Les Molécules du vivant partie II Les molécules Organiques

Biologie fondamentale UE 2.1 - 2010
Les Molécules du vivant partie II
Les molécules Organiques
Caroline Martin-Schmitt & Hervé Puy
Biochimie & Biologie Moléculaire
LES MOLECULES
ORGANIQUES
1/ Le carbone
Toutes les molécules biologiques sont constituées d’un
squelette carboné
Liaison C-C stable (liaison covalente), difficile à rompre
Carbone
Molécules organiques :
4 liaisons
Glucides
Lipides
Acides nucléiques (ADN et ARN)
Acides aminés  protéines
2/ Les glucides
GLUCIDES : ou hydrates de carbone
classe de molécules biologiques,
très hydrophiles (solubles),
comprenant :les OSES et les polymères d’oses
Importance biologique des glucides
• Éléments de soutien (cellulose...)
• Constituants de molécules indisp. (ac. nucléiques...)
• Rôle énergétique et de réserve (glycogène, amidon)
Rôle +++ du glucose chez l’homme :
- principal carburant des tissus (cerveau+++, GR+)
- tous les glucides alimentaires sont transformés en
glucose
- tous les glucides sont synthétisés à partir du glucose
Représentation des oses selon FISCHER
CHO
CHO
H-C-OH
H-C-OH
HO-C-H
H-C-OH
H-C-OH
CH2OH
D- Glucose
HO-C-H
CH2OH
C
O
HO-C-H
HO-C-H
H-C-OH
H-C-OH
CH2OH
D- Galactose
H-C-OH
CHO
H-C-OH
H-C-OH
H-C-OH
CH2OH
CH2OH
D- Fructose
HEXOSES
D- Ribose
PENTOSE
Représentation cyclique et rôle des oses
CH2OH
O OH
OH
D-glucose
Sucre réducteur du sang (5 à 6 mM)
Source énergétique de la cellule
Précurseur autres oses, AG et
2,3-bisphosphoglycérate ( BPG )
D-galactose
Constituant du sucre du lait,
des cérébrosides,glycoprotéines
et glycolipides
HO
OH
CH2OH
HO
OH
O OH
OH
HOH2C
O
OH
HO
D-fructose
Constituant du saccharose
Aliment des spermatozoïdes
D-ribose
Constituant des nucléotides
CH2OH
OH
HOH2C
O
OH
OH OH
glucides
a. les éléments de base : oses
b. les macromolécules : polysaccharides
enchainement d’oses
liés par des liaisons
osidiques
Ex. ribose
glucose
CH2OH
O
H
OH
H
OH
H
OH
CH2OH
H
OH O
O
H
OH
H
H
OH
H
OH
- disaccharide
- polysaccharides
30 à >5.000 oses
Exemples de diholosides
CH2OH
O
OH
HO
OH O
O
HOH2C
HO
CH2OH
OH
CH2OH
HO
O
OH
OH
O
Saccharose
CH2OH
O
OH
OH
OH
lactose
Glucose + fructose
Sucre de la bettrave à sucre
(sucre de table)
Glucose + galactose
Sucre du lait
Exemples de polyholosides
Amidon : (D-glucose)n
80% amylopectine
et 20% amylose
Réserve des végétaux
Hydrolysable par les amylases salivaires et pancréatiques
Glycogène: (D-glucose)n
- Réserve des animaux (foie et muscle)
- Glycogène de l’alimentation : hydrolysable au cours de la digestion par les
amylases salivaires et pancréatiques  glucose absorbé par le tube digestif
- Glycogène endogène : en post-prandial, mise en réserve du glucose sous
forme de glycogène dans les muscles et le foie.
A distance des repas : mobilisation des réserves de glycogène : hydrolyse
par des enzymes de la glycogénolyse  glucose
Les glucides
le glucose,
un
monosaccharide
(monomère)
le sucrose,
un disaccharide
(glucose-fructose)
L’amidon,
un polysaccharide
(polymère)
3/ Les lipides
DEFINITION
Les lipides sont des esters d’ACIDES GRAS
avec des ALCOOLS Alcool :
Glycérol
Cholestérol (stérol)
Lipides :
Phospholipides
Glycérides
Stérides
Lipides
complexes
Lipides
simples
lipides
1 alcool
2 éléments de base
1 ou plusieurs ac. gras
ex. glycérol
HOOC- (CH2)n- CH3
CH2-OH
l
CHOH
l
CH2-OH
ex. acide palmitique C16
HOOC- (CH2)14- CH3
réunis par une liaison ester
ex. triglycéride
tête polaire
hydrophile
CH2-O-CO
l
CH-O-CO
l
CH2-O-CO
CH3
CH3
CH3
queue apolaire
hydrophobe
Les lipides ont comme principales fonctions d’entreposer
l’énergie, de composer la membrane des cellules et
certaines molécules importantes (ex: hormones)
• Contiennent C, O et H
• Triglycérides: Réserves énergétiques (graisses
animales) 9 kcal/g.
