# Biochimie des cyclitols*

Par TH. POSTERNAK

Laboratoire de Chimie biologique et organique spéciale de l'Université de Genève

## Généralités

On entend par cyclitols des polyalcools isocycliques. Leurs représentants naturels (tableau I) sont tous des dérivés du cyclohexane. Le plus répandu et le plus important de tous les cyclitols est le méso- ou myo-inositol, qui semble être un composant obligatoire de la matière vivante.

<figure><img src="image_1.png" /><figcaption>Tableau I. Cyclitols naturels</figcaption></figure>

## Oxydations microbiologiques

Des oxydations microbiologiques de cyclitols en cétoses cycliques (cycloses) ont été effectuées le plus fréquemment au moyen d'Acetobacter suboxydans. Toutes les souches étudiées contiennent des déshydrogénases qui s'attaquent aux cyclitols inférieurs (possédant au maximum 3 OH voisins); certaines souches possèdent en outre des ferments qui utilisent comme substrats des cyclitols supérieurs contenant plus de 3 OH voisins<fnref n="1" />,<fnref n="2" />.

Déshydrogénases des cyclitols inférieurs<fnref n="1" />,<fnref n="2" />. On distingue parmi ces ferments :

1. des déshydrogénases «acides» particulaires, de pH optimum 5,0, non activées par le DPN ou le TPN, activées par Mg⁺⁺ 5·10⁻³ jusqu'à 1·10⁻<fnref n="2" /> M.

2. Des déshydrogénases «alcalines», solubles, de pH optimum 8,0, activées par le DPN ou le TPN, non activées par Mg⁺⁺.

<footnote>* Résumé d'une conférence faite le 23 février 1966 devant la Section de Chimie de la Société Vaudoise des Sciences naturelles à Lausanne.</footnote>

<footnote n="1">¹ A. RAPIN, Thèse, Université de Lausanne (1958).</footnote>

<footnote n="2">² A. L. HAENNI, Thèse, Université de Genève, n° 1336 (1962).</footnote>
Les enzymes particulaires «acides» s'attaquent aux carbones de configuration D, les enzymes solubles «alcalins» aux carbones de configuration L. Les déshydrogénations, par les ferments «acides» et «alcalins», du cyclohexanediol-1,2 *cis* ou du cyclohexane-diol-1,2 *trans* racémique fournissent ainsi des cyclohexanolones-1,2 énantiomères (tableau II).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Tableau II. Déshydrogénations de cyclitols inférieurs</figcaption></figure>

**Déshydrogénases des cyclitols supérieurs.** Ce sont des ferments particulaires, de pH optimum 6,5, non activés par le DPN ou le TPN, activés par Mg<sup>++</sup> 5·10<sup>-3</sup> jusqu'à 1·10<sup>-2</sup> M. Ils ont été étudiés chez *Acetobacter suboxydans* ATCC 621<sup>3,4,5</sup> et chez *Acetobacter suboxydans* KLUYVER et DE LEEUW<sup>1,6,7</sup>. Ces ferments sont remarquables par leurs exigences conformationnelles. Ils s'attaquent uniquement aux carbones porteurs d'hydroxyles axiaux; la souche ATCC 621 a encore d'autres exigences : présence de OH équatorialauf *para* et *en méta* (dans le sens contraire des aiguilles d'une montre lorsque le OH axial est dirigé vers le haut).

## Biosynthèses des cyclitols

Certains cyclitols sont interconvertibles *in vivo*. Chez le rat, le méso-inositol-14C et le scyllitol-14C sont ainsi interconvertibles ; le produit intermédiaire est probablement le méso-inosose-2<sup>8</sup>. Ce cyclose administré sous forme radioactive à l'animal est en effet transformé en scyllitol et en ms-inositol avec un rendement radioactif global atteignant 60%. Chez la plante supérieure *Calicanthus occidentalis*, la biosynthèse du scyllitol a lieu par la même voie<sup>9</sup>. Le méso-inositol est également la

substance mère du (+)-inositol et du (-)-inositol pré-sents respectivement chez *Trifolium incarnatum*<sup>10</sup> et chez *Artemisia vulgaris* ou *A. dracunculus*<sup>11</sup>; ici encore, la conversion se fait probablement par l'intermédiaire des inososes correspondants (tableau III)<sup>11a</sup>.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Tableau III. Interconversions de cyclitols</figcaption></figure>

