BAC1-C2aTASucres et Acides Nuc.PDF

Chapitre 2 Les matériaux de construction de la matière vivante  25 éléments chimiques essentiels à la vie… C, O, H, N = 96 % Ca, P, S, K, Na, Cl, Mg = ± 4 % Éléments traces : quantités infimes mais essentiels Fe : essentiel I : hormones thyroïdiennes B, C...

Chapitre 2 Les matériaux de construction de la matière vivante  25 éléments chimiques essentiels à la vie… C, O, H, N = 96 % Ca, P, S, K, Na, Cl, Mg = ± 4 % Éléments traces : quantités infimes mais essentiels Fe : essentiel I : hormones thyroïdiennes B, Cr, Co, Cu, F, Mn,Mo, Se,… Carences en N ou I : 1) Champs de maïs 2) Goitre  Le carbone, charpente des biomolécules Propriétés chimiques et configuration électronique Le nombre d’électrons de valence (nombre d’oxydation) détermine le nombre de liaisons réalisables… Le carbone…4 électrons de valence et donc peut former 4 liaisons covalentes possibles… Biomolécules : chaînes simples, ramifiées ou cyclisées Hydrocarbures : biomolécules formées uniquement de carbone et d’hydrogène. Liaisons covalentes entre C et H sont riches en énergie (combustibles/essence)  Les graisses … Les hydrocarbures sont capables de stocker de grandes quantités d’énergie. Les hydrocarbures….peu abondants dans les organismes vivants mais certaines parties de molécules organiques comme les graisses sont riches en C-H…et donc hydrophobes car riches en liaisons covalentes non polaires. Leptin is present in the circulation in proportion to the amount of white adipose tissues and thus acts as a measure of energy stores. A fall in leptin in the absence of changes in the amount of adipose tissue also signals to the central nervous system that the body has entered a fasting state. The reduction in insulin and glucose with fasting has been implicated in the fall in leptin. http://www.endotext.org/chapter/regulation-of-energy-intake/figure3-59/ Les variations dans les squelettes carbonés contribuent à la diversité des molécules organiques… Les isomères : même formule moléculaire mais des structures différentes Les isomères sont des composés ayant la même formule moléculaire mais des propriétés différentes car des configurations différentes…(structure-fonction). Les isomères de structure : les différences portent sur la structure du squelette carboné : grand nombre quand le nombre de C est élevé. Les isomères géométriques (SI) : causés par la rigidité des liaisons doubles et des chaînes carbonées cycliques…pas de rotation autour de l’axe de liaison. Les isomères optiques (SI) : molécules qui diffèrent entre elles par la disposition spatiale des Images groupements portés par un carbone spéculaires asymétrique (= porteur de 4 groupements fonctionnels différents) 2 énantiomères = molécule chirale (D-L) enzymes ne reconnaissent qu’un seul SI/ énantiomère (D-glucose et L-acides aminés) Les groupes chimiques fonctionnels et propriétés des biomolécules -formés avec des atomes dont l’électronégativité diffère de celle du carbone et de l’hydrogène Ces groupes fonctionnels : 1) confèrent des propriétés chimiques différentes (ex: acides- bases) 2) participent aux réactions chimiques des molécules biologiques 3) augmentent la solubilité des biomolécules 4) permettent l’activation de certaines enzymes (PO4--) etc…  Les groupements fonctionnels contribuent à la diversité moléculaire de la vie… Oestradiol et Testostérone sont des stéroïdes : molécules dont le squelette carboné est composé de 4 cycles accolés. Les macromolécules biologiques -Glucides -Acides Nucléiques -Protéines -Lipides Les macromolécules biologiques sont des polymères…sauf les lipides De fonction De structure Support, structure Encodage des gènes Expression de gènes Défense La formation et l’hydrolyse des macromolécules biologiques