La chimie du vivant Gilles Bourbonnais / Cégep de Sainte-Foy

Les molécules de la vie p. 28 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

Avec ces 4 éléments on peut former un nombre astronomique de molécules différentes, des plus simples aux plus complexes. Exemples : CH4 (méthane)

Ex. Le méthanol CH3OH groupement hydroxyl

Ex. L'éthanol CH3-CH2OH

Les liaisons peuvent être simples, doubles ou triples Éthane Éthylène Acétylène p. 57

Presque toutes les molécules des êtres vivants sont formées d'atomes de carbones reliés les uns aux autres. Chaînes linéaires Chaînes ramifiées Cycles p. 58

N.B. Les mêmes atomes peuvent former des molécules différentes: CH3-CH2-OH (C2H6O) CH3-O-CH3 (C2H6O aussi) p. 59 = Isomères

Isomère de structure Isomère géométrique Isomère optique p. 59 trans cis trans Isomère optique p. 59

L-Glycéraldéhyde D-Glycéraldéhyde Ces deux molécules (du glycéraldéhyde) ne sont pas équivalentes. On ne peut pas les superposer. Une molécule peut avoir deux formes optiques (l’une l’image de l’autre dans un miroir) SI un de ses carbones est lié à 4 atomes ou groupements différents (ce carbone est alors dit « asymétrique »

L’alanine est un constituant important des protéines. L’alanine retrouvée dans les êtres vivants est toujours de la forme L L’alanine D (fabriquée en laboratoire) a un goût légèrement sucré alors que la L (la forme naturelle) ne goûte rien

La vitamine C naturelle est de la forme L Vitamine C forme L Vitamine C forme D La vitamine C naturelle est de la forme L On ne peut pas assimiler et utiliser la forme D (artificielle)

p. 59 Thalidomide de forme D Thalidomide de forme L La forme L a un effet sédatif (somnifère) et antiémétique (contre la nausée) La forme D a un effet tératogène (inhibe la croissance des membres) Environ 10 000 bébés sont nés avec des membres atrophiés entre 1957 et 1962. Leur mère avait pris de la thalidomide au cours de la grossesse. La thalidomide a été mise en marché en 1957. Elle a été retirée du marché en 1961 après qu’on en ait relié l’usage par des femmes enceintes à de graves malformations congénitales. Depuis 1965, on l’utilise pour traiter la lèpre et certains cancer. Elle aurait aussi des effets bénéfiques chez les sidatiques. Lorsque la molécule est synthétisée en laboratoire, on obtient un mélange des formes D et L. Même si on peut séparer la forme L de la D, dans l’organisme, chacune de ces deux formes peut se transformer en l’autre forme. p. 59

Le carbone permet de construire des molécules variées et complexes Molécule de valium Molécule de cocaïne Le carbone permet de construire des molécules variées et complexes caféine

Chimie des molécules contenant du carbone = chimie organique Matière organique = matière formée de molécules contenant du carbone (sauf CO2 et carbonates) Carbone = le seul atome pouvant se lier à lui-même de nombreuses fois. Permet de construire des molécules : Complexes (peuvent contenir des milliers d'atomes) Variées Ex. On peut imaginer 62,5 millions de molécules différentes de la formule C40H82

Les molécules du vivant Chaque être vivant contient des milliers de molécules différentes. On peut regrouper la plupart de ces molécules en 4 grandes familles: Glucides (sucres ou hydrates de carbone) Lipides (gras, huiles et stéroïdes) Protéines Acides nucléiques

Les glucides p. 67 On divise les glucides en : Monosaccharides (sucres simples) Disaccharides (sucres doubles) Polysaccharides (sucres complexes)

Monosaccharides p. 67 Formule générale = CnH2nOn Ex. le glucose = C6H12O6 La plupart des monosaccharides ont 5 carbones (pentoses) ou 6 carbones (hexoses)

Sucres à 6 carbones (hexoses) Glucose (C6H12O6) Fructose (C6H12O6) Galactose (C6H12O6)

Disaccharides p. 68 Les monosaccharides peuvent se lier deux à deux : Saccharose : glucose + fructose glucose-fructose + H2O = réaction de condensation (ou synthèse par déshydratation) : une molécule d'eau est libérée

Maltose : glucose - glucose Lactose : glucose - galactose Le sucre acheté à l’épicerie, c’est du saccharose extrait de la canne à sucre ou de la betterave à sucre. Le sucre d’érable est également fait de saccharose. Le goût sucré de la plupart des fruits vient surtout du saccharose qu’ils contiennent. Maltose : glucose - glucose Lactose : glucose - galactose

Voyez-vous la différence avec le saccharose ? Un faux glucide que notre organisme ne peut pas utiliser (ni même digérer) : le sucralose Voyez-vous la différence avec le saccharose ? Le sucralose goûte 600 fois plus sucré que le saccharose

Pouvoir sucrant des glucides Saccharose : 100 Fructose : 140 - 170 Glucose : 70 - 80 Galactose : ~ 35 Maltose : ~ 40 Lactose : ~ 20 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%). Le sirop de maïs est un sirop de glucose (extrait de l’amidon) pouvant aussi contenir du fructose.

