Les lipides

Les Molécules du Vivant
Dr Maisonneuve
Unité du vivant
• La seule vie connue est formée de cellules;
• Toute vie connue repose sur l’ADN;
• Les cellules se ressemblent d’un être vivant
à un autre;
– Formées des mêmes atomes;
– Formées des mêmes organites;
– Mode de fonctionnement semblable d’une cellule
à l’autre.
– Transfert possible des fonctionnalités d’un
organisme à l’autre
Quelques définitions
importantes
• Molécules : 2 ou plusieurs atomes regroupés
par une ou des liaisons chimiques
• Macromolécules : Un grand nombre d’atomes
regroupés par une ou des liaisons chimiques
(grosse molécule).
• Composé inorganique : Matière minérale, qui
ne comprend que du carbone sous forme
carbonate
• Composé organique : Composé à base de
carbone qui forme les être vivant.
Rappels
Atome
• L’atome est le constituant élémentaire de la matière,
c’est le fragment le plus petit qui permet de différencier
un élément chimique d’un autre.
• Un atome est une entité constituée d’un noyau et
d’électrons en mouvement dans le vide autour du noyau.
Atome
• Le noyau de l’atome est composé de particules
appelées nucléons constitués de :
– protons, chargés positivement, et
– de neutrons, électriquement neutres.
• Autour du noyau gravitent d'autres particules
chargées négativement, les électrons
– Les électrons d’un atome se déplacent à grande
vitesse et à grande distance autour du noyau.
– Ils n’ont pas de trajectoire bien définie. C’est pour
cela que l’on parle de nuage électronique.
• .
Nomenclature
• Les atomes se différencient par leur nombre
d'électrons, de protons et de neutrons
• Par définition, il est défini par son nombre de
protons, un nombre entier correspondant aussi
au numéro atomique noté Z.
• Ce nombre correspond également au nombre
d’électrons car ces deux valeurs étant toujours
égales du fait de la neutralité de l’atome
Atome
• Les atomes sont représentés par des symboles :
• En général, la première lettre du nom écrite en
majuscule. On rajoute parfois une deuxième
lettre écrite en minuscule pour éviter les
confusions.
• On trouve les symboles de tous les atomes
dans la classification périodique – Le symbole du noyau s’obtient à partir du symbole de
l’atome correspondant.
• Exemple : Symbole de l’atome d’hydrogène : H,
• -
Les atomes
Valence
• La valence d'un atome fixe de façon
précise le nombre d'atomes auquel cet
atome peut se lier...
– Si un atome a une valence de 1, il ne pourra
se lier qu'à un seul atome.
– Si sa valence est de 4, il pourra se lier au
maximum avec 4 atomes
Isotopes
• Des atomes sont isotopes si leurs noyaux
possèdent le même nombre de protons mais
des nombres différents de neutrons.
L’Hydrogène a 3 isotopes :
• H = hydrogène
• 2H ou D = deutérium a un neutron
• 3H ou T = tritium a deux neutrons
• Ces isotopes ont les mêmes propriétés
chimiques mais se distingue par une masse
différente mais surtout une stabilité différente qui
confère à certains isotopes un caractère
radioactif.
Ions
• Un ion provient d’un atome ou d’un groupement
d’atomes ayant gagné ou perdu un ou plusieurs
électrons (plus grande stabilité).
– Un anion (ion chargé moins) résulte de la capture
d’un ou plusieurs électrons.
– Cl – : L’ion chlorure provient d’un atome de chlore ayant gagné
1 électron. On peut dans ce cas écrire
– Un cation (ion chargé plus) résulte de la perte d’un
ou plusieurs électrons.
– Na + : L’ion sodium provient d’un atome de sodium ayant perdu
1 électron. On peut donc écrire dans ce cas :
Les liaisons atomiques et
moléculaires
Les atomes et les molécules qui constituent
la matière vivante sont liés entre eux par
5 types de liaisons
– covalente,
– ionique,
– polaire,
– de Van der Waals et
– hydrophobe
La liaison covalente.
