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COURS IFSI 2009
Les molécules
UE2.S1 Biologie fondamentale
Viviane GUILLAUME Professeur
Biochimie - Génie Biologique -Biologie médicale
1
2
Atomes
Molécules
Ions
Radicaux libres
Inorganiques Organiques
Eau
Squelette carboné
Groupements fonctionnels
Protéines Glucides Lipides Acides nucléiques
s’organisent en
peuvent être
fondamentaleréparties
composées
peuvent devenir
LA MATIERE VIVANTE ...............est composée à partir de
3
Atomes
L’atome est la plus petite unité de matière qui conserve les propriétés et les caractéristiques de son élément.
Le sodium (Na) a 11 électronsLe chlore (Cl) a 17 électrons
Ions
Quand un atome perd ou gagne un électron, il devient un « ion »
perte d’une charge
négative
cation
Un cation est un ion qui a une charge positive
anion
Un anion est un ion qui a une charge négative
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Molécules
Une molécule peut être formée de deux ou plusieurs atomes de même élément ou de deux ou plusieurs atomes d’éléments différents.
Une molécule
Une molécule de chlorure de sodium
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Liaison covalente Liaison ionique
Liaisons ChimiquesLes liaisons chimiques sont des forces qui maintiennent ensemble les atomes et qui empêchent leur séparation
Est une liaison forte par un partage d’électrons de manière équivalente
Est une liaison électrostatique moins forte par un partage
d’électrons
animations à voir sur le site suivanthttp://highered.mcgraw-hill.com/sites/0070271348/student_view0/chapter2/elearning.html
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En biochimie, donc en chimie du vivant on rencontre des liaisons chimiques - fortes qui sont les liaisons covalentes. - liaisons faibles parce qu’elle peuvent se faire et se
défaire facilement.Ce sont • les liaisons ioniques.
• les attractions de van der Waals qui dépendent de la taille des atomes.
• la liaison hydrogène
- Lorsque deux atomes se rapprochent lʼun de lʼautre, il se manifeste à partir dʼune certaine distance une attraction entre le noyau de lʼun et les électrons de lʼautre (et réciproquement).
- Cette force dʼattraction est appelée force dʼattraction de van der Waals.
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Cette liaison apparaît entre un atome déjà engagé dans une liaison d e c o v a l e n c e e t porteur d’une charge positive et un atome accepteur déjà engagé dans une liaison de covalence et porteur d’une charge négative.
Liaison hydrogène
La liaison hydrogène est représentée par des tirets entre les atomes
liaison hydrogène
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La molécule dʼeau
Molécule inorganique
animation à voirhttp://www.johnkyrk.com/H2O.fr.html
H20 formule chimique
2 atomes d’hydrogène
1 atomes d’oxygène
Les électrons ne se partagent pas de manière équivalente car l‘oxygène attire plus fortement les électrons. On dit que la molécule d’eau est polaire
δ+représente la zone électro positive (+)
δ- représente la charge électronégative
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Lʼeau est un solvant polaire
Les molécules chargées sont facilement dissoutes dans lʼeau. Ce sont des composés hydrophiles.
Les molécules non polaires sont dites hydrophobes. Elles interfèrent avec les liaisons hydrogène et les molécules dʼeau.
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Molécules hydrophiles
Les substances participant aux liaisons hydrogènes dans
l’eau sont hydrophiles et solubles dans l’eau
NaCl est dissous dans lʼeau. lʼeau hydrate les ions Na+ et Cl- et diminue ainsi leurs interactions électrostatiques en masquant leur charge.
H20
Cl-
Na+
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Molécules hydrophobes
Les molécules apolaires interrompent le réseau des liaisons hydrogène de l ’ e a u . E l l e s s o n t hydrophobes et insolubles dans l’eau
molécules d’eau
liaison Hmolécule
hydrophobe
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Lʼeau peut sʼioniser cʼest un électrolyte
H20 H+ + OH -
Lʼeau a un rôle de réactif
- Elle participe aux réactions chimiques des cellules vivantes.- Au cours des réactions chimiques, l’eau peut se
décomposer , ce type de réaction s’appelle une hydrolyse.
Un électrolyte est un composé ionique qui se dissocie en cation et en anion. Il peut conduire l’électricité.
13
14
L ʼ h y d r a d a t i o n d e s macromolécules joue un rôle essentiel dans le maintien de la s t a b i l i t é d e s s t r u c t u r e s biologiques.
