Cours de Biochimie Structurelle - 2ème CP Année Agronomie - PDF

Cours de Biochimie Structurale 2ème CP année Agronomie Pr Abderrakib ZAHID DPPBV 1  BIOCHIMIE Etude d’une part des molécules qui constituent les êtres vivants, plus précisément l’étude de leur structure ou conformation. D’autre...

Cours de Biochimie Structurale 2ème CP année Agronomie Pr Abderrakib ZAHID DPPBV 1  BIOCHIMIE Etude d’une part des molécules qui constituent les êtres vivants, plus précisément l’étude de leur structure ou conformation. D’autre part, l’étude de la transformation de ces molécules, c’est-à-dire l’étude des réactions chimiques au sein de la cellule et des organismes: Réactions de dégradation (catabolisme) des aliments qui fournissent l’énergie nécessaire aux organismes Réactions de biosynthèse (anabolisme) des composés dont les cellules ont besoin Le but de la biochimie est d’intégrer les données obtenus à l’échelle moléculaire à un niveau de complexité supérieure, celui de la cellule, puis celui de l’organe et enfin celui de l’organisme 2  BIOCHIMIE LA BIOCHIMIE STRUCTURALE : 1. Quelles sont les structures chimiques des molécules présentes chez les êtres vivants. 2. Quelles sont celles qu’un être vivant peut synthétiser et quelles sont celles qu’il doit puiser dans son environnement. 3  BIOCHIMIE METABOLIQUE 1. Quelles sont les réactions chimiques qui permettent à la cellule vivante de synthétiser les molécules qui la constituent. 2. Comment s’effectue la régénération de ces molécules. 3. D’où provient l’énergie chimique nécessaire à ces synthèses. 4 APPLICATIONS DE LA BIOCHIMIE EN MEDECINE : Permet d’éclairer les causes des maladies et de proposer par conséquent des traitements innovants. EN AGRONOMIE : C’est grâce à la biochimie qu’on est capable d’optimiser le rendement des cultures ou de développer des engrais ciblés, et d’améliorer le stockage des récoltes et l’élimination des parasites. 5  BIOCHIMIE STRUCTURALE Nous apprend aujourd’hui que les êtres vivants sont constitués de 4 grandes catégories de molécules: 1. Les glucides 2. Les protéines 3. Les lipides 4. Les acides nucléiques. 6  PRINCIPAL OBJECTIF DE LA BIOCHIMIE STRUCTURALE Comprendre les molécules biochimiques; et de voir comment leur interactions fabriquent des structures et initient les processus biologiques observés au cœur des cellules. 7  Plan 1) Les monomères de la biochimie a. Exclusivement carbonés i. Solubles dans l’eau : les oses et leurs dérivés ii. Insolubles dans l’eau 1. Acides gras 2. Isoprènes b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres ii. Les acides aminés iii. Les autres amines 2) Les polymères des sucres 3) Les polymères des acides gras 4) Les polymères des acides aminés 8  Partie 1 1) Les monomères de la biochimie a. Exclusivement carbonés i. Solubles dans l’eau : les oses et leurs dérivés ii. Insolubles dans l’eau: Acides gras 9 1) Les monomères de la biochimie a. Exclusivement carbonés i. Solubles dans l’eau : les oses et leurs dérivés 10 I. Définition & rôles Les glucides constituent un ensemble de substances dont les unités de base sont les sucres simples appelés oses ou monosaccharides. Les glucides jouent plusieurs rôles capitaux dans les cellules : Source énergétique : Servent de réserve énergétique sous forme polymérisée : amidon et glycogène. L'amidon est la forme principale d'accumulation de l'énergie photosynthètique dans la biosphère. Rôle structural: Rôle d'élément de structure de la cellule: Chitine, Carapace des insectes et crustacés, Champignons, la cellulose chez les végétaux. 11  Rôle biologique: Interviennent comme éléments de reconnaissance et de communication entre cellules : les polyosides des groupes sanguins, les polyosides antigéniques des bactéries. Font partie intégrante de la structure de nombreuses macromolécules biologiques fondamentales telles que les glycoprotéines, les acides nucléiques (ribose et désoxyribose), les coenzymes et les antibiotiques. 12  Essentiels au métabolisme des animaux; des végétaux et organismes photosynthétiques (utilisent l’énergie solaire pour synthétiser des glucides à partir du CO2 et de H2O) 6CO2 + 6 H2O C6H12O6 (formule brute d’un ose en C6) Production en quantités importantes des glucides et de l’amidon, source de carbone pour les animaux, végétaux et microbes (importante biomasse) Coupe d'un tubercule de pomme de terre montrant les cellules remplies de grains 13 d'amidon. (grandissement x 1 400)  A quoi correspond un sucre? Les oses ou sucres simples: Glucose, fructose, galactose, mannose, etc Galactose Glucose Fructose Mannose 14  I.1. Structure et nomenclature i.1 les fonctions chimiques présentes dans les oses Glucides ou Hydrates de Carbone: aldéhydes ou cétones polyhydroxylés : sont solides, incolores, très solubles dans l’eau Caractérisés par la présence dans la même molécule d'une fonction réductrice aldéhyde ou cétone et d'au moins une fonction alcool. Possèdent une ou plusieurs fonctions alcool (polyols) : -OH 15 a. Les aldoses une fonction carbonyle : aldéhyde ----> aldose b. Les cétoses une fonction carbonyle: cétone ----> cétose 16  Même formule brute et des