Chapitre 2 Biochimie et Biosynthèse

A Composition chimique des cellules Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes La couche externe des atomes détermine les interactions de atomes Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’éléctrons Les liaisons covalentes se forment par partage d’éléctrons

Composition chimique des cellules L’eau est le principal composant des cellules Certaines molécules polaires forment des acides ou des bases dans l’eau 4 types de liaisons non-covalentes lient les molécules La cellule contient 4 variétés de petits composants organiques

Composition chimique des cellules La cellule contient 4 variétés de petits composants organiques La biochimie est dominée par des macromolécules aux propriétés remarquables Les liaisons non-covalentes déterminent la forme des macromolécules et leur capacité à se lier à d’autres molécules

1. Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes électron neutron proton atome de carbone atome d’hydrogène nombre atomique = 6 nombre atomique = 1

poids atomique (d’un atome) ou poids moléculaire (d’une molécule): masse relative par rapport à l’atome d’hydrogène (= nombre de protons + nombre de neutrons dalton: poids atomique de l’hydrogène nombre d’Avogadro: Nombre d’atome dans 1 gramme d’hydrogène = 6.1023

isotopes: différentes formes physiques chimiquement équivalentes d’un même élément (p ex 12C et 14C)

Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en grammes) de 6 Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en grammes) de 6.1023 atomes ou molécules de cette substance = X g de cet atome/molécule, avec X = poids moléculaire (p ex 1 mole de C = 12g, 1 mole de glucose = 180g, 1 mole de NaCl= 58g Solution molaire (d’un élément, d’une substance): solution qui contient 1 mole de cet atome/molécule par litre de liquide (p ex 1 solution molaire de glucose contient 180g de glucose/l).

1. Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes abondance relative (%) Il existe 92 éléments naturels (définis par leur nombre de protons et d’électrons) 4 atomes constituent 96.5% du poids d’un être vivant: H, C, O, N organismes croûte terrestre

Nombre d’électrons de la couche complète électronique nombre atomique Na+ Gaz inertes Mg++ K+ Ca++ Nombre d’électrons de la couche complète 2 8 8 18

3. Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’électrons atomes atomes partage d’électron transfert d’électron molécule ion positif ion négatif liaison covalente liaison ionique (souvent polarisée)

Valence: nombre d’électrons qu’un atome doit gagner ou perdre pour avoir une couche électronique externe saturée

3. Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’électrons Chlorure de sodium (NaCl) Na (11) Cl (17) ion sodium (Na+) cation ion chlorure (Cl-) anion NaCl: cristaux de sels soluble dans l’eau

4. Les liaisons covalentes se forment par partage d’électrons Caractéristiques des liaisons covalentes Longueur de la liaison: rayon d’un atome Energie de la liaison Géométrie de la liaison Liaison simples ou doubles Liaison covalente polaire

4. Longueur des liaisons covalentes Force de Van der Waals à l’équilibre à ce point, qui correspond à la longueur de la liaison covalente répulsion énergie attraction Distance séparant les noyaux de 2 atomes

La longueur d’une liaison covalente est inférieure à la somme des rayons des atomes reliés de O 1.4 A rayon de H 1.2 A Liaison covalente O-H distance 0.96 A

4. Énergie des liaisons covalentes Quantité d’énergie qui doit être apportée pour rompre la liaison (en Kcal/mole) agitation thermique moyenne hydrolyse de l’ATP dans la cellules liaison C-C liaison non-covalente dans l’eau oxydation complète du glucose Échelle logarithmique!

Géométrie des liaison covalentes carbone azote oxygène eau propane

Il existe différentes formes de liaisons covalentes Liaison simple/double Liaison polaire formation d’un dipôle éthane eau partage de 2 électrons oxygène éthène partage de 4 électrons

5. L’eau est le principal composant des cellules La molécule d’eau est polarisée Les interactions entre les parties chargées positivement et négativement de 2 molécules d’eau voisines = liaison hydrogène Les molécules qui forment des liaisons hydrogène avec l’eau sont soluble dans l’eau (hydrophiles) Les liaison peu polarisées (C-C) interagissent peu avec l’eau et sont insolubles dans l’eau (hydrophobes)

molécule d’eau à l’autre 6. Certaines molécules polaires forment des acides ou des bases dans l’eau acide acétique eau ion acétate ion hydronium L’eau pure a un pH de 7 ([H3O] = [OH-]= 10-7M) les protons se déplacent d’une molécule d’eau à l’autre ion hydroxyl

acide: substance qui libère des ions H+ (pour former des ions H30+ hydronium) en se dissolvant dans l’eau. base: substance qui augmente la concentration en ion OH- en se dissolvant dans l’eau.

