Les molécules organiques
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COURS IFSI 2009 UE2.S1 Biologie fondamentale Les molécules Viviane GUILLAUME Professeur Biochimie - Génie Biologique - 1 Biologie médicale LA MATIERE VIVANTE ...............est composée à partir de Ions Atomes peuvent devenir s’organisent en Radicaux libres Molécules Squelette carboné peuvent être Inorganiques fondamentale Organiques composées Groupements fonctionnels réparties Eau Protéines Lipides Glucides 2 Acides nucléiques 3 Atomes Ions Quand un atome perd ou gagne un électron, il devient un « ion » perte d’une charge négative cation Un cation est un ion qui a une charge positive L’atome est la plus petite unité de matière qui conserve les propriétés et les caractéristiques de son élément. anion Le sodium (Na) a 11 électrons Le chlore (Cl) a 17 électrons Un anion est un ion qui a une charge négative 4 Molécules Une molécule Une molécule peut être formée de deux ou plusieurs atomes de même élément ou de deux ou plusieurs atomes d’éléments différents. Une molécule de chlorure de sodium 5 Liaisons Chimiques Les liaisons chimiques sont des forces qui maintiennent ensemble les atomes et qui empêchent leur séparation Liaison covalente Liaison ionique Est une liaison électrostatique moins forte par un partage d’électrons Est une liaison forte par un partage d’électrons de manière équivalente animations à voir sur le site suivant http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0070271348/student_view0/chapter2/elearning.html 6 En biochimie, donc en chimie du vivant on rencontre des liaisons chimiques - fortes qui sont les liaisons covalentes. - liaisons faibles parce qu’elle peuvent se faire et se défaire facilement. Ce sont • les liaisons ioniques. • les attractions de van der Waals qui dépendent de la taille des atomes. - - • la liaison hydrogène 7 Lorsque deux atomes se rapprochent lʼun de lʼautre, il se manifeste à partir dʼune certaine distance une attraction entre le noyau de lʼun et les électrons de lʼautre (et réciproquement). Cette force dʼattraction est appelée force dʼattraction de van der Waals. Liaison hydrogène liaison hydrogène Cette liaison apparaît entre un atome déjà engagé dans une liaison de covalence et porteur d’une charge positive et un atome accepteur déjà engagé dans une liaison de covalence et porteur d’une charge négative. La liaison hydrogène est représentée par des tirets entre les atomes 8 Molécule inorganique La molécule dʼeau H20 formule chimique 1 atomes d’oxygène Les électrons ne se partagent pas de manière équivalente car l‘oxygène attire plus fortement les électrons. On dit que la molécule d’eau est polaire 2 atomes d’hydrogène δ+représente la zone électro positive (+) δ- représente la charge électronégative animation à voir http://www.johnkyrk.com/H2O.fr.html 9 Lʼeau est un solvant polaire Les molécules chargées sont facilement dissoutes dans lʼeau. Ce sont des composés hydrophiles. Les molécules non polaires sont dites hydrophobes. Elles interfèrent avec les liaisons hydrogène et les molécules dʼeau. 10 Molécules hydrophiles Les substances participant aux liaisons hydrogènes dans l’eau sont hydrophiles et solubles dans l’eau H20 Cl- NaCl est dissous dans lʼeau. lʼeau hydrate les ions Na + et Cl - et diminue ainsi leurs interactions électrostatiques en masquant leur charge. Na+ 11 Molécules hydrophobes molécules d’eau Les molécules apolaires interrompent le réseau des liaisons hydrogène de l’eau. Elles sont hydrophobes et insolubles dans l’eau molécule hydrophobe 12 liaison H Lʼeau a un rôle de réactif - Elle participe aux réactions chimiques des cellules vivantes. Au cours des réactions chimiques, l’eau peut se décomposer , ce type de réaction s’appelle une hydrolyse. Lʼeau peut sʼioniser cʼest un électrolyte H 20 H+ + OH - Un électrolyte est un composé ionique qui se dissocie en cation et en anion. Il peut conduire l’électricité. 