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Chapitre 2Biochimie et Biosynthèse
A Composition chimique des cellules
1. Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes
2. La couche externe des atomes détermine les interactions de atomes
3. Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’éléctrons
4. Les liaisons covalentes se forment par partage d’éléctrons
Composition chimique des cellules
5. L’eau est le principal composant des cellules
6. Certaines molécules polaires forment des acides ou des bases dans l’eau
7. 4 types de liaisons non-covalentes lient les molécules
8. La cellule contient 4 variétés de petits composants organiques
Composition chimique des cellules
9. La cellule contient 4 variétés de petits composants organiques
10.La biochimie est dominée par des macromolécules aux propriétés remarquables
11.Les liaisons non-covalentes déterminent la forme des macromolécules et leur capacité à se lier à d’autres molécules
1. Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes
neutron électronproton
atome de carbone atome d’hydrogène
nombre atomique = 1nombre atomique = 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
nombre d’Avogadro: Nombre d’atome dans 1 gramme d’hydrogène = 6.1023
dalton: poids atomique de l’hydrogène
isotopes: différentes formes physiques chimiquement équivalentes d’un même élément (p ex 12C et 14C)
Mole (d’un élément, d’une substance): masse (en grammes) de 6.1023 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).
1. Les cellules sont composées d’un petit nombre de types d’atomes
• 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
abondance relative (%)
nombre atomique couche électronique
2 8 8 18Nombre d’électrons de la couche complète
Gaz inertes
Na+
K+
Ca++
Mg++
3. Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’électrons
liaison covalente liaison ionique
partage d’électron transfert d’électron
molécule ion positif ion négatif
atomes atomes
(souvent polarisée)
Valence: nombre d’électrons qu’un atome doit gagner ou perdre pour avoir une couche électronique externe saturée
3. Les liaisons ioniques se forment par gain/perte d’électrons
Na (11) Cl (17)ion sodium (Na+)
cationion chlorure (Cl-)
anion
Chlorure de sodium (NaCl)
NaCl: cristaux de sels soluble dans l’eau
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
4. Longueur des liaisons covalentes
Distance séparant les noyaux de 2 atomes
Force de Van der Waals à l’équilibre à ce point, qui correspondà la longueur de la liaison covalente
énergie
répulsion
attraction
La longueur d’une liaison covalente est inférieure à la somme des rayons des
atomes reliés
Liaison covalente O-Hdistance 0.96 A
rayonde H 1.2 A
rayonde O 1.4 A
4. Énergie des liaisons covalentes
Quantité d’énergie qui doit être apportée pour rompre la liaison(en Kcal/mole)
liaison non-covalentedans l’eau
hydrolyse de l’ATPdans la cellules
liaison C-C
oxydation complète du glucose
agitation thermiquemoyenne
Échelle logarithmique!
Géométrie des liaison covalentes
oxygène azote carbone
propane
eau
Il existe différentes formes de liaisons covalentes
oxygène
eauéthane
éthène
Liaison simple/double Liaison polaire
formation d’un dipôle
partage de 2 électrons
partage de 4 électrons
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)
6. Certaines molécules polaires forment des acides ou des bases
dans l’eauacide acétique
les protons se déplacent d’une
molécule d’eau à l’autre
ion hydronium
ion hydroxyl
ion acétateeau
L’eau pure a un pH de 7 ([H3O] = [OH-]= 10-7M)
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.