Le méso-inositol lui-même prend naissance dans la nature suivant un mécanisme déjà proposé en 1887 par MAQUENNE<sup>12, 13</sup>, impliquant une aldolisation interne (tableau IV). Des essais effectués avec des glucoses marqués au moyen de 14C en C-1, C-2 et C-6, ont conduit à du ms-inositol dont la localisation isotopique est compatible avec un tel processus. Des systèmes enzymatiques effectuant de telles synthèses ont été obtenus à partir de la levure *Candida utilis*<sup>14</sup> et des testicules de rats<sup>15</sup>. La nécessité de la présence de DPN rend probables des oxydo-réductions conformément au schéma du tableau V. Seuls les composés (1) et (2) ont pu être mis en évidence. Il est possible qu'il existe dans la nature d'autres modes d'inositogenèse.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Tableau IV. Cyclisation du D-glucose</figcaption></figure>

<footnote n="3"><sup>3</sup> B. MAGASANIK et E. CHARGAFF, *J. Biol. Chem.* **174** (1948) 173.</footnote>

<footnote n="4"><sup>4</sup> B. MAGASANIK, R. E. FRANZL et E. CHARGAFF, *J. Amer. Chem. Soc.* **74** (1952) 2618.</footnote>

<footnote n="5"><sup>5</sup> L. ANDERSON, R. TAKEDA, S. J. ANGYAL et D. J. MCHUGH, *Arch. Biochem. Biophys.* **78** (1958) 518.</footnote>

<footnote n="6"><sup>6</sup> TH. POSTERNAK et D. REYMOND, *Helv. Chim. Acta* **36** (1953) 260.</footnote>

<footnote n="7"><sup>7</sup> TH. POSTERNAK, A. RAPIN et A. L. HAENNI, *Helv. Chim. Acta* **40** (1957) 1594.</footnote>

<footnote n="8"><sup>8</sup> TH. POSTERNAK, W. H. SCHOPFER, B. KAUFMANN-BOETSCH et S. EDWARDS, *Helv. Chim. Acta* **46** (1963) 2676.</footnote>

<footnote n="9"><sup>9</sup> R. SCHOLDA, G. BILLEK et O. HOFFMANN-OSTENHOF, *Z. physiol. Chem.* **339** (1964) 28.</footnote>

<footnote n="10"><sup>10</sup> R. SCHOLDA, G. BILLEK et O. HOFFMANN-OSTENHOF, *Z. physiol. Chem.* **335** (1964) 180.</footnote>

<footnote><sup>11a</sup> En réalité, la biosyntèse du (+)-inositol se fait probablement par l'intermédiaire du 5-O-méthyl-méso-inositol (séquoyitol), d'un O-méthyl-inosose et d'un O-méthyl-(+)-inositol (pinitol).</footnote>

<footnote n="11"><sup>11</sup> R. SCHOLDA, G. BILLEK et O. HOFFMANN-OSTENHOF, *Mh. Chem.* **95** (1964) 541, 1305.</footnote>

<footnote n="12"><sup>12</sup> L. MAQUENNE, *Ann. Chim. Physique* **12** (1887) 129.</footnote>

<footnote n="13"><sup>13</sup> L. MAQUENNE, *Les sucres et leurs principaux dérivés*, p. 189, Gauthier-Villars, Paris 1900.</footnote>

<footnote n="14"><sup>14</sup> I. W. CHEN et F. C. CHARALAMPOUS, *J. Biol. Chem.* **239** (1964) 1905.</footnote>

<footnote n="15"><sup>15</sup> F. EISENBERG, A. H. BOLDEN et F. A. LOEWUS, *Biochem. Biophys. Res. Comm.* **14** (1964) 419.</footnote>
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Tableau VII. N°s des C principalement marqués par le deutérium</figcaption></figure>

<table><thead><tr><th rowspan="2">Ms-inositol<br>administré</th><th colspan="2">Intermédiaires supposés</th><th rowspan="2">Glucose<br>urinaire</th></tr><tr><th>Ac·D-glucuronique</th><th>D-xylulose</th></tr></thead><tbody><tr><td>2</td><td>2</td><td>5</td><td>6</td></tr><tr><td>4</td><td>4</td><td>3</td><td>pas de D</td></tr><tr><td>6</td><td>6</td><td>1</td><td>1 et 3</td></tr></tbody></table>

cose (randomization) alors que le deutérium n'est présent qu'en position 6 du glucose formé à partir d'inositol-2-d. Ceci est dû essentiellement à une perte du deutérium en position 1, par suite de l'énolisation stéréospécifique qu'implique la réaction de la phosphoglucose isomérase. Chez le rat normal, la glucogenèse à partir de l'inositol n'est que de 3-4%; elle atteint par contre 37% chez le rat phloriziné<fnref n="19" />.

