La chimie de la vie

I) L’organisation chimique fondamentale de la vie

A) La composition chimique de la matière

B) La formation et la fonction des molécules

II) L’eau, molécule qui permet toute forme de vie

III) Le carbone et la diversité moléculaire de la vie

IV) Structure et fonction des macromolécules

A) Les polymères

1) Synthèse et dégradation des polymères

2) La diversité des polymères

B) Les glucides

1) Les monosaccharides et les disaccharides

2) Les polysaccharides

C) Les lipides

1) Les graisses

2) Les phosphoglycérolipides

3) Les stéroïdes

D) Les protéines

1) Les polypeptides

2) Conformation et fonction d’une protéine

E) Les acides nucléiques

1) Les rôles des acides nucléiques

2) La structure des acides nucléiques

3) La double hélice d’ADN

4) L’ADN et les protéines : reflets de l’évolution

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La plupart des documents proviennent de « Biologie » , de Neil Campbell et Jane Reece, Pearson Education 7ème édition

La composition chimique de la matière

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Matière : tout ce qui occupe un espace et qui possède une masse (Ex. : pierres, métaux, pétrole, gaz, humains). Elément : substance impossible à décomposer en d’autres substances plus simples au cours d’une réaction chimique (Ex. : or, cuivre, carbone, oxygène)

Natrium = sodium

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La composition chimique de la matière

La matière vivante est principalement formée de 4 éléments : O, C, H, N

Eléments traces : éléments en quantité infime mais pas moins essentiels (Ex. : Fer, I)

Composé : substance formée de 2 ou plusieurs éléments combinés dans des proportions définies (Ex. : NaCl = métal + gaz toxique, sel de table)

96%

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La formation et la fonction des molécules

Atome : plus petite unité de matière possédant les mêmes propriétés que l’élément auquel il appartient (1 million d’atomes pour tracer le diamètre d’un «. ») Même symbole que l’élément, neutre électriquement (électrons=protons)

Électron -e

Proton +e (Z) Neutron (N)

Nucléons A

Z X

L’élément est l’ensemble de tous les atomes qui possèdent le même nombre de protons Les ions ne sont pas des atomes (Ex. : Na+, Cl-) Existence d’isotopes (nbr neutrons ) même élément, pas même atome (Ex. : Carbone 12, 13 et 14)

Noyau atomique

X : élément chimique

Z : numéro atomique A : nombre de masse

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La formation et la fonction des molécules

Les atomes se combinent de façon à former des molécules et des composés ioniques Ils sont retenus par des forces d’attraction appelées liaisons chimiques Liaison covalente (très forte) Liaison ionique (forte) Liaison intermoléculaire (faible, force de Van der Waals et liaison hydrogène)

H2O : liaison covalente

Cristal de chlorure de sodium : liaison ionique

Liaison hydrogène entre 2 molécules d’eau

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La formation et la fonction des molécules

La formation et la rupture des liaisons chimiques constituent les réactions chimiques

+

2H2 + O2 2 H2O

Réactifs Réaction Produits

Une molécule possède une taille et une forme tridimensionnelle caractéristiques = fonction de la molécule

Modèle compact

Tous les organismes sont composés et ont besoin d’eau (pas plus d’une semaine pour l’Homme)

Les cellules contiennent 70% à 95% d’eau (H2O)

Les liaisons hydrogène entre les molécules d’eau donne 4 propriétés qui contribuent à maintenir l’environnement terrestre propre à la vie

- Cohésion (→tension superficielle, ex. : dôme du verre d’eau, marcher sur l’eau)

- Stabilisation de la température (réservoir thermique, absorption et libération de chaleur)

- Isolation et survie d’espèces sous la glace qui flotte (dilatation à l’état solide, ex. bouteille d’eau au congélo)

L’eau, molécule qui permet toute forme de vie

- Solvant fondamental de la vie (sucre dissout dans l’eau = solution aqueuse)

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8 8

Le carbone et la diversité moléculaire de la vie

Saccharose (C12H22O11) Cholestérol (C27H46O)

