Biologie Générale Fascicule I Fichier

BIOLOGIE GENERALE
Bachelier en Sciences Biologiques
Bachelier en Sciences Chimiques
Première année
Fascicule I
Eléments de Biochimie
DAVID C. GILLAN
Année académique 2016 - 2017
Table des matières
1. Rappels de chimie ....................................................................................................................... 4 1.1. Le tableau de Mendeleïev .............................................................................................................. 4 1.2. Quantité de matière ......................................................................................................................... 5 1.3. Isotopes ................................................................................................................................................ 7 1.4. Les niveaux énergétiques .............................................................................................................. 7 1.5. Les orbitales atomiques ................................................................................................................. 8 1.6. Formation de molécules et de composés ioniques. ............................................................. 10 1.7. La théorie des orbitales moléculaires (MO theory) ............................................................ 11 1.8. La théorie de l’hybridation des orbitales atomiques ......................................................... 16 1.9. Forme moléculaire et fonction biologique ............................................................................. 19 1.10. Electronégativité (χ) ................................................................................................................... 19 1.11. Les liaisons covalentes ............................................................................................................... 20 1.12. Les liaisons ioniques ................................................................................................................... 20 1.13. Les liaisons chimiques faibles .................................................................................................. 21 1.14. Les réactions chimiques ............................................................................................................. 22 2. La molécule d'eau .................................................................................................................... 22 2.1. Structure, liaisons hydrogène et chaleur spécifique .......................................................... 22 2.2. Dissociation des molécules d’eau et pH .................................................................................. 24 2.3. Importance du pH en biologie : .................................................................................................. 25 3. Le carbone et les hydrocarbures ........................................................................................ 27 3.1. Exemples de molécules comportant 1 atome de C. ............................................................. 27 3.2. Exemples de molécules comportant 2 atome de C. ............................................................. 27 3.3. Les hydrocarbures .......................................................................................................................... 28 3.4. Les isomères ..................................................................................................................................... 31 4. Les groupements fonctionnels ............................................................................................ 35 4.1. Le groupement hydroxyle ............................................................................................................ 35 4.2. Le groupement carbonyle ............................................................................................................ 36 4.3. Le groupement carboxyle ............................................................................................................ 36 4.4. Le groupement amine ................................................................................................................... 37 4.5. Le groupement thiol ou sulfhydryle ......................................................................................... 38 4.6. Le groupement phosphate ........................................................................................................... 38 5. Les macromolécules organiques ........................................................................................ 39 5.1. Les glucides monosaccharides ................................................................................................... 40 5.2. Les dérivés des glucides monosaccharides ............................................................................ 55 5.2.1. Le fucose (C6H12O5). .................................................................................................................................. 55 5.2.2. La glucosamine (C6H13NO5). .................................................................................................................. 56 5.2.3. Le N-­‐‑acétyl-­‐‑α-­‐‑D-­‐‑glucosamine (GlcNac ou α-­‐‑NAG). ..................................................................... 56 5.2.4. L'acide N-­‐‑acétyl-­‐‑β-­‐‑D-­‐‑muramique (β-­‐‑NAM). ................................................................................... 57 5.2.5. Les acides uroniques. ............................................................................................................................... 58 5.2.6. Les acides sialiques. .................................................................................................................................. 60 5.3. Les diholosides et triholosides ................................................................................................... 61 5.4. Les polysaccharides ....................................................................................................................... 66 5.4.1. Amylose .......................................................................................................................................................... 66 5.4.4. Le glycogène ................................................................................................................................................. 68 5.4.5. L'inuline ......................................................................................................................................................... 68 5.4.6. La cellulose ................................................................................................................................................... 68 5.4.9. Les glycosaminoglycanes (GAGs) ou mucopolysaccharides ................................................... 71 5.5. Les lipides .......................................................................................................................................... 74 2
5.5.1. Les lipides de stockage. ........................................................................................................................... 74 5.5.2. Les lipides de structure membranaires. .......................................................................................... 78 5.6. Les dérivés des lipides .................................................................................................................. 91 5.6.1. Les dérivés des acides gras .................................................................................................................... 91 5.6.2. Les dérivés des stéroïdes. ....................................................................................................................... 94 5.7. Les terpènes ...................................................................................................................................... 97 5.7.1. Les monoterpènes. .................................................................................................................................... 97 5.7.2. Les sesquiterpènes. ................................................................................................................................... 98 5.7.3. Les diterpènes. ............................................................................................................................................ 99 5.7.4. Les triterpènes. ........................................................................................................................................ 101 5.7.5. Les tétraterpènes. ................................................................................................................................... 102 5.8. Les protéines ou polypeptides. ............................................................................................... 103 5.8.1. Les 20 aminoacides. ............................................................................................................................... 103 5.8.2. Les aminoacides et l'alimentation humaine. ............................................................................... 111 5.8.3. Les aminoacides rares. ......................................................................................................................... 111 5.8.4. Les aminoacides modifiés au sein de la protéine. ..................................................................... 112 5.8.5. Les aminoacides non associés à des protéines. ......................................................................... 112 5.8.6. Principales propriétés physiques des aminoacides. ................................................................ 112 5.8.7. La liaison peptidique. ............................................................................................................................ 114 5.8.8. Les polypeptides et leur séquençage. ............................................................................................. 115 5.8.9. La structure tridimensionnelle des protéines ............................................................................ 120 5.8.10. Classification des protéines. ............................................................................................................ 126 5.9. Les acides nucléiques ................................................................................................................. 130 5.9.1. Les nucléotides ........................................................................................................................................ 130 5.9.2. Les nucléosides. ....................................................................................................................................... 134 5.9.3. La structure primaire des acides nucléiques. ............................................................................. 138 5.9.4. La structure secondaire des acides nucléiques. ......................................................................... 140 6. Références .......................................................................... Erreur ! Le signet n’est pas défini. 3
1. Rappels de chimie 1.1. Le tableau de Mendeleïev Le tableau périodique des éléments, ou tableau de Mendeleïev, comporte les 118 éléments
chimiques connus, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur
configuration électronique1. Chaque ligne du tableau est appelée "période" et correspond à
une couche électronique (c'est le nombre quantique principal, noté n). Il y a sept couches
électroniques connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique,
numérotées de 1 à 7. Chaque période comporte différentes orbitales atomiques, identifiées par
leur nombre quantique secondaire (noté l). Quatre types d'orbitales atomiques sont connues à
l'état fondamental (notées s, p, d et f et pouvant contenir chacune respectivement 2, 6, 10 et 14
électrons).
A partir du numéro atomique 104 on trouve les éléments chimiques synthétiques. Ce sont des
éléments instables avec une durée de vie si courte (de la microseconde au million d'années),
par rapport à l'âge de la Terre, que tous les atomes de ces éléments se sont désintégrés. Ils
peuvent cependant être recréés dans des accélérateurs de particules et dans les réacteurs
nucléaires.
Les colonnes du tableau périodique sont appelées "groupes". Il y a 18 groupes dans le tableau
périodique standard. A cela il faut ajouter les lanthanides et les actinides. Chaque groupe
constitue un ensemble d'éléments aux propriétés souvent bien distinctes des autres groupes.
Certains groupes ont des noms bien précis :
Groupe 1 : les métaux alcalins (excepté l'hydrogène)
Groupe 2 : les métaux alcalino-terreux
Groupe 17 : les halogènes
Groupe 18 : les gaz nobles (ou rares)
On utilise également d'autres noms pour regrouper les éléments dans le tableau de
Mendeleïev. Par exemple :
Métaux de transition : Il s'agit des éléments des périodes 4 à 7 et des groupes 3 à 12 (Sc, Ti,
V, Cr, Mn, Fe, etc.).
Métaux pauvres : Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi. Ces métaux sont souvent mous (excepté Al), et
ont une température de fusion (et d'ébullition) inférieure à celles des métaux de transition.
Leur électronégativité est également plus élevée. Il n'existe pas de définition stricte d'un métal
pauvre.
1
Au-delà du numéro atomique 92, qui correspond à l'uranium, on entre dans le monde des
éléments artificiels instables (à courte durée de vie).
4
Métalloïdes : B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po. Leurs propriétés physiques et chimiques sont
intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux. Il n'existe pas de définition stricte
d'un métalloïde.
Non-métaux : H, C, N, O, P, S, Se.
Les organismes vivants sont composés essentiellement de non-métaux (C, H, O, N, P, S).
Cependant, certains métaux alcalins (Na, K), certains alcalino-terreux (Ca, Mg) et certains
métaux de transition (Fe, Mn, Cu, Zn) sont indispensables au bon fonctionnement des
organismes. Pour les halogènes, Cl et F sont également retrouvés dans les organismes.
Les éléments chimiques sont identifiés dans le tableau périodique par leur numéro atomique,
qui représente le nombre de protons que contient leur noyau. Pour un même élément
chimique, et donc un même nombre de protons, le nombre de neutrons peut varier. Ces
atomes, qui occupent la même case dans le tableau périodique, sont appelés "isotopes".
Numéro atomique (Z) = Nombre de protons du noyau = Nombre d’électrons orbitant autour
du noyau (atome neutre).
Masse atomique (A) = Nombre de protons et de neutrons dans le noyau.
A=Z+N
N = Nombre de neutrons
Masse d’un atome ≈ A (électrons négligeables)
1.2. Quantité de matière Pour calculer une quantité précise de matière on utilise la masse atomique (A).
Exemple : si on pèse 55,847 g de fer on obtiendra exactement 1 mole, c’est-à-dire 6,022 x
1023 atomes (nombre d’Avogadro).
Une mole de n'importe quel élément contient toujours le même nombre d’atomes.
Représentation habituelle : 12C et
56
Fe
5
6
1.3. Isotopes Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même nombre de protons (sinon, il ne
s’agirait pas du même élément). Cependant, le nombre de neutrons peut varier légèrement. La
masse d'un atome peut donc varier dans certaines proportions.
Les différentes formes atomiques d’un élément s’appellent des isotopes.
La masse atomique indiquée dans le tableau de Mendeleïev est toujours la moyenne pondérée
par l’abondance des différents isotopes.
A
12,0000 g
13,0033 g
14,0032 g
12
C
13
C
14
C
Abondance
98,89 %
1,11 %
0,00000001 %
A moyen = 12,011 g
12
C et 13C sont des isotopes stables.
14
C est un isotope radioactif.
Le noyau des isotopes radioactifs se désintègre spontanément, ce qui libère des particules et
de l’énergie. L’élément se transforme alors en un élément plus stable (ici, le 14C émet un
électron et un antineutrino νe et se transforme en 14N).
14
6C
⇒ 147N + e- + νe
Les radio-isotopes ont de nombreuses applications en biologie :
- datation de fossiles;
- traceurs : utilisés pour suivre le cheminement des atomes dans le métabolisme (le
métabolisme est ensemble des réactions chimiques d’un organisme);
- diagnostic de maladies : par exemple, maladies rénales (injection de radio-isotopes dans le
sang suivit d'un dosage de l'isotope dans l’urine);
- imagerie médicale : par exemple, la tomographie par émission de positrons (TEP), qui relève
les sites d’activité chimique intense.
1.4. Les niveaux énergétiques Les électrons possèdent différents niveaux énergétiques. Plus l’électron est éloigné du noyau
plus son énergie potentielle est élevée. Les niveaux énergétiques sont quantifiés (il n'y a pas
d’électrons entre deux niveaux). On parle de couches électroniques.
Un électron qui descend de niveau va émettre de l’énergie. Pour monter de niveau, un
électron à besoin d’absorber de l’énergie. Exemple : la lumière peut faire passer un électron
vers un niveau supérieur. C'est le cas pour la chlorophylle : il s'agit d'une molécule présente
7
dans les plantes, qui absorbe la lumière (les photons), et qui est importante dans le processus
de photosynthèse. Formule brute de la chlorophylle : C55H72O5N4Mg.
Le dernier niveau énergétique comporte les électrons de valence :
La propriété chimique des atomes dépend principalement du nombre d’électrons présents
dans la couche de valence. Le comportement chimique est semblable pour deux atomes ayant
le même nombre d’électrons de valence. Un niveau énergétique est saturé quand il comporte 8
électrons (sauf le premier : 2 électrons).
1.5. Les orbitales atomiques En réalité les couches électroniques ne sont pas des trajectoires concentriques (modèle de
Bohr). Une couche électronique est la distance moyenne d’un électron par rapport au noyau.
L’électron est parfois plus éloigné, parfois plus près.
L’espace tridimensionnel où l’électron passe 90% de son temps s’appelle une orbitale. On les
nomme s, p, d, f. Elles ont généralement une forme multilobée. Pour chaque forme d’orbitale
8
il existe différents niveaux énergétiques. Chaque orbitale peut être considérée comme une
boite ne pouvant renfermer qu’un nombre bien précis d’électrons. Chaque lobe (ou double
lobe) d’une orbitale peut contenir un maximum de deux électrons : on parle alors d'électrons
appariés.
Forme des 5 orbitales d (4 quadruples lobes, 1 triple)
Le remplissage des orbitales avec des électrons se fait selon un ordre bien précis : 1s, 2s, 2p,
3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, and 7p.
9
Configuration électronique des atomes
Exemples :
le lithium (Li) possède 3 électrons : 1s2 2s1
le phosphore (P) possède 15 électrons : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
Lithium (Li) : 1s2 2s1
valence = 1
dernier niveau énergétique
Phosphore (P) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3
valence = 5
dernier niveau énergétique
Un atome est stable quand toutes ses orbitales sont remplies. Par exemple le Néon (Ne), gaz
rare : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6.
La réactivité d’un atome dépend de la présence d’électrons non appariés (célibataires) dans
une ou plusieurs orbitales de son dernier niveau énergétique, ainsi que de la présence
d'orbitales vides. Pour le Li, un électron non apparié est présent dans l'orbitale 2s (il reste
donc une place dans cette orbitale). Pour le phosphore (P) un électron non apparié est présent
dans une des orbitales 3p (il reste une place dans cette orbitale) et une des orbitales 3p est vide
(il y a donc 2 places libres dans cette orbitale vide). Le phosphore peut donc accepter 3
électrons supplémentaires.
1.6. Formation de molécules et de composés ioniques. Les atomes dont le dernier niveau énergétique est incomplet interagissent avec certains autres
atomes de manière à remplir leur dernière couche électronique. Par exemple, l’hydrogène
possède la configuration 1s1. Son orbitale s peut encore contenir un électron. Donc, si deux
atomes d’hydrogène s’approchent une liaison covalente va se former : il y a partage d’une
paire d’électrons.
10
Il y a partage d’électrons. Chaque atome d’hydrogène a ainsi complété son orbitale 1s. Une
grande orbitale commune est formée. Il y a liaison covalente simple.
1.7. La théorie des orbitales moléculaires (MO theory) En se rapprochant, les orbitales atomiques 1s vont en fait se combiner pour former deux
nouveaux types d’orbitales : les orbitales moléculaires. Au niveau mathématique ces orbitales
sont simplement une combinaison linéaire des orbitales atomiques. Les orbitales moléculaires
peuvent être de type "liantes" (orbitales sigma, σ) ou "antiliantes" (orbitales σ*). Les orbitales
liantes possèdent un plus bas niveau énergétique que les orbitales antiliantes. La théorie des
orbitales atomiques est importante en biochimie car elle explique pourquoi certaines
molécules comme l'oxygène sont capables de transporter des électrons. Voici le cas du H2 :
orbitales σ1s*
antiliantes
H
orbitale σ1s
liante
H
Formation d'un lien sigma.
Lorsque deux électrons sont placés dans une orbitale σ liante, la molécule formée (H2) est
stable. Ceci vient du fait que l'énergie de cette orbitale est plus basse que l'énergie des
orbitales des atomes isolés. La formation de H2 est donc favorisée lorsque deux atomes
d'hydrogène se rencontrent (et que chacun possède un électron non apparié).
Les flèches représentent les électrons
11
La molécule He2 n’existe donc pas car il y a 4 électrons à répartir dans les orbitales. Si une
molécule de He2 se formait, il y aurait deux électrons localisés dans les orbitales moléculaires
antiliantes σ1s* ce qui provoquerait la séparation les atomes. Les atomes d’He restent donc
isolés.
Les seules orbitales qui interviennent dans la formation des liaisons chimiques sont les
orbitales atomiques de valence. Par exemple, pour l'atome d'oxygène (1s2 2s2 2p4), 6 électrons
de valence sont présents et une des orbitales 2p est vide (la 2px dans le dessin ci-dessous).
L'orbitale 2px peut donc accepter deux électrons.
Lorsque deux atomes d’oxygène se rapprochent, des orbitales moléculaires vont se former.
Voici les orbitales moléculaires pour les orbitales atomiques 2s :
2s
2s
σ*2s
σ2s
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Voici les orbitales moléculaires se formant lorsque les orbitales atomiques 2pz se rencontrent :
orbitales σ2p* antiliantes
orbitales σ2p liantes
Comme les orbitales 2pz de chaque atome se font face sur un même axe une orbitale
moléculaire de type σ pourra se former (une σ2p liante et une σ2p* antiliante).
Voici les orbitales moléculaires qui se forment lorsque des orbitales atomiques 2px se
rencontrent :
orbitales πx* antiliantes
orbitales πx liantes
Dans ce cas-ci il y a formation d’orbitales atomiques de type π (« pi ») car les axes des
orbitales 2px sont parallèles (une orbitale πx liante et une orbitale πx* antiliante). Il en va de
même pour les orbitales 2py.
En résumé, la molécule de dioxygène (O2) possède un total de 8 orbitales moléculaires :
σ2s
σ2s*
σ2p
σ2p* πx
πx*
πy
et
πy*
Un total de 6 + 6 = 12 électrons sont distribués dans ces orbitales.
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Le dioxygène est un bon accepteur d’électrons car les orbitales πx* et πy* peuvent accepter
des électrons supplémentaires.
Les différentes formes du dioxygène
Oxygène triplet : 3O2. Il s'agit de l'état de base du dioxygène, présent dans l'atmosphère. La
longueur du lien O-O est de 1.21Å. Les orbitales πx* et πy* contiennent chacune un électron
de spin identique, il s'agit donc d'un diradical2. Le spin total S = 1 (état triplet) et la molécule
est paramagnétique (attirée par un aimant). L'oxygène triplet est un bon accepteur d'électrons.
Oxygène singulet : 1O2. Il s'agit d'une forme diamagnétique, moins stable que l’oxygène
triplet. Ce type de dioxygène est toxique et très réactif (il oxyde spontanément différentes
substances organiques). Il s'agit d'un dérivé réactif de l'oxygène ou "ROS" ("Reactive Oxygen
Species"). Ce type de dioxygène est produit pendant la photosynthèse (par la chlorophylle) et
pendant certaines réactions biochimiques (par les peroxydases). Les organismes se protègent
de l'oxygène singulet grâce aux caroténoïdes.
Oxygène singulet
2
Un radical (souvent appelé radical libre) possède un électron non apparié dans sa couche
externe. Un diradical en possède deux.
14
Le dioxygène singulet possède une durée de vie "longue" (± 1h à température ambiante)
lorsque deux électrons sont appariés dans une seule orbitale π*, par exemple l'orbitale πx*.
Cette forme est symbolisée par le sigle 1∆g. La durée de vie du dioxygène singulet est plus
courte si chaque orbitale π* possède un électron isolé. Cette forme est symbolisée par le sigle
1
∑g+.
