Partie SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du

Partie SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

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Partie SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

Chap 1 : Les constituants du vivant

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Important, à savoir

Pour comprendre

Schéma à savoir faire

Très important, à maîtriser parfaitement

Partie SV-D : Organisation fonctionnelle des molécules du vivant

Chap 1 : Les constituants du vivant

Introduction : Définition du vivant ?

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Les trois grands domaines du vivant

http://acces.ens-lyon.fr/

EUBACTERIES

EUCARYOTES

ARCHEES

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Les trois grands domaines du vivant

▲ Embryophytes

► Eumycètes

◄ Métazoaires

► Divers unicellulaires

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EUCARYOTES

EUBACTERIES ARCHEES

Campbell, 2012

Les niveaux d’organisation du vivant

6Raven et all, 2011

Les niveaux d’organisation du vivant

7Raven et all, 2011

Les niveaux d’organisation du vivant

8Raven et all, 2011

On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

Rés : gouttelettes d’eau sur les parois du tube

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

Rés : gouttelettes d’eau sur les parois du tube Int : le muscle contient de l’eau (évaporée sous l’effet de la chaleur, puis recondensée sur les parois du tube).

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

Rés : gouttelettes d’eau sur les parois du tube Int : le muscle contient de l’eau (évaporée sous l’effet de la chaleur, puis recondensée sur les parois du tube).

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

Rés : gouttelettes d’eau sur les parois du tube Int : le muscle contient de l’eau (évaporée sous l’effet de la chaleur, puis recondensée sur les parois du tube).

Rés : résidu carboné au fond du tube

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On chauffe un morceau de muscle dans un tube à essais

Rés : gouttelettes d’eau sur les parois du tube Int : le muscle contient de l’eau (évaporée sous l’effet de la chaleur, puis recondensée sur les parois du tube).

Rés : résidu carboné au fond du tubeInt : le muscle contient des molécules carbonées (transformées lors de la combustion).

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◄Doc. 1 : Comparaison de

l'abondance de certains éléments

chimiques dans la croûte terrestre et

dans les tissus animaux.

Alberts et all, 2011

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◄Doc. 1 : Comparaison de

l'abondance de certains éléments

chimiques dans la croûte terrestre et

dans les tissus animaux.

H, C, N et O représentent environ

96% de la biomasse (= masse de

matière vivante).

Na, Mg, P, S, Cl, K, Fe et Ca

représentent environ 4% de la

biomasse.

Les autres éléments (Cu, Zn, Mn,

I…) sont présents en très faibles

quantités mais sont indispensables

au fonctionnement de certaines

molécules. Ce sont des

oligoéléments.

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20

Rappel :

Masse

▲Doc. 2 : L'élément carbone, 18 à 20% en masse de la matière vivante.

Masse d'un atome de C = 12 Daltons

Dalton (Da) = unité utilisée pour exprimer les masses moléculaires en biologie, équivalente à des g.mol-1

1Da = masse d’un atome d’hydrogèneAlberts et all, 2011

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Rappel : les atomes sont associés par des liaisons covalentes

▲Doc. 3

La liaison covalente double s’établit par la mise en commun de quatre électrons

Liaison covalente pure : les nuages électroniques sont répartis de façon symétrique autour des deux atomes

Liaison covalente polarisée : le nuage électronique se répartit préférentiellement autour de l’atome le plus électronégatif et les deux atomes portent des charges partielles d+ et d-.

La liaison covalente simple s’établit par la mise en commun de deux électrons

La liaison de coordinence est une liaison covalente simple où les deux électrons partagés proviennent du même atome

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Longueur de quelques liaisons covalentes :

C-H : 0,107 nmC-C : 0,154 nmO-H : 0,096 nmC-O : 0,143 nmC-N : 0,147 nmN-H : 0,100 nm

C=C : 0,135 nm

C=O : 0,122 nm

Longueur moyenne =

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Longueur de quelques liaisons covalentes :

C-H : 0,107 nmC-C : 0,154 nmO-H : 0,096 nmC-O : 0,143 nmC-N : 0,147 nmN-H : 0,100 nm

C=C : 0,135 nm

C=O : 0,122 nm

Les liaisons covalentes sont des liaisons fortes(énergie de liaison = plusieurs centaines de kJ.mol-1)

et de courte distance .

