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Les Molécules du Vivant Dr Maisonneuve. Unité du vivant La seule vie connue est formée de cellules;La seule vie connue est formée de cellules; Toute vie.

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1 Les Molécules du Vivant Dr Maisonneuve

2 Unité du vivant La seule vie connue est formée de cellules;La seule vie connue est formée de cellules; Toute vie connue repose sur lADN;Toute vie connue repose sur lADN; Les cellules se ressemblent dun être vivant à un autre;Les cellules se ressemblent dun être vivant à un autre; –Formées des mêmes atomes; –Formées des mêmes organites; –Mode de fonctionnement semblable dune cellule à lautre. –Transfert possible des fonctionnalités dun organisme à lautre

3 Quelques définitions importantes Molécules :Molécules : 2 ou plusieurs atomes regroupés par une ou des liaisons chimiques MacromoléculesMacromolécules : Un grand nombre datomes regroupés par une ou des liaisons chimiques (grosse molécule). Composé inorganique :Composé inorganique : Matière minérale, qui ne comprend que du carbone sous forme carbonate Composé organique :Composé organique : Composé à base de carbone qui forme les être vivant.

4 Rappels

5 Atome Latome est le constituant élémentaire de la matière, cest le fragment le plus petit qui permet de différencier un élément chimique dun autre.atomematièreélément chimique Un atome est une entité constituée dun noyau et délectrons en mouvement dans le vide autour du noyau.

6 Atome Le noyau de latome est composé de particules appelées nucléons constitués de :particules – protons, chargés positivement, etprotons –de neutrons, électriquement neutres.neutrons Autour du noyau gravitent d'autres particules chargées négativement, les électrons –Les électrons dun atome se déplacent à grande vitesse et à grande distance autour du noyau. –Ils nont pas de trajectoire bien définie. Cest pour cela que lon parle de nuage électronique..

7 Nomenclature Les atomes se différencient par leur nombre d'électrons, de protons et de neutrons Par définition, il est défini par son nombre de protons, un nombre entier correspondant aussi au numéro atomique noté Z. Ce nombre correspond également au nombre délectrons car ces deux valeurs étant toujours égales du fait de la neutralité de latome

8 Atome Les atomes sont représentés par des symboles : En général, la première lettre du nom écrite en majuscule. On rajoute parfois une deuxième lettre écrite en minuscule pour éviter les confusions. On trouve les symboles de tous les atomes dans la classification périodique - –Le symbole du noyau sobtient à partir du symbole de latome correspondant. Exemple : Symbole de latome dhydrogène : H, -

9 Les atomes

10 Valence La valence d'un atome fixe de façon précise le nombre d'atomes auquel cet atome peut se lier... –Si un atome a une valence de 1, il ne pourra se lier qu'à un seul atome. –Si sa valence est de 4, il pourra se lier au maximum avec 4 atomes

11 Isotopes Des atomes sont isotopes si leurs noyaux possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons. LHydrogène a 3 isotopes : H = hydrogène 2 H ou D = deutérium a un neutron 3 H ou T = tritium a deux neutrons Ces isotopes ont les mêmes propriétés chimiques mais se distingue par une masse différente mais surtout une stabilité différente qui confère à certains isotopes un caractère radioactif.

12 Ions Un ion provient dun atome ou dun groupement datomes ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons (plus grande stabilité). – Un anion (ion chargé moins) résulte de la capture dun ou plusieurs électrons. –Cl – : Lion chlorure provient dun atome de chlore ayant gagné 1 électron. On peut dans ce cas écrire – Un cation (ion chargé plus) résulte de la perte dun ou plusieurs électrons. –Na + : Lion sodium provient dun atome de sodium ayant perdu 1 électron. On peut donc écrire dans ce cas :

13 Les liaisons atomiques et moléculaires Les atomes et les molécules qui constituent la matière vivante sont liés entre eux par 5 types de liaisons –covalente, –ionique, –polaire, –de Van der Waals et –hydrophobe

14 La liaison covalente. Ce type de liaison est le plus intense qui puisse exister entre deux atomes. La liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient. Le terme de covalence signifie que la liaison résulte de la mise en commun d'une valence de chaque atome

15 La liaison ionique. La liaison ionique résulte de l'attraction entre une espèce positive (cation) et une espèce négative (anion). La stabilité de la liaison est assurée par l'interaction électrostatique

16 La liaison hydrogène (ou liaison polaire) liaison hydrogène : liaison intermoléculaire, plus faible quune liaison de valence, qui ne sétablit quentre certaines molécules et qui implique toujours un atome dhydrogène ; dans leau, les molécules deau sont " associées " par liaison hydrogène.liaison de valencemoléculesatomehydrogène

17 La liaison de Van der Waals C'est la liaison la plus faible de toute. Dans une liaison covalente, la paire d'électron se déplace. Les deux atomes vont donc porter en alternance et de façon transitoire, une charge positive et une charge négative. Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule) va donc être très faiblement attirée par cette charge transitoire. Cette liaison est très faible, mais dans le cas des macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre élevé d'atomes impliqués) va produire au total une force importante.