• Phospholipides: Composition des membranes
cellulaires
• Stéroïdes (principal = Cholestérol): Constituants des
membranes cellulaires, de certaines hormones (ex:
hormones sexuelles) et de la vitamine D
les triglycérides
ou
triacylglycérols
Réserves
énergétiques
le phospholipide
Structure
(membrane des cellules)
le cholestérol
Structure
(membrane des cellules
animales seulement)
ROLE BIOLOGIQUE DES LIPIDES
- Structural : les lipides sont les constituants des
membranes plasmiques.
- Énergétique : l’hydrolyse d’1g de lipides libère environ 9 kcal
(plus qu’1g de glucides) Stockage dans le tissu adipeux
sous forme de triglycérides
- Isolant électrique : au cours de la propagation des ondes
de dépolarisation le long des nerfs myélinisés
- fonctionnel : précurseurs de molécules biologiquement
actives (2nd messager, hormones stéroides)
PROPRIETES
- solubles dans les solvants organiques (éther, chloroforme...) - solubilité dans l’eau : faible (phospholipides) à nulle (triglycérides)
Transport dans le sang
micelle
lipoprotéines
LES ACIDES GRAS
Les acides gras sont constitués :
- d’une chaîne hydrocarbonée de 4 à 36 C, saturée (liaisons simples)
ou insaturée (1 ou plusieurs doubles liaisons) qui confère un caractère
hydrophobe
- d’une fonction acide carboxylique (COOH) qui confère à la molécule
un caractère acide et polaire
Chaîne hydrocarbonée
hydrophobe
Tête polaire
hydrophile
LES ACIDES GRAS
Exemples d’acides gras saturés :
- Acide butyrique : 4C
- Acide palmitique : 16C
- Acide stéarique : 18C
Exemples d’acides gras insaturés :
-
Acide oléique* : 18C:1∆
Acide linoléique* : 18C:2∆
Acide arachidonique : 20C:4∆
Acide linolénique* : 18:3∆
*Acides gras indispensables (pas de synthèse endogène donc apport par
l’alimentation)
LES LIPIDES SIMPLES
= Alcool + Acides gras
Si Alcool = Glycérol
Si Alcool = Stérol
Cholestérol
Lipides = Glycérides
Lipides = Stérides
Les triglycérides (3 acides gras) Forme de réserve des acides gras dans l'organisme (dans le tissu adipeux) Exemples de structures
CH2-O-CO-C17H 35
CH2-O-CO-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CH3
|
|
CH-O-CO-C17H35
CH-O-CO-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CH3
|
|
CH2-O-CO-C17H35
CH2O-CO-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-CH3
LES STERIDES
= stérol + acides gras
Estérification par un acide gras de la fonction alcool du cholestérol
Ac Gras +
R-CO
de cholestérol
EsterEster
de cholestérol
LES LIPIDES COMPLEXES
Les phospholipides
Alcool
= Glycérol
Structure commune = Acide phosphatidique
R 1 — CO — O — CH 2
|
R 2 — CO — O — CH
O
|
||
CH 2 — O — P — O —
|¯
O
X = Sérine
NH 3+
HO-CH 2 -CH-COO
X
Phosphatidylsérine
Phosphatidyléthanolamine = Céphaline
HO-CH 2 -CH 2 - NH +3
X = Choline
Phosphatidylcholine = Lécithine ( surfactant )
HO-CH 2 -CH 2 - N + -(CH 3 ) 3
X = Inositol
Phosphatidylinositol
HO
OH
OH
OH
OH
Base azotée
Inositol
-
X = Ethanolamine
X
OH
4/ Les protéines
DÉFINITION DES ACIDES AMINÉS
Molécules organiques associant une fonction acide et une fonction amine
H
H3N
+
Cα
COO
-
R
>300 AA, à l’état libre ou combinés les uns aux autres par liaison covalente
spécifique (la liaison peptidique) ⇒ les protéines
(Grec « protos » premier, de première importance)
Rôle des acides aminés
structural : monomères formant la structure primaire des protéines. Leur
enchaînement linéaire est impliqué dans la structure tridimensionnelle et la
fonction des protéines.