Polysaccharides = polymères de glucoses (glu-glu-glu-glu….glu) Amidon Glycogène Cellulose

Amidon (p. 68) Glycogène Cellulose = forme sous laquelle les plantes emmagasinent le glucose Abondant dans les féculents (céréales, pommes de terre, légumineuses) Digestion de l'amidon = transformation de l'amidon en glucose dans l’intestin

Formé de deux types de polymères : amylose et amylopectine p. 69 chaîne linéaire chaîne ramifiée

Amylopectine

La fécule est faite de grains d’amidon Petits sacs remplis d'amidon dans les cellules d'une pomme de terre. L'amidon a ici été coloré en bleu par de l'iode. Grain d'amidon Cellule de pomme de terre Voyez-vous comment on peut transformer de l’amidon (farine de maïs, par exemple) en sirop de maïs (sirop de glucose) ? La fécule est faite de grains d’amidon

p. 70 Amidon Glycogène Cellulose Semblable à l'amylopectine = façon de faire de réserves de glucose chez les animaux (dans le foie et les muscles) S'il y a des surplus de glucose dans le sang : glu + glu + glu +…+ glu glycogène Le glycogène s'accumule dans le foie et les muscles S'il y a carence de glucose : glycogène glu + glu + glu +…+glu

Amidon Glycogène Cellulose = chaînes linéaires de glucose Liaisons  (plutôt que ) p. 70

Des liaisons faibles unissent les chaînes de glucose les unes aux autres. Il se forme ainsi des microfibres résistantes (environ 80 molécules de cellulose par microfibre). N.B. La molécule est droite, elle ne forme pas de ramifications comme c’est le cas pour l’amidon. Les microfibres s’unissent pour former des macrofibres qui forment ensuite des fibres de cellulose p. 71

Chaque cellule végétale est entourée d'une paroi riche en cellulose. Papier, bois, coton = cellulose La cellulose est assurément la substance organique la plus abondante sur Terre. Les animaux ne peuvent pas digérer la cellulose : ne peuvent pas briser les liaisons  entre les glucoses. Cellulose = composante importante des fibres alimentaires

Cas particulier de la chitine = polymère de glucoses aminés (glucosamine) (glucoses liés a un groupement NH2) et imprégné de CaCO3 glucosamine p. 71 Forme la carapace extérieure (exosquelette) des Arthropodes (crustacés, insectes, araignées, etc.). Forme aussi la paroi rigide des cellules des Mycètes (champignons).

Structure : cellulose et chitine surtout Énergie Rôle des glucides Structure : cellulose et chitine surtout Énergie Les glucides servent surtout à procurer de l’énergie par respiration cellulaire. Au cours de cette réaction, le glucide est dégradé en gaz carbonique et en eau, ce qui libère de l’énergie utilisable par la cellule. Ex. respiration du glucose 1 glucose + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Énergie p. 164

Les lipides p. 71 Triglycérides (graisses et huiles) Phosphoglycérolipides (ou phospholipides) Stéroïdes

Triglycérides = molécules formées de 1 glycérol lié à 3 acides gras p. 72 = molécules formées de 1 glycérol lié à 3 acides gras groupement acide

Gras saturés et gras insaturés : p. 72 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.