13 Notion dʼeau libre et dʼeau liée Lʼhydradation des macromolécules joue un rôle essentiel dans le maintien de la stabilité des structures biologiques. Les interactions entre lʼeau et les macromolécules sont essentielles dans les fonctions vitales eau contenue à l’intérieur des macromolécules eau libre à distance eau liée à la surface des molécules 14 Acides Bases et sels inorganiques - Le chlorure d’hydrogène (HCl) qui est un acide, en solution dans l’eau s’ionise en ions H+ et Cl-. L’hydroxyde de potassium (KOH) qui est une base, en solution dans l’eau s’ionise en OH- et H+. Le chlorure de potassium (KCl) qui est un sel, en solution dans l’eau s’ionise en ions K+ et Cl-. 15 Concept de pH - Une solution acide est définie par le nombre d’ions H+ (concentration) qu’elle contient. Une solution basique est définie par le nombre d’ions OH- qu’elle contient. L’échelle des pH exprime l’acidité ou l’alcalinité d’une solution. Elle va de 0 à 14. H+ > OH - H+ = OH 16 OH - > H+ Rôles de lʼeau - Transport des nutriments - Transfert de lʼénergie chimique Réactions du métabolisme catalysées par les enzymes 17 L’eau et les ions minéraux Répartition" Globale : 60 à 70 % du poids corporel Selon les Tissus - Os : 20 à 30 % - Muscles : 75 % - Sang : 80 % Les secteurs hydriques - Eau totale 60 %## intra cellulaire : 40 % Extra-cellulaire : 20 % Plasmatique : 5% interstitielle : 15 % Lʼeau est répartie en compartiments délimités par la membrane cellulaire. On distingue le compartiment intracellulaire et le compartiment extracellulaire. 18 Les échanges entre les compartiments 19 Les éléments majeurs Les atomes C, H, O , N ,P ,S Les principaux éléments sont des composés structuraux des cellules et des tissus et sont nécessaires dans lʼalimentation journalière en quantités de lʼordre du gramme. 20 Les Constituants minéraux - Il existe des échanges entre les milieux intraet extra cellulaire souvent liés au mouvement de l’eau et sous contrôle hormonal. - Les constituants peuvent exister sous plusieurs formes. - Les ions hydratés en solution aqueuse qui interviennent dans le fonctionnement cellulaire. - Les sels minéraux appartiennent à des structures peu ou pas solubles (sécrétion, squelette). 21 Carbone Maillon de base de toutes les molécules organiques, créé des chaînes, des cycles. Se retrouve sous forme de HCO3- de carbonate CO3 2provenant de CO2 Hydrogène et Sont très abondants, se trouvent dans la formation de l’eau et Oxygène dans les fonctions oxygénées. Alcool, acide, aldéhyde Azote Phosphore Fournit les fonctions azotées : amines, imines, amides Sous forme de phosphates H2PO4, HPO42- qui interviennent sous forme de tampons mais aussi de composition de dérivés organiques, esters phosphoriques, énol phosphate. La liaison chimique dans laquelle intervient le phosphate est dite à haut potentiel d’hydrolyse ATP + H2O Soufre ADP + H3 PO4 Fonction thiol, thioester 22 Cations Na+ Principal cation extracellulaire responsable de la pression osmotique du sang. Les échanges sont liés au mouvement de l’eau K+ Principal cation intra cellulaire responsable de l’osmolarité cellulaire Ca++ La plus grande partie est dans les os NH4 + Provient de NH3 très faible concentration dans le sang NH4 + est éliminé par le rein 23 Anions Cl- HCO3 – CO3 2H2PO4 HPO42P SO42- Principal anion extracellulaire. Globules rouges riches en Cl- ainsi que le suc gastrique et les sécrétions intestinales Les ions proviennent du CO2 des oxydations cellulaires. Ce couple joue un rôle important dans l’équilibre acido-basique organique (ATP, Acides nucléiques). Proviennent du métabolisme des acides aminés soufrés. La teneur en sulfate est faible 24 Les oligo-éléments Les éléments trace « oligoéléments » les besoins sont beaucoup plus petits : quelques milligrammes par jour de Fe, Cu et Zn et même moins pour dʼautres. Certains jouent un rôle dans la catalyse enzymatique, dʼautres dans les structures moléculaires comme le cobalt dans la vitamine B12. 25 Les molécules organiques 26 LA MATIERE VIVANTE ...............est composée à partir de Ions Atomes peuvent devenir s’organisent en Radicaux libres Molécules Squelette carboné peuvent être Inorganiques fondamentale Organiques composées Groupements fonctionnels réparties Eau Protéines Glucides Lipides 27 Acides nucléiques Squelette carboné chaine linéaire chaine cyclique chaine ramifiée 28 Groupements fonctionnels On appelle groupement fonctionnel, tout groupe dʼatomes qui, par leur arrangement particulier, confère des propriétés nouvelles aux molécules. Ce qui distingue les molécules entres elles cʼest justement la présence de ces groupes fonctionnels. Une molécule peut nʼen présenter quʼun, ou plusieurs. Théoriquement, il nʼy a pas de limites au nombre de groupements quʼune grosse molécule peut contenir. 