Biochimie générale BCHM 1215 Fred Opperdoes Mark Rider

Fred OPPERDOES Research Unit for Tropical Diseases de Duve Institute Biochimie des trypanosomes e-mail: fred.opperdoes@uclouvain.be Site web: www.icp.ucl.ac.be/trop

Mark RIDER Hormone & Metabolic Research Unit (HORM-PHOS) de Duve Institute Contrôle par phosphorylation de protéines TEL: 02 764 7485 e-mail: mark.rider@uclouvain.be Site web: www.icp.ucl.ac.be/horm2/

Ouvrage de référence Biochimie, 2e édition, 2e tirage 2007 D. Voet & J.G. Voet, Wiley Traduction de la 3e édition américaine par Guy Rousseau et Lionel Domenjoud De Boeck Université Rue des Minimes 39, 1000-BRUXELLES www.deboeck.com

Fichiers PDF et Power Point du contenu du cours disponible sur le site web: http://www.icp.be/~opperd/ biochimie1215/Rider/

Contenu du cours PARTIE I INTRODUCTION ET CONTEXTE 1 La vie 2 Les solutions aqueuses PARTIE II BIOMOLECULES 4 Acides aminés 6 Techniques de purification de protéines 7 Structures covalentes de protéines 8 Structures tridimensionnelles de protéines 9 Repliement des protéines, dynamique et évolution structurale 10 L’hémoglobine: structure-fonction 11 Sucres et polysaccharides 12 Lipides et membranes

Contenu du cours PARTIE III LES MECANISMES DE L’ACTION ENZYMATIQUE 13 Introduction aux enzymes 14 Vitesses des réactions enzymatiques 15 Catalyse enzymatique PARTIE IV LE METABOLISME (F. Opperdoes) 3 Principes de thermodynamique: vue d’ensemble 16 Introduction au métabolisme 17 La glycolyse 18 Métabolisme du glycogène 21 Le cycle de l’acide citrique 22 Transport des électrons et phosphorylations oxydatives

Contenu du cours PARTIE IV LE METABOLISME (F. Opperdoes) 23 Autres voies du métabolisme des glucides 25 Métabolisme des lipides 26 Métabolisme des acides aminés 28 Métabolisme des nucléotides

Chapitre 1 La Vie 1. Les procaryotes A. Morphologie 2. Les eucaryotes A. Architecture cellulaire B. Phylogénie et différenciation 3. La biochimie: prologue A. Structures biologiques B. Processus métaboliques 5. L’origine de la vie

Propriétés communes des organismes vivants: Capacité de récupérer de l’énergie à partir d’aliments pour assurer leurs différentes fonctions Possibilité de s’adapter à des changements dans leur environnement La faculté de croître, se différencier et de se reproduire

1 LES PROCARYOTES Parmi les premiers microscopistes, Robert Hooke (17e siècle) a observé des unités morphologiques appelés cellules On distingue deux grandes catégories de cellules: les eucaryotes qui ont un noyau délimité par une membrane qui renferme leur ADN (acide désoxyribonucléique) et les procaryotes qui sont dépourvus de noyau

Les procaryotes, qui comprennent différentes types de bactéries, ont une structure simple et sont toujours unicellulaires Les eucaryotes, qui peuvent être multi- cellulaires ou unicellulaires, sont beaucoup plus complexes Les virus ne sont pas classés comme organismes vivants, car ils sont dépourvus de machinerie métabolique qui leur permettrait de se reproduire hors de leur cellule hôte

A. Morphologie et fonctions Les procaryotes sont les organismes les plus nombreux sur terre Certaines bactéries peuvent se développer dans des conditions de vie hostiles aux eucaryotes, ou même exiger ces conditions, telles que des environnements chimiques défavorables, des températures élevées (jusqu’à 113°C) ou l’absence d’oxygène La vitesse de reproduction est rapide (< 20 min pour une division cellulaire)

a. Les procaryotes ont une anatomie relativement simple -observés pour la première fois en 1683 par l’inventeur du microscope, Antoine van Leeuwenhoek

Représentation schématique d’une cellule procaryote

Micrographie électronique d’une cellule d’E. coli Ribosomes Capsule Cell wall Plasma membrane Prokaryotic flagella Nucleoid region (DNA) Pili

Les autotrophes peuvent synthétiser tous leurs b. Les procaryotes utilisent plusieurs sources d’énergie métabolique Les autotrophes peuvent synthétiser tous leurs constituants cellulaires à partir de molécules simples telles que H2O, CO2, NH3 et H2S. Les chimiolithotrophes tirent leur énergie de l’oxydation de substances inorganiques: 2NH3 + 4O2 2HNO3 + 2H2O H2S + 2O2 H2SO4 Des vastes colonies de chimiolithotrophes à croissance extrêmement lente ont été découvertes à 5 km de profondeur de l’océan