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 90
Non covalente-Ionique-Hydrogène-Van der Waals-hydrophobe
0.25
0.30
0.35
80
4
0.1
3
1
0.2
Les liaison ioniques sont réduites en milieux aqueux
atome donneur atome accepteur
liaison covalente 0.1nm liaison hydrogène ~0.2 nm
Comment des interactions non-covalentes assurent la liaison de 2
molécules
8. La cellule contient 4 variétés de petits composés organiques
•
1: SUCRES POLYSACCARIDES
2: ACIDES GRAS GRAISSE, LIPIDES,
MEMBRANES
3. ACIDE AMINES PROTÉINES
4. NUCLÉOTIDES ACIDES NUCLÉIQUES
Petits composés: poids moléculaire 100 à 1000 (<30 c)
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
1
Les sucres sont des hydrates de carbones (CH2O)n
H O
C
C
C
C
C
OH
H
H
H
OH
OH
OH
aldose
Hexoses C6H1206
H
C OH
C
C
C
C
C
H
OH
H
H
H
O
OH
OH
OH
H
aldehyde cétone
cétose
glucose fructose
2
3
4
5
6 CH OH
H
H
Les sucres sont des hydrates de carbones (CH2O)n
Le glucose
1
23
4
5
6
O OCH2OH CH2OH
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)
Position ou de l’hyrdoxyl lié au carbone qui porte le groupe cétone ou
aldéhyde
OH
OH
O O
hydroxyl hydroxyl
Les sucres sont les sous-unités des polysaccharides
condensation hydrolyse
Liaison réactive glycosidique dans un dissacharide
monosaccharide monosaccharide
Énorme variété des polysaccharides
disaccharides de 2 D-glucose
Rôles des sucres
• Glucose– monomère: source centrale d’énergie– polymère: glycogene = stockage d’énergie
• Support mécanique– cellulose (glucose)– chitine (N-acetyl-glucosamine)
• Glycoprotéines, glycolipides
Les acides gras sont les principaux composants des membranesextrémité hydrophile: acide carboxylique
queue hydrophobe hydrocarbonée
acide palmitique =acide gras saturé
Fonctions des lipides
• Collection de molécules insolubles dans l’eau, solubles dans la graisse et dans les solvants organiques
1. Réserve d’énergie: 6X par rapport aux sucres sous forme de triglycérides
2. Formation des membranes : couches bi-lipidiques de phospholipides
Triacyl-glycerol
H2C O
H2C O
H2C O
H2C OH
H2C OH
H2C OH
C
O
C
O
C
O
glycérol triacylglycerol
Structure des phospholipides
CH2 CH CH2
O
PO O
groupe hydrophile (alcohol)
phosphate
glycerol
acides gras
O
Organisation des membranes bi-lipidique
phospholipide2 queues hydrophobiques
d’acide gras
tête hydrophile
eau
bi-couche phospholipidique
Les acides aminés sont les sous-unités des protéines
Groupe amine Groupe carboxyle
Forme non ionisée
Forme ionisée
Carbone chaîne latérale
ALANINE
Les polypeptides ont une polarité structurelle
Extrémité N-terminal
Extrémité C-terminal
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
Les nucléotides comportent 2 types de base
12
3
4
5
6
N
N
7
8
9
N
N
PURINEAdenineGuanine
N
12
3
4
5
6
N
PYRIMIDINEThymineCytosineUracile
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
HH
HOCH2
H H
O OH
OH H
1’
2’3’
4’
5’
-D-2’-désoxyribose
HH
HOCH2
H H
O OH
OH OH
1’
2’3’
4’
5’
-D-Ribose
les nucléotides comportent un pentose…
ARN ADN
BASE SUCRE+ = NUCLEOSIDE
PHOSPHATEBASE SUCRE+ +
= NUCLEOTIDE
Les nucléotides sont les sous-unités des acides nucléiques
CH2
OH OH
O
NH2
O O
O
O
PO
N
SUCRE
BASEPHOSPHATE
base nucléoside abréviation nucléotide
ADENINE ADENOSINE A AMP, dAMP
GUANINE GUANOSINE G GTP
CYTOSINE CYTIDINE C
THYMINE THYMIDINE T
URACILE URIDINE U UDP
PURINES
PYRIMIDINES
Adénosine 5’-monophosphateAMP
Adénine
Ribose
Phosphate
OH
2’-désoxyadénosine 5’-monophosphatedAMP
Adénine
2’-désoxyribose
Phosphate
H
chaîne d’ADN
Séquence d’ADNPar convention lue de 5’ vers 3’
Groupe 5’ phosphate libre
Groupe 3’OH libre
Extrémité 3’
Extrémité 5’
Liaison phosphodiester 5’-3’
Structure de l’ATP (adenosine triphosphate)
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
10. Les liaisons non covalentes définissent la structure
tridimensionnelle d’une molécule
Beaucoup de conformations instables
Une conformation stable repliée
10 Rôles des liaisons covalentes et non-covalentes dans la formation des
macromoléculesMACROMOLECULESSOUS-UNITÉS
ASSEMBLAGEMACROMOLECULAIRE
protéine globulaire,ARN
Liaisons covalentes
sucres, acide aminés,nucléotides
ribosome
Liaisons non-covalentes1. ioniques2. hydrogène3. van der Waals4. hydrophobe
Biochimie et Biosynthèse
A. Composition chimique des cellulesB. Catalyse et utilisation de l’énergie par les
cellules1. Il existe deux types de voies métaboliques
couplées (anaboliques et cataboliques)2. L’agencement ordonné dans la cellule est
rendu possible par la production de chaleur par la cellule