métabolique :
- par leur fonction amine, les AA sont les éléments de base du métabolisme
azoté (transport et élimination)
- précurseurs de molécules d’intérêt biologique majeur (hormones,
neurotransmetteurs, acides nucléiques …)
+
H3N
CH
-
COO
CH2
+
H3N
CH2
CH2
OH
OH
Tyrosine
OH
Dopamine (neuromédiateur)
énergétique :
- ce sont des substrats énergétiques (comme le glucose ou les acides gras) :
car 1/ leur catabolisme alimente le cycle de Krebs
2/ certains sont des substrats de la néoglucogenèse (AA glucoformateurs :
Ala, Gly, Ser, Cys…)
- mais couvrent < 15% de la production énergétique totale
fonctionnel : certains, à l’état libre, ont une activité biologique propre
ex : acide γ-aminobutyrique G.A.B.A
H3N
+
CH2
CH2
CH2
-
COO
Les 20 acides aminés constitutifs des protéines
1°) AA à chaînes latérales apolaires (9)
Glycine
Gly
G
Alanine
Ala
A
Valine
Val
V
Cα
Cα
Cα
Cα
Cα
H
CH3
CH
CH2
CH
CH3
Leucine
Leu
L
CH3
Méthionine
Met
M
Proline
Pro
P
Cα
(CH2)2
S
CH3
COOH2N
+
CH
CH3
CH
CH3
Isoleucine
Ile
I
CH2
CH3
CH3
Phénylalanine
Phe
F
Tryptophane
Trp
W
Cα
Cα
CH2
CH2
HN
2°) AA à chaînes latérales polaires non ionisables (6)
Sérine
Ser
S
Thréonine
Thr
T
Cα
Cα
CH2
CH
OH
OH
CH3
Cystéine
Cys
C
Tyrosine
Tyr
Y
Glutamine
Gln
Q
Asparagine
Asn
N
Cα
Cα
Cα
Cα
CH2
CH2
CH2
CH2
SH
O
OH
C
NH2
CH2
C
O
NH2
3°) AA à chaînes latérales polaires ionisables
a/ AA à chaînes latérales chargées positivement au pH physiologique
AA à chaîne latérale basique (3)
Histidine
His
H
Lysine
Lys
K
Cα
Cα
CH2
HN+
Arginine
Arg
R
NH
Cα
(CH2)4
(CH2)3
+
NH
NH3
C
NH2 NH2
+
b/ AA à chaînes latérales chargées négativement au pH physiologique
AA à chaîne latérale acide (2)
aspartate
Asp
D
glutamate
Glu
E
Cα
Cα
CH2
CH2
COO-
CH2
COO-
Besoins en acides aminés chez l’homme
Aptitude à synthétiser les AA n’est pas identique chez tous les organismes :
- la plupart des bactéries et des plantes peuvent synthétiser les 20 AA,
- mammifères : environ la moitié des AA sont synthétisés
AA indispensables : synthèse impossible, source dans alimentation
AA non indispensables : synthèse endogène
Indispensables dans
l’alimentation
Non indispensables dans
l’alimentation
Arginine*
Histidine*
Leucine
Thréonine
Lysine
Tryptophane
Phénylalanine
Valine
Méthionine
Isoleucine
Acide aspartique
Asparagine
Acide glutamique
Glutamine
Alanine
Cystéine
Tyrosine
Glycine
Proline
Sérine
* AA «semi-indispensables chez l’enfant» : peuvent être synthétisés chez l’adulte mais
sont synthétisés à un taux insuffisant chez l’enfant (en particulier pour sa croissance)
Protéines
a. les éléments de base : acides aminés (aa)
b. les macromolécules : les protéines
enchainement d ’aa liés
par des liaisons
peptidiques
20 R différents
= 20 aa différents
R1
l
CH
H 2N
R2
l
CH
COOH HN
COOH
Sens conventionnel
N
C
Dipeptide
- peptide -> 10 aa
- polypeptide = protéine
= structure primaire
Les
PROTÉINES
sont des polymères
d’acides aminés
Change d’un a.a.
à l’autre
Amine
Acide
Diversité de fonctions des protéines
- Structure (Collagène, kératine …)
- Contraction (Myosine, Actine)
- Transport (Albumine, Hb …)
- Immunité (Immunoglobulines, cytokines …)
- Enzyme (quasiment toutes !)
