Les molécules de la cellule Introduction : composition chimique des cellules Les biomolécules I- les glucides II- Les lipides III- les protéines IV- les acides nucléiques I.1- Les monosaccharides I.2- Les disaccharides I.3- Les polysaccharides I.4- Fonctions des glucides III.1- Les acides aminés III.2- La structure III.3- Fonctions des protéines II.1- Les acide gras II.2- Les glycérides II.3- Les phospholipides II.4- Les stéroïdes IV.1- Les nucléotides IV.2- L’ADN IV.3- L’ARN

Composition chimique des cellules La matière est composée d’éléments = atomes. hydrogène oxygène ion H+ = proton

Composition chimique des cellules 92 éléments connus, 25 sont utilisés dans le vivant, 4 constituent 95% de tout le vivant

Il existe 92 éléments chimiques présents à l'état naturel. Composition chimique des cellules Il existe 92 éléments chimiques présents à l'état naturel. La vie utilise 25 éléments naturels mais 4 représentent 96% de la matière vivante. Carbone (C) Hydrogène (H) Oxygène (O) Azote (N)

Composition chimique des cellules Les atomes peuvent former des liaisons entre eux en mettant en commun des électrons (e-) = molécule Pour former une liaison covalente, chaque atome apporte 1e- Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison (1 e-) H- Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques (4 e-) -C- Azote (N) : peut former 3 liaisons (3 e-) -N- Oxygène (O) : peut former 2 liaisons (2 e-) -O-

Composition chimique des cellules Ex: molécule H2 Liaison de 2 atomes d’Hydrogènes H H H O H2O (eau) 2 atomes d’H + 1 atome d’oxygène H O Les liaisons peuvent être simples, doubles ou triples

Composition chimique des cellules Chaînes carbonées Chaînes linéaires Chaînes ramifiées Cycles

Composition chimique des cellules Groupement ou fonction chimique Les fonctions chimiques à base de C, H et O Alcool Aldéhyde Cétone Acide carboxylique

Composition chimique des cellules Groupement ou fonction chimique Les fonctions chimiques à base de N, P ou S Amine Phosphate Thiol

Composition chimique des cellules Molécules biologiques ou molécules organiques ou biomolécules

Composition chimique des cellules Les molécules biologiques peuvent être classées en 4 grandes familles : Glucides (sucres) Lipides (gras, huiles et stéroïdes) Protéines Acides nucléiques (ADN et ARN)

I- Les glucides Les glucides (sucres) : source d'énergie des cellules. Monosaccharides (sucres simples) Disaccharides (sucres doubles) Polysaccharides (polymères) On les divise en trois classes :

I- Les glucides Squelette carboné constitué de 3 à 7 carbones (C). I.1- Les monosaccharides ou sucres simples Squelette carboné constitué de 3 à 7 carbones (C). Les plus courants ont 5C ou 6C Chaque C porte un groupement -OH (alcool). Sauf celui qui porte le groupe –CH=O aldéhyde ou – C=O cétone Le glucose et le fructose (C6) sont les monosaccharides les plus courants dans la nature

I- Les glucides I.1- Les monosaccharides Les monosaccharides existent sous formes linéaire et cyclique Ex : le glucose

I- Les glucides I.2- Les disaccharides = liaison de 2 monosaccharides Exemples : le saccharose (sucre de table, fréquent chez les végétaux) = glucose + fructose Liaison osidique le lactose (Glucide constituant le lait des mammifères) le tréhalose (fréquent chez les champignons, les bactéries et les insectes)

I- Les glucides I.2- Les disaccharides Saccharose : l'α-D-glucopyranosyl(1→2)β-D-fructofuranoside sucre de table, fréquent chez les végétaux Tréhalose : l'α-D-glucopyranosyl(1→1)α-D-glucopyranoside fréquent chez les champignons, les bactéries et les insectes Lactose : β-D-galactopyranosyl(1→4)-β-D-glucopyranose Glucide constituant le lait des mammifères Maltose : α-D-glucopyranosyl(1→4)D-glucopyranose Provient de l’hydrolyse partielle de l’amidon

I- Les glucides Liaison d’un grand nombre de monosaccharides I.3- Les polysaccharides Liaison d’un grand nombre de monosaccharides Amidon Glycogène Cellulose Stockage du glucose chez les plantes Stockage du glucose chez les animaux Rôle structural chez les plantes

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose = forme de stockage du glucose chez les plantes Présent dans les organes de réserve des plantes. Grain d'amidon Sacs remplis d'amidon dans les cellules de pomme de terre. Cellule de pomme de terre

