Les Molécules du Vivant Dr Maisonneuve

Unité du vivant La seule vie connue est formée de cellules; Toute vie connue repose sur l’ADN; Les cellules se ressemblent d’un être vivant à un autre; Formées des mêmes atomes; Formées des mêmes organites; Mode de fonctionnement semblable d’une cellule à l’autre. Transfert possible des fonctionnalités d’un organisme à l’autre

Quelques définitions importantes Molécules : 2 ou plusieurs atomes regroupés par une ou des liaisons chimiques Macromolécules : Un grand nombre d’atomes regroupés par une ou des liaisons chimiques (grosse molécule). Composé inorganique : Matière minérale, qui ne comprend que du carbone sous forme carbonate Composé organique : Composé à base de carbone qui forme les être vivant.

Rappels

Atome L’atome est le constituant élémentaire de la matière, c’est le fragment le plus petit qui permet de différencier un élément chimique d’un autre. Un atome est une entité constituée d’un noyau et d’électrons en mouvement dans le vide autour du noyau.

Atome Le noyau de l’atome est composé de particules appelées nucléons constitués de : protons, chargés positivement, et de neutrons, électriquement neutres. Autour du noyau gravitent d'autres particules chargées négativement, les électrons Les électrons d’un atome se déplacent à grande vitesse et à grande distance autour du noyau.  Ils n’ont pas de trajectoire bien définie. C’est pour cela que l’on parle de nuage électronique.  .

Nomenclature Les atomes se différencient par leur nombre d'électrons, de protons et de neutrons Par définition, il est défini par son nombre de protons, un nombre entier correspondant aussi au numéro atomique noté Z. Ce nombre correspond également au nombre d’électrons car ces deux valeurs étant toujours égales du fait de la neutralité de l’atome

Atome Les atomes sont représentés par des symboles :   En général, la première lettre du nom écrite en majuscule. On rajoute parfois une deuxième lettre écrite en minuscule pour éviter les confusions.   On trouve les symboles de tous les atomes dans la classification périodique -     Le symbole du noyau s’obtient à partir du symbole de l’atome correspondant. Exemple : Symbole de l’atome d’hydrogène : H,  -    

Les atomes

Valence La valence d'un atome fixe de façon précise le nombre d'atomes auquel cet atome peut se lier... Si un atome a une valence de 1, il ne pourra se lier qu'à un seul atome. Si sa valence est de 4, il pourra se lier au maximum avec 4 atomes

Isotopes Des atomes sont isotopes si leurs noyaux possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons. L’Hydrogène a 3 isotopes : H = hydrogène 2H ou D = deutérium a un neutron 3H ou T = tritium a deux neutrons Ces isotopes ont les mêmes propriétés chimiques mais se distingue par une masse différente mais surtout une stabilité différente qui confère à certains isotopes un caractère radioactif.

Ions Un ion provient d’un atome ou d’un groupement d’atomes ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons (plus grande stabilité).   Un anion (ion chargé moins) résulte de la capture d’un ou plusieurs électrons. Cl – : L’ion chlorure provient d’un atome de chlore ayant gagné 1 électron. On peut dans ce cas écrire   Un cation (ion chargé plus) résulte de la perte d’un ou plusieurs électrons. Na + : L’ion sodium provient d’un atome de sodium ayant perdu 1 électron. On peut donc écrire dans ce cas :

Les liaisons atomiques et moléculaires Les atomes et les molécules qui constituent la matière vivante sont liés entre eux par 5 types de liaisons covalente, ionique, polaire, de Van der Waals et hydrophobe

La liaison covalente. Ce type de liaison est le plus intense qui puisse exister entre deux atomes. La liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient. Le terme de covalence signifie que la liaison résulte de la mise en commun d'une valence de chaque atome

La liaison ionique. La liaison ionique résulte de l'attraction entre une espèce positive (cation) et une espèce négative (anion). La stabilité de la liaison est assurée par l'interaction électrostatique

La liaison hydrogène (ou liaison polaire) liaison hydrogène : liaison intermoléculaire, plus faible qu’une liaison de valence, qui ne s’établit qu’entre certaines molécules et qui implique toujours un atome d’hydrogène ; dans l’eau, les molécules d’eau sont " associées " par liaison hydrogène.

