Introduction - Chimie

Chimie Bioorganique:
Science Naturelle et Non naturelle*
Behzad KARAMI
* Bernald Breslow; vol.75 , Journal of Chemical Education,
1998, 6, 750-718.
JChemEd.chem.wisc.edu
I. Introduction
Biologie
Biologie et chimie
organique
– chimie enzymatique
– bactériologie
– biologie humaine
Chimie
bioorganique
Chimie
organique
Introduction
Chimie bioorganique
(passage entre chimie organique et biologie)
• Chimie bioorganique, science naturelle:
–
–
–
–
–
arôme de fleur,
communication des insectes,
vision des animaux,
photosynthèse,
…
Les chimistes travaillent sur :
le métabolisme,les informations sur la génétique, catalyse
enzymatique, effets et fonctions des hormones, synthèse des
protéines
Introduction
• Chimie bioorganique, science non naturelle
(Transformation des produits naturels pour obtenir des
nouveaux produits non naturels)
Introduction
Les constituants des cellules
II. Les constituants des cellules
Unité constituant la cellule
Large unité dans les
cellules
1.
Acide aminé
protéine
2.
sucre
Acide
gras1. 1.
Acide
amine
Lipides / membranes
3.
Nucléotides
Acide nucléique
4.
Sucre
Polysaccharide
Les constituants des cellules
Les protéines
II.1. Les protéines
Les protéines
Les peptides
- Enchaînement d’acides aminés
- Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu
- 2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide
- 12-20 résidus = oligopeptide
- 20-100 résidus = polypeptide
- au-delà de 100 = protéine
Les protéines
Les protéines
- Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules:
ils constituent plus de 50% de leur masse sèche.
- Les protéines jouent un rôle prédominant dans le fonctionnement
cellulaire.
- La « brique » de base qui constitue les protéines est l’acide aminé.
R
H
+
C
a
COO-
H3N
Sauf pour la glycine, on distingue pour chaque acide aminé 2
énantiomères (Ca de configuration absolue R ou S).
Les protéines
Les acides aminés sont des composés amphotères, ils peuvent se
composer comme un acide (donneur de H+) ou comme une base
(accepteur de H+).
pH acide
COOH
pH neutre
H+
NH3+ C H
R
cation
COO-
pH basique
H+
H2N C H
NH3+ C H
H+
K1
R
zwitterion
COO-
H+
K2
R
anion
Les protéines
La structure tertiaire de certaines protéines est stabilisée par la formation
de ponts disulfures (-S-S-) qui s’établissent entre 2 cystéines.
C O
C O
CH CH2 SH + HS CH2 CH
NH
NH
C O
C O
CH CH2 S S CH2 CH
NH
NH
+ H2
Les protéines
Les protéines
Les protéines / Enzyme
II.1.a: Mécanisme de l’activité enzymatique
Les protéines / Enzyme
Classification « officielle » des enzymes:
- classe 1: oxydo-réductase (échanges d’e- ou de H-)
- classe 2: transférase (ajout d’un groupement)
- classe 3: hydrolase (coupent par addition d’eau)
- classe 4: lyases (coupent avec apparition d’une double liaison
ou au contraire ajoutent un groupement à une double
liaison
- classe 5: isomérases (isomérisent le substrat)
- classe 6: ligases ou synthases (lient une autre molécule au
substrat. Souvent en liaison avec l’hydrolyse d’ATP,
ce qui fournit de l’énergie)
Les protéines / Enzyme
Glu35
E
O
O
O
O
R1
O
Glu35
HO R1
H
H
O
Milieu
R1
O¨
environnan
¨O
t
Asp52
O
O
O C
O
+H
¨
O
Asp52
O
O
O
H
+
HO R1
Les protéines / Enzyme
Asp32
Asp32
C O
C O
O
-
H
O
H
O
H
O
O
C
NHR'
O
NHR'
R
-
C O
C O
Asp215
C
H
R
OH
HO
Asp215
Asp32
Asp32
C O
C O
O H O
O
-
OH
C
H
N
O
H R'
O
H
C
R
R
O
OH
-
C O
C O
Asp215
Asp215
NH2R'
Les protéines / Enzyme
O
H2 C
H2 C
Base
H2 C
O
Base
O
O
O
Im
Im
O
R
His-119
H
O
O
His-12
HO
Base
O
O
OH
P
Im H
P
O
Im
His-12
H Im
His - 119
O
His-119
R
Enzyme ribonucléase
Lys - 41
Im
O
R
O
O
O
P
O
O
His - 119
Im = Imidazole
His - 12
Base
Base
H
O
NH
Im
NH3
O
NH
Im H = Imidazolium
N
O
H
O
R
Lys - 41
H2 C
N
O
P
NH3
H2C
H
O
O
H
O
His - 12
P
O
H Im
O
Im H
Im
R
His - 119
His - 12
NH3
Lys - 41
Lipides / membranes
H
II.2. Lipides / membranes
H
O
H
H
O
O
H
H
O
H
H 2C
H2C
H2C
H2C
CH 2
H3C
Octadecanoic acid
H2C
H2C
H2C
Octadec-9-enoic acid
CH 2
H2C
CH 2
CH 2
H3C
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
H2C
H 2C
H2C
H2C
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
CH
HC
H 2C
H2C
H2C
CH 2
H3C
Octadecanoic acid anion
CH 2
H3C
Octadec-9-enoic acid anion
O
H
H
O
H
O
CH 2
CH 2
CH 2
H
H
H
H
H
H
H
H2C
H 2C
HC
H2C
O
H
H
O
H
CH 2
CH
CH 2
C
C
H
CH 2
H2C
H 2C
H2C
H2C
H
O
CH 2
CH 2
CH 2
H
H2C
H 2C
H2C
H2C
C
H
O
CH 2
CH 2
CH 2
CH 2
H2C
H 2C
H2C
H2C
H
H
H
H
H
O
COO
CH 2
CH 2
CH 2
H
COO
COOH
COOH
O
H
O
H
H
O
O
H
H
H
H
Lipides
Ce sont des molécules insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants
organiques (chloroforme, éther …).