Acide oléique (monoinsaturé) Notez la courbure dans la chaîne d’acide gras causée par la double liaison Acide palmitique (saturé)

Gras saturés : Gras animal en général Solide à la température de la pièce Consommation favorise un taux de cholestérol élevé et donc des problèmes cardio-vasculaires Gras insaturés: Gras végétal en général (beaucoup d'exceptions quand même) Liquide à la température de la pièce

Attention, pas dans Campbell 9 On désigne souvent les acides gras insaturés par le carbone de la première double liaison (en partant du groupement méthyl). Chaque carbone est désigné par la lettre oméga () et le numéro de sa position. 8 7 6 Acide  9 5 4 3 2 1 La plupart des gras insaturés dans la diète nord-américaine sont de type  6. Il serait avantageux selon plusieurs études d'augmenter la quantité d'acide gras  3 dans la diète. On retrouve des acides gras  3 surtout dans les poissons gras d'eau froide (saumon, truite, hareng, maquereau). Acide  6 Acide  3 Attention, pas dans Campbell

Hydrogénation d'une huile insaturée : L’hydrogénation permet de rendre les huiles plus stables (plus résistantes à la dégradation par la lumière ou la chaleur). Elle permet aussi de rendre solide à la température de la pièce certaines huiles (permet de fabriquer de la margarine, par exemple). Attention, erreur dans Campbell p. 72 : le beurre d’arachide commercial n’est pas hydrogéné. On y ajoute seulement un peu d’huile partiellement hydrogénée (très peu, moins de 1% du contenu en gras ) pour empêcher l’huile d’arachide de remonter à la surface.

L’hydrogénation produit des acides gras trans : cis trans Attention, pas dans Campbell Les huiles naturelles insaturées sont toujours de type cis.

Les shortening sont produits à partir d’huiles végétales insaturées (liquides) qui sont solidifiées en transformant de cis à trans les liaisons doubles. Les huiles trans sont souvent solides à température de la pièce (à cause de leurs chaînes rectilignes, comme celles des saturés). Elles sont avantageuses pour l’industrie alimentaire (prolongent la durée de conservation sur les tablettes et améliore la texture de nombreux produits). Elles sont aussi dommageables pour la santé que les gras saturés (plus, même, selon certains).

Rôle principal des triglycérides: = Réserve d'énergie Surplus en lipides, glucides ou protéines alimentaires peuvent se transformer en gras. 1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide Animaux mettent en réserve l'énergie surtout sous forme de gras alors que les plantes le font surtout sous forme d'amidon. Pourquoi ?

Phosphoglycérolipides (ou phospholipides) Formé de : 1 glycérol 2 acides gras 1 groupement phosphate (peut aussi contenir du N) Forment les membranes des cellules

Groupement chimique contenant du P et du N Glycérol Acides gras

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

Les phosphoglycérolipides dans l'eau peuvent s'assembler en une double couche : Mélangés à l’eau, les phospholipides peuvent former de petites sphères : les liposomes

La membrane des cellules est formée d'une double couche de phosphoglycérolipides associés à d'autres molécules.

Stéroïdes p. 74 = molécules formées d'un squelette de 4 cycles de carbone (noyau stérol). Le plus connu = cholestérol (animaux seulement) Entre dans la composition des membranes cellulaires. Sert à fabriquer certaines hormones (hormones stéroïdes, testostérone et oestrogènes, par exemple). le noyau stérol

Il est important d’avoir un taux élevé de HDL par rapport aux LDL. Dans l’organisme, le cholestérol est transporté dans le sang associé à des micelles formées de phospholipides et de protéines. On distingue les LDL (low-density lipoprotein) des HDL (hight-density lipoprotein). Les LDL contiennent moins de protéines que les LDL. p. 966 Le cholestérol fabriqué par le foie ou absorbé par le système digestif se dépose dans les tissus sous forme de LDL. On qualifie, pour cette raison, les LDL de « mauvais cholestérol » puisqu’il est dommageable qu’il s’en accumule trop (problèmes cardio-vasculaires) . Les surplus de cholestérol sont éliminés des tissus (dirigés vers le foi et éliminés par la bile) sous forme de HDL. On qualifie, pour cette raison, les HDL de « bon cholestérol ». Il est important d’avoir un taux élevé de HDL par rapport aux LDL. La consommation d’oméga 3 ferait diminuer le LDL et augmenter le HDL. phospholipides cholestérol Les lipides ne sont pas solubles dans l’eau. Ils le deviennent en s’associant à des phospholipides. Le côté liposoluble des phospholipides est en contact avec le lipide à transporter (le cholestérol ici) et le côté hydrosoluble avec l’eau du sang.

Les protéines 50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines Remplissent de nombreuses fonctions Molécules les plus variées Protéines = polymère (chaîne) d'acides aminés formule générale d’un acide aminé

Il y a 20 sortes différentes d'acides aminés (p. 76) Les 20 acides aminés

Liaison peptidique : synthèse par déshydratation

L’aspartame goûte 180 fois plus sucré que le saccharose Juste en passant, avant de continuer avec les protéines ... L’aspartame ( Nutrasuc® ) est un dipeptide (deux acides aminés liés l’un à l’autre) lié à un méthanol L’aspartame goûte 180 fois plus sucré que le saccharose

1er acide aminé (Lysine) p. 78 Ex. le lysosyme 129 acides aminés 1er acide aminé (Lysine) 129e acide aminé (Leucine) Structure primaire de la protéine = ordre dans lequel sont placés les acides aminés.

