LES CONSTITUANT CHIMIQUES FONDAMENTAUX DU VIVANT ET LEURS FONCTIONS BIOLOGIQUES

Introduction

Composition chimique élémentaire du vivant Constitution originale des êtres vivants organisés autour de l’élément carbone => chimie organique

Constitution du vivant (2) Une seule cellule peut contenir des dizaines de milliers de substances chimiques différentes. Substances minérales Substances organiques

Concepts clefs en biologie cellulaire et moléculaire A. interaction covalente et non covalente B. polymérisation C. réversibilité des réaction D. ATP = source d’énergie

Énergie nécessaire à la rupture de différentes liaisons

polymérisation

Réaction chimique

Hydrolyse de l’ATP

I. Substances minérales

IA. L’eau 1. Caractéristiques de l’eau

l'électronégativité d'un élément est une grandeur qui caractérise sa capacité à attirer les électrons lors de la formation d'une liaison chimique avec un autre élément

L’eau est une molécule polaire car les électrons constitutifs des liaisons chimiques ont tendance à se rapprocher de l’atome d’oxygène.

1. Caractéristiques de l’eau Les molécules d’eau forment des liaisons H entre elles, entres les atomes d’O et les atomes d’H

Ces liaisons H sont à l’origine d’un fort pouvoir de cohésion de l’eau qui lui confère des propriétés particulières.

2. Propriétés de l’eau L'eau est un excellent solvant 2. tension superficielle élevée 3. chaleur spécifique élevée 4. chaleur de vaporisation élevée Pouvoir de cohésion

2.1 Propriétés de l’eau : pouvoir solvant L’eau est un excellent solvant grâce à ces liaisons polaires : permet la mise en solution de beaucoup de molécules … Qualifié de « solvant universel »

2.1 Propriétés de l’eau : pouvoir solvant Substances qui se dissolvent : substances hydrophiles Substances ioniques (ex : chlorure de Na) Substances polaires (ex : urée) Substances qui ne se dissolvent pas : substances hydrophobes Ex : Acide gras

2.2 Propriétés de l’eau : Tension superficielle élevée circulation des sèves Tensions superficielle poumons

2.3 Propriétés de l’eau : chaleur spécifique élevée Chaleur spécifique = nbre de J pour augmenter de 1°C 1 g de substance Ethanol = 2.51 J/g/°C Eau = 4.184 J/g/°C Rôle important dans les climats côtiers Rôle important dans la température des océans => tampon

2.4 Propriétés de l’eau : chaleur de vaporisation élevée Pour l’eau = 2.26 kJ pour évaporer 1 g d’eau (2 fois plus élevé que éthanol) Quantité importante de chaleur pour vaporiser l’eau => rôle de tampon Les molécules qui s’échappent sont les plus chaudes => vaporisation fait baisser la T°C de surface d’un liquide : role important dans la régulation de la T°C par sudation

B. Les ions/sels minéraux

1. Les ions Sodium, chlore, potassium, calcium, phosphore, fer, souffre, magnésium, iode Fonctions : -Rôle important dans l’homéostasie cellulaire (pression osmotique, ouverture des stomates, stabilisation de macromolécules) -rôle important dans l’énergie cellulaire (potentiel de membrane, échange membranaire) -rôle important dans l’information cellulaire (influx nerveux, communication hormonale)

2. Les oligo-éléments Oligo-éléments: Teneur < 1mg/kg Cuivre, Zinc, Sélénium, Chrome, Manganèse, Fluor, Molybdène, Cobalt Fonctions : Catalyse-Contribution aux messages hormonaux Liaison métal-protéines Cofacteurs d'enzymes (Zn) Structure des vitamines (Cu / vit B12) Expression des signaux hormonaux (Cu ; Zn) Fixation ADN-Régulation des gènes (Zn) Fonctions de défense immunitaire (Zn ; Se) Lutte contre les radicaux libres (Zn ; Mn ; Se) Rôle structural (Fluor ; Silicium)