Anion superoxyde : O2- (longueur lien O-O : 1.33Å). Il s'agit d'une forme paramagnétique
produite lors de la réduction du dioxygène singulet ou du dioxygène triplet avec un électron.
Il s'agit d'un radical libre (un électron est non apparié). L'anion superoxyde est très toxique car
il est un oxydant puissant des molécules organiques. Par exemple, il est capable d’inactiver
les protéines fer-soufre essentielles au métabolisme aérobie (par libération d'un atome de Fe
ce qui génère des radicaux hydroxyles par la réaction de Fenton). L'anion superoxyde est
également déployé par le système immunitaire des organismes supérieurs pour tuer les microorganismes infectants. Les cellules se protègent avec leur superoxyde dismutase (la SOD).
Anion peroxyde : O22-. Il s'agit d'une forme diamagnétique produite lors de la réduction de
l'anion superoxyde avec un électron. Les deux orbitales π* sont remplies. En conséquence, le
lien O-O encore plus faible et donc plus long (longueur : 1.49Å). Il s'agit d'une forme toxique
du dioxygène (un ROS), et également un oxydant puissant (le peroxyde d'hydrogène ou H2O2
est d'ailleurs utilisé comme désinfectant : il s'agit de "l'eau oxygénée").
En conclusion, comme il vient d'être montré pour le dioxygène, la théorie des orbitales
moléculaires explique le transport des électrons, explique l’allongement des distances interatomiques ainsi que les propriétés magnétiques des molécules.
15
1.8. La théorie de l’hybridation des orbitales atomiques Un autre théorie explique bien les liens entre les atomes. Dans cette théorie, on considère que
les orbitales atomiques vont se combiner avant de former un lien avec un autre atome. Il y
aura formation d'orbitales atomiques hybrides. Cette théorie rend bien compte des angles
entre les atomes dans une molécule et est donc d'une importance capitale en biochimie car elle
permet de prédire la forme des macromolécules (protéines, les lipides, ADN, etc.).
Hybridation sp3
Dans ce type d'hybridation les 3 orbitales p vont se combiner à l'orbitale s. Il en résultera une
orbitale hybride à 4 lobes, chaque lobe pouvant posséder un électron. Les orbitales hybrides
ont toutes la même énergie et les 4 lobes de l'hybridation sp3 forment un tétraèdre. Dans le cas
du carbone (C) les 4 électrons de valence (1s2 2s2 2p2) sont chacun dans un des 4 lobes. Les
angles entre les lobes sont de 109,5°.
Les 4 lobes sp3 du carbone peuvent chacun se faire recouvrir par l’orbitale 1s de 4 atomes
d’hydrogène, ce qui formera 4 liaisons σ (4 liaisons covalentes simples). La molécule ainsi
formée est le méthane CH4.
Différentes représentations du méthane
16
Hybridation sp2
Dans ce type d'hybridation seulement 2 orbitales p vont se combiner à l'orbitale s. Il en
résultera une orbitale hybride sp2 possédant 3 lobes, chaque lobe pouvant posséder un
électron. Les trois lobes forment un plan et les angles entre les lobes sont de 120°.
Hybridation sp2 du carbone
L'hybridation sp2 explique la forme de certaines molécules ainsi que la présence d'une double
liaison. Par exemple, l'éthène : C2H4. Dans cette molécule une liaison σ se forme par
recouvrement de deux lobes sp2. Les orbitales 2pz qui n'ont pas participé à l'hybridation vont
se recouvrir partiellement et former une liaison π. Toutes les orbitales sp2 de l'éthène sont
dans le même plan. Quatre atomes d'hydrogène peuvent se fixer aux lobes sp2 restants et tous
les atomes sont alors dans le même plan.
H
π
sp2
sp2
sp2
sp2
H
H
sp2
σ
π
sp2
H
Représentation de l'éthène
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Hybridation sp
Dans ce cas-ci une seule orbitale atomique 2p s'hybride avec l'orbitale atomique 2s :
1s2
2s2
sp
2px
sp
2py
2py
2pz
2pz
1s2
Hybridation sp du carbone
Seulement deux orbitales hybrides sont formées, les lobes étant opposés l'un à l'autre (angle
de 180°). Ce type d'hybridation explique la forme linéaire de certaines molécules et explique
la présence d'un triple lien. Par exemple, l’éthyne (ou acétylène) : C2H2. Dans cette molécule
une liaison σ se forme par recouvrement de deux orbitales hybrides sp, et deux liaisons π se
forment par recouvrement des orbitales py et pz.
Représentation de l'éthyne
18
1.9. Forme moléculaire et fonction biologique L'hybridation des orbitales atomiques va donner une forme bien précise aux molécules et cette
forme permettra différentes fonctions biologiques. C'est le cas par exemple des enzymes dont
l'activité dépend de leur structure tridimensionnelle ainsi que des récepteurs protéiques à la
surface de la cellule. Le matériel génétique, l'ADN, possède également une forme
tridimensionnelle particulière.
Molécules messagers se fixant à un récepteur de la surface cellulaire
1.10. Electronégativité (χ) L'électronégativité est la capacité d’un atome participant à une liaison chimique à attirer vers
lui les électrons de l'autre atome participant à la liaison. La différence d'électronégativité entre
les deux atomes détermine la nature de la liaison chimique : covalente lorsque la différence
est faible (inférieure à 1,7) ou ionique lorsque cette différence est plus importante. Par
exemple, dans le cas du fluorure d'hydrogène (HF) l'atome de fluor attire plus les électrons
vers lui. La liaison est donc polarisée et la molécule est dite polaire : une charge partielle
positive est localisée au niveau de l'hydrogène (δ+) et une charge partielle négative au niveau
du fluor (δ-). La répartition des charges partielles sur une distance donnée peut être
représentée par un vecteur appelé le moment dipolaire.
δ+
δ
H
F
-
Molécule de HF
Dans le tableau périodique, l’électronégativité augmente de gauche à droite le long d’une
période et de bas en haut le long d’une famille. Ainsi le fluor, en haut à droite du tableau
périodique, est l'élément le plus électronégatif avec une valeur de 4,0 tandis que le francium,
en bas à gauche, est le moins électronégatif avec une valeur de 0,7.
19
1.11. Les liaisons covalentes Il y a trois types de liaisons covalentes. Le premier type est la liaison covalente non polaire
(différence d’électronégativité ≤ 0,4) qui possède un nuage électronique relativement
symétrique. Dans ce cas, l’attraction des électrons vers les noyaux des deux atomes en
question est égale. Le deuxième type est la liaison covalente polaire. Dans ce cas-ci la
distribution de charges est inégale entre les deux atomes en raison de la différence
d’électronégativité des atomes (la différence d’électronégativité a une valeur comprise entre
0,4 et 1,7). La molécule possède un moment dipolaire représenté par un vecteur dont la flèche
part de l’atome le moins électronégatif vers l’atome le plus électronégatif. Le dernier type de
liaison covalente est celui de coordinence. Dans ce type de liaison covalente, il y a un partage
d’électrons entre deux atomes, par contre le doublet d’électrons formant la liaison provient
d’un seul des deux atomes. Autrement dit, les deux électrons partagés viennent du même
atome.
Exemple de liaison covalente polaire : le trifluorure de bore (BF3). La molécule est plane car
le bore possède une hybridation sp2 et sa polarité nette est égale à zéro.
Trifluorure de bore
1.12. Les liaisons ioniques Une liaison ionique se forme entre des atomes qui possèdent une grande différence
d'électronégativité, typiquement entre un non-métal (H, C, N, O, P, S, Se) et un métal. La
liaison résulte de l'attraction entre le cation dérivant du métal et l'anion dérivant du nonmétal. Par exemple, dans le sel de cuisine (NaCl ou halite) il y a attraction électrostatique
entre ions Na+ et Cl-. Les cristaux de NaCl sont cubiques. Les solides ainsi formés sont
appelés composés ioniques ou sels et sont souvent solubles dans l'eau.
La halite
20
1.13. Les liaisons chimiques faibles Les liaisons les plus fortes sont les liaisons covalentes. A côté de ces liaisons fortes on trouve
des liaisons plus faibles comme la liaison hydrogène et les forces de van der Waals.
Liaison hydrogène. La liaison hydrogène, ou pont hydrogène, est une liaison de faible
intensité qui relie les molécules entre-elles. Elle implique un atome d'hydrogène et un atome
assez électronégatif (comme l'oxygène par exemple). Les liaisons H ont une intensité environ
vingt fois plus faible que les liaisons covalentes simples. Elles ont une grande importance en
biochimie. Par exemple les structures secondaires des protéines, comme l’hélice alpha et le
feuillet beta, sont formées grâce à un agencement spécifique de ponts H. Les propriétés de
l'eau résultent en grande partie des liaisons hydrogènes (voir plus loin).
R-H ||||||||| Rδ+
δ
Formation de liaisons H entre deux molécules d'eau :
Les liaisons de van der Waals
Les liaisons de van der Waals sont des interactions de faible intensité entre atomes ou
molécules. Leur intensité est dix fois plus faible que pour la liaison hydrogène. Les forces de
van der Waals sont dues aux interactions entre les moments dipolaires électriques (parfois
transitoires) de deux atomes ou molécules. Aucun électron n'est mis en commun dans ce type
de liaison. Les forces agissent à faible distance. On retrouve les effets de ces liaisons dans le
graphite (liaisons entre feuillets hexagonaux) ainsi qu'à l'extrémité des pattes du gecko,
assurant ainsi leur forte adhésion sur du verre.
+
+
+
Structure du graphite.
-
Interaction de van der Waals entre deux
molécules différentes.
21
1.14. Les réactions chimiques Classiquement, les réactions chimiques impliquent des changements qui concernent le
mouvement des électrons, la formation et la rupture des liaisons chimiques. Les réactifs sont
les substances de départ (par exemple H2 et O2) et les produits sont les nouvelles substances
(par exemple H2O).
v1
2H2 + O2
2H2O
v2
Les réactions chimiques se font à une certaine vitesse (v) et dans les deux sens. Lorsque les
vitesses sont les mêmes dans les deux sens il y a équilibre chimique. Au cours d'une réaction
chimique il y a conservation de la matière ("rien ne se perd, rien ne se crée", Lavoisier).
Certaines réactions nécessitent ou sont facilitées par la présence d'une substance chimique
appelée catalyseur. En biochimie, de nombreuses réactions chimiques sont catalysées par des
catalyseurs appelés enzymes.
2. La molécule d'eau 2.1. Structure, liaisons hydrogène et chaleur spécifique L'eau, de formule chimique H2O, est essentielle à la vie. Près de 70 % de la surface de la
Terre est recouverte d’eau (97 % d’eau salée et 3 % d’eau douce) et les cellules sont
constituées de 70 à 95% d’eau. L'eau a des propriétés singulières car chaque molécule d'eau
est polaire et est donc capable de former des liaisons hydrogène avec les molécules d'eau
voisines. En moyenne on compte 3,59 liaisons hydrogène par molécule à 25°C. La durée
d’une liaison hydrogène est de 10-12 s; ces liaisons sont donc transitoires.
Les liaisons hydrogène maintiennent toutes les molécules d'eau ensemble. C'est ce que l'on
appelle la cohésion. La cohésion contribue au transport de l'eau dans les plantes. La cohésion
se manifeste aussi par le phénomène de tension superficielle. Il s'agit d'une force qui se
manifeste par la difficulté de briser ou d’étirer la surface d’un liquide. La tension superficielle
est plus grande dans l'eau que dans la plupart des autres liquides.
Les liaisons hydrogènes font que l'eau possède une chaleur spécifique élevée. La chaleur
spécifique est la quantité de chaleur nécessaire pour élever le 1°C une quantité de 1 g d’eau. Il
faut 4,184 Joules/g d'eau, c'est-à-dire 1 calorie (cal). La chaleur spécifique des autres
22
substances est généralement moins élevée. Par exemple, pour l'éthanol il faut 2,51 J/g. Pour le
fer, 0,4 J/g.
Deux représentations de l'éthanol :
Quand chaleur spécifique d’une substance est élevée, sa température varie moins quand elle
absorbe ou libère une certaine quantité de chaleur. L’eau « résiste » donc bien aux variations
de température. En conséquence, le climat des régions côtières est plus doux car l'eau stabilise
la température de l'atmosphère. De même, les organismes composés de beaucoup d'eau
résistent mieux aux variations de température.
La chaleur de vaporisation est la quantité de chaleur que 1 g de liquide doit absorber pour
passer de l’état liquide à l’état gazeux. En raison des liaisons hydrogène la valeur est élevée
pour l’eau : 2,26 kJ à 25°C. Par comparaison, voici la chaleur de vaporisation d'autres
substances :
éthanol : 0,86 kJ
acétone : 0,52 kJ
ammoniac : 1,39 kJ
essence automobile : 0,33 kJ
Cette chaleur de vaporisation élevée pour l'eau contribue à tempérer le climat de la Terre. En
se vaporisant au niveau des tropiques l'eau refroidit la surface des masses océaniques et
transfert de la chaleur à l'air. En se déplaçant vers le nord l'air tropical humide apporte de la
chaleur aux régions nordiques en se condensant et en formant de la pluie. De même, la
vaporisation de la sueur sur la peau permet de réguler la température du corps. La masse
volumique (MV) de l'eau solide est plus petite que celle de l'eau liquide. L’eau se dilate en se
solidifiant (alors que beaucoup de substances se contractent). En conséquence, la glace flotte
sur l’eau. Si la glace ne flottait pas le benthos (les animaux vivant sur le fond) serait détruit
lorsque l’eau gèle. La glace au niveau des pôles permet également la réflexion d'une partie des
rayons solaires.
H2 O
Structure hexagonale de la glace d'eau
23
L'eau est le solvant fondamental de la vie et de nombreuses substances se dissolvent dans
l’eau (sucres, sels, protéines, etc... ). Un liquide contenant plusieurs substances est une
solution. L'agent dissolvant est le solvant et la substance dissoute le soluté. L'eau est capable
de dissoudre les composés ioniques comme le NaCl. En entourant chaque ion les molécules
d'eau dissolvent le cristal de sel. C'est le processus d’hydratation.
2.2. Dissociation des molécules d’eau et pH En formant une liaison hydrogène une molécule d'eau peut perdre un atome d'hydrogène.
Lorsque cela se produit la molécule d'eau devient un ion hydroxyde OH- car elle garde
l'électron de l'hydrogène (ce qui lui confère une charge négative) et ne perd qu'un proton (H+).
Cette réaction peut s'écrire de la manière suivante :
H2 O
⇔
H
+
+ OH
+
Le H+ va alors s’associer à une autre molécule d’eau et former H3O : l'ion hydronium.
H 2 O + H+
⇔
H3 O
+
Dans l'eau pure, à pH 7.0 (neutre), la concentration de l'ion hydronium est très faible et est
égale à la concentration de l'ion hydroxyde :
[H3O+] = [OH-] = 10-7 moles/L
Une concentration de 10-7 moles/L signifie qu'il y a 1 H+ pour 555 106 molécules d’eau.
Le pH, ou potentiel hydrogène, est définit par l'expression suivante :
pH = - log [H+]
24
Dans l'eau pure, lorsque [H3O+] = [OH-] = 10-7 moles/L on voit que pH = 7.0 (25°C). On dit
que le pH est neutre.
Lorsque [H+] est plus élevée que 10-7 moles/L, on dit que le pH est acide. Par exemple si [H+]
= 10-5 moles/L le pH est égal à 5.0.
Lorsque [H+] est moins élevée que 10-7 moles/L, on dit que le pH est basique. Par exemple si
[H+] = 10-9 moles/L le pH est égal à 9.0.
Remarques :
• Les variations de pH se font de 10 en 10 (il s'agit d'une échelle logarithmique) :
pH 7 : [H+] = 0,0000001 mole/L
pH 6 : [H+] = 0,000001 mole/L
• Un pH peut être négatif (cas des acides ou des bases très fortes, avec [H+] ou [OH-] > 1
mole/L.
• Dans toute solution aqueuse à 25°C :
[H+] [OH-] = 10-14 (mol/L)2
En conséquence, lorsque [H+] augmente, [OH-] diminue. Autrement dit, si la [H+] augmente
les ions [H+] surnuméraires vont consommer des [OH-] pour former de l’eau; avec pour
résultat une diminution de la concentration des OH-.
• Si un acide fort comme l'HCl (le chlorure d’hydrogène) est ajouté à l’eau, l'HCl va se
dissocier complètement :
HCl ⇒
H+ + ClLa [H+] va augmenter ainsi que l’acidité de l’eau.
• Si une base forte comme du NaOH (hydroxyde de sodium) est ajoutée à l’eau, la base va se
dissocier complètement :
NaOH
⇒
Na+ + OH-
Les ions OH- surnuméraires vont réagir avec les H+ de l'eau. La [H+] va chuter ainsi que
l’acidité de l’eau.
2.3. Importance du pH en biologie : Au niveau cellulaire le pH influence directement la conformation de nombreuses
macromolécules comme les protéines et l’ADN. Au niveau de l'organisme il est important au
niveau physiologique (par exemple le pH est acide dans l'estomac ce qui permet la digestion).
Au niveau des écosystèmes aquatiques chaque espèce ne peut vivre que dans une gamme bien
précise de pH. Certaines bactéries par exemple sont acidophiles et ne vivent qu'à pH acide.
25
La pluie normale est légèrement acide (pH 5,6) car du CO2 se dissout dans l'eau de
l'atmosphère pour former de l'acide carbonique H2CO3 :
CO2 (g) + H2O (l) ⇔ H2CO3 (aq)
⇔
H+ + HCO3-
Une pluie est dite acide lorsque son pH est inférieur à 5,6. La cause des pluies acides est la
présence de SO2 et NOx dans l’atmosphère. Ces substances sont émises par les voitures, les
centrales électriques et celles au charbon. Dans l’atmosphère le SO2 (g) sera transformé en
SO3 (g). Celui-ci se dissoudra dans l'eau de pluie pour former de l'acide sulfurique (H2SO4)
qui provoquera une diminution du pH :
SO3 (g) + H2O (l)
⇔
H2SO4 (aq)
Les NOx comme le NO2 participent aussi aux pluies acides : le NO2 peut se combiner au
radical hydroxyle3 de l'atmosphère (OH•) pour former de l'acide nitrique :
NO2 + OH•
⇔
HNO3 (aq)
L'acide nitrique provoquera une diminution du pH de l'eau.
Les pluies acides auront des effets sur les organismes (plantes, animaux) ainsi que des effets
sur les sols : les bactéries essentielles pourront être affectées et les éléments chimiques
essentiels aux plantes pourront être lessivés. En effet, de nombreux métaux comme le Mg2+
sont associés aux argiles. Lors d'une pluie acide ils seront lessivés :
Mg2+ (argiles) ⇒ Mg2+ (aq)
Les éléments toxiques (métaux : Cd, Cr, etc...) seront également mobilisés par les pluies
acides.
Sensibilité différentielle des espèces aquatiques à l’acidité :
Comme mentionné ci-dessus, chaque espèce ne peut vivre que dans une gamme bien précise
de pH :
Le radical hydroxyle (OH•) est neutre, très réactif et possède une courte durée de vie (10-9
s.). C'est un radical car il possède un électron célibataire.
3
26
3. Le carbone et les hydrocarbures Le carbone est un élément majeur en biologie. En effet, les organismes sont composés en
grande partie de carbone. Les substances comportant du C sont très variées. La "chimie
organique" est la branche de la chimie dédiée entièrement à l'étude des composés carbonés.
