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Chapitre 2
Biochimie et Biosynthèse
A Composition chimique des cellules
1. Les cellules sont composées d’un petit
nombre de types d’atomes
2. La couche externe des atomes
détermine les interactions de atomes
3. Les liaisons ioniques se forment par
gain/perte d’éléctrons
4. Les liaisons covalentes se forment par
partage d’éléctrons
Composition chimique des cellules
5. L’eau est le principal composant des
cellules
6. Certaines molécules polaires forment
des acides ou des bases dans l’eau
7. 4 types de liaisons non-covalentes lient
les molécules
8. La cellule contient 4 variétés de petits
composants organiques
Composition chimique des cellules
9. La cellule contient 4 variétés de petits
composants organiques
10. La biochimie est dominée par des
macromolécules aux propriétés
remarquables
11. Les liaisons non-covalentes déterminent
la forme des macromolécules et leur
capacité à se lier à d’autres molécules
1. Les cellules sont composées d’un petit
nombre de types d’atomes
neutron
électron
proton
atome de carbone
nombre atomique = 6
atome d’hydrogène
nombre atomique = 1
poids atomique (d’un atome) ou poids moléculaire
(d’une molécule):
masse relative par rapport à l’atome d’hydrogène (=
nombre de protons + nombre de neutrons
dalton: poids atomique de l’hydrogène
nombre d’Avogadro: Nombre d’atome dans 1 gramme
d’hydrogène = 6.1023
isotopes: différentes formes physiques chimiquement
équivalentes d’un même élément (p ex 12C et 14C)
Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en
grammes) de 6.1023 atomes ou molécules de cette
substance = X g de cet atome/molécule, avec X = poids
moléculaire (p ex 1 mole de C = 12g, 1 mole de glucose
= 180g, 1 mole de NaCl= 58g
Solution molaire (d’un élément, d’une substance):
solution qui contient 1 mole de cet atome/molécule par
litre de liquide (p ex 1 solution molaire de glucose
contient 180g de glucose/l).
1. Les cellules sont composées d’un petit
nombre de types d’atomes
abondance relative (%)
• Il existe 92 éléments
naturels (définis par
leur nombre de
protons et
d’électrons)
• 4 atomes constituent
96.5% du poids d’un
être vivant:
H, C, O, N
organismes
croûte
terrestre
couche
électronique
nombre atomique
Na+
Gaz inertes
Mg++
K+
Ca++
Nombre d’électrons de
la couche complète
2
8
8
18
3. Les liaisons ioniques se forment par
gain/perte d’électrons
atomes
atomes
partage d’électron
molécule
liaison covalente
(souvent polarisée)
transfert d’électron
ion positif
ion négatif
liaison ionique
Valence: nombre d’électrons qu’un atome doit
gagner ou perdre pour avoir une couche
électronique externe saturée
3. Les liaisons ioniques se forment par
gain/perte d’électrons
Chlorure de sodium (NaCl)
Na (11)
Cl (17)
ion sodium (Na+)
cation
ion chlorure (Cl-)
anion
NaCl: cristaux de sels soluble dans l’eau
4. Les liaisons covalentes se forment par
partage d’électrons
• Caractéristiques des liaisons covalentes
– Longueur de la liaison: rayon d’un atome
– Energie de la liaison
– Géométrie de la liaison
– Liaison simples ou doubles
– Liaison covalente polaire
4. Longueur des liaisons covalentes
Force de Van der Waals à l’équilibre à ce point, qui correspond
à la longueur de la liaison covalente
répulsion
énergie
attraction
Distance séparant les noyaux de 2 atomes
La longueur d’une liaison covalente est
inférieure à la somme des rayons des atomes
reliés
rayon
de O 1.4 A
rayon
de H 1.2 A
Liaison covalente O-H
distance 0.96 A
4. Énergie des liaisons covalentes
Quantité d’énergie qui doit être apportée pour rompre la liaison
(en Kcal/mole)
agitation thermique
moyenne
hydrolyse de l’ATP liaison
dans la cellules
C-C
liaison non-covalente
dans l’eau
oxydation complète
du glucose
Échelle logarithmique!