18 La liaison hydrophobe (ou liaison apolaire). Cette liaison est en réalité une non liaison, c'est une conséquence de la liaison polaire. Dans un liquide polaire, les molécules vont tenter d'établir le maximum de liaisons entre elles. Si des molécules apolaires sont rajoutées à la solution, leur présence perturbe la formation de ce réseau de liaisons et elle vont en être rejetées. les molécules apolaires se regroupent comme si les molécules apolaires s'attiraient, MAIS ce sont les molécules polaires qui les repoussent. Les molécules uniquement apolaires sont rares dans la nature, ce sont principalement les hydrocarbures. Mais plus fréquemment des molécules mixtes comportant une extrémité polaire et une autre apolaire, ces molécules sont dites amphiphiles

19 Généralités La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques présents à l'état naturel. De ces 25, quatre sont particulièrement importants : –Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques –Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison –Oxygène (O) : peut former 2 liaisons –Azote (N) : peut former 3 liaisons H, O et C sassemblent pour donner les lipides et les glucides C, H+, O et N sassemblent pour donner les acides aminés et donc les protéines, mais aussi les nucléotides et donc lesacides nucléiques support de linformation génétique

20 Les Glucides

21 Les glucides Source dénergie directement utilisée par les cellules;Source dénergie directement utilisée par les cellules; Seule source dénergie utilisable par le cerveau.Seule source dénergie utilisable par le cerveau.

22 Généralités Les glucides –les unités de base sont les sucres simples appelés oses ou monosaccharides ce sont des composés de formule brute Cn(H20)p, – « hydrates de carbone » Ils ont dans la même molécule une fonction réductrice aldéhyde ou cétone et d'au moins une fonction alcool Ils interagissent fortement avec leau

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28 Nomenclature Les monosacccharides –Glucides simples (CH2O)n, n étant compris entre 3 et 5 –Ces monosaccharides peuvent être phosphorylés n= 3 triose (exemple pyruvate) n=5 pentose (exemple ribose et désoxyribose), n=6 hexose (exemple glucose).

29 Monosaccharides: glucose, fructose et galactoseglucose, fructose et galactose

30 Nomenclature Les disaccharides Formés de deux monosaccharides (exemple le saccharose, le lactose, le maltose) Les oligosaccharides Glucides comportant 3 à 15 monosaccharides Les polysaccharides Polymères ramifiés formés dunités osidiques comme le glycogène qui est une forme de stockage du glucose (foie muscle)

31 Maltose : glucose - glucose Lactose : glucose - galactose Le miel est formé d'un mélange d'eau (25%) et de glucides (75%): glucose (25 à 35%), fructose (35 à 45%) et saccharose (5%)

32 Polysaccharides: amidon, glycogène et celluloseamidon, glycogène et cellulose

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34 Rôle des glucides Source dénergie Le glucose est le principal composé nutritif de la cellule Participent à la formation dautres molécules –Associés à des bases azotées cycliques et à des groupements phosphate ils forment les nucléotides qui eux-mêmes conduiront aux acides nucléiques (ADN et ARN)

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37 Rôle des glucides Sassocient à des lipides (glycolipides) et des protéines (glycoprotéines) molécules souvent présentes dans la membrane cellulaire –Molécules responsables de la reconnaissance de soi (complexe majeur d'histocompatibilité) –Molécules dadhérence cellulaire –Molécules circulant dans le sang (ex : facteur de coagulation)

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39 Lipides

40 Définition

41 Les lipides Les trois principaux lipides de lorganisme sont :Les trois principaux lipides de lorganisme sont : 1.Les triglycérides 2.Les stéroïdes 3.Les phospholipides Vitamines A, D, E et KVitamines A, D, E et K Adipocytes

42 Lipides Les molécules biologiques insolubles dans l'eau (hydrophobes) appartiennent à la classe des lipides. Les lipides sont presque tous des esters d'acides aliphatiques à chaînes longues (acides gras) avec différents alcools : glycérol, cholestérol, Les lipides sont les constituants essentiels des membranes biologiques. Par leur imperméabilité ils permettent de limiter les différents compartiments des cellules.