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose + Amylose + Amylopectine : idem plus branchements 1-6

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose = forme de stockage du glucose chez les plantes Présent dans les organes de réserve des plantes. Abondant dans les féculents. Digestion de l'amidon = transformation de l'amidon en glucose dans l’intestin

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose = forme de stockage du glucose chez les animaux glu + glu + glu +…+glu glycogène foie muscles sang

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose = forme de stockage du glucose chez les animaux Glycogène + nombreux branchements 1-6

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose = principal constituant des végétaux et en particulier de la paroi de leurs cellules. Molécule organique la plus abondante sur Terre Papier, bois, coton = cellulose

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose Chaque cellule végétale est entourée d'une paroi riche en cellulose. Molécule la plus abondante sur terre

I- Les glucides I.3- Les polysaccharides Amidon Glycogène Cellulose Amylose Cellulose Les animaux ne peuvent pas digérer la cellulose car ne peuvent pas briser les liaisons osidiques beta.

I- Les glucides I.4- Fonctions des glucides Plusieurs rôles capitaux dans les cellules : Réserve énergétique : sous forme polymérisée (amidon, glycogène). structural : la cellulose chez les végétaux. Eléments de reconnaissance et de communication entre cellules : les polysaccharides des groupes sanguins (par exemple). Composition de macromolécules biologiques.

II- Les lipides Réserve énergétique la plus importante dans notre organisme. Constituants principaux des membranes biologiques.

II- Les lipides On distingue : Les lipides simples constitués à partir d’acides gras : -triglycérides (graisses et huiles) -phospholipides Les lipides complexes : -stéroïdes

II- Les lipides II.1- Les acides gras Fonction acide = Chaînes carbonées linéaires à nombre pair de carbone avec une fonction acide (-COOH). AG saturés: [CH3 -(CH2)n - COOH] Fonction acide AG insaturés: une (monoinsaturés) ou plusieurs (polyinsaturés) double liaison.

II- Les lipides II.1- Les acides gras Insaturation => flexibilité => fluidité membranaire

II- Les lipides II.1- Les acides gras acides gras insaturés = acides gras essentiels les acides gras insaturés sont souvent désignés par le numéro du carbone de la première double liaison. Acide  9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Acide  6 Acide  3

II- Les lipides II.1- Les acides gras AG saturés: matières grasses d'origine animale, huile de palme. L’excès est mauvais pour la santé (augmentent le risque de maladies cardio-vasculaires) AG insaturés: Monoinsaturés : huile d‘olive et de colza Polyinsaturés : huile de tournesol, arachide, maïs… Les matière

II- Les lipides II.2- Les glycérides = molécules formées de 1 glycérol lié à 1, 2 ou 3 acides gras (triglycéride). Stockage des acides gras sous forme de triglycérides (trois chaînes d’AG liées à 1 glycérol) 3 fonctions alcools

II- Les lipides II.2- Les glycérides

II- Les lipides II.2- Les glycérides Rôle principal des triglycérides: = Réserve d'énergie Les surplus venant de l’alimentation (lipides, glucides ou protéines) peuvent se transformer en gras. Se trouvent dans les graisses animales et dans les huiles végétales.

II- Les lipides II.3- phospholipides Formé de : 1 glycérol 2 acides gras 1 groupement phosphate X Principaux constituants des membranes cellulaires.

II- Les lipides II.3- phospholipides Tête hydrophile (soluble dans l’eau) Queue hydrophobes (Insoluble dans l’eau) Molécule amphiphile : 2 comportements différents face à l’eau Le gras n’est pas soluble dans l’eau.

II- Les lipides II.3- phospholipides Tête hydrophile (soluble dans l’eau) eau Acides gras hydrophobes (Insoluble dans l’eau) eau Capacité des phospholipides à former des membranes = organisation en double couche

II- Les lipides II.3- phospholipides Membrane des cellules = Bicouche lipidique

+ groupements fonctionnels attachés à ce noyau. II- Les lipides II.4- Les stéroïdes = molécules formées d'un squelette de 4 cycles de carbone (noyau stérol). + groupements fonctionnels attachés à ce noyau.

II- Les lipides II.4- Les stéroïdes Entrent dans la composition des membranes cellulaires (cholestérol). Leur rôle le plus important est celui d'hormones dérivées du cholestérol (hormones stéroïdes : testostérone et oestrogènes… ). Nombreuses hormones stéroïdes impliquées dans la reproduction

II- Les lipides II.4- Les stéroïdes Le cholestérol rentre dans la composition des membranes biologiques. Testostérone = hormone mâle.

