Chapitre 2 Biochimie et Biosynthèse

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1 Chapitre 2 Biochimie et Biosynthèse

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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 =

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

8 Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en grammes) de 6
Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en grammes) de 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).

9 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

10 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

11 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)

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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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!

18 Géométrie des liaison covalentes
carbone azote oxygène eau propane

19 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

20 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)

21 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

22 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.

23 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

24 Les liaison ioniques sont réduites en milieux aqueux

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

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

27 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

28 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

29 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

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

31 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

32 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

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

34 Énorme variété des polysaccharides
disaccharides de 2 D-glucose

35 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

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

37 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

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

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

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

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

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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 BASE SUCRE + = NUCLEOSIDE

48 BASE SUCRE + + PHOSPHATE = NUCLEOTIDE

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

50 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

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

52 2’-désoxyadénosine 5’-monophosphate
Adénine Phosphate H 2’-désoxyribose 2’-désoxyadénosine 5’-monophosphate dAMP

53 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’

54 Structure de l’ATP (adenosine triphosphate)

55 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

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

57 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

58 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

59 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

60 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

61 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

62 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

63 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

64 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

65 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

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

67 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

68 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)

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

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

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

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

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

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

75 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

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

77 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

78 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° ln [B] [A] Une partie de DG dépend de la concentration des réactifs Exprimé en Kcal/mole

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

80 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]

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

82 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°= = -8 Kcal/mole

83 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

84 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

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

86 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

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

88 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 électron Un proton est relargué dans le milieu Réduction de la molécule 2

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

90 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

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

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

93 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

94 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

95 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

96 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

97 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

98 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

99 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

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

101 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

102 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

103 glucose GLYCOLYSE

104 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

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

106 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

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

108 Chapitre 2 Biochimie et biosynthèse
FIN