3.1. Exemples de molécules comportant 1 atome de C. Le méthane : CH4
Le méthane, ou gaz naturel, peut être produit par des archées méthanogènes ou consommé par
des bactéries méthanotrophes. Les cellules eucaryotes ne sont pas capables de produire du
méthane par elles-mêmes (si elles en produisent c'est qu'elles contiennent des archées).
Le dioxyde de carbone : CO2
Les organismes autotrophes comme les plantes vertes "fixent" le CO2 pour synthétiser de la
matière organique complexe alors que les organismes hétérotrophes dégradent la matière
organique complexe et produisent du CO2.
L'urée : CO(NH2)2
L'urée est un composé important dans le métabolisme de l’azote
chez les êtres vivants. Elle est présente dans l’urine chez les mammifères.
3.2. Exemples de molécules comportant 2 atome de C. L'éthane : C2H6
Il s'agit d'un gaz inodore et incolore que l'on peut trouver dans le gaz naturel. Les deux
carbones de l'éthane sont reliés par une liaison covalente simple.
L'éthène (ou éthylène) : C2H4
Il s'agit d'un gaz incolore et très réactif qui est à la source d'un grand nombre de polymères et
de matières plastiques (le polyéthylène). En biologie il est principalement connu comme
hormone végétale4. Les deux atomes de C sont reliés par une double liaison.
L'éthyne (ou acétylène) : C2H2
Il s'agit d'un gaz incolore et très inflammable. Les deux atomes de carbone sont reliés par une
triple liaison.
Ethane, éthène et éthyne sont des gaz pouvant être produits par des bactéries méthanogènes5.
4
5
Lin et al. (2009) J. Exp. Botany 60:3311-3336.
Belay & Daniels (1987) Appl. Environ. Microbiol. 53:1604-1610.
27
Ethane
Ethène
Ethyne
3.3. Les hydrocarbures Ce sont des molécules composées uniquement de C et de H. Les gaz éthane, ethène et éthyne
dont il était question ci-dessus sont des hydrocarbures.
Les alcanes sont des hydrocarbures saturés : il possèdent uniquement des liaisons simples.
Les alcènes sont des hydrocarbures insaturés : ils possèdent au moins une double liaison.
Les alcynes sont des hydrocarbures insaturés : ils possèdent au moins une triple liaison.
Les hydrocarbures linéaires :
Les hydrocarbures peuvent être linéaires comme l'octane C8H18. Cet alcane est trouvé dans
l'essence automobile. Tous les carbones de l'octane ont une configuration sp3.
Les hydrocarbures ramifiés :
Au moins un C est relié à 3 autres atomes de C.
Exemple : l'isooctane, C8H18, qui est un isomère de l'octane.
Les hydrocarbures cycliques :
Ces hydrocarbures présentent un cycle de carbones
Le cyclohexane : C6H12
Les C du cyclohexane ont une configuration sp3. En conséquence, le cyclohexane n’est pas
une molécule plane. Dans la conformation « chaise » du cyclohexane 6 atomes d'hydrogène
sont dits équatoriaux (dans le "plan" du cycle) alors que les 6 autres atomes d'hydrogène sont
axiaux (perpendiculaires au "plan" du cycle). Cette conformation est la plus stable.
28
Le cyclohexane peut également prendre une conformation « bateau », moins stable.
Le cyclopentane : C5H10
La forme plane du C5H10 n’est pas stable. La molécule adopte une forme enveloppe ou une
forme croisée.
Forme enveloppe
Forme croisée
Les hydrocarbures aromatiques :
Un hydrocarbure est dit aromatique s'il est plan et s'il possède 4n + 2 électrons délocalisables
dans un système cyclique (où n est un entier naturel). C'est la règle de Hückel. A titre
d'exemple, le benzène est un hydrocarbure aromatique qui comporte un seul cycle et 6
électrons délocalisés.
Le benzène : C6H6
Les 6 carbones du benzène ont une configuration sp2. La molécule est donc plane. Il s'agit
d'un liquide incolore issu du pétrole brut. C'est un solvant très utilisé dans l'industrie
chimique, et un précurseur important pour la synthèse chimique de médicaments, de
plastiques, de caoutchouc synthétique ou encore de colorants.
29
Chaque atome du cycle benzénique comporte une orbitale p (avec un lobe inférieur et
postérieur) et ces orbitales p se recouvrent. Les 6 électrons π du benzène sont donc
« délocalisés » dans ces orbitales. Pour représenter le caractère délocalisé des électrons, le
benzène est généralement représenté par un cercle contenu dans un hexagone.
Les hydrocarbures en biologie
Les alcanes linéaires et ramifiés sont peu importants dans les organismes. Ils sont présents
dans les cuticules des feuilles chez les plantes et le requin pèlerin (Cetorhinus maximus)
comporte beaucoup de pristane dans son foie (C19H40).
Le pristane
Les cycloalcanes sont par contre très importants en biologie : des cycles hexaniques sont
rencontrés dans les terpènes (β-carotène, résines des conifères, etc.), les stéroïdes (hormones)
et un grand nombre de sucres (glucose, galactose, etc.). Le lindane est un cyclohexane
insecticide dont les 6 atomes d'hydrogène ont été substitués par 6 atomes de chlore.
Le β-carotène
Le lindane ou γ 1,2,3,4,5,6-hexachlorocyclohexane (HCH)
30
Le cyclopentane est un cycloalcane qui est rencontré dans des hormones comme la
testostérone et l’oestradiol (voir plus loin).
3.4. Les isomères Les isomères sont des molécules qui ont la même formule brute. Ils possèdent donc le même
nombre et le même type d'atomes. Cependant ces atomes sont arrangés dans l'espace de façon
différente. En conséquence, deux isomères peuvent présenter des propriétés physiques,
chimiques et biologiques très différentes. On distingue les isomères de structure et les
stéréoisomères.
Les isomères de structure :
Les isomères de structure n'ont que la formule brute en commun. Ces isomères ont
généralement des propriétés physiques et/ou chimiques différentes. On parle d'isomérie de
chaîne lorsque la disposition des liaisons covalentes dans l’espace varie. C'est le cas par
exemple de l'octane et de l'isooctane, ou du butane et du méthylpropane. L'isomérie de
position de fonction est un autre type d'isomérie de structure. Dans ce cas, un groupement
fonctionnel est placé sur des carbones différents de la chaîne carbonée. L'isomérie de nature
de fonction caractérise les isomères dont les groupes fonctionnels sont différents, donc de
propriétés physiques et chimiques différentes. Par exemple l'éthanol et le méthoxyméthane.
Octane
Température d'ébullition : 126°C
Isooctane
Température d'ébullition : 99°C
Pour les alcanes, le nombre d’isomères de structure possible augmente avec le nombre
d’atomes de C. Par exemple le C20H42 comporte 366 319 isomères de structure.
Nombre de carbones Nombre d'isomères
1à3
1
4
2
5
3
6
5
7
9
8
18
9
35
10
75
15
4 347
20
366 319
31
L'octane (C8H18) possède 18 isomères de structure et plusieurs stéréoisomères :
Les stéréoisomères (isomères géométriques ou isomères de configuration) :
Deux molécules sont des stéréoisomères lorsque la disposition des liaisons covalentes dans
l’espace est identique mais la disposition de certains atomes ou groupes est différente. On
classe les stéréoisomères en deux grands groupes : les énantiomères et les diastéréoisomères.
Les énantiomères, ou isomères optiques, sont deux molécules qui sont l'image l'une de l'autre
dans un miroir. Ces molécules ne sont pas superposables : elles présentent en effet une
chiralité. Un mélange des deux énantiomères en quantités égales est appelé mélange
racémique. Les énantiomères ont des propriétés physiques et chimiques identiques sauf pour
le sens de rotation du plan de polarisation de la lumière (+ ou -). Un mélange racémique a un
pouvoir rotatoire égal à zéro.
Les molécules ci-dessus présentent un carbone asymétrique (C*) : il s'agit d'un carbone
possédant 4 groupes ou atomes différents. Les cellules sont capables de différencier deux
isomères optiques. Par exemple, les acides aminés L et D (voir plus loin), la L-dopa
32
(médicament efficace contre maladie de Parkinson alors que la D-dopa est biologiquement
inactive), et la R-thalidomide (qui protège les femmes enceintes contre les nausées alors que
la S-thalidomide a des effets tératogènes!).
R-talidomide
S-talidomide
Les diastéréoisomères sont les stéréoisomères qui ne sont pas énantiomères. Par exemple,
lorsque, sur chacun des deux côtés d'une double liaison, on trouve deux groupes différents, on
distingue deux configurations : Z et E. La libre rotation autour de la double liaison n'est pas
possible, du fait de la présence d'une liaison π. Il en résulte une molécule plane ayant deux
configurations possibles.
configuration Z
cis-2-butène
t°ébullition : 4°C
configuration E
trans-2-butène
t°ébullition : 1°C
En utilisant l'ordre de priorité (d'après la convention CIP - Cahn, Ingold, Prelog -) on définit
les deux isoméries ainsi :
La configuration Z caractérise les diastéréoisomères dont les groupes prioritaires sont
du même côté du plan formé par la double liaison (et perpendiculaire au plan de la
molécule). L'abréviation Z vient de l'allemand zusammen qui signifie « ensemble ».
• La configuration E caractérise les diastéréoisomères dont les groupes prioritaires sont
du côté opposé l'un de l'autre par le plan formé par la double liaison. Le terme E vient
de l'allemand entgegen qui signifie « opposé ».
• Les termes cis et trans qualifient des positions relatives de groupements sans tenir compte de
leur priorité. Les priorités sont par exemple COOH > H et NH2 > CH3.
33
Application à la biologie :
Le rétinal est un dérivé de la vitamine A important pour le processus de vision. C’est la
lumière qui le fait passer d’une forme cis à la forme trans.
cis-rétinal
trans-rétinal
Autres types d'isomères :
Les épimères :
Deux épimères ne diffèrent entre eux que par la configuration absolue d'un seul carbone
asymétrique, comme par exemple le D-mannose et le D-glucose ou encore le D-glucose et le
D-galactose (voir plus loin).
Les anomères :
C’est un cas particulier d’épimèrie pour le carbone n°1 des oses (voir plus loin). Si la fonction
hydroxyle du carbone n°1 est en dessous du plan (en représentation de Haworth), l’ose est dit
α (alpha) alors que si l’hydroxyle du carbone n°1 est au-dessus du plan, l’ose est dit β (béta).
Cette nomenclature est très importante pour décrire les liaisons chimiques contractées dans les
disaccharides et les polysaccharides (voir plus loin).
Les conformères :
Ils ne se différencient que par rotation autour d'une ou plusieurs liaisons simples (liaisons
sigma), sans les rompre. Les rotamères sont des conformères qui ne se différencient que par
rotation d'une seule liaison sigma.
Conformères du butane
34
4. Les groupements fonctionnels Les composants des molécules organiques qui participent le plus souvent aux réactions
chimiques sont les groupements fonctionnels. Ce sont des regroupements d’atomes qui
remplacent un ou plusieurs atomes d’hydrogène liés à un squelette carboné. Certains
groupements fonctionnels incluent des atomes de la chaîne carbonée.
Les 6 groupements fonctionnels les plus importants en biologie sont les suivants :
Groupement hydroxyle
Groupement carbonyle
Groupement carboxyle
Groupement amine
Groupement thiol
Groupement phosphate
Ces groupements sont hydrophiles et augmentent donc la solubilité des composés organiques
dans l’eau.
4.1. Le groupement hydroxyle Structure : -OH
Nom des composés : alcools
Exemple : éthanol
Attention, ne pas confondre ce groupement avec l’anion hydroxyde et le radical hydroxyle :
Anion hydroxyde : OH
-
Chargé négativement;
Provient par exemple de la dissociation de l’eau ou du NaOH.
Radical hydroxyle : OH•
Neutre (forme neutre de l’anion hydroxide);
C'est un radical car il possède un électron non apparié;
Il est très réactif (possède une courte durée de vie);
Toxique pour les cellules.
35
4.2. Le groupement carbonyle Structure :
>C=O
Nom des composés : aldéhydes ou cétones.
Aldéhydes : le groupement carbonyle est à l’extrémité d'une chaîne carbonée.
Cétones : le groupement carbonyle est à l’intérieur d’une chaîne carbonée.
Exemples :
Propanal (aldéhyde)
Acétone (cétone)
O
R
C
O
R
C
H
R’
4.3. Le groupement carboxyle Structure : -COOH
Nom des composés : acides carboxyliques
Exemple : acide acétique
δ-
δ+
L'atome d'hydrogène du groupement carboxyle à tendance à se détacher.
Le carboxyle à donc des propriétés acides car il est une source de H+.
36
Formation de l'ion acétate :
O
La forme ionisée (appelée carboxylate) prédomine dans les cellules.
+ H+
O
4.4. Le groupement amine Structure : -NH2
Nom des composés : amines
Exemple : la glycine
La glycine est un acide aminé (présence également d’un -COOH).
Amine primaire :
Amine secondaire :
Amine tertiaire :
Le groupement amine possède des propriétés basiques car l'atome d'azote possède une paire
d’électrons pouvant fixer un H+ :
+ H+ ⇔
Ammoniac
Ammonium
37
Dans les cellules, le groupement amine porte généralement une charge de +1 (fixation de 1
atome d’H).
4.5. Le groupement thiol ou sulfhydryle Structure : -SH
Nom des composés : thiols
Exemple : l'éthanéthiol
Le lien entre S et H est moins fort que celui entre O et H.
Importance dans la stabilisation des protéines.
4.6. Le groupement phosphate Structure : -OPO3
2-
P
Nom des composés : phosphates organiques
Exemple : le glycérophosphate :
Rem : à pH neutre le groupement phosphate est ionisé.
La principale molécule de transfert d’énergie dans la cellule comporte des phosphates : c'est
l'adenosine-5'-triphosphate ou ATP :
L'ATP avec ses trois groupements phosphate ionisés
38
5. Les macromolécules organiques Des molécules organiques complexes se forment dans les cellules à partir de molécules
organiques simples. Il y a quatre classes principales de macromolécules organiques :
- Les glucides
- Les lipides (incluant les terpènes)
- Les protéines
- Les acides nucléiques
Ces macromolécules organiques peuvent posséder des milliers d’atomes.
La plupart des macromolécules (glucides, protéines, acides nucléiques) sont des polymères
synthétisés à partir de monomères :
Liaison covalente
Les mécanismes chimiques par lesquels les cellules synthétisent ou dégradent les
macromolécules sont toujours les mêmes : suite à l'association de deux monomères il y a
production d’une molécule d’eau. C'est ce que l'on appelle une réaction de condensation, ou
de déshydratation. Lorsque le polymère se dégrade il y a rupture des liaisons entre
monomères et addition de molécules d’eau. C'est la réaction d’hydrolyse.
39
5.1. Les glucides monosaccharides Les monomères constituant l'unité de base des glucides (sucres ou oses) sont les
monosaccharides ou sucres simples. Les monosaccharides possèdent un groupement
carbonyle (>C=O) et des groupements hydroxyles (-OH). Leur formule brute est souvent de
type Cn(H2O)n. Certains sucres contiennent aussi de l'azote, du soufre ou du phosphore.
Selon le nombre d'atomes de carbone présents dans le monosaccharide on distingue :
Les trioses (3 atomes de C)
Les tétroses (4 atomes de C)
Les pentoses (5 atomes de C)
Les hexoses (6 atomes de C)
Les heptoses (7 atomes de C)
Selon le nombre d'unités monosaccharidiques présentes dans le sucre on distingue :
Les monosaccharides (1 monomère)
Les disaccharides ou diholosides (2 monomères)
Les trisaccharides ou triholosides (3 monomères)
Les oligosaccharides (>3 monomères)
Les polysaccharides (>20 monomères)
Selon la position du groupement carbonyle on distingue :
Les aldoses
Carbonyle terminal
Les cétoses
Carbonyle interne
Ces deux sucres sont des trioses
40
Les deux trioses représentés ci-dessus sont des isomères; ils peuvent également être
représentés en tenant compte des angles entre les liaisons6 :
isomères
C3H6O3
Glycéraldéhyde
C3H6O3
Dihydroxyacétone
Les noms de ces deux trioses sont les suivants : le glycéraldéhyde ou dihydroxy-2,3-propanal
(un aldotriose) et le dihydroxyacétone ou dihydroxy-1,3-propanone (un cétotriose). Le
glycéraldéhyde est le plus petit aldose (il n'existe pas d'ose à deux atomes de carbone).
La projection de Fischer :
Il s'agit d'une représentation plane d’une molécule organique tridimensionnelle :
Les liaisons chimiques horizontales sortent en avant du plan de la feuille.
La représentation de Cram :
= dans le plan de la feuille
= en avant du plan
= en arrière du plan
6
Exemple : le méthane
Tous les atomes d'hydrogène ne sont pas représentés.
41
Projection de Fischer des aldotrioses :
Il existe deux énantiomères pour le glycéraldéhyde : le D-glycéraldéhyde, dont le groupement
hydroxyle est situé à droite en représentation de Fischer, et le L-glycéraldéhyde dont le
groupement hydroxyle est situé à gauche en représentation de Fischer. La chaine carbonée
principale se situe sur la ligne verticale.
CHO
H
CHO
OH
HO
H
CH2OH
CH2OH
D-glycéraldéhyde
L-glycéraldéhyde
Miroir
Un seul carbone asymétrique (C*) est présent dans le glycéraldéhyde. Il y a donc 21 = 2
stéréoisomères (des énantiomères dans ce cas). En général, une molécule possédant n C* peut
posséder 2n stéréoisomères.
Projection de Fischer simplifiée des aldotrioses :
D-glycéraldéhyde
L-glyceraldéhyde
Intérêt biologique du D-glycéraldéhyde :
Le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) est un intermédiaire de la glycolyse (production
d’énergie par les cellules hétérotrophes).
42
Projection de Fischer des cétotrioses :
dihydroxy-1,3-propanone
ou dihydroxyacétone
Le dihydroxyacétone ne possède pas de C*; il est non chiral. Le dihydroxyacétone phosphate
(DHAP) est un composé qui intervient dans la glycolyse ainsi que dans le cycle de Calvin.
Les tétroses :
Ces sucres possèdent deux C*. Ils présentent donc 22 stéréoisomères.
CHO
CHO
H
OH
HO
H
H
OH
HO
H
CH2OH
D-érythrose
CH2OH
L-érythrose
énantiomères
CHO
CHO
H
HO
H
diastéréoisomères
OH
OH
HO
H
CH2OH
CH2OH
D-thréose
H
énantiomères
L-thréose
43
L'érythrose et le thréose sont des aldotétroses. Pour tous les sucres, la nomenclature officielle
est la nomenclature IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry). Le nom
IUPAC de ces sucres est le 2,3,4-trihydroxybutanal7. L'érythrose est un intermédiaire dans la
voie des pentoses phosphates (voir cours de métabolisme).
Le centre chiral le plus distant du carbonyle est utilisé pour nommer le sucre. Si sa
configuration est identique à celle du D-glycéraldéhyde le sucre est un isomère D. Dans le cas
contraire il s'agit de l'isomère L.
Les pentoses :
Ces sucres possèdent trois C*. Ils présentent donc 23 stéréoisomères. Un des sucres les plus
importants au niveau biologique est un aldopentose appelé D-ribose.