7. Quatre types de liaisons non-covalentes lient les molécules Type de liaison longueur (nm) énergie (K/cal/mole) dans le vide dans l’eau covalente 0.15 90 Non covalente Ionique Hydrogène Van der Waals hydrophobe 0.25 0.30 0.35 80 4 0.1 3 1 0.2

Les liaison ioniques sont réduites en milieux aqueux

atome donneur atome accepteur liaison covalente 0.1nm liaison hydrogène ~0.2 nm

Comment des interactions non-covalentes assurent la liaison de 2 molécules

8. La cellule contient 4 variétés de petits composés organiques Petits composés: poids moléculaire 100 à 1000 (<30 c) 1: SUCRES POLYSACCARIDES 2: ACIDES GRAS GRAISSE, LIPIDES, MEMBRANES 3. ACIDE AMINES PROTÉINES 4. NUCLÉOTIDES ACIDES NUCLÉIQUES

Les sucres remplissent de multiples fonctions polymère de glucose Stockage d’énergie glycogène, amidon Support mécanique: cellulose polymère de N-acetyl glucosamine: chitine Glycolipides Glycoprotéines

Les sucres sont des hydrates de carbones (CH2O)n Hexoses C6H1206 H aldehyde O H cétone 1 C H C OH 2 C OH C O H aldose 3 cétose OH C OH C H 4 H C OH H C OH 5 H C OH H C OH 6 H C OH H C OH H H glucose fructose

Les sucres sont des hydrates de carbones (CH2O)n 6 5 1 4 3 2 Le glucose

isomères:  se dit de molécules qui ont la même composition chimique mais une structure différente isomères optiques:  se dit de molécules isomères qui sont l’image en miroir l’une de l’autre (isomères L et D) CH2OH CH2OH O O

Position a ou b de l’hyrdoxyl lié au carbone qui porte le groupe cétone ou aldéhyde OH O O OH b-hydroxyl a-hydroxyl

Les sucres sont les sous-unités des polysaccharides monosaccharide monosaccharide condensation hydrolyse Liaison réactive glycosidique dans un dissacharide

Énorme variété des polysaccharides disaccharides de 2 D-glucose

Rôles des sucres Glucose Support mécanique monomère: source centrale d’énergie polymère: glycogene = stockage d’énergie Support mécanique cellulose (glucose) chitine (N-acetyl-glucosamine) Glycoprotéines, glycolipides

Les acides gras sont les principaux composants des membranes extrémité hydrophile: acide carboxylique acide palmitique = acide gras saturé queue hydrophobe hydrocarbonée

Fonctions des lipides Collection de molécules insolubles dans l’eau, solubles dans la graisse et dans les solvants organiques Réserve d’énergie: 6X par rapport aux sucres sous forme de triglycérides Formation des membranes : couches bi-lipidiques de phospholipides

Triacyl-glycerol C O C O H2C OH H2C O O C glycérol triacylglycerol

Structure des phospholipides groupe hydrophile (alcohol) O O P O phosphate O CH2 CH CH2 glycerol acides gras

Organisation des membranes bi-lipidique tête hydrophile eau bi-couche phospholipidique 2 queues hydrophobiques d’acide gras phospholipide

Les acides aminés sont les sous-unités des protéines ALANINE Forme ionisée Groupe carboxyle Groupe amine Carbone a chaîne latérale Forme non ionisée

Les polypeptides ont une polarité structurelle Extrémité N-terminal Extrémité C-terminal

Les nucléotides anneau contenant 1 N = 1 base (en condition acide, lie 1H+) PYRIMIDINE: cytosine, thymine, uracil PURINES: guanine, adénine lié à un pentose (sucre à 5 C) et un groupe phosphate sous-unités de l’ADN, de l’ARN forme de stockage transitoire de l’énergie ribonucléotide adénosine triphosphate: ATP

Les nucléotides comportent 2 types de base 1 2 3 4 5 6 N 7 8 9 PURINE Adenine Guanine N 1 2 3 4 5 6 PYRIMIDINE Thymine Cytosine Uracile

PURINES PYRIMIDINES Adénine (A) Uracile (U) Guanine (G) Thymine (T) Cytosine (C) A, G, T, C dans l’ADN A, G, U, C dans l’ARN

les nucléotides comportent un pentose… 5’ 5’ O O HOCH2 OH HOCH2 OH 4’ 1’ 4’ 1’ H H H H H H H H 3’ 2’ 3’ 2’ OH OH OH H b-D-Ribose b-D-2’-désoxyribose ARN ADN