29 Les protéines Unité de base............ Acide aminé 30 Toutes les protéines sont construites à partir de 20 acides aminés différents Chaque acide aminé diffère des autres par son radical 31 Les protéines sont des polymères de plus de 50 AA Elles peuvent être classées selon différents critères. ➡ Selon la composition - Les holoprotéines : ne sont constituées que dʼacides aminés - Les hétéroprotéines : ✓ ✓ ✓ sont constituées dʼacides aminés et dʼun groupe prosthétique (minéral ou organique) dʼacides aminés liés de manière covalente à des glucides : « glycoprotéines » dʼacides aminés liés de manière covalente à des lipides « lipoprotéines » 32 ➡ Selon la forme et la solubilité Les protéines fibreuses ou scléroprotéines allongées, associées en câbles ou en réseaux insolubles. Elles assurent des rôles structuraux mécaniques. Les protéines globulaires : ont une forme ramassée plus ou moins sphérique, solubles en général et portent la diversité des fonctions dynamiques. 33 ➡ Selon leur fonction On les étudie en tant que : - protéines de structure de transport - de défense - dʼinformation - de catalyse 34 Les caractéristiques spatiales de ces molécules sont fondamentales pour leur fonction. Exemple d’un enzyme Les enzymes sont des catalyseurs biologiques, c’est -à-dire des composés capables d’activer des réactions chimiques, sans participer aux réactions dans des conditions de pression, pH, volume et température compatibles avec la vie. Leur nom se termine en -ase ils sont classés en fonction de la réaction qu’ils catalysent ( oxydases ajoutent de l’oxygène, protéases dégradent les protéines). La saccharase en présence d’eau, au niveau du site actif (endroit particulier de la protéine où va se dérouler la réaction chimique) va couper a molécule en ses deux composants que sont le glucose et le fructose). 35 Les niveaux dʼorganisation Les analyses ont permis de décrire une « hiérarchie » dans lʼacquisition de la structure spatiale. Cette hiérarchie est définie par les « niveaux » ou ordres ou degrés suivants niveau 1" Structure primaire ou structure peptidique covalente Séquence ou ordre dʼenchaînement des acides aminés 36 Niveau 2 Des fragments courts de séquence sʼorganisent suivant 3 ou 4 types de forme dans lʼespace. Cʼest la «structure secondaire». A lʼorigine de cette structure la «liaison peptidique» Les acides aminés enchaînés forment une chaîne polypeptidique qui peut prendre deux formes 37 hélice α feuillet β 38 Niveau 3 La structure tertiaire est la forme globale que prend la molécule. La forme de la protéine dépend de la séquence des acides aminés qui sʼorganisent en structure secondaire soit en hélice et/ou en feuillet. De lʼextrémité N terminale à lʼextrémité C terminale la chaîne comprend une succession de structures secondaires différentes 39 La chaîne polypeptidique sʼenroule sur elle-même (repliement). En fonction des AA présent, différentes liaisons chimiques se forment. Les ponts disulfures sont des liaisons covalentes chimiques solides, impossibles à couper sans une réaction chimique. Elles stabilisent la structure (liaisons fortes). Les autres liaisons (liaisons faibles) peuvent se rompre et se reformer. 40 Lʼorganisation dʼune protéine peut sʼarrêter à ce niveau, on dit que cʼest un «monomère» ou une sous-unité si la structure nʼest pas terminée. Niveau 4 La structure quaternaire est un assemblage non covalent dʼun certain nombre de sous-unités. La molécule d’hémoglobine 41 Fonctions des protéines Fonction Exemple Rôle Élément structural Collagène Force de tension Transporteur Hémoglobine Transport de l’oxygène Hormone Insuline Contrôle concentration Glucose sanguin Récepteur Acétylcholine Induction de la contraction musculaire Défense contre les infections Anticorps Liaison à un agent infectieux pour le détruire Enzymes Trypsine Dégradation protéines ingérées, dans l’intestin. Mouvement Myosine Contractilité des muscles Les caractéristiques spatiales sont fondamentales pour leur fonction 42 à retenir La fonction dʼune protéine dépend de sa structure ✓ ✓ ✓ Les liaisons covalentes stabilisent lʼédifice Les liaisons faibles (hydrogène, hydrophobes, van der waals,agissent en grand nombre à distance. Elles ont un rôle dans la complémentarité des structures. 