43 Les lipides Les lipides simples composés uniquement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène –Le glycérol –Les acides gras Les lipides complexes sont des lipides simples liés à des molécules de sucre, d'acides aminés ou des radicaux contenant du phosphore ou du soufre. –phospholipides, lécithines, sphingomyéline

44 Lipides simples Les acides gras Longues Chaines hydrocarbonnées avec un groupement carboxylique terminal –CH3 (CH2-CH2)n –COOH –où « n » est habituellement compris entre 14 et 24

45 Lipides On distingue dans leur structure : –Une chaîne hydrophobe –Une fonction acide : hydrophile

46 lipides

47 Propriétés Peu solubles dans leau Solubles dans les solvants organiques et alcool

48 Gras saturés et gras insaturés : On ne peut pas ajouter d'hydrogène. On pourrait ajouter 2 hydrogènes en transformant la liaison double en liaison simple. Plusieurs doubles liaisons.

49 Triglycérides Triglycérides ou tri-acyl-glycérols, sont constitués par 3 acides gras reliés à une molécule de glycérol –(= 98% des lipides) –Lassociation des acides gras avec un groupement énergétique le coenzyme A conduit à la formation dun acyl coA. –Le plus petit acide gras lié à un CoA est lacétyl CoA

50 1. Triglycérides

51 Rôle des lipides Source dénergie 1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide Les lipides sont des composants des membranes biologiques –Les phospholipides –Les glycolipides –Les stéroïdes dont cholestérol, hormones stéroïdes : testostérone et oestrogènes, cortisol, hormones thyroïdiennes, Vitamine D par exemple

52 Lipides complexes Les lipides complexes sont les constituants essentiels des membranes biologiques. Par leur imperméabilité ils permettent de limiter les différents compartiments des cellules.

53 Les phospholipides Les phospholipides 2 acides gras (au lieu de trois)2 acides gras (au lieu de trois) 1 groupement contenant du N et du P1 groupement contenant du N et du P Font partie de la membrane cellulaire.Font partie de la membrane cellulaire.

54 Comportement des phosphoglycérolipides face à l'eau: Groupement phosphate hydrophile Acides gras hydrophobes

55 Acides Aminés et protéines

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58 Acides aminés Généralités –Il existe 20 acides aminés –La chaîne « R » est soit hydrophile soit hydrophobe

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61 Les protéines Les protéines sont des polymères dacides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques (structure primaire)

62 Structure des protéines (1) Structure primaire: ordre des acides aminés le long de la chaîne polypeptidique. (2) Structure secondaire: repliement local des acides aminés en hélices, en feuillets, ou en d'autres formes similaires. (3) Structure tertiaire: agencement stable dans l'espace de ces hélices et feuillets. (4) Structure quaternaire: agencement des sous-unités entre elles, quand la protéine est constituée de plusieurs sous-unités indépendantes (comme l'est par exemple l'hémoglobine).

63 Structure primaire Chaque acide aminé est lié au suivant par un lien peptidique La chaîne polypeptidique n'est pas branchée; elle forme un unique filament étiré –le premier acide aminé de la chaîne : 5=l' extremité N-terminale –Le dernier résidu de la chaîne celui dont le groupement carboxylique reste libre = en 3', ou à l'extrémité C-terminale.

64 Structures II, III, IV

65 Modifications post traductionnelles Les protéines subissent d'abondantes modifications pendant et après leur synthèse Ces modifications peuvent servir... –(a) à la régulation de l'activité des protéines (b) à leur étiquettage pour qu'elles soient reconnues par des partenaires métaboliques ou par des systèmes de dégradation (c) à les ancrer dans une membrane (d) à les faire participer à des cascades de signalisation (e) à leur adressage pour qu'elles se rendent au bon endroit dans la cellule (f) à définir une identité immunologique (comme les groupes sanguins) etc, etc.

66 ADN-ARN

67 GENERALITES

68 Généralités Les molécules biologiques qui contiennent l'information génétique sont les acides nucléiques composés de molécules simples : –l'acide phosphorique (PO4H3) –des oses à 5 carbones (pentoses) –des bases azotées (purines ou pyrimidines).