• Ce type de liaison est le plus
intense qui puisse exister entre
deux atomes.
• La liaison covalente résulte de la
mise en commun de deux
électrons, un de chacun des deux
atomes qui se lient. Le terme de
covalence signifie que la liaison
résulte de la mise en commun
d'une valence de chaque atome
La liaison ionique.
• La liaison ionique résulte de l'attraction entre
une espèce positive (cation) et une espèce
négative (anion). La stabilité de la liaison est
assurée par l'interaction électrostatique
La liaison hydrogène (ou
liaison polaire)
• liaison hydrogène : liaison
intermoléculaire, plus faible qu’une liaison
de valence, qui ne s’établit qu’entre
certaines molécules et qui implique
toujours un atome d’hydrogène ; dans
l’eau, les molécules d’eau sont " associées
" par liaison hydrogène.
La liaison de Van der Waals
• C'est la liaison la plus faible de toute.
• Dans une liaison covalente, la paire d'électron se
déplace.
• Les deux atomes vont donc porter en alternance et de
façon transitoire, une charge positive et une charge
négative.
• Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule)
va donc être très faiblement attirée par cette charge
transitoire.
• Cette liaison est très faible, mais dans le cas des
macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre
élevé d'atomes impliqués) va produire au total une force
importante.
La liaison hydrophobe (ou
liaison apolaire).
• Cette liaison est en réalité une non liaison, c'est une conséquence
de la liaison polaire.
• Dans un liquide polaire, les molécules vont tenter d'établir le
maximum de liaisons entre elles.
• Si des molécules apolaires sont rajoutées à la solution, leur
présence perturbe la formation de ce réseau de liaisons et elle vont
en être rejetées.
• les molécules apolaires se regroupent comme si les molécules
apolaires s'attiraient,
• MAIS ce sont les molécules polaires qui les repoussent.
• Les molécules uniquement apolaires sont rares dans la nature, ce
sont principalement les hydrocarbures.
• Mais plus fréquemment des molécules mixtes comportant une
extrémité polaire et une autre apolaire, ces molécules sont dites
amphiphiles
Généralités
• La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques
présents à l'état naturel.
• De ces 25, quatre sont particulièrement importants :
–
–
–
–
Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques
Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison
Oxygène (O) : peut former 2 liaisons
Azote (N) : peut former 3 liaisons
• H, O et C s’assemblent pour donner les lipides et les
glucides
• C, H+, O et N s’assemblent pour donner les acides
aminés et donc les protéines, mais aussi les nucléotides
et donc lesacides nucléiques support de l’information
génétique
Les Glucides
Les glucides
• Source d’énergie
directement utilisée
par les cellules;
• Seule source
d’énergie utilisable
par le cerveau.
Généralités
• Les glucides
– les unités de base sont les sucres simples appelés
oses ou monosaccharides
• ce sont des composés de formule brute
Cn(H20)p,
– « hydrates de carbone »
• Ils ont dans la même molécule une fonction
réductrice aldéhyde ou cétone et d'au moins une
fonction alcool
• Ils interagissent fortement avec l’eau
Nomenclature
• Les monosacccharides
– Glucides simples (CH2O)n, n étant compris
entre 3 et 5
– Ces monosaccharides peuvent être
phosphorylés
n= 3 triose (exemple pyruvate)
n=5 pentose (exemple ribose et désoxyribose),
n=6 hexose (exemple glucose).
