Introduction à la Biochimie I. Généralités sur les Molécules en biochimie Organisme Humain : H2O = plus Grande Masse 60 – 65 % → Adulte 78 % → Nouveau-Né 70 % → Nourrisson Biochimie : Centrée sur le Carbone Permet de constituer 100'000 molécules chez l’Homme 50% Poids sec du corps Humain 4 Liaisons : Simples (saturées) CH4 Doubles (insaturées) O = C = O Triples (insaturées) H – C = C – H Les Molécules sont de 2 types : Simples (assez inertes) : Carbone + Hydrogène (linéaire, ramifié ou cyclique) Complexes (réactives ++) : H remplacé par N, P, O, S [plus électro-réactifs] Augmentation polarité, solubilité et réactivité des molécules Groupement Phosphate Aldéhyde Cétone Sulfhydryl Façon d’activer/désactiver une fct° protéique Ajout = Kinase Suppr = Phosphatase Molécules simples (monomère) Complexes (polymères / macromolécules) Glucose Glycogène 4 Familles : Lipides (Acides Gras, Triglycérides, Cholestérol, …) Glucides (oses simples [glucose], polysaccharoses [glycogène]) Acides Aminés, Peptides, Protéines Nucléosides, Nucléotides II. Liaisons entre Atomes Fortes énergie = > 100 kJ.mol-1 Faible énergie = < 100kJ.mol-1 A. Liaisons Covalentes Moyenne : 400 kJ.mol-1 (fortes) Partage : d’un ou plusieurs e- (ex C – C) Règle de l’octet : stabilisation de sa couche ext d’e 1 à 3 paires d’e- entre 2 atomes (1 à 3 liaisons) [de + en + solide] Pas de 4 liaisons entre 2 atomes en bio Hum Molécules Polaires / Apolaires : Si Liaison avec Atomes + électronégatif (O & N) : dipôle (δ+ et δ-) δ+ δ Molécule polaire C=O Grande réactivité chimique Si pas de déséquilibre (surtout avec C & H) alors Apolaire (peu réactives) Polaire : Hydrosoluble : pas transporteur dans le sang (Glucose) Apolaire : Non Hydrosoluble : transporteur sanguin (lipides se lient avec apoprotéines) Ionisation : tellement de déséquilibre Rupture électrolytique Na – Cl Na+ (cation) & Cl- (cation) Radicaux Libres : Rupture de liaison homolytique O = O 2 O° Electrons non Appariés = très instable ! Altération d’autres molécules : Acides Nucléiques, Lipides, … Mutations ADN Peroxydation lipidique TOXIQUES Cancérisation Mort CellR, Vieillissement Dérivés Réactifs de l’Oxygène (DRO) : Radical hydroxyde HO° Radical Alkoxyle RO° Stress Oxydant (si plus d’oxydants que d’antioxydants) Lutte Enzymatique : Superoxyde dismutique, catalase, péroxyrédoxine, lactoperoxydase, glutathion peroxydase Antioxydant : Glutathion, Vit E & C (intracell ++) Acide urique (extracell) B. Non Covalente Pas de mise en commun d’e- donc : Moins forte que covalente (10x moins) Reformation facile Liaison Ionique (en solution) : Entre un atome + et atome – Liaison hétéro-polaire / « pont de sel » 4 kJ.mol-1 / si même atomes mais état solide (200kJ.mol-1) Liaison Hydrogène : 40 kJ.mol-1 Quand H lié avec atome fortement électronégatif (O ou N) H : petite charge positive Peut interagir avec atome avec petite charge négative Et aussi entre et avec molécules d’eau Liaisons de Van Der Waals : 10 kJ.mol-1 (en moy) Quand déséquilibre = formation temp de dipôle élec 2 molécules dipolaires = rapprochement / même moment Orientation appropriée Faible attraction de Van der Waals Liaison H : type particulier de liaison de Van der Waals incluant H Interaction hydrophobe : Hydrophobes : éviter le contact avec l’eau III. Acides Aminés A. Introduction Cadre des protéines : grec protos = premier, + important, car : Cellule : > 50% des molécules (poids sec) Structure liée au code génétique Molécule induisant formation d’autres molécules (enzymes) Acides Aminés (AA) : sous-unités monomériques des peptides / protéines Liaison peptidique Protéine > peptide > AA Acide Aminé : Nom général dû à leur structure (Fct° COOH / NH2) Forte Conservation entre Eucaryote et Procaryote Les Bactéries peuvent produire des protéines humaines ( « Recombinantes » ) Production Bactérienne ADNC Humain de l’Insuline Diabète de type 1 Hormone de Croissance Retard de Croissance Osseux 2 Grandes Familles : Appartenance non exclusive 1) A.A. à Rôle Protéinogène Synthèse peptidique/protéique (250-300g par jour chez l’H) 20 A.A. historiques Retrouvés identiques ou modifiés (modif post traduc) dans structure peptidique/protéique + 2 AA rajoutés : Sélénocystéine : homme/bactérie Sélénium prend la place du soufre dans la cystéine (mais formée à partir sérine) Sert product° Glutathion peroxydase (lutte DRO) Thioréduxine réductase / désiodase (métabolisme hormone thyroïdienne) Pyrolysine = archéobactérie méthanogène Méthyl-transférase 2) A.A. à Rôle Non Protéinogène 300 AA Précurseur de molécules complexes : Glycine → Hème → Hémoglobine Réserve d’énergie : Créatine – Phosphate (vertébrés) Arginine – Phosphate (invertébrés) liaison type Phospho – Amidine Précurseur Hormonal : Dérivé iodé de tyrosine / hormone thyroïdienne Mono-Iodotyrosine (MIT) / Di-Iodotyrosine (DIT) T3 (tri-iodotyrosine : MIT + DIT) / T4 (tétra-iodotyrosine : DIT + DIT) Coagulation Sanguine : γ Carboxy-Glutamate (liaison Ca2+) Neurotransmission (excitateur / inhibiteur) Glutamate (+) Glycine (-) Acide γ aminobutyrique (GABA) : dérivé Glutamate (-) Métabolisme : A.A. Glucoformateur (néoglucogenèse) Métabolisme, transport et élimination de l’azote Production du monoxyde d’azote (NO) B. Structure / Propriétés Physico-Chimiques 1) Structure Fonction Acide Carboxylique Fonction amine primaire (basique) Sauf Proline : amine secondaire (α imino-acide / acide α iminé) Groupe R : Radical Latéral Responsable des propriétés chimiques et physiques Carbone α : porteur COOH, NH2, H et R (donc n°2) α Autres carbones β (3), γ (4), δ (5), ε (6) 2) Propriétés Physiques Présence d’un Carbone asymétrique 17 AA = 1 C* 2 AA = 2 C* Glycine = 0 C* (Thréonine / Isoleucine) Convention de Fischer / Modèle Glycéraldéhyde L : laevus (gauche) / D : Dextra (droite) Si 2 C* D (α = D & β = L) L (α = L & β = D) D-Allo (α & β = D) L-Allo (α & β = L) Ex : L-Allo-Isoleucine (maladie des urines à odeur de sirop d’érable) l et d : Même propriétés chimiques et physique SAUF déviat° de la lumière polarisée d (dextrogyre) → + / l (lévogyre) → – Pas de lien avec D ou L Mélange équimolaire (dit racémique) = aucun pouvoir polarisant A.A. Humaine de type L (homochiralité humaine) Lors du décès des cellules = racémisation progressive L <=> D Datation de la date du décès avec ration L/D Bactérie : présence peptides à A.A. de type D (D alanine & D glutamine paroi bactérie) Insensibilité L-peptidase humaine 3) Radical Aromatique : tryptophane, Tyrosine, Phénylalanine Absorption à 280nm (Trp > Tyr > Phe) Tryptophane : λ = 280nm A =1 Tyrosine : Tyrosinate : λ = 275nm A = 0,2 λ = 295nm A = 0,2 seul dont le pic est à 280 Oscillation entre les 2 