Cours de Médecine : Glucides, Lipides, Acides Nucléiques, Enzymologie PDF

Chapitre I : Les Glucides Introduction La majeure partie des glucides de la planète est produite par la photosynthèse. Ils jouent essentiellement : Un rôle énergétique : chez les animaux et les plantes, des polymères glucidiques sous forme de glycogène et d’amidon servent de réserves é...

Chapitre I : Les Glucides Introduction La majeure partie des glucides de la planète est produite par la photosynthèse. Ils jouent essentiellement : Un rôle énergétique : chez les animaux et les plantes, des polymères glucidiques sous forme de glycogène et d’amidon servent de réserves énergétiques, respectivement. Un rôle structural : des polymères (cellulose, chitine...) constituent les parois cellulaires (rôle de protection) des végétaux et des champignons, et des dérivés de glucides se retrouvent dans un grand nombre de molécules biologiques comme les acides nucléiques (ADN et ARN). Un rôle de reconnaissance et de communication : les glucides (surtout les glycoprotéines) interviennent dans les interactions entre les cellules d’un même organisme, et sont utilisés par des microorganismes pour infecter les organismes hôtes. Les glucides ou encore appelés hydrates de carbone (carbohydrates) à cause de leur formule générique de base Cn(H2O)n, ce sont des molécules organiques caractérisées par la présence de chaînons carbonés porteurs de groupements hydroxyles, et de fonctions aldéhydes ou cétoniques, et éventuellement de fonctions carboxyle ou amine. Ils se divisent en oses et osides. Un Ose (sucre simple ou monosaccharide) est un sucre non hydrolysable et porte la plupart du temps de 3 à 7 atomes de carbone. C'est un polyol qui porte au moins 2 fonctions alcools dont l'une au moins est une fonction alcool primaire, et une fonction réductrice carbonylée, qui peut être soit : 1  Adéhyde (-CHO) : Dans ce cas l'ose est un aldose. Cétone(>C=O) : Dans ce cas l'ose est un cétose. Un Oside est un sucre hydrolysable, il peut être un : Holoside : son hydrolyse ne libère que des oses. On distingue les : - Oligoside : association de 2 à 10 oses par des liaisons osidiques. - Polyoside : polymère formé de 10 à plusieurs milliers d'oses, qui peut etre un polyoside homogène (ou homopolyoside) pour un polymère composés d’unités d'un même ose, ou polyoside mixte (ou hétéropolyoside) pour enchaînement d'unités différentes. Hétéroside : son hydrolyse libère des oses et des composés non glucidiques. Des chaînes glucidiques peuvent être fixées, par voie chimique ou enzymatique, sur des lipides ou des protéines : ces dérivés sont regroupés sous le terme de glycoconjugués. Exemples : L'ose (le monosaccharide) le plus répandu est un aldohexose : le glucose. Son isomère de fonction est un cétohexose : le fructose. Les diholosides (ou disaccharides) : maltose, saccharose, et lactose. Les polyosides (ou polysaccharides) : amidon, glycogène, et cellulose. I. Les Oses 1. Nomenclature de base Les oses les plus simples ont trois atomes de carbone : Glycéraldéhyde Dihydroxyacétone Tous les carbones portent une fonction alcool primaire ou secondaire sauf : Un aldéhyde sur C1 pour les aldoses et une cétone sur C2 pour les cétoses. Ces deux fonctions sont réductrices. Les atomes de carbone d'un ose sont numérotés à partir du carbone le plus oxydé. 2  Nb Nom générique C 3 Trioses Aldotrioses, cétotrioses 4 Tétroses Aldotétroses, cétotétroses 5 Pentoses Aldopentoses, cétopentoses 6 Hexoses Aldohexoses, cétohexoses 7 Heptoses Aldoheptoses, cétoheptoses Exemple : le glucose est un aldohexose, le fructose est cétohexose. Aldoses remarquables : glycéraldéhyde ; érythrose ; ribose ; arabinose ; xylose ; glucose ; mannose ; galactose. Cétoses remarquables : dihydroxyacétone ; ribulose ; fructose. 2. Carbone asymétrique et isomérie Dans la molécule de glycéraldéhyde, le carbone C₂ est un C*. Ce composé présente donc deux stéréoisomères sous forme d’énantiomères D et L (Au niveau de la représentation de Fischer, on considère le OH porté par le C se trouvant en avant dernière position, D : OH à droite, et L : OH à gauche). Les épimères d’un ose sont des diastéréoisomères se différenciant par la position d'un groupement hydroxyle. Pour n carbones asymétriques, nous aurons 2n stéréoisomères et 2(n-1) couples d'énantiomères. Les glucides naturels sont de la série D (sauf le L-Fucose). Pour les mêmes raisons, ces molécules sont dotées comme les AA d’un pouvoir rotatoire (+) ou (-). 3  Les cétoses portent une fonction cétone sur le deuxième carbone, ce qui fait qu'ils possédant un carbone asymétrique de moins que leur homologue aldose. Les autres propriétés sont semblables à celles des aldoses. 4. Oses d’intérêt biologique 4.1. Trioses Les formes les plus importantes des trioses sont des dérivés phosphorylés que l'on trouve dans les premières étapes de la glycolyse (catabolisme oxydatif) : glycéraldéhyde 3-phosphate et dihydroxyacétone phosphate obtenu à partir de la dégradation du fructose 1-6 bisphosphate. Cette réaction est catalysée par l'enzyme aldolase. 4.2. Tétroses Le seul tétrose d’intérêt est l’aldose D(-) érythrose. Son ester-4-phosphate est l’un des nombreux intermédiaires de la photosynthèse et de la voie des pentoses phosphates chez l’être humain. 4.3. Pentoses Les plus importants sont : le D-ribose et son dérivé de réduction le D-2-désoxyribose (disparition de la fonction alcool en C2) entrent respectivement dans la composition des acides ribonucléiques (ARN) et désoxyribonucléiques (ADN). 4  le D-ribulose : ce cétopentose est trouvé à l'état de ribulose-1,5-diphosphate qui est un élément fondamental dans le "cycle des pentoses" et des réactions de photosynthèse. 4.4. Hexoses Les hexoses importants, isomères de la série D, sont le glucose, deux de ses épimères : le galactose et le mannose ainsi qu'un cétose, le fructose, ainsi que leurs dérivés. D-glucose D-galactose D-mannose D-fructose 4.4.1. Le D (+) glucose C'est la "molécule carburant" du monde vivant et par là le prototype des études de structure et propriétés des oses. Il est abondant à l'état libre dans le miel et les fruits. Il est hydrosoluble dans les liquides biologiques et constitue les réserves énergétiques (amidon végétal, glycogène animal). La cellulose un polymère du glucose est la molécule organique la plus abondante sur la terre : constituant principal de la paroi cellulaire des végétaux. 4.4.2. Le D (+) galactose Le plus répandu après le glucose, il entre dans la constitution du lactose (glucose + galactose) du lait des mammifères. On le trouve combiné dans certains oligosides, hétérosides et glycoprotéines. 