Les interactions entre lʼeau et les m a c r o m o l é c u l e s s o n t essentielles dans les fonctions vitales
eau liée à la surface des molécules
eau contenue à l’intérieur des macromolécules
eau libre à distance
Notion dʼeau libre et dʼeau liée
Acides Bases et sels inorganiques
- Le chlorure d’hydrogène (HCl) qui est un acide, en solution dans l’eau s’ionise en ions H+ et Cl-.- L’hydroxyde de potassium (KOH) qui est une base, en solution dans l’eau s’ionise en OH- et H+.- Le chlorure de potassium (KCl) qui est un sel, en solution dans l’eau s’ionise en ions K+ et Cl-.
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Concept de pH
- Une solution acide est définie par le nombre d’ions H+ (concentration) qu’elle contient.- Une solution basique est définie par le nombre d’ions OH- qu’elle contient.- L’échelle des pH exprime l’acidité ou l’alcalinité d’une solution. Elle va de 0 à 14.
H+ > OH - OH - > H+H+ = OH -
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Rôles de lʼeau
- Transport des nutriments- Réactions du métabolisme catalysées par les
enzymes- Transfert de lʼénergie chimique
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L’eau et les ions minéraux
Répartition"
Globale : 60 à 70 % du poids corporel
Selon les Tissus - Os : 20 à 30 %- Muscles : 75 %- Sang : 80 %
Les secteurs hydriques
- Eau totale 60 %##- intra cellulaire : 40 %- Extra-cellulaire : 20 % interstitielle : 15 %- Plasmatique : 5%
Lʼeau est répartie en compartiments délimités par la membrane cellulaire. On distingue le compartiment intracellulaire et le compartiment extracellulaire.18
Les échanges entre les compartiments
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Les éléments majeurs
L e s a t o m e s
C, H, O , N ,P ,S
Les principaux éléments sont des composés structuraux des cellules et des tissus et sont nécessaires dans lʼalimentation journalière en
quantités de lʼordre du gramme.
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Les Constituants minéraux
- Il existe des échanges entre les milieux intra- et extra cellulaire souvent liés au mouvement de l’eau et sous contrôle hormonal.
- Les constituants peuvent exister sous plusieurs formes.
- Les ions hydratés en solution aqueuse qui interviennent dans le fonctionnement cellulaire.
- Les sels minéraux appartiennent à des structures peu ou pas solubles (sécrétion, squelette).
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Carbone
Maillon de base de toutes les molécules organiques, créé des chaînes, des cycles.
Se retrouve sous forme de HCO3- de carbonate CO3 2- provenant de CO2
Hydrogène et Oxygène
Sont très abondants, se trouvent dans la formation de l’eau et dans les fonctions oxygénées.
Alcool, acide, aldéhyde
Azote Fournit les fonctions azotées : amines, imines, amides
Phosphore
Sous forme de phosphatesH2PO4, HPO42- qui interviennent sous forme de tampons mais
aussi de composition de dérivés organiques, esters phosphoriques, énol phosphate.
La liaison chimique dans laquelle intervient le phosphate est dite à haut potentiel d’hydrolyse
ATP + H2O ADP + H3 PO4
Soufre Fonction thiol, thioester
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Cations
Na+ Principal cation extracellulaire responsable de la pression osmotique du sang.
Les échanges sont liés au mouvement de l’eau
K+ Principal cation intra cellulaire responsable de l’osmolarité cellulaire
Ca++ La plus grande partie est dans les os
NH4+Provient de NH3 très faible concentration dans
le sangNH4 + est éliminé par le rein
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Anions
Cl-Principal anion extracellulaire.
Globules rouges riches en Cl- ainsi que le suc gastrique et les sécrétions intestinales
HCO3 –CO3 2-
Les ions proviennent du CO2 des oxydations cellulaires.
H2PO4HPO42-
P
Ce couple joue un rôle important dans l’équilibre acido-basique
organique (ATP, Acides nucléiques).
SO42-Proviennent du métabolisme des acides
aminés soufrés.La teneur en sulfate est faible
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Les éléments trace « oligoéléments » les besoins sont beaucoup plus petits : quelques milligrammes par jour de Fe, Cu et Zn et même moins pour dʼautres.
Certains jouent un rôle dans la catalyse enzymatique, dʼautres dans les structures moléculaires comme le cobalt dans la vitamine B12.
Les oligo-éléments
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Les molécules organiques
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Atomes
Molécules
Ions
Radicaux libres
Inorganiques Organiques
Eau
Squelette carboné
Groupements fonctionnels
Protéines Glucides Lipides Acides nucléiques
s’organisent en
peuvent être
fondamentaleréparties
composées
peuvent devenir
LA MATIERE VIVANTE ...............est composée à partir de
Squelette carboné
chaine linéaire
chaine cyclique chaine ramifiée
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Groupements fonctionnels
On appelle groupement fonctionnel, tout groupe dʼatomes qui,
par leur arrangement particulier,
confère des propriétés nouvelles aux molécules.