III- Les protéines Protéines = chaînes d'acides aminés 50% du poids sec de la plupart des cellules. Fonctions très variées Structures très variées Dépendent de leur séquence d’acides aminés

20 types d’acides aminés rentrent dans la composition des protéines. III- Les protéines III.1 les acides aminés 20 types d’acides aminés rentrent dans la composition des protéines. Formule générale d’un acide aminé Groupement variable d’1 AA à l’autre.

III- Les protéines III.1 les acides aminés Les protéines sont des longues chaînes d’AA liés par des liaisons peptidiques. La chaîne d’AA est appelée polypeptide.

III- Les protéines III.1 les acides aminés Exemples d’acides aminés hydrophobes

III- Les protéines III.1 les acides aminés Exemple d’acides aminés hydrophiles (polaires)

III- Les protéines III.1 les acides aminés Acides aminés acides

III- Les protéines III.1 les acides aminés Acides aminés basiques

III- Les protéines III.1 les acides aminés Cas particulier de la cystéine Pont disulfure

III- Les protéines III.1 les acides aminés P N Ile Arg Leu Lys o Phe Cystéine (Cys) P N Ile Arg Leu Lys o H Phe Lys o H o H o Leu Asn Asp I K

III- Les protéines III.1 les acides aminés Conséquences des propriétés des acides aminés Repliement de la protéine Transmembranaire ou soluble dans l’eau Capacité d’interaction avec d’autres molécules Fonction de la protéine

Modifications post-traductionnelles III- Les protéines III.2 structure Modifications post-traductionnelles polypeptide protéine mature

III- Les protéines III.3 Fonctions Les protéines ne sont pas seulement des unités de construction, elles exécutent presque toutes les fonctions cellulaires. 1. Structure (ex : collagène) 2. Mouvement et Transport (ex : cytosquelette) 3. Métabolisme (ex : enzymes) 4. Régulation (ex : facteurs de transcription) 5. Communication (ex : récepteurs) 6. Immunité (ex : anticorps) Multiplicité des fonctions due au grand nombre de structure 3D.

III- Les protéines III.3 Fonctions 1. Protéine structurale = fournit un soutient mécanique aux cellules et tissus. Les protéines peuvent former des structures globulaires, des fibres ou des tubes qui peuvent s'assembler pour former des structures solides. Ex : le cytosquelette

III- Les protéines III.3 Fonctions Collagène : protéine extracellulaire formée de trois polypeptides imbriqués Forme un support pour le maintien et la cohésion des cellules Dans la peau (derme), les tendons, les ligaments, l'armature des os, etc.

III- Les protéines III.3 Fonctions 2. Mouvement et transport 1. Structure 2. Mouvement et transport => génèrent le mouvement dans les cellules et tissus. Ex: L'actine et la myosine dans les cellules musculaires. => transportent des molécules dans le sang L'hémoglobine : transporte l'oxygène L’albumine : transport des lipides

III- Les protéines III.3 Fonctions 3. Métabolisme (ex : enzymes) 1. Structure (ex : collagène) 2. Mouvement et Transport (ex : cytosquelette) 3. Métabolisme (ex : enzymes) 4. Régulation (ex : facteurs de transcription) 5. Communication (ex : récepteurs) 6. Immunité (ex : anticorps) = protéines qui déclenchent ou accélèrent une réaction chimique. Chaque enzyme est spécifique d’une réaction.

III- Les protéines III.3 Fonctions Catalyse enzymatique Sans l’enzyme, la réaction serait très lente, voire impossible à la température physiologique.

III- Les protéines III.3 Fonctions Ex. synthèse et digestion du saccharose ENZYME Y (présente dans notre intestin) Produit Substrats Produit Substrats ENZYME X (présente dans la canne à sucre)

III- Les protéines III.3 Fonctions 1. Structure (ex : collagène) 2. Mouvement et Transport (ex : cytosquelette) 3. Métabolisme (ex : enzymes) 4. Régulation (ex : facteurs de transcription) 5. Communication (ex : récepteurs) 6. Immunité (ex : anticorps)

III- Les protéines III.3 Fonctions 5. communication (ex : les hormones) Hormone = substance sécrétée dans le sang par une glande. Les hormones agissent sur certaines cellules du corps ayant des récepteurs spécifiques (protéines de la membrane). Ex. L'insuline : petite protéine qui contrôle le taux de glucose dans le sang. Beaucoup de substances chimiques traversent la membrane des cellules en passant par des canaux formés par des protéines.