CHO
D-ribose :
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
En effet, le D-ribose est l’ose présent dans l’acide ribonucléique (ARN). Il est dans ce cas
sous sa forme cyclique résultant de la formation d’un hémiacétal (voir plus loin). Une forme
modifiée du D-ribose se trouve également dans l’ADN (l'acide désoxyribonucléique).
Formes cycliques des pentoses :
En solution aqueuse, les monosaccharides possédant au moins 5 atomes de carbone forment
des structures cycliques dans lesquelles le groupement carbonyle forme une liaison covalente
avec l'oxygène d'un groupement hydroxyle. Il y a alors formation d'un hémiacétal. Ces formes
cycliques comportent un carbone asymétrique additionnel : le carbone anomérique.
7
Les énantiomères sont distingués par les lettres R et S.
44
La formation d'un hémiacétal peut être expliquée par la présence d'une charge partielle
positive sur le carbone du groupement carbonyle. Ce carbone a alors tendance à former un
lien avec l'oxygène d'un groupement hydroxyle qui possède une charge partielle négative.
R1
R1
C=O
C
R2
R2
O
δ+
δ-
R1
R1
O
C
C
R2
O
R2
La réaction globale se résume en deux étapes :
H
R1
R1
1.
+ R-O-H
C=O
R2
R2
+
C
O
R
O-
H
-
R1
O
+
C
2.
R2
R1
OR
R
O
transfert de
H interne
C
R2
-
OH
Lorsqu'un hémiacétal se forme entre le premier carbone (C1) et le quatrième carbone (C4) d'un
monosaccharide un cycle composé de 5 atomes apparaît. C'est la forme furanique qui à l'allure
d'un pentagone. Ce cycle fait référence au furane, liquide incolore très volatil.
CHO
1
••
O
••
H
H
H
H
H
H
OH
2
OH
3
OH
4
H
Furane
CH2OH
D-ribose
45
Suite à la cyclisation du D-ribose un carbone asymétrique supplémentaire apparaît (le carbone
anomérique). Deux diastéréoisomères de cyclisation sont possibles :
OH
CHO
H
H
OH
H
OH
H
OH
devenu C*
C
H
OH
H
OH
O
H
CH2OH
CH2OH
H
HO
diastéréoisomère n°1
C
H
OH
H
OH
O
H
CH2OH
diastéréoisomère n°2
Pour représenter le diastéréoisomère n°2 en projection de Haworth il suffit de réaliser un
nombre pair de permutations au niveau de C1 et de C4 :
46
La projection de Haworth est un moyen pratique de représenter la structure cyclique des
monosaccharides avec une simple perspective tridimensionnelle. Les atomes de carbone et
d'hydrogène ne sont pas représentés explicitement. Un trait plus épais indique que les atomes
et les liaisons chimiques sont en avant du plan de la feuille.
La nomenclature α ou β se fait en fonction du carbone anomérique et du carbone asymétrique
le plus éloigné du cycle :
- Anomère α : les deux positions ont la même configuration stéréochimique (ou OH le plus à
droite dessiné vers le bas).
- Anomère β : les deux positions ont des configurations stéréochimiques différentes (ou OH le
plus à droite dessiné vers le haut)
4
4
1
configuration β
⇒ β-D-ribose
ou β-D-ribofuranose
(forme présente dans l'ARN)
1
configuration α
⇒ α-D-ribose
ou α-D-ribofuranose
Les anomères α et β peuvent s'interconvertir en solution aqueuse. C'est le phénomène de
mutarotation (un équilibre s'établit alors entre les deux formes).
Formation d’un hémiacétal entre C1 et C5 : la forme pyranique :
Lorsqu'un hémiacétal se forme entre le premier carbone (C1) et le cinquième carbone (C5)
d'un monosaccharide un cycle composé de 6 atomes apparaît. C'est la forme pyranique qui à
l'allure d'un hexagone. Ce cycle fait référence au pyrane.
CHO
1
H
H
H
2
3
4
O
OH
OH
OH
Pyrane
5 CH2OH
D-ribose
47
Le D-ribose se présente donc sous plusieurs formes selon l'endroit de formation de
l'hémiacétal. En milieu aqueux, un équilibre s'établit entre toutes les formes. La forme
prépondérante à 20°C dans l'eau pure est le β-D-ribopyranose (58,5%). Cependant, c'est la
forme β-D-ribofuranose (13,5%) qui est utilisée par la cellule pour former l'ARN.
Le désoxyribose est un ribose ou le groupement OH du C2 est manquant. C'est la forme qui
est utilisée dans l'ADN.
Désoxyribose :
il « manque » un OH
2-désoxy-β-D-ribofuranose
(dans l’ADN)
48
Les hexoses :
Les aldohexoses sont des monosaccharides à 6 atomes de carbones. Ils peuvent également
former des hémiacétals. Les formes linéaires possèdent 4 carbones asymétriques (il y a donc
24 = 16 stéréoisomères : 8 isomères D et 8 isomères L).
Formation d’un hémiacétal entre C1 et C5 :
La nomenclature des hexoses se fait par analogie au pyrane :
49
Les cycles comportant 6 atomes dans les hexoses ne sont pas plans. Ils adoptent généralement
une conformation de type chaise :
OH de C1 axial et donc
moins stable (35%)
OH de C1 dans le "plan"
plus stable (65%)
Les formes α et β s’interconvertissent (phénomène de mutarotation). La proportion à
l’équilibre est de 35% - 65%.
Projections de Haworth
β-D-Glucofuranose
α-D-Glucofuranose
hémiacétal
1-4
< 0,5%
D-Glucose
linéaire
< 0,5%
< 0,5%
hémiacétal
1-5
35%
α-D-Glucopyranose
65%
β-D-Glucopyranose
à 20°C
eau
50
Filiation des aldoses de la série D
Quelques aldohexoses d’intérêt biologique :
D-Glucose (Glu) (C6H1206) (dextrose) : métabolisé par les cellules hétérotrophes dans un
processus appelé glycolyse. Source d’énergie importante pour la cellule. La cellule ne peut
pas utiliser le L-Glucose.
D-Galactose (Gal) (C6H1206) : les glandes mammaires des mammifères sécrètent du lactose,
un disaccharide composé de glucose et de galactose (lactose = Glu-Gal).
D-mannose (Man) (C6H1206) : hexose important dans les glycoconjugés (glycoprotéines,
glycolipides). Impliqués dans les interactions entre cellules (reconnaissance intercellulaire).
51
D-galactose :
Projections de Haworth
α-D-Galactofuranose
β-D-Galactofuranose
3,5%
D-Galactose
linéaire
30%
à 30°C
eau
64%
α-D-Galactopyranose β-D-Galactopyranose
D-mannose :
Projections de Haworth
α-D-Mannofuranose
< 1%
β-D-Mannofuranose
< 1%
Formes linéaires
67%
α-D-Mannopyranose
33%
à 20°C
eau
β-D-Mannopyranose
52
Filiation des cétoses de la série D
cétotriose
cétotétrose
cétopentoses
cétohexoses
53
Fructose :
D-fructose
L-fructose
Formation d’un hémiacétal entre C2 et C6 (forme pyranique) :
D-fructose
α-D-fructopyranose
Formation d’un hémiacétal entre C2 et C5 (forme furanique) :
D-fructose
α-D-fructofuranose
54
D-fructose :
Projections de Haworth
α-D-Fructofuranose
5%
β-D-Fructofuranose
20%
D-fructose
linéaire
2%
73%
α-D-Fructopyranose
β-D-Fructopyranose
à 20°C
eau
Intérêt biologique du D-fructose :
D-fructose (Fru) (C6H1206) (lévulose) : trouvé en abondance dans les fruits et le miel. Trouvé
dans le sucre de table (sucrose) et dans l’inuline produite par les plantes. Peut entrer dans la
glycolyse et être une source d’énergie pour les cellules hétérotrophes.
5.2. Les dérivés des glucides monosaccharides 5.2.1. Le L-­‐fucose (C6H12O5). Il s'agit de L-galactose sans groupement hydroxyle en C6 (remplacé par un H) :
55
Le fucose est aussi appelé 6-déoxy-L-galactopyranose ou β-L-fucopyranose :
Le L-fucose est trouvé dans les polyosides ou celui-ci sert à terminer le polymère ou bien
comme point d’attachement pour l'attachement d’autres oses. On le trouve également à la
surface des cellules (ex : globules rouges).
5.2.2. La glucosamine (C6H13NO5). Il s'agit d'un sucre aminé qui est un composant essentiel de la chitine des insectes et des
crustacés. On le trouve aussi dans la paroi des Fungi et des bactéries. C’est un des
monosaccharides les plus abondants sur Terre. Il se forme à partir d' α-D-glucopyranose.
NH2
α-D-glucosamine
= 2-Amino-2-deoxy-D-glucose
5.2.3. Le N-­‐acétyl-­‐α-­‐D-­‐glucosamine (GlcNac ou α-­‐NAG). 56
La forme acétylée de la glucosamine est très abondante dans la nature. Par exemple, les parois
des bactéries contiennent du N-acétyl-β-D-glucosamine (ou β-NAG).
5.2.4. L'acide N-­‐acétyl-­‐β-­‐D-­‐muramique (β-­‐NAM). Ce sucre résulte de la liaison entre de l'acide lactique et du β-NAG :
Le NAM est également très abondant dans la biosphère car c'est un des deux sucres de la
paroi des bactéries (l'autre étant le β-NAG).
57
5.2.5. Les acides uroniques. Ce sont des sucres acides car ils possèdent un acide carboxylique (une des fonctions
hydroxyle a été oxydée en acide carboxylique).
Acide α-D-glucuronique :
Acide α-D-glucuronique
L’acide glucuronique est très soluble dans l’eau. Chez les animaux, elle est utilisée pour
métaboliser diverses substances (drogues, polluants, bilirubine, androgènes, œstrogènes,
corticoïdes, glucocorticoïdes, dérivés d’acides gras, rétinoïdes, acides biliaires. Le processus
est appelé la glucuronidation. La glucuronidation à lieu principalement dans le foie.
Formation de glucuronides solubles (élimination par les urines).
Acide L-iduronique (IdoA) :
C'est l'acide uronique majeur du dermatan sulfate et de l'héparine (tous deux des
glycosaminoglycanes - GAGs).
58
Acide neuraminique (Neu) :
Ce sucre est un composant des glycoprotéines de la membrane cellulaire, du mucus, ainsi que
des des glycolipides (les gangliosides, composants importants des neurones). Il est chargé
négativement. Il se forme à partir d'acide pyruvique et de D-mannosamine :
59
5.2.6. Les acides sialiques. Ce terme est utilisé pour désigner des dérivés N- ou O-substitués de l’acide neuraminique. Par
exemple par adjonction d’un groupement acétyl. Les acides sialiques sont très répandus dans
les tissus des animaux (dans les glycoprotéines et les gangliosides). Ils sont trouvés également
chez les plantes, les Fungi et les bactéries.
60
5.3. Les diholosides et triholosides 5.3.1. Le maltose. Il s'agit de di-glucose (α-D-glucopyranose + α-D-glucopyranose)8 :
La liaison des deux monosaccharides est une réaction de condensation (formation d'eau).
La liaison O-glycosidique est une liaison covalente entre le groupement OH du C anomérique
et l’hydrogène libre d’une autre molécule (par exemple un autre hydroxyle).
8
Une fois la liaison formée, le résidu glucose possédant le carbone anomérique libre est
capable d'exister sous forme α ou β. Il s'agit de l'extrémité réductrice d'un sucre réducteur,
capable de réduire du Cu2+ dans la réaction de Fehling. Cette extrémité est généralement
représentée à droite.
61
Autre exemple de liaison O-glycosidique :
éthanol
éthyl glucoside
Remarques :
Liaisons S-glycosidiques : le C anomérique possède un groupement soufré
Liaisons N-glycosidiques : le C anomérique possède un groupement NH2
Importance biologique du maltose : ce sucre réducteur apparaît dans les grains d'orge en
germination par action des amylases sur l'amidon (c'est le processus de maltage utilisé en
brasserie). Le maltose est un sucre pouvant être fermenté par les levures.
5.3.2. Le lactose. Il s'agit d'un diholoside de β-D-Galactopyranose et de D-Glucopyranose
(forme α ou β).
62
Importance biologique du lactose :
Le lactose est un sucre réducteur naturellement présent dans le lait des mammifères. Le
lactose est dégradé dans le tube digestif par une enzyme appelée β-galactosidase qui
l'hydrolyse en glucose et galactose. La β-galactosidase est présente chez tout le monde, durant
le sevrage et l’enfance, mais chez certaines populations (asiatiques et africaines), la
production d'enzyme disparait avec l’âge (intolérance au lactose).
5.3.3. Le cellobiose. Il s'agit d'un diholoside (deux unités β-D-Glucopyranose)
La liaison est de type β(1 → 4)
Importance biologique du cellobiose :
Il peut être obtenu par hydrolyse enzymatique de la cellulose (polysaccharide des parois des
plantes, voir plus loin) et des matériaux riches en cellulose (coton, papier). Certaines bactéries
sont capables de l’hydrolyser (formation de glucose).
63
5.3.4. Le saccharose. Ce diholoside est aussi appelé sucrose. Il s'agit du sucre commercial.
Il est constitué de glucose (α-D-Glucopyranose) et de fructose (β-D-Fructofuranose). Le
sucrose est formé par les plantes et non par les animaux (extrait de la betterave sucrière ou de
la canne à sucre). Il s'agit d'un intermédiaire majeur de la photosynthèse. Ce sucre ne
comporte pas de carbone anomérique libre (les carbones anomériques des deux unités sont
impliqués dans la liaison glycosidique). Ce diholoside est donc non réducteur et une double
flèche est utilisée dans sa nomenclature : Glc(α1↔2β)Fru.
Le sucrose peut aussi être représenté de la façon suivante :
1α 2β
Le nom abrégé du sucrose est Glc(α1↔β2)Fru ou Fru(β2↔α1)Glc
5.3.5. Le trehalose. De formule Glc(α1↔1α)Glc, il s'agit d'un diholoside non réducteur qui
est un élément majeur du fluide circulant chez les insectes (l'hémolymphe).
64
5.3.6. Le raffinose. Ce triholoside est composé de galactose, de glucose et de fructose. Ce
n'est pas un sucre réducteur car tous les carbones anomériques sont impliqués dans des
liaisons glycosidiques.
Importance du raffinose :
On trouve le raffinose dans un nombre important de légumes (haricots, choux communs,
choux de Bruxelles, brocoli, asperge, graine de soja, etc.). Les humains et autres animaux
monogastriques (cochon et poule) ne possèdent pas l'enzyme α-galactosidase, ainsi cet
oligoside n'est pas digéré par l'estomac et l'intestin grêle. Par contre il est partiellement
fermenté par les bactéries présentes dans le gros intestin ce qui produit du dioxyde de
carbone, du méthane et de l'hydrogène.
65
5.4. Les polysaccharides Les polysaccharides sont constitués de nombreuses unités monosaccharidiques associées par
des liaisons glycosidiques. Ils se différencient les uns des autres par le type de
monosaccharide, le type de liaison, la longueur des chaînes et la présence de ramifications.
Les homopolysaccharides ne contiennent qu'un seul type de monosaccharide, les
hétéropolysaccharides sont composés d'au moins deux monosaccharides différents. Les
polysaccharides n'ont pas de poids moléculaire défini.
5.4.1. Amylose Il s'agit de chaînes linéaires d’α-D-glucopyranose (600 - 1000 unités).
(α-D-glucopyranosyl-(1 → 4)-α-D-glucopyranoside)n
L’amylose forme des hélices α à six glucoses par tour et est très abondant dans le monde
végétal (blé, pomme de terre, riz, sorgho, seigle, etc.). L'amylose peut être digéré par l'homme
contrairement à la cellulose. L'amylose se dissocie en glucose assimilable sous l'action
d'enzymes, les amylases.
66
5.4.2. Amylopectine. Il s'agit d'amylose avec des ramifications. L'amylopectine est trouvé
chez les plantes. L'amylopectine est digéré plus facilement que l'amylose car la formation
hélicoïdale de l'amylose ne favorise pas l'accessibilité aux enzymes d'hydrolyse.
Ramification tous les 25-30 glucoses
Chaînes : liaisons α(1 → 4)
Ramifications : liaisons α(1 → 6)
α(1 → 4)
α(1 → 6)
5.4.3. L'amidon. Il est constitué d'amylose (25%) et d'amylopectine (75%). L'amidon est
trouvé dans les organes de réserves de nombreuses plantes :
• graines : céréales [maïs, froment] et légumineuses
• racines
• tubercules et rhizomes (pomme de terre, patate douce, etc.)
• fruits (banane)
67
5.4.4. Le glycogène Il possède une structure similaire à l’amylopectine. Il s'agit donc de chaînes linéaires d’α-Dglucopyranose. Cependant, les branchements se font tous les 8 à 12 résidus glucose. Le
glycogène est utilisé par les animaux pour stocker de l'énergie sous forme de granules dans les
cellules (principalement dans le foie et dans les cellules musculaires) au même titre que
l'amidon chez les végétaux.
5.4.5. L'inuline Il s'agit d'un polymère de β-D-fructofuranose.
Les chaînes sont terminées par un glucose. Les liaisons
glycosidiques sont de type β(2→1).
On trouve l'inuline chez les plantes, souvent
dans les racines et les rhizomes
(stockage d’énergie).
Les humains ne possèdent pas l'enzyme pour digérer
ce polysaccharide (fermenté par bactéries dans le colon).
5.4.6. La cellulose Il s'agit de chaînes linéaires de β-D-glucopyranose (200 à 14 000 monomères). La cellulose
est trouvée dans la paroi des cellules végétales. C'est le principal constituant du bois. La
cellulose constitue la matière organique la plus abondante sur la Terre (plus de 50 % de la
biomasse). Elle n'est pas digérée par l’homme.
liaisons β (1 → 4)
β-D-glucopyranose
68
Les chaînes linéaires de cellulose s'associent entre elles par des liaisons hydrogène, conférant
ainsi une structure fibrillaire à la cellulose.
La cellulose peut également être considérée comme un polymère de cellobiose (diholoside) :
69
5.4.7. La chitine. C'est un polymère de N-acétyl-β-D-glucosamine qui est très abondant sur
Terre car on la retrouve dans la paroi des Fungi et les exosquelettes d’arthropodes (insectes,
crustacés). La chitinase est une enzyme capable de dégrader la chitine. Les liaisons
glycosidiques sont de type β(1 → 4).
5.4.8. Le peptidoglycane ou muréine. Il s'agit d'un hétéropolysaccharide unique au groupe
Bacteria. Il est composé de longues chaînes linéaires ou alternent la N-acétyl-β-Dglucosamine (β-NAG) et l'acide N-acétyl-β-D-muramique (β-NAM). De multiples
tétrapepides relient ces chaînes entre-elles. Les unités β-NAG et β-NAM sont reliées par des
liaisons β(1,4). Le lysozyme est capable de cliver ces liaisons.
70
5.4.9. Les glycosaminoglycanes (GAGs) ou mucopolysaccharides Ce sont des hétéropolysaccharides linéaires et non ramifiés. Ils consistent en la répétition d’un
disaccharide. Un des deux monosaccharides est toujours la N-acétyl-glucosamine ou la Nacétyl-galactosamine; l'autre est dans la plupart des cas un acide uronique, habituellement
l'acide D-glucuronique ou l'acide L-iduronique. Dans certains GAGs un ou plusieurs
hydroxyles du sucre aminé est estérifié avec du sulfate. La combinaison des groupes sulfatés
et des groupes carboxyles des acides uroniques donne aux GAGs une grande densité de
charges négatives. Pour minimiser les forces répulsives entre les chaînes les GAGs adoptent
une conformation étendue en solution. Les GAGs sont attachés à des protéines
extracellulaires pour former des protéoglycanes.
