MACROMOLECULES PROTEINES ACIDES NUCLEIQUES

Molécules de PM > ou très largement > 1000 Structure complexe et précise à 3 ou 4 niveau d’organisation primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire* forme définitive et souvent « active » de la molécule Responsables des fonctions les plus caractéristiques de la cellule vivante : assemblage des constituants cellulaires catalyse des transformations chimiques production de mouvements hérédité

Les fonctions des macromolécules  informations apportées par les macromolécules qui elles-mêmes de l’enchaînement des sous-unités par liaisons covalentes  de la structure tridimensionelle des interactions entre molécules ou entre différentes parties de la molécule par liaisons non covalentes (ioniques, hydrogènes ou de van der Waals) Constante de liaison ou d’affinité

Processus d’interactions moléculaires Diffusion due à l’agitation thermique Itinéraire aléatoire distance proportionnelle à la racine carrée du temps Mouvement constant Translocation : mvt d’une molécule d’un endroit à un autre Vibration : mvt rapide de va et vient d’atomes liés de façon covalente rotations Formation du complexe Immédiate : vitesse de formation limitée par diffusion Plus lente : nécessite des forces de liaison non covalentes Notion de constante d’équilibre (v formation et dissociation sont égales) = constante d’affinité

PROTEINES

Liaison peptidique:permet la construction des protéines à partir des 20 acides aminés

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

Les protéines sont des molécules très variées: On peut imaginer: 3,6 millions de protéines différentes de 10 acides aminés chacune, 1,3 milliards de 15 acides aminés, 15,5 milliards de 25 acides aminés. Si on assemblait au hasard 129 acides aminés piqués au hasard parmi les 20, il y aurait une chance sur 20129 d'obtenir du lysosyme.

Les protéines sont des molécules très variées: On peut imaginer: 3,6 millions de protéines différentes de 10 acides aminés chacune, 1,3 milliards de 15 acides aminés, 15,5 milliards de 25 acides aminés. Si on assemblait au hasard 129 acides aminés piqués au hasard parmi les 20, il y aurait une chance sur 20129 d'obtenir du lysosyme.

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

Hexokinase Insuline Lysosyme

Figure 2.17 p. 50 Certaines parties de la protéine peuvent adopter une forme régulière = structure secondaire: Feuillet bêta Hélice alpha Pas de conformation régulière Forme finale = structure tertiaire

Feuillets bêta Hélices alpha Acétylcholinestérase

Feuillets bêta en jaune Hélices alpha en violet

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 

Protéines globulaires et fibreuses (p. 51) La plupart des protéines ont une forme compacte (comme un petit nuage) = protéines globulaires Certaines sont longues et filiformes (formées d'une seule hélice alpha). Elles peuvent s'associer entre elles pour former des fibres résistantes = protéines fibreuses

chromatographie

Électrophorèse principe méthodes

Méthodes physiques d’analyse des protéines

Principales fonctions des protéines 1. Structure, support mécanique 2. Régulation du métabolisme 3. Mouvement 4.Transport de molécules 5. Défense de l'organisme 6. Transport membranaire 7. Métabolisme (les enzymes)

1. Structure et support mécanique 2. Régulation 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Transport membranaire 7. Métabolisme Les protéines fibreuses forment des fibres résistantes. Ex. le collagène et la kératine

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.

2. Régulation du métabolisme : les hormones 1. Structure 2. Régulation du métabolisme : les hormones 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Transport membranaire 7. 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. Régulation 3. Mouvement 4. Transport 5. Immunité 6. Transport membranaire 7. Métabolisme L'hémoglobine : transporte l'oxygène La myoglobine : transporte l'oxygène dans les muscles L'albumine sérique : transporte le gras dans le sang

6. Transport membranaire 1. Structure 2. Régulation 3. Mouvement 4. Transport 5. Immunité 6. Transport membranaire 7. 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. Métabolisme : les enzymes 1. Structure 2. Régulation du métabolisme 3. Mouvement 4.Transport 5. Immunité 6. Transport membranaire 7. Métabolisme : les enzymes 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. Ex. Pourquoi le sucrose ne se défait-il pas en glucose et fructose dans votre café alors qu'il le fait rapidement dans votre intestin?