III- Les protéines III.3 Fonctions 6. Immunité 1. Structure 2. Régulation 3. Mouvement 4. Transport 5. Communication 6. Immunité = Défense de l’organisme contre les agressions (infection, virus…) Les anticorps

IV- Les acides nucléiques Stockage et utilisation de l’information génétique. acide désoxyribonucléique (ADN) double brin acide ribonucléique (ARN) simple brin - ARN messagers (ARNm) - ARN ribosomiques (ARNr) - ARN de transfert (ARNt) Tous impliqués dans la traduction

IV- Les acides nucléiques ADN Support de l'hérédité Cellule Noyau Cytoplasme Traduction du code génétique en protéine Ribosome ARNm Exporte l’information génétique hors du noyau

IV- Les acides nucléiques Les acides nucléiques sont constitués d’une suite de nucléotides. Leur séquence linéaire code l’information génétique de la cellule. Composition d’un nucléotide : base azotée groupement phosphate Sucre Un groupe phosphate

IV- Les acides nucléiques IV.1Les nucléotides base azotée groupement phosphate Sucre Un groupe phosphate Désoxyribose (dans l’ADN) Ribose (dans l’ARN) Acide Désoxyribonucléique Acide Ribonucléique

IV- Les acides nucléiques IV.1Les nucléotides base azotée 5 bases azotées rentrent dans la composition des acides nucléique. Les bases sont complémentaires et peuvent s’associer 2 à 2. groupement phosphate Sucre Un groupe phosphate Guanine (G) Adénine (A) Cytosine (C) Thymine (T) (ADN seulement) Uracile (U) (ARN seulement)

Acide DésoxyriboNucléique = polymère de nucléotides IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN Acide DésoxyriboNucléique = polymère de nucléotides Base azotée Adénine Thymine Cytosine et Guanine 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ Les carbones du sucre sont numérotés de 1’ à 5’ Groupement phosphate Sucre : désoxyribose

Acide DésoxyriboNucléique = polymère de nucléotides IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN Acide DésoxyriboNucléique = polymère de nucléotides Base azotée Adénine Thymine Cytosine et Guanine Les carbones du sucre sont numérotés de 1’ à 5’ Groupement phosphate 5’ Sucre : désoxyribose 1’ 4’ 2’ 3’

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN 5’ 3’ Liaison phosphodiester 5’ 3’ 5’ 3’

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN 5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’

5’ 3’ 5’ 3’ 5’ 3’

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN Les nucléotides se lient les uns aux autres : le C 3’du sucre se lie au groupement P d’un autre nucléotide. Un brin d’ADN ou d’ARN a une orientation: extrémité 5’ P extrémité 3’ libre

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN L’ADN double brin est composé de deux brins complémentaires. Les deux brins appariés sont disposés dans des directions opposées : ils sont antiparallèles Extrémité 5’ Extrémité 3’ Extrémité 3’ Extrémité 5’

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN Crick et Watson, 1953 Découverte de la structure de la molécule d'ADN : double hélice

Les molécules de la cellule IV.2 L’ADN L’ADN génomique est composé de 2 chaînes polynucléotidiques (double brin) qui s’enroulent en spirale pour former une double hélice. Guanine (G) Adénine (A) Cytosine (C) Thymine (T)

Les molécules de la cellule IV.2 L’ADN Les bases (ACGT) se retrouvent au centre de l’hélice et s’apparient 2 à 2. Les 2 brins sont complémentaires.

IV- Les acides nucléiques IV.2 L’ADN Le code et la notion de gène. un gène : c’est l’information nécessaire à la synthèse d’une protéine. Elle est codée dans la séquence spécifique des bases. Ex: ACGTTTAACC…. Les molécules d’ADN sont en général très longues et comportent un grand nombre de gènes. Chaque gène occupe un segment particulier de la double hélice. Ici, on voit 40 kb. Le génome de la drosophile mesure à peu près 150 Mb et contient environs 16000 gènes répartis sur 4 paires de chromosomes. Celui de l’homme mesure 3,4 Gb et contient environ 30000 gènes.

Les molécules de la cellule IV.3 L’ARN L’ARN est un polymère similaire à l’ADN mais: Le sucre désoxyribose est remplacé par un ribose La Thymine est remplacée par l’Uracile Généralement simple brin Plus court Moins stable