Le carbone constitue l’élément fondamental des êtres vivants Il entre dans la biosphère grâce à l’action des Végétaux qui captent l’énergie solaire pour convertir le CO2 en molécule de la vie (photosynthèse) transmise ensuite aux Animaux qui consomment les Végétaux…(chaîne alimentaire) Il forme 4 liaisons covalentes avec d’autres atomes (O, H, N…) Les macromolécules sont constituées d’un squelette de carbone sur lequel d’autres atomes vont se ramifier

C

Formule développée

Formule à boules et à bâtonnets

Formule moléculaire

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Le carbone et la diversité moléculaire de la vie

L’ATP (Adénosine triphosphate) est une importante source d’énergie pour les processus cellulaires.

Adénosine Groupement phosphate

Lorsqu’une molécule d’ATP perd un groupement phosphate (ADP, adénosine diphosphate), l’énergie libérée peut-être utilisée par les cellules.

P P P P Adénosine

ATP

i + P P Adénosine

ADP

+ Énergie

HO

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Les polymères Les macromolécules sont des polymères ( « plusieurs parties ») synthétisés à partir de monomères

1 2 3 HO H H

H2O

OH 1 2 3 4

Condensation H2O Hydrolyse

Ex. : digestion

H

4 classes selon le monomère : glucides, lipides, protéines et acides nucléiques Diversité et infinité des polymères

+ Enzymes et énergie

Structure et fonction des macromolécules

Déshydratation

Les glucides saveur sucrée, « -ose »

Sources d’énergie (la dégradation libère de l’ATP) et matériaux de structure

Les monosaccharides

Monomères, (CH2O)n, sources d’énergie et de carbone

Les disaccharides

Association de deux monosaccharides par une liaison glycosidique (maltose=2glucoses « bière », lactose=glucose+galactose, saccharose=glucose+fructose)

Les polysaccharides

Macromolécules constituées d’un très grand nombre de monosaccharides L’amidon réserve des Végétaux ; le glycogène principale réserve de glucose dans le foie et le muscle des Animaux ; la cellulose, structure des Végétaux

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Glucose

Représentation cyclique

Les lipides Ne sont pas des polymères

pas ou peu d’affinité pour l’eau (hydrophobes)

10-15% matière sèche

Les graisses Composées de glycérol et de 3 acides gras (longue chaîne d’hydrocarbures HC)

Aussi appelé triacylglycérol ou triglycéride

Les graisses saturées : pas de liaisons doubles, beaucoup d’hydrogène, Ex. : saindoux ou beurre, solides à température ambiante

Les graisses insaturées : plusieurs liaisons doubles (mono- ou poly-), Ex. : huile d’olive, liquides à température ambiante

Emmagasiner de l’énergie dans les cellules adipeuses

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Les phosphoglycérolipides

Les stéroïdes

Composés de glycérol, 2 acides gras et un groupement phosphate

Queue hydrophobe et tête hydrophile

Formation de micelles ou bicouche (cf. membrane cellulaire)

Squelette carboné formé de 4 cycles accolés

Molécule hydrophobe considéré comme lipide

Le cholestérol est le précurseur des hormones sexuelles

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Bicouche

Cholestérol

Phosphatidylcholine ou lécithine (jaune d’œuf, foie)

Les protéines

55-85% matière sèche

Rôle structural (collagène, kératine…), rôle fonctionnel (hémoglobine…), rôle régulateur (enzymes, hormones…), constituent des réserves (albumine…), interviennent dans la défense de l’organisme (anticorps…) ou la motricité (actine, myosine…)…

Structure tridimensionnelle unique

Les polypeptides

Polymères d’acides aminés élaborés à partir de 20 acides aminés différents

Une protéine = 1 ou plusieurs polypeptides

Chaque acide aminé s’associe à un autre par une liaison peptidique

Grande diversité des protéines

Cf. Séquençage en biotechnologies 14

C H

COOH

R

NH2

Fonction acide

Fonction amine

Radical

Acide aminé

Chaîne latérale caractéristique

Les polypeptides

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Un acide aminé est caractérisé par sa chaîne latérale

Hydrophile (polaire)

Neutre

Acide

Basique

Hydrophobe (apolaire)

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La séquence des acides aminés détermine la conformation tridimensionnelle que la protéine prendra. De cette configuration unique dépend sa fonction.

Il existe 3 niveaux d’organisation.

La structure primaire correspond à la séquence linéaire d’acides aminés déterminée par l’information génétique

Conformation et fonction d’une protéine

Conformation et fonction d’une protéine

La chaîne polypeptidique présente des enroulements et des repliements dus aux liaisons hydrogène. Ces motifs constituent la structure secondaire.

Hélice a, enroulement autour d’un axe

Feuillet plissé b, association parallèle des chaînes

La structure tertiaire de la protéine correspond à la forme globale découlant de l’interaction entre les chaînes latérales d’acides aminés différents (Ex. : régions hydrophobes et hydrophiles, ponts disulfure).

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Conformation et fonction d’une protéine

Certaines protéines sont composées de plusieurs chaînes polypeptidiques chacune constituant une sous-unité. La structure quaternaire résulte des interactions entre ces sous-unités

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Conformation et fonction d’une protéine

Un changement dans la structure primaire d’une protéine peut avoir des conséquences énormes : modification de sa conformation et de sa fonction

Ex. : Anémie à hématies falciformes ou drépanocytose ; substitution d’un seul acide aminé en position 6 de la chaîne b de l’hémoglobine

La conformation d’une protéine dépend également des conditions physiques et chimiques. Si ces conditions sont modifiées, elle peut se dérouler et perdre sa configuration originelle, c’est une dénaturation. La protéine devient biologiquement inactive

Cf. cours génétique

Les acides nucléiques Emmagasinent et transmettent l’information génétique

La structure primaire des protéines est déterminée par une unité d’information génétique appelée gène composé d’ADN

Les rôles des acides nucléiques

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ADN : acide désoxyribonucléique, matériel génétique transmis à la descendance ; chaque chromosome est une longue molécule d’ADN portant des milliers de gènes ARNm : acide ribonucléique messager, intermédiaire entre l’ADN (noyau) et les protéines (cytoplasme) Chaque gène dirige la synthèse d’un ARNm qui permet la synthèse d’une polypeptide spécifique grâce aux ribosomes

Cf. cours cellule et génétique

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La structure des acides nucléiques

Polymères de nucléotides = polynucléotides

Chaque nucléotide est composé d’un pentose (ribose dans l’ARN et désoxyribose dans l’ADN) uni par une liaison covalente à un groupement phosphate et à une base azotée : Adénine, Guanine, Cytosine et Thymine dans l’ADN ou Uracile dans l’ARN Chaque brin est polarisé, extrémité 5’ et extrémité 3’

La double hélice d’ADN

L’ADN est composé de 2 chaînes enroulées en spirale autour d’un axe imaginaire formant ainsi une double hélice

Les 2 chaînes sont dites antiparallèles car les directions 5’-3’ sont opposées

Chaque gène occupe un segment particulier

La séquence entre les deux brins est complémentaire (A-T, G-C)

Un brin sert de modèle pour en former un autre donnant 2 exemplaires identiques au final (cf. réplication)

L’ADN est dénaturé par la température, il devient monocaténaire, l’inverse s’appelle l’hybridation

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L’ADN et les protéines reflet de l’évolution

L’ADN et les protéines d’enfants de mêmes parents se ressemble davantage

Gorille Gibbon Macaque Souris Grenouille

Humain 1 2 8 27 67

Tableau indiquant le nombre d’acides aminés différents dans l’hémoglobine de différentes espèces par rapport à l’hémoglobine humaine contenant 146 acides aminés

La biologie moléculaire offre aux chercheurs un nouvel outil pour évaluer la filiation entre les espèces