Cours dispensé aux étudiants de 2ème Bac. TL

Par Sylviane Delannay

L’objectif de ce cours est d’acquérir les notions relatives aux classes de biomolécules chez les êtres vivants et aux voies métaboliques (approche) chez les animaux, les végétaux et les microorganismes.

La théorie est illustrée dans le cadre des travaux pratiques.

Composés minéraux et organiques des êtres vivants :

les protides (acides aminés, peptides et protéines), les enzymes ; les glucides (mono-, di-, tri-, polysaccharides) ; les lipides simples et complexes ; les acides nucléiques ; les vitamines et les hormones.

Approche du métabolisme (voies cataboliques génératrices d’énergie et voies anaboliques) chez les animaux, les végétaux et les microorganismes.

Cours de Biochimie : G. SAND

Biochimie - Biochemistry : A. LEHNINGER, éd. Flammarion Médecine -Sciences, dernière édition (version française et anglaise).

Biochimie - Biochemistry : L. STRYER, éd. Freeman and company, dernière édition (version française et anglaise).

Biochimie : D. VOET & J. VOET, éd. De Boeck Université, 1998.

Biochimie structurale : C. AUDIGIE & F. ZONSZAIN, éd. Doin, 1991.

Travaux dirigés de biochimie, biologie moléculaire et bioinformatique : G. COUTOULY, E. KLEIN, E. BARBIERI & M. KRIAT, éd. Doin, 2006.

Règne des Plantes (Méthaphytes)

Règne des animaux (Métazoaires)

Règne des Protistes:- Algues (sauf Algues bleu-vert);- Protozoaires ; Protophytes;

Règne des Mycètes (Champignons)

Règne des Procaryotes- Algues bleu-vert;- Bactéries

Règne des Archés__________________________________

Virus7

» Règnes végétal et animal (organismes multicellulaires): Ils sont constitués de cellules hautement spécialisées, organisées en tissus et organes différents; ces organes sont tous dépendants au sein de l’organisme et remplissent des fonctions spécialisées.

» Règne des Protistes: Ils sont souvent unicellulaires, d’autres peuvent être pluricellulaires ou cénocytiques. Chez les Protistes multi ou pluricellulaires, les cellules ne présentent pas de spécialisation fonctionnelles.

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Procaryotes: peu ou pas d’organites cellulaires (pas de vrai noyau);

Eucaryotes:

membrane nucléaire => vrai noyau

+ de nombreux organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, mitochondries, lysosomes, chloroplastes chez organismes photosynthétiques,…

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Procaryotes:

peu ou pas d’organites cellulaires

(pas de vrai noyau);

Eucaryotes:

membrane nucléaire => vrai noyau

+ de nombreux organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, mitochondries, lysosomes, chloroplastes chez organismes photosynthétiques,…

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Réf. Matthieu SIMON

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Ces classifications se fondent sur le séquençage comparé des protéines, ARN, ADN (gènes).

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» Le principe de la technique se fonde sur l’hypothèse que des similitudes de séquences entre gènes (ADN), ARN, protéines homologues de différents organismes sont le reflet d’une origine commune. La comparaison des séquences permet de reconstituer les relations phylogéniques entre les organismes sous la forme d’un arbre dans lequel la distance qui sépare 2 gènes de leur bifurcation la plus proche est fonction du nombre de mutations requis pour rendre compte des différences de leurs séquences (idem pour ARN et Protéines).

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Microscopie électronique de particules du virus de la mosaïque du tabac

Schéma d’un virus enveloppé : le VIH

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► les composés minéraux

► les composés organiques

► composés minéraux :

► composés organiques :

protides :● acides aminés● peptides● protéines

glucides :● monosaccharides● di-, oligo-saccharides● polysaccharides

lipides :● acides gras● lipides complexes● lipides simples

acides nucléiques :● nucléotides● di-, oligo-nucléotides● polynucléotides

(ADN, ARN)

sels insolubles sels solubles eau

» ► les composés minéraux :

˃ - les sels insolubles;

˃ - les sels solubles; Na+, K+, Ca2+, Mg2+ , ….CO3

2-, HCO3-, Pi : H2PO4

-, HPO42-, PO4

3-, Cl - , ….