43 Les glucides Les glucides ou hydrates de carbone sont formés de Carbone, dʼhydrogène, et dʼoxygène. Leur formule générale est Cn(H20)n Glucides Disaccharides Monosaccharides Condensation de 2 monosaccharides Petites molécules solubles Oligosaccharides Polysaccharides 3 atomes de carbone.....trioses 5 atomes de carbone..... pentoses Glycosaminoglycanes Ribose Désoxyribose Glycoconjugués 6 atomes de carbone .......... hexoses Glucose Fructose Galactose Mannose 3 à 10 monosaccharides plus de 10 unités 44 Glucide + protéine Glucide + lipide glycoprotéine glycolipide Les monosaccharides glucose D glucose glucose L glucose forme cyclique 45 mannose Importance des monosaccharides Fonctions Ribose Pentoses Désoxyribose désoxyribose Éléments de la structure des acides nucléiques et de coenzymes Glucose Principal carburant métabolique des tissus Fructose Facilement métabolisable Galactose Synthèse dans la glande mammaire (lait) Constituant des glycolipides et de glycoprotéines glycoprotéines Mannose Constituant des glycoprotéines Hexoses 46 Les disaccharides 47 Les polysaccharides Ils peuvent contenir des sous-unités identiques ou différentes et former des structures linéaires ou ramifiées Lʼamidon est un polymère du glucose composé de 2 éléments. l’amylose ➡ l’amylopectine + Cʼest le polysaccharide de réserve des plantes, il joue un rôle important dans lʼalimentation humaine. polymères de glucose (glu-glu-glu-glu….glu) 48 ➡ Le glycogène est le polysaccharide de réserve des mammifères que lʼon trouve dans le foie et le muscle. 1 6 1 - La molécule de glycogène est une sphère composée de chaînes, ramifiées et non ramifiées de 13 résidus de glucose. Elles sont disposées en 12 couches. (4 représentées sur le schéma) 49 4 ➡ Glycosaminoglycanes ( GAG) sont des poymères de disaccharides formés par une glucosamine ou galactosamine (sucre aminé)et un acide uronique et estérifiés par un acide (sulfurique ou carboxylique). L’ héparine : anticoagulant présent dans les granulations des mastocytes et dans la matrice extra-cellulaire. ➡ Protéoglycanes (PG) sont des GAG associés à des protéines. - Ce sont des composants importants de la matrice extracellulaire. Ils retiennent une grande quantité dʼeau, ils occupent un espace qui forme un rembourrage ou un lubrifiant dans certaines structures. 50 Les glycoconjugués ➡ Les glycoprotéines ou mucoprotéines sont des protéines liées par une réaction de glycosylation à des chaînes oligosaccharidiques. On en trouve dans les membranes cellulaires, dans la circulation (albumine)..... ➡ Les glycolipides sont des constituants en particulier des cellules nerveuses cérébrosides, ou gangliosides Les antigènes des groupes sanguins ABO sont des oligosaccharides présents sur des glycoprotéines et des glycolipides de la membrane du globule rouge. La spécificité du groupe sanguin est définie par le type d’oligosaccharide. Les enzymes nécessaires à leur synthèse, reçues à la naissance d’un individu, détermine son groupe sanguin A,B ,ou O. 51 Fonctions des glucides - Source importante de lʼalimentation. - Source énergétique utilisable directement ou stockée sous forme dʼamidon ou de glycogène. - Composants structuraux importants, propriétés mécaniques des tissus. - Sécrétions - Molécules de reconnaissance entre cellules. 