L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction Figure 2.20, p. 54 Mode d'action d'une enzyme L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction

Chaque réaction est catalysée par une enzyme spécifique. La cellule ne peut vivre qu'en effectuant des milliers de réactions chimiques différentes. Chaque réaction est catalysée par une enzyme spécifique. Quelques centaines des milliers de réactions qui se déroulent dans la cellule. Chaque point représente une substance chimique. Les traits entre les points représentent la transformation chimique d'une substance en une autre. Chacune de ces réactions est catalysée par une enzyme spécifique.

L'enzyme ne peut fonctionner que si elle possède une forme parfaitement adaptée à la ou aux molécules qu'elle catalyse. Les enzymes, comme toutes les protéines globulaires, peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme Enzymes sensibles: aux températures élevées au pH trop élevé ou trop faible Une protéine dénaturée ne peut plus remplir sa fonction.

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.

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

ACIDES NUCLEIQUES ADN - ARN

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides Présents chez tous les êtres vivants * *Cas particulier des virus chez lesquels peut se trouver un seul acide nucléique ADN = acide desoxyribonucléique molécule de l’hérédité ARN = acide ribonucléique molécule de la synthèse des protéines

Nucléosides et nucléotides

Structure d’une chaîne d’acide nucléique

ADN Contient sous forme codée toutes les informations relatives à la vie d'un organisme vivant, du plus simple au plus complexe, viral, procaryote ou eucaryote (bactérien, végétal, animal). Un organisme eucaryote est constitué de plusieurs milliers de milliards de cellules. Ces cellules ont toutes un rôle particulier, et forment les organes, les muscles, la peau... Dans chaque cellule on retrouve un noyau, et dans ce noyau, de l'ADN, le même ADN, quelle que soit la cellule. Sous forme de pelotes, l'ADN est aggloméré en chromosomes. L'homme en porte 23 paires dans ses cellules. Si le contenu de l'ADN humain était mis sous forme d'une encyclopédie, il faudrait à peu près 500 volumes de 800 pages chacun.

ADN Une molécule d'ADN se présente sous la forme d'une double hélice enroulée. Cette double hélice est une macromolécule composée de 150 milliards d'atomes. C'est en fait un motif identique tout le temps répété caractéristique de la composition des nucléotides : groupement phosphate, sucre (désoxyribose) base azotée, C'est d'ailleurs le sucre qui donne son nom à l'ADN, tout comme pour l'ARN l'acide ribonucléique.. Dans l'ensemble des 23 paires de chromosomes, on décompte approximativement trois milliards de bases azotées.

ADN structure Ce qui différencie un motif d'un autre est la nature de la base azotée. Le sucre et le phosphate sont identiques.

- à l’intérieur d’une simple chaîne  repliement en hélice. La forme en double hélice est due à l'existence de nombreuses interactions dans la molécule. - à l’intérieur d’une simple chaîne  repliement en hélice. entre chaque hélice : deux à deux, les bases azotées sont associées par liaisons hydrogènes. Ceci assure la stabilité de l'ensemble. Cette capacité d’attraction spécifique a des conséquences importante dans les fonctions des acides nucléiques. On parle d’appariement des bases Il existe une interaction à deux liaisons hydrogènes entre Adénine et Thymine Il existe une interaction à trois liaisons hydrogènes entre Guanine et Cytosine Les trois structures classiques sont les formes A et B (la plus courante) composées d'hélices droites emmêlées en torsade, tandis que la forme Z est composée d'hélices gauches. La forme B contient 10 bases par tour, un tour d'hélice correspond à 34Å.