˃ - l’eau

► les composés organiquesles protides :

˃ - les acides aminés

˃ - les peptides

˃ - les protéines

► les composés organiques les glucides :

˃ - les monosaccharides

˃ - les di-, oligo-saccharides : saccharose

lactose maltose…

- les polysaccharides : amidon, glycogène, cellulose,…

réserve structure

► les composés organiques

les lipides :

˃ - les acides gras

˃ - les lipides complexes : comprennent différents

constituants dont un ou plusieurs acides gras

˃ - les lipides simples

Rôles des lipides :

» - réserve

» - structure

» - reconnaissance cellulaire

» - protection

► les composés organiques

les acides nucléiques :

˃ - les nucléotides

˃ - les oligonucléotides

˃ - les polynucléotides

ADN, ARN

Groupement

fonctionnel

Structure Fonction

Hydroxyle R1-OH Alcool

Aldehyde OR1-C-H

Aldehyde

Carbonyle O

R1-C- R2

Cétone

Carboxyle O

R1-C-OHAcide

Amine H

R1-N-HAmine

Amido O HR1-C-N-H

Amide

Sulfhydryl R1-SH Thiol

Ester O

R1-C-O-R2

Ester

Ether R1-O-R2 Ether

Groupements fonctionnels caractéristiques des composésorganiques.

Autres groupements fonctionnels trouvés dans les biomolécules.

De nombreuses biomolécules présentent un carbone asymétrique (C* porteur de 4 groupements différents).

La présence d’un carbone asymétrique a des conséquences :

1°) Il existe 2 manières de représenter la molécule (image l’une de l’autre dans un miroir) :

Forme (série) D ↔ Forme (série) L ;

2°) Une molécule présentant un carbone asymétrique est optiquement active :

si elle dévie le plan de polarisation d’une lumière polarisée vers la droite, elle est dextrogyre ; si c’est vers la gauche, elle est lévogyre.

1°) Il existe 2 manières de représenter la molécule :

Forme (série) D ↔ Forme (série) L

image l’une de l’autre dans un miroir

1°) Il existe 2 manières de représenter la molécule :Pour différencier Forme (série) D ↔ Forme (série) L :

convention de Fisher (établie avec le glycéraldéhyde)

- le carbone asymétrique (C*) est placé au centre ;

- le carbone le plus oxydé (fn aldéhyde) en haut ;

- la chaîne latérale ( - CH2OH ) en bas ;

dans ces conditions, regarder la position

du – OH par rapport à H :

► si – OH à droite :

glycéraldéhyde forme ou série D ;

► si – OH à gauche :

glycéraldéhyde forme ou série L.

Cette convention peut être transposée et

appliquée à d’autres molécules chirales

(exemple : aux acides aminés ).

Les 2 conséquences de la présence d’un C* asymétrique dans une biomolécule:

1°) Il existe 2 manières de représenter la molécule :

Forme (série) D ↔ Forme (série) LLes propriétés des 2 biomolécules (formes D et L) peuvent être très différentes (solubilité, action catalytique d’enzymes,…).

2°) Une molécule présentant un carbone asymétrique est optiquement active :si elle dévie le plan de polarisation d’une lumière polarisée :

- vers la droite, elle est dextrogyre ;

- vers la gauche, elle est lévogyre.

! ! ! Ne pas confondre forme (série) D et dextrogyre

Ne pas confondre forme (série) L et levogyre ! ! !

► composés minéraux :

1- sels insolubles

2- sels solubles

Les ions et les sels minéraux constituent les cendres

résultant de l’incinération de la matière vivante.

3- eau

► composés organiques :

Certains sels sont présents à l’état solide cristallisés, non ionisés, en équilibre avec leurs ions en solution. Ce sont essentiellement les phosphates et les carbonates de calcium et la silice.

Exemples:- Le squelette des vertébrés (tissu fortement minéralisé) est formé d’un mélange de phosphate et de carbonate de calcium sous forme de carbonato-apatite et hydroxy-apatite :

[ Ca3 , ( PO4 )2 Ca 3 ] 2+ , 2 OH - ou CO3

2-.