fonctions chimiques différentes On parle d’isomérie de fonction Formule générale des oses:(CH2O)n avec n = 3 ou plus Remarques: Certains contiennent en plus: N, P ou S 17  i. 2 Nomenclature La nomenclature des atomes de carbone des aldoses attribue le numéro 1 à celui qui porte la fonction aldéhyde. Dans le cas des cétoses, le carbone qui porte la fonction cétone porte le numéro 2. i.3 Les oses les plus simples (3C): Les premiers oses qui ont un rôle sont des oses en C3 ou triose, il s'agit du glycéraldéhyde et la dihydroxyacétone. Aldotriose Cétotriose 1 1 H-C = O CH2OH | 2C = O H –*C – OH | CH2OH CH2OH D- Glycéraldéhyde Dihydroxyacétone (DHA) 18 i.3 L’asymétrie des oses: cas du glyceraldéhyde Glycéraldéhyde possède un carbone dont les quatre substituants sont des groupes différents, il s'agit donc d'un carbone asymétrique ou chiral. Glycéraldéhyde peut donc exister sous deux formes différentes qui correspondent à des configurations opposées autour du carbone chiral: Cela implique 2 configurations possibles 19 a. Notion d’isomérie Lorsqu’une molécule possède un atome de carbone asymétrique (C*), il existe deux isomères optiquement actifs (ou énantiomères) Images l’un de l ’autre dans un miroir, mais non superposables Mélange en quantités égales de ces isomères = mélange racémique 1 1 H–C=O H–C=O | | HO – *C – H H – *C – OH | | CH2OH CH2OH D- Glycéraldéhyde L- Glycéraldéhyde Un *C en C2; deux isomères Le nombre de C* asymétrique définit le nombre d ’isomères 20 S’il existe n atomes de C*, on aura 2n isomères Conventions de Fischer Le C* observé est dans le plan de la feuille Les liaisons horizontales représentent ce qui est en avant du plan (H, OH) et qui passe par le carbone asymétrique Les liaisons verticales représentent ce qui est en arrière du plan (CHO ou CO en haut, CH2OH en bas) CHO CHO C* OH OH C* H H CH2OH CH2OH D-glycéraldéhyde L-glycéraldéhyde 21 Conventions de Fischer Dans la projection de Fischer, tous les oses dont l'hydroxyle porté par l'avant dernier carbone est à droite sont de la série D. D ou L: configuration du C*: OH à droite = D; OH à gauche = L Oses ayant plus d’1 C* : D ou L = configuration du C* le plus éloigné de la fonction Carbonyle Tous les aldoses peuvent être synthétisés à partir du glycéraldéhyde. Pour un aldose à n carbones, il existe donc 2n-2 stéréoisomères Pour les cétoses, qui ne possède pas de carbone chiral, on obtient 2n- 3 stéréoisomères. Tous les oses naturels sont de série D 22 i.4 Critères de Classification des OSES ❖ Nombre de C : n = 3C, Triose ❖ Nature du carbonyle : n = 4C, Tétrose Aldéhyde => Aldose n = 5C, Pentose Cétone => Cétose n = 6C, Hexose ❖ Dénomination Aldopentose, Aldohexose … Cétopentose, Cétohexose … 23  i.5 Représentation des oses Il existe deux manières de représenter les oses: Représentation linéaire Représentation cyclique Il s’agit du même ose, le D-glucose, cyclisé sur lui-même 24  I.2 Filiation des oses ( = allongement de la chaîne) a. Formation à partir du D-Glycéraldéhyde par addition de carbones successifs Triose Tétrose Pentose Hexose 3C 4C 5C 6C D- Glycéraldéhyde 1 H–C=O 2H – *C – OH | 3 CH2OH + 1C + 1C 1H –C=O | H–C=O 2H – *C – OH | | HO – *C – H 3H – *C – OH | | H – *C – OH 4CH2OH | CH2OH D- Erythrose D- Thréose Stéréoisomères en C2 25 b. Synthèse de Kiliani-Fischer ou Synthèse Cyanidrique - Tous les aldoses naturels de la série D dérivent du D-glyceraldéhyde - Méthode de synthèse de monosaccharides par l'élongation de leur chaîne carbonée. - Repose sur la synthèse et l’hydrolyse d'une cyanohydrine, allongeant la chaîne carbonée d'un aldose. c. Filiation des aldoses de Série D D-Glycéraldéhyde D-Thréose D-Erythrose D-Arabinose D-Ribose D-Gal D-Man D-Glc Au total 1 Triose de la série L donnera le même un composé à n*C donnera 2n-2 nombre de Stéréoisomères Stéréoisomères 28 d. Filiation des cétoses de Série D = CH20H Cétotriose =O = CH20H D-Dihydoxyacétone Cétotetrose D-Erythriose L-Erythriose Cétopentose D-Ribose D-Xylose D-Psicose D-Fructose D-Sorbose D-Tagatose 29 Cétohexose - Tous les cétoses dérivent de la DHA, mais nombre d’isomères plus faible - Le nombre de stéréoisomères d’un cétose (linéaire) à nC est égal à 2n-3 Ex: Fructose: n=6: 2(6-3)= 23 = 8, 4 série D et 4 série L 30 I.3 Les monosaccharides les plus répondus ❖ Représentation linéaire D- Aldohexose D-Cétohexose 31  D-Aldohexose D-Aldopentose D-Gal D-Man D-Ribose 32  i.2 Propriétés optiques des oses Les oses ont un ou plusieurs carbones asymétrique(s) (C*) (ou carbone chiral), qui leur confèrent) des propriétés optiques Capables de dévier plan lumière polarisée vers la droite ou vers la gauche Principe de la polarimétrie: 33  a a Déviation à gauche: Plan de la Déviation à droite: molécule lévogyre lumière polarisée molécule dextrogyre (-) (+) Le fait qu’une molécule soit Lévogyre (-) ou dextrogyre(+) n’a rien à voir avec sa configuration L ou D en représentation de Fischer 34  I.4 Objections à la Structure Linéaire des Oses La structure linéaire ou structure à chaîne ouverte des oses ne rend pas compte de toutes leurs propriétés dés que le nombre des atomes est supérieur à 4. En solution dans l’eau, les oses existent sous forme cyclique Deux objections à la structure linéaire : 1. Formation d’Acétal - La fonction aldéyde hydratée (en présence de H20) peut réagir avec 2 molécules d’alcool et donne un acétal: 35  MAIS les oses ne permettent pas la formation d’acétal, puisqu’ils réagissent qu’avec une seule molécules de H20 en donnant des hémiacétals Preuve que la fonction aldéhydique des oses n'est pas aussi réductrice que les aldéhydes vrais. 