3. Les cellules tirent leur énergie de l’oxydation des molécules organiques
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules
4. Les oxydations et les réductions correspondent à des transferts d’électrons
5. Les enzymes abaissent les barrières qui bloquent les réactions chimiques
6. La diffusion des substrat permet leur rencontre avec les enzymes
7. Les changements d’énergie libre détermine si une réaction peut survenir ou non
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules
8. Les transporteurs d’énergie activés sont essentiels pour la biosynthèse
1. ATP: anénosine tri-phosphate2. NADP: nicotinamide adenine dinucléotide3. NADPH: nicotinamide adenine dinucléotide phosphate4. Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle
9. La synthèse des polymères biologiques demande un apport d’énergie
10. Les aliments sont dégradés en 3 étapes pour produire de l’ATP
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules
11.Les organismes emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers
12. Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote
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
Deux types de voies métaboliques fonctionnent en sens opposé dans les
cellules
VOIES CATABOLIQUES
VOIES ANABOLIQUES(BIOSYNTHÈSE)
énergie utilisable
aliments molécules qui constituent la cellule
sous-unités de biosynthèse
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
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
l’océan de matière cellule
augmentation de désordre diminution du désordre
CHALEUR
Respiration = oxydation des C et des H des molécules organiques
PHOTOSYNTHÈSE RESPIRATION
PLANTESALGUES
BACTERIES
LA PLUPARTDES ORGANISMES
énergie solaire
énergie librechimique
Sucres et autres matières
organiques
sucres sucres
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)
Oxydation et réduction
atome 1 atome 2réduit
formation d’une liaison
covalente polaire
molécule
+
-
atome 1oxydé
atome 2
A + e- + H = AHhydrogénation =
réduction
AH - e- - H+ = Adéshydrogénation =
oxydation
Oxydation et déshydrogénation
L’énergie d’activation
Énergie d’activation pour aller de
X à Y
Réaction chimique
En
erg
ie t
ota
le
Les enzymes diminuent l’énergie d’activation des réactions chimiques
Caractéristiques des enzymes
• Catalyseur = accélérateur• Affinité: vitesse de dissociation
Sélectivité• Site catalytique = site actif• Ré-utlisable
Site actif
molécule A(substrat)
molécule B(produit)
La diffusion rapide des substrats permet aux enzymes d’être actifs
Déplacement au hasard
Mouvements moléculaires1. Vibration2. Rotation3. Translation
Petite molécule organique: 50m /sec
La perte d’énergie libre augmente l’entropie
G négatifG positif
Réaction spontanée possible
Réaction qui doit être couplée à une autre réactionénergétiquement favorable
Niveau d’énergie libre
La concentration des réactifs influence G
MÊME CONCENTRATION DE DÉPART
Molecules A Molécules B
La conversion de A en B est énergétiquement favorable
La concentration des réactifs influence G
Molécules A Molécules B
A l’équilibre, autant de molécules A se transforment en molécules B que l’inverse
L’EXCES DE MOLECULES B COMPENSE LA FAIBLE VITESSE DE CONVERSION B A
Le changement d’énergie libre à 37°C
Une partie de G est indépendante
de la concentration des réactifs
Une partie de G dépend de la concentration des réactifs
G = G° + 0.616 ln [B]
[A]
0.616 = RT = constante des gaz X température
absolue
Exprimé en Kcal/mole
La constante d’équilibre d’une réaction dépend de la valeur de G°
G° = - 0.616 ln [B]
[A]
À l’équilibre G = O
= e -G°/0.616 = K [B]
[A]
Relation entre K et G°
K= [B]
[A]
Constante d’équilibre énergie libre de B – énergie libre de A
(Kcal/mole) G°
102 -2.8
1 0
10-2 2.8
Un enzyme accélère une réaction sans changer son point d’équilibre
Réaction non catalysée Réaction catalysée
Dans des réactions séquentielles, les G s’additionnent
Point d’équilibre de la réaction Y Z
Point d’équilibre de la réaction X Y
X
Y
Z
X
Y
Point d’équilibre de la réaction séquentielle X Z
G°= +5Kcal/mole G°= -13 Kcal/mole
G°= +5 -13 = -8 Kcal/mole
Y Y
Les transporteurs d’énergie activés sont essentiels pour la biosynthèse
ENERGIE
ALIMENTS
molécules disponibles dans la cellule
molécules nécessairesà la cellule
Réaction énergétiquement
favorable
Réaction énergétiquement
défavorable
Transporteur activé
ENERGIE
ALIMENTSOXYDES
L’activation d’un transporteur d’énergie est couplée à une réaction
énergétiquement favorable