Les liaisons doubles sont plus fortes et plus courtes que les liaisons simples

Longueur moyenne = 0,1 nm

La géométrie des liaisons covalentes:des angles de liaison spécifiques

25Alberts et all, 2011

La géométrie des liaisons covalentes:des angles de liaison spécifiques

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doublets non liants

109,5°104,45°

La géométrie des liaisons covalentes:des angles de liaison spécifiques

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doublets non liants

Carbone tétraédrique

109,5°104,45°

La géométrie des liaisons covalentes: des possibilités plus ou moins importantes de rotation autour de la liaison

C2H6

(Ethylène) C2H4

Carbones Hydrogènes

28Alberts et all, 2011

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Délocalisation des électrons dans les molécules à doubles liaisons conjuguées

▲Doc. 4 : Le benzène, une molécule comportant des doubles liaisons conjuguées, stabilisée par résonance.

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Les atomes des molécules du vivant sont associés par des interactions faibles = interactions électrostatiques

Les interactions électrostatiques sont des liaisons faibles(énergie de liaison de 1 à 100 kJ.mol-1),

et la distance entre les deux atomes est plus importante que dans les liaisons covalentes

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Liaison ionique Protéine

Les interactions électrostatiquesrésultent de l’attraction de 2 groupes polaires (charges partielles d)

ou chargés (charges complètes), de charges opposées.

La liaison ionique s’établit entre deux atomes portant des charges opposées.

La liaison hydrogène s’établit entre deux atomes électronégatifs, dont un des deux établit une liaison

covalente avec un H. Energie = f(1/r4)

Les forces d’attraction de Van der Waalss’établissent entre atomes proches.

Energie = f(1/r7)

Alberts et all, 2011

▼Doc.5 :

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Les molécules d'eau sont des dipôles électriques, associés par des liaisons hydrogène

33Alberts et all, 2011

4 liaisons hydrogène par molécule d’eau théoriquement possibles

Mais en réalité 2,3 liaisons hydrogène en moyenne par molécule d’eau 34

Les molécules d'eau sont des dipôles électriques, associés par des liaisons hydrogène

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Eau liquide Eau solide

L’association des molécules d’eau par des liaisons hydrogèneest responsable de certaines propriétés physiques :

- les molécules d’eau sont cohésives

- l’eau liquide a une densité et une viscosité importantes, et est quasiment incompressible

- l’eau se dilate quandelle gèle

Le gerris marche sur l’eau sans couler grâce à la tension superficielle due aux

liaisons H entre les molécules d’eau

L’eau est transportée sur des hauteurs très importantes dans les arbres grâce à sa cohésion

Le lombric a un hydrosquelette

La glace flotte sur l’eau

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L’association des molécules d’eau par des liaisons hydrogèneest responsable de propriétés thermiques particulières:

- l’eau a une forte capacité thermique massique1 cal. g-1.K-1 = 4,18 J.g-1.K-1

- l’eau a une forte chaleur de vaporisation2,26 kJ.g-1

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Les molécules polaires et chargées sont hydrophiles et solubles dans l’eau

A : Interaction d’ions avec des molécules d’eau (interactions

électrostatiques). B : Interaction d’une molécule polaire avec des molécules d’eau

(liaisons hydrogène).

▲Doc. 6 : Interactions avec les molécules d'eau responsables de la solubilité des molécules hydrophiles.

Alberts et all, 2011

38

Les molécules apolaires sont hydrophobes et insolubles dans l’eau

▲Doc. 7 : Comportement d'un groupement apolaire dans l'eau.

Alberts et all, 2011

39▲Doc.8 : Quelques exemples de molécules biologiques

Force des liaisons en fonction du milieu

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41

L’eau organise les molécules apolaires qui se regroupent par des interactions hydrophobes

Etat instable, l'encombrement des radicaux apolaires entraînant la rupture d'un grand nombre de liaisons H entre les molécules d'eau.

▲ Doc. 9 : En milieu aqueux, les molécules apolaires sont rapprochées par des interactions faibles = les interactions hydrophobes.

Etat plus stable où le nombre de liaisons H

rompues est minimisé.