Monosaccharides:
• glucose, fructose et galactose
HO
CH2
HO
H
C
O
H
C
H
OH
H
C
C
OH
OH C
H
OH
CH2
OH C
H
C OH
O HO
H
C
H
C
C
H
H
OH
HO
CH2
C
OH
O
H
OH C
OH
OH C
C
H
CH2OH
Nomenclature
• Les disaccharides
Formés de deux monosaccharides (exemple le
saccharose, le lactose, le maltose)
• Les oligosaccharides
Glucides comportant 3 à 15 monosaccharides
• Les polysaccharides
Polymères ramifiés formés d’unités osidiques
comme le glycogène qui est une forme de
stockage du glucose (foie muscle)
Maltose : glucose - glucose
Lactose : glucose - galactose
Le miel est formé d'un mélange d'eau (25%) et de glucides (75%):
glucose (25 à 35%), fructose (35 à 45%) et saccharose (5%)
Polysaccharides:
• amidon, glycogène et cellulose
Rôle des glucides
Source d’énergie
Le glucose est le principal composé nutritif
de la cellule
Participent à la formation d’autres molécules
– Associés à des bases azotées cycliques et à
des groupements phosphate ils forment les
nucléotides qui eux-mêmes conduiront aux
acides nucléiques (ADN et ARN)
Rôle des glucides
S’associent à des lipides (glycolipides) et
des protéines (glycoprotéines) molécules
souvent présentes dans la membrane
cellulaire
– Molécules responsables de la reconnaissance
de soi (complexe majeur d'histocompatibilité)
– Molécules d’adhérence cellulaire
– Molécules circulant dans le sang (ex : facteur
de coagulation)
Lipides
Définition
Les lipides
•
Les trois principaux lipides de
l’organisme sont :
1. Les triglycérides
2. Les stéroïdes
3. Les phospholipides
•
Vitamines A, D, E et K
Adipocytes
Lipides
• Les molécules biologiques insolubles dans l'eau
(hydrophobes) appartiennent à la classe des
lipides.
• Les lipides sont presque tous des esters
d'acides aliphatiques à chaînes longues (acides
gras) avec différents alcools : glycérol,
cholestérol,
• Les lipides sont les constituants essentiels des
membranes biologiques. Par leur imperméabilité
ils permettent de limiter les différents
compartiments des cellules.
Les lipides
• Les lipides simples composés uniquement
d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène
– Le glycérol
– Les acides gras
• Les lipides complexes sont des lipides simples
liés à des molécules de sucre, d'acides aminés
ou des radicaux contenant du phosphore ou du
soufre.
– phospholipides, lécithines, sphingomyéline
Lipides simples
Les acides gras
•
Longues Chaines hydrocarbonnées
avec un groupement carboxylique terminal
– CH3 (CH2-CH2)n –COOH
– où « n » est habituellement compris entre 14
et 24
Lipides
• On distingue dans leur structure :
– Une chaîne hydrophobe
– Une fonction acide : hydrophile
lipides
Propriétés
• Peu solubles dans l’eau
• Solubles dans les solvants organiques et
alcool
Gras saturés et gras insaturés :
On ne peut pas ajouter
d'hydrogène.
On pourrait ajouter 2
hydrogènes en
transformant la
liaison double en
liaison simple.
Plusieurs doubles
liaisons.
Triglycérides
• Triglycérides ou tri-acyl-glycérols, sont
constitués par 3 acides gras reliés à une
molécule de glycérol
– (= 98% des lipides)
– L’association des acides gras avec un
groupement énergétique le coenzyme A
conduit à la formation d’un acyl coA.
– Le plus petit acide gras lié à un CoA est
l’acétyl CoA
1. Triglycérides
Rôle des lipides
• Source d’énergie
• 1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide
• Les lipides sont des composants des
membranes biologiques
– Les phospholipides
– Les glycolipides
– Les stéroïdes dont cholestérol, hormones stéroïdes :
testostérone et oestrogènes, cortisol, hormones
thyroïdiennes, Vitamine D par exemple
Lipides complexes
• Les lipides complexes sont les
constituants essentiels des membranes
biologiques.
• Par leur imperméabilité ils permettent de
limiter les différents compartiments des
cellules.
Les phospholipides
• 2 acides gras (au lieu
de trois)
• 1 groupement
contenant du N et du P
• Font partie de la
membrane cellulaire.