G négatifG positif
Réaction spontanée possible
Réaction qui doit être couplée à une autre réactionénergétiquement favorable
Niveau d’énergie libre
enzyme
transporteur d’énergie
transporteur d’énergieactivé
L’ATP est le transporteur d’énergie le plus universel
Liaisons phosphoanhydres
Phosphate Inorganique (Pi)
G°= -11 à -13 Kcal/mole
L’énergie stockée dans l’ATP peut servir à joindre 2 molécules
ETAPE D’ACTIVATION
ETAPE DE CONDENSATION
Intermédiaire de haute énergie
Produits d’hydrolyse
de l’ATP
glutamineacide glutamique
ammonium
Liaison phosphoester
L’hydrolyse complète de ATP peut fournir 13 kcal + 13 kCal = 26 kcal
NAD+ et NADP+ = 2 transporteurs d’électrons à haute énergie essentiels
Oxydation de la molécule 1
Réduction de la molécule 2
Transfert de 2 électrons à haute énergie
+ 1 proton
Enlèvement de 2 H
Le NADP fixe un ion hydride:1 H + 1 électron
Un proton est relargué dans le milieu
Transfert d’un ion hydride
Ce phosphate est absent dans le NAD+ et le NADH
anneaunicotinamide
oxydé réduit
Les transporteurs d’énergie sont associés à des voies métaboliques
différentes
NAD NADP
voies
cataboliques
voies
anaboliques
NAD+ /NADH élévé
Receveur d’énergie
NADP+ /NADPH bas
Source d’énergie
Acéyl CoA: un transporteur d’acétyle
groupe acétyle
CoA groupe acétyle
Liaison de haute énergie
La synthèse des polymères biologiques demande un apport d’énergie
énergie provenant de l’hydrolysed’un nucléoside triphosphate
glycogène
glycogène liaisonglycosidique
La synthèse des polynucléotides se déroulent en plusieurs étapes, avec hydrolyse complète
de l’ATP
polynucléotide à 2 nucléotides
polynucléotide à 3 nucléotides
Produit de l’hydrolyse complète de l’ATP
nucléosidemonophosphate
Intermédiaire de haute énergie
= polynucléotide tri-phosphate
Il existe 2 orientations de polymérisation des polymères
biologiquespolymérisation apicale
polymérisation caudale
p.ex. proteinesacides gras
p.ex. polysaccharidespolynucléotides
Chaque monomère apporte une liaison énergétique
pour lier le suivant
Chaque monomère apporte une liaison énérgétique
pour se lier lui-même
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)
transporteurs activés
Dissipation totale de l’énergie en chaleur
sucre O2+ sucre O2+
1. Digestion enzymatique des aliments
protéines polysaccharides graisses
acides grasglycérol
sucres simplesacides aminés
glucose
ÉTAPE 1DIGESTION
DES MACROMOLÉCULES EN SOUS-UNITÉS
SIMPLES
HORS DE LA CELLULE
2. Glycolyse
acides grasglycérol
sucres simplesacides aminés
glucose
ETAPE 2GLYCOLYSE
DECOMPOSITION DES SOUS-UNITÉS EN
ACÉTYL CoAACCOMPAGNEE D’UNE PRODUCTION LIMITEE
D’ATP ET DE NADH
DEBUTE DANS LE CYTOSOL
S’ACHEVE DANS LAMITOCHONDRIE
glyco
lyse
ETAPE 3OXYDATION
COMPLETE DE ACÉTYL CoA
EN CO2 ET H2O ACCOMPAGNEE D’UNE FORTE PRODUCTIOND’ATP ET DE NADH
DANS LAMITOCHONDRIE
membranes mitochondriales
membrane plasmatique
déchets
Ph
os
ph
orylatio
n
oxid
ative
acides grasglycérol
sucres simplesacides aminés
pyruvate
NADH réducteurs
3. Phosphorylation oxydative
cycle de Krebs
La glycolyse produit de l’ATP sans dépendre
d’02
une molécule de glucose
fructose 1,6-biphosphate
2 molécules de glyceraldéhyde
3-phosphate
2 molécules de pyruvate
apportd’énergie
rupture d’un
sucre à 6C en 2 sucres
à 3C
productiond’énergie
La fermentation permet la production soutenue d’ATP en l’absence d’ 02
glyco
lyse
CYTOSOL
lactate
La phosphorylation oxydative permet de récupérer l’énergie des sucres et
des graisses
sucres poly-saccharides
graisses
sucres glucose pyruvate
acides gras
acetyl coA
MITOCHONDRIE
CYTOSOL
pyruvate
acides gras
PHOSPHORYLATIONOXYDATIVE
Membrane plasmique
NADH
30 ATP
H+
GLYCOLYSE
1 glucose 2 ATP
La chaîne de transport des
électrons de la mitochondrie
protéine membranaire
électron de forte énergie
électron de faible énergie
Création d’un gradient Transmembranaire de H+
INTERIEUR DE LA MITOCHONDRIE
CYTOSOL
glucose
GLYCOLYSE
Les cellules emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers
liaison 1,4 glycosidiquedu squelette
liaison 1,6 glycosidique
de branchement
Le glycogène
Les cellules emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers
Les graisses
Biochimie et Biosynthèse
B. Catalyse et utilisation de l’énergie par les cellules
11.Les organismes emmagasinent l’énergie dans des réservoirs particuliers
12. Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote
Les acides aminés et les nucléotides font partie du cycle de l’azote
ACIDES AMINES ESSENTIELS
Chapitre 2Biochimie et biosynthèse
FIN