5  4.4.3. Le D (+) mannose Peu abondant à l'état libre si ce n'est dans l'écorce d'orange. Il entre dans la constitution des polymères tels les mannanes composant des parois cellulosiques, ou encore des glycoprotéines. 4.4.4. Le D (-) fructose C'est l'un des rares sucres cétoniques naturels, on le trouve à l'état naturel dans les fruits et le miel auquel il donne sa consistance à cause de sa cristallisation difficile. Il entre dans la composition du saccharose (glucose + fructose). Exemples typiques : 6 5. Propriétés des oses Les propriétés optiques de leurs solutions se limitent à la modification de l'indice de réfraction et au pouvoir rotatoire. Ils ne présentent pas d'absorption dans le visible ou l’ultraviolet, mais dans l’infrarouge. Leur richesse en groupement hydroxyle leur confère des propriétés polaires capables de multiples liaisons hydrogène avec l'eau (très hydrosolubles) et avec d'autres molécules comme les protéines (glycoprotéines). Leur structure est thermodégradable (caramélisation). Ceci interdit la séparation par chromatographie en phase gazeuse. Les sucres sont caractérisés par la mutarotation, c’est le phénomène d’évolution du pouvoir rotatoire accompagnant une équation chimique appelée épimérisation, qui est le passage d’un épimère cyclique (anomère) à un autre. Par exemple, dans le cas du glucose, la mise en solution du D-glucose conduit à un mélange de deux formes cycliques du glucose : ≈35 % de l’anomère de type α et ≈64 % de l’anomère de type β, en plus d’une très faible quantité de forme linéaire (ouverte) moins de 1%. 7  Pour représenter les formes cycliques des oses on utilise la représentation de Haworth : Cycle perpendiculaire au plan de la feuille. Le Carbone le plus oxydé (porte la fonction réductrice) à l’extrême droite. Les groupements à droite selon Fischer seront sous le cycle. 6.1.3. Structure tridimensionnel Les cycles peuvent prendre deux formes différentes dans l’espace (2 conformères) : forme chaise ou forme bateau. Ceci est dû principalement à des problèmes liés d'une part aux contraintes créées par les liaisons et leurs angles, et d’autre part par l’encombrement stérique des atomes. Ces formes sont des états d’équilibre. La configuration chaise est la plus stable énergétiquement et donc c’est la forme majoritaire en solution. Ex. Le D-glucose 6.3. Estérification Alcool + acide → ester + eau 8  CH2OH CH2-O-PO3H2 O O + H3PO4 D-glucose D-glucose-6-Phosphate La fonction alcool primaire des glucides peut facilement être estérifiée, notamment par l’acide phosphorique : les oses impliqués dans le métabolisme sont le plus souvent sous cette forme : glucose-6-P, fructose 1 ou 6 ou 1,6 P, etc., ce qui correspond en fait à une énergisation (activation) de ces composés. 6.4. Oxydation des oses = Pouvoir réducteur En milieu alcalin, les groupes aldéhydes des aldoses peuvent subir une oxydation douce se transformant en carboxyles tout en réduisant d’autres composés. L’aldose se transforme donc en acide aldonique. Ce pouvoir réducteur peut être mis en évidence par la réaction avec la liqueur de Fehling. Ainsi, les ions cuivreux Cu2+ présents dans la liqueur de Fehling seront donc réduits, et réagissent ensuite avec la soude (milieu basique) pour donner un précipité rouge brique (Cu2O) caractéristique. Un exemple d’un acide aldonique, l’acide gluconique formé par voie enzymatique (sous l’action de la glucose oxydase (GOx)), et qui : 9  Sert à la conjugaison hépatique de la bilirubine (pigment jaune, produit de dégradation de l'hémoglobine (lors de la destruction des globules rouges) mais aussi d'autres hémoprotéines (cytochromes, catalases...). Cette conjugaison rend la bilirubine hydrosoluble et permet son élimination dans la bile. Sert en diagnostic médical pour le dosage de la glycémie à jeun (considérée normale si elle est comprise entre 0,74 g/l et 1,10 g/l) : 6.5. Action des acides concentrés Sous l'action d'un acide concentré chaud, les aldoses et les cétoses donnent naissance par déshydratation interne au furfural ou à des dérivés furfuraux. Le furfural (C5H4O2) est un aldéhyde hétérocyclique avec une structure cyclique (furane). Il peut réagir avec divers phénols (comme le résorcinol dans le réactif de Selivanoff) et amines cycliques ; pour donner des colorations caractéristiques et quantitatives. Furfural 10 II. Les Osides 1. Holosides 1.1. La liaison osidique Les fonctions hydroxyle de deux oses peuvent se condenser (réaction de condensation) en libérant une molécule d'eau pour former une liaison O-glycosidique, glycosidique ou osidique. La fonction réductrice peut être libre ou engagée dans la liaison osidique, donc le polyholoside ne sera pas forcément réducteur, même si les osides qui le composent le sont. 1.2. Les Diholosides Composés formés de 2 oses liés par une liaison osidique. Exemples : ✓ Saccharose (C12H22O11) : Glucose + Fructose ✓ Lactose (C12H22O11) : Galactose + Glucose 11  1.3. Le glycogène Le glycogène (C6 H10 O5)n est un holoside constitué de nombreuses unités de D-glucose. Il constitue un polymère de réserve chez l'être humain et permet de libérer rapidement du glucose principalement dans le foie et dans les cellules musculaires (aussi chez les animaux et les champignons) et au même titre que l'amidon chez les végétaux. De structure arborescente, contenant une chaîne de glucose lié en α (1-4) et est branché en α (1-6) tous les huit ou douze résidus. Le glycogène contient ainsi trente mille unités de glucose. Le foie réalise la glycogénolyse (hydrolyse du glycogène), pour « reformer » du glucose à partir des réserves de glycogène. On trouve du glycogène également dans les muscles où il est stocké puis dégradé en glucose lors des efforts musculaires. Contrairement au cas du foie, le glucose ainsi produit par la cellule musculaire ne peut être utilisé qu’au niveau des muscles. 12 2. Les Hétérosides On regroupe sous ce nom des molécules résultant de l'association covalente de glucides avec d'autres types de molécules et on les désigne très souvent sous le terme de glycoconjugués. On distingue des associations avec les lipides et les protéines. 2.1. Association avec les protéines Les glycoprotéines (GP) Ce sont des protéines sur lesquelles sont greffées par condensation des chaînes glucidiques courtes dont la fraction varie en général de 1 à 20%. On distingue les : Les N-glycoprotéines et les O-glycoprotéines. Liaison N-osidique Liaison O-osidique 2.1.2.1. Les N-glycoprotéines Des GP dont la liaison N-osidique s'établit en général entre le dérivé N-acétylamine du glucose et la fonction amide de l'asparagine. On les retrouve au niveau des récepteurs membranaires, des molécules d’adhérences à d’autres cellules, les immunoglobuline (IgM, IgD, IgG, IgA et IgE).... La majorité de ces molécules présentent comme partie glycosidique un tronc commun de 5 oses : soit un bras de mannose, soit un bras Gal-GlcNAc terminé par un acide sialique. Par exemple, les Immunoglobulines sont des glycoprotéines contenant des motifs oligosaccharidiques attachés au domaine CH2 et dans certains cas, ces oligosaccharides peuvent aussi être attachés sur d’autres parties de ces molécules. 