BASE SUCRE + = NUCLEOSIDE

BASE SUCRE + + PHOSPHATE = NUCLEOTIDE

Les nucléotides sont les sous-unités des acides nucléiques NH2 BASE PHOSPHATE N O O O P O CH2 O O OH OH SUCRE

A G C T U base nucléoside abréviation nucléotide AMP, dAMP GTP UDP ADENINE ADENOSINE A AMP, dAMP GUANINE GUANOSINE G GTP CYTOSINE CYTIDINE C THYMINE THYMIDINE T URACILE URIDINE U UDP PURINES PYRIMIDINES

Adénosine 5’-monophosphate Adénine Phosphate OH Ribose Adénosine 5’-monophosphate AMP

2’-désoxyadénosine 5’-monophosphate Adénine Phosphate H 2’-désoxyribose 2’-désoxyadénosine 5’-monophosphate dAMP

chaîne d’ADN Extrémité 5’ Extrémité 3’ Groupe 5’ phosphate libre Liaison phosphodiester 5’-3’ Séquence d’ADN Par convention lue de 5’ vers 3’ Groupe 3’OH libre Extrémité 3’

Structure de l’ATP (adenosine triphosphate)

L’ATP transporte l’énergie dans la cellule Liaisons phosphoanhydriques riches en énergie Phosphate Inorganique (Pi) Énergie disponible pour les travaux de la cellule Énergie des aliments

Beaucoup de conformations 10. Les liaisons non covalentes définissent la structure tridimensionnelle d’une molécule Beaucoup de conformations instables Une conformation stable repliée

10 Rôles des liaisons covalentes et non-covalentes dans la formation des macromolécules MACROMOLECULES SOUS-UNITÉS ASSEMBLAGE MACROMOLECULAIRE protéine globulaire, ARN Liaisons covalentes sucres, acide aminés, nucléotides ribosome Liaisons non-covalentes 1. ioniques 2. hydrogène 3. van der Waals 4. hydrophobe

Biochimie et Biosynthèse Composition chimique des cellules Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules Il existe deux types de voies métaboliques couplées (anaboliques et cataboliques) L’agencement ordonné dans la cellule est rendu possible par la production de chaleur par la cellule Les cellules tirent leur énergie de l’oxydation des molécules organiques

Biochimie et Biosynthèse Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules Les oxydations et les réductions correspondent à des transferts d’électrons Les enzymes abaissent les barrières qui bloquent les réactions chimiques La diffusion des substrat permet leur rencontre avec les enzymes Les changements d’énergie libre détermine si une réaction peut survenir ou non

Biochimie et Biosynthèse Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules Les transporteurs d’énergie activés sont essentiels pour la biosynthèse ATP: anénosine tri-phosphate NADP: nicotinamide adenine dinucléotide NADPH: nicotinamide adenine dinucléotide phosphate Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle La synthèse des polymères biologiques demande un apport d’énergie Les aliments sont dégradés en 3 étapes pour produire de l’ATP

Biochimie et Biosynthèse Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules Les organismes emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote

Les réactions chimiques nécessaires à la vie sont accélérées (catalysées) par des protéines spéciales: les enzymes catalyse par l’enzyme 1 catalyse par l’enzyme 2 catalyse par l’enzyme 3 catalyse par l’enzyme 4 catalyse par l’enzyme 5 Voie métabolique

constituent la cellule Deux types de voies métaboliques fonctionnent en sens opposé dans les cellules aliments molécules qui constituent la cellule VOIES ANABOLIQUES (BIOSYNTHÈSE) VOIES CATABOLIQUES énergie utilisable sous-unités de biosynthèse

Les lois de la thermodynamique s ’appliquent aux vivants Seconde loi de la thermodynamique dans l’univers (ou dans un système isolé) le désordre (l’entropie) ne peut que croître

Les lois de la thermodynamique s ’appliquent aux vivants Première loi de la thermodynamique l’énergie peut se convertir d’une forme à une autre, mais ne peut ni se créer, ni disparaître

augmentation de désordre diminution du désordre l’océan de matière cellule CHALEUR augmentation de désordre diminution du désordre