Ce qui distingue les molécules entres elles cʼest justement la présence de ces groupes fonctionnels.
Une molécule peut nʼen présenter quʼun, ou plusieurs.
Théoriquement, il nʼy a pas de limites au nombre de groupements quʼune grosse molécule peut contenir.
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Les protéines
Unité de base............ Acide aminé
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Toutes les protéines sont construites à partir de 20 acides aminés différents
Chaque acide aminé diffère des autres par son radical
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Les protéines sont des polymères de plus de 50 AA Elles peuvent être classées selon différents critères.
➡ Selon la composition
- Les holoprotéines : ne sont constituées que dʼacides aminés
- Les hétéroprotéines :
✓ sont constituées dʼacides aminés et dʼun groupe prosthétique (minéral ou organique)
✓ dʼacides aminés liés de manière covalente à des glucides : « glycoprotéines »
✓ dʼacides aminés liés de manière covalente à des lipides « lipoprotéines »
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➡ Selon la forme et la solubilité
Les protéines fibreuses ou scléroprotéines allongées, associées en câbles ou en réseaux insolubles. El les assurent des rôles structuraux mécaniques.
Les protéines globulaires : ont une forme ramassée plus ou moins sphérique, solubles en général et portent la diversité des fonctions dynamiques.
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➡ Selon leur fonction
On les étudie en tant que :- protéines de structure de transport - de défense- dʼinformation - de catalyse
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Les caractéristiques spatiales de ces molécules sont fondamentales pour leur fonction.
Exemple d’un enzyme
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques, c’est -à-dire des composés capables d’activer des réactions chimiques, sans participer aux réactions dans des conditions de pression, pH, volume et température compatibles avec la vie.Leur nom se termine en -ase ils sont classés en fonction de la réaction qu’ils catalysent ( oxydases ajoutent de l’oxygène, protéases dégradent les protéines).
La saccharase en présence d’eau, au niveau du site actif (endroit particulier de la protéine où va se dérouler la réaction chimique) va couper a m o l é c u l e e n s e s d e u x composants que sont le glucose et le fructose).
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Les niveaux dʼorganisation
Les analyses ont permis de décrire une « hiérarchie » dans lʼacquisition de la structure spatiale. Cette hiérarchie est définie par les « niveaux » ou ordres ou degrés suivants
niveau 1"Structure primaire ou structure peptidique covalente Séquence ou ordre dʼenchaînement des acides aminés
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Niveau 2 Des fragments courts de séquence sʼorganisent suivant 3 ou 4 types de forme dans lʼespace. Cʼest la «structure secondaire».
A lʼorigine de cette structure la «liaison peptidique»
Les acides aminés enchaînés forment une chaîne polypeptidique qui peut prendre deux formes
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hélice α feuillet β
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Niveau 3 La structure tertiaire est la forme globale que prend la molécule.
La forme de la protéine dépend de la séquence des acides aminés qui sʼorganisent en structure secondaire soit en hélice et/ou en feuillet.
De lʼextrémité N terminale à lʼextrémité C terminale la chaîne comprend une
succession de structures secondaires différentes
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La chaîne polypeptidique sʼenroule sur elle-même (repliement).
En fonction des AA présent, différentes liaisons chimiques se forment.
Les ponts disulfures sont des liaisons covalentes chimiques solides, impossibles à couper sans une réaction chimique. Elles stabilisent la structure (liaisons fortes).
Les autres liaisons (liaisons faibles) peuvent se rompre et se reformer.40
Lʼorganisation dʼune protéine peut sʼarrêter à ce niveau, on dit que cʼest un «monomère» ou une sous-unité si la structure nʼest pas terminée.
Niveau 4 La structure quaternaire est un assemblage non covalent dʼun certain nombre de sous-unités.
La molécule d’hémoglobine
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Fonctions des protéines
Les caractéristiques spatiales sont fondamentales pour leur fonction
Fonction Exemple Rôle
Élément structural Collagène Force de tension
Transporteur Hémoglobine Transport de l’oxygène
Hormone Insuline Contrôle concentration Glucose sanguin
Récepteur Acétylcholine Induction de la contraction musculaire
Défense contre les infections Anticorps Liaison à un agent infectieux
pour le détruire
Enzymes Trypsine Dégradation protéines ingérées, dans l’intestin.