13  Structure générale d’une Immunoglobuline 2.1.2.2. Les O-glycoprotéines Des GP dont la liaison O-osidique s'établit par le dérivé N-acétylamine du galactose et la fonction alcool de la sérine ou de la thréonine. On les retrouve au niveau des mucines (sécrétions des muqueuses salivaire, bronchiale, et intestinale), dans les globulines plasmatiques, et les glycoprotéines des groupes sanguins (système ABO). Dans le système des groupes sanguins ABO, les déterminants antigéniques spécifiques sont glucidiques : (Voir le schéma ci-dessous) l'antigène H : est la structure de base, avec comme partie terminale primaire contenant un L-Fucose (Fuc) et un D-Galactose (Gal). l’antigène A : diffère de H par la présence d'une N-acétyl-D-galactosamine (GalNAc) liée à la partie terminale primaire. l’antigène B : diffère de H par la présence d’un D-galactose (GAL) lié à la partie terminale primaire. 14  Déterminants antigéniques du système ABO Les cercles rouges entourent les régions de reconnaissance par les anticorps. Les chaînes de sucres sont portées par des protéines (P) GlcNAc : N-acétyl-D-glucosamine , GalNAc : N-acétyl-D-galactosamine , Gal : D-galactose , Fuc : L-fucose. 2.1.3. Les protéines glyquées Ce sont des produits de la glycation (glycosylation), une réaction chimique qui se produit entre un glucide et une protéine, conduisant à l'établissement d'une liaison covalente entre ces deux molécules. L'hémoglobine (Hb) glyquée ou glycosylée correspond à la fixation non enzymatique de glucose sur un ou deux résidus de valine de l’extrémité N-terminale des chaînes β de l’hémoglobine. La glycation est un phénomène physiologique lent dont la première étape réversible correspond à la formation d’une base de Schiff ou Hb glyquée labile. La deuxième étape correspond à un réarrangement d’Amadori irréversible aboutissant à la formation d’une Hb glyquée stable (Voir schéma ci-dessous). Le nombre de fonctions susceptibles de fixer un ose et le fait que d’autres oses que le glucose, peuvent se fixer génèrent une multitude de formes glyquées de l’Hb (HbA1a, HbA1b, HbA1c, HbA1A2, HbA2, HbF …). Ainsi, l'hyperglycémie observé dans la maladie du diabète favorise l’augmentation du taux d’hémoglobine glyquée (surtout la fraction HbA1c la plus importante) dans le sang (˃6%). 15 Cette corrélation est utilisée comme marqueur à long terme pour le suivi de l’état diabétique des patients (bilan de 3 mois). 16  Chapitre II : Les Lipides Introduction Alors que la plupart des familles de molécules de base du monde vivant sont définies par leurs structures chimiques, les lipides (du grec lipos = graisse) sont caractérisés par une propriété physique : la solubilité. Ce sont des composés à solubilité nulle ou faible dans l'eau mais par contre élevée dans les solvants organiques non polaires (méthanol, chloroforme, cyclohexane, éther éthylique, toluène...). Les termes d'huiles, beurres, graisses, cires ne désignent que leur état physique liquide ou solide à la température ambiante. Un lipide est une molécule : - soit complètement apolaire (lipide neutre) - soit bipolaire, molécule amphiphile (ou amphipathique), avec une tête polaire liée à une chaîne fortement apolaire (queue). La classification la plus utilisée est la suivante : Les lipides vrais simples (neutres) : Ils résultent de la condensation d'acides "gras" avec des alcools par une liaison ester ou amide, et on les subdivise en : Glycérides (Glycérolipides ou acylglycérols) : l’alcool est le glycérol, comme les triglycérides. Cérides : les alcools sont à longue chaîne (gras), comme le Palmitate de cétyle dans la cire des abeilles, et très utilisé dans l’industrie des cosmétiques (lotions, pommades, crèmes, …). Stéroïdes : l'alcool est un stérol (polycyclique), comme le palmitate de cholestérol, impliqué dans la synthèse des hormones stéroïdes (cortisol, testostérone…), la vitamine D3, et les acides biliaires. 17  NB. Classification des Alcools Les lipides vrais complexes (hétérolipides) Ils contiennent en plus des précédents du phosphore, de l'azote, du soufre ou des oses, tels : Glycérophospholipides (phospholipides). Glycosphingolipides (sphingolipides). Exemples de rôles biologiques des Lipides Les lipides naturels jouent de nombreux rôles dans le monde vivant : 1)- Réserves intracellulaires d'énergie 2)- Matériaux de structure - Couches de protection de cellules 18  - Composants des membranes biologiques 3)- Molécules en concentration faible qui peuvent être : - Précurseurs d'activité biologique : hormones stéroïdes, médiateurs extracellulaires et messagers intracellulaires, vitamines liposolubles... - Molécules sensibles à des stimuli comme celles des photorécepteurs des yeux … I. Les Lipides Vrais Simples Ils résultent de la condensation d'acides "gras" avec des alcools par liaison ester ou amide. Les acides gras sont des acides carboxyliques R-COOH dont le radical R est une chaîne aliphatique de type hydrocarbure de longueur variable qui donne à la molécule son caractère hydrophobe (gras). La grande majorité des acides gras naturels présentent les caractères communs suivants : - monocarboxylique - chaîne linéaire avec un nombre pair de carbones - saturés ou en partie insaturés avec un nombre de double liaisons maximal de 6. Deux numérotations coexistent : - l'une systématique indiquant le nombre de carbone de l'acide gras, ensuite le nombre de double liaisons (Δ), leurs positions et leurs configurations (cis ou trans), - l'autre utilisée en diététique (ω), qui permet de regrouper les acides gras insaturés en séries. Les AG polyinsaturés les plus bénéfiques pour la santé sont de la série ω-3, ω-6. 1. Acides gras saturés Formule générale : CH3-(CH2) n-COOCH=CnH2nO2 Les plus fréquents sont l'acide palmitique (C16, n = 16) et l'acide stéarique (C18 ; n=18). Acide palmitique = C16 = acide n hexadécanoïque Acide stéarique = C18 = acide n octadécanoïque En moins grande quantité, on trouve des acides à soit 14, soit 20 carbones. Les autres sont plus rares et ne se rencontrent que dans des tissus spécialisés. Les acides gras à nombre impair de carbones sont très rares, mais ils existent. La chaîne carbonée forme un zigzag. 