Comportement des phosphoglycérolipides face à l'eau:
Groupement
phosphate hydrophile
Acides gras
hydrophobes
Acides Aminés et protéines
Acides aminés
• Généralités
– Il existe 20 acides
aminés
– La chaîne « R » est
soit hydrophile soit
hydrophobe
Les protéines
• Les protéines sont des polymères d’acides
aminés liés entre eux par des liaisons
peptidiques (structure primaire)
Structure des protéines
•
(1) Structure primaire: ordre des acides aminés le long de la chaîne
polypeptidique.
(2) Structure secondaire: repliement local des acides aminés en
hélices, en feuillets, ou en d'autres formes similaires.
(3) Structure tertiaire: agencement stable dans l'espace de ces
hélices et feuillets.
(4) Structure quaternaire: agencement des sous-unités entre elles,
quand la protéine est constituée de plusieurs sous-unités
indépendantes (comme l'est par exemple l'hémoglobine).
Structure primaire
• Chaque acide aminé est lié au suivant par un lien peptidique
• La chaîne polypeptidique n'est pas branchée; elle forme un unique
filament étiré
– le premier acide aminé de la chaîne : 5’=l' extremité N-terminale
– Le dernier résidu de la chaîne celui dont le groupement carboxylique
reste libre = en 3', ou à l'extrémité C-terminale.
Structures II, III, IV
Modifications post traductionnelles
• Les protéines subissent d'abondantes modifications
pendant et après leur synthèse
• Ces modifications peuvent servir...
– (a) à la régulation de l'activité des protéines
(b) à leur étiquettage pour qu'elles soient reconnues par des
partenaires métaboliques ou par des systèmes de dégradation
(c) à les ancrer dans une membrane
(d) à les faire participer à des cascades de signalisation
(e) à leur adressage pour qu'elles se rendent au bon endroit
dans la cellule
(f) à définir une identité immunologique (comme les groupes
sanguins) etc, etc.
ADN-ARN
GENERALITES
Généralités
• Les molécules biologiques qui contiennent
l'information génétique sont les acides
nucléiques composés de molécules
simples :
– l'acide phosphorique (PO4H3)
– des oses à 5 carbones (pentoses)
– des bases azotées (purines ou pyrimidines).
Phosphate inorganique
• Le phosphate inorganique est un ion
stable formé à partir de l'acide
phosphorique P04H3 (Pi)
• L’acide phosphorique
O
P
OH
OH
OH
les oses à 5 carbones
• Le ribose est un pentose de la série D (ARN),
• Le désoxyribose, composant des acides
désoxyribonucléiques (ADN) est dérivé du
ribose (plus stable)
Désoxy-ribose
5’
HOH2C
OH
4’
1’
3’
2’
5’
HOH2C
OH
4’
1’
OH
3’
Ribose
OH
OH
2’
Bases Azotées
• Les bases azotées des acides nucléiques
appartiennent à deux classes de
molécules selon leur noyau aromatique le
squelette)
• Le noyau aromatique pyrimidine est le
plus simple :
– 6 atomes,
– 4 carbones
– 2 azotes
• Le noyau purine est constitué de deux
noyaux hétérocycliques accolés,
– six atomes
– et cinq atomes
Uracile
Bases puriques
• Si le noyau est une purine
• Les bases puriques sont au nombre de 2 :
– l'adénine
– la guanine.
Bases pyrimidiques
• Si le noyau est une pyrimidine
• Les bases pyrimidiques sont au nombre
de 3 : la cytosine, l'uracile et la thymine.
– 4 carbones et 2 azotes.
Bases Azotées
• Les bases azotées sont conventionnellement
désignées par une initiale :
– l'adénine par A
– la guanine par G
– ….
• La liaison d'une base azotée avec un des
sucres donne un nucléoside.