La plupart des macromolécules sont des polymères. Un polymère est une molécule constituée d’un grand nombre d’unités structurales identiques ou semblables, appelées monomères, attachées par des liaisons covalentes. La réaction de condensation/déshydratation s’accompagne de l’élimination d’une molécule d’eau. Molécules doivent se rencontrer et des ruptures et reformations de liaisons sont nécessaires. Ces réactions sont catalysées par des enzymes qui assurent positionnement des molécules et déstabilisation des liaisons = catalyse La réaction inverse (dépolymérisation) est assurée par une réaction d’hydrolyse Ex : digestion Glucides : aldéhydes ou cétoses polydroxylés Les glucides (sucres ou hydrates de carbone) : stockent l’énergie (rôle métabolique) et constituent des matériaux de structure Formés de C, H, et O (certains contiennent N, P ou S) Cm(H2O)n m ≥ n Nombreuses liaisons C-H (oxydation libèrera de l’énergie) Monosaccharides : une seule unité (ex : D- glucose=dextrose) – Cyclisée en milieu aqueux Disaccharides : deux unités (ex : saccharose = sucre de cuisine) Oligosaccharides : quelques unités liées par des liaisons glycosidiques. Polysaccharides : polymères (glycans) (≥ 20 monosaccharides). Linéaires ou branchés  Glucides importants sur le plan physiologique Le glucose est le principal carburant des tissus et mammifères (sauf les ruminants) et le carburant exclusif du fœtus. Les glucides peuvent servir de précurseurs pour la synthèse de molécules plus complexes (polysaccharides) servant de stock énergétique (ex : glycogène) ou de composants de structure (ex : cellulose). Le glucose peut être transformé ( ex : en ribose et désoxyribose dans les acides nucléiques, en galactose dans le lait, etc). Les glucides peuvent être liés par covalence à des lipides ou des protéines : glycoconjugués (ex : glycolipides et glycoprotéines). Le diabète sucré, la galactosémie, les glycogénoses et l’intolérance au lactose sont des maladies consécutives à un dysfonctionnement du métabolisme des glucides. L’insuline stimule la prise de glucose  Le terme galactosémie a deux significations : c'est la concentration de galactose dans le sang, qui est normalement inférieure à 45 mg·l-1, mais il est surtout employé pour désigner une maladie congénitale. La galactosémie est une maladie génétique par anomalie du métabolisme des glucides. Ce trouble entraîne des manifestations graves pouvant menacer la vie de l'enfant atteint en l'absence de traitement (restriction précoce de lactose dans la nourriture). Ces troubles sont : le refus de boire, des difficultés de l'alimentation, les vomissements, la diarrhée, une insuffisance hépatique liée à une hépatomégalie, des saignements et des infections graves, un ictère, un état léthargique, un œdème et une ascite (accumulation de liquide dans l’abdomen). L'anorexie entraîne une chute rapide de la courbe de poids, une croissance insuffisante. L'ictère (jaunisse) est intense et durable.  Cette maladie est due à des mutations ponctuelles concernant quatre enzymes du métabolisme : – la galactokinase (GALK), qui phosphoryle le galactose ; – l’uridine diphosphate (UDP) galactose-4-epimérase, qui transforme l’UDP-galactose en UDP-glucose ; – la galactose-1-phosphate uridyl transférase (GALT) qui transfère l’uridine du (nouveau) glucose vers le galactose suivant. Les mutations de ce gène sont les plus fréquentes. – Enzyme qui transforme le Galactose-1-P en Glucose-1-P. Cette maladie atteint 1 nouveau-né sur 35 000 en Europe. Non traitée, l'affection évolue rapidement vers la défaillance hépatocellulaire et rénale avec septicémie à bactérie gram négatif (Escherichia coli) en quelques jours. Une cataracte (opacification partielle ou totale du cristallin) nucléaire apparaît en quelques jours ou semaines et devient rapidement irréversible.  