Chapitre 2 Biochimie et Biosynthèse. A Composition chimique des cellules 1.Les cellules sont...

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