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70 Phosphate inorganique Le phosphate inorganique est un ion stable formé à partir de l'acide phosphorique P04H3 (Pi) Lacide phosphorique OP OH

71 Désoxy-ribose OH HOH 2 C OH HOH 2 C Ribose les oses à 5 carbones Le ribose est un pentose de la série D (ARN), Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (ADN) est dérivé du ribose (plus stable)

72 Bases Azotées Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux classes de molécules selon leur noyau aromatique le squelette) Le noyau aromatique pyrimidine est le plus simple : –6 atomes, –4 carbones –2 azotes

73 Le noyau purine est constitué de deux noyaux hétérocycliques accolés, – six atomes – et cinq atomes

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75 Uracile

76 Bases puriques Si le noyau est une purine Les bases puriques sont au nombre de 2 : –l'adénine –la guanine.

77 Bases pyrimidiques Si le noyau est une pyrimidine Les bases pyrimidiques sont au nombre de 3 : la cytosine, l'uracile et la thymine. –4 carbones et 2 azotes.

78 Bases Azotées Les bases azotées sont conventionnellement désignées par une initiale : –l'adénine par A –la guanine par G –…. La liaison d'une base azotée avec un des sucres donne un nucléoside.

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81 NUCLÉOTIDE = ose + base azotée + acide phosphorique La liaison d'une base azotée avec un des sucres donne un nucléoside Chaque nucléoside peut être lié à un, deux ou trois phosphates Il forme alors un nucléotide (ATP, ADP, Liaison 3OH-5P 5 3

82 Un nucléotide est constitué –d'une base purique (Adénine (A),Guanine (G) –ou pyrimidique (Thym ine (T),Cytosine (C), –et d'un pentose (désoxyribose) estérifié par un phosphate

83 NUCLÉOTIDE = ose + base azotée + acide phosphorique Base azotée Sucre Groupement phosphate

84 LES Acides Nucléiques Les acides nucléiques sont formés par une polycondensation de nucléotides

85 Structure de lADN

86 L'ADN est une macromolécule très longue, constituée d'un grand nombre de désoxyribonucléotides. Les bases puriques et pyrimidiques recèlent l'information génétique les groupes phosphates jouent un rôle structural. L'ADN est un polymère linéaire composé de monomères appelés nucléotides. Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours : A=T et G=C

87 ADN : structure Hypothèse de Crick et Watson : A peut s'apparier avec T et C avec G: A avec T : deux liaisons hydrogène C avec G : trois liaisons hydrogène

88 Liaison Hydrogène Une liaison hydrogène est une liaison de faible énergie entre deux atomes attirés l'un vers l'autre pour des raisons électrostatiques –l'un étant riche en électrons donc nucléophile –l'autre n'ayant que les protons de son noyau donc électrophile.

89 Liaison Hydrogène

90 Les molécules dADN sont formées de deux chaînes dont les nucléotides sont hybridés deux à deux sur toute la longueur Les deux chaînes sont antiparallèles –5-3 –3-5

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92 Les deux brins sont enroulés et forment une double hélice Les bases azotées sont tournées vers l'intérieur de la double hélice de façon à ce que chacune s'hybride avec une base de l'autre brin (A avec T, C avec G, etc..). On dit que les bases successives de chacun des brins sont complémentaires. La double hélice a un « pas » de 3,4 nm c'est à dire qu'il y a environ 10 paires de nucléotides pour chaque tour d'hélice.

93 Une vue perspective de la double hélice montre bien comment les bases azotées sont parallèles entre elles, leurs noyaux empilés comme des assiettes au centre de la double hélice.

94 Enroulement LADN a besoin d'être protégé par des protéines lorsqu'il n'est pas utilisé comme modèle pour l'expression des gènes ou la réplication. = nucléosome La structure évoque un « collier de perles ».

95 Le DNA qui entoure chaque nucléosome et le relie en « collier de perles » aux nucléosomes suivants forme la chromatine

96 ARN

97 Acide Ribonucléique Pour former un acide ribonucléique les nucléotides (GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns sur les autres avec des liaisons phosphodiester entre le carbone 3' d'un premier nucléotide et le carbone 5' du nucléotide suivant.

98 Selon leurs fonctions, on distingue plusieurs espèces d'acides ribonucléiques : –rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe à la structure des ribosomes; –tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteurs des acides aminés activés pour la traduction; –mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la transcription d'un gène qui porte l'information à traduire;

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100 LARN diffère de lADN par plusieurs caractères 1) il est plus court (70 à nucléotides). 2) le squelette de pentoses et de phosphates contient du ribose à la place du désoxyribose. 3) parmi les bases azotées l'uracile (U) remplace la thymine (T). 4) Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte distance par leurs bases complémentaires selon un ajustement au hasard (épingles à cheveux).


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