2 critères de classification 1) Le nombre d’atomes de carbone 2) La position du groupe carbonyle Aldéhydes polyhydroxylés ou cétones polyhydroxylées Sauf le DHA, possède 1 ou plusieurs carbone asymétrique (chiral) Nouveau C asymétrique Par convention, les carbones sont numérotés à partir de l’extrémité la plus oxydée. Réaction de cyclisation (≥ 4C) impliquant un groupement alcool et le carbonyle : hémiacétalisation interne ou cyclisation. Quelques monosaccharides (3 à 7 carbones) Les formes isomériques de monosaccharides qui diffèrent seulement dans leur configuration au niveau du carbone hémiacétal ou hémicétal sont appelées des anomères et le carbone porteur du carbonyl est appelé carbone anomérique. = formation d’un nouveau carbone asymétrique Pyranoses et Furanoses Les monosaccharides : aldéhydes (aldoses-groupement carbonyle en C1) ou cétones (cétoses-groupement carbonyle en C2) polyhydroxylés Monosaccharide à 6 C : (C6H12O6 : glucose): riche en énergie (7 liaisons C-H). Monosaccharides à 3 C: briques de construction de molécules plus grandes et complexes. Monosaccharides à 5C : ribose et désoxyribose (acides nucléiques) Numérotation en vert (# C) débute par le C de l’extrémité de la chaîne la plus proche du groupement carbonyl (carbone le plus oxydé) (= convention). Monosaccharides existent sous forme cyclique (pyranoside (6) ou furanoside (5))  Isomères… Saveur différente : pouvoir sucrant + élevé (2-11% fruits, Plusieurs sucres 40 % miel) répondent à la formule Index glycémique + (C6H12O6) et constituent faible des isomères Mêmes formules chimiques mais l’agencement des atomes est différent-structures 3D différentes- et propriétés fonctionnelles différentes. Deux grandes familles: énantiomères (2 isomères optiques différents car un seul carbone chiral) du glycéraldéhyde. Pour un ose contenant n carbones asymétriques : 2n isomères possibles (ex : aldohexose à 4 C asymétriques : 24 = 16 isomères).  La majorité des oses contient un ou plusieurs carbones asymétriques. Les monosaccharides sont doués d’une activité optique : ils dévient la lumière polarisée. L’orientation spatiale des radicaux –H et –OH attachés au carbone asymétrique de suffixe le plus élevé (= carbone adjacent au carbone terminal et porteur d’une fonction alcool primaire) conduit à une classification en deux familles (par convention): – Série D : avec le –OH situé à droite (plupart des sucres) – Série L: avec le –OH placé à gauche A chaque corps de la série D correspond naturellement son énantiomorphe de la série L (voir glycéraldéhyde). D-erythrose et D-threose = deux épimères On appelle épimères, deux diastéréoisomères (isomères stériques non énantiomorphe) qui diffèrent uniquement par la configuration d’un carbone de leur molécule. Pectines et Hémicellulose Glycolipides hémicellulose bactériens Vins D-Glucose et D- Mannose sont deux épimères : deux diastéréoisomères (isomères stériques non énantiomorphes) qui diffèrent uniquement par la configuration d’un carbone (C2) de leur molécule. D-Glucose et D- Galactose (C4) Voie des pentoses Sucre rare / dérivé de l’antibiotique psicofuranine phosphates Épimère en C3 du fructose Précurseur Edulcorant obtenu à partir du lactose, le sucre du lait, avec une Vit C valeur calorique plus faible. Les dérivés des monosaccharides En plus des monosaccharides, bon nombre de molécules sont des dérivés des sucres « hexoses simples » dans lesquelles: un groupement-OH est remplacé par un autre groupement (glucosamine) un carbone est oxydé en groupement carboxylique (-COOH). Les acides aldoniques proviennent de l’oxydation du groupement aldéhydique ou hémiacétalique des aldoses (ex : l’acide gluconique ou gluconate). Les