Exemples :
L'acide hyaluronique (ou hyaluronate au pH physiologique). Le disaccharide est du GlcA
(acide D-glucuronique) et du GlcNAc (N-acétyl-glucosamine) reliés par une liaison β1→3.
Les unités disaccharidiques sont reliées entre-elles par des liaisons β1→4. Le nombre d'unités
est généralement très élevé, jusqu'à 50 000. L'hyaluronate forme une solution très visqueuse
que l'on retrouve dans le fluide synovial des articulations ainsi que dans l'humeur vitrée des
yeux des Vertébrés. On retrouve aussi ce GAG dans le cartilage et les tendons.
L'hyaluronidase est une enzyme sécrétée par certaines bactéries pathogènes qui est capable
d'hydrolyser les liaisons glycosidiques de l'hyaluronate. Les autres GAGs diffèrent de
l'hyaluronate par deux caractéristiques : les chaînes sont beaucoup plus courtes et elles sont
associées de manière covalente à des protéines spécifiques (les protéoglycanes).
H
H
GlcUA
GlcA
HO
GlcNAc
GalNAc
La chondroïtine sulfate. Il s'agit d'un GAGs présent en grandes concentrations dans le
cartilage (Gr. "chondros", cartilage). Le disaccharide est du GlcA (acide D-glucuronique) et
du GalNAc (N-acétyl-galactosamine) reliés par une liaison β1→3. Les unités
disaccharidiques sont reliées entre-elles par des liaisons β1→4. Le nombre d'unités est de 20 à
60. Les chaînes peuvent être sulfatées en différentes positions (il existe donc différents types
de chondroïtine sulfate). On le retrouve dans les cartilages, les tendons, les ligaments et dans
les parois de l'aorte.
71
-
GlcUA
GlcA
Chondroïtine-4-sulfate :
(chondroïtine sulfate A)
Chondroïtine-6-sulfate :
(chondroïtine sulfate C)
GalNAc
GalNAc
R1 = H
R2 = SO3R3 = H
R1 = SO3R2 = H
R3 = H
Le dermatan sulfate. Du grec "derma", peau. On le retrouve dans la peau, les vaisseaux
sanguins, et les valves cardiaques. Dans ce polymère, beaucoup des résidus GlcA présents
dans la chondroïtine sulfate sont remplacés par leur épimère, l'iduronate (IdoA).
IdoA
Acide iduronique
GalNAc4S
N-acétyl-galactosamine
72
Les keratane sulfate. Ce GAG ne contient pas d'acides uroniques et le contenu en sulfate est
variable. Il est composé de galactose et de GlcNAc6S. Environ 25 unités disaccharidiques. On
les retrouve dans la cornée, le cartilage, les os, et différentes structures cornées composées de
cellules mortes : cornes, cheveux, ongles, griffes.
L'héparine. Du grec "hepar", foie. Anticoagulant naturel fabriqué par les mastocytes (type de
globule blanc) et relargué dans le sang ou elle inhibe la coagulation sanguine en se liant à
l'antithrombine. L'antithrombine se lie alors à la thrombine (protéase essentielle à la formation
d'un caillot) et l'inhibe. L'interaction est fortement électrostatique; l'héparine possède la plus
grande densité de charges négatives de toutes les macromolécules biologiques (il s'agit d'un
GAG hautement sulfaté). L'héparine est ajoutée en routine aux échantillons sanguins pour
l'analyse clinique et au sang donné pour les transfusions pour éviter la coagulation. Environ
15 à 90 unités disaccharidiques. Composé de GlcA2S ou IdoA2S et de GlcNAcS2(S3)S6.
Tous les sucres sont reliés par des liaisons α1→4.
IdoA2S
GlcNAc2S6S
73
5.5. Les lipides Les lipides biologiques forment un groupe très hétérogène dont le trait commun est
l'insolubilité dans l'eau (hydrophobicité). De plus, il ne s'agit pas de polymères contrairement
aux sucres, aux acides nucléiques ou aux protéines. Les fonctions des lipides sont très variées
ainsi que leur structure. Les graisses et les huiles sont généralement des formes de stockage
d'énergie, les phospholipides et les stérols sont des éléments de structure majeurs des
membranes plasmiques. Les autres lipides, en plus faible concentration, ont souvent des rôles
de cofacteur enzymatique, de transporteur d'électron, de pigments absorbant la lumière,
d'ancre hydrophobe pour les protéines, d'agents émulsifiants dans le tube digestif, d'hormones,
ou de messagers intracellulaires. Les cires sont des lipides qui servent à l'imperméabilisation
des feuilles chez les plantes. Les terpènes, pigments retrouvés chez les végétaux et les
animaux, sont parfois classifiés en dehors des lipides.
5.5.1. Les lipides de stockage. Les graisses et les huiles sont utilisés chez les organismes vivants pour stocker de l'énergie.
Ce sont des dérivés d'acides gras. Les acides gras sont des dérivés des hydrocarbures (ils
comportent une longue chaîne carbonée de 4 à 36 carbones) et comme eux ils fournissent
beaucoup d'énergie lorsqu'ils sont oxydés en CO2 et H2O. Dans certains acides gras la chaîne
carbonée est linéaire et saturée (pas de double liaison). On parle alors d'acide gras saturé.
C'est le cas par exemple de l'acide laurique (ou acide n-dodécanoïque CH3(CH2)10COOH. La
nomenclature des acides gras spécifie d'abord la longueur de la chaîne carbonée puis le
nombre de doubles liaisons. Dans le cas de l'acide laurique on notera 12:0 car il n'y a pas de
double liaison.
Acide laurique (12:0)
Acide stéarique (18:0)
Voici d'autres acides gras saturés : acide myristique (14:0), acide palmitique (16:0), acide
stéarique (18:0), acide arachidique (20:0), acide lignocérique (24:0). La température de fusion
de ces acides gras augmente avec le nombre de carbones : 44,2°C pour l'acide gras 12:0 et
86,1 pour l'acide gras 24:0.
Lorsqu'une double liaison est présente l'acide gras est dit insaturé. Le nombre, la position et la
configuration (cis ou trans) des doubles liaisons sont indiqués dans la nomenclature. Par
exemple, pour l'acide oléique C18H34O2, on notera 18:1 cis-Δ9 ou 18:1 trans-Δ9. Il s'agit d'un
acide gras monoinsaturé. On peut aussi le nommer 18:1 ω9.
74
Acide oléique :
Acide linoléique ou LA (C18H32O2) : Il s'agit d'un acide gras polyinsaturé comportant deux
doubles liaisons cis.
18:2 cis,cis-Δ9,12 ou 18:2 ω 6,9
Acide linoléique
Citons encore l'acide palmitoléique (16:1 cis-Δ9), l'acide α-linolénique (18:3 cis,cis,cisΔ9,12,15) et l'acide arachidonique (20:4 cis,cis,cis,cis-Δ5,8,11,14). Les acides gras les plus
communs sont linéaires (pas de branchements) et ont des nombres pairs de carbones (de 12 à
24). Ceci provient de leur mode de synthèse qui implique la condensation d'unités à deux
carbones (acétate). Les acides gras monoinsaturés ont généralement la double liaison en Δ9 ou
en Δ10. Les autres doubles liaisons des acides gras polyinsaturés sont souvent en Δ12 et en Δ15.
Les doubles liaisons des acides gras polyinsaturés ne sont presque jamais conjuguées (pas
d'alternance de simples et doubles liaisons comme -CH=CH-CH=CH- ) mais sont séparés par
un groupe CH2 : -CH=CH-CH2-CH=CH-. La plupart des acides gras insaturés naturels ont
une configuration cis. Les acides gras trans sont produits par fermentation dans le rumen des
animaux producteurs de lait, dans les produits laitiers et la viande. Ils sont également produits
durant l'hydrogénation du poisson ou des huiles végétales. La consommation d'acides gras
trans en trop grande quantité est mauvaise pour la santé.
A température ambiante (25°C) les acides gras saturés de 12:0 à 24:0 ont une consistance
cireuse alors que les acides gras insaturés de la même longueur sont des liquides visqueux
(huile). Ceci vient du fait que les double liaisons cis forment des coudes dans les chaînes
carbonées. Les molécules d'acides gras ont alors plus de difficultés pour s'associer ensemble.
Les longues chaînes hydrocarbonées font que les acides gras sont peu solubles dans l'eau.
L'acide laurique (masse molaire : 200) a une solubilité de 0,063 mg/g dans l'eau alors que le
glucose (masse molaire : 180) a une solubilité de 1,100 mg/g. La présence du groupe
carboxyle polaire fait que les acides gras sont légèrement solubles.
Chez les Vertébrés des acides gras libres (non estérifiés, avec un carboxyle libre) circulent
dans le sang, liés de manière non covalente à un transporteur protéique (la sérum albumine).
Mais la plupart des acides gras sanguins forment des esters ou des amides.
75
Graisses ou triglycérides :
Les lipides les plus simples construits avec des acides gras sont les triacylglycérols, également
appelés triglycérides ou graisses. Les triglycérides sont composés de trois acides gras reliés
par liaison ester à un glycérol.
1 glycérol + 3 acides gras = triglycéride
H2 O
H
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
Réaction de condensation (formation de liaisons ester)
H
liaison ester
⇒ Triglycérides
Les triglycérides qui comportent trois acides gras identiques sont des triglycérides simples. Ils
sont nommés d'après l'acide gras qu'il contiennent. Par exemple la tristéarine (18:0), la
tripalmitine (16:0) et la trioléine (18:1). La plupart des triglycérides comportent 2 ou 3 acides
gras différents. Ce sont des triglycérides mixtes. Il y a une très grande diversité de
triglycérides.
Triglycéride mixte
Les triglycérides sont non polaires et hydrophobes; ils sont également moins denses que l'eau
(l'huile flotte sur l'eau). Les triglycérides forment des gouttelettes dans le cytoplasme des
cellules. Chez les Vertébrés, des cellules spécialisées (les adipocytes) stockent de grandes
quantités de triglycérides. Les triglycérides sont également trouvés dans les graines de
certaines plantes (permettant la croissance des plantules). Les adipocytes et les graines
76
contiennent des lipases, enzymes clivant les triglycérides et libérant les acides gras. A poids
équivalent l'oxydation des triglycérides donne plus de deux fois plus d'énergie que l'oxydation
des polysaccharides. Et comme ils sont très hydrophobes ils n'emmagasinent pas d'eau et
prennent donc peu de place (2 g d'eau s'associent à 1 g de polysaccharide). Il est donc très
avantageux de les stocker pour une cellule. Le glucose et le glycogène sont par contre
beaucoup plus rapidement disponibles en raison de leur solubilité élevée.
Certains animaux stockent des triglycérides sous la peau pour se protéger des basses
températures en plus du stockage d'énergie. C'est le cas également chez les animaux qui
hibernent. Les cachalots stockent des triglycérides dans une poche (le spermaceti) pour régler
leur flottabilité. Le spermaceti est un organe de plusieurs tonnes situé dans le crâne des
cachalots.
La plupart des graisses naturelles (huiles végétales, produits laitiers, graisse animale) sont des
mélanges complexes de triglycérides simples et mixtes. L'huile de maïs et d'olive sont
composées essentiellement de triglycérides avec des acides gras insaturés (et sont donc
liquides à température ambiante). On peut les convertir en graisse solide par hydrogénation
catalytique ce qui réduit certaines de leurs doubles liaisons en simples liaisons et provoque
l'apparition de doubles liaisons trans. Les triglycérides contenant seulement des acides gras
saturés, comme la tristéarine, le composant majeur du gras de la viande, sont des solides
blanchâtres à température ambiante.
Formule générale d'un triglycéride :
Les cires :
Les cires (wax) sont des lipides où des acides gras sont estérifiés sur autre chose que du
glycérol. Ce sont des acide gras à longue chaîne (C14 à C36), saturés ou non, estérifiés sur des
alcools à longue chaîne (C16 à C30). Leur point de fusion est généralement plus élevé que celui
des triglycérides. Dans le plancton microbien, les cires sont des produits de stockage très
fréquents. Le triacontanoylpalmitate, composant majeur de la cire d'abeille, est un ester
d'acide palmitique et de l'alcool triacontanol.
77
Les glandes de certains vertébrés produisent des cires destinées à protéger les poils (les garder
flexibles, lubrifiés et hydrophobes) ainsi que la peau. Des cires recouvrent les plumes de
certains oiseaux pour les garder hydrophobes et les feuilles de certaines plantes pour éviter
l'évaporation et se protéger des parasites.
5.5.2. Les lipides de structure membranaires. Les lipides de structure membranaires sont dits amphipathiques ou amphiphiles : une
extrémité de la molécule est hydrophobe, l'autre est hydrophile. Ils interagissent les uns avec
les autres (interactions hydrophobes) ainsi qu'avec l'eau (interactions hydrophiles) pour
former des bicouches lipidiques (voir plus loin). Il y a 5 types de lipides membranaires : (1)
les glycérophospholipides, (2) les galactolipides et sulfolipides; (3) les lipides
archaebactériens; (4) les sphingolipides; (5) les stérols.
5.5.2.1. Les glycérophospholipides.
Les glycérophospholipides (phosphoglycérides ou phospholipides) sont des lipides
membranaires. Deux acides gras sont reliés par liaison ester aux deux premiers carbones du
glycérol. Un groupement polaire, chargé, est lié par liaison phosphodiester au troisième
carbone du glycérol.
acides gras
région hydrophile
région hydrophobe
78
Formule générale d’un glycérophospholipide :
R1
H
R2
C=O
C=O
O
O
H
C1
C2
C3
H
H
H
O
O
P
O
X
OH
Les glycérophospholipides comportent deux acides gras liés de façon covalente en C1 et C2
d’un radical L-glycérol-3-phosphate. Le groupement phosphate peut être lié à d’autres
composés (X).
Glycérophospholipide
Radical X
Acide phosphatidique
- H (charge nette de -1 à pH 7)
Phosphatidyléthanolamine
éthanolamine
Phosphatidylcholine
choline - CH2 - CH2 - N+(CH3)3 (chargé positivement)
Phosphatidylsérine
sérine - CH2 - CH(NH3)+- COO- (neutre)
Phosphatidylinositol
myo-inositol
- CH2 - CH2 - NH3+ (chargé positivement)
OH
O
1
OH
OH HO OH
2
Si un phosphate se fixe en position 4 et 5 du myo-inositol
on obtient du myo-inositol 4,5-bisphosphate. Le radical X est
alors chargé négativement (phosphates).
Phosphatidylglycérol
glycérol
- CH2 - CHOH - CH2 - OH (neutre)
79
Il existe une grande variété de glycérophospholipides :
Radical R1
Radical R2
Le plus souvent saturé
Le plus souvent insaturé (=)
Exemples :
Exemples
14:0
16:0
18:0
20:0
...
16:1 cis-Δ9 acide palmitoléique
18:1 cis-Δ9 acide oléique
18:2 cis-cis-Δ9,12 acide linoléique
20:4 cis-cis-cis-cis-Δ5,8,11,14 acide arachidonique
...
acide myristique
acide palmitique
acide stéarique
acide arachidique
Phosphatidyl choline :
80
Certains phospholipides animaux ont un des deux acides gras lié au glycérol par une liaison
éther. Cet acide gras peut être saturé ou bien contenir une double liaison entre C1 et C2 comme
dans les plasmalogènes.
Phospholipide plasmalogène présentant une insaturation
Les phospholipides plasmalogènes sont abondants dans la membrane des cellules musculaires
et nerveuses (50% du phosphatidylcholine du cœur). Les membranes des bactéries halophiles,
des protistes ciliés et de certains invertébrés contiennent de grandes proportions de lipides
possédant des liaisons éther. Leur fonctionnalité est inconnue; ils résistent peut-être mieux à
certaines phospholipases. Le facteur d'activation des plaquettes (Platelet-activating factor,
PAF) est un phospholipide présentant un alcane lié via une liaison éther en C1, un acide
acétique en C2 (liaison ester), et une choline en C3 (sur le phosphate). Le PAF sert de signal
moléculaire. Il est produit par les basophiles (type de globule blanc). Il stimule l'agrégation
des plaquettes sanguines et la production de sérotonine (vasoconstricteur) par celles-ci.
1
2
3
Facteur d'activation des plaquettes (PAF)
81
5.5.2.2. Les galactolipides et les sulfolipides.
Les galactolipides sont des lipides membranaires qui prédominent chez les plantes. Ils
possèdent un ou deux résidus galactose attachés par liaison glycosidique au C3 d'un 1,2diacylglycérol. Ils font partie du groupe des glycolipides.
CH2 ⎯
⏐
CH ⎯
⏐
⎯ CH2
Monogalactosyldiacylglycérol (MGDG)
⎯
CH2 ⎯
⏐
CH ⎯
⏐
⎯ CH2
Digalactosyldiacylglycérol (DGDG)
Les galactolipides sont localisés dans la membrane des thylakoïdes des chloroplastes. Ils
constituent 70 à 80% des lipides totaux d'une plante vasculaire. Ce sont donc des lipides
membranaires très abondants dans la biosphère. Ces lipides membranaires sans phosphate
sont probablement avantageux dans les sols souvent limitants en phosphore.
Les membranes des plantes comportent également des sulfolipides, dans lesquels un glucose
sulfaté est attaché à un diacylglycérol par une liaison glycosidique. La tête du lipide porte
donc une charge négative (comme pour les phospholipides).
82
-
O
⏐
O = S ⎯
O
CH2 ⎯
⏐
CH ⎯
⏐
⎯ CH2
6-sulfo-6-deoxy-α-D-glucopyranosyldiacylglycérol (sulfolipide)
5.5.2.3. Les lipides archaebactériens.
De façon générale ces lipides contiennent des liaisons éther (et non des liaisons ester).
Certains lipides archaebactériens sont composés de longues chaînes d'hydrocarbures (32
carbones) liées de chaque côté à du glycérol (par des liaisons éther). Un lipide de type dialkyl
glycérol tétraéther est alors formé. Les liaisons éther sont plus stables à l'hydrolyse lorsque le
pH est bas et la température est élevée (certaines archées vivent à bas pH et d'autres à haute
température). A chaque extrémité, les résidus glycérol fixent des sucres ou du phosphate ce
qui les rend hydrophiles. Lorsqu'ils forment une membrane ces lipides forment une
monocouche lipidique. Les chaînes hydrocarbonées sont souvent des polymères d'isoprène :
les chaînes phytanyl. Le glycérol des lipides archaebactériens n'est pas le même stéréoisomère
que celui des bactéries et des eucaryotes; le carbone central est dans la configuration R chez
les archées et dans la configuration S chez les autres.
Dialkyl glycérol tétraéther
Diphytanyl glycérol diéther
83
5.5.2.4. Les sphingolipides.
Ces lipides possèdent une tête polaire et deux queues hydrophobes mais contrairement aux
précédents, ils ne contiennent pas de glycérol. Ils se forment à partir de la sphingosine
(C18H37NO2), un alcool aminé, sur laquelle vient se fixer un acide gras.