La liaison de Van der Waals C'est la liaison la plus faible de toute. Dans une liaison covalente, la paire d'électron se déplace. Les deux atomes vont donc porter en alternance et de façon transitoire, une charge positive et une charge négative. Une autre molécule (ou une autre partie de la molécule) va donc être très faiblement attirée par cette charge transitoire. Cette liaison est très faible, mais dans le cas des macromolécules, leur nombre élevé (dû au nombre élevé d'atomes impliqués) va produire au total une force importante.

La liaison hydrophobe (ou liaison apolaire). Cette liaison est en réalité une non liaison, c'est une conséquence de la liaison polaire. Dans un liquide polaire, les molécules vont tenter d'établir le maximum de liaisons entre elles. Si des molécules apolaires sont rajoutées à la solution, leur présence perturbe la formation de ce réseau de liaisons et elle vont en être rejetées. les molécules apolaires se regroupent comme si les molécules apolaires s'attiraient, MAIS ce sont les molécules polaires qui les repoussent. Les molécules uniquement apolaires sont rares dans la nature, ce sont principalement les hydrocarbures. Mais plus fréquemment des molécules mixtes comportant une extrémité polaire et une autre apolaire, ces molécules sont dites amphiphiles

Généralités 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 H, O et C s’assemblent pour donner les lipides et les glucides C, H+, O et N s’assemblent pour donner les acides aminés et donc les protéines, mais aussi les nucléotides et donc lesacides nucléiques support de l’information génétique

Les Glucides

Les glucides Source d’énergie directement utilisée par les cellules; Seule source d’énergie utilisable par le cerveau.

Généralités Les glucides les unités de base sont les sucres simples appelés oses ou monosaccharides ce sont des composés de formule brute Cn(H20)p, « hydrates de carbone » Ils ont dans la même molécule une fonction réductrice aldéhyde ou cétone et d'au moins une fonction alcool Ils interagissent fortement avec l’eau

Nomenclature Les monosacccharides Glucides simples (CH2O)n, n étant compris entre 3 et 5 Ces monosaccharides peuvent être phosphorylés n= 3 triose (exemple pyruvate) n=5 pentose (exemple ribose et désoxyribose), n=6 hexose (exemple glucose).

Monosaccharides: glucose, fructose et galactose

Nomenclature Les disaccharides Formés de deux monosaccharides (exemple le saccharose, le lactose, le maltose) Les oligosaccharides Glucides comportant 3 à 15 monosaccharides Les polysaccharides Polymères ramifiés formés d’unités osidiques comme le glycogène qui est une forme de stockage du glucose (foie muscle)

Maltose : glucose - glucose Lactose : glucose - galactose 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%)

Polysaccharides: amidon, glycogène et cellulose

Rôle des glucides Source d’énergie Le glucose est le principal composé nutritif de la cellule Participent à la formation d’autres molécules Associés à des bases azotées cycliques et à des groupements phosphate ils forment les nucléotides qui eux-mêmes conduiront aux acides nucléiques (ADN et ARN)

Rôle des glucides S’associent à des lipides (glycolipides) et des protéines (glycoprotéines) molécules souvent présentes dans la membrane cellulaire Molécules responsables de la reconnaissance de soi (complexe majeur d'histocompatibilité) Molécules d’adhérence cellulaire Molécules circulant dans le sang (ex : facteur de coagulation)

Lipides

Définition

Les lipides Les trois principaux lipides de l’organisme sont : Les triglycérides Les stéroïdes Les phospholipides Vitamines A, D, E et K Adipocytes

Lipides Les molécules biologiques insolubles dans l'eau (hydrophobes) appartiennent à la classe des lipides. Les lipides sont presque tous des esters d'acides aliphatiques à chaînes longues (acides gras) avec différents alcools : glycérol, cholestérol, Les lipides sont les constituants essentiels des membranes biologiques. Par leur imperméabilité ils permettent de limiter les différents compartiments des cellules.

