Introduction à la Biochimie Structurale

Introduction: Biochimie Structurale

• La biochimie structurale est l'étude des molécules biologiques.

Notions de base de biochimie

• La membrane plasmique, composée de phospholipides, délimite chaque cellule, facilitant les échanges entre les milieux intracellulaire et extracellulaire.
• Le cytoplasme, un milieu au pH d'environ 7, abrite les réactions métaboliques cellulaires, incluant l'anabolisme (synthèse) et le catabolisme (dégradation).
• Les organites, structures distinctes flottant dans le cytoplasme, possèdent des compositions et fonctions différentes de celui-ci.
• Les mitochondries jouent un rôle essentiel dans la production d'énergie cellulaire.

Structure de la mitochondrie

• La matrice mitochondriale, compartiment interne replié en crêtes, est le siège de cycles métaboliques comme le cycle de Krebs et la β-oxydation.
• Nécessitant de l'oxygène pour fonctionner, la mitochondrie utilise l'O2 comme accepteur final d'électrons dans la chaîne respiratoire.
• L'équation de réduction dans la mitochondrie est la suivante : ½ O2 + 2e- + 2H+ -> H2O.
• Les coenzymes NADH,H+ et FADH2 libèrent de l'énergie en cédant des électrons.
• La phosphorylation oxydative transforme l'ADP en ATP.
• Délimitée par deux membranes, l'interne étant le lieu de la chaîne respiratoire tandis que l'externe, percée de porines, permet l'échange d'ATP vers le cytoplasme et d'ADP vers la mitochondrie.

Liaison Covalente

• Atomes possèdent un nombre précis d’e- qu’ils peuvent mettre en commun avec un autre atome => Liaison Covalente = très difficile à rompre.
• Les atomes nécessaires à la vie (C, H, O, N, S, P) ont un nombre caractéristique de liaisons :
  • H a 1 liaison (dans la chaîne aliphatique)
  • O et S ont 2 liaisons (fonction thiol)
  • N a 3 liaisons
  • C a 4 liaisons (CH4, méthane => alcanes)
  • P a 5 liaisons (ion phosphate)

Représentation d'acide organique

• L'acide pentanoïque est un acide gras.
• Sa formule brute est C5H10O2.
• Formule semi-développée : CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH (Chaîne aliphatique Fonction acide)
• La représentation schématique utilise des lignes pour les liaisons covalentes, omettant souvent le carbone mais indiquant les autres atomes (surtout dans la fonction acide), avec une numérotation commençant au carbone le plus oxydé.
• L'oxydation est définie comme l'ajout d'oxygène ou le retrait d'hydrogène.

Liaison Ionique

• Liaison ionique est l'attirance entre deux atomes de charges opposées.
• Liaison enzyme-substrat (l’ion magnésium Mg2+ contribue à la formation de la liaison E-S)

Liaison Hydrogène

• Correspond à l'attraction entre les atomes électronégatifs, tels que O > N > P, et les atomes électropositifs, tels que H et C.
• La liaison hydrogène relie d'un côté un atome électronégatif (O ou N) par une liaison covalente, et de l'autre un autre atome, souvent l'oxygène.
• La liaison H2 est abondante, avec une rôle dans le repliement des protéines.

Interactions hydrophobes

• Dans un environnement cellulaire aqueux, les molécules hydrophobes s'éloignent de l'eau et s'agrègent.
• La structure tertiaire des protéines assure une zone interne hydrophobe indispensable à l'action des enzymes.

Forces de Van Der Waals

• Forces de Van Der Waals sont des forces faibles entre des atomes rapprochés, résultant de l'attraction mutuelle entre les électrons d'un atome et les protons du noyau d'un autre.
• Une trop grande proximité induit des forces de répulsion, limitant les conformations possibles des molécules.

Polarité des molécules

• Certains atomes, dits polaires, attirent davantage les électrons (O > N > P), créant des liaisons covalentes polarisées.
• Une molécule est dite polaire si elle possède au moins un atome polaire.
• Un acide gras est une molécule amphiphile, présentant à la fois une partie polaire (hydrophile) et apolaire (hydrophobe).

Hydrophilie/hydrophobie

• L'eau, solvant cellulaire principal, est très polaire et forme de nombreuses liaisons hydrogène. Molécules hydrophiles aiment l’eau -> solubles dans l’eau.
• Les molécules hydrophobes ne contiennent pas atome polaire ni d'ion, donc elles ne sont pas solubilisées

Acide Base

• Un acide est capable de donner des ions H+ (AH).
• Une base est capable de capter des ions H+ (BH+).

Formule des bases

• Dans une cellule, les acides sont sous la forme A- et les bases sous la forme BH+.

Acide Pyruvique et Pyruvate

• L'acide pyruvique a pour formule CH3 – C(O) – COOH.
• Le pyruvate, sa forme déprotonée, est CH3 – C(O) – COO-.