Les hétérotrophes tirent leur énergie de l’oxydation de composés organiques et donc se trouvent finalement dépendants des autotrophes pour la fourniture de ces substances. Les aérobies obligatoires (dont les animaux) doivent utiliser l’oxygène, tandis que les anaérobies utilisent des agents oxydants comme le sulfate ou le nitrate Beaucoup d’organismes peuvent dégrader partiellement des composés organiques par des réactions d’oxydation/réduction appelées fermentations. Les anaérobies facultatifs tels que E. Coli peuvent vivre avec ou sans oxygène. Les anaérobies obligatoires, au contraire, sont empoisonnés par l’oxygène

2 LES EUCARYOTES Les cellules eucaryotes ont un diamètre compris entre 10 et 100 m, soit un volume 103 à 106 de fois supérieur à celui des procaryotes Ce qui caractérise mieux la cellule eucaryote n’est pas la taille mais le fait qu’elle contient une multitude d’organites fermés par une membrane, chacun ayant une fonction spécialisée

La cellule eucaryote contient des organites bordés de membrane Plasma membrane Golgi apparatus Ribosomes Nucleus Smooth endoplasmic reticulum Rough endoplasmic reticulum Mitochondrion Not in most plant cells Cytoskeleton Flagellum Lysosome Centriole Peroxisome Microtubule Intermediate filament Microfilament

A. Architecture cellulaire Les cellules eucaryotes, comme les procaryotes sont limités par une membrane plasmique. La surface de beaucoup de cellules eucaryotes est augmentée par la présence de nombreuses projections et/ou invaginations De plus la cellule englobe des portions du milieu extracellulaire par endocytose. Le contraire de l’endocytose appelé exocytose, est un mécanisme de sécrétion courant chez les eucaryotes

-lieu de stockage de l’information génétique codée a. Le noyau contient l’ADN de la cellule -lieu de stockage de l’information génétique codée dans la séquence des bases des molécules d’ADN qui constituent les chromosomes Chromosomes - constitués de chromatine, un complexe d’ADN et de protéines Nucléole - un corps dense du noyau, lieu d’assemblage des ribosomes à partir d’ARN ribosomiaux et de protéines ribosomiales, synthétisées dans le cytosol. Les ribosomes immatures sont alors exportés dans le cytosol

-le réticulum endoplasmique rugueux est garnie b. Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi sont impliqués dans des modifications de protéines membranaires et de protéines secrétées -le réticulum endoplasmique rugueux est garnie de ribosomes impliqués dans la synthèse des protéines liées aux membranes ou destinées à être sécrétées -le réticulum endoplasmique lisse n’est pas associé à des ribosomes et est le siège de synthèse des lipides -l’appareil de Golgi est un empilement de vésicules membraneuses dans lesquelles ces molécules poursuivent leur maturation

-les mitochondries sont le siège de respiration c. Les mitochondries sont le siège du métabolisme oxydatif -les mitochondries sont le siège de respiration cellulaire. Leur taille est comparable à celle d’une bactérie. Une cellule eucaryote type contient environ 2000 mitochondries -la mitochondrie présente deux membranes: une membrane externe lisse et une membrane interne plissé en crêtes -les mitochondries ont deux compartiments: l’espace intermembranaire et la matrice. Les enzymes qui catalysent les réactions de la respiration se trouvent dans la matrice

Les mitochondries

Les lysosmes - découverts en 1949 par Christian d. Les lysosomes et les peroxysomes sont des réservoirs d’enzymes de dégradation Les lysosmes - découverts en 1949 par Christian de Duve (Prix Nobel, 1974). Les lysosomes sont des sacs membraneux (diamètre 0.5 m) remplis d’enzymes d’hydrolyse Les peroxysomes contiennent des enzymes d‘oxydation. Certaines réactions peroxysomiales produisent du peroxyde d’hydrogène (H2O2), qui Peut être dégradé par la catalase: 2H2O2 2H2O + O2

Le cytosquelette - vaste réseau de filaments qui e. Le cytosquelette organise le cytosol Le cytosquelette - vaste réseau de filaments qui confère à la cellule sa forme et la faculté de se déplacer et qui assure les mouvements de ses organites Composantes du cytosquelette: -microtubules (diamètre 250 Å) constitués de tubuline et qui guident les mouvements des organites -microfilaments (diamètre 90 Å) constitués d’actine et qui ont une fonction de soutien mécanique -filaments intermédiaires (diamètre 100-150 Å) constitués de keratine