## Glucogenèse à partir de l'inositol

Inversément, l'inositol est converti *in vivo* en glucose. La réaction clé est due à la présence dans les reins de rats<fnref n="16" />, dans des plantes supérieures et chez divers microorganismes d'un ferment qui, par oxydation, transforme l'inositol en acide D-glucuronique. A partir de ce dernier, des réactions enzymatiques connues conduisent au glucose par l'intermédiaire, entre autres de l'acide 3-céto-gulonique, des L- et D-xyluloses, et par la voie des pentoses (tableau VI). Partant d'inositols deutériés en des emplacements déterminés, on peut prévoir la localisation de l'isotope dans le glucose, ce qui est en accord avec les observations effectuées sur le glucose urinaire de rats phlorizinés auxquels le cyclitol avait été administré par injections intrapéritonéales <fnref n="17" />,<fnref n="18" /> (tableau VII).

Lorsqu'on administre à l'animal de l'inositol-2-¹⁴C, on trouve l'isotope à la fois en position 1 et 6 du glu-

Acide phytique + ADP ⇌ ATP + pentaphosphate d'inositol

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Tableau VI. Conversion du méso-inositol en D-glucose</figcaption></figure>

## Les phosphoinositides

Dans la nature, on a trouvé notamment trois formes de phosphoinositides : mono-, di- et tri-phosphoinositides. Les polyphosphoinositides se forment à partir des monophosphoinositides sous l'action de kinases. Leurs groupes phosphoryles sont très mobiles *in vivo*; on leur attribue parfois pour cette raison un rôle dans le transport des ions à travers les membranes cellulaires. La synthèse chez l'animal des mono-phosphoinositides s'effectuerait d'après les équations du tableau VIII<fnref n="21" />.

<footnote n="16">¹⁶ F. C. CHARALAMPOUS, *J. Biol. Chem.* **234** (1958) 220.</footnote>

<footnote n="17">¹⁷ TH. POSTERNAK, W. H. SCHOPFER et D. REYMOND, *Helv. Chim. Acta* **38** (1955) 1283, 1660.</footnote>

<footnote n="18">¹⁸ TH. POSTERNAK, W. H. SCHOPFER, D. REYMOND et C. LARK, *Helv. Chim. Acta* **41** (1958) 235.</footnote>

<footnote n="19">¹⁹ E. CHAROLLAIS et TH. POSTERNAK, *Helv. Chim. Acta* **48** (1965) 280.</footnote>

<footnote n="20">²⁰ R. K. MORTON et J. K. RAISON, *Nature* **200** (1963) 429.</footnote>

<footnote n="21">²¹ H. PAULUS et E. P. KENNEDY, *J. Biol. Chem.* **235** (1960) 1303.</footnote>
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Tableau VIII. Phosphoinositides</figcaption></figure>

L-α-glycerophosphate + 2 R-CO-SCoA ⇌ acide phosphatidique + 2 CoASH
acide phosphatidique + CTP ⇌ CDP-diglyceride + pyrophosphate
CDP-diglyceride + inositol ⇌ CMP + mono-phospho-inositide
(CTP = cytidine-triphosphate; CMP = cytidine-monophosphate)

Antagonistes de l'inositol et rôle microbiologique des phosphoinositides

Les phosphoinositides représentent la forme fonctionnelle de beaucoup la plus importante du méso-inositol. On sait que ce cyclitol joue un rôle de facteur de croissance vitaminique pour divers microorganismes. On a effectué des analyses de cultures de *Neurospora crassa* inositolless et de *Schizosaccharomyces pombe* qui ont un besoin absolu en inositol comme facteur de croissance et qui ne catabolisent pas le cyclitol : on a constaté que plus de 80% de l'inositol offert sont transformés en phosphoinositides.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Tableau IX. Inhibiteurs compétitifs pour S. pombe</figcaption></figure>

Divers dérivés du méso-inositol agissent comme inhibiteurs compétitifs chez N. crassa inositolless<fnref n="22" />; deux d'entre eux seulement ont une action notable sur la levure S. pombe <fnref n="23" />: l'isomytilitol et le myo-époxyde. Les inhibitions de croissance de S. pombe, levure qui se multiplie par scission transversale, s'accompagnent de modifications morphologiques très curieuses supprimées par addition au milieu d'inositol supplémentaire: allongement allant jusqu'à 10-20 fois sous l'action du myo-époxyde; formation de cellules compartimentées sous l'action de l'isomytilitol. Des effets morphogénétiques analogues sont obtenus en présence d'inhibiteurs non compétitifs<fnref n="24" />: cellules allongées: azaguanine, 5-fluorouracile, β-propionolactone; cellules allongées et compartimentées: actinomycine C. Ces substances, comme on sait, réagissent au niveau des acides nucléiques. Nous avons étudié quelques perturbations, biochimiques qui