Géométrie des liaison covalentes
oxygène
azote
carbone
eau
propane
Il existe différentes formes de liaisons
covalentes
Liaison simple/double
Liaison polaire
formation d’un
dipôle
éthane
eau
partage de 2 électrons
oxygène
éthène
partage de 4 électrons
5. L’eau est le principal composant des
cellules
• La molécule d’eau est polarisée
• Les interactions entre les parties chargées
positivement et négativement de 2 molécules
d’eau voisines = liaison hydrogène
• Les molécules qui forment des liaisons
hydrogène avec l’eau sont soluble dans l’eau
(hydrophiles)
• Les liaison peu polarisées (C-C) interagissent
peu avec l’eau et sont insolubles dans l’eau
(hydrophobes)
6. Certaines molécules polaires forment
des acides ou des bases dans l’eau
acide acétique
eau
ion acétate
ion hydronium
L’eau pure a un pH de 7 ([H3O] = [OH-]= 10-7M)
les protons se
déplacent d’une
molécule d’eau à l’autre
ion hydroxyl
acide: substance qui libère des ions H+ (pour
former des ions H30+ hydronium) en se dissolvant
dans l’eau.
base: substance qui augmente la concentration en
ion OH- en se dissolvant dans l’eau.
7. Quatre types de liaisons non-covalentes
lient les molécules
Type de liaison
longueur
(nm)
énergie (K/cal/mole)
dans le vide
covalente
0.15
90
dans
l’eau
90
Non covalente
-Ionique
-Hydrogène
-Van der Waals
-hydrophobe
0.25
0.30
0.35
80
4
0.1
3
1
0.2
Les liaison ioniques sont réduites en
milieux aqueux
atome donneur
liaison covalente 0.1nm
atome accepteur
liaison hydrogène ~0.2 nm
Comment des interactions non-covalentes
assurent la liaison de 2 molécules
8. La cellule contient 4 variétés de petits
composés organiques
• Petits composés: poids moléculaire 100 à 1000 (<30 c)
1: SUCRES
POLYSACCARIDES
2: ACIDES GRAS
GRAISSE, LIPIDES,
MEMBRANES
3. ACIDE AMINES
PROTÉINES
4. NUCLÉOTIDES
ACIDES NUCLÉIQUES
Les sucres remplissent de multiples
fonctions
• polymère de glucose
– Stockage d’énergie glycogène, amidon
– Support mécanique: cellulose
• polymère de N-acetyl glucosamine: chitine
• Glycolipides
• Glycoprotéines
Les sucres sont des hydrates de carbones
(CH2O)n
Hexoses C6H1206
H
O
aldehyde
1 C
H
OH
H
H
H
2 C
3 C
4
5
6
H
H
OH
H
aldose
cétone
C
OH
C
O
OH
C
cétose
C
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
C
OH
H
C
OH
H
glucose
H
fructose
Les sucres sont des hydrates de carbones
(CH2O)n
6
5
1
4
3
2
Le glucose
isomères: se dit de molécules qui ont la
même composition chimique mais une
structure différente
isomères optiques: se dit de molécules
isomères qui sont l’image en miroir l’une de
l’autre (isomères L et D)
CH2OH
O
O
CH2OH
Position a ou b de l’hyrdoxyl lié au carbone
qui porte le groupe cétone ou aldéhyde
O
OH
O
OH
b-hydroxyl
a-hydroxyl
Les sucres sont les sous-unités des
polysaccharides
monosaccharide
condensation
monosaccharide
hydrolyse
Liaison réactive glycosidique dans un dissacharide
Énorme variété des polysaccharides
disaccharides de 2 D-glucose
Rôles des sucres
• Glucose
– monomère: source centrale d’énergie
– polymère: glycogene = stockage d’énergie
• Support mécanique
– cellulose (glucose)
– chitine (N-acetyl-glucosamine)
• Glycoprotéines, glycolipides
Les acides gras sont les principaux
composants des membranes
extrémité hydrophile: acide carboxylique
acide palmitique =
acide gras saturé
queue hydrophobe hydrocarbonée
Fonctions des lipides
•
Collection de molécules insolubles dans
l’eau, solubles dans la graisse et dans
les solvants organiques
1. Réserve d’énergie: 6X par rapport aux
sucres sous forme de triglycérides
2. Formation des membranes : couches bilipidiques de phospholipides
Triacyl-glycerol