19  2. Acides gras insaturés Dits aussi désaturés, ils comportent au moins une double liaison C = C, c'est à dire qu'ils ne sont pas saturés en hydrogène. La double liaison est toujours en conformation cis chez les acides gras naturels. 2.1. Acides gras monoinsaturés Ils ne comportent qu'une seule double liaison Le plus rencontré : l’Acide oléique = C18 :1 CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH 20  2.2. Acides gras polyinsaturés Ils comportent plusieurs doubles liaisons. Les plus rencontrés sont : C18:2 acide linoléique CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH C18:3 acide linolénique CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH 3. Glycérides (Glycérolipides ou acylglycérols) Ils sont neutres (ne contiennent que C, H et O). Ce sont des esters d'acide gras et de glycérol : 21  Une ou plusieurs des trois fonctions alcool du glycérol peuvent être estérifiées, et ceci par le même acide gras (triglycérides homogènes) ou par des acides gras différents (triglycérides mixtes). Les Triglycérides (aussi appelés triacylglycérols, triacylglycérides, TG ou TAG), insolubles dans l’eau, sont les constituants majeurs du tissu adipeux des animaux, et des huiles et graisses végétales. 4. Les stéroïdes Les stéroïdes sont un groupe de lipides dérivé d'un stérol constituée d'une structure de base stérane (4 cycles accolés : A, B, C hexagonaux et D pentagonal), appelé triterpénoïde (lipides à 30C = 3 Unités d’isoprène (à gauche)), majoritairement le squalène (à droite). 22  6.1. Les Stérols Le cholestérol est apporté dans l’alimentation et synthétisé par le foie ; il est transporté dans le sang dans les lipoprotéines. C’est le principal stérol d'origine animale. Présent dans les structures membranaires (rôle important dans la fluidité), en association avec des lipides simples et complexes (tissu nerveux, rein, peau, foie, hématies...). Il est aussi le précurseur de nombreuses substances stéroïdes : hormones sexuelles et corticosurrénaliennes, d'acides et sels biliaires, et de la vitamine D. C'est un monoalcool secondaire, polycyclique et insaturé de formule brute C27H45OH. Il dérive du noyau stérane par substitution de groupement méthyles (en 10 et 13), d'un hydroxyle en 3, d'une double liaison dans le cycle B en 5-6 et enfin d'une chaîne latérale à 8 atomes de carbones en 17. 6.2. Les acides et sels biliaires Synthétisés par le foie et concentrés dans la bile, les sels biliaires ont deux fonctions : 23  - émulsification des lipides permettant leur digestion enzymatique dans l'intestin par la lipase pancréatique (propriétés des corps amphiphiles). - élimination du cholestérol. Ce sont des sels d'acides provenant du cholestérol puis condensés (ou conjugués) avec un acide aminé ou un dérivé. L'acide cholique est dérivé du cholestérol surtout par oxydation de la chaîne latérale (acide carboxylique) et hydroxylation supplémentaire dans les positions 7 et 12. Ces acides sont ensuite conjugués par une liaison amide avec la fonction amine d'un acide aminé, la glycine ou d'un dérivé de la cystéine, la taurine, pour aboutir finalement aux sels biliaires. 6.3. Les stéroïdes hormonaux Ce sont les hormones : - Des glandes sexuelles et du placenta : androgènes, œstrogènes et progestagènes. 24  - Des glandes corticosurrénales : les minéralocorticoïdes qui contrôlent l'équilibre minéral, et les glucocorticoïdes qui contrôlent le métabolisme des glucides et le catabolisme des lipides de réserve. Elles dérivent toutes du cholestérol par réaction de coupure sur la chaîne latérale, ou par hydroxylation ou oxydation. La nature stéroïde de ces hormones les différencie des hormones peptidiques (=protéiques) du fait qu’elles sont : - insolubles et donc sont transportées par des protéines spécifiques. - lipophiles et traversent les membranes, leurs récepteurs ne sont donc pas membranaires mais intracellulaires. 6.4. Les vitamines D et leurs dérivés Elles sont indispensables à la minéralisation du tissu osseux par leur intervention dans le métabolisme phosphocalcique. Cette activité est due à des dérivés et ils sont désignés sous le nom de pré-vitamines. Ces composés sont des stérols di-insaturés en 5 et 7 et où le cycle B est rompu par coupure de la liaison 9-10 : cette modification a lieu par réaction photochimique. Les deux substances naturelles abondantes que l'on trouve sont la vitamine D2 ou ergocalciférol, formée à partir de l'ergostérol (végétaux), et la vitamine D3 ou cholécalciférol formée à partir du 7-déhydrocholestérol (huiles de poissons). II. Les Lipides Vrais Complexes (Hétérolipides) 1. Les Phospholipides (Glycérophospholipides) : PL ou GPL Les Phospholipides sont des glycérolipides dont un des carbones du glycérol porte non un acide gras, mais un acide phosphorique, ce qui donne un acide phosphatidique (phosphatidyl). 25  La fonction acide du phosphoryle peut être elle-même estérifiée, par diverses molécules alcooliques : choline, éthanolamine, sérine.... Les phospholipides sont des intermédiaires importants du métabolisme. Ce sont des molécules tensioactives, c’est à dire ayant deux charges opposées, et permettant ainsi de stabiliser des émulsions. Ce sont les phospholipides de la membrane plasmique. Alors que les acides gras constituent la partie hydrophobe, l'acide phosphorique constitue la partie hydrophile. Ces acides gras s'arrangent naturellement en structure feuilletée = bicouche lipidique. 26 2. Les Sphingolipides ou Les glycosphingolipides : Ex des Cérébrosides Les cérébrosides Ce sont un groupe de Sphingolipides ou Les glycosphingolipides (GSL), des lipides contenant une sphingosine liée à un acide stéarique formant une céramide hydrophobe liée par une liaison beta-osidique (covalente) à un ou plusieurs oses neutres (un GSL neutre) (composés glycoconjugués). 27  La portion d'oligosaccharide est présente à l'extérieur de la membrane cellulaire où elle est importante pour les processus biologiques, tels que : l'adhésion cellulaire, les interactions cellule-cellule et la transduction du signal cellulaire. Les cérébrosides (A1, A2 et B) sont très présents dans le tissu nerveux et cérébral, et sont les constituants majeurs de la gaine de myéline (passage rapide de l’influx nerveux au niveau des neurones myélinisées). 