- Un sel insoluble présent dans certains tissus végétaux : la silice Si O2 (ex. 4% du poids sec dans l’écorce de chêne, 2% du poids sec dans la paille,…).

- Les coquilles et carapaces d’Invertébrés renferment une proportion importante de carbonates de calcium et également de silice.

Les sels solubles sont présents en solution sous forme ionisée ;

on distingue les cations et les anions.

► principaux cations : Na+, K+, Ca2+, Mg2+.Les quantités en sodium et potassium sont variables selon l’origine :

- dans le règne animal : Na+ > K+ ;

- dans le règne végétal : Na+ < K+

Ex. : quantité de Na+ et K+ en mg/100g poids sec

sang 248 20

peau 222 135

épinard 343 8690

haricot 2,4 1360

De même, chez les animaux : Ca2+ > Mg2+

chez les végétaux : Ca2+ < Mg2+

► principaux anions : CO3 2-, HCO3

-, Pi : H2PO4 -, HPO4

2-, PO4 3- ,

Cl - souvent associé au Na+ et au K+.

D’autres ont été identifiés :

- au cours de fementations : ammonium NH4+

, NO3-, NO2

-, SO32-, SO4

2-;

- dans la salive : ion sulfocyanique SCN - ;

- …

Les proportions de ces ions vont dépendre du pH ;

ils ont un rôle tampon.

Illustration de la répartition en ions dans les compartiments intra et extra cellulaires

Ionogrammes des différents secteurs hydriques (d’après Hamburger et Mathé).

L’observation et l’analyse chimique révèlent la présence universelle de l’eau dans la matière vivante.

L’eau représente, à de rares exceptions près, la substance la plus généralement répandue, la plus indispensable et aussi la plus abondante de la matière vivante.

Molécule la plus abondante d’un point de vue quantitatif!

La teneur globale en eau des organismes est variable.

Exemples:

- les végétaux en sont généralement très riches (75% et plus chez les végétaux verts) ;

- chez la plupart des invertébrés, la teneur en eau atteint 80% (certaines méduses renferment jusqu’à 95,4% d’eau – l’eau de mer en contient 96,5%) ;

- les vertébrés, par suite de l’existence d’un squelette interne, sont un peu plus pauvres (60 à 70% chez l’homme adulte mais par contre, 97,5% chez l’embryon de six semaines) ;

- dans quelques cas, cette teneur peut être extrêmement faible, inférieure à 10% :graines des végétaux, spores des microorganismes,…

Après hydratation des graines (à température ambiante), on retrouve les manifestations de la vie (croissance, différentiation, reproduction,…).

Ces quelques exemples prouvent que l’eau est un constituant des plus importants pour la vie.

La teneur en eau d’un organisme varie dans de larges proportions, selon les organes ou les tissus considérés.

Quelques exemples relatifs à l’organisme humain :

- humeur vitrée : 99% - cœur : 79% - cartilage : 55%

- testicule : 86% - poumons : 79% - os : 22% - rein : 83%- intestin : 77% - émail dentaire : 0,2% - sang : 80% - muscle : 76%

dans les tissus fonctionnels de 75 à 80% H2O.

La teneur en eau d’un organisme varie suivant l’âge :

Exemples:

- fœtus humain de 3 mois : 94% - à la naissance : 86% - adulte : 60 à 70% - personne de 80 ans : 57%

L’eau dans notre corps n’est pas « stagnante » ; elle se renouvelle constamment, comme d’ailleurs la majorité des substances des organismes vivants.

- Les apports d’eau : les boissons, les aliments, la respiration.

- Les départs d’eau : l’urine, les fèces, la respiration, la transpiration.

Quel est le « turnover » de l’eau (c-à-d la quantité d’eau qui se renouvelle par jour)?Des calculs, basés sur une expérience d’échange isotopique, ont permis d’apprécier le renouvellement à 35g H2O / Kg corps humain / jour. Pour un homme de 70 Kg, cela conduit à un échange de 2,45L / jour. La fréquence de renouvellement – en teneurs moléculaires – est égale à 10 16 molécules / gr / sec.