La protéine assemblée se replie pour former une structure tridimensionnelle précise:

p. 81 Principales forces responsables du repliement de la chaîne d’acides aminés

Hexokinase Insuline Lysosyme

Pas de conformation régulière Certaines parties de la protéine peuvent adopter une forme régulière = structure secondaire: Feuillet bêta p. 82 Hélice alpha Pas de conformation régulière Forme finale = structure tertiaire

Feuillets bêta Hélices alpha Acétylcholinestérase

Feuillets bêta en jaune Hélices alpha en violet Dans la cellule, d’autres protéines, les chaperonines, favorisent le bon repliement des protéines synthétisées. Lire p. 82

Hémoglobine : 2 chaînes alpha et 2 chaînes bêta Beaucoup de protéines sont formées de plusieurs chaînes d'acides aminés qui s'imbriquent les unes dans les autres = structure quaternaire 2 chaînes  Ex. Hémoglobine : 2 chaînes alpha et 2 chaînes bêta 2 chaînes  Voir aussi le collagène p. 81

Principales fonctions des protéines 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport de molécules 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueurs cellulaires 8. Récepteurs d’hormones 9. Métabolisme (les enzymes)

1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme Les protéines peuvent former des fibres ou des tubes qui peuvent s'assembler pour former des structures solides.

Collagène : formé de trois chaînes d'acides aminés imbriquées

Collagène = protéine la plus abondante de l'organisme. Collagène forme la peau (derme), les tendons, les ligaments, l'armature des os, etc.

Kératine : forme les ongles, la couche cornée de la peau, les plumes, les écailles, les sabots, etc.

La portion supérieure de l’épiderme de la peau est formée de cellules mortes remplies de kératine (ces cellules ressemblent à de petites écailles de kératine)

Utilisation ingénieuse des fibres de protéines La soie d’araignée est formée de protéines (la fibroïne) repliées pour former des feuillets bêta. Ces feuillets sont séparés par des zones sans structure secondaire qui confèrent de l’élasticité à la fibre.

La plupart des hormones sont des protéines 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme La plupart des hormones sont des protéines Ex. L'insuline : 2 chaînes pour un total de 51 ac. Aminés La vasopressine : 1 chaîne courte de 9 ac. aminés N.B. Certaines hormones sont des stéroïdes

Mouvements dus à 2 protéines : l'actine et la myosine. Les cellules formant les muscles sont remplies de ces protéines. 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme L'hémoglobine : transporte l'oxygène La myoglobine : transporte l'oxygène dans les muscles L'albumine sérique : transporte le gras dans le sang

Les anticorps (ou immunoglobulines) sont faits de protéines 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme Les anticorps (ou immunoglobulines) sont faits de protéines Beaucoup de substances chimiques traversent la membrane des cellules en passant par des canaux formés par des protéines. Anticorps IGE

Certaines protéines forment un canal pouvant s'ouvrir ou se fermer. Canal responsable de l'expulsion du chlore hors des cellules.

7. Marqueur cellulaire 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme Le système immunitaire peut faire la différence entre ses propres cellules et des cellules étrangères par certaines protéines très variables qui sont à la surface des cellules.

8. Récepteur d’hormones p. 1087 Hormone = substance sécrétée par une glande qui agit sur certaines cellules du corps. L’hormone est sécrétée dans le sang qui la transporte dans tout le corps. L’hormone ne peut agir que sur les cellules qui ont des récepteurs auxquels elle peut se lier. Ces récepteurs sont généralement des protéines de la membrane (parfois dans le noyau). 1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme récepteur protéique p. 1087

Pseudohermaphrodisme testiculaire L’hormone (H) n’agit que sur les cellules qui ont à leur surface les protéines auxquelles elle peut se fixer. Si le récepteur est anormal, l’hormone ne peut pas se fixer et donc ne peut pas agir. Pseudohermaphrodisme testiculaire

1. Structure 2. Hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Canaux membranaires 7. Marqueur cellulaire 8. Récepteur d’hormones 9. Métabolisme La plupart des réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule sont catalysées par des protéines spéciales: les enzymes. Enzyme = catalyseur Catalyseur = substance qui active une réaction chimique qui, sans le catalyseur, serait très lente ou impossible. p. 99

Ex. synthèse ou digestion du saccharose ENZYME Sans l’enzyme, la réaction serait très lente, voire impossible à la température ambiante.