O
C
H 2C
H 2C
OH
OH
H 2C
H 2C
O
O
O
C
O
C
H 2C
OH
glycérol
H 2C
O
triacylglycerol
Structure des phospholipides
groupe hydrophile (alcohol)
O
O
P
O
phosphate
O
CH2
CH
CH2
glycerol
acides gras
Organisation des membranes bi-lipidique
tête
hydrophile
eau
bi-couche
phospholipidique
phospholipide
2 queues hydrophobiques
d’acide gras
Les acides aminés sont les sous-unités des
protéines
ALANINE
Forme ionisée
Groupe amine Groupe carboxyle
Carbone a chaîne latérale
Forme non ionisée
Les polypeptides ont une polarité
structurelle
Extrémité N-terminal
Extrémité C-terminal
Les nucléotides
• anneau contenant 1 N = 1 base (en condition
acide, lie 1H+)
• PYRIMIDINE: cytosine, thymine, uracil
• PURINES: guanine, adénine
•
•
•
•
lié à un pentose (sucre à 5 C)
et un groupe phosphate
sous-unités de l’ADN, de l’ARN
forme de stockage transitoire de l’énergie
ribonucléotide adénosine triphosphate: ATP
Les nucléotides comportent 2 types de
base
N
4
N
5
3
4
7
3
N
5
8
2
6
1
N
9
N
PURINE
Adenine
Guanine
2
6
1
N
PYRIMIDINE
Thymine
Cytosine
Uracile
PURINES
Adénine (A)
PYRIMIDINES
Uracile (U)
A, G, T, C dans l’ADN
A, G, U, C dans l’ARN
Guanine (G)
Thymine (T)
Cytosine (C)
les nucléotides comportent un pentose…
5’
HOCH2
4’
O
H
OH
1’
H
H
H
2’
3’
OH
OH
b-D-Ribose
ARN
5’
HOCH2
4’
O
H
OH
1’
H
H
H
2’
3’
OH
H
b-D-2’-désoxyribose
ADN
BASE
+
SUCRE
= NUCLEOSIDE
BASE
+
SUCRE
+
PHOSPHATE
= NUCLEOTIDE
Les nucléotides sont les sous-unités des
acides nucléiques
NH2
BASE
PHOSPHATE
N
O
O
P
O
O
CH2
O
O
OH
OH
SUCRE
base
nucléoside
abréviation nucléotide
ADENINE
ADENOSINE
A
GUANINE
GUANOSINE
G
CYTOSINE
CYTIDINE
C
THYMINE
THYMIDINE
T
PYRIMIDINES
URACILE
URIDINE
U
UDP
AMP,
dAMP
PURINES
GTP
Adénine
Phosphate
OH
Ribose
Adénosine 5’-monophosphate
AMP
Adénine
Phosphate
H
2’-désoxyribose
2’-désoxyadénosine 5’-monophosphate
dAMP
chaîne d’ADN
Extrémité 5’
Groupe 5’ phosphate libre
Liaison phosphodiester 5’-3’
Séquence d’ADN
Par convention lue de 5’ vers 3’
Groupe 3’OH libre
Extrémité 3’
Structure de l’ATP
(adenosine triphosphate)
L’ATP transporte l’énergie dans la cellule
Liaisons phosphoanhydriques riches en énergie
Énergie des
aliments
Phosphate
Inorganique (Pi)
Énergie disponible
pour les travaux de la
cellule
10. Les liaisons non covalentes définissent
la structure tridimensionnelle d’une
molécule
Beaucoup de conformations
instables
Une conformation
stable repliée
10 Rôles des liaisons covalentes et
non-covalentes dans la formation des macromolécules
SOUS-UNITÉS
MACROMOLECULES
Liaisons covalentes
sucres, acide aminés,
nucléotides
Liaisons non-covalentes
1. ioniques
protéine globulaire,
2. hydrogène
ARN
3. van der Waals
4. hydrophobe
ASSEMBLAGE
MACROMOLECULAIRE
ribosome
Biochimie et Biosynthèse
A. Composition chimique des cellules
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules
1. Il existe deux types de voies métaboliques
couplées (anaboliques et cataboliques)
2. L’agencement ordonné dans la cellule est
rendu possible par la production de chaleur
par la cellule
3. Les cellules tirent leur énergie de l’oxydation
des molécules organiques
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules
4. Les oxydations et les réductions
correspondent à des transferts d’électrons
5. Les enzymes abaissent les barrières qui
bloquent les réactions chimiques
6. La diffusion des substrat permet leur
rencontre avec les enzymes
7. Les changements d’énergie libre détermine
si une réaction peut survenir ou non
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules
8. Les transporteurs d’énergie activés sont essentiels
pour la biosynthèse
1.