Micrographie par immunofluorescence pour révéler l’actine, les mitochondries et le noyau

B. Phylogénie et différenciation Dessins de quelques cellules humaines

Arbre phylogénique de l’évolution de la vie cellulaire sur la Terre

Le développement embryonnaire d’un poisson, d’un amphibien, d’un oiseau et d’un mammifère

La biochimie est l’étude de la vie à l’échelle moléculaire 3 BIOCHIMIE : PROLOGUE La biochimie est l’étude de la vie à l’échelle moléculaire But: Donner une explication chimique au fonctionnement des cellules vivantes

La biochimie s’intéresse à un nombre de questions interdépendantes, par exemple: ADN ARN Protéines Catalyse Transport Mouvement Régulation ... Stockage et transmission de l ’information génétique Structure des molécules biologiques Modes d’interactions des molécules Mécanismes de synthèse et de dégradation Mécanismes des échanges d ’énergie Régulation des processus Le tout obéissant aux lois de la thermodynamique !!!

Uniformité de la biochimie Ce qui vaut pour Escherichia coli, vaut pour un éléphant “Principes” de biochimie

A. Structures biologiques Coupe transversale simulée d’une cellule d’E. coli x 106 fois

Organisation hiérarchique de structures biologiques

Organisation hiérarchique de structures biologiques

L’organization polymérique des protéines, des acides nucléiques et des polysaccharides

Formation de liaisons peptidiques résidus d’acides aminés dipeptides tripeptides oligopeptides polypeptides Les protéines peuvent contenir une ou plusieurs chaînes polypeptidiqes Les protéines sont des polymères qui peuvent contenir jusqu’à 5000 acides aminés Dans la nature il existe 20 acides aminés différents

Les monomères d’acides nucléiques sont des nucléotides Les nucléotides sont composés d'un sucre, d'une base azotée hétérocyclique et d'au moins un groupe phosphoryle Nitrogenous base (A) Phosphate group Sugar

Les cinq bases principales dans des acides nucléiques A, G, T, C are present in DNA A, G, U, C are present in RNA

L’ADN contient le désoxyribose tandis que l’ARN contient le ribose

Les acides nucléiques se forment par l'établissement d'une liaison covalente entre le groupe phosphoryle d'un nucléotide et le groupe hydroxyle du sucre d'un autre nucléotide (liaison phosphodiestère):

Structure de la double hélice de l’ADN: deux brins complémentaires et antiparallèlles Hydrogen bonding between complementary base pairs (A-T or G-C) holds the two strands together

B. Processus métaboliques La plupart des réactions biochimiques font partie d’une voie métabolique: S A B P E1 E2 E3 E4 etc Voies cataboliques - par lesquelles les nutriments et substances cellulaires sont dégradés afin de fournir de l’énergie Voies anaboliques - synthèse de biomolécules à partir de molécules plus simples

ATP + H2O ADP + HPO42- L’énergie nécessaire aux processus anaboliques est fournie grâce au catabolisme, essentiellement sous forme d’adénosine triphosphate (ATP): ATP + H2O ADP + HPO42- Des processus qui consomme de l’énergie, comme la contraction musculaire dépendent de l’hydrolyse de l’ATP. Ainsi, les processus anaboliques et cataboliques sont couplés entre eux via la monnaie de l’énergie biologique universelle, l’ATP

5 L’ORIGINE DE LA VIE La vie sur Terre a dû apparaître il y a 4 milliards d’années en trois étapes: L’évolution chimique au cours de laquelle des simples molécules ont réagi pour former des polymères organiques complexes 2. L’organisation spontanée de ces polymères pour donner des entités capables de se répliquer 3. L’évolution biologique aboutissant à la complexité des formes modernes de vie

Les trois stades de l’évolution de la vie

B. L’évolution chimique Expérience de Stanley Miller et Harold Urey (1953) simulant les effets d’éclairs d’orage dans l’atmosphere réductrice primitive (H2O, CH4, NH3, H2). La solution obtenue à la fin contenait des composés organiques hydrosolsolubles comme des acides aminés. Les bases des nucléotides peuvent aussi être synthétisées dans des conditions prébiotiques (en présence d’HCN). La vie est née probablement suite à la formation de molécules d’ARN autoréplicatives

Pourquoi un cours de biochimie en faculté de médecine? 1. Compréhension approfondie de la physiologie 2. Compréhension approfondie de la physiopathologie 3. Compréhension du mode d’action des médicaments: tous les médicaments agissent en se liant quelque part dans l’organisme à une protéine ou à un acide nucléique!