L'acide gras (18 à 26 carbones; saturé ou mono insaturé) se lie à la sphingosine par une liaison
amide pour former un résidu céramide.
Le résidu céramide fixera par après une tête polaire pouvant être de la phosphorylcholine, du
glucose, un di-, tri- ou tetrasaccharide, ou alors un oligosaccharide plus complexe.
La sphingomyéline comporte de la phosphorylcholine comme tête hydrophile. C'est un
sphingolipide très abondant chez les animaux supérieurs.
phosphorylcholine
84
La tête hydrophile peut également être de la phosphoryléthanolamine :
La sphingomyéline est trouvée dans la membrane cellulaire des cellules animales,
particulièrement dans la gaine de myéline qui entoure les axones des cellules nerveuses.
Généralement avec de la phosphorylcholine. Les sphingomyélines n'ont pas de charge nette
(charge + sur l'azote et charge négative sur le phosphate).
Il y a donc trois sous-classes de sphingolipides qui diffèrent dans les têtes hydrophiles : les
sphingomyélines, les glycolipides neutres et les gangliosides.
Les glycosphingolipides, que l'on retrouve principalement dans le feuillet externe des
membranes cytoplasmiques, possèdent une tête hydrophile qui consiste en un sucre (ou des
sucres) fixé directement sur le céramide; ils ne contiennent pas de phosphate. Ce sont les
cérébrosides, qui ne comportent que un seul sucre (glucose dans les cellules non neuronales,
ou galactose dans les cellules neuronales).
Cérébrosides et globosides :
Le céramide est couplé à un ou à plusieurs sucres neutres (liaison éther) :
Les cérébrosides sont abondants dans les cellules du système nerveux central, dans les
cellules du rein, du foie et de la rate. Le sucre est le plus souvent du glucose ou du galactose.
85
Les globosides sont des glycosphingolipides neutres comportant une tête hydrophile de deux
ou plusieurs sucres, habituellement le D-glucose, le D-galactose, ou le N-acétyl-Dgalactosamine. Les cérébrosides et les globosides sont parfois appelés glycolipides neutres (ils
n'ont pas de charge à pH 7).
Gangliosides :
Les gangliosides sont les sphingolipides les plus complexes. La tête polaire comporte un
oligosaccharide ainsi qu'un ou plusieurs résidus acides N-acétyl-neuraminique (Neu5Ac).
Neu5Ac
Les acides sialiques comme le Neu5Ac donnent une charge négative au sphingolipide à pH 7
ce qui les distingue des cérébrosides et globosides.
Ganglioside GM1 (C73H131N3O31)
86
βDGalp(1-3) βDGalNAc[aNeu5Ac(2-3)] βDGalp(1-4) βDGlcp(1-1)Cer
Lorsque les sphingolipides ont été découverts leur rôle biologique était énigmatique (comme
le Sphinx, d'ou leur nom!). Chez l'homme environ 60 sphingolipides ont été isolés et leur
fonction n'est pas toujours connue. Beaucoup sont présents dans la membrane plasmique des
neurones et certains sont clairement des sites de reconnaissance de la surface cellulaire. Ce
sont donc des éléments de la transduction du signal (communication vers l’intérieur de la
cellule). Les sucres de certains sphingolipides définissent les groupes sanguins humains et
sont des motifs antigéniques importants en immunologie (reconnaissance intercellulaire).
87
5.5.2.5. Les stéroïdes ou stérols.
Les stérols sont des lipides de structure présents dans les membranes de la plupart des cellules
eucaryotes. Ces molécules possèdent un noyau cyclopentanophénanthrénique hydrophobe,
composé de 4 cycles fusionnés. Ce noyau est quasi plan et est relativement rigide.
Le noyau cyclopentanophénanthrénique
Numérotation des carbones
Le stérol majeur des tissus animaux est le cholestérol. Il s'agit d'une molécule amphipathique
possédant une tête polaire (groupement hydroxyle sur le C3) et un corps hydrophobe. Il peut
représenter jusque 50% des lipides membranaires.
Le cholestérol (C27H46O) :
Le cholestérol possède 8 carbones asymétriques. Il y a donc 28 = 256 stéréoisomères possibles
(carbones n°3, 8, 9, 10, 13, 14, 17 et 20).
88
Des stérols semblables au cholestérol sont trouvés chez les plantes (stigmastérol) et les Fungi
(ergostérol). La plupart des bactéries ne savent pas synthétiser de stérols9. Les bactéries qui
ont des stérols dans leur membrane semblent les incorporer depuis l'environnement.
Ergostérol (C28H44O) :
L'ergostérol est synthétisé par des levures (Fungi unicellulaires) à partir de sucres ou de
dérivés de l'ergot (Fungi pluricellulaire parasite du seigle). C'est un composant des
membranes des cellules de Fungi, remplissant la même fonction que le cholestérol chez les
cellules animales. La présence de l'ergostérol dans les membranes des cellules de Fungi
couplée à son absence dans les membranes des cellules animales en fait une cible pour des
fongicides.
Le stigmastérol
Les stérols de tous les eucaryotes sont synthétisés à partir de sous-unités d'isoprène, tout
comme les vitamines liposolubles, les quinones et les dolichols.
Le cholestérol possède une grande importance fonctionnelle car c'est un précurseur de
nombreuses hormones et vitamines chez les invertébrés et les vertébrés :
- Vitamine D (calciférol)
- Ecdysone
- Hormones de la corticosurrénale (cortisol, cortisone, aldostérone)
- Hormones stéroïdes sexuelles (progestérone, œstrogènes,
testostérone)
Voir plus loin, les dérivés des lipides.
9
La Proteobactérie Methylococcus capsulatus, ainsi que le planctomycete Gemmata
obscuriglobus sont capables de produire des stérols. Pearson et al. 2003. PNAS 100:15352–
15357.
89
5.5.2.6. Formation des bicouches lipidiques.
Les lipides de structure membranaires s'associent pour former des bicouches lipidiques. La
membrane des cellules animales et végétales, ainsi que celle des bactéries, est une bicouche
lipidique.
EAU
EAU
Des acides gras saturés et insaturés sont présents dans les bicouches lipidiques. En fonction de
leurs proportions respectives les bicouches seront plus ou moins fluides.
Les bicouches lipidiques peuvent se replier sur elles-mêmes pour former des vésicules
(liposomes ou micelles).
90
5.5.2.7. Proportion des divers lipides membranaires.
Il y a de grandes variations selon les cellules et les espèces considérées. Par exemple, voici la
composition de la membrane des hématies chez 4 espèces de Mammifères.
PC
S
PC
PC
C
Rat
PC : phosphatidylcholine
S : sphingomyéline
S
S
PE
PE
C
PC
C
C
Boeuf
Porc
S
PE
PE
Mouton
PE : phosphatidylétanolamine
C : cholestérol
5.6. Les dérivés des lipides 5.6.1. Les dérivés des acides gras Les dérivés de l’acide arachidonique sont les eïcosanoïdes (grec eïcos, 20) comportant 20
atomes de carbone. Ils se subdivisent en leucotriènes et en prostanoïdes. Les prostanoïdes
comportent les prostaglandines, les thromboxanes et les prostacyclines.
Acide arachidonique (C20H32O2)
20:4 cis-cis-cis-cis-Δ5,8,11,14
L'acide arachidonique est trouvée dans les membranes cellulaires, surtout dans le
phosphatidyléthanolamine, le phosphatidylcholine et phosphatidylinositol.
Les leucotriènes :
Les leucotriènes ont d'abord été trouvés dans les leucocytes; ils contiennent également trois
doubles liaisons conjuguées (d'ou le nom "leuko" et "triènes"). Ce sont des signaux
biologiques puissants. Par exemple, le leucotriène D4, dérivé du leucotriène A4, induit la
contraction des muscles de la paroi des bronches. Une surproduction de ces leucotriènes peut
donc provoquer une crise d'asthme. Ils sont également responsables de la contraction des
muscles lisses des poumons qui a lieu durant un choc anaphylactique.
91
Les trois doubles liaisons des leucotriènes sont généralement les suivantes : Δ7-8, Δ9-10 et
Δ11-12.
Les prostaglandines :
Les prostaglandines (PG) comportent un cycle à 5 atomes de carbone qui provient de la
chaîne de l'acide arachidonique. Ils ont été isolés pour la première fois à partir de la prostate
(d'ou leur nom). A l'origine, deux groupes de prostaglandines ont été définis : les PGE
(prostaglandines solubles dans l'éther) et les PGF (solubles dans un tampon phosphate).
Ce sont des médiateurs chimiques qui agissent sur divers tissus en régulant la synthèse de
cAMP intracellulaire. Certaines PG stimulent la contraction des muscles lisses de l'utérus,
d'autres affectent le flux sanguin de certains organes, ou le cycle éveil-sommeil. Certaines PG
sont responsables de la fièvre, de l'inflammation ou de la douleur.
Prostaglandine E1 (PGE1)
92
Les thromboxanes :
Les thromboxanes (TX) possèdent un cycle à 6 atomes et comportent un éther. Ils sont
produits par les plaquettes sanguines (les thrombocytes) et agissent dans la formation des
caillots et la réduction du flux sanguin. Les composés anti-inflammatoires non stéroïdiens
comme l'aspirine, l'ibuprofène et le meclofenamate inhibent la synthèse de prostaglandines
(inhibition de la prostaglandin synthase H2).
Thromboxane A2
Thromboxane B2
93
Les prostacyclines (PGI) :
Ce sont également des dérivés de l'acide arachidonique. La principale action des
prostacyclines est d'empêcher l'agrégation des plaquettes. Elles ont également une action
vasodilatatrice. La prostacycline a des effets opposés aux thromboxanes.
PGI2
5.6.2. Les dérivés des stéroïdes. - Vitamine D (= calciférol)
- Ecdysone
- Hormones de la corticosurrénale (cortisol, cortisone, aldostérone)
- Hormones stéroïdes sexuelles (progestérone, œstrogènes,
testostérone)
- Acides ou sels biliaires (acide cholique)
Vitamine D2 :
Vitamine D3 :
94
Ecdysone :
Impliquée dans le
processus de la mue
des arthropodes et dans
le contrôle de leur
reproduction.
Hormones de la corticosurrénale :
Cortisol
Cortisone
Aldostérone
Secrétées par le cortex des glandes surrénales (corticosurrénales).
95
Hormones stéroïdes sexuelles :
œstrogènes :
estradiol
estriol
Progestérone
estrone
Testostérone
Acides ou sels biliaires (acide cholique) :
Stéroïdes acides se trouvant principalement dans la bile des mammifères.
Acide cholique :
Chez l’homme, c'est l'acide taurocholique et l'acide glycocholique (dérivés de l'acide
cholique) qui composent 80% de tous les acides biliaires. Ils sont produits dans le foie par
oxydation du cholestérol et conjugués avec de la taurine ou de la glycine. Les acides biliaires
sont stockés dans la vésicule biliaire. Ils ont pour fonction de faciliter la formation de micelles
(émulsification des graisses lors de la digestion).
Acide taurocholique
Taurine :
(dérivé de cystéine)
96
5.7. Les terpènes Les terpènes sont des hydrocarbures dérivés de l'isoprène C5H8 et ont pour formule de base
des multiples de celle-ci, c'est-à-dire (C5H8)n.
Leur squelette de carbone est constitué d'unités d'isoprène reliées à la queue-leu-leu. Ces
squelettes peuvent être arrangés de façon linéaire ou bien former des cycles.
Deux propriétés fondamentales :
* Propriétés odoriférantes chez les végétaux. Ex : géranium.
* Alternance de simples et doubles liaisons (liaisons conjuguées)
⇒ interaction avec la lumière.
En fonction du nombre n (entier) d'unités pentacarbonés (C5) on distingue :
* n = 2 : les monoterpènes (C10). Ce sont les plus communs. Ils ont pour formule C10H16
et comptent de nombreux isomères. Ex : le géraniol.
* n = 3 : les sesquiterpènes (C15). Ex : le farnesol.
* n = 4 : les diterpènes (C20). Ex : le phytol (cf. chlorophylle)
* n = 5 : les sesterpènes (C25).
* n = 6 : les triterpènes (C30). Ex : le squalène
* n = 8 : les tétraterpènes (C40). Ex : le β-carotène
* n = ∝ : caoutchouc naturel : les polyterpènes.
5.7.1. Les monoterpènes. Ils comportent deux isoprènes. Formule de base (C5H8)2. Ce sont les éléments principaux des
essences végétales aromatiques appelées huiles essentielles. Par exemple : le camphre, le
géraniol, le menthol, le limonène, le citral. On peut trouver des monoterpènes dans plus de
2000 plantes de soixante familles différentes.
97
Géranyl pyrophosphate
En plus de ces formes linéaires, l'isopropène peut s'arranger de manière à former des cycles :
les plus communs ont un cycle à six carbones. L'exemple classique est celui du limonène,
composé cyclique formé à partir du géranyl-pyrophosphate.
odeur d’orange
Menthol :
5.7.2. Les sesquiterpènes. Ils comportent trois isoprènes. Formule de base (C5H8)3 = C15H24.
Le farnésol est trouvé dans l'huile essentielle de citronelle. C'est un pesticide naturel, et une
phéromone pour certains insectes.
Il existe des sesquiterpènes cycliques :
Humulène
Sesquiterpène
monocyclique
Cadinène
Sesquiterpène
bicyclique
98
5.7.3. Les diterpènes. Ils comportent quatre isoprènes. Formule de base (C5H8)4 = C20H32.
Ils dérivent du géranylgéranyl pyrophosphate
Le cafestol : (C20H28O3)
Le kahweol (C20H26O3)
On les trouve dans les grains de café (estérifié à des acides gras).
Le rétinol (C20H30O) ou vitamine A est un diterpène.
Forme alcool
Rétinoïdes
Rétinal : forme aldéhyde
Acide rétinoïque : forme acide
Rétinyl ester : forme ester
99
L’isomerisation du 11-cis-retinal en all-trans-retinal par la lumière qui induit un changement
conformationnel de l’opsine et produit le phénomène de vision. L'opsine est une protéine qui
comporte du rétinal. L'ensemble est appelé rhodopsine.
11-cis retinal
all-trans retinal
Le phytol (C20H40O) est également un diterpène. Chez les plantes, il est estérifié à la
chlorophylle.
La chlorophylle :
Noyau tetrapyrrole
Ion Mg(II)
au centre
Liaison ester
Chaîne phytol
Hétérocycle pyrrole
100
5.7.4. Les triterpènes. Ils comportent six isoprènes. Formule de base (C5H8)6 = C30H48.
Le squalène
Le squalène est un hydrocarbure retrouvé dans l’huile de foie de requin (il serait synthétisé
pour reduire leur densité; en effet, la densité du squalène est de 0,855). On le retrouve aussi
dans certaines plantes (les olives). Beaucoup d’organismes supérieurs en produisent. Le
squalène est en fait un précurseur de tous les stéroïdes : par cyclisation il se forme du
lanostérol, précurseur du cholestérol.
cyclisation
101
5.7.5. Les tétraterpènes. Ils comportent huit isoprènes. Formule de base (C40H64)8.
anneau β
anneau β
β-carotène (C40H56)
Le β-carotène est un pigment rouge-orange, abondant dans les plantes et les fruits (carottes).
Ce pigment est important pour la photosynthèse. C'est également un précurseur de la vitamine
A (dimère de la vitamine A). Les pigments apparentés sont appelés pigments caroténoïdes.
L'astaxanthine (C40H52O4) :
Il s'agit d'un pigment rouge, présent chez les crustacés (crabes, crevettes, homard, écrevisses,
langoustes), le saumon, la daurade rose et dans les plumes de certains oiseaux.
102
5.8. Les protéines ou polypeptides. Les polypeptides ont une grande importance car environ 50% de la masse sèche de la plupart
des cellules est composée de polypeptides. Les polypeptides ont plusieurs fonctions :
(1) Fonction enzymatique : les enzymes sont des protéines qui accélèrent sélectivement la
vitesse de certaines réactions chimiques; les enzymes agissent donc comme catalyseurs;
(2) Les protéines soutiennent les tissus; elles ont donc un rôle structural (par exemple le
collagène);
(3) Les protéines transportent des substances (par exemple l'hémoglobine transporte l'O2);
(4) Les protéines participent à la communication intercellulaire;
(5) Les protéines participent à la production d’énergie cellulaire;
D'autres fonctions sont également possibles. Chaque animal possède des dizaines de milliers
de protéines différentes, chaque protéine ayant une structure et une fonction spécifique.
Les polypeptides sont des polymères d’acides aminés.
Les acides aminés sont également appelés aminoacides (aa). La formule générale d’un
aminoacide est la suivante :
radical R (≠ pour chaque aa)
Groupement amine
Groupement carboxyle
Forme à pH 7.0
Carbone α : asymétrique
5.8.1. Les 20 aminoacides. Aminoacides aliphatiques :
5 aminoacides à chaîne hydrocarbonée
2 aminoacides hydroxylés
2 aminoacides soufrés
2 aminoacides dicarboxyliques et leurs 2 amides correspondants
2 aminoacides basiques
103
Aminoacides cycliques :
2 aminoacides aromatiques
3 aminoacides hétérocycliques
Aminoacides à chaîne hydrocarbonée, non polaires (5)10
1. Glycine (Gly ou G)
Glycocolle ou acide α-amino-acétique.
R = H (la glycine n’est donc pas chirale).
Nom dans un peptide : glycyl.
Très répandue dans les protéines, particulièrement dans la gélatine (25% des aa), le collagène
(35% des aa) et la fibroïne (protéine du ver à soie dont 40% des aa sont de la glycine). La
glycine entre également dans la composition des acides biliaires et participe aux processus de
détoxication au niveau du foie (élimination de l’acide benzoïque par conjugaison avec la
glycine : formation d'acide hippurique).
2. Alanine (Ala ou A)
Acide α-amino-propionique.
R = CH3
Nom dans un peptide : alanyl.
Il s'agit d'un aminoacide très répandu. Il existe également la β-alanine : le groupe amine est
alors en position β (cet aminoacide n’est pas utilisée dans la biosynthèse des protéines).
β
α
β-alanine
3. Valine (Val ou V)
Acide α-amino-isovalérique
R = (CH3)2 CH
Nom dans un peptide : valyl.
10
Tous les aminoacides sont représentés ici à pH 7.0.
104
4. Leucine (Leu ou L)
Acide α-amino-isocaproïque
R = (CH3)2 CH CH2
Nom dans un peptide : leucyl.
5. L’isoleucine (Ile ou I)
Acide α-amino-β-méthyl-valérique
R = (CH3)2 CH CH2
Nom dans un peptide : isoleucyl.
Leu : C6H13NO2
Ile : C6H13NO2
Leu et Ile sont des isomères de structure
Aminoacides hydroxylés (2)
Ces acides aminés sont polaires (avec un R non chargé).
6. Sérine (Ser ou S)
Acide α-amino-β-hydroxy-propionique
R = CH2 OH
Nom dans un peptide : seryl.
L’hydroxyle peut être estérifié
par l’acide phosphorique; on obtient
alors la phosphosérine, caractéristique
des phosphoprotéines (ex: vitelline
du jaune d’oeuf)
105
7. La thréonine (Thr ou T)
Acide α-amino-β-hydroxy-butyrique
R = CH3 CH OH
Nom dans un peptide : threonyl.
Aminoacides soufrés (2)
8. Cystéine (Cys ou C)
Acide α-amino-β-mercapto-propionique
R = CH2 SH
Nom dans un peptide : cysteinyl.
