les polysaccharides sont essentiellement des polymères dans lesquels les monosaccharides sont reliés par des liaisons glycosidiques au fur et à mesure que l’eau est éliminée. Lors de l’hydrolyse, les polysaccharides sont décomposés en monosaccharides tels que le glucose, le ribose et le fructose. Lorsque tous les monosaccharides d’un polysaccharide sont du même type, comme le glucose, le polysaccharide est appelé homopolysaccharide, mais lorsque plus d’un type de monosaccharide est présent, ils sont appelés hétéropolysaccharides.

Les polysaccharides jouent une grande variété de rôles importants dans la nature. La capacité de l’amidon et du glycogène à être décomposés en sucres simples leur permet de servir d’importantes formes de stockage du glucose chez les plantes et les animaux, respectivement, et la stabilité des liaisons dans la cellulose et la force des liaisons dans la chitine en font d’excellents composants structurels des plantes et des arthropodes, respectivement. L’inuline est utilisée par certaines plantes comme moyen de stockage de l’énergie.

Vue d’ensemble

Les polysaccharides sont l’une des quatre classes de glucides, qui sont à leur tour des molécules biologiques contenant principalement des atomes de carbone (C) flanqués d’atomes d’hydrogène (H) et de groupes hydroxyle (OH) (H-C-OH). Les glucides les plus simples sont les monosaccharides, qui sont des monomères – tels que les sucres simples glucose, ribose et – à partir desquels les glucides plus importants sont construits. Lorsque deux monosaccharides sont liés entre eux par des liaisons covalentes, on parle de disaccharides. Les oligosaccharides sont constitués de plus de 3 et généralement de dix (ou peut-être 20) monosaccharides. Les polysaccharides sont des chaînes encore plus grandes de monosaccharides. Ainsi, certains glucides sont petits avec des poids moléculaires inférieurs à cent, alors que d’autres sont de véritables macromolécules avec des poids moléculaires de plusieurs centaines de milliers.

Dans un monosaccharide, les proportions relatives de carbone, d’hydrogène et d’oxygène sont de 1:2:1, et la formule est donc C(H2O). Dans les disaccharides, les oligosaccharides et les polysaccharides, les proportions molaires s’écartent légèrement de la formule générale car deux hydrogènes et un oxygène sont perdus au cours de chacune des réactions de condensation qui les forment. Ces glucides ont la formule plus générale Cn(H2O)m. Typiquement, dans les polysaccharides, le n est un grand nombre compris entre 200 et 2500. Si l’on considère que les unités répétitives du squelette du polymère sont souvent des monosaccharides à six carbones, la formule générale peut également être représentée par (C6H10O5)n où n={40…3000}.

Les polysaccharides sont des polymères. Un polymère est une grande molécule (macromolécule) composée d’unités structurelles répétitives généralement reliées par des liaisons chimiques covalentes. Dans le cas des polysaccharides, la liaison chimique est une liaison glycosidique. Essentiellement, les disaccahrides, les oligosaccharides et les polysaccharides sont formés par une réaction de condensation dans laquelle, en combinant les unités monosaccharides, il y a une perte d’hydrogène (H) d’une molécule et d’un groupe hydroxyle (OH) de l’autre et une liaison glycosidique formée.

Lorsque les molécules de glucose forment une liaison glycosidique, la liaison sera de deux types, α ou β, selon que la molécule qui lie son carbone 1 est un α-glucose ou un β-glucose. Dans la configuration alpha, l’atome d’oxygène est situé sous le plan du cycle du sucre. Ces différentes liaisons forment des composés aux caractéristiques différentes. L’amidon est un polysaccharide de glucose avec des liaisons α-1,4 glycosidiques (dans lesquelles le carbone-1 d’une molécule de sucre est lié au carbone-4 de la molécule adjacente). Le glycogène est un polysaccharide hautement ramifié de glucose avec des liaisons α-glycosidiques. La cellulose est un polysaccharide non ramifié de glucose avec des liaisons β-1,4 glycosidiques qui sont chimiquement très stables. (A

Les polysaccharides sont de très grandes macromolécules, souvent ramifiées. Ils ont tendance à être amorphes, insolubles dans l’eau et n’ont pas de goût sucré (Campbell et al. 2006).

Polysaccharides de stockage

Earches

Les amidons sont des polymères de glucose dans lesquels les unités de glucopyranose sont liées par des liaisons alpha. Ils sont constitués d’un mélange d’amylose (15 à 20 %) et d’amylopectine (80 à 85 %). L’amylose et l’amylopectine sont toutes deux des polymères de glucose liés principalement par des liaisons α(1→4). L’amylose est constituée d’une chaîne linéaire de plusieurs centaines de molécules de glucose et l’amylopectine est une molécule très ramifiée composée de plusieurs milliers d’unités de glucose, la ramification s’effectuant par des liaisons α(1→6) toutes les 24 à 30 unités de glucose. Le pourcentage d’amylose et d’amylopectine varie en fonction de la source ; par exemple, le pourcentage d’amylopectine est plus élevé dans le riz à grains moyens et les pommes de terre cireuses, mais plus faible dans le riz à grains longs et les pommes de terre roussâtres.

La formation des amidons est le moyen par lequel les plantes stockent le glucose. Les amidons sont insolubles dans l’eau. Ils peuvent être digérés par hydrolyse, catalysée par des enzymes appelées amylases, qui peuvent briser les liaisons alpha (liaisons glycosidiques). Les humains et d’autres animaux possèdent des amylases, ce qui leur permet de digérer les amidons. La pomme de terre, le riz, le blé et le maïs sont les principales sources d’amidon dans l’alimentation humaine.