Les lipides Les lipides simples composés uniquement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène Le glycérol Les acides gras Les lipides complexes sont des lipides simples liés à des molécules de sucre, d'acides aminés ou des radicaux contenant du phosphore ou du soufre. phospholipides, lécithines, sphingomyéline

Lipides simples Les acides gras Longues Chaines hydrocarbonnées avec un groupement carboxylique terminal CH3 (CH2-CH2)n –COOH où « n » est habituellement compris entre 14 et 24

Lipides On distingue dans leur structure : Une chaîne hydrophobe Une fonction acide : hydrophile

lipides

Propriétés Peu solubles dans l’eau Solubles dans les solvants organiques et alcool

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.

Triglycérides Triglycérides ou tri-acyl-glycérols, sont constitués par 3 acides gras reliés à une molécule de glycérol (= 98% des lipides) L’association des acides gras avec un groupement énergétique le coenzyme A conduit à la formation d’un acyl coA. Le plus petit acide gras lié à un CoA est l’acétyl CoA

1. Triglycérides

Rôle des lipides Source d’énergie 1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide Les lipides sont des composants des membranes biologiques Les phospholipides Les glycolipides Les stéroïdes dont cholestérol, hormones stéroïdes : testostérone et oestrogènes, cortisol, hormones thyroïdiennes, Vitamine D par exemple

Lipides complexes Les lipides complexes sont les constituants essentiels des membranes biologiques. Par leur imperméabilité ils permettent de limiter les différents compartiments des cellules.

Les phospholipides 2 acides gras (au lieu de trois) 1 groupement contenant du N et du P Font partie de la membrane cellulaire.

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

Acides Aminés et protéines

Acides aminés Généralités Il existe 20 acides aminés La chaîne « R » est soit hydrophile soit hydrophobe

Les protéines Les protéines sont des polymères d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques (structure primaire)

Structure des protéines (1) Structure primaire: ordre des acides aminés le long de la chaîne polypeptidique. (2) Structure secondaire: repliement local des acides aminés en hélices, en feuillets, ou en d'autres formes similaires. (3) Structure tertiaire: agencement stable dans l'espace de ces hélices et feuillets. (4) Structure quaternaire: agencement des sous-unités entre elles, quand la protéine est constituée de plusieurs sous-unités indépendantes (comme l'est par exemple l'hémoglobine).

Structure primaire Chaque acide aminé est lié au suivant par un lien peptidique La chaîne polypeptidique n'est pas branchée; elle forme un unique filament étiré le premier acide aminé de la chaîne : 5’=l' extremité N-terminale Le dernier résidu de la chaîne celui dont le groupement carboxylique reste libre = en 3', ou à l'extrémité C-terminale.

Structures II, III, IV

Modifications post traductionnelles Les protéines subissent d'abondantes modifications pendant et après leur synthèse Ces modifications peuvent servir... (a) à la régulation de l'activité des protéines (b) à leur étiquettage pour qu'elles soient reconnues par des partenaires métaboliques ou par des systèmes de dégradation (c) à les ancrer dans une membrane (d) à les faire participer à des cascades de signalisation (e) à leur adressage pour qu'elles se rendent au bon endroit dans la cellule (f) à définir une identité immunologique (comme les groupes sanguins) etc, etc.

ADN-ARN

GENERALITES

Généralités Les molécules biologiques qui contiennent l'information génétique sont les acides nucléiques composés de molécules simples : l'acide phosphorique (PO4H3) des oses à 5 carbones (pentoses) des bases azotées (purines ou pyrimidines).

Phosphate inorganique Le phosphate inorganique est un ion stable formé à partir de l'acide phosphorique P04H3 (Pi) L’acide phosphorique O P OH

les oses à 5 carbones Le ribose est un pentose de la série D (ARN), Le désoxyribose, composant des acides désoxyribonucléiques (ADN) est dérivé du ribose (plus stable) Désoxy-ribose OH 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ HOH2C Ribose OH 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ HOH2C

Bases Azotées Les bases azotées des acides nucléiques appartiennent à deux classes de molécules selon leur noyau aromatique le squelette) Le noyau aromatique pyrimidine est le plus simple : 6 atomes, 4 carbones 2 azotes

Le noyau purine est constitué de deux noyaux hétérocycliques accolés, six atomes et cinq atomes

Uracile

Bases puriques Si le noyau est une purine Les bases puriques sont au nombre de 2 : l'adénine la guanine.

Bases pyrimidiques Si le noyau est une pyrimidine Les bases pyrimidiques sont au nombre de 3 : la cytosine, l'uracile et la thymine. 4 carbones et 2 azotes.