acides uroniques dérivent des aldoses et proviennent de l’oxydation du -CH2OH terminal en carboxyle (ex : acide glucuronique ou glucuronate). Les sucres phosphorylés : métabolisme Les polyols : molécules polyhydroxylées obtenues par réduction d’aldoses ou de cétoses (mannitol, sorbitol,…) ribitol dérivé du ribose : ex dans la riboflavine (Vit B2-FAD/FMN- flavoprotéines) Les cyclitols : dérivés polyhydroxylés du cyclohexane. Présence de groupements –OH (Inositol). Relation faible avec les sucres mais propriétés comparables (solubilité,…) en raison des groupements -OH  N-acétylglucosamine = composant des parois bactériennes et carapaces des arthropodes L-Fucose : glycoprotéines et gycolipides (from galactose) L-Rhamnose : polysaccharides végétaux Sub H for OH at C6 (from mannose) N-acyl dérivés de l’acide neuraminique sont les acides sialiques rencontrés dans les glycoprotéines et les glycolipides (gangliosides). Sucres phosphorylés : métabolisme (glucose-1P, Med :quinine or Dérivé du N-acétyl glucose 6P,…) Ca2+ (counter ions) mannosamine L’acide glucuronique : constituant des polysaccharides animaux + élimination de certaines substances : stérols, phénols,…= glucurono- conjugués Glucono delta-lactone (GDL) : additif alimentaire E575-acidifiant (miel, jus de fruits, vins,…). Quinine : antipyrétique, analgésique et antipaludique La glucurono-conjugaison dans le catabolisme de l’hème La glucurono-conjugaison est l'addition de composés hydrophiles à un toxique ou produit de dégradation hydrophobe pour permettre sa solubilisation et ainsi son élimination dans les urines. La bilirubine (une molécule provenant de la dégradation des groupements hémiques de l’hémoglobine libérée lors de l’élimination des globules rouges dans la rate). Non conjuguée, elle est présente dans le sérum puis captée par les hépatocytes qui grâce à une UDP glucuronyl- transférase vont catalyser la réaction de conjugaison de la bilirubine à l'acide glucuronique ou 2 UDP-Glucuronate vont libérer 2 UDP et se lier à la bilirubine pour former le Di-glucuronide de bilirubine (bilirubine conjuguée). Cette dernière est soluble et non toxique et pourra donc être éliminée par la vésicule biliaire et se retrouvera donc dans l'appareil digestif afin d'être éliminée par les selles. Une mauvaise élimination de la bilirubine (par déficit de glucurono-conjugaison par exemple) va provoquer un ictère.  Les monosaccharides (MS) réducteurs Les MS peuvent être oxydés par des agents oxydants comme le Cu2+ (-C=0). La fonction carbonyle devient alors une fonction carboxylique (COOH) Le glucose et autres sucres capables de réduire le Cu2+ en Cu+ sont appelés sucres réducteurs. Un sucre est réducteur si sa fonction aldéhyde est libre. La forme hémiacétal étant en équilibre avec l'aldéhyde on peut aussi considérer cette fonction comme un aldéhyde "libre". Donc, tant que le carbone anomérique porte le OH (et non pas un OR) le sucre est réducteur. Lactose: D galactopyranosyl (1,4) D glucopyranose réducteur Maltose: D glucopyranosyl (1,4) D glucopyranose réducteur Glucose avec le carbone anomérique libre peut exister sous la forme - ou - pyranose Saccharose: D glucopyranosyl (1,2) D fructofuranose non réducteur = Sucre du lait Les disaccharides et (LACTASE) oligosaccharides (≤ 10) REDUCTEUR Condensation de 2 monosaccharides par une liaison covalente (liaison O-(glyc)osidique) Formes de transport des sucres dans l’organisme (végétaux : non reconnu par les enzymes autres qu’à l’endroit d’utilisation). Chez l’homme, transport sous forme de NON glucose. REDUCTEUR = Sucre de table INVERTASE/SUCRASE Plantes, champignons, hémolymphe d’insectes : cryptobiose : protection contre la dessication  Les polysaccharides : polymères macromoléculaires constitués de