2.
3.
4.
ATP: anénosine tri-phosphate
NADP: nicotinamide adenine dinucléotide
NADPH: nicotinamide adenine dinucléotide phosphate
Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle
9. La synthèse des polymères biologiques demande
un apport d’énergie
10. Les aliments sont dégradés en 3 étapes pour
produire de l’ATP
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules
11. Les organismes emmagasinent l’énergie
dans des réservoirs particuliers
12. Les acides aminés et les nucléotides font
partie du cycle de l’azote
Les réactions chimiques nécessaires à la
vie sont accélérées (catalysées) par des
protéines spéciales: les enzymes
catalyse par catalyse par catalyse par catalyse par catalyse par
l’enzyme 1
l’enzyme 2
l’enzyme 3
l’enzyme 4
l’enzyme 5
Voie métabolique
Deux types de voies métaboliques
fonctionnent en sens opposé dans les cellules
aliments
VOIES
CATABOLIQUES
molécules qui
constituent la cellule
énergie
utilisable
VOIES ANABOLIQUES
(BIOSYNTHÈSE)
sous-unités
de biosynthèse
Les lois de la thermodynamique
s ’appliquent aux vivants
Seconde loi de la thermodynamique
dans l’univers (ou dans un système isolé)
le désordre (l’entropie) ne peut que
croître
Les lois de la thermodynamique
s ’appliquent aux vivants
Première loi de la thermodynamique
l’énergie peut se convertir d’une forme à
une autre, mais ne peut ni se créer,
ni disparaître
l’océan de matière
cellule
CHALEUR
augmentation de désordre
diminution du désordre
Respiration = oxydation des C et des H
des molécules organiques
PHOTOSYNTHÈSE
RESPIRATION
sucres
PLANTES
ALGUES
BACTERIES
énergie
solaire
sucres
Sucres et
autres matières
organiques
LA
PLUPARTDES
ORGANISMES
énergie libre
chimique
Les oxydations et les réductions
correspondent à des transferts d’électrons
• Oxydation d’une molécule:
– ajout d’atomes d’oxygène sur cette molécule
– ou retrait d’électrons (qui suppose l’addition
d’électrons sur une autre molécule = sa
réduction)
– Ou retrait partiel d’électron partagé
• L’atome réduit gagne un (ou des)
électrons (+/- proton = addition d’un H =
hydrogénation)
Oxydation et réduction
formation d’une
liaison
covalente
d+
polaire
atome 1
atome 2
atome 1
oxydé
d-
atome 2
réduit
molécule
Oxydation et déshydrogénation
AH - e- - H+ = A
déshydrogénation =
oxydation
A + e- + H = AH
hydrogénation =
réduction
Energie totale
L’énergie d’activation
Énergie
d’activation
pour aller de
XàY
Réaction chimique
Les enzymes diminuent l’énergie
d’activation des réactions chimiques
Caractéristiques des enzymes
• Catalyseur = accélérateur
• Affinité: vitesse de dissociation
Sélectivité
• Site catalytique = site actif
• Ré-utlisable
Site actif
molécule A
(substrat)
molécule B
(produit)
La diffusion rapide des substrats permet
aux enzymes d’être actifs
Mouvements moléculaires
1. Vibration
2. Rotation
3. Translation
Déplacement au hasard
Petite molécule organique: 50mm /sec
La perte d’énergie libre augmente
l’entropie
Niveau d’énergie libre
Réaction spontanée
possible
DG négatif
Réaction qui doit être
couplée à une autre réaction
énergétiquement favorable
DG positif
La concentration des réactifs influence
DG
MÊME CONCENTRATION DE DÉPART
