Biologie cellulaire - Session automne 2024 - Cours PDF

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Énergie libre et macromolécules Atomes 1 La cellule 2 La noti...

Biologie cellulaire BIO1157 Session automne 2024 Rim Marrakchi [email protected]  Énergie libre et macromolécules Atomes 1 La cellule 2 La notion d’énergie libre Molécules a) L’entropie b) A l’intérieur de la cellule Macromolécules c) Au niveau moléculaire d) État d’équilibre – Réaction spontanée/non spontanée Polysaccharides e) Le rôle des enzymes Lipides Acides nucléiques 3 La reconnaissance moléculaire : La complémentarité Protéines a) La bactérie b) Les Archaea 4 La construction par module La relation séquence-structure-fonction 1. Cellule formée de macromolécules La cellule  La plus petite unité de la vie  Formé de macromolécules La cellule est un gros paquet de molécules et macromolécules associées les unes aux autres dans un réseau complexe et formant parfois des interactions Exemple de la membrane plasmique réseau annexe 2. La notion d’énergie libre ΔG La cellule dépend d’un flux continuel d’énergie et de l’émission de chaleur. pour faire ce réseau il faut de l'énergie il doit gérer son environnement adapter ©2024- ABC clim Elle obéit aux deux lois de la thermodynamique : 1.L’énergie est toujours conservée : dans chaque transformation, l’énergie est conservée. « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » transpiration refroidir le corps 2.L’entropie (le désordre) d’un système isolé augmente ou reste constante : elle ne peut donc que croître au cours d’une transformation. celluledoit être en ordre Mais entropie possible 2. La notion d’énergie libre ΔG a) L’entropie I déf ≡ c’est le degré de désordre d’un système. Plus le temps passe, plus il est probable qu’un système donné soit de plus en plus dans le désordre (l’entropie augmente). augmentation de l'entropie Très ordonné Plus désordonné entropie De l’énergie est nécessaire pour combattre l’entropie pour garder ordonner il faut tt énergie 2. La notion d’énergie libre ΔG Pour demeurer en vie, les cellules doivent créer de b) À l’intérieur de la cellule l’ordre, même si elles sont dans un univers qui tend toujours vers un plus grand désordre. « La cellule est un sac de réactions chimiques contrôlées par des enzymes. » Pour maintenir cet ordre, la cellule doit effectuer un flux constant de réactions chimiques (métabolisme). Nécessite beaucoup d’énergie ! Représentation schématique du métabolisme d’une cellule diversité de réactions chimiques 2. La notion d’énergie libre ΔG b) À l’intérieur de la cellule Les deux règles de la thermodynamique bien respectées: 1- L’énergie dégagée par le catabolisme (dégradation) est conservée, soit dans les molécules nouvellement synthétisées ou dans la chaleur créée par la cellule. stockage de molécules possible mais conservée 2- L’énergie dissipée par la cellule sous forme de chaleur augmente l’entropie totale du système, malgré l’ordre établi à l’intérieur de la cellule.  2. La notion d’énergie libre ΔG c) Au niveau moléculaire molécule dégager énergie Munir Si deux atomes s’unissent, ils libèrent de l’énergie. Atome A + Atome B → Molécule AB + énergie À l’inverse, il faut de l’énergie pour rompre ce lien. Molécule AB + énergie→ Atome A + Atome B rompre molécule besoin énergie Exemple : fait de manière spontané 2 H2O → O2+ 4H++ 4 électrons : cette réaction n’est pas favorisée thermodynamiquement, car il faut de l’énergie pour dissocier la molécule d’eau. La réaction inverse, soit O2+ 4H++ 4 électrons → 2 H2O, est favorisée car elle libère de l’énergie.  2. La notion d’énergie libre ΔG côté chaque f c) Au niveau moléculaire à sa propre énergie Dans une réaction impliquant plusieurs molécules, de l’énergie est libérée chaque fois qu’un lien entre deux atomes se crée alors que de l’énergie est Formations et rupture de liens des deux nécessaire chaque fois qu’un lien se brise. côtés de la réaction Un changement d’énergie dans une réaction est appelé énergie libre (ΔG) : Il s’agit d’énergie capable d’accomplir un travail. 