accompagnent ces altérations morphologiques; des perturbations analogues ont été observées dans certains cas chez des cellules de S. pombe en hypovitaminose, dont le milieu de culture contenait moins de 1 à 2 γ d'inositol par ml, ou chez des cellules en hypervitami nose, cultivées en présence de quantités supérieures d'inositol. Le tableau X montre que l'incorporation

d'inositol par mg de cellules et aussi les teneurs en phosphoinositides, sont beaucoup plus élevés dans les cellules anormales, à l'exception de celles en hypovitamin nose<fnref n="24" />. Le cas des cellules à isomytilitol est particulier. Leur teneur en phosphoinositides est voisine de celle des cellules normales, mais on y trouve en outre, dans nos conditions d'expériences, des quantités 2 à 3 fois plus importantes de phospholipides aberrants contenant de l'isomytilitol: ces cellules ont donc elles aussi une teneur exagérée en phospholipides à cyclitol<fnref n="25" />.

<table><caption>Tableau X. Incorporations d'inositol chez S. pombe</caption><thead><tr><th>Types de cellules</th><th>% d'inhibition de croissance</th><th>Incorporations relatives d'inositol-14C par mg de cellules</th></tr></thead><tbody><tr><td>Normal</td><td>0</td><td>1,00</td></tr><tr><td>Hypovitaminose</td><td>70</td><td>0,28</td></tr><tr><td>Hypervitaminose</td><td>0</td><td>3,40</td></tr><tr><td>Isomytilitol</td><td>53</td><td>0,85</td></tr><tr><td>Myo-époxyde</td><td>49</td><td>2,97</td></tr><tr><td>Epi-époxyde</td><td>43</td><td>1,85</td></tr><tr><td>Azaguanine</td><td>77</td><td>3,50</td></tr><tr><td>5-Fluoro-uracile</td><td>80</td><td>4,35</td></tr><tr><td>β-Propionolactone</td><td>78</td><td>5,35</td></tr><tr><td>Actinomycine C</td><td>77</td><td>3,53</td></tr><tr><td>2,4-Dinitrophénol</td><td>78</td><td>3,75</td></tr></tbody></table>

Nous avons constaté que toutes les cellules allongées ont par cellule une respiration voisine de celle des cellules normales; la respiration est, par contre, fortement réduite chez les cellules en hypovitaminose, ainsi que chez les cellules à isomytilitol. Les cellules à actinomycine C ont, par cellule, une respiration comprise entre celle des cellules allongées et celle des cellules à isomytilitol<fnref n="24" />.

Le tableau XI montre chez les cellules anormales examinées des modifications de la composition des polysaccharides des parois cellulaires. Les proportions en mannanes sont abaissées, elles sont remplacées en partie par des galactanes<fnref n="24" />.

Le tableau XII indique des modifications des teneurs en bases des acides ribonucléiques ribosomiques (r-RNA) et solubles (s-RNA). Dans les cellules anormales, les

<footnote n="22">²² TH. POSTERNAK et W. H. SCHOPFER, *Arch. Sci.* (Genève) 8 (1955) 316.</footnote>

<footnote n="23">²³ W. H. SCHOPFER, TH. POSTERNAK et D. WUSTENFELD, *Arch. Mikrobiol.* 44 (1962) 113.</footnote>

<footnote n="24">²⁴ TH. POSTERNAK, J. DESHUSSES, V. PARANJAPYE, J. P. CHENEVAL et S. BERTHOUD, recherches non publiées.</footnote>

<footnote n="25">²⁵ TH. POSTERNAK, W. H. SCHOPFER et J. DESHUSSES, *Helv. Chim. Acta* 42 (1959) 1351.</footnote>
<table><caption>Tableau XI. Composition des polysaccharides des parois cellulaires de S. pombe</caption><thead><tr><th>Types de cellules</th><th>Glucanes<br>%</th><th>Mannanes<br>%</th><th>Galactanes<br>%</th></tr></thead><tbody><tr><td>Normal</td><td>85,0</td><td>15,0</td><td>0</td></tr><tr><td>Hypovitaminose</td><td>84,5</td><td>8,1</td><td>7,3</td></tr><tr><td>Hypervitaminose</td><td>82,3</td><td>8,8</td><td>8,9</td></tr><tr><td>Isomytilitol</td><td>88,2</td><td>6,1</td><td>5,6</td></tr><tr><td>Myo-époxyde</td><td>90,0</td><td>3,8</td><td>6,2</td></tr></tbody></table>

acides ribonucléiques contiennent moins de cytosine, et le rapport G/C est notablement augmenté²⁴.