Glycogène

Le glycogène est la principale forme de stockage du glucose dans les cellules animales. Le glycogène est un polymère hautement ramifié d’environ 30 000 résidus de glucose et d’un poids moléculaire compris entre 106 et 107 daltons. La plupart des résidus de glucose sont liés par des liaisons α-1,4 glycosidiques. Environ un résidu de glucose sur dix forme également une liaison α-1,6 glycosidique avec un glucose adjacent, ce qui entraîne la création d’une branche. Le glycogène n’a qu’une seule extrémité réductrice et un grand nombre d’extrémités non réductrices avec un groupe hydroxyle libre au carbone 4. Les branches augmentent la solubilité du glycogène

Polysaccharides structurels

Cellulose

Les composants structurels des plantes sont formés principalement de cellulose. La cellulose est de loin le composé organique (contenant du carbone) le plus abondant sur Terre. Le bois est constitué en grande partie de cellulose et de lignine, tandis que le papier et le coton sont constitués de cellulose presque pure. La cellulose est un polymère composé d’unités répétées de glucose liées entre elles par des liaisons bêta. En raison de la stabilité de ses liaisons β-glycosidiques, la cellulose est un excellent matériau structurel qui peut résister à des conditions environnementales difficiles. L’homme et de nombreux autres animaux ne possèdent pas d’enzyme permettant de rompre les liaisons bêta et ne peuvent donc pas digérer la cellulose. Certains animaux peuvent digérer la cellulose, car des bactéries possédant l’enzyme sont présentes dans leur intestin. L’exemple classique est le termite.

Chitine

La chitine est un polysaccharide dur et semi-transparent qui sert de composant principal aux exosquelettes des arthropodes (comme les crustacés et de nombreux insectes) et aux parois cellulaires de certains champignons, entre autres endroits. La chitine est construite à partir d’unités de N-acétylglucosamine. Celles-ci sont liées entre elles en β-1,4 de manière similaire aux unités de glucose qui forment la cellulose. En fait, la chitine peut être décrite comme de la cellulose avec un groupe hydroxyle sur chaque monomère remplacé par un groupe acétylamine. Cela permet d’augmenter la liaison hydrogène entre les polymères adjacents, donnant au polymère une résistance accrue.

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 polysaccharides bactériens représentent une gamme variée de macromolécules qui incluent le peptidoglycane, les lipopolysaccharides, les capsules et les exopolysaccharides ; des composés dont les fonctions vont des composants structurels de la paroi cellulaire (tels que le peptidoglycane), et des facteurs de virulence importants (par exemple la Poly-N-acétylglucosamine chez S. aureus), à permettre à la bactérie de survivre dans des environnements difficiles (par exemple, Pseudomonas aeruginosa dans le poumon humain). La biosynthèse des polysaccharides est un processus étroitement régulé, à forte intensité énergétique, et la compréhension de l’interaction subtile entre la régulation et la conservation de l’énergie, la modification et la synthèse des polymères, et les fonctions écologiques externes constitue un énorme domaine de recherche. Les bénéfices potentiels sont énormes et devraient permettre, par exemple, le développement de nouvelles stratégies anti-bactériennes (comme de nouveaux antibiotiques et s) et l’exploitation commerciale pour développer de nouvelles applications (Ullrich 2009 ; Rehm 2009).

Polysaccharides de la capsule bactérienne

Les bactéries pathogènes produisent couramment une couche épaisse, semblable à un mucus, de polysaccharide. Cette “capsule” camoufle les protéines antigéniques de 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 un poids moléculaire de l’ordre de 100 à 1000 kDa. Ils sont linéaires et consistent en des sous-unités se répétant régulièrement de un à environ six monosaccharides. Il existe une énorme diversité structurelle ; près de deux cents polysaccharides différents sont produits par la seule bactérie E. coli. 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 comme une adaptation évolutive pour les aider à adhérer aux surfaces et les empêcher de se dessécher. Les humains ont développé certains de ces polysaccharides en produits utiles, notamment la gomme xanthane, le dextran, la gomme gellane et le pullulan.

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 et forment des composants structurels des biofilms. Ces polysaccharides sont synthétisés à partir de précurseurs activés par des 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 complet sont codées par des gènes organisés en groupes dédiés dans le 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 (homopolymérique) et de la bande B (hétéropolymérique) ont été identifiées et les voies métaboliques définies (Guo et al. 2008). L’exopolysaccharide alginate est un copolymère linéaire de résidus d’acide D-mannuronique et d’acide L-guluronique liés en β-1,4, et est responsable du phénotype mucoïde de la mucoviscidose à un stade avancé. Les loci pel et psl sont deux groupes de gènes récemment découverts qui codent également pour des exopolysaccharides considérés comme importants pour la formation de biofilms. 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 encore bien compris. La glycosylation des protéines, en particulier de la piline et de la flagelline, fait l’objet de recherches récentes de la part de plusieurs groupes et il a été démontré qu’elle est importante pour l’adhésion et l’invasion pendant l’infection bactérienne (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson, et R. J. Heyden. 2006. Biologie : Exploring Life. Boston, MA : Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas : Génomique et biologie moléculaire, 1ère édition. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song, et P. G. Wang. 2008. Compréhension actuelle de la biosynthèse des polysaccharides microbiens. Curr Top Med Chem 8(2) : 141-51. PMID 18289083. Consulté le 2 février 2009.
• Rehm, B. H. A. (ed.). 2009. Production microbienne de biopolymères et de précurseurs de polymères : Applications et perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Les polysaccharides des micro-organismes, des plantes et des animaux. Pages 1-19 dans E. J. Vandamme, Biopolymères, Volume 5, Polysaccharides I : Polysaccharides from Prokaryotes. Weiheim : Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Polysaccharides bactériens : Innovations actuelles et tendances futures. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.