Molecules A
Molécules B
La conversion de A en B est énergétiquement favorable
La concentration des réactifs influence
DG
L’EXCES DE MOLECULES B COMPENSE LA FAIBLE VITESSE
DE CONVERSION B A
Molécules A
Molécules B
A l’équilibre, autant de molécules A se transforment
en molécules B que l’inverse
Le changement d’énergie libre à 37°C
Une partie de DG est
indépendante
de la concentration des
réactifs
0.616 = RT =
constante des gaz X température absolue
DG = DG° + 0.616 ln
Exprimé en Kcal/mole
[B]
[A]
Une partie de DG dépend
de la concentration des réactifs
La constante d’équilibre d’une réaction
dépend de la valeur de DG°
À l’équilibre DG = O
DG° = - 0.616 ln
[B]
[A]
[B]
[A]
= e -DG°/0.616 = K
Relation entre K et DG°
Constante d’équilibre
[B]
K=
[A]
102
énergie libre de B –
énergie libre de A
(Kcal/mole) DG°
-2.8
1
0
10-2
2.8
Un enzyme accélère une réaction sans
changer son point d’équilibre
Réaction non catalysée
Réaction catalysée
Dans des réactions séquentielles, les DG
s’additionnent
DG°= +5Kcal/mole
X
DG°= -13 Kcal/mole
Y
Point d’équilibre de
la réaction X
Y
X
Y
Point d’équilibre de
la réaction Y
Z
Y
Point d’équilibre de
la réaction séquentielle X
Z
Z
DG°= +5 -13 = -8 Kcal/mole
Y
Les transporteurs d’énergie activés sont
essentiels pour la biosynthèse
ENERGIE
ENERGIE
molécules nécessaires
à la cellule
ALIMENTS
Réaction
énergétiquement
défavorable
Réaction
énergétiquement
favorable
ALIMENTS
OXYDES
Transporteur activé
molécules disponibles
dans la cellule
L’activation d’un transporteur d’énergie est
couplée à une réaction énergétiquement
favorable
Niveau d’énergie libre
Réaction spontanée
possible
DG négatif
Réaction qui doit être
couplée à une autre réaction
énergétiquement favorable
transporteur d’énergie
activé
DG positif
transporteur d’énergie
enzyme
L’ATP est le transporteur d’énergie le plus
universel
Liaisons phosphoanhydres
DG°= -11 à -13 Kcal/mole
Phosphate
Inorganique (Pi)
L’énergie stockée dans l’ATP peut servir à
joindre 2 molécules
Liaison phosphoester
Intermédiaire
de haute énergie
ammonium
ETAPE
D’ACTIVATION
ETAPE DE
CONDENSATION
Produits
d’hydrolyse
de l’ATP
acide glutamique
glutamine
L’hydrolyse complète de ATP peut fournir 13 kcal +
13 kCal = 26 kcal
NAD+ et NADP+ = 2 transporteurs
d’électrons à haute énergie essentiels
Transfert de 2 électrons
à haute énergie
+ 1 proton
Transfert d’un
ion hydride
Enlèvement de 2 H
Oxydation
de la molécule 1
Le NADP fixe un ion hydride:
1 H + 1 électron
Un proton est relargué
dans le milieu
Réduction
de la molécule 2
oxydé
anneau
nicotinamide
Ce phosphate est absent
dans le NAD+ et le NADH
réduit
Les transporteurs d’énergie sont associés
à des voies métaboliques différentes
NAD
NADP
voies
cataboliques
voies
anaboliques
NAD+ /NADH élévé NADP+ /NADPH
bas
Receveur
d’énergie
Source d’énergie
Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle
groupe
acétyle
Liaison de haute
énergie
CoA
groupe acétyle
La synthèse des polymères biologiques demande un
apport d’énergie
glycogène
énergie provenant de l’hydrolyse
d’un nucléoside triphosphate
glycogène
liaison
glycosidique
La synthèse des polynucléotides se déroulent en