Réplication de l’ADN L’ADN sert de matrice à sa propre duplication. La réplication s’effectue par polymérisation d’une nouvelle chaîne complémentaire sur chacune des chaînes parentales Comme le nucléotide A ne pourra réussir à s’apparier qu’avec T et G avec C, chaque brin d’ADN peut déterminer la séquence de nucléotides de son brin complémentaire. De cette façon, la double hélice d’ADN peut être copiée avec précision

Reconnaissance ADN - protéines Dans l’organisation des hélices, il apparaît deux sillons, à peu près également creusés mais plus (grand sillon) ou moins (petit sillon) larges. Les chaînes de phosphodiesters sont proéminentes dans la structure. Le fond des sillons est composé d'atomes appartenant aux bases ; chaque paire de base est apparente dans le petit comme dans le grand sillon. Les sillons sont tapissés d'atomes différents pour chaque paire de bases GC ou AT qui peuvent interagir avec des composants extérieurs aux acides nucléiques, comme les nucléases, les enzymes de restriction, les facteurs de transcription, les polymérases... Ces protéines interagissent donc avec des atomes qui peuvent donner ou accepter des liaisons hydrogènes, ou d'autres qui sont plus (méthyle) ou moins (hydrogène) encombrants, orientés dans la suite de la séquence et reconnaissent donc spécifiquement une séquence nucléique et sa séquence complémentaire. En fait des torsions de la molécule d'ADN (qui font que l'axe de l'hélice devient courbe) ou des tensions entre spires (qui éloignent certaines et en rapprochent d'autres) jouent tout autant sur la reconnaissance ADN-protéines

ARN Une molécule d'ARN se présente sous la forme d'une hélice simple Cette hélice utilise le même motif de construction que l’ADN, soit la succession de nucléotides formés de phosphate, de sucre (ribose) et de bases azotées, C'est également le sucre qui donne son nom à l'ARN : acide ribonucléique.. Dans ce cas, les bases sont également au nombre de 4 liées par liaisons H comme dans l’hélice de l’ADN: cytosine et guanine, adénine et uracile.

Structure de la molécule d’ARN

SYNTHESE DES PROTEINES

Une fonction de la cellule est de se reproduire quand on le lui de demande (facteurs de croissances). Lorsqu'elle doit se reproduire, elle se dédouble en se dupliquant. L'ADN de la cellule mère est reproduit à l'identique pour former l'ADN de la cellule fille. Une autre fonction de la cellule est de produire les protéines nécessaires à sa structure et à son fonctionnement. L’information sur la construction des protéines est incluse dans le code génétique porté par les nucléotides de l’ADN. L’ADN est traduit en protéines par l’intermédiaire de l’ARN qui joue le rôle de traducteur du message génétique Pour traduire cet ADN en protéine, les quatre lettres A, C, G et T s'associent en mot de trois lettres (GGA, CTA...) pour former un codon.

Dans l’ADN eucaryote, la plupart des gènes sont découpés en un certain nombre de régions codantes plus petites (exons) interrompues par des régions non codantes (introns). Quand un gène eucaryote est transcrit de l’ADN en ARN, les exons et introns sont copiés pour produire le transcrit primaire d’ARN Les introns sont éliminés par épissage (introns excisés et exons liés entre eux) dans une réaction catalysée par des complexes ribonucléoprotéiques snRNP ARNm migre alors vers le cytoplasme

L’expression de l’information génétique stockée dans l’ADN implique que la séquence linéaire des nucléotides soit traduite en une séquence colinéaire d’acides aminés. 1) segment limité d’ADN copié en chaîne complémentaire d’ARN. 2) transcrit primaire d’ARN épissé pour supprimer les séquences d’introns ARNm. 3) traduction en protéines par un ensemble de réactions complexes qui se déroulent sur un ribosome (ARNt et ARNr).

Chaque ARNt porteur d’un anticodon donné est spécifique d’un acide aminé donné Site anticodon

Ribosome Structure microscopie électronique

Synthèse des protéines sur les ribosomes

Hypothèse sur l’évolution Cellules initiales : ARN = fonctions génétiques, structurales, catalytiques Actuellement : ADN = génétique Protéines = structure et catalyse ARN = messager dans la synthèse protéique et catalyseur de réactions cruciales (ribozymes)

Le code génétique Conséquence : toute modification de nucléotide  protéine anormale ou absente

La synthèse des protéines est régulée à différents niveaux ADN : inhibiteurs, inducteurs, promoteurs… ARN : épissage Protéine : modifications post traductionnelles catabolisme