L'enzyme abaisse le niveau d'activation de la réaction Réaction sans enzyme Énergie d'activation de la réaction sans enzyme Énergie d'activation de la réaction avec enzyme Réaction avec enzyme Énergie dégagée par la réaction p. 101

L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction Mode d'action d'une enzyme L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction

Substrat(s) Produit(s) enzyme

Détail des interactions chimiques au niveau du site actif d’une enzyme qui catalyse la réaction : O = CR’- NHR O = CR’- OH + NH2R substrat produits Notez les interactions chimiques temporaires entre le produit et les acides aminés du site actif de l’enzyme.

LE MÉTABOLISME Le produit d’une première réaction chimique est souvent le substrat d’une autre réaction chimique. Les réactions chimiques qui se déroulent successivement forment une voie métabolique. Voie métabolique principale A B C D E H Voie métabolique secondaire Chaque étape est catalysée par une enzyme

Les enzymes d’une chaîne métabolique peuvent être intégrés dans la membrane de la cellule ou d’un organite de la cellule.

Premières étapes de la respiration cellulaire : transformation du glucose en deux pyruvates. Chaque étape est catalysée par une enzyme.

Ex. les premières étapes de la respiration cellulaire : p. 170, 171, 173 et177 Quelques centaines des milliers de réactions qui se déroulent dans la cellule Chaque étape est catalysée par une enzyme spécifique. Réactions illustrées aux pages 170-171

Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme L'enzyme ne peut fonctionner que si elle possède une forme parfaitement adaptée à la ou aux molécules qu'elle catalyse. Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme Enzymes sensibles: aux températures élevées au pH trop élevé ou trop faible concentration élevée d’électrolytes (sels) p. 103-104

Les enzymes peuvent servir à assembler de petites molécules en plus grosses = anabolisme OU à défaire de grosses molécules en plus petites = catabolisme à modifier des molécules en d'autres molécules semblables (changer un glucose en fructose, par exemple) Une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une réaction bien précise. Il y a donc autant d'enzymes différentes que de réactions différentes.

Cofacteur et coenzyme p. 104 Cofacteur = petite molécule se fixant sur le site actif. Sans le cofacteur, le site actif est inactif. Beaucoup de cofacteurs sont des ions métalliques (Cu, Zn, Mn, etc.) Certains sont de petites molécules organique (par rapport à la taille de l’enzyme); on les appelle alors coenzymes. Beaucoup de vitamines sont des coenzymes (ou sont des précurseurs de coenzymes)

INHIBITION ENZYMATIQUE Site actif Un substrat peut normalement se lier au site actif de l’enzyme Un inhibiteur compétitif imite le substrat et entre en compétition avec lui pour s’introduire dans le site actif. Inhibiteur compétitif Un inhibiteur non compétitif se lie à l’enzyme et altère la conformation de l’enzyme de sorte que le site actif ne peut plus s’associer au substrat. Inhibiteur non compétitif p. 104

Le Viagra™ est un médicament qui avait été développé pour traiter les cardiaques. Il a pour effet de faciliter la dilatation des artères. C’est un inhibiteur compétitif de l’enzyme phosphodiestérase, laquelle enzyme sert à détruire le GMP cyclique, une substance de la paroi des artères essentielle dans le mécanisme de la dilatation. Voir : The search for Viagra Le cyanure est un inhibiteur compétitif d'une enzyme appelée cytochrome oxydase. Cette enzyme est essentielle à l'une des dernières étapes de la respiration cellulaire. Sans elle, la respiration cesse, c'est la mort. Le Zyclon-B de triste mémoire pour son utilisation dans les camps de la mort nazis était constitué de granules poreux imbibés d'acide cyanhydrique (HCN).

LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES La régulation allostérique p. 105 Un activateur allostérique stabilise la forme active Un inhibiteur allostérique stabilise la forme inactive

X A B C D E LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES La rétro-inhibition p. 106 A B C D E Voie métabolique X E1 E2 E3 E4 La molécule E est un inhibiteur allostérique de l’enzyme E1

Protéines et alimentation Protéine des aliments Digestion Notre alimentation doit contenir des protéines Acides aminés Circulation Les cellules synthétisent leurs protéines à partir des acides aminés provenant de la digestion Nouvelle protéine

FIN