Bases Azotées Les bases azotées sont conventionnellement désignées par une initiale : l'adénine par A la guanine par G …. La liaison d'une base azotée avec un des sucres donne un nucléoside.

NUCLÉOTIDE = ose + base azotée + acide phosphorique La liaison d'une base azotée avec un des sucres donne un nucléoside Chaque nucléoside peut être lié à un, deux ou trois phosphates Il forme alors un nucléotide (ATP, ADP, .. 4’ 1’ 5’ 5’ 3’ 2’ 3’ Liaison 3’OH-5’P

Un nucléotide est constitué d'une base purique (Adénine (A),Guanine (G) ou  pyrimidique  (Thymine (T),Cytosine (C), et d'un  pentose (désoxyribose) estérifié par un phosphate

NUCLÉOTIDE = ose + base azotée + acide phosphorique Groupement phosphate 5’ 1’ 4’ Sucre 3’ 2’

LES Acides Nucléiques Les acides nucléiques sont formés par une polycondensation de nucléotides

Structure de l’ADN

L'ADN est une macromolécule très longue, constituée d'un grand nombre de désoxyribonucléotides.     Les bases puriques et pyrimidiques recèlent l'information génétique les groupes phosphates jouent un rôle structural. L'ADN est un polymère linéaire composé de monomères appelés nucléotides. Si on sépare une molécule d'ADN en nucléotides, on obtient toujours : A=T et G=C

A avec T : deux liaisons hydrogène ADN : structure Hypothèse de Crick et Watson : A peut s'apparier avec T et C avec G: A avec T : deux liaisons hydrogène C avec G : trois liaisons hydrogène

Liaison Hydrogène Une liaison hydrogène est une liaison de faible énergie entre deux atomes attirés l'un vers l'autre pour des raisons électrostatiques l'un étant riche en électrons donc nucléophile l'autre n'ayant que les protons de son noyau donc électrophile.

Liaison Hydrogène

Les deux chaînes sont antiparallèles Les molécules d’ADN sont formées de deux chaînes dont les nucléotides sont hybridés deux à deux sur toute la longueur Les deux chaînes sont antiparallèles 5’-3’ 3’-5’

Les deux brins sont enroulés et forment une double hélice Les bases azotées sont tournées vers l'intérieur de la double hélice de façon à ce que chacune s'hybride avec une base de l'autre brin (A avec T, C avec G, etc..). On dit que les bases successives de chacun des brins sont complémentaires. La double hélice a un « pas » de 3,4 nm c'est à dire qu'il y a environ 10 paires de nucléotides pour chaque tour d'hélice.

Une vue perspective de la double hélice montre bien comment les bases azotées sont parallèles entre elles, leurs noyaux empilés comme des assiettes au centre de la double hélice.

Enroulement La structure évoque un « collier de perles ». L’ADN a besoin d'être protégé par des protéines lorsqu'il n'est pas utilisé comme modèle pour l'expression des gènes ou la réplication. = nucléosome La structure évoque un « collier de perles ».

Le DNA qui entoure chaque nucléosome et le relie en « collier de perles » aux nucléosomes suivants forme la chromatine

ARN

Acide Ribonucléique Pour former un acide ribonucléique les nucléotides (GMP, AMP, UMP, CMP), sont condensés les uns sur les autres avec des liaisons phosphodiester entre le carbone 3' d'un premier nucléotide et le carbone 5' du nucléotide suivant.

Selon leurs fonctions, on distingue plusieurs espèces d'acides ribonucléiques : rRNA = acide ribonucléique ribosomique, qui participe à la structure des ribosomes; tRNA = acide ribonucléique de transfert, transporteurs des acides aminés activés pour la traduction; mRNA = acide ribonucléique messager, produit de la transcription d'un gène qui porte l'information à traduire;

L’ARN diffère de l’ADN par plusieurs caractères 1) il est plus court (70 à 10 000 nucléotides). 2) le squelette de pentoses et de phosphates contient du ribose à la place du désoxyribose. 3) parmi les bases azotées l'uracile (U) remplace la thymine (T). 4) Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte distance par leurs bases complémentaires selon un ajustement au hasard (épingles à cheveux).