28  Chapitre III : Les Acides Nucléiques Introduction Le médecin suisse MIESCHER isola en 1869, à partir de leucocytes de pus de plaies infectées, une substance organique remarquablement riche en phosphore qu'il baptisa nucléine. Sa nature chimique fut élucidée par les travaux initiateurs de KOSSEL à partir de 1882 jusqu'à ceux de LEVENE en 1927 : il s'agissait de l'acide désoxyribonucléique dont l'abréviation est ADN (DNA : anglo-saxon), polymère d'unités dénommées nucléotides. Les polynucléotides biologiques sont : - le support moléculaire de l'information génétique : l'ADN (et ARN pour certains virus) est le support de l'hérédité et du codage des composés biologiques (les ARN, les protéines) - des effecteurs de l'expression de l'ADN en peptides et protéines : acide ribonucléique dont l'abréviation est ARN (RNA : anglo-saxon) regroupés en trois classes : Les ARN messagers (ARNm) Les ARN de transfert (ARNt) Les ARN ribosomaux (ARNr) Les nucléotides ont des fonctions variées et importantes, ce sont des : ✓ composés à "haut potentiel énergétique" dont dépendent l'activation de molécules entrant dans des réactions endergoniques dans les réactions cellulaires, ✓ composés structuraux de coenzymes, ✓ seconds messagers intracellulaires de signaux et des médiateurs extracellulaires, ✓ régulateurs d'activité de protéines lors de modifications covalentes. I. Les nucléotides 1. Définition Un nucléotide résulte de 1- la condensation d'un ose (pentose) avec une base nucléique (hétérocycle azoté) qu'on appelle nucléoside. 2- l'estérification de l'ose d'un nucléoside par l'acide phosphorique produit un nucléotide. 29 2. Structure des bases azotées Cinq bases majeures, partagées en deux séries, entrent dans la composition des nucléotides et leurs polymères. Elles vont conférer aux composés biologiques dont elles font partie des propriétés capitales. 30  Les nucléotides de l'ADN, comme ceux de l'ARN ne comportent que quatre de ces bases azotées : - deux puriques communes aux deux types d'acides nucléiques : l’adénine (A) et la guanine (G), - une pyrimidique commune : la cytosine (C), - une pyrimidique spécifique : l'uracile (U) pour l'ARN et son dérivé méthylé, la thymine (T) pour l'ADN. 3. Structure des nucléosides Ce sont des glycosylamines obtenues par la décomposition chimique ou enzymatique d'acides nucléiques. Ils contiennent deux constituants liés par liaison β-N-glycosidique un pentose et une base azotée : A ou T ou U ou C ou G. Cette liaison osidique unit le carbone 1’ de l’ose avec l’azote numéro 9 des bases puriques et l’azote numéro 1 des bases pyrimidiques. Les pentoses sont sous forme furanique : Le beta D (-) ribose et le beta D (-) 2-désoxyribose. Les numéros des atomes de carbone des pentoses sont affectés du signe « prime » pour les différencier des atomes des bases. 31 4 Les nucléosides jouent le rôle de molécules de signalisation, de précurseurs des nucléotides nécessaires à la synthèse de l'ADN et de l’ARN, ainsi qu’un rôle vital en médecine comme agents antiviraux ou anticancéreux. 32 II. Les nucléotides d'intérêt biologique 1. Les nucléosides monophosphates Les phosphorylations sur le carbone C3’ et C5’ sont les plus courantes. 1.1. La coenzyme A L'AMP est un constituant des coenzymes (Ex: Coenzyme d’acétylation : Coenzyme A), impliquée dans nombreuses réactions du métabolisme, et dans les mécanismes de régulation des voies métabolique. Structure de la Coenzyme-A (partie 1 : Adénosine 3’-monophosphate=AMP) 1.2. L’AMP cyclique L’AMP joue aussi le rôle d’un second messager (AMP cyclique = AMPc), assurant le relais intracellulaire d’un signal extracellulaire. Structure de l’AMP cyclique (AMPc) 1.3. Les nucléosides 5'-phosphates Les nucléosides 5'-phosphates sont les éléments de bases de polymères tels que l'ADN et l'ARN que l'on trouve dans tous les organismes vivants. 33  Chaine de nucléosides 5'-phosphates impliqués dans la Structure primaire des acides nucléiques (ADN et ARN) 2. Les nucléosides diphosphates L'ADP (et les autres nucléosides PP classiques) est un composé qui a de nombreuses différentes fonctions, citons parmi elles : - molécule à haut potentiel énergétique (hydrolyse de la liaison anhydride d'acide) ; - molécule intermédiaire dans la production d'ATP ; - activateur d'enzyme allostérique comme la glutamate-déshydrogénase. 34 3. Les nucléosides triphosphates L'une des molécules les plus "universelles" est l'ATP : ses deux liaisons anhydride d'acide (enthalpie libre d'hydrolyse d'une liaison de l'ordre de 30kJ.mol-1) sont une source d'énergie utilisable pour : ✓ les réactions de catalyse enzymatique impossibles sans couplage ✓ le transport transmembranaire actif ✓ la contraction musculaire … D'autres nucléosides 5' triphosphates (GTP, UTP …), à un degré beaucoup plus minoritaire, jouent un rôle identique à celui de l'ATP, le rôle de donneurs de phosphates ou encore des précurseurs de base dans la biosynthèse des acides nucléiques. 4. Les constituants des coenzymes d’oxydo-réduction 35 III. Les acides nucléiques 1. Définition Les acides nucléiques sont des enchaînements de nucléosides 5'-phosphates (structure primaire de l’ADN et l’ARN) dont l'assemblage est réalisé par une liaison phosphodiester. Les deux types d'acides nucléiques sont : ✓ ADN (acide désoxyribonucléique) composé de : - un ose qui est le β-D-2-désoxyribofuranose. - la base est soit : adénine ou guanine (purine), soit cytosine ou thymine (pyrimidine) ✓ ARN (acide ribonucléique) composé de : - un ose qui est le β-D-ribofuranose. - la base est soit : adénine ou guanine (purine), soit cytosine ou uracile (Pyrimidine). 36 2. Structure secondaire de l’ADN 37  Les chromosomes humains sont des éléments microscopiques nucléaires portant les gènes, supports de l'information génétique, transmis après dédoublement, des cellules mères aux cellules filles lors des divisions cellulaires. Le chromosome est constitué de structures appelées nucléosomes (=l'ADN enroulé autour des protéines histones comme du fil autour d'une bobine). Les histones sont très riches en acides aminés basiques (lysine et arginine), dont la charge positive à pH physiologique permet une interaction forte avec les groupements phosphate de l'ADN qui portent des charges négatives. Ceci permet la compaction de l’ADN. 38 3. Structure secondaire des ARN 3.1. Propriétés générales La masse moléculaire des ARN est plus faible que celle des ADN : ils sont plus petits. Ce sont des chaînes monocaténaires de nucléotides : A, G, C, U. II peut y avoir des portions complémentaires de parties différentes de la chaîne créant des replis : zones bicaténaires, stabilisées par des liaisons hydrogènes. Par ailleurs, on peut provoquer l'hybridation d'un ADN et d'un ARN. La solubilité et l’absorption dans l'UV (260 nm) des ARN sont proches de celles de l'ADN. 3.2. Les types d'ARN A part dans le cas des Virus, les cellules présentent trois types différents d'ARN au moins : ✓ ARNm (ARN messager) ✓ ARNr (ARN ribosomal) ✓ ARNt (ARN de transfert) 3.2.1. ARN messagers (= ARNm) II s'agit de la séquence complémentaire d’un de l'ADN de la cellule (brin transcrit). II est obtenu par transcription à partir de I'ADN. ✓ Transcription : on garde le même langage (c'est à dire le code génétique) (mais : T → U). ✓ Traduction : on change de langage => du code génétique en codon, on passe aux protéines constituées d'acides aminés. Les ARNm sont "linéaires". Leur masse moléculaire est très élevée, en liaison avec la taille de la protéine qu'ils codent. Ils sont souvent précédés, à leur extrémité 3' d'une chaîne d’adénosines (30 à 200) : ARNm poly A. Cette séquence à un rôle signal intervenant dans la reconnaissance avec les ribosomes. Les ARNm ont une durée de vie courte (demi-vie de quelques heures pour la plupart), sauf dans des cas particuliers, par exemple dans les formes de vie ralentie comme les graines des végétaux. 