centaines de monosaccharides (PM > 20000 Da) Classification : 1) Homoglycanes : contiennent un seul type de monosaccharides (linéaires ou ramifiés)- glucans (glucose), galactans (galactose), fructans (fructose),… 2) Hétéroglycanes : contiennent au moins deux types de monosaccharides différents 3) Glycuronanes : contiennent seulement des acides uroniques - polygalacturonides : polyuronides pectiques (pectines)-liaisons  1,4 (pectines) - polymannuronides linéaires : acides alginiques (alginates)-liaisons  1,4 (stabilisateurs dans les industries alimentaire, pharmaceutique, cosmétique,…) 4) Glycosaminoglycanes (GAG) : contiennent des monosaccharides aminés et des monosaccharides chargés (sulfatés ou acides uroniques) – Seulement chez les animaux et bactéries-pas chez les végétaux Les polysaccharides : stockage de l’énergie et composants de structure 1) polysaccharides de réserve = réserves énergétiques. L’amidon (plantes) (amylose = chaîne linéaire d’ -D-glucose (liaison 1->4 O- glycosidique) + amylopectine = chaîne ramifiée d’ -glucose (1->6 O-glycosidique) tous les 20 à 30 sous- Insoluble : grande taille / granule des unités). Amidon de la PDT (20 % chloroplastes amylose et 80% amylopectine). Le glycogène (animaux) : molécule très ramifiée (8-12 résidus) et de très grande taille (dans le foie-muscle). Liaisons 1->4 et 1->6 O- glycosidique. 2) polysaccharides structuraux = cellulose = polymère de −D glucose linéaire non ramifié (liaison  Insoluble : fibres 1->4) (paroi végétale/le + abondant) alimentaires ou énergie = chitine : polymère d’une forme chez les ruminants azotée de -glucose (unité chitobiose (bactéries/protistes) : N-acétylglucosamine liée par des liaisons 1->4 O-glycosidique) : - exosquelette des arthropodes - paroi cellulaire des champignons Polymères de -glucose : amidon (végétaux) et glycogène (animaux) Les enzymes qui hydrolysent l’amylose ne reconnaissent que l’D−glucose  Polymères linéaires de -glucose : cellulose (cotton : cellulose pure) Conformation différente dans l’espace / amylose) 10 000 à 15 000 -D-glucose La Chitine, un autre polysaccharide de structure abondant Liaisons (1,4)  Glycosaminoglycans (GAG) Hétéropolysaccharides linéaires de la MEC Présence dans le polymère de monosaccharides aminés et de monosaccharides chargés (unités sulfatées ou acides uroniques). Acide hyaluronique : substance fondamentale du tissu conjonctif, dans l’humeur vitrée, le liquide synovial (lubrifiant)-libre ou en association avec des protéines (MEC cartilage et tendons)-solution visqueuse (haut PM : > 106 kDa) et résistance des tissus à l’infection. L’unité répétitive : acide glucuronique et N-acétylglucosamine (liaison  1-3 osiduronique et  1-4 osaminidique). Hyaluronidase : enzyme de dégradation (injection pour diffusion de produits sous-cutanés en médecine, bactéries,…) Chondroïtine-4-sulfate : constituant des cartilages, tendons, ligaments, valves cardiaques, paroi aortique (élasticité). Unité répétitive : acide glucuronique et N- acétylgalactosamine-4-sulfate (liaison  1-3 Acide L-iduronique osiduronique et  1-4 osaminidique). Soluble dans l’eau et PM : 40-50 kDa. Kératan sulfate : pas d’acide uronique et contenu en monosaccharides sulfatés variables (cornée, cartilages, os, ongles, cheveux,….) Héparine : anticoagulant (lie et active l’anti-thrombine III qui inhibe la thrombine : une sérine protéase)  Glycoconjugués : peptidoglycanes, protéoglycanes, glycoprotéines et glycolipides Chaînes oligosaccharidiques liées par des liens covalents à des peptides, des protéines ou des lipides – Molécules de communication entre les cellules et les cellules et entre les cellules et la matrice extracellulaire (porteurs d’informations) : adhérence, migration au cours du