produits donc absorption à 280nm Phénylalanine λ = 257nm A = 0,02 A.A. pas d’absorption dans la lumière visible (solution incolore) Loi de Beer Lambert / coefficient d’extinction molaire ε Dosage peptides et protéines si Trp et/ou Tyr Rapport 260nm (ADN,ARN) 280nm (protéines) Si > 1,8 (pureté de l’extraction nucléique pour utilisation ADN et ARN) DO : Densité Optique A : Absorbance L : longueur de la cuve I : intensité lumineuse DO = A = log(I0/I) = ε.c.l ε et l fixes donc : A = K (constance) . [c] 4) Propriétés Acido-Basiques AA comporte au moins deux fonctions ionisables : groupement acide COOgroupement Basique NH3Molécule Amphotère pK du groupement ionisable : pH pour lequel ce groupement se trouve à 50% ionisé et 50% non ionisé AA a au moins deux pK : acide pKa et basique pKb Point isoélectrique : pH où somme des charges intramoléculaires est nulle pas de migration dans un champ électrique pI = pH AAneutre = pHi = ½ (pKa + pKb) Existence trois formes en équilibre selon pH : pH < pHi (pH acide) pH = pHi (pH neutre) Nombreux H+ AA capte les H+ COO- → COOH NH3- prédomine AA Chargé + pH > pHi (pH basique) Nombreux OH- « Zwittérion » AA libère des H+ (sel interne) COOH → COONH3- → NH2 Pas de Migration Acide chargé - AA migre vers la cathode (pôle -) AA migre vers l’anode (pôle +) AA = cation AA = anion Conséquences Biologiques : pH Physiologique Cellulaire : nbx AA ionisés / liaisons électrostatiques Analytique : électrophorèse des AA : pH fixe (tampon) s/ acétate de cellulose 1) Dépôt, 2) Migration et 3) Révélation ninhydrine (bleu-violet) Base principale des Chromatographies échangeuses d’ions : Utilisation des différents signes et amplitudes de charges électriques des AA en fonction du pH et des concentrations de sel Groupement anionique fixé : échangeuse de cations : Ex : polysulfurisés / Résine – SO3- – Na+ + RNH3+ → Résine – SO3- – RNH3+ + Na+ 1) Fixation des AA par échange avec Na+ et RNH3+ (pH acide) 2) Elution des A avec augmentation de pH et de concentration en sels (acide vers basique) Groupement Cationique Fixé : échangeuse d’anions : Ex : polyaminés / Résine – NH3+ – Cl- + RCOO- → Résine – NH3+ – RCOO- + Cl1) Fixation des AA par échange avec Cl- et RCOO- (pH basique) 2) Elution des AA avec diminution de pH et augmentation de concentration en sels (basique vers acide) 5) Hydrophobie / Polarité Hydrophobie / Hydrophilie : varie en fct° du pH Permet de séparer avec chromatographie de partage : phase stationnaire hydrophile, solvant hydrophobe (ou inverse), donc : AA hydrophobes restent dans solvant AA hydrophobes migrent vers phase stationnaire Selon polarité, 3 types pour 20 AA protéinogènes : R à chaine latérale apolaire (9) R à chaine polaire non-chargée (6) R à chaine polaire chargée (5) Soit : 9 AA apolaires / 11 AA polaires 15 AA neutres / 5 acides ou basiques C. Nomenclature 1) A.A. Apolaires (9) # 5 AA Aliphatiques : Aleiphas = gras (grec) / ancrage bicouche lipidique (phospholipides) Radical avec H et C / hydrophobe (repliement dans espace privé d’eau) ~ Glycine (Gly / G) Pas de C* donc achirale Flexibilité structurale / encombrement stérique minimal Hyperglycinémie sans cétose : maladie métabolique du complexe protéique de dégradation de la Glycine (protéines P, T, H, L) → Augmentation [Gly] dans urine, sang et LCS ~ Alanine (Ala / A) ~ Valine (Val / V) ~ Leucine (Leu / L) Résidus dans structure Protéique de liaison à l’ADN : « Leucin Zipper » / Glissière à Leucine Permet à des protéines d’interagir sur des sillons de l’ADN ~ Isoleucine (Ile / I) 2 C* Augmentation Val, Leu, Ile + Apparition allo-Isoleucine (L) Leucinose (détectable dans le sang & urines) Maladie des urines à odeur de sirop d’érable : Déficit en céto-acide décarboxylase des acides α-cétoramifiés (Val, Leu, Ile) ou thiamine (cofacteur) [dégradation tellement lente, considérée inefficace] # 1 AA Soufré : ~ Méthionine (Met / M) R avec chaine thio-éther (S – CH3) Rôle : Complexe d’initiation biosynthèse protéique Donneur de radical méthyl (méthylation ++) # 2 AA Aromatiques : ~ Phénylalanine (Phe / F) Alanine substituée par Phényl Pathologie : Phénylcétonurie Normalité : Phénylalanine-hydroxylase Phénylalanine (cofacteur) Tyrosine BH4 BH2 Phénylcétonurie (PCU / PKU) : Absence (mineure/majeure) de Phénylalanine-hydroxylase et/ou Déficit en Tétrathydrobioptérine (BH4) et/ou Absence enzyme qui restaure le BH2 en BH4 cofacteur : la dihydrobioptérine réductase La nature essai d’éliminer la Phe en la transformant en Ac Phényl-Pyruvique Biologie : accumulation de Phe sanguine D’acide Phénylpyruvique (cétone) dans les urines (d’où le nom de Phénylcétonurie) Clinique : Accumulation de Phe dans cerveau → mort neuronale non réversible Retard mental si non prise en charge → l’idiotie Phénylpyruvique Anomalie de production des neurotransmetteurs → nervosité, fatigabilité, troubles de concentration → Problèmes de mémorisation → diminution des performances intellectuelles Effets Inhibiteurs de la Phénylalanine sur la production de neurotransmetteurs - Tryptophane → 5-Hydroxy-Tryptophane → Tyrosine Phénylalanine - → Sérotonine → DOPA DOPAMINE XXX → Neurotransmetteur NORADRÉNALINE - ADRÉNALINE Inhibition de la formation Dépistage Néonatal : Test de Guthrie (dosage Phe sang bébé / talon) 1/17'000 naissance en France Traitement : Régime sans Phénylalanine Principe du TEST de Guthrie (historique) Bactérie qui : Pousse inhibée par la L-β2-thiénylalanine Pousse Stimulée par Phénylalanine (malgré la L-β2) [Phe] en corrélation avec la pousse bactérienne Maintenant, c’est un dosage biochimique 5 Maladies dépistées en France à la Naissance + Surdité (Juin 2012) Phénylcétonurie (1972) / aug [Phe] Hypothyroïdie congénitale (1978) / aug [TSH] Hyperplasie Congénitale surrénales (95) / aug [17-OH-Progestérone] Mucoviscidose (2002) / aug Trypsine Immuno-réactive (TiR) Drépanocytose (69) / HbS au lieu de HbA → → → → 1 / 17 k 1 / 3,5 k 1 / 19 k 1/4k Test au Talon : Assoc Fr pour le Dépistage et la Prévention des Handicap de l’Enfant Test à faire après au moins 72H de naissance (J3 / 4e jour de vie min) ~ Tryptophane (Trp/W) Hétérocycle indole A l’origine de : Mélatonine : alternance jour/nuit (circadien) Sérotonine : satiété, sommeil, humeur Kynurénine (tics psychiatriques) # 1 A.A. Cyclique ~ Proline (Pro/P) Présence de Fonction amine II Noyau Pyrole / cycle pyrolidine Peut devenir α-iminé avec N = C(α) Rôle de Structure 3D particulière : Ex : Collagène : → → → → Rigidité Protéique (pas de rotation entre amine et C(α) Casse les hélices α Permet des coudes (changement direction au sein de protéine) Réticulation si hydroxylé : 4-OH Proline 2) A.A. Polaires NON Chargés # Groupement Hydroxyl (OH) Permet estérification avec acide phosphorique : activation / désactivation protéique O-Glycosylation (réaction enzymatique, volontaire) (≠ glycation non enzymatique, non volontaire : réaction chimique) → à l’origine de l’hémoglobine glyquée : marqueur sanguin du diabète (HbA1C) Enzyme OH → O- : site catalytique (substrat +) ~ Sérine (Ser/S) Alcool I (CH2 – OH) Sérine utilisée par la Sélénocystéine-synthétase pour fixer un atome Se issu du grpmt donneur SélénoPhosphate ~ Thréonine (Thr/T) 2 C* Fonction Alcool II ~ Tyrosine (Tyr/Y) Présence d’un groupement phénol (AA aromatique) Mise en équivalence fonction phénol utilisée dans dosage protéique des liquides bio. (réaction chimique, pas spectrale) Origine : Des hormones Thyroïdiennes De la DihydroxyPhénylalanine (DOPA) → Dopamine Intermédiaire d’autres catécholamines Neuromédiateur des neurones dopaminergiques du SNC / locus niger (touché par Parkinson) Implication réaction émotionnelle, apprentissage et mouvement fins Si déficit → maladie de Parkinson / Traitement par L-DOPA De la mélanine (mélanocytes) par tyrosinase : Mélanine : protection contre les UV Albinisme : cheveux décolorés / yeux très clairs Problèmes dermato / oculaire Hypersensibilité aux UV # Fonction Amide (CO – NH2) Transport sanguin de l’azote Phénomène de N-glycosylation (≠ N glycation) ~ Asparagine (Asn/N) ~ Glutamine (Gln/Q) [c] sanguine la plus importante des 20 AA (Culture Ȼ : milieu de culture enrichi en Gln) A l’origine du glutathion (détoxification / lutte contre les DRO) # Soufré ~ Cystéine (Cys/C) Fonction Thiol : pont disulfure / liaison covalente Au sein d’une même chaîne ou entre chaînes (SH + SH = S – S) Cys – Cys = Cystine dans glutathion Implication dans réaction d’oxydo-réduction 3) A.A. Polaires Chargés # A.A. Dicarboxyliques : caractère acide net / Chargé négativement (COO-) ~ Acide Aspartique / Aspartate (Asp/D) A.A. le plus acide des 20 ~ Acide Glutamique / Glutamate (Glu/E) Origine γ-carboxy-Glutamate (coagulation) Coagulation anormalement élevée = Thromboses, embolies # A.A. Basiques : Chargés positivement (NH3+) ~ Histidine (His/H) Noyau Imidazole → imidozalium (NH3+) Site catalytique enzymatique (proton) → Interaction avec substrat chargé Origine de l’histamine ~ Lysine (Lys/K) Butyl-Amine → Butyl-Ammonium (NH3+) Permet synthèse Carnitine (entrée AG dans mitochondrie → β-oxydation) 5-OH lysine : structuration du Collagène ~ Arginine (Arg/R) Guanidine → Guanidium (NH3+) Donneur NO (vasodilatateur / Nobel 1998) 4) A.A. Essentiels / Non Essentiels Dépend des espèces Organisme incapable de les produire à partir de composés intermédiaires → tributaire apport exogène (alimentation ++) 8 Essentiels : → Val, Leu, Ile, Mét, Phe, Trp, Thr, Lys 2 Semi-Essentiels : → His, Arg [grossesse, croissance] D. Réactions liées au Groupe Carboxylique des A.A. 1) Activation des A.A. Incorporation des AA dans protéine : nécessité d’activation → Activation = liaison à ARNt ARNt : adaptateur (bras anticodon avec ARNm + bras AA, terminé par l’AA à incorporer) Liaison entre OH en 3’ de l’ose et COOH de l’AA Formation d’acyl ARNt (amino-acyl ARNt synthétase) AA + ARNt + ATP → AA – ARNt + AMP + PPi (pyrophosphate) 2) Formation de sels R – COOH → RCOO- Cat+ → APARTÉ SUR LES ENZYMES ← Enzyme : Responsable de réaction enzymatique : Substrat Produit Partie de l’enzyme : 3D / Site catalytique (lieu unique) Terminée par -ase mais aussi code : EC : syst numérique de la connaissance des enzymes W : indique la réaction catalysée (1-6) X : indique le substrat général (ou groupe de substrat) impliqué Y : indique le substrat spécifique (grp substrat) ou la coenzyme Z : le numéro de série de l’enzyme Ex : oxydase de glucose EC 1. 