Cet acide aminé est polaire (avec un R non chargé).
La cystéine est proche de la sérine (SH vs. OH). Dans les protéines, deux cystéines peuvent
former un pont disulfure :
106
9. Méthionine (Met ou M)
Acide α-amino-γ-méthyl-mercapto-butyrique
R = CH3 (CH2)2 S
Nom dans un peptide : methionyl.
Cet acide aminé est non polaire.
La méthionine est aussi un donneur de groupement méthyle
dans diverses réactions biosynthétiques.
Aminoacides dicarboxyliques et leurs amides (4)
Ils ont deux fonctions acides
10. Acide aspartique (Asp ou D) ou aspartate
Acide α-amino-succinique
R = COO– CH2
Nom dans un peptide : aspartyl.
Cet acide aminé possède un R chargé négativement (à pH 7).
11. Asparagine (Asn ou N)
R = CONH2 CH2
Nom dans un peptide : asparaginyl.
Cet acide aminé est polaire (R non chargé).
Grande concentration dans les asperges!
12. Acide glutamique (Glu ou E) ou glutamate
Acide α-amino-glutarique
R = COO– (CH2)2
Nom dans un peptide : glutamyl.
Cet acide aminé possède un R chargé négativement (à pH 7).
107
13. Glutamine (Gln ou Q)
R = CONH2 (CH2)2
Nom dans un peptide : glutaminyl.
Cet acide aminé est polaire
(R non chargé).
Aminoacides basiques (2) : possèdent un groupement NH2+ ou NH3+ supplémentaire. Leur
groupe R est donc chargé positivement à pH 7.
14. Lysine (Lys ou K)
Acide α-ε-diamino-caproïque
R = NH3+ (CH2)4
ε
Nom dans un peptide : lysyl.
Certaines protéines contiennent
de l’hydroxylysine (un hydroxyle en δ)
α
15. L’arginine (Arg ou R)
Acide α-amino-δ-guanidino-valérique
R = NH2 C(NH2) NH (CH2)3
Groupement guanidique
Nom dans un peptide : arginyl.
108
L'arginine est très abondante dans les protéines basiques des noyaux cellulaires (histones et
protamines).
Une charge positive est
portée par le groupement
guanidique à pH 7.
Il y a délocalisation
de la charge positive
et de la double liaison.
Aminoacides aromatiques (2)
16. La phénylalanine (Phe ou F)
Acide α-amino-β-phényl-propionique
R = C6H5 CH2
Nom dans un peptide : phenylalanyl.
Rem : tous les H ne sont
pas représentés.
17. Tyrosine (Tyr ou Y)
Acide α-amino-β-parahydroxyphényl-propionique
R = C6H4 CH2 OH
Nom dans un peptide : tyrosinyl.
Rem : tous les H ne sont
pas représentés.
109
Aminoacides hétérocycliques (3)
18. Histidine (His ou H)
Acide α-amino-β-imidazole-propionique
R = C3H3N2 CH2
••
Groupement imidazole
à pH > 6.02
Nom dans un peptide : histidyl.
Le groupement R de l'histidine
est non chargé si le pH > 6.02
A pH < 6.02 un atome de H+
supplémentaire se fixe sur l'azote
portant le doublet libre (conférant une
charge + globale à l'imidazole).
L'histidine est très répandue dans les globines.
19. Tryptophane (Trp ou W)
Acide α-amino-β-indole-propionique
R = C8H6N CH2
Nom dans un peptide : tryptyl.
Rem : tous les H ne sont
pas représentés.
20. La proline (Pro ou P)
Acide pyrolidine-2-carboxilique
R = (CH2)3
Nom dans un peptide : prolyl.
L’hydroxyproline est un dérivé hydroxylé de la proline (13% des aa dans le collagène).
110
Hydroxyproline
5.8.2. Les aminoacides et l'alimentation humaine. Certains aminoacides ne peuvent être synthétisés par l'organisme et doivent donc être trouvés
dans la nourriture. Ce sont les acides aminés essentiels.
aa essentiels
aa non essentiels
Leucine
Isoleucine
Lysine
Méthionine
Phénylalanine
Thréonine
Tryptophane
Valine
Alanine
Asparagine
Aspartate
Cystéine (*)
Glutamate
Glutamine
Glycine
Proline
Sérine
Tyrosine (*)
Arginine (*)
Histidine (*)
(*) sauf chez enfants (car les voies de synthèse ne sont complètement développées).
5.8.3. Les aminoacides rares. La sélénocystéine (Sec ou U)
Comme la cystéine, mais avec du sélénium (Se).
Cet acide aminé est trouvé dans certaines enzymes :
- glutathione peroxidases
- tetraiodothyronine 5' deiodinases
- thioredoxin reductases
- formate dehydrogenases
- glycine reductases
- certaines hydrogenases
111
Rem : La sélénocystéine correspond au codon UGA (« stop »), dans certaines conditions (voir
plus loin).
La pyrrolysine (Pyl ou O)
Cet acide aminé est rouvé chez les Archées méthanogènes11.
Rem : Correspond au codon UAG (« stop »), dans certaines conditions (voir plus loin).
5.8.4. Les aminoacides modifiés au sein de la protéine. Certains acides aminés sont parfois modifiés une fois qu'ils ont été incorporés dans un
polypeptide. Par exemple :
- Carboxylation du glutamate
- Hydroxylation de la proline
- Formation de l’hypusine à partir de la lysine. L'hypusine est trouvée chez les archées et les
eucaryotes, mais pas chez les bactéries.
5.8.5. Les aminoacides non associés à des protéines. Tous les acides aminés ne sont pas utilisés pour fabriquer des protéines. C'est le cas par
exemple pour :
- La lanthionine
- L'acide 2-amino-isobutyrique
- La dehydroalanine
- L'acide γ-aminobutyrique, ou GABA (un neurotransmetteur)
5.8.6. Principales propriétés physiques des aminoacides. 1. Isomérie optique
Tous les acides aminés ont un carbone α asymétrique (sauf la glycine).
Il y a donc (au moins) deux isomères optiques (énantiomères).
11
Hao et al. 2002. Science 296:1492-1466.
112
L-alanine
S-alanine
(sinistrum)
D-alanine
R-alanine
(rectum)
Les acides aminés constitutifs des protéines sont tous de la série L.
Exceptions :
- Paroi des bactéries
- Certains peptides antibiotiques
2. Absorption dans l’ultra-violet
• Absorption importante aux longueurs d'onde inférieures à 230 nm (UVc).
• Certains absorbent entre 250 et 300 nm (UVb et c) à cause du radical phényle (Tyr) ou du
noyau indole (Trp)
Le dosage spectrophotométrique des acides aminés est donc possible.
3. Ionisation
Le groupement carboxyle et l’amine sont ionisables. Les acides aminés sont des amphotères :
113
5.8.7. La liaison peptidique. Les acides aminés s'associent pour former des protéines. Les liaisons entre les acides aminés
s'appellent les liens peptidiques.
Lorsque plusieurs acides aminés s'associent un polypeptide est formé. Un petit polypeptide de
quelques acides aminés est appelé un oligopeptide. Dans les conditions physico-chimiques
habituelles de la biosphère les liens peptidiques ne se forment pas spontanément car c'est la
réaction d’hydrolyse qui est favorisée. Ils ne se forment que dans le cytoplasme des cellules
(grâce aux ribosomes).
Exemple d'oligopeptide : le pentapeptide seryl-glutamyl-arginyl-histidyl-tyrosine :
Remarque : la liaison peptidique avec une proline induit une courbure dans le polypeptide :
114
La liaison peptidique est rigide et plane :
5.8.8. Les polypeptides et leur séquençage. Les polypeptides ont une direction :
La plupart des polypeptides ont entre 50 et 2000 acides aminés.
L’enchaînement des acides aminés est la structure primaire des protéines. Chaque protéine
possède une séquence caractéristique d’acides aminés. Cette séquence est déterminée par les
gènes (l’ADN) comme nous le verrons plus loin.
115
Frederick Sanger (1918 - ) est un biochimiste anglais, deux fois prix Nobel, qui fut le premier
à avoir déterminé la séquence d’un polypeptide : l’insuline, en 1955) (son premier prix Nobel
lui fut décerné en 1958). L'insuline est une hormone polypeptidique produite par le pancréas.
Pour la première fois il fut démontré qu’une protéine possède une séquence précise
d’aminoacides.
chaîne A : 21 aa
chaîne B : 30 aa
La détermination de la séquence des acides aminés de l'insuline a été réalisée par la méthode
des dinitrophényl-aminoacides. Cette méthode porte désormais le nom de "méthode de
Sanger". Cette méthode est la suivante. Le groupement NH3+ libre d’un polypeptide réagit
avec du dinitrofluorobenzène. On obtient ainsi un dinitrophényl-polypeptide (DNPpolypeptide) :
116
Le DNP-polypeptide est ensuite hydrolysé complètement avec de l'HCl (6M; 110°C; 24h) et
le DNP-aminoacide terminal est séparé par chromatographie sur papier.
O2 N
H
N
H
NO2
Séparation du DNP-aminoacide terminal
En combinant la méthode des DNP-aminoacides avec l’emploi d’enzymes protéolytiques
(capables de scinder les polypeptides à des endroits spécifiques) Sanger coupa l’insuline en de
multiples fragments, puis détermina la séquence complète de l’insuline par la méthode du
chevauchement :
Le séquençage d'un polypeptide est également possible par la méthode de la dégradation
récurrente d’Edman (1950). Cette méthode ne nécessite plus de cliver le peptide au
préalable. Cette méthode utilise du phenylisothiocyanate (PIT) qui se fixera à l'extrémité Nterminale du polypeptide à pH 8.0 :
117
On passe ensuite en conditions acide et on chauffe. Un seul acide aminé, celui de l’extrémité
N-terminale, se détachera en laissant les autres liaisons peptidiques intactes. C'est ce que l'on
appelle une dégradation récurrente, qui est efficace pour les 30 premiers acides aminés. Le
phénylthiohydantoine (PTH) généré est séparé et identifié par chromatographie.
Actuellement le séquençage des protéines se fait par spectrométrie de masse en tandem
(MS/MS). On appelle également cela le séquençage de novo. Dans cette méthode de courtes
séquences sont obtenues (10–20 acides aminés). Pour cela la protéine est d'abord clivée en
fragments avec un enzyme (la trypsine). Les peptides obtenus sont ensuite séparés les uns des
autres en fonction de leur taille et/ou propriétés physico-chimiques. Pour cela la
chromatographie est utilisée (voir cours de chimie analytique). Chaque peptide est ensuite
envoyé dans un spectromètre de masse pour qu'il soit analysé. Cette analyse comporte une
fragmentation en divers sous-fragments. La fragmentation se fait par collision avec des
atomes d'hélium ou d'argon, ou des molécules d'azote (N2). Les sous-fragments portent
généralement une charge (+ ou –) et ont une certaine masse. Le spectromètre de masse sépare
118
ensuite tous les sous-fragments les uns des autres en fonction de leur rapport masse/charge.
Tous ces fragments arriveront jusqu'à un détecteur où ils produiront un certain signal en
fonction de leur abondance. Un peptide d'une séquence donnée produira donc un "pattern de
pics" dans un graphique intensité vs rapport masse/charge. Ce pattern de pics est
caractéristique du peptide introduit dans le spectromètre de masse. Il suffit de changer un seul
acide aminé dans un peptide pour que le pattern soit différent. Les ordinateurs couplés aux
spectromètres de masse possèdent une base de donnée contenant des milliers de patterns
correspondant chacun à une séquence. Il suffit de comparer le pattern de pics obtenu avec les
patterns de la base de donnée pour identifier la séquence du peptide. Un logiciel informatique
reconstruit ensuite la protéine de départ en employant la méthode du chevauchement.
La spectrométrie de masse en tandem porte ce nom car elle consiste à sélectionner un ion par
une première spectrométrie de masse (MS), à le fragmenter, puis à effectuer une deuxième
spectrométrie de masse (MS) sur les fragments ainsi générés. On va donc parler de la méthode
MS/MS.
119
5.8.9. La structure tridimensionnelle des protéines Les polypeptides se replient spontanément sur eux-mêmes pour former des structures
tridimensionnelles dont la forme finale dépendra de la séquence. Un polypeptide non replié
sur lui-même est généralement inactif.
Il y a 4 niveaux d’organisation structurale des protéines :
- la structure primaire
- la structure secondaire
- la structure tertiaire
- la structure quaternaire
La structure primaire d'un polypeptide est simplement la séquence des aminoacides. Si nous
considérons le lysozyme (protéine présente dans les larmes et la salive) nous constatons qu'il
comporte 130 aminoacides. Si les aminoacides du lysozyme s'associaient au hasard il y aurait
20130 polypeptides possibles (pour chacune des 130 positions il y a 20 aminoacides possibles).
Cependant, l’ordre des aminoacides de chaque polypeptide est précis et déterminé de manière
génétique (voir plus loin). Actuellement, on connait la séquence d'environ 875 000
polypeptides et ce chiffre augmente sans cesse.
Le lysozyme
120
La structure secondaire d'un polypeptide est la forme que prend la chaîne des acides aminés
dans l'espace. On constate ainsi que certains segments d'une chaîne polypeptidique sont
enroulés ou pliés de façon répétitive; ils forment ainsi des motifs qui contribuent à la
conformation globale de la protéine. Ces motifs sont de deux types : les hélices α et les
feuillets plissés β. L'hélice α est un enroulement délicat maintenu en place par des liaisons H
intra-chaînes, tous les 4 aminoacides. Les groupes R des acides aminés sont vers l'extérieur.
La plupart des hélices α ont une longueur inférieure à 40 Å. Les aminoacides éloignés l’un de
l’autre de 3 à 4 positions sont en fait côte à côte dans une hélice α (ou l'un sur l'autre). Le pas
de l’hélice est de 5,4 Å (3,7 résidus pour faire un tour). Les plans des liaisons peptidiques
forment des angles de 80°. Les hélices α des protéines sont des hélices droites (horlogiques).
Le contenu d’une protéine en hélices α est très variable. Dans la myoglobine et l'hémoglobine
il y a beaucoup d’hélices α . La chymotrypsine ne contient pas d’hélices α . Certaines
protéines ont des hélices α très longues, jusque 1000 Å. Ces longues hélices α peuvent
s’associer et former une super hélice (ex : kératine des cheveux, myosine des muscles).
Les feuillets plissés β sont des structures stabilisées par des liens hydrogènes entre les groupes
NH et C=O de différentes chaînes polypeptidiques. Les feuillets β peuvent se replier pour
former des cylindres. Ce sont les barils β.
121
122
La structure tertiaire d'un polypeptide est le reploiement tridimensionnel de la protéine. La
structure tertiaire à une importance capitale pour l’activité biologique des protéines. Suite au
reploiement, des aminoacides très éloignés dans la structure primaire peuvent se trouver très
proches l’un de l’autre.
123
Différents types d’interactions contribuent au maintien de la forme tridimensionnelle :
Interactions faibles : - Liaison H
- Interactions de Van der Waals
- Liaisons ioniques
Liaisons covalentes : - Ponts disulfures
CH2
Forces de Van
der Waals
CH
CH3
CH3
O
H
Liaisons H
CH3
CH3
CH
O
CH2
CH2
NH3+
O
-
CH2
Liaison ionique
S
S
CH2
Pont disulfure
La structure quaternaire est l'association de plusieurs chaînes polypeptidiques, en utilisant les
mêmes types de liaisons que dans la structure tertiaire. Les sous-unités peptidiques peuvent
être identiques ou différentes. Par exemple, l’hémoglobine possède 4 sous-unités (2 chaînes α
et 2 chaînes β).
124
La conformation 3D est le propre d’une protéine native. Lorsque cette conformation est
bouleversée on dit que la protéine est dénaturée. Divers agents chimiques ou physiques
peuvent dénaturer une protéine, sans rompre les liens peptidiques :
- Chaleur (ex : coagulation albumine du blanc d’œuf)
- Rayons UV et radiations ionisantes
- Variations de pH
- Détergents
- Solvants organiques
- Solutions d’urée ou de guanidine
- Simple dilution ou agitation
La dénaturation est réversible ou irréversible (blanc d’œuf).
Comme pour la structure primaire, la conformation 3D des protéines est déterminée par la
séquence des aminoacides. Par exemple, la ribonucléase est une enzyme de 124 aminoacides.
La conformation 3D de cet enzyme est maintenue par 4 ponts disulfures. Si un agent
réducteur est ajouté à une solution de ribonucléase les 4 ponts disulfure seront coupés, et
l’activité de l'enzyme deviendra nulle. Cependant, dès que l'agent réducteur est enlevé les 4
ponts disulfures se reforment de la même manière et l’enzyme est à nouveau active.
Les chaperonines sont des complexes de protéines facilitant le reploiement 3D des protéines.
Ces complexes sont souvent produits par les cellules en réponse à des variations de
température. Beaucoup de protéines n’ont pas besoin des chaperonines et adoptent une
conformation 3D par elles-mêmes. Certaines protéines ne savent pas se replier sans
chaperonine. Par exemple, chez les bactéries, le complexe Hsp60 (complexe GroEL/GroES)
est une chaperonine.
La substitution d’un seul aminoacide par un autre peut modifier complètement la structure 3D
de la protéine et donc son activité. Par exemple, l’anémie à hématies falciformes est une
maladie dans laquelle une hémoglobine anormale se forme dans les hématies suite au
remplacement d'un acide aminé par un autre :
Hémoglobine normale : Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu- (chaîne β). Ne cristallise pas.
Hémoglobine anormale : Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu- (chaîne β). Un aminoacide différent
en position n°6. Cristallise et forme des fibres : déformation des hématies.
La cristallographie par dispersion de rayons X permet de déterminer la structure 3D des
protéines. Un cristal d'une protéine est bombardé avec des rayons X. Un pattern de points
(réflexions) est obtenu pour un angle donné. Les différents patterns sont enregistrés sur 180°,
et sur au moins 2 axes. La reconstruction 3D est ensuite effectuée en employant les
transformations de Fourier.
125
5.8.10. Classification des protéines. A. Classification des protéines en fonction de la forme.
Protéines fibreuses = scléroprotéines
Constituées de fibres ou fibrilles. Pratiquement insolubles. Fibroïne (soie), les collagènes
(tissus conjonctifs, cartilages, tendons), les kératines (dans la peau et les phanères)
Protéines globulaires = sphéroprotéines
Forme sphérique ou ovoïde. Généralement solubles. Ex : albumines, globulines, etc...
B. Classification des protéines en fonction de la solubilité.
Les albumines. Solubles dans l’eau distillée. Caractère acide.
Les globulines. Insolubles dans l’eau distillée mais solubles dans des solutions faiblement
salines (p.ex. NaCl 5%). Ce sont souvent des glycoprotéines et des lipoprotéines.
Les protamines et les histones. Petites protéines solubles. Caractère basique (forte proportion
de lysine et arginine). Peuvent se combiner à divers composés acides (ADN, protéines acides)
Les globines. Teneur élevée en histidine (jusque 10%). Dans l’hémoglobine.
Les prolamines et glutélines. Protéines végétales, insolubles dans l’eau mais solubles dans les
acides et les bases diluées.
Les scléroprotéines. Insolubles dans l’eau et dans les solutions salines, acides ou alcalines
diluées.
Les protéines fibrillaires solubles. Constituent les fibrilles des cellules musculaires et le
cytosquelette des cellules. Ex : l’actine : protéine globulaire qui polymérise en longs filaments
de ± 2 µm de long.