39  3.2.2. ARN de transfert (= ARNt) Les ARNt ont généralement une configuration en feuille de trèfle. Ils présentent des replis et des zones appariées. Une des boucles porte l'anticodon, c'est à dire le triplet de bases complémentaires du triplet codant de l'ARN messager. L'extrémité 3' porte l'acide aminé pour lequel code le codon. 3.2.3. ARN ribosomique (= ARNr) Les ARN-ribosomiques représentent 80% de l'ARN total de la cellule. Leur masse moléculaire est très importante. Ils rentrent dans la constitution des ribosomes, dans lesquels ils sont associés à des protéines. On les distingue sur la base de leur coefficient de 40 sédimentation (définie en unité Svedberg). Ainsi, les eucaryotes ont quatre ARNr (5s ; 5,8s ; 18s et 28s). Le ribosome (ARN-ribosomiques et protéines) catalyse la formation de la liaison peptidique qui relie les acide-aminés entre eux, permettant ainsi la formation de protéines. 41  Chapitre IV : Enzymologie Introduction Les Enzymes sont des protéines globulaires (structure tertiaire ou quaternaire) qui accroit la vitesse d'une réaction chimique grâce à son pouvoir catalytique. Elle ne produit pas de réaction supplémentaire, et ne catalyse qu'un seul type de réaction métabolique de dégradation (catabolisme) ou de biosynthèse (anabolisme), dont elle est spécifique (spécificité d’action). L’enzyme est spécifique d'un ou plusieurs substrat (s) (spécificité de substrat (s)). Ainsi, les enzymes sont douées d'activités spécifiques : Spécificité d'action. Spécificité de substrat. Pouvoir catalytique qui est soumis à régulation physiologique. I. Généralités 1. Définition Les enzymes sont des catalyseurs chimiques particuliers. Ils se trouve intacte à la fin de la réaction, et ont la capacité d’augmenter la vitesse d'une réaction (abaisser l'énergie d'activation), mais leur présence ne provoque pas une réaction supplémentaire, ou rend possible une réaction endergonique, c’est-à-dire thermodynamiquement impossible spontanément et qui nécessite un apport extérieur d'énergie ((ΔG>0, ΔG est la variation d'énergie libre de la réaction = quantité de travail disponible pour réaliser la réaction). Au cours des réactions chimiques réversibles, le catalyseur accélère de la même manière les deux vitesses de réaction, évoluant simultanément en sens inverse. Il ne modifie pas l'équilibre final de la réaction. Ainsi, les enzymes effectuent les mêmes rôles que les catalyseurs chimiques, mais ils sont plus efficaces : Ils agissent à très faible dose. Ils abaissent l'énergie d'activation d'une manière plus importante. 42  La synthèse de la partie protéique des enzymes par les cellules qui les utilisent, se fait selon le phénomène de synthèse protéique. Exemples : Phosphorylases : Transfert du groupement glycosyl sur les composés. Isomérases : Transforment une molécule en son isomère. 2. Structure des enzymes Les enzymes sont des protéines globulaires. Pour qu'une enzyme soit fonctionnelle, il faut qu'elle adopte au moins une structure tertiaire. Les acides aminés polaires sont localisés en surface externe, et les acides aminés non polaires vers l'intérieur de la molécule : zone hydrophobe interne, c'est au niveau de cette zone que se situe le site actif d'une enzyme. 43  Les enzymes régulatrices sont dotées d’une structure quaternaire (associations de plusieurs monomères=sous-unités). Certaines enzymes sont actives par eux-mêmes, sans autre groupes fonctionnels. D’autres au contraire nécessitent la présence d'un composé non protéique : Cofacteur, qui est soit : Un ion métallique appelé activateur (Fe2+, Mg2+, Mn2+ …). Molécule organique : appelée co-enzyme : ✓ Liaison Covalente (Groupement prosthétique). ✓ Liaison non covalente (co-substrat). Les enzymes qui nécessitent un cofacteur mais ne l'ont pas s'appellent des apoenzymes ou des apoprotéines. Une apoenzyme associée à un cofacteur est appelée une holoenzyme (qui est la forme active). 3. Propriétés des enzymes Les enzymes sont hautement spécifiques, on distingue : 3.1. Spécificité de substrat Le substrat est la molécule reconnue et fixée par le site actif et sur laquelle l'enzyme va agir. La spécificité de substrat est variable : Enzymes ayant une spécificité absolue : transformant un substrat unique en un produit unique. Exemple : la Glucokinase ne phosphoryle que le glucose. 44  Enzymes ayant une spécificité plus large : transformant une classe de substrats. Exemple : L’Hexokinase phosphoryle divers hexoses (glucose, fructose, mannose, galactose …). 3.2. Spécificité d’action Chaque enzyme est spécifique pour une action, c’est-à-dire ne catalyse qu’une seule réaction. Exemples : Les Kinases : Ne catalysent que les réactions de phosphorylation en présence d'ATP. Les Décarboxylases : Ne catalysent que la décarboxylation des molécules contenant un groupement carboxyle. 3.3. Régulation de l’activité catalytique L'activité d'une enzyme est contrôlée par des modulateurs, Ce qui permet d'ajuster la vitesse globale d'un métabolisme au besoin cellulaire. Ainsi, on distingue : Les Activateurs : augmentent l'activité catalytique de l’enzyme. Les Inhibiteurs : diminuent l'activité catalytique de l’enzyme. Exemple : La phosphofructokinase est activée par l'AMP et inhibée par l'ATP. Cette modulation active ou inhibe la glycolyse selon que la charge énergétique est faible ou élevée. 4. Classification des enzymes La commission des enzymes et l'union internationale en biochimie a établi une classification et une nomenclature systémique, comportant 7 classes, chacune subdivisée en sous classe : 1)- Oxydoréductases : assurent une oxydoréduction. 2)- Transférases : assurent un simple transfert de groupement. 3)- Hydrolases : assurent une hydrolyse des liaisons chimiques. 4)- Lyases : assurent une addition sur une double liaison. 5)- Isomérases : assurent une réaction d'interconversion d'isomères. 6)- Ligases (ou synthétases) : catalysent les réactions de création de liaisons (C-C/C-N/C-S). 