1. 3. 4 Notion de cofacteurs : Non protéique Simple : atome ionisé (Zn2+), molécule d’eau Complexe : coenzyme (ex : Vit du groupe B) Cinétique enzymatique : équation Michaelis – Menten K1 K2 Mesure activité enzymatique : unité internationale (UI) / Katal (Kat) K3 3) Décarboxylation Transformation enzymatique visant à enlever un COOH : L – Amino-Décarboxylase Co-Facteur : phosphate de pyridoxal (forme active Vit B6) Hydrosoluble (comme Vit A, D, E, C, K) Need 2 mg / j Histidine → Histamine : par histidine décarboxylase o Neurotransmetteur o Médiateur allergique : mastocytes → vasodilatation capillaire, inflammation Flore bactérienne, intoxicat° alimentaire (poisson cru mal préparé/pourri) o Sécrétion gastrique (+) → récepteurs sur estomac (sécrétion HCl), ulcération o Médicament anti-histaminiques → anti-allergie / anti-ulcéreux (récepteur Histaminique) Synthèse des Catécholamines : Anti RH1 Anti RH2 Enzyme / Cofacteur Tyrosine Adrénaline Tyrosine Hydroxylase BH4 Phényléthanolamine N-Méthyl Transférase BH2 L-DOPA Noradrénaline Décarboxylase des A.A. Aromatiques Phosphate de Pyridoxal Vit C Dopamine Hydroxylase Dopamine Absence Dopamine → maladie de Parkinson (locus niger) 1e et 3e étapes = hydroxylation / 2e étape = décarboxylation Adrénaline : hormone de Stress / réponse rapide Aug glycémie (Glycogénolyse) / stimule lipolyse (TG en AG libérés) Oriente flux sanguin vers organes « nobles » : cœur, cerveau, muscles Aug rythme cardiaque / aug pression artérielle / dilatation bronchique E. Réactions dues au groupement Amine 1) Transamination Nécessité de formation de base de Schiff ! o Réaction entre NH2 d’AA et aldéhyde aromatique (phosphate de pyridoxal) o Passage du phosphate de pyridoxal en phosphate de pyridoxine 2 enzymes importantes en bio Humaine (échanges entre AA et AcCétonique) ~ Alanine Amino-Transférase (ALAT/SGPT) (Cytoplasme) Alanine (AA1) + α-Céto-Glutarate ↔ L-Glutamate (AA2) + Pyruvate ~ Aspartate Amino-Transférase (ASAT/SGOT) (Mitochondries) L-Aspartate (AA1) + α-Céto-Glutarate ↔ L-Glutamate (AA2) + Ac Oxaloacétique Intérêts dosage lors Nécrose Hépatique (hépatite) : Si augmentation ALAT : Atteinte Cytoplasmique Apparition ASAT : Atteinte mitochondriale 2) Désamination 3 enzymes : désaturante / non oxydative / oxydative Production de NH3 / toxicité sauf foie (cycle de l’urée) 3) N-Alkylation / N-Arylation / N-Acylation Substitution par R d’un H du groupement amine : IR → IIR R = groupement aliphatique (alkylation), aromatique (Arylation) Groupement formyl, acétyl ou carbobenzoxyl (Acylation) 4) Condensation avec Ninhydrine 2 molécules de ninhydrine réaction avec : o Amino-acides : couleur pourpre (bleu-violet) → appl. Empreinte digitale o Imino-acides (proline) : couleur jaune Destruction de l’Acide Aminé Intensité de coloration proportionnelle à la concentration d’AA (dosage Beer Lambert) Détection : 1 nano (10-9) mol.L-1 (fluorexamine 1 pico (10-12) mol.L-1)