126
C. Classification des protéines en fonction de la composition.
Les holoprotéines. Ne sont constituées que d’aminoacides.
Les hétéroprotéines :
- Une ou plusieurs chaînes polypeptidique
- Un ou plusieurs groupement prosthétique
lié de manière covalente au polypeptide.
• Phosphoprotéines
• Glycoprotéines
• Chromoprotéines
• Lipoprotéines
• Nucléoprotéines
Phosphoprotéines
Comportent de l’acide phosphorique estérifiant les fonctions alcool de la sérine et de la
thréonine.
Exemples :
Les caséines du lait
La vitelline, la vitellénine, la phosvitine du jaune d’œuf.
Glycoprotéines
Polypeptide + groupement glucidique (= glycane)
Les monosaccharides des plus courants sont :
• oses neutres : D-galactose, D-mannose, L-fucose, L-rhamnose
• osamines (sous forme N-acétylée) : D-glucoamine,
D-galactosamine, acide D-muramique
• acides uroniques : acide D-glucuronique, acide L-iduronique
• acides sialiques : acide N-acétylneuraminique, acide
N-glycolyl-neuraminique.
Les glycanes peuvent être linéaires : les n-glycanes
Glycosaminoglycanes (GAGs) = mucopolysaccharides
Les glycanes peuvent être ramifiés : les isoglycanes
127
Exemple de glycoprotéine avec n-glycane (glycosaminoglycanes : GAGs) :
polypeptide
Mucines sous-maxillaires
NeuAc + GalNAc
disaccharide
chez le mouton : ± 800 unités
disaccharidiques
Exemple d’isoglycane
La transferrine : polypeptide de 679 aminoacides, trouvé dans le plasma sanguin (transport du
fer).
Importance des glycoprotéines
- Substance fondamentale du tissu conjonctif
- Nombreuses hormones : gonoadotrophines hypophysaires
(LH, FSH), thyroglobuline, etc...
- Membranes cellulaires. Ex : les antigènes spécifiques des
groupes sanguins ABO
- Liquides biologiques (salive, urine, bile, lait, larmes, sang)
128
Chromoprotéines
Protéines « colorées » dont le groupement prosthétique
contient souvent un élément métallique (Fe, Cu, Mg)
• groupement prosthétique à structure tétrapyrrolique
Anneau porphyrine
- hémoglobines (pigment respiratoire; Fe)
- cytochromes (transporteurs d’électrons; Fe)
- enzymes héminiques (catalases et peroxidases; Fe)
- chloroplastines (gr. prosth. : chlorophylle; Mg)
- phycobilines (pigments algues)
• groupement prosthétique à structure non tétrapyrrolique
- Hémocyanine (pigment respiratoire bleu, mollusques et crustacés; Cu). Dans l’hémocyanine
ce sont des résidus histidine qui complexent le Cu :
- Flavoprotéines (transporteur d’électrons)
- Métalloprotéines :
* Ferritine (Fe)
* Hémocupréine (Cu)
His
129
5.9. Les acides nucléiques Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Ce sont des polynucléotides. On les
retrouve dans toutes les cellules vivantes ainsi que les virus, libres ou associés à des protéines.
Ils sont le support de l’information génétique ou les agents permettant l’expression de cette
information.
5.9.1. Les nucléotides Certains nucléotides n'ont pas de rôle génétique et jouent un rôle dans le stockage de l’énergie
(ATP) ou en tant que coenzymes (NAD+, FAD, ...).
Chaque nucléotide peut être hydrolysé en 3 constituants :
nucléotide
• une base hétérocyclique azotée
• un pentose
• un acide phosphorique
5.9.1.1. Les deux types de pentose.
Selon le type de pentose on distingue 2 types d’acides nucléiques :
• Les acides désoxyribonucléiques (ADN ou DNA) : le pentose est du 2-désoxy-β-Dribofuranose.
Ces acides nucléiques sont les constituants des chromosomes (situés dans le cytoplasme des
bactéries et dans le noyau des cellules eucaryotes). On les retrouve également dans certains
organites (mitochondrie, chloroplaste) et dans les virus.
• Les acides ribonucléiques (ARN ou RNA) : le pentose est du β-D-ribofuranose.
Ces acides nucléiques sont trouvés dans le cytoplasme des bactéries, dans le noyau et le
cytoplasme des eucaryotes, dans certains organites (mitochondrie, chloroplaste) et dans les
virus.
130
5.9.1.2. Les bases hétérocycliques azotées.
Il existe deux types de bases azotées dans les nucléotides :
• Les bases puriques ou purines substituées. L'élément de départ est la purine :
(C5H4N4)
• Les bases pyrimidiques ou pyrimidines substituées. L'élément de départ est la pyrimidine :
pyrimidine
(C4H4N2)
En fonction des groupements portés par les carbones 2 et 6 de la purine on obtient les deux
principales bases puriques de l’ADN et l’ARN :
6-amino-purine
Adénine (A)
(C5H5N5)
2-amino-6-oxy-purine
Guanine (G)
(C5H5N5O)
131
En fonction des groupements portés par les carbones 2, 4 et 5 de la pyrimidine on obtient les
trois principales bases pyrimidiques :
2-oxy-4-aminopyrimidine
Cytosine (C)
(C4H5N3O)
2,4-dioxypyrimidine
Uracile (U)
(C4H4N2O2)
2,4-dioxy-5-méthyle
pyrimidine
Thymine (T)
(C5H6N2O2)
L'ADN ne comporte que deux bases pyrimidiques : la cytosine (C) et la thymine (T). L'ARN
ne comporte également que deux bases pyrimidiques. Cependant il s'agit ici de la cytosine (C)
et de l'uracile (U). L'uracile dans l'ARN est donc l'équivalent de la thymine dans l'ADN.
5.9.1.3. Les bases hétérocycliques azotées mineures.
Il existe une cinquantaine de bases azotées mineures (ou rares) rencontrées en faibles
proportions et dans certaines conditions.
• Exemples de bases puriques mineures :
L'hypoxanthine est obtenue par désamination de la guanine. Cette base azotée, de formule
brute C5H4N4O, est présente en très petites quantités dans les acides nucléiques. On peut en
retrouver dans les anticodons des tRNA (voir plus loin). La 1-méthyl-guanine peut être
trouvée dans différents acides ribonucléiques.
Hypoxanthine
1-méthyl-guanine
132
• Exemples de bases pyrimidiques mineures :
5-méthyl-cytosine
5-hydroxyméthyl-cytosine
5.9.1.4. Le tautomérisme des bases
Les tautomères sont des isomères de composés organiques qui s'interconvertissent par
une réaction chimique appelée tautomérisation. Il est commun que cette réaction ne concerne
que trois atomes de la molécule et résulte (1) en une migration d'un atome d'hydrogène, et (2)
une migration d'une double liaison. Le tautomérisme est un cas spécial d'isomérisme de
structure et peut jouer un rôle important dans l'appariement des bases dans les acides
nucléiques. En solution, un équilibre chimique s'établit entre les tautomères. Les rapports
entre les formes dépendent de divers facteurs comme la température, le solvant et le pH.
Les quatre bases de l'ADN peuvent exister dans au moins deux formes tautomères
comme montré ci-dessous. L'adénine et la cytosine peuvent exister sous forme amino ou
imino, et la guanine, la thymine, et l'uracile peuvent exister sous forme lactame (keto) ou
lactime (énol). Bien qu'il existe un équilibre entre les tautomères les formes amino et lactame
sont plus stables et prédominent en conditions physiologiques. Les cycles restent insaturés et
plans dans chaque tautomère.
133
5.9.2. Les nucléosides. Un nucléoside est composé d'une base azotée reliée à un pentose (ribose ou désoxyribose) par
une liaison covalente (réaction de condensation). La liaison implique le carbone 1' du pentose,
l'azote n°9 des bases puriques et l'azote n°1 des bases pyrimidiques. Pour ne pas confondre les
atomes de la base et ceux du sucre les atomes du sucre portent la numérotation 1' à 5'.
Adénosine ou
Adénine ribonucléoside
Désoxycytidine ou
Cytosine désoxyribonucléoside
Nomenclature des principaux nucléosides :
Base
Ribonucléoside
Désoxyribonucléoside
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Adénosine
Guanosine
Uridine
Cytidine
Thymine ribonucléoside
ou ribothymidine (rare)
Désoxyadénosine
Désoxyguanosine
Désoxyuridine
Désoxycytidine
Désoxythymidine
Les nucléosides monophosphates :
Un nucléotide est un nucléoside relié à au moins un groupement phosphate (réaction de
condensation). Les nucléotides sont des esters phosphoriques des nucléosides. Il y a les
ribonucléotides (sucre = ribose) et les désoxyribonucléotides (sucre = désoxyribose). Le
groupement phosphate peut se lier à l'un des trois groupements OH du ribonucléoside (2’, 3’,
et 5’) et à l'un des deux groupements OH du désoxyribonucléoside (3’ et 5’) :
134
Désoxycytidine–5’–monophosphate (dCMP)
Adénosine 5’-monophosphate (AMP)
Il faut remarquer que les groupements –OH du phosphate peuvent perdre leur hydrogène à pH
physiologique. Les groupements phosphate pourront alors porter une ou deux charges
négatives.
135
Adénosine 3’-monophosphate
Adénosine 3’, 5’ monophosphate cyclique (cAMP)
Le cAMP est un nucléotide important dans divers processus cellulaires car il agit comme
messager secondaire. Le cAMP est produit à partir d’ATP par l’enzyme adénylate cyclase. Il
existe aussi du cGMP.
Nomenclature des principaux nucléosides-5'-monophosphates :
Base
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Ribonucléoside 5’-monophosphate
Adénosine 5’-monophosphate = AMP
Guanosine 5’-monophosphate = GMP
Uridine 5’-monophosphate = UMP
Cytidine 5’-monophosphate = CMP
Thymine ribonucléoside 5’-monophosphate (rare)
136
Base
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Thymine
Désoxyribonucléoside 5’-monophosphate
Désoxyadénosine 5’-monophosphate = dAMP
Désoxyguanosine 5’-monophosphate = dGMP
Désoxyuridine 5’-monophosphate = dUMP
Désoxycytidine 5’-monophosphate = dCMP
Désoxythymidine 5’-monophosphate = dTMP
Les nucléosides di- et tri-phosphates :
Adénosine 5’-diphosphate (ADP)
Adénosine 5’-triphosphate (ATP)
Désoxyadénosine 5’-triphosphate (dATP)
Guanosine 5’-triphosphate (GTP)
137
5.9.3. La structure primaire des acides nucléiques. C'est le biochimiste russe Phoebus Levene (1869-1940) qui a pour la première fois caractérisé
les différentes formes d'acides nucléiques (ADN et ARN). Il trouva que l’ADN comportait de
l'adénine, de la guanine, de la thymine, de la cytosine, du désoxyribose, et du phosphate. Le
ribose a été découvert en 1909 et le désoxyribose en 1929. Levene découvre qu'il y a des
unités phosphate-sucre-base (les nucléotides) et suggère que l'ADN est un polymère de
nucléotides. Cependant, Levene ne pense pas que l’ADN soit le support de l’information
génétique. Il pense plutôt que ce sont les protéines qui l’entourent (il s'est bien entendu
trompé comme nous le verrons plus loin). En 1910 il forme l’hypothèse des
« tétranucléotides » selon laquelle les quantités de A, T, C, G sont égales dans l’ADN (ce qui
est également faux).
Dans l’ADN et l’ARN les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons 3’-5’
phosphodiester. Ce sont donc des polymères de nucléotides. L’ordre des bases (la séquence) a
une grande importance. C'est la structure primaire. C’est dans la séquence des bases de la
structure primaire que réside l’information génétique.
Exemple de structure primaire : ATTGCTTAAGTACGTACGAAAATTTAGAGATGCCCA.
C'est Erwin Chargaff (1905-2002), un biochimiste autrichien, qui découvre deux règles (les
règles de Chargaff) qui allaient à l’encontre de l’hypothèse des tétranucléotides :
1) La quantité de G ≈ la quantité de C; et la quantité de A ≈ la quantité de T. Par exemple,
dans l'ADN humain : A=30.9% et T=29.4%; G=19.9% et C=19.8%.
2) La composition de l’ADN varie d’une espèce à l’autre. L'ADN est donc un bon candidat
pour être le support de l’information génétique car toutes les espèces sont différentes les unes
des autres.
La cellule utilise des nucléosides triphosphate pour synthétiser son ADN. Cependant, dans
l'ADN les sucres ne sont reliés entre eux que par une seul phosphate :
138
Exemple du tétraribonucléotide 5'-GTCA-3’
139
L'ADN et l'ARN comportent donc une chaîne de pentoses-phosphates et les bases azotées ne
sont jamais directement reliées entre-elles :
Les chaînes de nucléotides possèdent deux extrémités différentes : une extrémité 3'–OH et
une extrémité 5'–phosphate. Ces chaînes possèdent donc un sens.
5.9.4. La structure secondaire des acides nucléiques. Les analyses d'ADN de Chargaff montrent qu'il y a autant d’adénine (A) que de thymine (T).
De même, il y a autant de guanine (G) que de cytosine (C).
Cependant, le rapport (A+T) / (G+C) varie beaucoup d’une espèce à l’autre.
Le biochimiste anglais William Astbury (1898–1961) fut le premier à étudier la structure de
l’ADN avec des rayons X. En 1937, il vit que l’ADN produisait un pattern de diffraction.
L'ADN est donc fait de structures répétées (il trouve 2,7 nm). Il remarque aussi que c’est le
même espacement que pour les aminoacides dans une protéine. Les anglais Rosalind Franklin
(1920–1958) et Maurice Wilkins (1916–2004) poursuivirent les études de diffraction des R.X.
au début des années 1950. Ces travaux suggérèrent une structure hélicoïdale pour l'ADN. Sur
base de ces résultats, une structure secondaire fut proposée pour l’ADN en 1953 par James D.
Watson (1928- ) et Francis Crick (1916–2004). Pour cette découverte, ces deux chercheurs
américains reçurent le Prix Nobel en 1962 avec Maurice Wilkins (Rosalind Franklin étant
décédée entre-temps). La molécule d’ADN est faite de deux chaînes
polydésoxyribonucléotidiques (deux chaînes de pentoses-phosphates) enroulées l'une autour
de l'autre pour former une double hélice. L’ADN est donc double brin. Les bases de chaque
chaîne de pentoses-phosphates se font face et sont localisées entre les deux chaînes.
140
Les atomes des bases azotées forment des plans parallèles les uns aux autres, séparés de 3,4
Å, et perpendiculaires à l’axe de la double hélice. Il y a 10 plans par tour d'hélice. Le pas de
l'hélice est donc de 34 Å. Chaque plan est formé de deux bases : une appartenant à la chaîne
n°1, l’autre à la chaîne n°2. Ces bases sont liées entre-elles par des liaisons hydrogène. Dans
ces liaisons hydrogène, chaque base est à la fois donneuse (fonction amine) et receveuse
(doublet électronique libre d'un atome d'azote ou d'un atome d'oxygène).
Nous voyons que A et T sont des bases complémentaires, capables de former deux liaisons
hydrogène entre-elles :
141
Nous voyons également que G et C sont des bases complémentaires, capables de former trois
liaisons hydrogène entre-elles :
Lorsque les bases sont sous une autre forme tautomérique la complémentarité est affectée. Par
exemple, l'adénine sous sa forme imino n'a plus de site accepteur (le N n°1 possède un
hydrogène). Lorsque l'adénine se trouve dans l'ADN la base sous sa forme amino est
stabilisée.
La complémentarité entre bases peut se représenter de la façon suivante :
La complémentarité des bases explique donc les rapports G/C =1 et A/T = 1 observés par
Chargaff. Les deux chaînes de l'ADN sont toujours antiparallèles : chaque extrémité de la
double-hélice comporte un 3'–OH et un 5'–phosphate :
La séquence des bases d’une des chaînes détermine automatiquement la séquence des bases
de l’autre chaîne. Les deux chaînes sont donc complémentaires (et non pas identiques).
142
Représentation schématique der deux brins d'ADN
La configuration bicaténaire hélicoïdale est une caractéristique générale des ADN et le
modèle de Watson-Crick-Wilkins est valable pour les virus, les bactéries, les végétaux et les
animaux. La structure de l’ADN est universelle.
L'ARN ne forme pas de structure secondaire homologue à l'ADN car cette macromolécule est
généralement simple brin et les chaînes de ribonucléotides sont souvent beaucoup plus
courtes. L'ARN peut cependant adopter une conformation en double hélice dans les zones
double brin de certaines molécules (et chez les virus à ARN).
Il existe plusieurs sortes d’ARN :
- ARN ribosomial (rRNA)
- ARN messager (mRNA)
- ARN de transfert (tRNA)
- petits ARN (pRNA) et micro ARN (miRNA)
Voici par exemple la séquence complète de l'ARN ribosomial 5S de la bactérie Escherichia
coli K12 :
UGCCUGGCGGCCGUAGCGCGGUGGUCCCACCUGACCCCAUGCCGAACUCAGAA
GUGAAACGCCGUAGCGCCGAUGGUAGUGUGGGGUCUCCCCAUGCGAGAGUAGG
GAACUGCCAGGCAU
143
Ce rRNA 5S est localisé dans les ribosomes des bactéries. Il se replie sur lui-même et adopte
une conformation tridimensionelle avec des zones simple-brin et des zones double-brin
complémentaires :
La séquence du rRNA 5S est différente dans chaque espèce de bactérie. Certaines zones sont
cependant bien conservées entre les espèces. Dans le schéma ci-dessus, les pyrimidines (C, U)
sont représentées par la lettre Y et les purines (G, A) par la lettre R (voir plus haut le code des
nucléotides).
L'acide ribonucléique messager (ARN messager, ARNm ou mRNA), simple brin, est une
copie transitoire d'une portion de l'ADN correspondant à un ou plusieurs gènes. L'ARNm est
utilisé comme intermédiaire par les cellules pour la synthèse des protéines. Le processus de
formation de l'ARNm est la transcription.
L'acide ribonucléique de transfert (ARN de transfert, ARNt ou tRNA), simple brin, est un
court ARN long de 70 à 100 nucléotides, qui intervient lors de la synthèse des protéines dans
la cellule. L'ARNt est un intermédiaire clé dans la traduction du message génétique et dans la
lecture du code génétique. Ils apportent les acides aminés au ribosome.
144
Les petits ARN (pRNA) et les micro ARN (miRNA) sont des petits fragments d'ARN qui ont
diverses fonctions dans la cellule. Par exemple, les particules ribonucléoprotéiques ou snRNP
(« snurp » en anglais) qui sont trouvées dans le noyau des cellules.
145
C
Fe
71 O
H
Gln-Leu
dans
ne
condensati
Gln-LeuAsn
21santiliante
4atome
liante
A
B
ede
se
COO
=
on
Gln-Asn
2-aminoorbitales
σ
2σ*
antiliantes
2-deoxyhybrides
sp3
mannose
Références
• Nelson DL & Cox MM (2004) Lehninger Principles of Biochemistry, fourth edition. WH
Freeman and Company, New York, 1119 pp.
• Berg JM (2006) Biochemistry, sixth edition. WH Freeman, New York.
• Alberts B et al. (2007) Molecular biology of the cell, fifth edition. Garland Science, New
York, 1728 pp.
146