Mouvement Myosine Contractilité des muscles
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à retenir
La fonction dʼune protéine dépend de sa structure
✓ Les liaisons covalentes stabilisent lʼédifice✓ Les liaisons faibles (hydrogène, hydrophobes, van der
waals,agissent en grand nombre à distance. ✓ Elles ont un rôle dans la complémentarité des structures.
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Les glucidesLes glucides ou hydrates de carbone sont formés de
Carbone, dʼhydrogène, et dʼoxygène.Leur formule générale est Cn(H20)n
Glucides
Monosaccharides DisaccharidesCondensation de 2 monosaccharides
Petites molécules solubles
5 atomes de carbone..... pentoses
6 atomes de carbone .......... hexoses
Ribose Désoxyribose
GlucoseFructose
GalactoseMannose
Oligosaccharides 3 à 10 monosaccharidesPolysaccharides plus de 10 unités
Glycosaminoglycanes
Glycoconjugués
Glucide + protéine glycoprotéineGlucide + lipide glycolipide
3 atomes de carbone.....trioses
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Les monosaccharides
glucose mannoseglucose D glucose L
glucose forme cyclique45
Importance des monosaccharidesFonctions
PentosesRibose
désoxyribose
Éléments de la structure des acides nucléiques et de
coenzymesPentoses
Désoxyribose
Éléments de la structure des acides nucléiques et de
coenzymes
Hexoses
Glucose Principal carburant métabolique des tissus
Hexoses
Fructose Facilement métabolisable
HexosesGalactose
Synthèse dans la glande mammaire (lait)
Constituant des glycolipides et de glycoprotéines
glycoprotéines
Hexoses
Mannose Constituant des glycoprotéines
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Les disaccharides
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Les polysaccharidesIls peuvent contenir des sous-unités identiques ou
différentes et former des structures linéaires ou ramifiéesLʼamidon est un polymère du glucose composé de 2 éléments.
l’amylose l’amylopectine
➡ Cʼest le polysaccharide de réserve des plantes, il joue un rôle important dans lʼalimentation humaine.
polymères de glucose (glu-glu-glu-glu….glu)
+
48
➡ Le glycogène est le polysaccharide de réserve des mammifères que lʼon trouve dans le foie et le muscle.
1
1 4
6
- La molécule de glycogène est une sphère composée de chaînes, ramifiées et non ramifiées de 13 résidus de glucose.
- Elles sont disposées en 12 couches. (4 représentées sur le schéma)
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➡ Glycosaminoglycanes ( GAG) sont des poymères de disaccharides formés par une glucosamine ou galactosamine (sucre aminé)et un acide uronique et estérifiés par un acide (sulfurique ou carboxylique). L’ héparine : anticoagulant présent dans les granulations des mastocytes et dans la matrice extra-cellulaire.
➡ Protéoglycanes (PG) sont des GAG associés à des protéines.
- Ce sont des composants importants de la matrice extracellulaire.
- Ils retiennent une grande quantité dʼeau, ils occupent un espace qui forme un rembourrage ou un lubrifiant dans certaines structures.
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Les glycoconjugués
➡ Les glycoprotéines ou mucoprotéines sont des protéines liées par une réaction de glycosylation à des chaînes oligosaccharidiques. On en trouve dans les membranes cellulaires, dans la circulation (albumine).....
➡ Les glycolipides sont des constituants en particulier des cellules nerveuses cérébrosides, ou gangliosides
Les antigènes des groupes sanguins ABO sont des oligosaccharides présents sur des glycoprotéines et des glycolipides de la membrane du globule rouge. La spécificité du groupe sanguin est définie par le type d’oligosaccharide. Les enzymes nécessaires à leur synthèse, reçues à la naissance d’un individu, détermine son groupe sanguin A,B ,ou O.
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Fonctions des glucides
- Source importante de lʼalimentation.
- Source énergé t ique u t i l i sab le directement ou stockée sous forme dʼamidon ou de glycogène.
- Composants structuraux importants, propriétés mécaniques des tissus.
- Sécrétions
- Molécules de reconnaissance entre cellules.
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Maladies associées au métabolisme des glucides
✓ Le diabète sucré
✓ La galactosémie
✓ Maladies de stockage du glycogène
✓ Intolérance au lactose
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Les lipides
Familles de molécules définies par une propriété physique la solubilité.
du grec lipos graisses
- insolubles dans l’eau.- solubles dans les solvants polaires.
Classification biochimique
Acides gras
Lipides neutres
Phospholipides
Sphingolipides
Cholestérol et stéroïdes
Lipides de réserve Lipides membranaires
saturésinsaturés
triglycérides
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Les acides grasLes acides gras sont les unités de base des lipides de formule générale R - COOH
R = hydrocarbure à nombre variable de carbone qui donne le caractère «gras».
