Glucides 3 - Polysaccharides 3C - Polysaccharides de structure

3C - Polysaccharides de structure


3C - 1 - Cellulose

Chez les végétaux, la cellulose est l'un des principaux polysaccharides pariétaux (polysaccharides constitutifs de la paroi végétale). A ce titre, c'est incontestablement le biopolymère le plus abondant de la biosphère. La cellulose constitue également un revètement extracellulaire chez quelques animaux invertébrés appelés tuniciers. Les champignons (incluant les levures) construisent leurs parois extracellulaires avec d'autres glucanes de type b(13) ou b(16), aux propriétés très proches de celles de la cellulose.

Dans la paroi végétale, la cellulose est étroitement associée à d'autres polysaccharides de structure : les hémicelluloses et les pectines.

S'informer sur les hémicelluloses et les pectines
Quelques exemples illustrent la diversité structurale de ces molécules.


La cellulose est un polymère linéaire de glucose.

Dans la cellulose, les liaisons glucosidiques sont de type b(14), ce qui limite significativement les possibilités de rotation des résidus consécutifs (3A - 2 - Structures de polysaccharides). En comparaison avec l'amylose (3B - 1 - Amidon), ces liaisons résultent en une conformation rigide beaucoup plus étirée, dans laquelle chaque résidu est retourné d'environ 180° par rapport à ses voisins.

Structure de la cellulose
La cellulose est un glucane linéaire, formé d'une chaîne de résidus de D-glucopyranose liés en b(14). Observer le retournement à 180° de deux résidus consécutifs, imposé par la configuration anomérique.

La structure secondaire de la cellulose peut s'assimiler à une hélice à 2 résidus par tour, avec un pas de 1,04 nm et une translation axiale de 0,52 nm par résidu. Les molécules de cellulose varient fortement en longueur, de 300 à plus de 10 000 résidus (un peu plus de 10 micromètres de longueur !!).

Dimensions de la chaîne de cellulose
Le même fragment de cellulose est illustré en mode squelette (en haut) et compact (en bas). Noter le retournement à 180° de chaque résidu par rapport à ses voisins. Cet arrangement des résidus est favorisé par la configuration anomérique b.

La structure tertiaire de la cellulose est une association parallèle des chaînes polysaccharidiques en microfibrilles de 5-12 nanomètres de diamètre. Ici, parallèle signifie non seulement que les chaînes courent parallèlement les unes à côté des autres, mais aussi que leur orientation (extrémité non réductriceextrémité réductrice) est la même. Chaque microfibrille est un faisceau formé par l'association de 30-60 chaînes individuelles, disposées en plans superposés. Un jeu important de liaisons hydrogène à l'intérieur et entre les chaînes de cellulose stabilise l'ensemble, et lui confère une grande résistance mécanique, en adéquation avec son rôle de squelette extracellulaire. Ces microfibrilles sont le constituant principal de la paroi végétale primaire.

Microfibrille de cellulose
Les chaînes de cellulose parallèles forment des plans superposés. De nombreuses liaisons hydrogène entre les résidus d'une même chaîne, entre les résidus de chaînes voisines dans un même plan, et entre résidus des plans superposés viennent stabiliser l'ensemble.

Dans la paroi secondaire qui caractérise les cellules végétales en fin de différenciation, les microfibrilles sont regroupées en faisceaux plus épais dits macrofibrilles. La paroi secondaire peut faire plusieurs fois l'épaisseur de la paroi primaire, et elle est souvent constituée de couches dans lesquelles les macrofibrilles ont des orientations préférentielles.


Les fibres de cellulose sont insolubles dans l'eau, très résistantes et très rigides.

L'implication de pratiquement tous les groupes hydroxyles de la cellulose dans des liaisons hydrogène intra- et intermoléculaires conduit à une structure semi-cristalline insoluble dans l'eau. Le coton naturel, qui contient 94-98% de cellulose, est hydrophobe et ne devient le coton hydrophile d'usage médical qu'après traîtement chimique. Le bois est fait pour moitié de cellulose. Sa transformation en papier hydrophile nécessite la dissociation mécanique et l'hydrolyse partielle des fibres.

En raison de sa résistance à l'étirement, la cellulose naturelle entre dans la composition de matériaux composites comme les vitres de sécurité. Une mince couche de cellulose collée entre deux plaques de verre empèche l'éclatement des vitres sous l'effet de chocs, sans en altérer la transparence.

Le nitrate de cellulose est un explosif (fulmicoton) utilisé en remplacement de la poudre à canon pendant la première guerre mondiale. C'est aussi un composé thermoplastique (modelable à chaud) utilisé par exemple en remplacement de l'ivoire d'éléphant dans la fabrication d'objets de luxe. Du fait de son inflammabilité, on lui préfère l'acétate ou le xanthate de cellulose (rayonne) dans l'industrie textile et la confection. L'acétate de cellulose est aussi utilisé dans la fabrication des pellicules photographiques et des films.

D'autres modifications chimiques rendent la cellulose hydrophile. L'hydroxyéthyl cellulose correspond à la substitution des hydroxyles en hydroxyéthyl éthers (-O-CH2-CH2-OH) très encombrants, qui empèchent la reformation de la structure cristalline de la cellulose naturelle, et préservent de ce fait la solubilité des molécules. On l'utilise en industrie cosmétique (shampoings) et dans l'industrie pharmaceutique (laxatifs).


Tout le monde ne peut pas digèrer la cellulose.

Les enzymes digestives qui catalysent l'hydrolyse des liaisons a(14) glucosidiques (3B - 1 - Amidon) ne catalysent pas l'hydrolyse des liaisons b-glucosidiques. L'homme et les autres animaux, qui peuvent utiliser l'amidon, le glycogène, le lactose et le saccharose comme sources de carbone et d'énergie, ne peuvent pas eux-même métaboliser la cellulose, car ils ne possèdent pas les enzymes nécessaires. Les ruminants, comme la vache et le mouton, ont dans leur rumen (estomac compartimenté) des microorganismes qui produisent des b-glucosyl hydrolases (cellulases). Ils peuvent donc obtenir le glucose à partir de l'herbe et d'autres plantes qui sont riches en cellulose. Il en va de même pour des insectes xylophages (termites).


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