Alberts et all, 2011

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L’eau est un milieu réactionnel dans lequel peuvent se dérouler de nombreuses réactions acido-basiques

- l’eau est une molécule amphotère

- l’eau est un solvant dans lequel peuvent se dérouler de nombreuses réactions acido-basiques

eau 1

molécules minérales 20

petites molécules organiques 800

macromolécules organiques 5000

Inventaire approximatif du nombre d’espèces chimiques différentes dans une cellule de type Eubactérie ( procaryote)

Dans une cellule eucaryote , on peut dénombrer jusqu’à 10 000 macromolécules différentes.

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44

La diversité des molécules organiques est due à la diversité des groupes fonctionnels portés par les atomes de carbone

Raven et all, 2020

45▲Doc.8 : Quelques exemples de molécules biologiques

46

Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’isomérisation

Isomères = molécules de même formule brute mais ayant

→ un enchaînement d’atomes différent = isomères de constitution

→ un enchaînement d’atomes identique mais une représentation spatiale différente = stéréoisomères

. de configuration (obtenus par rupture de liaisons) : énantiomères et diastéréoisomères. de conformation (obtenus par rotation autour de liaisons simples)

Voir cours de chimie

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’isomérisation

▼Doc. 8 : Deux oses, le glucose et le fructose

48

Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’isomérisation

▼Doc. 8 : Deux oses, le glucose et le fructose

◄L’équilibre céto-énolique

49

Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’isomérisation

▼Doc. 8 : Deux oses, le glucose et le fructose

◄L’équilibre céto-énolique

▲Doc. 10 : Les énantiomères des oses et des acides aminés, des molécules chirales

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions acido-basiques

R-COOH + H2O = RCOO- + H3O+

R-NH2 + H2O = RNH3+ + OH-

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions acido-basiques

Des réactions d’hydratation

R-COOH + H2O = RCOO- + H3O+

R-NH2 + H2O = RNH3+ + OH-

R-CH=CH-R’ + H2O = RCH2-CHOH-R’

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions entre groupes fonctionnels

Acide carboxylique + alcool → ester

Acide carboxylique + thiol → thioester

Alcool + groupement phosphate → phosphoester

Groupement phosphate + groupement phosphate → phosphoanhydre

Acide carboxylique + groupement phosphate → acylphosphate

Acide carboxylique + amine → amide

Aldéhyde ou cétone + alcool→ hémiacétal

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’oxydoréduction

Une réaction d’oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle se produisent deséchanges d'électrons entre 2 couples oxydant/réducteur.C’est la somme des 2 demi-réactions mettant en jeu chacun des 2 couples rédox.L’oxydant du couple avec le plus fort oxydant est réduit (il gagne des électrons), et le réducteurde l’autre couple est oxydé (il perd des électrons).

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’oxydoréduction

Une réaction d’oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle se produisent deséchanges d'électrons entre 2 couples oxydant/réducteur.C’est la somme des 2 demi-réactions mettant en jeu chacun des 2 couples rédox.L’oxydant du couple avec le plus fort oxydant est réduit (il gagne des électrons), et le réducteurde l’autre couple est oxydé (il perd des électrons).

Un couple redox est caractérisé par son potentiel standard d’oxydoréduction E° (en V) Plus il est faible plus le réducteur du couple est fort, plus il est fort plus l’oxydant du couple est fort.

▲Doc. 11

Voir cours de chimie

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Les molécules organiques sont diversifiées par les nombreuses réactions chimiques se produisant

dans les solutions aqueuses intracellulaires

Des réactions d’oxydoréduction

Une réaction d’oxydoréduction est une réaction au cours de laquelle se produisent deséchanges d'électrons entre 2 couples oxydant/réducteur.C’est la somme des 2 demi-réactions mettant en jeu chacun des 2 couples rédox.L’oxydant du couple avec le plus fort oxydant est réduit (il gagne des électrons), et le réducteurde l’autre couple est oxydé (il perd des électrons).

Un couple redox est caractérisé par son potentiel standard d’oxydoréduction E° (en V) Plus il est faible plus le réducteur du couple est fort, plus il est fort plus l’oxydant du couple est fort.

▲Doc. 11

Couple acide carboxylique/aldéhydeCouple aldéhyde/alcool primaireCouple cétone/alcool secondaire

Voir cours de chimie