36 2. Mutarotation (anomères) Selon le mode de solubilisation du glucose on obtient 2 solutions appelées respectivement α et β-glucose : La valeur du pouvoir rotatoire d’un ose (mesurée au polarimètre) est liée à l’existence de 2 formes isomériques, l’anomère α ou β à l’origine de la mutarotation. Ces 2 anomères différent par la position dans l’espace du OH hémiacétalique. aD Glucose + 112° + 52°7 bD Glucose + 18°7 Ces deux objections permettent de montrer qu’en solution les oses existent non pas sous forme linéaire mais sous forme cyclique. 37 Les oses ne peuvent pas former d’acétals car leur fonction aldéhyde ou cétone n’est pas libre Ainsi les oses existent de manière naturelle sous forme de semi (ou hémi) acétals car ils sont cyclisés sur eux-mêmes 38  I.5 Structure cyclique des oses : structure de Haworth Passage forme linéaire à la forme cyclique des oses Le phénomène de mutarotation implique l'existence d'un carbone asymétrique supplémentaire. La formation d'hémiacétal implique que la fonction réductrice a déjà établit une liaison avec un alcool. Le cycle est formé par une liaison dans la molécule d’ose entre la fonction carbonylique (aldéhyde ou cétone) et un OH alcoolique on parle de liaison hémiacétalique. 39 40 i.1 Structure pyranique du D Glucose Structure la plus stable : Noyau du (tétrahydro)pyrane 6 Sommets : 5 Carbones et 1 Oxygène CH2OH 5 O OH Anomère b bD Glucopyranose OH sur C1 en haut (même 1 4 côté que CH2OH en C6) H 3 2 Ou CH2OH 5 O 1 Anomère a OH sur C1 en bas (côté 4 OH aD Glucopyranose opposé au CH2OH en C6 3 2 41 i.2 Fructofuranose : cyclisation 2 - 5 α-D Fructofuranose D- Fructose Projection d’Haworth Projection Fisher NB: pour les cétoses, le C anomérique est le C2! 1 - Sur le C2, on place d’abord le OH hémiacétalique qui donne la configuration α ou β 2 - Puis, le CH2OH prend la position vacante 42 i.3 Structure furanique du D Glucose Le groupement hydroxyle porté par le carbone 4 peut également réagir et on obtient un cycle à 5 sommets ou cycle furanose. ❖ Exemple : αD Glucofuranose Structure plus instable 6 CH2OH 5 CHOH O 4 1 OH sur C1 en haut (même côté que CH2OH en C6) 3 2 bD Glucofuranose 6 CH2OH 5 CHOH O 4 1 3 2 aD Glucofuranose OH sur C1 en bas (côté opposé au CH2OH en C6) 43 1 - Fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) dissimulée partiellement (hémiacétal) – donc protégée 2 - Fonction pseudoaldéhydique ou pseudocétonique Fonction hémiacétalique (OH hémiacétalique) 3 - Apparition d’un nouveau C asymétrique (C1 ou C2) par hémiacétalisation interne 2 anomères α et β 4 - Forme stable du Glucose : liaison 1 - 5 (pyranique) 5- Forme instable : liaison 1 - 4 (furanique) 44 i.2 Cyclisation des Aldopentose: Cas du Ribose 1 - Forme la plus stable : pyranique (1 - 5) 5 O D-Ribose 1 4 2 OH HOH2C 3 α D- Ribopyranose 2 - Forme biologique : furanique (1 - 4) O HOH2C 5 OH 4 1 3 2 β D- Ribofuranose Nucléosides, Nucléotides Désoxyribose : OH en C2 remplacé par H (ADN) 45 Principaux Oses naturels – Formes linéaires Les oses de la série D (oses naturels) dérivent du D glycéraldéhyde Aldohexose (Série D) 1 CHO 1 CHO 1 CHO 2 *C *C 2 *C 2 Cétohexose Aldopentose 3 *C 3 *C 3 *C 1 CH2OH 4 *C *C 4 *C *C 1 4 2 O H C O 5 *C OH 5 *C OH 5 *C OH 3 *C 2 *C 6 CH2OH 6 CH2OH 6 CH2OH 4 *C 3 *C D-Gal D-Glc D-Man 4 *C 5 *C OH OH 6 CH2OH 5 CH2OH D Fru D Ribose 46 Principaux Oses naturels – Formes cycliques CH2OH CH2OH CH2OH 5 O O 5 O 5 1 OH, H 1 OH, H 1 OH, H 4 3 2 D-mannopyranose D-galactopyranose D-glucopyranose O HOH2C O H2OHC6 1CH OH OH 2 5 4 1 4 3 2 3 aD Fructofuranose b D- Ribofuranose 47 I.6 Phénomène de mutarotation Pouvoir rotatoire α-D-Glucopyranose (100%): + 112,2° Pouvoir rotatoire β-D-Glucopyranose (100%) : + 18° Pouvoir rotatoire mesuré dans les deux cas: + 52° 48 Autres conformation des cyclohexanes Les chaînes linéaires d'alcanes saturés à 6 atomes de carbone peuvent se replier en structure cyclique non planaire Ils peuvent présenter sous deux conformations, la conformation chaise et la conformation bâteau. Moins stables Pour le glucopyranose, c’est la forme chaise qui existe 49 I.7 Propriétés des oses et méthodes de dosages dérivées i.1 Propriétés physiques a. Solubilité - Elevée dans l’eau - Variable selon les solvants organiques (méthanol, éthanol, Pyridine) - Différences de solubilité mises à profit pour séparation par chromatographie sur couche mince (ccm); chromatographie sur colonne ou HPLC. b. Pouvoir rotatoire - Tous les oses ont un pouvoir rotatoire qui permet leur identification par le polarimètre. ( à l’exception de la dihydroxyacétone) - La présence d’au moins un atome de C* confère aux oses un pouvoir rotatoire utilisé pour le distinguer, et régit par la LOI DE BIOT 50  i.2 Propriétés chimiques On peut classer les propriétés chimiques des oses selon le groupement chimique impliqué dans la réaction en: ❖ Propriétés dues à la fonction carbonyle ❖ Propriétés dues aux fonctions alcools ❖ Propriétés dues à la fonction carbonylée et aux fonctions alcools 51  a. Fonction Carbonyl Les différentes fonctions polyhydroxylées des aldéhydes ou cétones leurs confèrent des propriétés chimiques. 