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1 ECU 2 : VALORISATION DES SUBSTANCES NATURELLES : CAS DES METABOLITES SECONDAI

1 ECU 2 : VALORISATION DES SUBSTANCES NATURELLES : CAS DES METABOLITES SECONDAIRES 2 OBJECTIFS PÉDAGOGIQUES -Connaitre la définition des différents types de métabolites; -Identifier les grands groupes de métabolites secondaires; -Savoir l’importance des métabolites secondaires dans la fabrication des médicaments; -Donner les étapes de l’étude pharmacologique de substances naturelles et leur application; -Connaitre les méthodes de conservation des substances naturelles PLAN DU COURS INTRODUCTION I- DEFINITIONS CHAP I: INTERET DES METABOLITES SECONDAIRES II- Les grands groupes de métabolites 2aires II.1- Les terpénoïdes II.2- Les alcaloïdes II.3- Les composés phénoliques CHAP II: UTILISATION PHARMACOLOGIQUE ET CONSERVATION DES SUBSTANCES NATURELLES I- Utilisation pharmacologique des substances naturelles II- Conservation des substances naturelles CONCLUSION 3 INTRODUCTION Les substances naturelles et les métabolites secondaires produits ont ouvert et ouvrent encore des potentialités considérables à valoriser : - Molécules d’intérêt pharmacologique, agronomique et cosmétique, - Outils moléculaires pour l’exploration du monde vivant, - Médiateurs chimiques pour la compréhension des interactions entre les organismes vivants dans les écosystèmes Le terme « Substance Naturelle » inclut: -les métabolites secondaires de faibles masses moléculaires (alcaloïdes, terpénoïdes, polyphénols…), -les substances de hautes masses (peptides, protéines, acides nucléiques, polysaccharides) -les biomatériaux. Un intérêt doit être porté aux métabolites secondaires, au regard du développement de la chimie, de la biologie, de la pharmacie et de nombreuses autres disciplines scientifiques. DÉFINITIONS 1- Métabolisme : c’ est l'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent au sein d'un être vivant pour lui permettre notamment de se maintenir en vie, de se reproduire, de se développer et de répondre aux stimuli de son environnement. 2- Métabolite est un composé organique intermédiaire ou issu du métabolisme. On réserve ce terme en général aux petites molécules et aux monomères, par opposition aux macromolécules. Ainsi, le glucose est un métabolite, contrairement au glycogène, qui est un polysaccharide de poids moléculaire très élevé. a- Les métabolites primaires sont indispensables à la nutrition, assurent la croissance, le développement d'un organisme. Les métabolites primaires rassemblent les acides aminés, les lipides, les sucres ou les acides nucléiques, par exemple. b- Les métabolites secondaires sont des produits de la phase obscure (cycle de Calvin) de la photosynthèse. Ce sont des molécules qui, par exclusion, n'appartiennent pas au métabolisme primaire. 4 Les métabolites secondaires sont historiquement plus spécifiques aux plantes, bactéries et champignons, mais on découvre également des métabolites spécifiques à certains groupes d’animaux, que l'on peut donc qualifier des métabolites secondaires. On les retrouve dans des compartiments particuliers ou à des moments précis de la vie. Contrairement aux métabolites primaires, les métabolites secondaires ne participent pas directement à l’assimilation des nutriments et donc, au développement de l'organisme (la plante, typiquement). Cependant, ces composés ne sont pas totalement différents des métabolites primaires. En effet, ils dérivent parfois des mêmes voies de biosynthèse et certains, comme la chlorophylle et la lignine ont des fonctions indispensables pour la croissance de la plante, et pourraient donc faire partie des métabolites primaires. À ce jour, plus de 100 000 métabolites secondaires ont été identifiés et on estime que chaque végétal produit au moins une centaine de molécules différentes. Les métabolites secondaires participent à la vie de relation de la plante (ou de leur organisme hôte), et ils ont des rôles très variés. Ils peuvent servir de défense (sécrétions amères ou toxiques pour les prédateurs) ou au contraire, attirer certaines espèces ayant des rôles bénéfiques (pollinisateurs). Ils peuvent également permettre la communication entre les plantes, par des messages d’alerte par exemple, ou faire partie de la structure de la plante (tanins et lignine). 5 CHAPITRE I : INTERET DES METABOLITES SECONDAIRES : origine et rôle 6 Les groupes de métabolites secondaires On distingue classiquement trois grandes catégories de métabolites secondaires chez les végétaux : • les alcaloïdes et composés azotés • les composés phénoliques • les composés terpéniques A ces groupes, on ajoute • les hétérosides, constitués de dérivés glycosylés de composés terpéniques, phénoliques et plus rarement d’alcaloïdes. Ces glycosylations affectent largement leurs propriétés biochimiques (dont l’extractibilité dans différents solvants) mais également leurs effets biologiques (toxicité, propriétés pharmacologiques). • les molécules désignées sous le terme de « composés mixtes » ou « composés d’origine mixte », qui correspondent à des condensations de molécules provenant des catégories citées plus haut. Mais souvent, les composés mixtes peuvent être rattachés à l’une des catégories précédentes. I- LES TERPENOÏDES I.1- Origine et localisation Les terpénoïdes sont des molécules à nombre de carbones multiple de 5, et dont le