Respiration = oxydation des C et des H des molécules organiques PHOTOSYNTHÈSE RESPIRATION sucres sucres Sucres et autres matières organiques PLANTES ALGUES BACTERIES LA PLUPARTDES ORGANISMES énergie solaire énergie libre chimique

Oxydation d’une molécule: Les oxydations et les réductions correspondent à des transferts d’électrons Oxydation d’une molécule: ajout d’atomes d’oxygène sur cette molécule ou retrait d’électrons (qui suppose l’addition d’électrons sur une autre molécule = sa réduction) Ou retrait partiel d’électron partagé L’atome réduit gagne un (ou des) électrons (+/- proton = addition d’un H = hydrogénation)

Oxydation et réduction formation d’une liaison covalente polaire d+ d- atome 1 atome 2 atome 1 oxydé atome 2 réduit molécule

Oxydation et déshydrogénation AH - e- - H+ = A déshydrogénation = oxydation A + e- + H = AH hydrogénation = réduction

L’énergie d’activation pour aller de X à Y Energie totale Réaction chimique

Les enzymes diminuent l’énergie d’activation des réactions chimiques

Caractéristiques des enzymes Catalyseur = accélérateur Affinité: vitesse de dissociation Sélectivité Site catalytique = site actif Ré-utlisable Site actif molécule A (substrat) molécule B (produit)

La diffusion rapide des substrats permet aux enzymes d’être actifs Mouvements moléculaires Vibration Rotation Translation Déplacement au hasard Petite molécule organique: 50mm /sec

La perte d’énergie libre augmente l’entropie Niveau d’énergie libre Réaction spontanée possible Réaction qui doit être couplée à une autre réaction énergétiquement favorable DG négatif DG positif

La concentration des réactifs influence DG MÊME CONCENTRATION DE DÉPART Molecules A Molécules B La conversion de A en B est énergétiquement favorable

La concentration des réactifs influence DG L’EXCES DE MOLECULES B COMPENSE LA FAIBLE VITESSE DE CONVERSION B A Molécules A Molécules B A l’équilibre, autant de molécules A se transforment en molécules B que l’inverse

Le changement d’énergie libre à 37°C Une partie de DG est indépendante de la concentration des réactifs 0.616 = RT = constante des gaz X température absolue DG = DG° + 0.616 ln [B] [A] Une partie de DG dépend de la concentration des réactifs Exprimé en Kcal/mole

La constante d’équilibre d’une réaction dépend de la valeur de DG° À l’équilibre DG = O DG° = - 0.616 ln [B] [A] = e -DG°/0.616 = K [B] [A]

Relation entre K et DG° Constante d’équilibre énergie libre de B – énergie libre de A (Kcal/mole) DG° 102 -2.8 1 10-2 2.8 K= [B] [A]

Un enzyme accélère une réaction sans changer son point d’équilibre Réaction non catalysée Réaction catalysée

Dans des réactions séquentielles, les DG s’additionnent DG°= +5Kcal/mole DG°= -13 Kcal/mole X Y Y Y Point d’équilibre de la réaction X Y Point d’équilibre de la réaction Y Z X Y Point d’équilibre de la réaction séquentielle X Z Z DG°= +5 -13 = -8 Kcal/mole

molécules nécessaires molécules disponibles Les transporteurs d’énergie activés sont essentiels pour la biosynthèse ENERGIE ENERGIE molécules nécessaires à la cellule ALIMENTS Réaction énergétiquement favorable Réaction énergétiquement défavorable ALIMENTS OXYDES Transporteur activé molécules disponibles dans la cellule ANABOLISME CATABOLISME

L’activation d’un transporteur d’énergie est couplée à une réaction énergétiquement favorable Niveau d’énergie libre Réaction qui doit être couplée à une autre réaction énergétiquement favorable Réaction spontanée possible transporteur d’énergie activé DG négatif DG positif transporteur d’énergie enzyme

L’ATP est le transporteur d’énergie le plus universel Liaisons phosphoanhydres DG°= -11 à -13 Kcal/mole Phosphate Inorganique (Pi)

L’énergie stockée dans l’ATP peut servir à joindre 2 molécules Liaison phosphoester Intermédiaire de haute énergie ammonium ETAPE D’ACTIVATION ETAPE DE CONDENSATION Produits d’hydrolyse de l’ATP glutamine acide glutamique

L’hydrolyse complète de ATP peut fournir 13 kcal + 13 kCal = 26 kcal

NAD+ et NADP+ = 2 transporteurs d’électrons à haute énergie essentiels Transfert de 2 électrons à haute énergie + 1 proton Transfert d’un ion hydride Enlèvement de 2 H Oxydation de la molécule 1 Le NADP fixe un ion hydride: 1 H + 1 électron Un proton est relargué dans le milieu Réduction de la molécule 2