2. La notion d’énergie libre ΔG d) État d’équilibre – Réaction spontanée/non spontanée L’état d’équilibre pour un groupe d’atomes est l’état dans lequel l’énergie libre de la réaction se rapproche de 0 (le G des réactifs ≈ le G des produits, donc ΔG ≈ 0). Une réaction spontanée (dans le sens des Une réaction non-spontanée (≈ dans le sens des II produits) libère de l’énergie libre et possède réactifs) nécessite un apport d’énergie pour donc un ΔG négatif(réaction exergonique, Ingie s’effectuer dans le sens des produits et possède donc catabolisme, libère de la chaleur) un ΔG positif (réaction endergonique, anabolisme). Dans une cellule, elle n’est possible que grâce au catabolisme et anabolisme couplage énergétique (une réaction spontanée couplée avec une réaction non-spontanée). métabolisme ser regroupements de sa réaction un enchaine l'autre 2. La notion d’énergie libre ΔG d) État d’équilibre – Réaction spontanée/non spontanée L’exemple de l’hydrolyse de l’ATP : Le ΔG° est -7,3 kcal mol-1. condensation o Où est l’énergie ? lien phosphate perted'un gro phosphate o Quels sont les liens à rompre (consommation d’énergie) ? lien phosphate entre vu groupements o Quels sont les liens à produire (libération d’énergie) ? o Laquelle, entre ATP et ADP, a un G plus petit ? ADP car il a moins d'énergie du produit y puisque ATP réaction spontanée il y tjrs du réactions hydrolyses et de l'énergie condensations a Bilan qui donne  important 2. La notion d’énergie libre ΔG e) Le rôle des enzymes µ Une enzyme est une protéine qui accélère une réaction chimique en diminuant l’énergie d’activation de la réaction.  Réaction catalysée. cela prend d'énergie Même si elle est spontanée, pour qu’une réaction s’effectue, les réactifs doivent atteindre un niveau minimal d’énergie pour activer la réaction (énergie d’activation).  Si ce niveau minimal est abaissé, plus de molécules auront l’énergie pour faire la réaction.  2. La notion d’énergie libre ΔG f) L’équilibre de la réaction Les réactions peuvent être réversibles. Dans les réactions dites spontanées (ΔG négatif), l’énergie d’activation nécessaire pour la réaction inverse est plus élevée. o Au départ, à concentrations égales, une réaction spontanée favorisera l’apparition des produits. o Avec le temps, les produits s’accumulent et les réactifs diminuent. Le nombre de molécules de produits ayant l’énergie d’activation finit par égaler le nombre de molécules de réactifs ayant aussi l’énergie nécessaire à l’activation. o À l’équilibre, ΔG ≈ 0 récitit pfoduit lorsqu'on accumule Un de produits Ekiti alors réaction inverse et favoriser concentration Dans la cellule, le ΔGrxn dépend donc de : quand produit ouréactifs  L’énergie intrinsèque des molécules (ΔG°)  La concentration des produits et des réactifs à un moment précis de la réaction  2. La notion d’énergie libre ΔG f) L’équilibre de la réaction on n'atteint pas à la m̂ vitesse l'équilibre o Plus le ΔG° d’une réaction est négatif, plus il faut de produits pour atteindre l’équilibre de la réaction (ΔGrxn= 0), car l’énergie moyenne intrinsèque des produits est plus faible. o Plus le ΔG° d’une réaction est positif, plus il faut de réactifs pour atteindre l’équilibre de la réaction (ΔGrxn= 0), car l’énergie moyenne intrinsèque des réactifs est plus faible.  2. La notion d’énergie libre ΔG f) L’équilibre de la réaction Le ΔGrxn de la réaction se définit avec la formule suivante (simplification et en conditions constantes) : ΔGrxn = ΔG°+ 1,4 log ([produits] / [réactifs]) comprendre énergie libre ΔGrxn : Énergie libre de la réaction à un moment précis ΔG°: Variation standard de l’énergie libre, propriétés intrinsèques aux molécules impliquées, G (produits) –G (réactifs) 1,4 log : Constante universelle des gaz parfaits * température et logarithme naturel [produits] / [réactifs] : Concentration des produits /Concentration des réactifs à un moment précis 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité Les macromolécules sont des objets solides dont les surfaces interagissent entre elles ou avec d’autres molécules en formant des liaisons chimiques.  La force de chaque liaison et le nombre de liaisons sont importants pour la réaction. ΔG total= somme des ΔG liaisons individuelles Forces des liaisons chimiques o Covalentes (polaires et non polaires) (ΔG ≈ -80 kcal/mol) fatal forcer o Ioniques (ΔG ≈ -3kcal/mol) du o Hydrogènes (ΔG ≈ -1 à -5 kcal/mol) Liaisons o Interaction hydrophobe (ΔG ≈ -0,1 kcal/mol) fortes 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité a) L’eau et la liaison hydrogène La liaison hydrogène est une interaction faible entre deux molécules polaires.  