Chimie Bioorganique: Science Naturelle et Non naturelle* Behzad KARAMI * Bernald Breslow; vol.75 , Journal of Chemical Education, 1998, 6, 750-718. JChemEd.chem.wisc.edu

I. Introduction Biologie et chimie organique Biologie Chimie organique Chimie bioorganique Biologie et chimie organique chimie enzymatique bactériologie biologie humaine

Chimie bioorganique (passage entre chimie organique et biologie) Introduction Chimie bioorganique (passage entre chimie organique et biologie) Chimie bioorganique, science naturelle: arôme de fleur, communication des insectes, vision des animaux, photosynthèse, … Les chimistes travaillent sur : le métabolisme,les informations sur la génétique, catalyse enzymatique, effets et fonctions des hormones, synthèse des protéines

Chimie bioorganique, science non naturelle Introduction Chimie bioorganique, science non naturelle (Transformation des produits naturels pour obtenir des nouveaux produits non naturels)

Introduction

II. Les constituants des cellules sucre Acide amine 1. 1. Unité constituant la cellule Large unité dans les cellules 1. Acide aminé protéine 2. Acide gras Lipides / membranes 3. Nucléotides Acide nucléique Sucre Polysaccharide 4.

Les constituants des cellules

Les protéines II.1. Les protéines

Les peptides - Enchaînement d’acides aminés Les protéines Les peptides - Enchaînement d’acides aminés - Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu - 2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide - 12-20 résidus = oligopeptide - 20-100 résidus = polypeptide - au-delà de 100 = protéine

Les protéines Les protéines - Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules: ils constituent plus de 50% de leur masse sèche. - Les protéines jouent un rôle prédominant dans le fonctionnement cellulaire. - La « brique » de base qui constitue les protéines est l’acide aminé. a Sauf pour la glycine, on distingue pour chaque acide aminé 2 énantiomères (Ca de configuration absolue R ou S).

pH acide pH neutre pH basique Les protéines Les acides aminés sont des composés amphotères, ils peuvent se composer comme un acide (donneur de H+) ou comme une base (accepteur de H+). pH acide pH neutre pH basique H+ H+ H+ H+ cation zwitterion anion K1 K2

Les protéines La structure tertiaire de certaines protéines est stabilisée par la formation de ponts disulfures (-S-S-) qui s’établissent entre 2 cystéines. + + H2

Les protéines

Les protéines

II.1.a: Mécanisme de l’activité enzymatique Les protéines / Enzyme II.1.a: Mécanisme de l’activité enzymatique

Classification « officielle » des enzymes: Les protéines / Enzyme Classification « officielle » des enzymes: - classe 1: oxydo-réductase (échanges d’e- ou de H-) - classe 2: transférase (ajout d’un groupement) - classe 3: hydrolase (coupent par addition d’eau) - classe 4: lyases (coupent avec apparition d’une double liaison ou au contraire ajoutent un groupement à une double liaison - classe 5: isomérases (isomérisent le substrat) - classe 6: ligases ou synthases (lient une autre molécule au substrat. Souvent en liaison avec l’hydrolyse d’ATP, ce qui fournit de l’énergie)

¨ ¨ ¨ ¨ + Glu35 Glu35 E Milieu environnant Asp52 Asp52 Les protéines / Enzyme Glu35 Glu35 E Milieu environnant ¨ ¨ ¨ ¨ Asp52 Asp52 +

Asp215 - Asp215 - Asp215 - Asp215 - Asp32 Asp32 Asp32 Asp32 Les protéines / Enzyme Asp32 Asp215 - Asp32 Asp215 - Asp32 Asp215 - Asp32 Asp215 -

Les protéines / Enzyme Enzyme ribonucléase

Lipides / membranes II.2. Lipides / membranes

Leurs rôles sont nombreux: Lipides Ce sont des molécules insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques (chloroforme, éther …). Leurs rôles sont nombreux: - stockage d’énergie ou de vitamines liposolubles dans les graisses rôle structural dans les membranes biologiques transport de l’information (hormones) vitamines impliquées dans la catalyse de réactions enzymatiques

Les lipides contenant des acides gras: Lipides / membranes Les lipides contenant des acides gras: Ce sont les lipides majoritaires. Comme leur nom l’indique ils sont composés d’acides gras. Les acides gras sont des acides organiques à longue chaîne hydrocarbonée (4 à 24 C) chaîne hydrocarbonée (ou aliphatique) fonction acide déprotonée à pH 7 partie hydrophobe partie hydrophile molécule amphiphile

Si il présente une ou plusieurs double liaisons il est insaturé. Lipides / membranes Les acides gras comportent en général un nombre pair de carbones (le plus souvent 16 ou 18). Si un acide gras ne présente pas de double liaison on dit qu’il est saturé. Si il présente une ou plusieurs double liaisons il est insaturé.

Lipides / membranes Dans les acides gras naturels, la conformation de la double liaison est de type cis. Ceci induit une courbure rigide de la chaîne aliphatique. cis trans

Propriétés physiques des acides gras: micellisation Lipides / membranes Propriétés physiques des acides gras: micellisation Les acides gras sont amphiphiles, ils ont une partie polaire et une partie apolaire. Plus la partie apolaire est longue et moins les acides gras sont solubles dans l’eau. S’ils sont en concentration suffisante, les acides gras vont spontanément s’organiser en micelles. Dans cette structure les parties hydrophobes s’associent entre elles et seules les parties polaires des acides gras sont au contact de l’eau.

micelle monomère Lipides / membranes tête polaire (Hydrophile) queue non polaire (Hydrophobe) monomère micelle

Principe de formation d'une micelle Lipides / membranes Principe de formation d'une micelle (La couleur bleue symbolise l'eau)                                

Lipides / membranes

Propriétés des membranes biologiques: Lipides / membranes Propriétés des membranes biologiques: - Les membranes constituent une barrière sélective qui permet de compartimenter les cellules biologiques. La partie médiane de la membrane étant hydrophobe, elle est imperméable à toutes les molécules hydrophiles (ions, sucres…). Ceci permet le maintien de compositions différentes spécifiques des milieux intracellulaires ou intra organites. - Les membranes biologiques sont fluides. Leur cohésion est assurée par des interactions de faible énergie (principalement hydrophobes). Les molécules qui constituent ces membranes sont donc libres de diffuser et sont en mouvement constant.

Acide nucléique II.3. Acide nucléique Ce sont des molécules que l'on retrouve dans tout le règne animal. Elles portent l'information génétique à partir de laquelle seront synthétisées toutes les protéines de la cellule (stockage d'informations). Les nucléotides sont aussi impliqués dans le stockage de l'énergie et dans le transport d'informations.

Acide nucléique/ ADN

Acide nucléique/ ADN et ARN

Acide nucléique / ADN et ARN ADN naturel est polymérisé par liaisons phosphate et oxygène à C-5 et C-3 ADN non naturel est polymérisé par liaisons phosphate et oxygène à C-5 et C-2

Acide nucléique/ gènes

III. Conclusion Chimie bioorganique et futur mille problèmes sans solution organismes de mer formations de structure chimique mécanisme de mémoire humain et particulièrement effet de synthèse des protéines détermination des gènes par les nucléotides ……… Chimie médicale Cancer, Agent antiviral, Agent antibactérien, Maladies de cœur, Obésité, Défaut génétique, Diabète, Arthroses, Elzeimer,…