52 a.1 Oxydations ménagées 1. Oxydation douce par l’iode (I2) ou le Brome (Br) du C1 L’iode I2 ou le brome Br2 oxyde spécifiquement la fonction aldéhyde des aldoses en fonction acide carboxylique. L’aldose est ainsi transformé en acide aldonique. R – CHO + I2 + 2 OH- R – COOH + 2 I- + H2O 1 COOH CH2OH | C– CHOH O | Cyclisation en 1 - 4 Acide –C 4 1 O | D Gluconique 4 C– - H2 O | C– | 37 CH2OH D Gluconolactone Le glucose donne l'acide gluconique, Le mannose l'acide mannonique, Le galactose l'acide galactonique… 53 NB: Pas possible pour la fonction cétone des cétoses  2. Oxydation par acide fort: Acide nitrique (HNO3) En présence d’oxydants puissants, en milieu acide et à chaud, l’oxydation de l’ose peut porter sur plusieurs fonctions, oxydées en même temps. Pour les aldoses: Il y a oxydation simultanée des 2 fonctions terminales de la molécule, ce qui donne un diacide carboxylique appelé acide aldarique. 1 CHO 1 COOH 2 *C 2 *C 3 *C HNO3 3 *C D- Gal Acide Galactarique 4 *C 4 *C 1 CHO 1 COOH 5 *C OH 5 *C OH 2 *C 2 *C 6 CH2OH 6 COOH 3 *C HNO3 3 *C D-Glc Acide Glucarique 4 *C 4 *C 5 *C OH 5 *C OH 6 54 CH2OH 6 COOH Cas des cétoses : Il y a rupture de la chaîne carbonée au niveau de la fonction cétone et formation d’un mélange d’acides carboxyliques COOH HNO3 COOH + COOH COOH Ac. Oxalique Ac. Mésotartrique 55 3. Oxydation de la fonction alcool primaire en fonction acide carboxylique Cette oxydation est obtenue seulement si la fonction aldéhyde ou cétone très réactive est protégée. On obtient ainsi un acide uronique. Glucose Ac. Glucuronique Galactose Acide Galacturonique 1 CHO 1 CHO 1 CHO *C *C 1 CHO *C 2 2 2 2 *C 3 *C 3 *C 3 *C *C 4 *C 3 *C 4 *C 4 4 *C 5 *C OH 5 *C 5 *C OH 6 6 COOH 5 *C OH 6 CH2OH COOH 6 CH2OH D-Glc 6 COOH 6 COOH D- Gal 5 O 5 O 1 1 Acide β-D Glucuronique Acide β-D galacturonique 56 Ces composés interviennent dans la reconnaissance cellulaire chez les bactéries.  b.2 Réduction La réduction des oses donne des polyalcools: - NaBH4: hydrure de bore et de sodium - LiBH4: bromure de lithium Aldoses: fonction aldéhyde réduite en fonction alcool NaBH4 D-Glucose D-Sorbitol (ou D-Glucitol) on obtient le polyalcool correspondant à l'aldose de départ. Exemple: Mannose donne du mannitol, etc. 57  Cétoses: donnent naissance à 2 épimères (fonction alcool II) Pour les cétoses, on obtient 2 polyalcools épimères. D-Manitol D-Fructose D- Sorbitol 58 D'autres réactions de réduction utilisées pour le dosage des sucres et leur caractérisation: les sels cuivriques (la liqueur de Fehling) le nitrate d'argent les sels de tétrazolium 59  C. Propriétés dues aux fonctions Alcooliques C.1 Formation d’éther-oxydes (Méthylation). Les agents méthylants tels que le sulfate de méthyle ((SO4(CH3)2) en présence de soude ou l'iodure de méthyle ICH3 avec Ag2O (Purdie) agissent en substituant tous les hydrogènes des groupements hydroxyles par un -CH3 formant ainsi un groupement éther. Si le groupement réducteur de l'ose est libre, il réagira en formant un dérivé O-méthylé. ICH3 Hcl Ag20 ICH3: méthylation de tous les OH sauf le OH hémi-acétalique MeOH (méthanol): Méthylation de tous les OH (y compris aldéhydique).60 La méthylation est une technique importante qui a deux applications principales : a) Elle permet de déterminer la structure des cycles b) Elle permet de déterminer l'enchaînement dans les polyosides 61  c.2 Estérification ❖ Réaction d’estérification classique Toutes les fonctions alcooliques peuvent être estérifiées par des acides En présence d’acide + H3PO4 Les esters d’acide phosphorique (H3PO4) jouent un rôle métabolique important62  c.3 Formation de complexe avec le bore ils permettent d'effectuer des éléctrophorèses des oses, ce qui n'est pas possible sans cela puisque les oses ne sont pas chargés naturellement. L'anomérie du sucre influencera la formation des complexes avec le bore et donc leur mobilité éléctrophorétique. 63 D. Propriétés dues à la fonction réductrice et aux fonctions OH. d.1 Formation d’un hémi-acétal interne Réaction de la fonction carbonyle avec 1 OH de la même molécule pour former 1 héterocycle Pyrane ou Furane. H2OHC 6 6 5 4 3 2 1 4 3 2 1 H2OHC C C C C CH2OH 5C C C C CH2OH O O OH OH 6 O H2OHC 1CH2OH 5 2 4 3 αDFructofurane 64 d.2 Action de la phénylhydrazine ❖ Réactions sur C1 et C2 des oses. ❖ Formation d’une hydrazone puis osazone Ph-NH-NH2 Ph-NH-NH2 65 e. Epimérisation Deux oses sont épimères lorsque leurs formules ne diffèrent que par l’orientation de l’hydroxyle d’un seul carbone asymétrique L’épimérisation s’effectue par voie enzymatique ou en milieu basique faible - Le D-mannose est l’épimère C2 du D-glucose - Le D-galactose est l’épimère C4 du D-glucose Quinoliène 