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B21 – Biochimie structurale L1 Bio 2010/2011
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Rappel Biomolécules :
Ce ne sont pas des structures vivantes mais ce sont des éléments constitutifs de la
matière vivante. Les organismes vivants sont composés d‟un grand nombre de molécules plus
ou moins complexe. Exemple : l‟hydrogène, l‟eau, le carbone, le glucose, la cellulose.
La biochimie consiste à décrire et à comprendre la composition moléculaire des
éléments. Ils ne sont pas répartis de façon égale dans la matière vivante.
Les éléments principaux (majeurs) constituent plus de 99% des organismes. Ils
participent à la constitution des organismes vivants. Les oligoéléments sont présents en très
faible quantité-traces. Ils ont un rôle essentiellement catalytique.
Les éléments principaux : H, Na, K, Ca, C, N, O, F, S, Cl.
Comparaison entre la croûte terrestre (matière inerte) et le corps humain (matière
vivante) :
- Corps humain : H, O, C, N, Ca, P, Cl, K (H et O à plus de 80%)
- Croûte terrestre : O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg (O et Si supérieur, le reste sont des
éléments minéraux)
Molécules d‟intérêt biologique : glucide, lipide, protéine et acide nucléique. L‟interaction
entre protéine et ADN dans les cellules donne lieu à la réplication.
Ordre de grandeur : Les molécules sont de l‟ordre du nm, elles se condensent pour former
la cellule qui est de l‟ordre du µm, qui elles même se condensent pour former les organes qui
sont de l‟ordre du cm, qui eux même vont former l‟organisme vivant.
Comparaison entre cellules procaryotes et cellules eucaryotes : Les cellules procaryotes
sont de l‟ordre de 2µm et les cellules eucaryotes de l‟ordre de 10 à 100µm.
Dimension des molécules biologiques : Les atomes sont de l‟ordre de l‟angström.
Atome < glucide < hémoglobine < ribosome < bactérie < globule rouge.
Constituant moléculaire de la bactérie d‟E. coli :
- Eau : 70%
- Protéine : 15%
- Acide nucléique :
o ADN : 1%
o ARN : 6%
- Sucre : 3%
- Lipide : 2%
- Molécules intermédiaires : 2%
- Molécules inorganiques : 1%
On peut donc en conclure sur le fait que l‟élément principal constituant les être vivant est
l‟eau.

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Chapitre 1 : Propriété de l‟eau
La vie est apparue dans l‟eau et les cellules sont parfaitement adaptées à la vie dans
l‟eau. Un apport insuffisant en eau entraine une déshydratation et la mort des cellules. L‟eau
représente 70% de la matière vivante.
L‟eau est un excellent solvant des biomolécules. La formation de nombreuses liaisons
hydrogènes permet de solubiliser beaucoup de biomolécules polaires. Les liaisons hydrogènes
jouent un rôle important en biochimie.
L‟eau s‟ionise en libérant un proton H+ et un ion OH-. Cela crée donc un gradient de
pH et il faut savoir que l‟ionisation des biomolécules est importante pour leur fonction.
I. Propriété particulière de l‟eau
Etats de l‟eau : liquide, solide, gazeux. Le point de fusion ou la température de fusion
d‟un corps représente la température à une pression donnée, à laquelle un élément pur ou un
composé chimique passe de l‟état solide à l‟état liquide. Le point de congélation est la
transition inverse.
L‟eau diffère des alcools par un point de fusion, un point d‟ébullition et une enthalpie
de vaporisation plus élevé que les valeurs attendues. La glace fond à 0°C et non à -90°C.
(voir graphique)
Sur la base de ce raisonnement on s‟attendrait à avoir une température de fusion de -
90°C et d‟ébullition de -50°C.
L‟eau a donc un point de fusion et d‟ébullition anormalement plus élevé pour une
substance ni métallique ni ionisé ayant cette masse molaire.
Ces propriétés suggèrent que les forces d‟attractions entre les molécules d‟eau doivent
être élevées. De plus la cohésion interne entre ses molécules doit être forte. Ces différences de
prédictions sont liées à la structure même des molécules d‟eau.
La molécule d‟eau forme un tétraèdre. L‟angle entre les liaisons est de 104,5°. Deux
sommets sont occupés par un hydrogène et les deux autres par une orbitale à deux électrons.