- Hormones et neuromédiateurs
- Transduction du signal (Récepteurs, Protéines G …)
- Régulation de l’expression des gènes (Facteurs Transcriptionnels)
ENZYMES



Les enzymes sont des protéines qui catalysent
(accélèrent) un grand nombre de réactions
Il existe plus de 2000 enzymes
Elles sont spécifiques d'une réaction (6 grandes classes):
oxydase et réductase (E.C.1)
transférases (E.C.2)
hydrolases (E.C.3)
lyases (E.C.4)
isomérases (E.C.5)
ligases ou synthétases (E.C.6)

Elles sont spécifiques d'un substrat :
ex : Lipase coupe des lipides
Le site actif de l'enzyme est en effet reconnu
seulement par le substrat (clef/serrure)


Comme toute protéine, les enzymes sont codées par
des gènes
Une mutation dans un gène codant une enzyme
 maladies métaboliques héréditaires
par dysfonction ou défaut de synthèse de l’enzyme
Ex. : phénylcétonurie et phénylalanine hydroxylase
galactosémie et galactose transférase
• Elle favorise la réaction dans un sens donné
Enzyme + Substrat → ES → Enzyme + Produit
• Elle agit sur la réaction sans être transformée dans des
conditions de température et de pH précises
• La vitesse de réaction augmente quand on augmente la
quantité de substrat jusqu'à une valeur maximale qui
correspond à la saturation de l'enzyme
COENZYME

La plupart des enzymes sont constituées de deux
éléments :
– une apoenzyme, de nature proteique
impliquée dans la reconnaissance du
substrat et sa liaison,
– un coenzyme, molécule organique de petite
taille de nature non protéique.
Ex. : Mg2+, Fe2+, NAD+, Phosphate de pyridoxal


La combinaison du coenzyme et de l'apoenzyme
forme l'enzyme complète
Il existe une vingtaine de coenzymes, pour plus de
deux mille enzymes
5/ Les acides nucléiques
Acide
phosphorique
Oses
Bases azotées
6
puriques
5’
HOCH2
O
1’
2’
3’
P
8
O
N
HN
OH
H2N
NH
N
Adénine
(2-amino-6-oxypurine)
3
pyrimidiques
5’
O
NH2
1’
3’
OH
O
NH
Cytosine
(2-oxy-4-amino
pyrimidine)
O
5
N
O
N
1
CH3
HN
N
2’
β-D-2’-désoxyribofuranose
4
2
OH
4’
NH
N
Guanine
(6-aminopurine)
HOCH2
NH
9
N 4
3
N
N
OH
OH
N7
5
NH2
β-D-ribofuranose
OH
O
2
OH
4’
OH
1N
NH
Thymine
(2,4-dioxy-5-méthyl
pyrimidine)
6
O
HN
O
NH
Uracile
(2,4-dioxy
pyrimidine)
Nucléosides
N
N
N
HOCH2
NH2
O
NH2
N
N
HN
H2N
9
HOCH2
O
N
N
O
N
O
9
liaison N-β osidique
1’
1’
Adénosine = A
HOCH2
N 1
O
HOCH2
O
N1
O
HOCH2
O
1’
Uridine = U
désoxythymidine = dT
O
Nucléotides
NH2
liaisons anhydride
liaison ester
d’acide
O
O
O-P
O-P
O
O
N1
O
1’
Cytidine = C
CH3
HN
HN
1’
Guanosine = G
O
O
O
N
N
O - P O CH2
O
liaison ester
O
O-P
N
CH3
HN
N
O
Adénosine 5’-monophosphate = AMP
O
liaison
phosphodiester
O
N
O
5‘
CH2
Adénine
O
P
O
Adénosine 5’-triphosphate = ATP
O
désoxythymidine 5’-monophosphate = dTMP
O
Adénosine 5’-diphosphate = ADP
5’
O CH2
3’
O
Adénosine 3’-5’ monophosphate cyclique = AMPc
Structure d’un nucléotide
• Codent l’information génétique
• Composés de nucléotides d’ADN et d’ARN (Adénine, Cytosine,
Thymine, Guanine, Uracile (ARN seulement))
• Constituants de l’ATP (adénosine triphosphate), AMPc, …
b. les macromolécules : acides nucléiques
5’
P - P - P - O - CH2
5’
3’
enchainement de nt liés
par des liaisons
phosphodiesters
2’
H
Sens
conventionnel
B1
O
O
l
HO - P = O
l
O
CH2
H
3’
OH
B2
O
2’
= structure primaire
(dans l’ADN)
Les gènes contenus dans une double hélice d’ADN sont
en fait une séquence bien précise de nucléotides (~3,1
milliards/cellule)
Les nucléotide de la double hélice d’ADN
sont toujours appariés de manière bien
précise selon leur base azotée:
ADN: A-T
C-G
Désoxyribose (D)
Phosphate (P)
Petit sillon
pas de l’hélice
Paires de
bases
Grand sillon
Double hélice d’ADN
ifférents états de
compaction de l’ADN
Chromosome
en métaphase
Chromosome