Elle a besoin d’un atome d’hydrogène en ligne droite entre deux atomes électronégatifs (oxygène ou azote, par exemple). permet H2O le nombre de liaison est important molécule stable solvant universel tt pont It Les nombreuses liaisons hydrogènes de l’eau lui confèrent des propriétés de : o Cohésion o Solvant pratiquement universel (sphère) Liaisons hydrogène dissout sur molécule H2O entourent Nat et Ct 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité b) Les interactions hydrophobes T'dans la cellule Dans un environnement aqueux, les interactions hydrophobes (formées par des molécules ou des régions moléculaires non polaires) sont des liaisons de Van der Walls avec une composante d’exclusion d’eau. elle cet équilibre et elle n'a pas besoin d'une autre molécule Les groupements hydrophobes sont en partie responsables du repliement des protéines. Ils sont séquestrés vers l’intérieur de la macromolécule par la ΔG négative due à l’exclusion de l’eau. extérieur lintérieur protégépar le reste indic le 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité c) Les chaînes carbonées La formation des chaînes carbonées s’effectue avec des liaisons covalentes non polaires. Les atomes de carbone peuvent s’associer entre plusieurs eux par des liaisons simples, doubles ou triples et finissent par former des chaînes parfois longues formguelette et rectilignes, ramifiées ou cycliques. Macromolécule biologiques Ce sont les squelettes des macromolécules biologiques. Ces chaînes carbonées peuvent-elles faire des liens avec d’autres molécules ? oui à cause des groupements fonctionnels ajout 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité d) Les groupements fonctionnels En plus de la disposition des C, les diverses propriétés d’une molécule organique dépendent des autres atomes qui s’y lient. Les groupements fonctionnels sont les groupements d’atomes qui participent le plus aux réactions chimiques des molécules organiques.  Ils contiennent des liaisons covalentes polaires et ils sont parfois ionisés! Quel est l’avantage de posséder des liaisons covalentes polaires, par rapport aux liaisons covalentes non polaires ? solubilité dans l'eau capacité de formation de liaisons hydrogène plus de réactivité chimique 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité e) Les interactions intermoléculaires Une macromolécule est une structure 3D dont la forme est déterminée par la séquence. Les différents monomères sont liés les uns aux autres par des liaisons covalentes et la structure 3D est stabilisée par des liaisons covalentes et non covalentes. complexe La survie de la cellule dépend des nombreuses interactions entre les molécules qui la composent. En général, elles vont interagir ensemble par des liaisons non covalentes.  Plus les deux molécules s’assemblent bien (la complémentarité), plus elles forment des liens non covalents entre elles. .Ce sont des interactions de faible énergie, mais elles peuvent être nombreuses 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité e) Les interactions intermoléculaires Interaction entre l’anticorps et Interaction entre les bases de l’ADN l’antigène (protéine-protéine) (acide nucléique –acide nucléique) 1 fort plus anticorps forme pour antigène liaisonforte  m pend 3. La reconnaissance moléculaire : La complémentarité e) Les interactions intermoléculaires La complémentarité des bases de l’ADN 4. La construction par module Un module simple peut faire une construction complexe. MAIS le concept de «Module» est élastique, car il s’applique à plusieurs échelles. Les macromolécules sont un assemblage de monomères ou de sous-unités plus simples. Statue: Nathan Sawaya 4. La construction par module a) Les protéines enchainement f Les acides aminés sont les modules de construction pour la structure primaire des protéines.  Ils sont unis par des liaisons peptidiques (liens covalents) reliant le groupement carboxyle d’un acide aminé au groupement amine du suivant.  Ainsi, une protéine commence toujours par un groupement amine (N-terminal) et se termine par par un groupement carboxyle (C-terminal). convention 4. La construction par module a) Les protéines connaitre caractéristiques et famille 4. La construction par module a) Les protéines La structure primaire (enchaînement des acides aminés) se replie en structures secondaires, qui sont les modules de construction de la structure tertiaire. o Les structures secondaires se forment spontanément dans l’eau grâce aux liaisons hydrogène qui se créent facilement entre les acides aminés. Hélice α(chaînes R vers Feuillet β(chaînes R l’extérieur) vers le haut et le bas) selon les propriétés groupement ilsvont se réplié en hélice carboxyle et amine ou feuillet β 4. La construction par module a) Les protéines La structure tertiaire d’une protéine est un agencement d’hélices et/ou de feuillets. Elle possède les domaines fonctionnels (régions ayant des activités enzymatiques et/ou des sites de liaisons pour d’autres molécules). o Un domaine donné se replie toujours de la même façon, peu importe le contexte dans lequel il se trouve. C’est la forme qui détermine la fonction. o Un même domaine peut faire partie de plusieurs protéines (exemples : kinase, SH2, SH3) et la fonction de la protéine peut être interprétée par ses domaines. 4. La construction par module a) Les protéines Certaines protéines (pas toutes) possèdent une structure quaternaire. Il s’agit de l’interaction entre plusieurs chaînes peptidiques pour former une protéine fonctionnelle. par toutes les protéines qui s'yrendre hémoglobine est composé de Le filament d’actine qui forme le 4 chaînes peptidiques, 2α et 2β cytosquelette est composée de (on dit qu’il est hétérotetramère) plusieurs monomères d’actine. différentes 4. La construction par module a) Les protéines Résumé: Les modules sont visibles à plusieurs échelles La structure primaire = la séquence d’acides aminés La structure secondaire = l’hélice ou le feuillet La structure tertiaire = la protéine repliée correctement La structure quaternaire = plusieurs chaînes protéiques 4. La construction par module La relation séquence-structure-fonction Des séquences spécifiques se replient pour former des structures spécifiques avec des fonctions spécifiques fonction sa séquence défini sa struture aqui défini sa on change en a a cela peut entrainer des csq 4. La construction par module La relation séquence-structure-fonction TYPE DE MACROMOLÉCULE: Protéine (enzyme) STRUCTURE: Doit lier les glucides dans une conformation particulière (forme pliée) FONCTION: Accélère la réaction d’hydrolyse des sucres (ajout d’eau pour briser des liens). Les deux acides aminés, Glu-35 et Asp-52 sont stratégiquement bien placés pour la fonction de l’enzyme. si on les interchange elle ne pourra pas fonctionner Site de liaison au substrat Site de l’activité catalytique  Techniques utilisant les propriétés des macromolécules Électrophorèse sur gel d’agarose : Cette technique permet de séparer différents fragments d’ADN en fonction de leur taille. permet faire migrer ADN Les acides nucléiques sont des molécules polaires chargés négativement à pH de la cellule. On utilise cette charge négative pour faire migrer les fragments à l’intérieur d’un gel d’agarose (polymère). donne une séparation  Techniques utilisant les propriétés des macromolécules L’électrophorèse sur gel de polyacrylamide Elle sert à séparer les protéines selon leur taille (poids moléculaire). SDS-PAGE: SDS(détergent puissant) Polyacrylamide Gel Electrophoresis. savon SDS (Sodium DodécylSulfate) : détergent puissant, chargé négativement. β-mercaptoéthanol: agent réducteur (défait les ponts S-S). bloquer le pont cas Les protéines, toutes chargées négativement et dénaturées, migrent dans le gel en fonction de leur taille. si repliement cela ne fonctionnera pas car plus en fonction taille  Techniques utilisant les propriétés des macromolécules La purification d’une protéine fait sur une colonne Les protéines totales d’un échantillon de cellules peuvent être facilement extraites. Par la suite, il est possible de séparer ces milliers de protéines différentes afin d’obtenir un échantillon qui ne contient que la protéine d’intérêt, ou presque (purification). La méthode la plus utilisée pour « purifier » une protéine d’un extrait est la chromatographie sur colonne. Cela consiste à les faire traverser une colonne contenant une matrice solide poreuse. Les protéines seront plus ou moins retardées selon leur interaction avec la matrice.  Techniques utilisant les propriétés des macromolécules selon les caractéristiques propriétés La purification d’une protéine ont peu faire des expériences Les protéines peuvent être purifiées sur différents types de colonnes selon : o Leurs charges (colonne d’échange d’ions) o Leur degré d’hydrophobicité o Leurs tailles o Leur capacité à se fixer à d’autres molécules (chromatographie d’affinité) À part la chromatographie d’affinité qui peut être un peu plus spécifique (mais pas toujours), les autres types de chromatographie ne permettent pas de purifier une protéine suffisamment bien pour l’étudier. Pour y parvenir, il faut généralement combiner deux ou plusieurs types de chromatographies. il faut purifié plusieurs fois et cela se fait pendant Longtemps plugins