(voir schéma)
Moment dipolaire :
(voir schéma)
Les deux atomes d‟hydrogènes sont liés à l‟oxygène de façon covalente. Chaque
hydrogène va partager une paire d‟électron avec l‟oxygène et ceci crée une courbure de la
molécule. Si la structure de la molécule d‟eau était linéaire, l‟eau serait une substance
apolaire.
Dans la configuration courbe, l‟oxygène électronégatif et les deux atomes
d‟hydrogènes forment un dipôle qui rend la molécule très polaire. La structure dipolaire est
idéalement adaptée par la formation des liaisons hydrogènes.
II. Formation des liaisons (ponts)
(voir schéma)
Interaction de type électrostatique entre l‟oxygène et l‟hydrogène de deux molécules
différentes. L‟énergie à fournir pour rompre ses liaisons est de 4kcal/mole (pour une liaison
covalent elle est de 110kcal/mole). C‟est donc une liaison de faible énergie.

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L‟eau peut servir à la fois de donneur et d‟accepteur de proton H+. Les liaisons
hydrogènes sont à l‟origine de la forte attraction intermoléculaire dans l‟eau.
Potentiellement, une molécule d‟eau peut faire des liaisons hydrogène avec quatre
molécules environnantes : C‟est cette capacité à faire des liaisons hydrogènes qui donnent à
l‟eau ses propriétés particulières comme le point d‟ébullition, le point de fusion, la chaleur de
vaporisation et la tension superficielle aussi élevé.
2.1. Aux différents états
A l‟état de vapeur : Distance très grande entre les molécules et donc il n‟y a pas
vraiment de liaison hydrogène.
A l‟état liquide : Le nombre de liaison hydrogène est d‟environs 3,4 par molécules en
moyenne. La structure n‟est pas figée, les liaisons se rompent er se reforment en permanence.
La durée de vie d‟une liaison hydrogène est de 10-8 à 10-12 s.
A l‟état solide : Chaque molécule forme quatre liaisons hydrogènes. Toutes les
liaisons vont être parfaitement orientées d‟où la formation d‟un cristal. Les liaisons
hydrogènes ont une durée de vie beaucoup plus longue qu‟à l‟état liquide, soit 1000 fois plus.
La structure est moins compact d‟où une masse volumique plus faible.
C‟est la présence des charges partielles de l‟eau qui permet la formation de liaison hydrogène.
2.2. Liaison de faible énergie
2.2.1. Liaisons de Van der Waals
Elle résulte d‟interactions entre toutes les molécules neutres par suite à l‟existence
d‟un caractère polaire permanent induit ou instantanée. Le nuage électronique n‟est pas figé, il
va fluctuer entre le noyau chargé positif et les électrons d‟atomes voisins.
(voir schéma)
La force de ce type d‟interaction dépend de la taille des molécules et de la distance qui
les sépare. Plus la distance est grande plus l‟énergie est faible.
La taille va également déterminer la zone de contact entre les molécules. Plus la taille
de la molécule est grande plus l‟énergie d‟interaction est importante.
La force d‟attraction est inversement proportionnelle à la distance qui sépare les deux
éléments.
2.2.2. Liaison hydrogène
Cas particulier dites de Van der Waals. Lorsqu‟un atome électronégatif (O, N, etc.) est
lié à un atome d‟hydrogène, il attire alors les électrons de la liaison covalente. L‟hydrogène
porte alors une charge partielle positive et N/O une charge partielle négative. Un autre atome
porteur de doublet électronique libre (porteur d‟une charge partielle négative) peut alors
interagir avec l‟hydrogène.
(voir schéma)
2.2.3. Interaction hydrophobes
Due à l‟exclusion des molécules non polaires par les molécules d‟eau. Les molécules
non polaires se rassemblent par coalescence pour former une phase organique distincte de la
phase aqueuse. Exemple : les gouttelettes d‟huile.
(voir schéma)

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2.2.4. Liaison ionique
Résultent des forces d‟attractions entre deux fonctions polaires dont les charges
électriques sont opposées. Les deux atomes ayant des forces d‟attractions très inégales sur les
électrons périphériques que l‟atome le plus électronégatif va arracher un électron à l‟autre
atome.
Formation d‟un atome Cl- et d‟un cation Na+. Composés ioniques portent le nom de sel
ou de ponts salins.
(voir schéma)
2.2.5. Liaisons chimiques et leurs énergies relatives
(voir tableau)
2.3. solubilisation
La nature extrêmement polaire de l‟eau fait qu‟elle est un excellent solvant des substances
ionisables (les sels) mais aussi des substances non ionisables mais polaire (oses alcool amine
aldéhyde)
Les interactions entre les anions et les cations d‟un sel sont fortes mais l‟eau va les dissoudre
rapidement en créant des interactions électrostatiques avec les ions – et + conduisant a la
formation d‟enveloppe d‟hydratation.
Une des propriétés importante de l‟eau sont les formations des liaisons hydrogène. L‟autre est
la solubilisation de l‟eau.
On appelle hydratation des molécules d‟eau avec les ions (enveloppe ou manteau
d‟hydratation). Les interactions mises en jeu sont plus fortes que la tendance à s‟attirer
mutuellement.
La capacité de l‟eau à entourer les ions et à diminuer les attractions entres eux est une mesure
de sa constance diélectrique.
L‟ionisation des sels en solution dépend de la constante diélectrique du solvant.
La valeur de la constante diélectrique D est reliée à la force mesurée entre deux ions de
charges opposées (e1 et e2) séparés par une distance r selon le rapport :
F = e1e2/Dr²
La constante diélectrique de l‟eau est deux fois plus élevée que celle du méthanol et environs
40 fois plus élevé que celle du benzène.
3.2.1. Comportement des molécules biologiques dans un milieu aqueux
La solubilisation des molécules non ionisables va dépendre de leur capacité à s‟insérer dans la
structure tridimensionnelle de l‟eau par formation de liaison H.
Plus une molécule contient de groupements polaires et plus elle sera soluble dans l‟eau.
Les liaisons H vont permettre à l‟eau d‟entourer ces molécules de former une couronne
d‟hydratation.
Les molécules biologiques en solution peuvent se comporter de trois façons différentes :
A. Les molécules polaires ou hydrophiles

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Ces molécules sont essentiellement formées de groupes polaires et sont donc complètement
soluble dans l‟eau.
Principaux groupe polaire rencontrés en biochimie : alcool, carboxyle, amine, amide,
aldéhyde, cétone, ester et éther.
B. molécules apolaires ou hydrophobes
Ces molécules ne comportent pas de groupements polaires.
Elles sont formées de chaine aliphatique ou cycle carbonés.
Elles ont insolubles dans l‟eau mais soluble dans les solvants apolaires.
Exemple : Benzène, Hexane.
C. Molécules amphiphiles ou amphipolaires
Ces molécules comportent un groupement polaire ainsi que des structures apolaires.
Elles pourront être solubles lorsque leur structure tertiaire leur permettra de présenter à
l‟extérieur des groupes polaires.
Des poches internes hydrophobes vont être ainsi inaccessibles à l‟eau (protéine).
Ex : chaines paraffinique (hydrophobe) et groupement carboxylate (hydrophile).
Elles peuvent former des agrégats : micelles.
Elles peuvent former des couches à l‟interface eau/air (comme les bulles de savon).
Elles peuvent s‟organiser en bicouche et former des vésicules dites liposomes (membranes).
3.1. Ionisation
L‟eau a une tendance faible mais réelle à se dissocier.
Cette dissociation est démontrée par la conductivité électrique de l‟eau pure.
Présence d‟espèce chargée : les ions.
L‟eau se dissocie en ions H+ et OH-.
L‟eau s‟ionise car l‟oxygène plus volumineux et fortement électronégatif arrache l‟électron de
l‟un des deux atomes d‟hydrogène, laissant le proton H+ se dissocier.
Deux sortes d‟ions sont formés les protons ou ions hydrogène (H+) ainsi que les ions
hydroxyles (OH-).
Les protons libres s‟hydratent rapidement pour former des ions hydroniums (H3O+).
En solution il y a donc solvatation de l‟ion H+ :
H2O + H+ = H3O+
L‟hydrogène hydraté (H3O+) est l‟espèce active en solution. Cependant, on va souvent parler
de la concentration d‟hydrogènes libres (H+), bien que les protons seuls n‟existent pas
vraiment.
La dissociation de l‟eau se poursuit jusqu‟à ce que 10-7 moles de OH- et 10-7 moles de H+
soient présents à l‟équilibre dans un litre d‟eau à 25°C.
La constante d‟équilibre de ce processus est :
Keq = [H+] [OH-] / [H2O]
[H2O] = 55,5M (soit 1000g.L-1/18g.mol-1)
Keq = 1,8.10-16 M (mesure expérimentale)