plusieurs étapes, avec hydrolyse complète de l’ATP
Intermédiaire de
haute énergie
= polynucléotide
tri-phosphate
polynucléotide
à 2 nucléotides
polynucléotide
à 3 nucléotides
nucléoside
monophosphate
Produit de l’hydrolyse
complète de l’ATP
Il existe 2 orientations de polymérisation
des polymères biologiques
polymérisation apicale
p.ex. proteines
acides gras
Chaque monomère apporte
une liaison énergétique
pour lier le suivant
polymérisation caudale
p.ex. polysaccharides
polynucléotides
Chaque monomère apporte
une liaison énérgétique
pour se lier lui-même
La cellule oxyde les aliments par étapes
Oxydation par étapes des sucres
dans les cellules
Combustion directe des sucres
petites énergie d’activation
fournies par la température
de la cellules
sucre + O2
forte énergie
d’activation
(chaleur du feu)
sucre + O2
transporteurs
activés
Dissipation totale
de l’énergie
en chaleur
1. Digestion enzymatique des aliments
HORS DE LA CELLULE
ÉTAPE 1
DIGESTION
protéines
DES MACROMOLÉCULES
EN SOUS-UNITÉS
acides aminés
SIMPLES
polysaccharides
graisses
sucres simples
acides gras
glycérol
glucose
2. Glycolyse
DEBUTE DANS LE
CYTOSOL
S’ACHEVE DANS LA
MITOCHONDRIE
sucres simples
glucose
glycolyse
ETAPE 2
GLYCOLYSE
DECOMPOSITION DES
SOUS-UNITÉS EN
ACÉTYL CoA
ACCOMPAGNEE D’UNE
PRODUCTION LIMITEE
D’ATP ET DE NADH
acides aminés
acides gras
glycérol
3. Phosphorylation oxydative
sucres simples
acides
aminés
DANS LA
MITOCHONDRIE
cycle de
Krebs
NADH réducteurs
membrane
plasmatique
Phosphorylation
oxidative
ETAPE 3
OXYDATION
COMPLETE DE
ACÉTYL CoA
EN CO2 ET H2O
ACCOMPAGNEE D’UNE
FORTE PRODUCTION
D’ATP ET DE NADH
membranes
mitochondriales
pyruvate
déchets
acides gras
glycérol
La glycolyse
produit de
l’ATP sans
dépendre d’02
une molécule
de glucose
fructose
1,6-biphosphate
2 molécules de
glyceraldéhyde
3-phosphate
apport
d’énergie
rupture
d’un
sucre à 6C
en 2
sucres
à 3C
production
d’énergie
2 molécules
de pyruvate
La fermentation permet la production
soutenue d’ATP en l’absence d’ 02
CYTOSOL
glycolyse
lactate
La phosphorylation oxydative permet de
récupérer l’énergie des sucres et des graisses
Membrane plasmique
sucres polysaccharides
sucres
glucose
MITOCHONDRIE
pyruvate
H+
NADH
pyruvate
GLYCOLYSE
acetyl coA
acides gras
graisses
acides gras
CYTOSOL
1 glucose
2 ATP
PHOSPHORYLATION
OXYDATIVE
30 ATP
La chaîne de
transport des
électrons de la
mitochondrie
électron de
forte énergie
INTERIEUR DE LA
MITOCHONDRIE
protéine
membranaire
Création d’un gradient
Transmembranaire de H+
CYTOSOL
électron de
glucose
GLYCOLYSE
Les cellules emmagasinent l’énergie dans
des réservoirs particuliers
Le glycogène
liaison a 1,4 glycosidique
du squelette
liaison a 1,6
glycosidique
de branchement
Les cellules emmagasinent l’énergie dans
des réservoirs particuliers
Les graisses
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules
11. Les organismes emmagasinent l’énergie
dans des réservoirs particuliers
12. Les acides aminés et les nucléotides font
partie du cycle de l’azote
Les acides aminés et les nucléotides font
partie du cycle de l’azote
ACIDES AMINES ESSENTIELS
Chapitre 2
Biochimie et biosynthèse
FIN