La structure électronique de l’atome d’O = 6 électrons périphériques

de l’atome d’H = 1 électron périphérique

2 H + O → liaison par « remplissage » de l’orbitale de l’atome d’OLa structure spatiale : H H – O – H

ce sont 2 isomères possibles théoriquement, |qui ne sont pas observés. O – H

Electronégativité de l’oxygène

La molécule d’eau, constituée par deux liaisons

polaires (– O – H) n’est pas linéaire, mais possède

une forme angulaire.

Par analogie avec le carbone, on a une structure

tétraédrique, c-à-d une structure telle que les

charges électriques positives et négatives sont

en contact avec le milieu extérieur :

ce phénomène est dénommé dipolarité permanente.

Aux sommets du tétraèdre se trouvent les charges partielles (δ) :

les 2 atomes d’H présentent respectivement une charge partielle positive (δ+)

tandis que l’O présente 2 charges partielles négatives (δ-).

La molécule d’eau est une molécule polaire

ou dipôle permanent caractérisé par un

moment dipolaire.

La structure de l’eau permet

d’interpréter ses diverses propriétés

caractéristiques.

Chaque molécule d’eau crée,

par sa structure dipolaire permanente,

un champ électrique peu intense

car les charges sont faibles.

Lorsque deux molécules d’eau sont à proximité l’une de l’autre, elles vont exercer des actions électrostatiques réciproques au niveau des charges partielles de signe opposé. Cette interaction mutuelle a pour conséquence

l’établissement d’une liaison hydrogène (pont H).

L’énergie de liaison d’un lien hydrogène

est de 4,5 Kcal/mole.

En raison de la présence

de quatre charges partielles

par molécule d’eau, chaque

molécule peut théoriquement

contracter une liaison hydrogène

avec quatre molécules d’eau

maximum ; cette organisation est

observée dans la glace. Structure de l’eau à l’état solide

L’eau à l’état liquide

L’eau à l’état gazeux

Nombre de protons 6 + 4 7 + 3 2 + 8 1 + 9 10

Molécules CH4 NH3 H2O HF Ne

Point de fusion (°C) - 184 - 78 0 - 92 - 249

Point d’ébullition (°C) - 161 - 33 100 19 - 246

Chaleur latente de vaporisation

(Kcal /mole)

2,2 5,55 9,75 7,22 0,415

Comparaison de quelques propriétés de l’eau avec d’autres

molécules ayant le même nombre de protons :

Comparaison du point de fusion

(ou de la température d’ébullition)

de différentes molécules de masses

moléculaires contenant un nombre

variable d’atomes d’hydrogène.

HF, NH3 et H2O présentent des forces

de cohésion plus grandes que celles

attendues. Pourquoi ?

Du fait de la structure polaire, les molécules d’eau vont s’orienter les unes par rapport aux autres ; la structure spatiale est stable (cf. structure de la glace).

L’eau a donc tendance à former des polymères ; l’ammoniac et l’acide fluorhydrique forment également des polymères, mais ceux-ci ne sont pas linéaires, ce qui exclut une polymérisation quasi infinie comme pour l’eau.

Conséquences des propriétés particulières de l’eau dans le monde biologique :

- la chaleur latente de vaporisation est élevée (à 40°C : 574 cal /g) ; ceci signifie qu’un système biologique peut diminuer aisément sa température (éliminer des calories) en évaporant peu d’eau ;

- la chaleur spécifique de l’eau est élevée (1 cal /g) ; il faut fournir beaucoup d’énergie thermique pour élever la température de 1°C;

- l’eau est plus dense à 4°C => la glace flotte.

L’eau est donc utilisée dans les systèmes biologiques comme :

● thermostat ;

● agent solubilisant grâce à la dipolarité permanente (la constante diélectrique = 80) ;

● transporteur, grâce à la tension superficielle élevée (due également aux ponts hydrogène) ; la tension capillaire élevée permet une ascension capillaire importante ; ce phénomène est fondamental pour le maintien du monde biologique. La tension superficielle élevée amène aussi l’eau à quitter la surface des systèmes biologiques : il y a une concentration des solutés aux interfaces (formation de barrières).

Des liaisons entre molécules d’eau et biomolécules peuvent également s’établir ; il convient de toujours envisager l’environnement (aqueux ou apolaire) des biomolécules.