II Substances organiques

Introduction aux molécules organiques Le vivant est fait essentiellement de carbone Le vivant est fait de volumineuses molécules à base de carbone qui servent de support structural aux êtres vivants Les propriétés des molécules organiques dépendent de leur squelette carboné et de leurs groupements fonctionnels Les molécules organiques complexes du vivant s’édifient à partir de molécules plus simples Le métabolisme

1. Le vivant est fait de volumineuses molécules à base de carbone qui servent de support structural aux êtres vivants Le carbone produit de grosses molécules parce qu’il établit quatre liaisons chimiques lorsqu'il réagit (4 électrons de valence). Il est comme un carrefour d'où une molécule peut se ramifier dans quatre directions. Cela produit de grandes chaînes carbonées, droites, ramifiées et ou cycliques, favorables à la structuration des êtres vivants. D’une certaine façon, les molécules du vivant sont constituées d’un squelette de carbone auquel se greffent d’autres atomes comme l’hydrogène, l’oxygène, l’azote, le phosphore …

2. Les molécules du carbone sont les molécules du vivant mais les molécules minérales sont essentielles à la vie MOLÉCULES MINÉRALES MOLÉCULES ORGANIQUES Molécules à base de carbone Étudiées par la chimie organique Unies par liaisons covalentes Les composés organiques peuvent être très petits ou gigantesques et servir alors de molécules structurantes pour le vivant. Le méthane CH4 est minuscule alors que certaines protéines ont une masse moléculaire supérieure à 1 000 000 Da Les molécules du carbone proviennent généralement de l'activité métabolique des «vivants» sauf les composés du carbone qui sont abondants dans l'environnement (CO2 et carbonates CO32- ) ainsi que les composés du carbone synthétisés par les chimistes (fibres textiles synthétiques à base de polyester : Tergal, Dacron...). Protéines, acides nucléiques (ADN et ARN), glucides, lipides et vitamines Molécules ne contenant pas de carbone sauf certains composés du carbone comme le CO2 (p. 61) et les carbonates CO32- qui sont abondants dans l'environnement. Ces composés sont considérés à la fois comme organiques et inorganiques. Étudiées par la chimie inorganique Unies par liaisons ioniques De petite taille, ces molécules ne peuvent servir de support structural aux êtres vivants. Eau, sels minéraux, acides et bases

Leur squelette carboné La cellule préfère le glucose. 3. Les propriétés des molécules organiques (et donc leur rôle biologique) dépendent de leur squelette carboné et de leurs groupements fonctionnels Leur squelette carboné La cellule préfère le glucose. Exemple des isomères Glucose Sucre du pain, du riz, des patates… Galactose Sucre du lait Fructose Sucre des fruits Les isomères sont des molécules qui ont la même formule moléculaire mais un arrangement distinct de leurs atomes.

Leurs groupements fonctionnels Un groupement fonctionnel est un regroupement d'atomes particulier que l'on retrouve fréquemment «accroché» aux squelettes carbonés des molécules en leur conférant une réactivité plus grande (la chaîne carbonée est peu réactive) et définie (même type de réaction d'une molécule à l'autre). Groupement hydroxyle Groupement amine Groupement phosphate Chaîne carbonée Groupement carbonyle Groupement carboxyle

Hormone femelle : oestradiol Lionne Groupement hydroxyle Hormone femelle : oestradiol Lionne Hormone mâle : testostérone Lion Groupement carbonyle Campbell (3eéd.) — Figure 4.9 : 64

Les molécules organiques complexes du vivant s’édifient à partir de molécules plus simples Les molécules organiques complexes du vivant se forment dans les cellules à partir de molécules organiques simples. Les quatre principales classes de molécules organiques sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. Les molécules organiques sont souvent énormes et sont désignées par le terme général de macromolécules. Macromolécule Molécule géante constituée de milliers d'atomes Les macromolécules, sauf les lipides, sont organisées en monomères et en polymères.