Leurs rôles sont nombreux:
-
stockage d’énergie ou de vitamines liposolubles dans les graisses
-
rôle structural dans les membranes biologiques
-
transport de l’information (hormones)
-
vitamines impliquées dans la catalyse de réactions enzymatiques
Lipides / membranes
Les lipides contenant des acides gras:
Ce sont les lipides majoritaires. Comme leur nom l’indique ils sont
composés d’acides gras.
Les acides gras sont des acides organiques à longue chaîne
hydrocarbonée (4 à 24 C)
chaîne hydrocarbonée
(ou aliphatique)
H3C
fonction acide déprotonée à pH 7
CH2
partie hydrophobe
n
COO-
partie hydrophile
molécule amphiphile
Lipides / membranes
Les acides gras comportent en général un nombre pair de carbones (le
plus souvent 16 ou 18).
COOH
COOH
H2C
H2C
Si un acide gras ne
présente pas de double
liaison on dit qu’il est
saturé.
CH 2
H2C
CH 2
H2C
Si il présente une ou
plusieurs double liaisons
il est insaturé.
CH 2
H2C
CH 2
H2C
CH 2
CH 2
H2C
H2C
CH
CH 2
HC
H2C
CH 2
CH 2
H2C
H2C
CH 2
CH 2
H2C
H2C
CH 2
CH 2
H2C
H2C
CH 2
H3C
Octadecanoic acid
CH 2
H3C
Octadec-9-enoic acid
Lipides / membranes
H
H
cis
Dans les acides gras naturels, la
conformation de la double liaison
est de type cis.
Ceci induit une courbure rigide
de la chaîne aliphatique.
H
H
trans
Lipides / membranes
Propriétés physiques des acides gras: micellisation
Les acides gras sont amphiphiles, ils ont une partie polaire et une partie
apolaire. Plus la partie apolaire est longue et moins les acides gras sont
solubles dans l’eau.
S’ils sont en concentration suffisante, les acides gras vont spontanément
s’organiser en micelles.
Dans cette structure les parties hydrophobes s’associent entre elles et
seules les parties polaires des acides gras sont au contact de l’eau.
Lipides / membranes
tête polaire (Hydrophile)
queue non polaire (Hydrophobe)
micelle
monomère
Lipides / membranes
Principe de formation d'une micelle
(La couleur bleue symbolise l'eau)
Lipides / membranes
Lipides / membranes
Propriétés des membranes biologiques:
- Les membranes constituent une barrière sélective qui permet de
compartimenter les cellules biologiques. La partie médiane de la
membrane étant hydrophobe, elle est imperméable à toutes les molécules
hydrophiles (ions, sucres…).
Ceci permet le maintien de compositions différentes spécifiques des
milieux intracellulaires ou intra organites.
- Les membranes biologiques sont fluides. Leur cohésion est assurée par
des interactions de faible énergie (principalement hydrophobes). Les
molécules qui constituent ces membranes sont donc libres de diffuser et
sont en mouvement constant.
Acide nucléique
II.3. Acide nucléique
Ce sont des molécules que l'on retrouve dans tout le règne animal. Elles
portent l'information génétique à partir de laquelle seront synthétisées
toutes les protéines de la cellule (stockage d'informations).
Les nucléotides sont aussi impliqués dans le stockage de l'énergie et dans
le transport d'informations.
Acide nucléique/ ADN
Acide nucléique/ ADN et ARN
Acide nucléique / ADN et ARN
OH
C-5
O
OH
Base
C-5
O
Base
C-3
C-2
HO
ADN naturel est polymérisé
par liaisons phosphate et
oxygène à C-5 et C-3
OH
ADN non naturel est polymérisé
par liaisons phosphate et
oxygène à C-5 et C-2
Acide nucléique/ gènes
Conclusion
III. Conclusion
• Chimie bioorganique et futur
• mille problèmes sans solution
- organismes de mer
- formations de structure chimique
- mécanisme de mémoire humain et particulièrement effet de
synthèse des protéines
- détermination des gènes par les nucléotides
- ………
• Chimie médicale
Cancer, Agent antiviral, Agent antibactérien, Maladies de cœur,
Obésité, Défaut génétique, Diabète, Arthroses, Elzeimer,…