Acides gras saturés
Lipides de réserve
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Acides gras insaturés
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Nomenclature
Indiquer
- le nombre de carbone de l'acide gras, - le nombre de doubles liaisons, - la position, - la configuration (cis ou trans).
ex acide palmitoléique (ω7, 16 : 1, Δ9)
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Les lipides neutres
Le gycérol molécule à 3 fonctions alcool
réagit avec 1 ( 2 ou 3) acide gras (estérification)
glycérol
α monoglycéride αα’ diglycéride triglycéride
Les triglycérides sont une source importante d’énergie
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Les triglycérides sont des lipides de réserve
acides gras dans les adipocyteslipoprotéines
libération et transport
Les triglycérides alimentaires
reconditionnement
capture par les tissusdégradation production
dʼénergieénergie tissus
production dʼénergie
Réserve d’énergie
reconditionnement
intestin
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Représentation symbolique
Membrane60
Les phospholipides et les sphingolipides
Position 1 : acide gras toujours saturéPosition 2 : acide gras saturé ou insaturé
Lipides membranaires
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Les glycérophospholipides précurseurs de médiateurs
Prostaglandines, leucotriènes
Rôles physiologiques Rôles physiopathologiques
Contraction muscles lissesintestin, utérus, vaisseauxAgrégation plaquettaire
Régulation du métabolisme
InflammationFièvre
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Le cholestérol et les stéroïdes
Le cholestérol
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Les formes du cholestérol
Forme libre Forme estérifiée
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Rôles du cholestérol
Stabilisant de la membrane plasmique
Synthèse des sels biliaires
Cholestérol.... précurseur de les vitamine D
importante pour la fixation du calcium
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Cholestérol......Précurseur des hormones stéroïdes
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Fonctions des lipides
Structure Énergie
Rôles biologiques spécifiques
des membranesdes lipoprotéines
Un des carburants de lʼorganismeRéserves
HormonesVitamines
CoenzymesTransporteurs dʼélectrons
Médiateurs
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Les acides nucléiques2 types d’acides nucléiques
ADN acide désoxyribonucléique ARN acide ribonucléique
PHOSPHATESUCREBASE + +
Un nucléotide est constitué
- dʼune base azotée- dʼun sucre- dʼun phosphate
ADN et ARN sont constitués par un enchaînement «dʼunités de base» les nucléotides.
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ADN
ARNles bases azotées
les bases azotées Sucre
Sucre
Phosphate
Phosphate
Les acides nucléiques
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Nucléotides
Adénosine monophosphate - AMP
Molécule énergétique de la cellule
Adénosine diphosphate - ADP
Adénosine triphosphate - ATP
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Structure de l’ADN
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L’ ARN
l’ARNm est la copie d’un brin d’ADN contenant l’information pour la synthèse d’une protéine.
l’ARNt est le décodeur de l’information qui permet de traduire le langage ( triplet de bases) en acides aminés.
l ’ARNr fait par tie de l ’apparei l de transduction que sont les ribosomes.
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plusieurs types dʼARN
- de transfert ARNt- messager ARNm- ribosomal ARNr
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L’ADN est le patrimoine de l’information génétique
Fonctions des acides nucléiques
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animation à voir
http://nature.ca/genome/04/043/043_f.cfm
tous pareils........tous différents
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La synthèse des protéines
La synthèse des protéines est la transcription et la traduction de parties spécifiques de lʼADN pour former les protéines.
La transcription- Une enzyme appelée ARN polymérase effectue une copie de l'un de vos gènes. Afin d'établir
clairement qu'il s'agit d'une copie, elle remplace la base T (thymine) par une base suppléante : U (uracile). Cette copie se nomme l'ARN messager (ARNm).
- Les bases (A, T, G, C) sur un brin de l'ADN spécifient l'ordre des bases sur le nouveau brin d'ARNm (A, U, G, C).
- L'ADN demeure à l'intérieur du noyau, pendant que l'ARNm se déplace du noyau au cytoplasme.
La traduction
- La traduction est l'étape de la synthèse au cours de laquelle l'ARNt se fixe à l'ARNm pour traduire les bases en acides aminés dans les ribosomes.
- Les molécules d'ARNt apportent les acides aminés spécifiés, que le ribosome relie ensuite ensemble pour former une protéine.
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Testez vous ..... Jouez.......sur le site du génie du génome
site : http://nature.ca/genome/03/c/10/03c_13a_f.cfm
FIN
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