<table><caption>Tableau XII. Composition des acides ribonucléiques de S. pombe</caption><thead><tr><th rowspan="2">Types de cellules</th><th colspan="4">r-RNA</th><th colspan="4">s-RNA</th></tr><tr><th>G</th><th>A</th><th>C</th><th>U</th><th>G/C</th><th>G</th><th>A</th><th>C</th><th>U</th><th>G/C</th></tr></thead><tbody><tr><td>Normal</td><td>29,8</td><td>23,2</td><td>16,1</td><td>30,9</td><td>1,85</td><td>27,1</td><td>17,6</td><td>23,0</td><td>32,3</td><td>1,18</td></tr><tr><td>Hypervitaminose</td><td>30,8</td><td>24,2</td><td>16,4</td><td>28,6</td><td>1,88</td><td>28,1</td><td>24,1</td><td>17,5</td><td>30,3</td><td>1,60</td></tr><tr><td>Hypovitaminose</td><td>32,4</td><td>22,4</td><td>13,2</td><td>32,0</td><td>2,45</td><td>31,0</td><td>20,0</td><td>16,9</td><td>32,1</td><td>1,83</td></tr><tr><td>Isomytilitol</td><td>33,3</td><td>25,0</td><td>11,3</td><td>30,4</td><td>2,95</td><td>28,8</td><td>20,0</td><td>17,2</td><td>34,0</td><td>1,67</td></tr><tr><td>Myo-époxyde</td><td>31,7</td><td>24,8</td><td>11,5</td><td>32,0</td><td>2,75</td><td>29,2</td><td>25,9</td><td>14,9</td><td>30,0</td><td>1,96</td></tr></tbody></table>

G = guanine, A = adénine, C = cytosine, U = uracile

En ce qui concerne la composition des nucléotides solubles (tableau XIII), on constate au contraire une élévation de la teneur en cytosine ; ceci est peut-être significatif en raison du rôle joué par le CTP dans la formation des phosphoinositides et traduit probablement un pouvoir accru de synthèse, dans les cellules anormales, des phospholipides à cyclitols²⁴.

L'effet primaire, dans les cellules en hypo- et en hyper-vitaminose, et dans les cellules à isomytilitol, concerne sans doute la quantité et la composition des phospho-

<table><caption>Tableau XIII. Compositions des nucléotides solubles de S. pombe</caption><thead><tr><th rowspan="2">Types de cellules</th><th colspan="4">Teneurs en bases (en µmol.) par g de cellules</th></tr><tr><th>A</th><th>G</th><th>C</th><th>U</th></tr></thead><tbody><tr><td>Normal</td><td>37,8</td><td>8,0</td><td>4,4</td><td>20,2</td></tr><tr><td>Hypovitaminose</td><td>15,7</td><td>8,6</td><td>6,5</td><td>15,3</td></tr><tr><td>Hypervitaminose</td><td>25,4</td><td>18,3</td><td>9,8</td><td>31,0</td></tr><tr><td>Isomytilitol</td><td>53,7</td><td>30,3</td><td>14,4</td><td>52,3</td></tr><tr><td>Myo-époxyde</td><td>20,7</td><td>10,3</td><td>8,4</td><td>21,6</td></tr></tbody></table>

lipides à cyclitols. Il semble alors qu'il existe entre ces derniers et les acides nucléiques des interactions de mécanismes inconnus. Les cellules à myo-époxyde ont, elles aussi, une teneur modifiée en phosphoinositides, mais, d'autre part, le myo-époxyde, substance très réactive, peut réagir avec divers composants cellulaires. Nous avons constaté en particulier qu'il se combine *in vitro*, dans des conditions physiologiques, avec des restes de guanine du RNA de levure par une réaction analogue à celle qui a été établie dans le cas de la β-propionolactone<fnref n="26" />.

Les modifications concernant les phospholipides à cyclitols que présentent les cellules anormales ont comme corollaires des changements de la composition des membranes cellulaires qui sont riches, comme on sait, en phospholipides. Il en résulte peut-être des altérations de la perméabilité cellulaire et de la formation de parois. Cette dernière formation est probablement induite et réglée par la membrane cytoplasmique ; or, les modifications morphologiques décrites se ramènent précisément, en fin de compte, à des perturbations de la formation des parois.

<footnote n="26">²⁶ J.J. ROBERTS et G.P. WARWICK, *Biochem. Pharmacol.* 12 (1963) 1441.</footnote>