Oxydation et réduction

• L'oxydant libère des électrons.
• Le réducteur capture des électrons.
• Oxydation: R -> O + e- + H+.
• Réduction: O -> R.
• R est la forme réduite et O est la forme oxydée.

Carbone asymétrique

• Un carbone asymétrique est lié à quatre groupements différents.

Fonction chimique

• Fonctions chimiques dans les molécules biologiques incluent des fonctions entre le carbone et d'autres atomes.
• C seul + H : chaîne aliphatique (hydrophobe, apolaire)
• C + O: (hydrophile, polaire)

C+O (hydrophile polaire)

• Alcool
• Aldéhyde (CHO)
• Cétone (CO)
• Acide (COO-)
• Ester (COO)
• C + N: (hydrophile, polaire)
• Amine
• Amide (CONH)

C+P (hydrophile polaire)

• Phosphate inorganique (℗) Liaison ester phosphorique
• Pyrophosphate inorganique (PPi ou ℗~℗) Anhydride phosphorique
• Groupement phosphate (X – O – ℗)

Degré d'oxydation (III. Biochimie)

• C + S : -SH = thiol (très peu polaire)
• Oxydation = enlèvement de H et/ou ajout de O.

Biochimie

• Il existe 2 types de biochimie :
  • Description des molécules (biochimie structurale)
  • Description des réactions métaboliques (biochimie métabolique)

Molécule biologique

• Les molécules biologiques :
  • 6 atomes: C, H, O, N, P, S (99 %)
  • 9 oligoéléments: Mg, Fe, Cu, Zn, Co, Ni, Si, Se, I
  • 5 ions principaux - Monovalents = Na+, K+, Cl- Bivalents = Ca2+, Mg2+

Glucides

• Structure générale: Cn(H2O)n → C6H12O6.
• 2 grandes familles: aldoses (aldéhydes), cétoses (cétone).
• Classification:
  • Monosaccharides: un seul monomère.
  • Disaccharides: 2 monomères.
  • Oligosaccharide: de 3 à 15 monomères.
  • Polysaccharides: plus de 15 monomères.

Rôle glucides

• Rôle glucides: structurale (cellulose, chitine), métabolique, énergétique (amidon -> glucose -> énergie), fonctionnel.

Catégorie et structure monosaccharides

• Catégorie de sucre à une unité = un ose, composée de 3 à 7 carbones.
• Trioses (3), Tétroses (4), Pentoses (5), Hexoses (6), Heptoses (7).
• Les O appartiennent à des groupements hydroxyles (OH) ou des fonction oxydées (aldéhydes = CHO pour les aldoses ; et cétone = CO pour les cétoses).

Représentation de Fisher

• Le groupement le plus oxydé est en haut.
• La chaîne carbonée est représentée par un trait vertical.
• Les groupements alcool sont représentés par des traits horizontaux de part et d’autre du trait vertical

Forme D

• Forme D – Glycéraldéhyde = D – GA (OH est à droite car les sucres sont naturellement sous cette forme)
• Il y a 4 substituants différents, on a donc un carbone asymétrique (C*) → on a donc des énantiomères = deux molécules symétriques (images l’une de l’autre dans un miroir).
• Dihydroxyacétone = DHA

Isomère / Epimère

• Isomère = molécule qui a la même formule brute, mais une formule semi-développée différente.
• Epimère = molécule avec une structure spatiale identique sauf pour un C

Représentation de Haworth

• Cyclisation = réaction entre la forme oxydée (aldéhyde, cétone) et le OH de l’avant dernier C de la chaîne carbonée.

Aldohexoses

• Aldohexoses : réaction entre C1 et C5.
• Cétohexoses: réaction de cyclisation entre C2 et C5
• Le plus fréquent est le β – D – Glc.
• Anomère = C qui portait la fonction oxydée (aldéhyde ou cétone), qui devient un carbone anomérique (C1 chez les aldéhydes; C2 chez les cétones).

Isomère en perméthylation

• La perméthylation permet d’identifier le % des formes linéaires et cyclisées procédure fiable d’identification des OH impliqués dans les liaisons osidiques.

Liaisons des monosaccharides

• C. Les principales réactions des monosaccharides dans la cellule :
  • Glycosylation : réaction entre OH du C anomérique (C1 chez les aldoses et C2 chez les cétoses),avec un groupement lO Liaison N – glycosidique

Liaisons au dernier carbone

• Liées au dernier carbone (chez les aldoses et les cétoses) : acide uronique
• Phosphorylation d'adénosine triphosphate

Disaccharides

• Disaccharide = 2 unités monosaccharidiques reliées par une liaison O – Glycosidique. Le monosaccharide de gauche réagit toujours avec son carbone anomérique (liaison alpha, béta ou 𝜶). L’autre monosaccharide réagit avec n’importe quel OH.
• Les sucres de droite ont un effet réducteur