NUCLÉOTIDE = ose + base
azotée + acide phosphorique
• La liaison d'une base
azotée avec un des
sucres donne un
nucléoside
4’
• Chaque nucléoside peut
être lié à un, deux ou trois
phosphates
• Il forme alors un
nucléotide (ATP, ADP, ..
5’
5’
1’
3’ 2’
3’
Liaison 3’OH-5’P
• Un nucléotide est
constitué
– d'une base purique
(Adénine (A),Guanine
(G)
– ou pyrimidique (Thym
ine (T),Cytosine (C),
– et d'un pentose
(désoxyribose)
estérifié par un
phosphate
NUCLÉOTIDE = ose + base
azotée + acide phosphorique
Base azotée
Groupement
phosphate
5’
1’
4’
3’
2’
Sucre
LES Acides Nucléiques
•Les acides nucléiques sont formés par une
polycondensation de nucléotides
Structure de l’ADN
• L'ADN est une macromolécule très longue,
constituée d'un grand nombre de
désoxyribonucléotides.
•
Les bases puriques et pyrimidiques recèlent
l'information génétique
• les groupes phosphates jouent un rôle
structural. L'ADN est un polymère linéaire
composé de monomères appelés nucléotides.
• Si on sépare une molécule d'ADN en
nucléotides, on obtient toujours :
•
A=T et G=C
ADN : structure
 Hypothèse de Crick et Watson : A peut s'apparier avec T et
C avec G:
A avec T : deux
liaisons
hydrogène
C avec G :
trois liaisons
hydrogène
Liaison Hydrogène
• Une liaison hydrogène est une liaison de
faible énergie entre deux atomes attirés
l'un vers l'autre pour des raisons
électrostatiques
– l'un étant riche en électrons donc nucléophile
– l'autre n'ayant que les protons de son noyau
donc électrophile.
Liaison Hydrogène
• Les molécules d’ADN sont formées de
deux chaînes dont les nucléotides sont
hybridés deux à deux sur toute la longueur
• Les deux chaînes sont antiparallèles
– 5’-3’
– 3’-5’
• Les deux brins sont enroulés et forment une double hélice
• Les bases azotées sont tournées vers l'intérieur de la double hélice
de façon à ce que chacune s'hybride avec une base de l'autre brin
(A avec T, C avec G, etc..). On dit que les bases successives de
chacun des brins sont complémentaires.
• La double hélice a un « pas » de 3,4 nm c'est à dire qu'il y a environ
10 paires de nucléotides pour chaque tour d'hélice.
• Une vue perspective
de la double hélice
montre bien comment
les bases azotées
sont parallèles entre
elles, leurs noyaux
empilés comme des
assiettes au centre de
la double hélice.
Enroulement
• L’ADN a besoin d'être
protégé par des protéines
lorsqu'il n'est pas utilisé
comme modèle pour
l'expression des gènes
ou la réplication. =
nucléosome
• La structure évoque
un « collier de
perles ».
• Le DNA qui entoure
chaque nucléosome
et le relie en « collier
de perles » aux
nucléosomes suivants
forme la chromatine
ARN
Acide Ribonucléique
• Pour former un acide ribonucléique les nucléotides
(GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns sur les
autres avec des liaisons phosphodiester entre le
carbone 3' d'un premier nucléotide et le carbone 5' du
nucléotide suivant.
• Selon leurs fonctions, on distingue plusieurs
espèces d'acides ribonucléiques :
– rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe
à la structure des ribosomes;
– tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteurs
des acides aminés activés pour la traduction;
– mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la
transcription d'un gène qui porte l'information à
traduire;
•
L’ARN diffère de l’ADN par plusieurs caractères
1) il est plus court (70 à 10 000 nucléotides).
2) le squelette de pentoses et de phosphates contient
du ribose à la place du désoxyribose.
3) parmi les bases azotées l'uracile (U) remplace la
thymine (T).
4) Les RNA sont simple brin mais certaines régions
sont appariées sur une courte distance par leurs bases
complémentaires selon un ajustement au hasard
(épingles à cheveux).