condensé étiré
∅ 300 nm
Fibre de chromatine
= nucléosomes tassés
∅30 nm
HETEROCHROMATINE
Chromatine DENSE

Transcription
Fibre de chromatine
= Structure en
chapelet
∅10 nm
EUCHROMATINE
Chromatine CLAIRE
Transcription +++
Chromatide
∅ 700 nm
Double hélice d’ADN
∅ 2 nm
Molécules du vivant
Notion d’êtres vivants
Applications médicales
Les interactions moléculaires
Les macromolécules informationnelles expriment
leur activité en interagissant avec d ’autres
molécules
protéine
ligand
Interactions spécifiques = complémentarité stérique
Interactions spécifiques
maintenues par des liaisons non covalentes
- liaisons H
- liaisons électrostatiques
- liaisons hydrophobes
Ligand lié
phénomène saturable
ex. recepteur
v
ex. enzyme
Ligand libre
l’hyperbole tend vers un plateau de saturation
substrat
Interactions spécifiques
souvent la liaison d’un ligand à une macromolécule
modifie sa conformation
ex. récepteur hormonal
membrane
transmission
du signal
du côté
cytoplasmique
ext.
int.
ex. enzymes allostériques :
la fixation du substrat sur l’enzyme change sa conformation ce qui
modifie son activité
régulation de l ’act. enzymatique
Niveau d’organisation et
homéostasie
Les "êtres" du vivant
Information génétique
• Les eucaryotes
ADN
"êtres" du vivant
capacité d ’auto-reproduction
• Les procaryotes
• Les virus
ADN
ADN ou ARN
pas de capacité d ’auto-reproduction
• Les prions
" Information" protéique
• Les eucaryotes
C compartimentalisée :
noyau / cytoplasme
unicellulaires
pluricellulaires
règnes:
animal, végétal, parasites, levures
• Les procaryotes
C non compartimentalisée
unicellulaires
bactéries
multiplication très rapide
souvent vivant en symbiose avec un organisme
supérieur
• Les virus
utilisent une C hôte pour se reproduire
eucaryote
procaryote
bactériophages
• Les prions
" Information" protéique conformationnelle
Les dimensions de la matière vivante
microscopie optique
microscopie électronique
10-10m
aa
glucose
ac gras
petites
molécules
10-9m
protéine
globulaire
10-7m
10-6m
noyau
C
ribosome
10-5m
C
eucaryote
10-4m
1m
grain
de sable
organisme
entier
C
procaryote
Prot. fibrillaire
10-7m
ADN
chimie
10-8m
œil
E.coli
mitochondrie
10-9m
10-3m
biologie cellulaire
biochimie et biologie moléculaire
10-9m
physiologie
Anatomie et physiologie
• Anatomie : Étude de la forme et de la
structure du corps et de ses parties et des
relations qu’elles ont les unes avec les autres
• Physiologie : Étude du fonctionnement du
corps et de ses parties, c’est-à-dire de la façon
dont celles-ci jouent leur rôle et permettent le
maintien de la vie.
Niveaux d’organisation
Fig 1.1
L’homéostasie
Capacité de l’organisme à maintenir une stabilité relative du
milieu interne malgré les fluctuation constantes de
l’environnement
• Exemples de
changements
– Eau
– Nutriments
– pH
– Température
– Etc.
Mécanismes de régulation de
l’homéostasie
• Rétro-inhibition: Met fin ou diminue le stimulus
de départ (la plupart des mécanismes de
régulation)
– Ex: Chauffage et thermostat
• Rétroactivation : Amplifie la stimulation initiale
(mécanismes rares)
– Ex: Coagulation sanguine et accouchement
Rétro-inhibition
insuline
glycogène
Rétroactivation
Les systèmes assurant le maintient de
l’homéostasie
• Système nerveux
– Influx nerveux
– Régulation rapide
– Réactions instantanées
– Active les glandes et les
muscles
– Autres fonctions (mentales)
– Ex: réflexes, mouvements,
réflexion
Les systèmes assurant le maintient de
l’homéostasie
• Système endocrinien
– Sécrétion d’hormones
– Régulation lente
– Réactions lentes et
complexes
– Ex: croissance,
reproduction, utilisation
des nutriments
Glycémie
Fonction rénale
Ionogramme
Enzyme musculaire
Enzymes hépatiques