7)- Translocase : catalysent la translocation, c’est-à-dire le mouvement des molécules ou des ions à travers les membranes. Pour la Nomenclature des enzymes, à chaque enzyme est attribué un numéro à 4 chiffres (comme un Code barre) et un nom systématique qui identifie la réaction catalysée : 1er chiffre : classe (type de réaction catalysée) 2ème chiffre : sous-classe de l'enzyme (substrat de la réaction) 3ème chiffre : sous sous-classe de l'enzyme (mécanisme réactionnel) 45  4ème chiffre : groupe (numéro de série) Exemple : Enzyme : Créatine phosphotransférase (EC : 2.7.3.2) Créatine + ATP Phosphocréatine + ADP ✓ Les enzymes qui catalysent le transfert de groupement phosphate sont appelés : Kinases, donc le nom commun de l’enzyme est : la Créatine kinase. ✓ Phosphatases : les enzymes qui coupent le groupement phosphate. ✓ Phosphorylases : les enzymes qui assurent la phosphorolyse, c’est-à-dire l’hydrolyse des liaisons osidiques et le transfert du groupement glycosyl sur les composés. 5. Interaction entre l'enzyme et le substrat : Structure du site actif Les enzymes sont des protéines, elles ont des interactions avec d'autres molécules qui peuvent être protéique ou non protéique ; ces molécules sont appelées ligands. Le substrat est donc un ligand spécifique des enzymes. L’interaction entre l’enzyme et le substrat fait intervenir un phénomène de reconnaissance très spécifique (=phénomène d'attraction), via des liaisons non covalentes faibles (surtout des liaisons hydrogènes, et des liaisons Van der Waals). Ces interactions sont des réactions spontanées (ne nécessitent aucune énergie). Une protéine dénaturée par la chaleur est incapable de lier son ligand. Ainsi, l’activité catalytique et la spécificité des enzymes dépendent de la conformation spatiale de ces protéines. Le site actif est une zone privilégiée de l’enzyme, qui a la forme d'une cavité, situé dans la zone hydrophobe de la protéine, au niveau de laquelle s'exerces sélectivement le pouvoir catalytique de l’enzyme. Le site actif est subdivisé en 2 parties : ✓ Site de liaison, fixation, et reconnaissance : Une zone qui reconnait la complémentarité de forme avec un substrat spécifique de l'enzyme. Ce site est constitué des : Acides aminés contributeurs : Permettent à la protéine enzymatique d'adopter une conformation spatiale pour assurer la compatibilité structurale avec le substrat (Centre actif). Acides aminés auxiliaires : Assurent la mobilité des zones situées au voisinage du centre actif. ✓ Site catalytique : Une zone à l’intérieur du site actif au niveau de laquelle se déroule la catalyse de la réaction transformant le substrat en produit. Ce site est constitué par les 46  aminés de contact, ayant des groupements particuliers, qui interagissent avec un ou plusieurs groupements particuliers du substrat. II. Détermination des paramètres cinétiques des Enzymes 1. Hypothèse de Michaelis-Menten On considère le schéma réactionnel suivant se déroulant en deux étapes : ✓ Formation du complexe ES (Etape rapide et réversible) : ✓ Dissociation du complexe ES (disparition de S, apparition de P et régénération de E) : - La constante de Michaelis Km (=Constante d’affinité = Constante de dissociation du complexe ES) : La valeur de Km est d'autant plus élevée que : - la dissociation du complexe ES est forte - Et donc que l'affinité de l'enzyme pour son substrat est faible 47  - L'équation de Michaelis-Menten : La vitesse de la réaction enzymatique V (ou Vi) est : - La constante catalytique Kcat : Avec : Kcat : l'efficacité catalytique de l’enzyme [Et] : la concentration totale en enzyme 2. Méthodes de détermination des paramètres cinétiques 2.1. Méthode arithmétique A partir de l'équation de Michaelis-Menten, La vitesse de la réaction enzymatique V (ou Vi) est : 2.2. Méthode graphique de Lineweaver-Burk 48 Exemple d’application 1 : 49 III. Influence des agents chimiques sur la cinétique enzymatique Tout corps chimique, minéral ou organique capable de modifier la cinétique des réactions enzymatiques est un effecteur, qui peut être soit : - activateur - inhibiteur 1. Activateurs enzymatiques L’activateur enzymatique est tout agent chimique, qui par sa liaison avec l'enzyme, accélère la vitesse de la réaction enzymatique. 1.1. Activation par les ions métalliques Leur fixation par coordinance à des atomes d'oxygène, d'azote, aux groupements COOH, ou NH2 des enzymes, confère une grande stabilité à leurs sites actifs. Ainsi, les ions métalliques augmentent l’activité enzymatique par une bonne conformation des enzymes (bonne fixation du substrat) et/ou une participation directe à la catalyse. Exemple : Les enzymes Kinases sont activées par l’ion Mg2+ 1.2. Activation des proenzymes inactifs La plupart des enzymes protéolytiques sont synthétisés sous forme de précurseurs inactifs, 50 L'élimination d'une séquence d'acides aminés le rend actif. Exemple : Trypsinogène Trypsine + Hexapeptide 1.3. Activation par fixation covalente d'un groupement chimique Cette activation se fait par addition d'un groupement chimique, le plus souvent le phosphate. Exemple : Glycogène phosphorylase 2. Inhibiteurs enzymatiques Un inhibiteur enzymatique est tout effecteur, qui par sa liaison avec l'enzyme, ralentit la vitesse de la réaction enzymatique. L’étude de ces inhibiteurs a une importance capitale pour déterminer les mécanismes essentiels d'action des enzymes et de contrôle des systèmes biologiques en général. 2.1. Les inhibiteurs irréversibles Ils se lient de façon irréversible avec l'enzyme, et agissent brutalement en dénaturant l'enzyme. Ces d’inhibiteurs se lient à l’enzyme de manière covalente et l’inactivent de façon irréversible. Exemples : - Le 5-fluoro-uracile utilisé en chimiothérapie anti-cancéreuse, est un Inhibiteur irréversible de la thymidilate synthase, intervenant dans la synthèse de la thymine (utilisé pour synthétiser l’ADN), et de ce fait induit l’arrêt de la multiplication des cellules tumorales. - La pénicilline est un antibiotique inhibiteur irréversible de la transpeptidase, intervenant dans la synthèse du peptidoglycane, composant de la paroi des bactéries. 2.2. Les inhibiteurs réversibles Ils diminuent largement l’activité enzymatique et peuvent stopper la réaction. L'inhibition peut être levée dans des conditions réactionnelles particulières enlevant l’inhibiteur. Ces inhibiteurs ont un grand intérêt puisqu'ils permettent une étude très fine des mécanismes moléculaire de la catalyse enzymatique et de contrôle des voies métaboliques. 51  On distingue 3 types d’inhibiteurs réversibles : Compétitifs. Non Compétitifs. Incompétitifs. IV. Les types d’inhibiteurs enzymatiques réversibles 1. Les inhibiteurs compétitifs Montrent une analogie structurale avec le substrat, et entre de ce fait en compétition avec les molécules de substrat pour se lier d’une façon réversible au site actif. Ils diminuent la vitesse de catalyse en abaissant la proportion de molécules d'enzyme liées au substrat. A concentration élevée en substrat, le substrat entre en compétition avec les molécules inhibitrices pour se lier au site actif, et les chasse de ces sites. 52 2. Les inhibiteurs non compétitifs Ils se lient de façon réversible à un site autre que le site actif de l’enzyme, et provoquent une modification de la conformation de l'enzyme. Ainsi, l'enzyme peut se lier à : l'inhibiteur au substrat à l'inhibiteur et au substrat à la fois L'enzyme est inactivée quand l'inhibiteur est lié, en présence ou non du substrat. L'inhibiteur diminue la concentration de l'enzyme active en abaissant donc la Vmax. 53 L'effet de l'inhibiteur n'est pas inversé par l'augmentation de la concentration en substrat. 3. Les inhibiteurs incompétitifs Ce type d’inhibiteurs ne se lient pas à l'enzyme libre, mais uniquement de façon réversible au complexe enzyme-substrat (ES). L'augmentation de la concentration en substrat favorise l’inhibition. 54 55 4. Bilan 56 Exemple d’application 2 : 57 V. Enzymes allostériques 1. Allostérie et effet allostérique L’allostérie (Allo: autre ; Stereos: site ou forme, allostérie= autre site), est la propriété de certaines protéines actives, qui peuvent changer de conformation, lorsqu’elles se lient à un effecteur (modulateur) allostérique en un site différent du site actif. Ces différentes interactions permettent de concevoir l'existence de sites allostériques et de sites actifs et de plusieurs formes d'enzyme, se traduisant par une modification de l'activité enzymatique. Les cellules utilisent ces modifications de l’activité enzymatique des enzymes allostériques pour assurer la régulation des voies métaboliques, afin de s'adapter aux besoins cellulaires et aux différents changements métaboliques. Dans un système multienzymatique, l'enzyme clé, catalysant l'étape d'engagement ou la réaction la plus lente d'une voie métabolique, est inhibé par le produit final de cette voie c’est le « rétrocontrôle ou feed-back ». Le produit ayant une structure différente de celle du substrat, 58 donc n’agit jamais par une inhibition compétitive au niveau du site actif de l’enzyme, mais par un effet allostérique. Ainsi, les effecteurs allostériques sont des ligands ayant une activité régulatrice, dont le site de fixation est différent du site de fixation du substrat. Les effecteurs allostériques sont souvent : ✓ Les produits finaux de la voie métabolique : qui régulent leur propre synthèse. ✓ L’AMP, l’ADP, l’ATP, le NAD, et le NADH,H+ : témoignent du niveau (charge) énergétique. 2. Mécanismes de la régulation allostérique : La transition allostérique La fixation de l'effecteur allostérique sur son site induit la modification structurale discrète réversible au niveau de l’enzyme. C’est la Transition allostérique, impliquant une modification de la conformation du site actif et donc une modification de l'activité enzymatique. La transition allostérique modifie les forces de liaisons qui associent les sous-unités entre elles, mais sans aller jusqu'à leur dissociation. 59  L’enzyme allostérique apparait soit dans un état Tendu « T » ou relâché « R », qui diffère par leur affinité au substrat. VI. Vitamines et Cofacteurs Enzymatiques 1. Définition Les vitamines sont des substances organiques, sans valeur énergétique propre, qui sont nécessaires à l'organisme et que l’être humain ne peut synthétiser en quantité suffisante. Elles doivent être fournies par l'alimentation. Cependant, quelques vitamines font exception, car il existe pour elles d'autres sources pouvant remplacer les apports alimentaires : exposition de la peau aux ultra-violets solaires pour la vitamine D, synthèse à partir du tryptophane pour la niacine, synthèse par la flore microbienne digestive pour la vitamine K. Il existe 13 vitamines naturelles. Il s'agit d'un groupe de molécules chimiquement très hétérogènes. Ce sont des substances de faible poids moléculaire. Certaines d'entre elles ont des 60 structures proches de celles d'autres composés organiques : sucres pour la vitamine C, hormones stéroïdes pour la vitamine D, porphyrines pour la vitamine B12. Contrairement aux nutriments habituels utilisés pour la production d'énergie ou incorporés au cours de la synthèse des constituants de l'organisme (glucides, acides aminés ou acides gras essentiels), les besoins quotidiens en vitamines ne sont que de quelques fractions de microgramme à quelques milligrammes. Ceci est dû au fait que la plupart agissent comme des coenzymes ou des cofacteurs au cours des réactions enzymatiques. 2. Classification et structures des vitamines A côté des dénominations chimiques des molécules, des noms communs et des notations abrégées sous forme de lettre sont également utilisées. Il est habituel de regrouper les vitamines selon leur solubilité et d'opposer les vitamines liposolubles (A, D, E, K) au reste des vitamines qui sont hydrosolubles. Cette classification correspond à des propriétés différentes. Schématiquement les vitamines liposolubles sont absorbées en même temps que les graisses et seront stockées à long terme. Par contre, à l'exception de la vitamine B12, les vitamines hydrosolubles ne sont pas stockées de manière prolongée et les apports excédentaires sont excrétés dans les urines. Les structures des 13 vitamines hydrosolubles et liposolubles sont représentées dans la fiche ci-après : 61  3. Mécanismes co-enzymatiques d’action des Vitamines A l’exception de la vitamine C (hydrosoluble) et la vitamine A (liposoluble), toutes les autres vitamines sont impliquées dans la structure des coenzymes. De nombreux enzymes nécessitent une autre molécule de faible poids moléculaire : un coenzyme ou cofacteur. L'holoenzyme, qui possède l'activité complète résulte de l'association d’une apoenzyme, protéique, et d'un coenzyme qui lui est lié. Si le coenzyme est lié par une liaison covalente, il sera dénommé « groupement prosthétique ». Un coenzyme peut jouer un rôle de cosubstrat (fixation par des liaisons non covalentes faibles), qui subira exactement la réaction inverse de celle que subit le substrat. C’est le cas des réactions d’oxydoréduction pour le NAD+ et le FAD+. 62  La pyridoxine (vitamine B6) est un bon exemple de vitamine fonctionnant comme coenzyme. La forme active est le pyridoxal phosphate, synthétisé grâce à la pyridoxal kinase présente dans la plupart des tissus. C'est le cofacteur des décarboxylases et des transaminases. 63