66 f. inter-conversion Il s’agit de la réaction équilibrée qui provoque la transformation partielle : Aldose Cn en cétose correspondant Cétose Cn en ces deux aldoses correspondants 67 ii. Insolubles dans l’eau 1. Acide gras a. Les acides gras saturés b. Les acides gras insaturés i. La conformation des acides gras insaturés ii. La nomenclature des acides gras insaturés c. Propriétés physiques des acides gras d. Propriétés chimiques des acides gras 68 a. Les Acides Gras (AG) Acide Gras: Les constituants de bases des lipides Fonction COOH Longue chaîne carbonée (de 4 à 24 C) Nombre pair de carbone Ne circulent pas librement sous cette forme (estérifiés) 69 A. Les Acides Gras saturés Caractéristiques Atomes de carbones totalement saturés en hydrogène Formule générale : CH3-(CH2)n-COOH Abondants chez les mammifères Souvent à nombre pair de carbone Ils s’agit des acides gras les plus répandus dans la nature. 70  Exemples: Plus représentatifs: Acide butyrique (C 4:0) : (beurre, métabolisme des bactéries) Acide lignocérique (C 24 :0): lipides du tissu nerveux 71  Sources d’acides gras saturés Alimentation : Exogène - Viandes, charcuteries, lait et dérivés (fromages, beurre…) Endogène : biosynthèse par la voie malonique 72 b. Les Acides Gras Insaturés Caractéristiques Présence d’au moins une double liaison En fonction du degré d’insaturation : - Rigidité - Points de fusion faibles (-5 à -50°C) - Sensible à l’oxydation 73  Stéréoisomérie : Configuration cis-trans La double liaison peut faire apparaitre une configuration isomérique: cis ou trans. Cis: les substituants H sont localisés du même coté par rapport à la double liaison. Trans: se trouve de part et d’autre de la double liaison. TRANS CIS Naturel Industriel 74  Nomenclature Dans les acides gras insaturés, la position de la première double liaison peut s’exprimer : Soit en partant du méthyl (dernier carbone) ; le symbole est oméga ω Les séries ω Exemple: C18:2 ω6 En médecine clinique et en biologie, la désignation des acides gras insaturés la plus courante est celle qui fait appel au symbole oméga (ω). 75  Séries Δ En partant du carboxyle (1er carbone) ; le symbole est Δ C18 : 2Δ9,12 76  1. Les acides gras mono-insaturés - Seule double liaison - Le plus représentatif : Acide oléïque ( acide 9-octadécènoïque) Très présent dans les huiles et les graisses animales (40% des acides gras dans la graisse de bœuf, 80% dans l'huile d'olive). 77  Les acides gras poly-insaturés (AGPI) - 2 à 6 doubles liaisons par molécules 78  Acides Gras Poly-Insaturés (AGPI) indispensables Non synthétisés par l’homme : ❖ Acide linoléique (C18:2,ω6) ❖ Acide linolénique (C18:3,ω3) 79  AGPI indispensables ❖ Acide docosahéxaénoïque (C22:6,w3) - Il a été classé comme indispensable en raison de sa très faible bioconversion à partir de l’a- linolénique Acide linoléique (LA) Acideα-linolenique Acide docosahéxaénoique Croissance et développement (ALA) (DHA) Constituants des Biogénèse des Consituant majeur de la phospholipides membranaires Fonction épidermique et des membranes structure du cerveau et des reins Facilite la croissance et fonctions cognitives et Reproduction le développement visuelle 80  Acides gras non indispensables Acides gras saturés Acide oléique Autres … 81 Nomenclature des acides gras 82  C. Propriétés physique des acides gras 1. Solubilité L’acide butyrique à 4C est soluble dans l’eau, puis la solubilité des acides gras baisse progressivement et ils sont insolubles à partir de 10C. Ils sont solubles dans les solvants organiques apolaires : benzène, chloroforme, … 2. Le point de fusion Augmente avec le nombre de C. Diminue quand le nombre de doubles liaisons augmente. Ils sont liquides à 20° C si n C16 > C14 … ▪ L’augmentation du nombre de carbones : augmentation du point de fusion et l’augmentation de la fluidité 84 85  D. Propriétés chimiques des acides gras 1. Oxydation des doubles liaisons L’oxydation par l’oxygène de l’air conduit au rancissement des graisses: oxydation des acides gras en acide butyrique et radicaux peroxydes (phénomène de peroxydation des lipides). Les radicaux libres sont très actifs chimiquement en s'attaquant aux acides gras. L’oxydation enzymatique intracellulaire de l’acide arachidonique par la cyclooxygénase (cyclisation + oxydation) conduit aux prostaglandines qui sont des médiateurs très actifs, très rapidement dégradés. 86 Action biologique des prostaglandines dans: Contraction des muscles lisses (intestin, vaisseaux) ; Régulation des métabolismes ; Agrégation plaquettaire. L’inhibition de la cyclooxygénase des plaquettes par l’aspirine est utile en thérapeutique (antiagrégant plaquettaire). 87 2. Formation de sels de sodium ou potassium Ce sont des savons à propriétés moussantes, mouillantes et émulsionnantes. Dans l’eau les savons se dissocient en Na+ + R-COO- Sels d’acide gras (savons molécules amphiphiles) R-COOH + NaOH => R-COO- Na+ + H2O Ces molécules appelées amphiphiles ou amphipathiques, sont tensioactives : elles abaissent la tension superficielle de l’eau d’où leurs propriétés. 88 3. Formation d’ester Condensation d'un groupe acide carboxylique R1-COOH et d'un groupe alcool R2-OH ainsi que formation d'eau H2O. 89  Indice d’iode: Addition d'halogènes sur les doubles liaisons CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH + I2 CH3-(CH2)5-CHI-CHI-(CH2)7-COOH Acide palmitoléique Exemple: Cette réaction permet de connaitre le nombre de double liaison contenues dans un AG Chaque double liaison fixant 2 iodes Le nombre de double liaison = nombre d’iode/2 90  Hydrogénation des doubles liaisons -CH2-CH=CH-CH2- -CH2-CH2-CH2-CH2- acide gras insaturé acide gras saturé 91 ii. Insolubles dans l’eau 1. les isoprénoïdes a. les terpènes b. les dérivés des stérols. 2. les éicosanoïdes, 92  Introduction Ne sont pas des acides gras ni résultant de l’association d’un acide gras avec un alcool insaponifiable MAIS Possèdent le caractère commun à tous les lipides: l'insolubilité en milieu aqueux Existe 2 familles chimiquement distinctes: - Isoprénoïdes, avec les terpènes et les dérivés des stérols - Eicosanoïdes, dérivés de l'acide gras polyinsaturé : l'acide arachidonique 93 1. Les Isoprénoides ou lipides isopréniques Constituent une famille de molécules dérivées d'un hydrocarbure ramifié à doubles liaisons: l'isoprène = 2-méthyl 1,3-butadiène. 1.1 Hydrocarbures polyisopréniques Résultent de la polymérisation d'unités isoprène ex : - limonène : 2 unités d'isoprène - squalène (intermédiaire de biosynthèse des stérols) : 6 unités d'isoprène - carotène : 8 unités d'isoprène - dolichols : environ 20 unités d'isoprène, intervenant dans la synthèse des protéines N- glycosylées - autres composés chez les végétaux tel que le caoutchouc 94  1.2 Caroténoides et dérivés a. Carotènes Hydrocarbures de formule C40H50. Longue chaîne carbonée, avec un grand nombre de double liaisons conjuguées Les extrémités peuvent être cyclisées Pigments végétaux impliqués dans la photosynthèse Le β-carotène ou provitamine A est un pigment jaune orangé présent dans les carottes, les myrtilles et le jaune d'oeuf Β-carotène 95  b. Xanthophylles Pigments dérivent des carotènes par oxydation et ont des groupements hydroxyle sur le cycles. C. Vitamine A ou Rétinol C20H30O Nécessaires en faible quantité pour un certain nombre de fonctions métaboliques Les Mammifères sont incapables de les synthétiser Synthèse se fait à partir de précurseurs contenus dans les végétaux et apportés par l'alimentation 96 1.3 Dérivés phénoliques et quinoniques Chaîne latérale liée au noyau phénol ou quinone qui est un assemblage d'unités isopréniques a. Ubiquinone et Palstoquinone Chaîne latérale comporte 10 ou 9 unités isopréniques Assure les transferts d'électrons dans les membranes mitochondriales (chaîne respiratoire) et chloroplastiques (photosynthèse) 97 b. Vitamine K ou Phylloquinone Présente que chez les végétaux Transformée en forme active dans le foie Co-facteur d'une enzyme catalysant la synthèse de la prothrombine, indispensable à la coagulation sanguine: elle a un rôle antihémorragique 98  c. Vitamine E ou tocophérol Composés susceptibles d'être transformés en hydroquinones et d'être oxydés en quinones --> Propriétés anti-oxydantes --> rôle protecteur contre les formes actives de l'oxygène Antioxydant naturel (acides gras insaturés) + rôle dans la reproduction et le système nerveux. 99  1.4 Dérivés stéroliques: stéroles et stéroides Dérivés du squalène qui résulte de la polymérisation de 6 isoprènes Précurseur de la synthèse des stérols Les stérols ont un noyau polycyclique appelé cyclopentanophénanthrène 100  a. Cholestérol Formule brute: C27H45OH Hydroxylé en position 3 et méthylé en position 10 et 13 Double liaison 5-6 Présence de 8 carbones asymétriques (28 = 256 isomères possibles) Le cholestérol est le seul isomère naturel. Il est synthétisé dans le foie 101 a.1 Propriétés physiques et chimiques du cholésterol Propriétés physiques : - Pouvoir rotatoire: il est lévogyre α = -39°. - Point de fusion: 149 °C - Solubilité: insoluble dans l'eau Propriétés chimiques : - Fonction -OH: - Formation d'esters (stérides) - combinaison avec des hétérosides : utilisé pour le dosage du cholestérol Rôles biologiques: - Rôle structural: association aux phospholipides de la membrane plasmique des cellules animales - Rôle de précurseurs pour la synthèse de dérivés importants: hormones sexuelles, hormone des corticosurrénales, sels biliaires, vitamine D 102  2. LES EICOSANOIDES: PROSTAGLANDINES ET LEUCOTRIENES Dérivent de l'acide arachidonique (suite à l'action d'une phospholipase), AG "indispensable 2.1 Prostaglandines Sont des acides gras particuliers découverts en premier dans du tissu prostatique Beaucoup de tissus en contiennent en petites quantités Ces acides dérivés comportent un cycle à cinq carbones, insaturé et hydroxylé 2.2 Leucotriènes Découverts dans les globules blancs Comportent un système de 3 doubles liaisons conjuguées (triènes) 103  Partie 2 : Les monomères de la biochimie a. Exclusivement carbonés i. Solubles dans l’eau : les oses et leurs dérivés ii. Insolubles dans l’eau b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres ii. Les acides aminés iii. Les bases azotées iv. Les autres amines 104 b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres Les Osamines Dérivent des oses par la substitution de la fonction OH par la fonction amine (NH2) sur le carbone 2 des sucres On les trouve dans les polyosides de structures En complément le groupe NH2 est fréquemment acétylé Galactose a-D-Galactosamine N-Acétyl-a-D-Galactosamine 105 b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres Les Osamines Dérivent des oses par la substitution de la fonction OH par la fonction amine (NH2) sur le carbone 2 des sucres On les trouve dans les polyosides de structures En complément le groupe NH2 est fréquemment acétylé chitine Glucose a-D-Glucosamine N-Acétyl-a-D-Glucosamine 106 b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres Les Acides Uroniques Dérivent des aldoses par oxydation de la fonction OH primaire en fonction acide (COOH) On les trouve dans les polyosides (glycosaminoglycanes, constituants essentiels des matrices extracellulaires) Glucose Acide glucuronique 107 b. Azotés i. Dérivés aminés des sucres Les Acides Sialiques (neuraminiques) + a-D-Mannosamine Acide Pyruvique Acide Neuraminique Acide N-Acétyl-Neuraminique 108 b. Azotés ii. Les acides aminés C’est l’unité de base des peptides et des protéines Molécule organique présentant une fonction amine et une fonction carboxylique -> acides carboxyliques a-aminés (acides a-aminés) 1er acide aminé découvert en 1805, l’asparagine par 2 chimistes français 109 Pierre-Jean Robiquet Louis-Nicolas Vaquelin b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale Groupe Amine Groupe carboxylique Carbone a 110 b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale La lysine un acide aminé a et e-aminé 111 b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale Alanine R = CH3 112 b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale A l'exception de la glycine (Gly), tous les acides aminés possèdent un carbone α asymétrique (ou chiral). Il existe donc pour chacun d'entre eux deux isomères stéréochimiques, images en miroir, (énantiomères) 113 b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale Les acides aminés sont de la série L 114 b. Azotés ii. Les acides aminés 1. Structure générale Les acides aminés sont des molécules solubles dans l’eau Cependant, les propriétés physico-chimiques possibles de la chaine latérale ont comme conséquence la diversité de structure, de propriété, de localisation des polymères d’acides aminés Les acides aminés sont donc présentés en fonction de la propriété de leur chaine latérale Hydrophile Hydrophobe Particuliers Chargé Non-chargé Aliphatique Aromatique 115 Attention : il n’y a pas de frontière en biologie ! b. Azotés ii. Les acides aminés 2. Chaines latérales hydrophiles a. Chargés (ex. glutamate) 116 b. Azotés ii. Les acides aminés 2. Chaines latérales hydrophiles b. Non chargés (ex Sérine) 117 b. Azotés ii. Les acides aminés 3. Chaines latérales hydrophobes a. Aliphatiques (ex. Leucine) 118 b. Azotés ii. Les acides aminés 3. Chaines latérales hydrophobes b. Aromatiques (ex : Phénylalanine) 119 b. Azotés ii. Les acides aminés 4. Particuliers 120 b. Azotés ii. Les acides aminés 4. Particuliers 121 b. Azotés ii. Les acides aminés 4. Particuliers 122 b. Azotés ii. Les acides aminés 5. Les nomenclatures La « trois lettres » Exemple : Glutamate = Glu Pourquoi ? Alignement dans « courier new » avec les codons (génétique) Ex : ATGGCCTCGTTGTAG MetAlaSerLeu* 123 b. Azotés ii. Les acides aminés 5. Les nomenclatures La « une lettre » Exemple : Glutamate = D Pourquoi ? Banque de donnée, moins d’info ! Ex : ATGGCCTCGTTGTAG MetAlaSerLeu* = MASL 124 b. Azotés ii. Les acides aminés Récapitulatif 1 125 b. Azotés ii. Les acides aminés Récapitulatif 2 126  Classification des AA Les acides aminés peuvent être groupés en fonction de la nature de leurs chaînes latérales: Aliphatiques: Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine Hydroxylés/soufrés: Sérine, Cystéine, Thréonine, Méthionine Cycliques: Proline Aromatiques: Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane. Basiques: Histidine, Lysine, Arginine Acides: Acide Aspartique, Acide Glutamique 127 Classification en fonction de la polarité et de la charge des chaines latérales à pH neutre 128  Propriétés Physico-chimiques des acides aminés 1. Ionisation, effet du pH Les acides aminés sont des molécules amphotères: Il peuvent agir comme des acides et comme des bases 129  Zwitterion Les acides aminés existent à l'état de zwitterions, c'est à dire qu'il peuvent contenir des charges positives et négatives par leurs groupement carboxylique chargé négativement et aminé, chargé positivement et par les groupements ionisables de leurs chaines latérales. Par définition: le zwitterion est une forme neutre qui possède autant de charges positives que de charges négatives 130 Courbe de titration d’un acide aminé (Ala) 131 Constante caractéristiques des différents acides aminés 132 pHi des principaux acides aminés 133 Propriétés physiques des acides aminés Solubilité Couleur et absorption de la lumière visible et ultraviolet Pouvoir rotatoire 134 1. Solubilité des acides aminés Les acides aminés sont solubles dans l’eau, mais très faiblement à un pH autour de leur pHi , plus fortement en milieu alcalin (formation de sels) Ils sont plus faiblement solubles dans l’alcool La solubilité dans les solvants apolaires dépend de leur chaine latérale 135 2. Coloration et absorption de la lumière Les solutions d’acides aminés sont incolores La plupart des AA absorbent à une λ < 230 nm Les AA aromatiques absorbent vers 280 nm (ultraviolet) – - Utile pour repérer la présence de protéines. Le tryptophane est fluorescent 136 3. Pouvoir rotatoire des acides aminés 20 acides aminés ont un carbone asymétrique La glycine n’a pas cette propriété Propriété de dévier la lumière polarisée 137  Propriétés chimiques des acides aminés Dans les peptides et protéines, les acides aminés sont engagés par la liaison peptidiques. Leurs extrémités amino et carboxyterminales sont bloqués sous forme d’une liaison amide chimiquement inerte, Seuls, les groupements fonctionnels portés par les chaines latérales des résidus et les extrémités NH2 et COOH (libres) sont susceptibles d’intervenir dans des réactions chimiques 138 1. Propriétés du groupement COOH La fonction COOH est peu réactive aux pH physiologiques car la structure résonnante de l’ion carboxylate est très stable. Il doit être activé ou les réactions doivent être réalisées en milieu anhydre. Lors de la formation de la liaison peptidique au cours de la synthèse des protéines, la réaction d’activation est catalysée par l’aminoacyl- ARNt synthétase. 139 a. Formation d’amide ou Amidification: Elle résulte de la réaction avec une amine Conduit à la formation de la liaison peptidique 140 b. Décarboxylation La décarboxylation d’un aminoacide donne naissance à une amine. La réaction peut se faire par voie chimique ou enzymatique Dans la cellule, les enzymes responsables sont les décarboxylases. Ces enzymes sont spécifiques de chaque acide aminé. Cette réaction est importante car elle aboutit à des amines biologiquement très active Exemple: - Sérine: donne éthanolamine (précurseur de la choline) - Histidine donne l’histamine (vasodilatateur intervenant dans les réactions d’allergie ou d’inflammation) - Acide glutamique : donne 4-aminobutanoique ou GABA (neurotransmetteur) 141 2. Propriétés du groupement amine NH2 Le groupe NH2 (fonction amine primaire) possède un doublet libre et constitue, sous sa forme non protonée, un nucléophile puissant. Ce groupe peut être engagé dans une grande variété de réaction. a. Formation de sel en milieu acide Certains sels sont plus solubles que l’acide aminé correspondant, d’où l’utilisation préférentielle sous cette forme (thérapeutique). b. Désamination C’est la réaction entrainant l’élimination du groupement amine sous forme de NH3 Cette réaction est utilisée pour le dosage volumétrique des acides aminés à groupement NH2 142 libre (Méthode de Van Slyke) c. Désamination oxydative Cette réaction se fait in vivo par une oxydase ou une déshydrogénase conduisant à l’acide α cétonique 143 d. Réactions avec les aldéhydes Avec les aldéhydes aliphatiques: il se forme le dérivé diméthylol de l’acide aminé (réaction d’addition) Le blocage de la fonction NH2 permet: Dosage de l’AA par acidimétrie (dosage de COOH par le Na OH) Modifier les propriétés de l’acide aminé: une protéine peut être toxique par ses groupements NH2, elle est moins toxique après blocage de ces derniers 144 AA aromatique: formation d’imine (base de Schiff) e. Réaction à la ninhydrine La ninhydrine (hydrate de tricétohydrindène) est le réactif coloré de détection des acides aminés et des peptides le plus couramment utilisé. La Ninhydrine entraine la désamination oxydative des acides aminés et libère l’aldéhyde correspondant, l’amoniac et le gaz carbonique. Réaction colorimétrique très sensible. La densité optique de la solution colorée à 570nm est proportionnelle à la quantité d’acides aminés initialement présents. 145 3. Propriétés de la chaine latérale Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro La glycine ne possède, comme chaine latérale, qu’un atome d’hydrogène inerte chimiquement. Les acides aminés apolaires aliphatiques (Ala, Leu, Ile, Pro) n’ont pas de groupe réactif dans leurs chaines latérales Les acides aminés avec fonctions alcools Ser, The: Sérine, Thréonine peuvent être estérifiés par l’acide phosphorique Oxydation de la cystéine en cystine Réaction à l’origine de la formation des ponts disulfures dans la structure tertiaires des protéines 146 b. Azotés iii. Les bases azotés Rappels: les fonctions azotées des bases azotés 147 b. Azotés iii. Les bases azotés 2 types Voir cours de biologie moléculaire 148 b. Azotés iv. Les autres amines 1. La sphingosine Sphingosine 149 b. Azotés iv. Les autres amines 2. Le nicotinamide Est une vitamine B Constituant du NAD et du NADP (respiration/photosynthèse) 150 b. Azotés iv. Les autres amines 2. Le nicotinamide NAD 151 b. Azotés iv. Les autres amines 2. Le nicotinamide NADP+ 152 b. Azotés iv. Les autres amines 3. Ethanolamine Membranes plasmiques des cellules < décarboxylation de la sérine 153 b. Azotés iv. Les autres amines 4. Choline = diméthyl éthanolamine 154