52 Maladies associées au métabolisme des glucides ✓ ✓ ✓ ✓ Le diabète sucré La galactosémie Maladies de stockage du glycogène Intolérance au lactose 53 Les lipides du grec lipos graisses Familles de molécules définies par une propriété physique la solubilité. - insolubles dans l’eau. solubles dans les solvants polaires. Classification biochimique Lipides de réserve Acides gras Lipides membranaires Phospholipides saturés insaturés Sphingolipides Lipides neutres triglycérides Cholestérol et stéroïdes 54 Lipides de réserve Les acides gras Les acides gras sont les unités de base des lipides de formule générale R - COOH R = hydrocarbure à nombre variable de carbone qui donne le caractère «gras». Acides gras saturés 55 Acides gras insaturés 56 Nomenclature Indiquer - le nombre de carbone de l'acide gras, le nombre de doubles liaisons, la position, la configuration (cis ou trans). ex acide palmitoléique (ω7, 16 : 1, Δ9) 57 Les lipides neutres Le gycérol molécule à 3 fonctions alcool réagit avec 1 ( 2 ou 3) acide gras (estérification) glycérol α monoglycéride αα’ diglycéride triglycéride Les triglycérides sont une source importante d’énergie 58 Les triglycérides sont des lipides de réserve Les triglycérides alimentaires Réserve d’énergie tin s inte reconditionnement lipoprotéines acides gras dans les adipocytes libération et transport capture par les tissus dégradation production dʼénergie énergie tissus production dʼénergie 59 Représentation symbolique Membrane 60 Lipides membranaires Les phospholipides et les sphingolipides Position 1 : acide gras toujours saturé Position 2 : acide gras saturé ou insaturé 61 Les glycérophospholipides précurseurs de médiateurs Prostaglandines, leucotriènes Rôles physiologiques Rôles physiopathologiques Contraction muscles lisses intestin, utérus, vaisseaux Agrégation plaquettaire Régulation du métabolisme Inflammation Fièvre 62 Le cholestérol et les stéroïdes Le cholestérol 63 Les formes du cholestérol Forme libre Forme estérifiée 64 Rôles du cholestérol Synthèse des sels biliaires Stabilisant de la membrane plasmique Cholestérol.... précurseur de les vitamine D importante pour la fixation du calcium 65 Cholestérol......Précurseur des hormones stéroïdes 66 Fonctions des lipides Énergie Structure des membranes des lipoprotéines Un des carburants de lʼorganisme Réserves Rôles biologiques spécifiques Hormones Vitamines Coenzymes Transporteurs dʼélectrons Médiateurs 67 Les acides nucléiques 2 types d’acides nucléiques ADN acide désoxyribonucléique ARN acide ribonucléique ADN et ARN sont constitués par un enchaînement «dʼunités de base» les nucléotides. Un nucléotide est constitué BASE dʼune base azotée dʼun sucre dʼun phosphate + SUCRE 68 + PHOSPHATE Les acides nucléiques ADN les bases azotées Sucre Phosphate ARN les bases azotées 69 Sucre Phosphate Nucléotides Adénosine monophosphate - AMP Adénosine triphosphate - ATP Adénosine diphosphate - ADP Molécule énergétique de la cellule 70 Structure de l’ADN 71 L’ ARN l’ARNm est la copie d’un brin d’ADN contenant l’information pour la synthèse d’une protéine. l’ARNt est le décodeur de l’information qui permet de traduire le langage ( triplet de bases) en acides aminés. l’ARNr fait par tie de l’appareil de transduction que sont les ribosomes. 72 plusieurs types dʼARN - de transfert ARNt - messager ARNm - ribosomal ARNr 73 Fonctions des acides nucléiques L’ADN est le patrimoine de l’information génétique 74 75 tous pareils........tous différents animation à voir http://nature.ca/genome/04/043/043_f.cfm 76 La synthèse des protéines La synthèse des protéines est la transcription et la traduction de parties spécifiques de lʼADN pour former les protéines. La transcription - Une enzyme appelée ARN polymérase effectue une copie de l'un de vos gènes. Afin d'établir clairement qu'il s'agit d'une copie, elle remplace la base T (thymine) par une base suppléante : U (uracile). Cette copie se nomme l'ARN messager (ARNm). - Les bases (A, T, G, C) sur un brin de l'ADN spécifient l'ordre des bases sur le nouveau brin d'ARNm (A, U, G, C). - L'ADN demeure à l'intérieur du noyau, pendant que l'ARNm se déplace du noyau au cytoplasme. La traduction - La traduction est l'étape de la synthèse au cours de laquelle l'ARNt se fixe à l'ARNm pour traduire les bases en acides aminés dans les ribosomes. - Les molécules d'ARNt apportent les acides aminés spécifiés, que le ribosome relie ensuite ensemble pour former une protéine. 77 Testez vous ..... Jouez.......sur le site du génie du génome site : http://nature.ca/genome/03/c/10/03c_13a_f.cfm FIN 78