Synthèse et dégradation des macromolécules

5. Le métabolisme. Ensemble des réactions cellulaires permettant de construire et de dégrader les macromolécules. Métabolisme Via des enzymes Anabolisme Voies métaboliques qui synthétisent des molécules complexes en réunissant des molécules simples (souvent par condensation mais pas toujours). La formation des liaisons chimiques consomme de l'énergie. Catabolisme Voies métaboliques qui décomposent des molécules complexes en molécules simples (souvent par hydrolyse mais pas toujours). Le bris des liaisons chimiques libère de l'énergie.

LES GLUCIDES Monosaccharides (3 à 8 atomes de C) Disaccharides (dimère) Polysaccharides (polymère) Formule globale (CH2O)n

Les monosaccharides

Liaison glycosidique ou osidique

(saccharose)

Les polyosides ou polysaccharides : homo- ou heteroglycans

LES POLYOSIDES DE RESERVE Les liaisons sont des liaisons glycosidique a1->6 et a1->4

LES POLYOSIDES STRUCTURAUX

Les liaisons sont des liaisons glycosidique b1->4

Paroi des cellules végétales LES POLYOSIDES STRUCTURAUX PECTINE HEMICELLULOSE Paroi des cellules végétales

Arthropodes, champignons polysaccharide issu de la polymérisation de N-acétylglucosamine liés entre eux par une liaison du type β-1,4. CHITINE Chitine + CaCO3 => cuticule des insectes

Les peptidoglycanes (ou muréine, ou mucocomplexe, ou mucopeptide) = polymère de glycosaminopeptide où la N-acétyl-glucosamine (NAG) et l'acide N-acétyl-muramique (Acide N-acétyl-muramique) sont liés par des liaisons osidiques Constitue la paroi bactérienne forme des cellules ainsi que protection mécanique et physique.

PECTINE

HEMICELLULOSE

LA PAROI PECTOCELLULOSIQUE

Glycosaminoglycane (GAG) Acide hyaluronique : c’est un glycosaminoglycane (GAG) Constituant important de la matrice extracellulaire forte hydratation => forme gel, fluide riche en GAG sont visqueux tissus conjonctif cartilage (liquide synovial) Humeur vitrée de l’oeil

Glycoprotéine N-glycosylation (Asn) ou O-glycosylation (Ser, Thr) des protéines membranaires (rarement cytoplasmique) , glycosylation dans le RE et le golgi.

MANOSE 6 PHOSPAHTE ET ADRESSAGE

Les glucides ont des rôles très divers : Structure (cellulose, chitine) Énergétique (glucose) Stockage (amidon, glycogène) Marqueurs cellulaires (protéines membranaires)

LES PROTEINES Protéines sont des polymères d’Aa Liaison peptidique nécessite libération molécule d’eau, réaction inverse nécessite de l’eau (hydrolyse) Séquence AA = structure primaire

LES ACIDES NUCLEIQUES

LES LIPIDES Catégorie de molécules regroupés par leur propriété commune : hydrophobicité Extrement polmorphe : difficile à définir d’un point de vue structural

1.Les acides gras Formule : CH3-(CH2)n-COOH - Nombre de C toujours paire (ajouté 2 par 2) - de 12 à 20 at de C - AG saturé ou AG insaturé

2.les glycérides Condensation d’un ou plusieurs AG avec une molécule de glycérol mono, di ou triglycérides Réserve énergétique Isolant thermique, protection contre les chocs

3.Les phospholipides Glycérides comportant un résidu phosphate (acide phosphorique estérifié sur le 3ème C du glycérol) Phosphore est polaire => caractère amphiphile de ces molécules Parmis les plus importante on trouve : phosphatidylethanolamine (PE) = cephaline Phosphatidylsérine (PS) et phosphatidylcholine (PC) = lécithine Dipalmitylphosphatidylcholine = compose pour 50% le surfactant pulmonaire

Constitutif des membranes animales, molécule informationnelle (hormones stéroïdes)