Hydrolyse des disaccharides

• Il existe hydrolyse acide ou enzymatique pour les disaccharides
• L’hydrolyse enzymatique est plus spécifique

polysaccharides

• La chaîne polysaccharidique est constituée d’un ou plusieurs type(s) de monomère(s) (oses) répétés un grand nombre de fois. Ces monomères sont toujours de nature glucidique = homopolysaccharides. Si des fractions non glucidiques s’accrochent au polysaccharide, on obtient un hétéropolysaccharide. Glycolipides / Glycoprotéines / Peptidoglycanes / Protéoglycanes
• La chaîne saccharidique majoritaire

Glycogène

• Nature: homopolysaccharide ramifié Glucosé
• Forme de stockage du glucose chez les animaux

Amidons

• Nature: homopolysaccharide mixte (= une molécule ramifiée + une molécule linéaire). → 2 molécules associées.
• les amidons peuvent être Amylose ou Amylopectine

Cellulose

• Nature: homopolysaccharide linéaire
• Elle rigidifie les liaison entre H et O de cyclisation.

Acide hyaluronique

• Nature: hétéropolysaccharide linéaire.
• Origine: liquide synovial

Chitine

• Nature: homopolysaccharide linéaire (dérivés osidiques)
• Origine: carapace des Arthropodes

Structure des lipides

• Il y a très souvent la présence d’AG (sauf chez les isoprénoïdes = hormones stéroïdes = dérivés de l’isoprène) Ils sont peu voire pas solubles dans l’eau, car ils ont peu d’atomes polaires (O et N), donc pas de possibilité de former des liaisons H2 avec l’eau. Ce sont des molécules amphiphiles = il y a une partie hydrophile minoritaire (= tête de l’AG) et une partie hydrophobe majoritaire (= queue de l’AG)

Rôles des lipides les plus importants

• Structural: ce sont les constituants des membranes biologiques, Métabolique ce sont le précurseur du Cholestérol Hormones stéroïdes, des vitamines messagers secondaires.

Acide gras

• Squelette c’est C et H fonction carboxylique
• Les acides à nombre paire ont plus d'incidence.
• En double liaison en position cis (implique un coude de 30°) trans a pas de coude de 30

Nomenclatures chimiques

Nomenclature classique

• la nomenclature classique est C et puis delta + lettre en fonction de le position sur le C

Inversée

• se positionné sur le dernier chiffre

Propriété solubilité

• la polarité diminue la chaine s'allonge en étant saturé

les Acides non libres

• Ils sont transportés dans le sang par l’albumine (= groupe de protéines de 610 aa). Ils sont transportés dans la cellule par l’acétyle – CoA
• le cholestérol est transporté dans le sang par les lipoprotéines : HDL et LDL (HDL transport de bon cholestérol et LDL transporte le mauvais cholestérol).

AG

• en température ambiante: Les AG animaux sont solide et végétaux sont liquides

Aspects nutritionnels

• les AG saturés on mauvaise réputation
• les AG monoinsaturés(w9)- diminue cholestérol

Margarines

• les margarines contienne AG hydrogénés est ce qui permet de les rendre malléables.

AA dérivés important:

• arachidonate et intervient dans le signalement des cellules

Structure des Triglycerides

• il peu y avoir du Palmity ou du palmitate acyl

Rôle des Triglycerides

• les TG sont les réserves d'énergie

Propriétés chimiques des triglicéride:

• Il y a plusieurs propriétés dont l'hydrolyse acide et la saponification ainsi que la métylation qui vient rajouter du méthanol

phospholipides

• Les phospholipides sont des GPL (glycero....) ou des Sphingolipides

Composition de phospholipides

• Choline ou P ...ect

Biochimie structure des protéines

• Les aa jouent un rôle fondamental comme constituants élémentaires des protéines. Ils se polymérisent en formant des liaisons peptidiques, ce qui forme une longue chaîne de macromolécule. On a un peptide si le nombre d’aa < 100, et on a une protéine si le nombre d’aa > 100.

Nature protéique

• 4 rôles structurale métaboliques énergétique fonctionnel

Stéréochimie des AA

• Calpha peux avoir 2 molécules différentes: L et D.

Les Polaires /apolaires

• acide de sert tyr ..ect vs chaine hydrophoge carbonée

Structure alpha aminée

• formule avec la structure
• Cas des radicaux ionisables( acide et base)

Liaisons

• La liaison qui se crée au niveau hydrophobe
• Secondaire, Tertiaire et Quaterniare
  • Les ponts disulfures pont s/s ou encore le cycle

Stucture secondaire alpha béta( hélices..)

• l'a spirale s’étend environs les 30 aa pour qu'elle s étende sur les MB

FEUILLET beta

• une liaison H2 en fasse à face: ou en parallèle (sont linéaire. )ou antiparallèles. (plus stable, plus fréquentes.)

protéine

• protéine de structures 3D Globulaire;trans et protéines fibreuses et oligomères, plus extrim N vs C il peut y avoir des dérivés