précurseur est l’isopentényl diphosphate ou IPP. Ce sont des lipides synthétisés à partir de l’acétyl-CoA, ce sont donc des molécules hydrophobes. Il existe 20 000 molécules connues avec comme motif commun cette base isoprène. Les terpénoïdes sont stockés dans les vacuoles au niveau de l'écorce, des épines, des racines ou encore des feuilles. On en retrouve également dans le latex. I.1.1- Isopentényl diphosphate ou pyrophosphate - Formule brute: C5H12O7P2 - Formule semi-développée: CH2=C(CH3)–CH2–CH2–O–POO––O–PO(O–)2 7 - Formule développée: I.1.2- Biosynthèse de l’isopentényl pyrophosphate I.2- Classification des composés terpéniques La classification des terpenoïdes repose sur le nombre d’unités terpéniques C5 : hémiterpènes (une unité isoprène) C10 : monoterpènes (deux unités isoprène) C15 : sesquiterpènes (trois unités isoprène) C20 : diterpènes (quatre unités isoprène) C30 : triterpènes C40 : tetraterpènes (caroténoïdes) C45 et C50 : queues terpéniques des molécules d’ubiquinone et de plastoquinones; Au-delà : polyterpènes (caoutchouc…) 8 Certains composés importants sont des produits du catabolisme des terpènes, par exemple certains arômes de la tomate et l’acide abscissique (une hormone en C15 de réponse au stress hydrique, très importante chez les plantes) sont des produits du catabolisme de caroténoïdes (C40). ISOPRENE Formule brute: C5H8 Formule développée : Exemples des terpénoides : Unité de base C5: isoprène C10 Monoterpènes (ex: limonène) C40 Tetraterpènes (ex: β-carotène) OH <300 OH <300 Polyterpènes (ex: caoutchouc) 9 I.2.1- Monoterpènes Ce sont des composés à 10 carbones. Ils sont souvent volatils, aromatiques (sens olfactif) et biologiquement actifs (bactériostatiques, signalisation plantes- insectes). Ils sont largement présents dans les résines et les huiles essentielles. On distingue les monoterpènes linéaires, des monoterpènes monocycliques et bicycliques I.2.2- Sesquiterpènes Ce sont des composés à 15 carbones. Ils sont universellement présents chez les végétaux ; C sont les sesquiterpène linéaires. Exemple : le farnésol présent dans de nombreuses huiles essentielles, abondamment utilisé en parfumerie. Les sesquiterpènes monocycliques et polycycliques (exemple : le caryophyllène), un sesquiterpène bicyclique en partie responsable du piquant du poivre. Monoterpènes monocycliques Monoterpène bicyclique 10 I.2.3- Diterpènes Ce sont des composés terpéniques à 20 carbones. Ex: dérivés diterpènes: queue phytol des chlorophylles a et b résidus terpéniques du tocophérol (vitamine E) et de la phylloquinone (vitamine K1). I.2.4- Triterpénoïdes Ce sont des composés dérivés d’une unité à 30 carbones: le squalène. - En fonction du nombre de cycles, les monoterpènes pentacycliques, des monoterpènes stéroïdiens (tétracycliques). - Les composés stéroïdiens sont largement représentés dans le monde animal, - De nombreux phytostérols sont spécifiques des végétaux: saponosides et cardénolides Les stéroïdes Les stéroïdes sont des triterpénoïdes représentant une importante catégorie de lipides, présents dans le règne animal et végétal (le cholestérol, les vitamines D, les hormones sexuelles : œstrogène et progestérone, testostérone et androstérone...). NB : Une molécule de stéroïde se compose toujours de trois cycles hexagonaux (A, B et C) et d'un cycle pentagonal (D). Squalène 11 Exemples de Stéroïdes : I.2.4- Tétraterpènes Ce sont des composés terpénoïdes à 40 atomes de carbones. C’est le groupe des caroténoïdes - Exemple: le bêta-carotène: pigment photosynthétique majeur, le lycopène de la tomate pigment aux propriétés anti-oxydantes. Formule générale d’une molécule de stéroïde Progestérone Œstradiol 12 I.3- Rôles pour la plante Les terpénoïdes sont pour la plupart des anti-herbivores. Ils ont des effets différents selon la plante, ils peuvent provoquer des convulsions, des allergies de la peau. Ils ont un goût amer et peuvent également inhiber les microsymbioses de l’appareil digestif. Les terpénoïdes contenus dans le latex sont utiles à la plante pour lutter contre les prédateurs. En effet, quand des insectes, comme les chenilles, pénètrent dans l’écorce d’un arbre producteur de latex, celui-ci va réagir en leur envoyant un gel collant. Celui-ci empêche les insectes de se nourrir et ces derniers finissent par mourir de faim. Les terpénoïdes sont également utiles au développement de la plante : • Les brassinostéroïdes stimulent la croissance des feuilles. • Les gibbérellines (diterpènes) sont des hormones végétales impliquées dans beaucoup de réponses de la plante. Elles provoquent aussi un allongement de la tige et favorisent la floraison. • Les caroténoïdes : ils sont impliqués dans la photosynthèse et l'aspect coloré des végétaux (carotte, tomate,...), mais sont aussi précurseurs d'hormones végétales (ABA et strigolactones). • Les huiles essentielles ont une fonction de défense contre les herbivores et les insectes. I.4- Utilisations par l'Homme De nombreux terpénoïdes ont la particularité de dégager de fortes odeurs. Ce sont le menthol et le limonène qui permettent la fabrication d’huiles essentielles. Ils sont utilisés comme antiseptiques et dans certains domaines comme la cosmétique. D’autres terpénoides ont des effets pharmacologiques et sont utilisés en industrie. Ce sont : - Le taxol, extrait de uploads/Ingenierie_Lourd/ cm-val-des-subst-nat-19-20-etud-l3-bioch-gene-1.pdf