Ce phosphate est absent oxydé réduit anneau nicotinamide Ce phosphate est absent dans le NAD+ et le NADH

NAD NADP voies cataboliques anaboliques NAD+ /NADH élévé Les transporteurs d’énergie sont associés à des voies métaboliques différentes NAD NADP voies cataboliques anaboliques NAD+ /NADH élévé Receveur d’énergie NADP+ /NADPH bas Source d’énergie

Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle groupe acétyle Liaison de haute énergie CoA groupe acétyle

La synthèse des polymères biologiques demande un apport d’énergie glycogène énergie provenant de l’hydrolyse d’un nucléoside triphosphate glycogène liaison glycosidique

La synthèse des polynucléotides se déroulent en plusieurs étapes, avec hydrolyse complète de l’ATP Intermédiaire de haute énergie = polynucléotide tri-phosphate polynucléotide à 2 nucléotides polynucléotide à 3 nucléotides nucléoside monophosphate Produit de l’hydrolyse complète de l’ATP

Il existe 2 orientations de polymérisation des polymères biologiques p.ex. proteines acides gras polymérisation apicale Chaque monomère apporte une liaison énergétique pour lier le suivant p.ex. polysaccharides polynucléotides polymérisation caudale Chaque monomère apporte une liaison énérgétique pour se lier lui-même

La cellule oxyde les aliments par étapes Oxydation par étapes des sucres dans les cellules Combustion directe des sucres petites énergie d’activation fournies par la température de la cellules forte énergie d’activation (chaleur du feu) sucre O2 + sucre O2 + Dissipation totale de l’énergie en chaleur transporteurs activés

1. Digestion enzymatique des aliments HORS DE LA CELLULE ÉTAPE 1 DIGESTION DES MACROMOLÉCULES EN SOUS-UNITÉS SIMPLES protéines polysaccharides graisses acides aminés sucres simples acides gras glycérol glucose

ACCOMPAGNEE D’UNE PRODUCTION LIMITEE 2. Glycolyse acides aminés sucres simples acides gras glycérol DEBUTE DANS LE CYTOSOL S’ACHEVE DANS LA MITOCHONDRIE glucose glycolyse ETAPE 2 GLYCOLYSE DECOMPOSITION DES SOUS-UNITÉS EN ACÉTYL CoA ACCOMPAGNEE D’UNE PRODUCTION LIMITEE D’ATP ET DE NADH

3. Phosphorylation oxydative sucres simples acides aminés acides gras glycérol pyruvate DANS LA MITOCHONDRIE membranes mitochondriales cycle de Krebs ETAPE 3 OXYDATION COMPLETE DE ACÉTYL CoA EN CO2 ET H2O ACCOMPAGNEE D’UNE FORTE PRODUCTION D’ATP ET DE NADH NADH réducteurs Phosphorylation oxidative membrane plasmatique déchets

La glycolyse produit de l’ATP sans dépendre d’02 une molécule de glucose apport d’énergie fructose 1,6-biphosphate rupture d’un sucre à 6C en 2 sucres à 3C 2 molécules de glyceraldéhyde 3-phosphate production d’énergie 2 molécules de pyruvate

La fermentation permet la production soutenue d’ATP en l’absence d’ 02 CYTOSOL glycolyse lactate

sucres poly-saccharides La phosphorylation oxydative permet de récupérer l’énergie des sucres et des graisses Membrane plasmique MITOCHONDRIE sucres poly-saccharides sucres glucose pyruvate H+ NADH pyruvate acetyl coA GLYCOLYSE 1 glucose 2 ATP acides gras graisses acides gras PHOSPHORYLATION OXYDATIVE CYTOSOL 30 ATP

La chaîne de transport des électrons de la mitochondrie électron de forte énergie INTERIEUR DE LA MITOCHONDRIE protéine membranaire Création d’un gradient Transmembranaire de H+ CYTOSOL électron de faible énergie

glucose GLYCOLYSE

Les cellules emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers Le glycogène liaison a 1,6 glycosidique de branchement liaison a 1,4 glycosidique du squelette

Les cellules emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers Les graisses

Biochimie et Biosynthèse Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules Les organismes emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote

Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote ACIDES AMINES ESSENTIELS

Chapitre 2 Biochimie et biosynthèse FIN