développement, coagulation, cicatrisation,… – Décoration de protéines récepteurs – Adressage, transport aux organites, et conformation protéique – Récepteurs-reconnaissance (facteurs de croissances, bactéries, virus) Les glycoconjugués un exemple de protéoglycan : ± 40 types différents-organisent les tissus : adhérence-activation de facteurs de croissance,… acide glucuronique et N- acétylgalactosamine-4- sulfate Interactions électrostatiques avec Protéine membranaire intégrale ou des protéines de la MEC-collagènes de la MEC Le xylose assure la liaison entre le carbone anomérique et le groupement hydroxyle de la sérine car ce sucre porte l’extrémité réductrice du pont tétrasaccharidique  Agrégats de proteoglycan(e)s dans la matrice extracellulaire (MEC) Retiennent des molécules d’eau + autres molécules : ions/facteurs de croissance Interactions avec collagènes  Glycocalyx : interactions entre les cellules et MEC La fibronectine possède des sites de liaison aux protéoglycans et aux intégrines Glycoprotéines : la partie saccharidique est liée à une Thréonine ou une Sérine (O-lié) ou à une Asparagine (N-lié) de la chaîne protéique Glycans sont plus petits, branchés et plus variés que la partie glycoaminoglycans des protéoglycans Glycoprotéines : glycosylées sur plusieurs résidus/acides aminés 1-70% de la masse d’une glycoprotéine 50 % des protéines sont glycosylées chez les mammifères 1% du génome chez les mammifères code pour des enzymes de synthèse et d’attachement de ces chaines oligosaccharidiques. Les protéines plasmatiques sont pour la plupart des glycoprotéines (pas l’albumine !!!) Une lectine : une protéine qui reconnaît et se lie aux sucres avec une grande spécificité et une affinité forte ou moyenne. - Spécificité - Affinité  Rôle des interactions lectines-ligands dans le mouvement des leucocytes vers un site inflammatoire Diapédèse La nature des chaines oligosaccharidique peut influencer le sort d’une glycoprotéine soluble. Exemples : 1- le ciblage d’une protéine lysosomale néosynthétisée 2- la stabilité d’une protéine plasmatique Localisée à l’extrémité de chaines oligosaccharidiques de nombreuses glycoprotéines plasmatiques-protègent ces protéines de la dégradation par le foie. Déprotection par des neuraminidases/sialidases-démasque un galactose. (céruloplasmine : glycoprotéine de transport du cuivre). Acides nucléiques, molécules de l’information Les acides nucléiques Il existe deux types d’acides nucléiques : l’acide ribonucléique (ARN) l’acide désoxyribonucléique (ADN) Ils stockent et transmettent l’information génétique ADN = matériel génétique, support de l’hérédité ADN-ARN-Protéines (chapitre 15) Les acides nucléiques : des polymères de nucléotides Composition d’un nucléotide: 1) Sucre à 5 C (pentose) Ribose : ARN Désoxyribose : ADN 2) Un groupe phosphate (-PO4) 3) Une base organique azotée Formation : un groupement phosphate d’un nucléotide réagit avec un groupement hydroxyle d’un autre nucléotide pour former une liaison phosphodiester  La molécule d’ADN est La double hélice d’ADN renferme composée de deux chaînes de le code génétique nucléotides enroulées en double hélice : structure découverte par Watson et Crick en 1953. Les deux chaînes s’enroulent dans des directions opposées ---> anti-parallèles. Dans la double hélice, les bases se font face et s’apparient 2 à 2 par des liaisons hydrogène (toujours A avec T et C avec G : bases complémentaires). Comme les deux chaînes sont anti-parallèles, les séquences sur les deux brins sont complémentaires. La complémentarité permet la réplication exacte de la séquence de l’ADN. Comparaison de l’ADN et ARN Transcrit : monocaténaire Autres « fonctions » des nucléotides: -coenzymes (NMN/NAD) -signalisation (AMPc / GMPc) -flux énergétique (ATP / GTP) ATP: