Biochimie Structurale - PDF

BIOCHIMIE STRUCTURALE Aissam EL MAATAOUI Professeur de Chimie clinique Pharmacien spécialiste en Biologie médicale Docteur es-sciences  OBJECTIFS DU COURS Savoir définir et décrire la structure d’un acide aminé Chaine latérale, Molécule amp...

BIOCHIMIE STRUCTURALE Aissam EL MAATAOUI Professeur de Chimie clinique Pharmacien spécialiste en Biologie médicale Docteur es-sciences  OBJECTIFS DU COURS Savoir définir et décrire la structure d’un acide aminé Chaine latérale, Molécule amphotère et chirale (sauf G), série L chez l’homme , 20 AA dans les protéines. Connaitre la structure, les codes à 1 et à 3 lettres des 20 acides aminés trouvés dans les protéines Structure de la chaine latérale, caractéristique physico-chimique principale de la chaine latérale, essentiel/non essentiel. Citer La liste des 10 acides aminés essentiels F,L,M,K,I,V,T,W,H,R 2  I-INTRODUCTION (1) Le rôle des acides aminés est multiple: Structural = monomères des protéines Leur nature, l’ordre dans lequel ils s’enchainent, leurs rapports spatiaux mutuels sont les determinants de la structure et de la fonction des protéines. Energétique Ils peuvent être comme le glucose, les acides gras et les corps cétoniques des substrats énergetiques 3  I-INTRODUCTION (2) Métabolique Ils sont précurseurs de molécules d’intérêt biologique, leur catabolisme fournissant des atomes et groupements d’atomes utilisés lors de reactions de synthèse ex : histidine et histamine, aspartate glycocolle et synthèse des nucléotides puriques et pyrimidiques. Fonctionnel Certains ont en soi des propriétés biologiques importantes Ex: Glutamine et transmission de l’influx nerveux. 4  I-INTRODUCTION (3) Ce sont des acides organiques contenant un groupement amine. Les plus communs des acides alpha-aminés sont ceux de la série L. 5  II- STRUCTURE DES ACIDES AMINES Carbone alpha(α)??? C-α: Est le premier carbone suivant le groupement carboxyle 6  II- STRUCTURE DES ACIDES AMINES COOH = fonction COOH acide carboxylique Carbone a NH2=fonction amine H - C - NH2 primaire R R = chaîne latérale variable 7 III- CARBONE ASYMÉTRIQUE La plupart des acides aminés sont des molécules chirales car ils contiennent un carbone asymétrique. Ce carbone, centre de la chiralité est lié à quatre substituants différents. Seule la glycine ne comporte pas de carbone asymétrique et n'est donc pas une molécule chirale 8  III- CARBONE ASYMÉTRIQUE Les molécules optiquement actives ont une asymétrie et ne sont pas superposables à leur image dans un miroir. Ces substances possèdent un ou plusieurs atomes centraux avec quatre substituants différents. Les atomes centraux sont appelés centres asymétriques ou centres chiraux et ces molécules ont la propriété de chiralité (cheir = main) 9  IV-LE POUVOIR ROTATOIRE Capacité a dévier la lumière polarisée. La Glycine n’ a pas cette capacité. 10  Les acides aminés Forme L Forme D COOH COOH NH2 C H H C NH2 R R 11 V-NOMENCLATURE DES ACIDES AMINÉS 12 13 >gi|4502951|ref|NP_000081.1| collagen alpha-1(III) chain preproprotein [Homo sapiens] MMSFVQKGSWLLLALLHPTIILAQQEAVEGGCSHLGQSYADRDVWKPEPCQICVCDSGSVLCDDIICDDQ ELDCPNPEIPFGECCAVCPQPPTAPTRPPNGQGPQGPKGDPGPPGIPGRNGDPGIPGQPGSPGSPGPPGI CESCPTGPQNYSPQYDSYDVKSGVAVGGLAGYPGPAGPPGPPGPPGTSGHPGSPGSPGYQGPPGEPGQAG PSGPPGPPGAIGPSGPAGKDGESGRPGRPGERGLPGPPGIKGPAGIPGFPGMKGHRGFDGRNGEKGETGA PGLKGENGLPGENGAPGPMGPRGAPGERGRPGLPGAAGARGNDGARGSDGQPGPPGPPGTAGFPGSPGAK GEVGPAGSPGSNGAPGQRGEPGPQGHAGAQGPPGPPGINGSPGGKGEMGPAGIPGAPGLMGARGPPGPAG ANGAPGLRGGAGEPGKNGAKGEPGPRGERGEAGIPGVPGAKGEDGKDGSPGEPGANGLPGAAGERGAPGF RGPAGPNGIPGEKGPAGERGAPGPAGPRGAAGEPGRDGVPGGPGMRGMPGSPGGPGSDGKPGPPGSQGES GRPGPPGPSGPRGQPGVMGFPGPKGNDGAPGKNGERGGPGGPGPQGPPGKNGETGPQGPPGPTGPGGDKG DTGPPGPQGLQGLPGTGGPPGENGKPGEPGPKGDAGAPGAPGGKGDAGAPGERGPPGLAGAPGLRGGAGP PGPEGGKGAAGPPGPPGAAGTPGLQGMPGERGGLGSPGPKGDKGEPGGPGADGVPGKDGPRGPTGPIGPP GPAGQPGDKGEGGAPGLPGIAGPRGSPGERGETGPPGPAGFPGAPGQNGEPGGKGERGAPGEKGEGGPPG VAGPPGGSGPAGPPGPQGVKGERGSPGGPGAAGFPGARGLPGPPGSNGNPGPPGPSGSPGKDGPPGPAGN TGAPGSPGVSGPKGDAGQPGEKGSPGAQGPPGAPGPLGIAGITGARGLAGPPGMPGPRGSPGPQGVKGES GKPGANGLSGERGPPGPQGLPGLAGTAGEPGRDGNPGSDGLPGRDGSPGGKGDRGENGSPGAPGAPGHPG PPGPVGPAGKSGDRGESGPAGPAGAPGPAGSRGAPGPQGPRGDKGETGERGAAGIKGHRGFPGNPGAPGS 14 15 At physiological pH, the amino group is protonated and the carboxylic acid group is unprotonated 16 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS 17 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des AA selon la polarité Les acides aminés possédant une chaîne latéral polaire car ionisable (les AA acides et les basiques) sont les plus hydrophiles. Les acides aminés possédant une chaîne latéral apolaire sont fortement hydrophobes. Plus l'acide aminé est ramifié, plus il est polaire. 18 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des AA selon la polarité Hydrophiles Hydrophobes ✓ Arginine ✓ Alanine ✓ Asparagine ✓ Leucine ✓ Ac. Aspartique ✓ Cystéine ✓ Isoleucine ✓ Ac. Glutamique ✓ Valine ✓ Glutamine ✓ Méthionine ✓ Glycine ✓ Phénylalanine ✓ Histidine ✓ Proline ✓ Lysine ✓ Tryptophane ✓ Sérine ✓ Thréonine ✓ Tyrosine 19 20 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.2. Les AA essentiels 8 AA sont indispensables ou essentiels= non synthétisables Ils doivent être apportés par l’alimentation Leucine /Isoleucine /Lysine/ Tryptophane/ Phénylalanine /Valine /Méthionine / Thréonine Histidine et Arginine sont des AA semi-indispensables Ne sont indispensables qu’ au cours de la croissance 21 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.2. Les AA essentiels 22 Le (Leu) très (Thr) lyrique (Lys)Tristan (Trp) fait vachement (Val) méditer (Met) Iseut (Ile) 23 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.3. Les Acides Aminés Glucoformateur /Cétogène 24 NB: Tous les AA cétogènes sont indispensables Sauf la tyrosine elle-même, elle dérive d’un AA indispensable Phénylalanine, 25 26 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.1.Les AA à chaine latérale aliphatique 27  Glycine (G ou GLY) Chaine latérale la plus simple, un hydrogène Classé dans les aliphatiques par défaut Pas de carbone asymétrique Acide aminé ayant la plus petite masse moléculaire AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme 28  Alanine (A, ALA) Chaine latérale: méthyle AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme 29  VALINE (V, VAL) La valine est un acide aminé branché (5 carbones). Le radical de la valine est un carbure saturé et branché, mais symétrique. Il est hydrophobe. L’hydrophobie du radical de la valine permet la formation de liaisons faibles (dites liaisons hydrophobes) avec d’autres acides aminés hydrophobes (Ile, Phe, Leu,...) qui contribuent à la structure tertiaire et quaternaire des protéines. 30  Leucine(L, LEU) Chaine latérale isobutyle. Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles. AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme. 31  Isoleucine (I, ILE) Chaine latérale isobutyle, Isomère de la Leucine (même formule chimique), Existence d’un carbone asymétrique sur la chaine latérale. Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires en contact avec les lipides, AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme, 32 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.2.Acides Aminés À Chaines Latérales Hydroxylées, Soufrées Ou Hydrophiles 33  Sérine (S ou SER) Chaine latérale avec groupement hydroxyle (alcool). Acide aminé généralement retrouvé dans les protéine, en contact avec le solvant et dans les sites catalytiques d’enzymes. AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme. 34  Thréonine (T ou THR) Chaine latérale avec groupement hydroxyle (alcool) Site de phosphorylation dans de nombreuses protéique AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 35  Cystéine (C ou CYS) Chaine latérale avec groupement sulfhydryle (Thiol), ionisable = Possibilité de réactions d’oxydo-réduction, Acide aminé formant des ponts disulfures AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme, 36  Méthionine (M ou MET) Chaine latérale avec groupement thioéther Précurseur métabolique de la S-adénosyl méthionine, donneur de méthyle Importance comme premier acide aminé dans la synthèse protéique AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 37  Asparagine(N ou ASN) Chaine latérale avec groupement amide. Site de glycosylation dans de nombreuses protéines secrétées; AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme; 38  Glutamine(Q ou GLN) Chaine latérale avec groupement amide. Acide aminé le plus abondant dans le sang. AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme. 39 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.3.Acide Aminé À Chaine Latérale Cyclique 40  Proline (PRO ou P) La proline est le seul acide alpha-aminé dont la fonction amine soit secondaire. Le radical de la proline comprend donc 3 carbones saturés dont le dernier est lié à la fonction α-aminée incluse dans la liaison peptidique. Le tout forme un noyau pyrrole (4 carbones et 1 azote). Peu fréquent dans les protéines. AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme. 41 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.3.Acides Aminés À Chaines Latérales Aromatiques 42  Phénylalanine (F ou PHE) Chaine latérale aromatique (Phényl), Absorption de la lumière dans l’UV vers 280nm Un des acides aminés les plus hydrophobes, il est généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 43  Tyrosine (Y ou TYR) Chaine latérale aromatique (Phénol), ionisable à pH élevé. Site de phosphorylation dans de nombreuses protéique Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme 44  Tryptophane (W ou TRP) Chaine latérale (aromatique) (benzène et pyrrole). Acide aminé généralement à l’intérieur des protéines solubles dans l’eau ou dans les hélices membranaires, en contact avec les lipides. Précurseur du métabolisme de la sérotonine (hormone et neuromédiateur) AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 45 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.3.Acides Aminés À Chaines Latérales Chargées Positivement 46  Histidine (H ou HIS) L’histidine est un acide aminé basique. Le radical de l’histidine comprend un carbone et un noyau imidazole formé de trois carbones et de deux azotes. Ce noyau est ionisable et le pK est de 6.0, ce qui est très voisin des pH habituels des compartiments cellulaires. Le noyau imidazole est polaire mais peu hydrophile. Les échanges d’hydrogène avec le noyau imidazole se faisant facilement au pH physiologique, l’histidine est un radical fréquent dans les sites catalytiques des enzymes. 47  Lysine (K,LYS) Chaine latérale aminée, ionisable à pH acide modifié dans certaines protéines par acétylation AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 48  Arginine (R ou ARG) Chaine latérale avec groupement Guanidinium Ionisable, toujours chargée aux pH physiologiques Acide aminé le plus basique et le plus hydrophile Impliquée dans le cycle de l’urée et donc dans le contrôle des composés azotés de l’organisme AA essentiel dans l’alimentation chez l’homme 49 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.4. Acides Aminés À Chaines Latérales Chargées Négativement 50  Acide Aspartique (D ou ASP) Chaine latérale acide, ionisable à pH basique AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme 51  Acide Glutamique (E ou GLU) Chaine latérale acide, ionisable à pH basique Aussi un neuromédiateur, ainsi que le GABA (Acide gamma aminobutyrique) qui en dérive AA non essentiel dans l’alimentation chez l’homme 52 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.5. Acides Aminés Modifiés Il existe aussi des acides aminés modifiés après la traduction des protéines. 53 54 VI- CLASSIFICATION DES ACIDES AMINÉS VI.1. Classification des acides aminés selon leurs chaines latérales VI.1.5. Autres Acides Aminés D’autres acides aminés comme l‘Ornithine ou la Citrulline ne sont pas utilisés pour produire des protéines, mais entrent dans des métabolismes. 55 IONISATION DES ACIDES AMINÉS Aissam EL MAATAOUI 56  Objectifs Donner la liste des groupements ionisables des AA courants ainsi que la valeur de leurs Pka. Définir le point isoéléctrique et sa relation avec la charge nette. Les méthodes de caractérisation et du dosage d’un acide aminé. 57 58  1.Ionisation et effet du PH Les acides aminés sont des molécules amphotères. 59  2.Zwitterion Composé neutre possédant en nombre égal des charges électriques formelles d'une unité et de signes opposés. Note : De l'allemand Zwitter, "hermaphrodite" ; l'expression "ion hermaphrodite" 60 3.Constantes des différents AA 61  4.pH isoélectrique pH auquel une molécule est sous forme d'ion mixte ou, en physico-chimie. Au pH=pHi La charge de l’AA est égale à 0. 62  Etat d’ionisation d’acides aminés selon le PH du milieu COO- COOH pK1 COO- pK2 NH3+-C - H NH2- C - H NH3 +-C - H B R R R C A Forme ionisée Forme ionisée Forme ionisée à pHi à pH basique à pH acide Isoélectrique AH2+ AH+- A- pHi = (pK1 + pK2)/2 pHi = la somme des pK qui encadrent la forme isoélectrique 63 4.pH isoélectrique 64 Une autre classification des AA selon le pHi AA neutre quand son pHi est compris entre 5 et 6. AA acide quand son pHi est inférieur ou égal à 3. AA basique quand son pHi est supérieur à 7. 65 5. Etat d’ionisation d’un AA selon le pH du milieu 66  AA neutre Glycine COO- COO- COOH pK1=2,34 pK2=9,6 NH3+-C - H NH2- C - H NH3+-C - H H H H Forme Isoélectrique Forme ionisée Forme protonée à pH basique B à pHi C pH acide A Isoélectrique Zwittérion pHi = (2.34 + 9.6)/2= 5.97 67 68  - Courbe de titration de la Glycine 12 11 B = C C 10 9 pK2=9,60 8 pH 7 6 B pHi =5.97 5 4 A = B 3 2 pK1=2,34 1 A Équivalents OH- 0,5 1 1,5 69 AA acide 70 71 72 AA Basique 73 74 75 Ionisation d’un peptide 76  5.Identification des AA 1) La solubilité. 2) La couleur et l’absorption en lumière ultraviolet. 3) Le pouvoir rotatoire. 77  5.Identification des AA 1) La solubilité Les AA sont solubles dans l’eau mais très faiblement dans un PH proche de leurs PHi, plus fortement en milieu alcalin. Ils sont plus faiblement solubles dans l’alcool, La solubilité dans les solvants apolaires dépend de leurs de leurs chaines latérales , 78  5.Identification des AA 2) Étude qualitative Coloration par la ninhydrine avec chauffage Liée aux propriété de la fonctions et a -NH2 Tous les acides aminés sont colorés « bleu- violacé» Sauf Proline et hydroxyproline en « jaune » L’intensité de la coloration est proportionnelle à la quantité d’AA 79 Visible : 800 nm (rouge) - 400 nm (indigo) Proche-UV : 400 nm - 200 nm UV-lointain : 200 nm - 10 nm. 80  5.Identification des AA 3) Coloration et absorption de la lumière Les d’AA sont incolores, Ils absorbent a une longueur d’onde < 230 nm et les AA aromatiques absorbent à 280 nm, Le tryptophane est fluorescent. 81  5.Identification des AA 4) Le pouvoir rotatoire des AA La capacité de dévier la lumière polarisée Sauf la glycine qui n’ a pas cette propriété, 82  5.Identification des AA 5) Séparation des AA par électrophorèse 83 84 5.Identification des AA 6) Séparation des AA par chromatographie 85 86 SYNTHESE 87  Je sais définir Acide aminé Zwitterion Acide aminé aliphatique Acide aminé aromatique pKi 88  Je connais La structure commue à l’ensemble des acides aminés Les deux séries D et L des acides aminés La structure et le nom des 20 acides aminés Acide aminé aromatique pKi 89  Je sais Expliquer les différentes ionisation d’un acide aminé 90 91  BIOCHIMIE STRUCTURALE Pr Aissam EL MAATAOUI Professeur de Chimie clinique Pharmacien spécialiste en Biologie médicale Docteur es-sciences GLUCIDES 2 CARACTERES GENERAUX DES GLUCIDES I- DEFINITION Définition « chimique » : « hydrates de carbone » Formule générale Cn (H2O)n (CH2O)n ou Rapport C : H : O = 1: 2 :1 Mais tous les glucides ne sont pas conformes à cette formule Parfois, autres atomes (N, P, S) et fonctions (acides ou basiques)  Définition courante : les sucres Le sucre de table : saccharose Saccharose = glucose fructose : 2 sucres simples Le plus important en biologie médicale: - Source d’énergie - Précurseur et produits de tous les oses simples GLUCIDES Définition actuelle: Molécules organiques caractérisées par: - Chaîne carbonée avec des fonctions alcool primaire et secondaire - Fonction aldéhyde ou cétone - Parfois une fonction alcool secondaire qui a été substituée par:.Une fonction acide.Une fonction amine.Un groupement hydrocarboné (R) ou –O-R.Un hydrogène (H) O C CH2OH H (H ou R ou NH 2 ou SO H)3 II- CLASSIFICATION GLUCIDES OSES OSIDES Molécules simples Molécules composées non hydrolysables hydrolysables Aldéhyde = aldose Holosides oses Cétone = cétose Hétérosides oses + aglycone III- INTERET DES GLUCIDES 1°/ ROLE ENERGETIQUE 1g glucose = 4 Kcal Glycogène = réserve de glucose (Foie, Muscle) 2°/ ROLE STRUCTURAL Membrane cellulaire renferme des glucides combinés à des protéines = Glycoprotéines  IV- ORIGINE ET BESOINS EN GLUCIDES *Origine ALIMENTAIRE METABOLIQUE Légumes NEOGLUCOGENESE : composés non Fruits glucidiques: Produits sucrés: -AA. Glucoformateurs: Limonades, sirop,.. Gly,Ala,Val,Sér,T hr, Cys,Asp,Glu,Pro et Arg Glycérol,Lactate,Pyru -vate -Intermédiaires du cycle de KREBS * Besoins - 300 g/j au repos:.150g/j Cerveau. 50g/j GR. 50g/j Muscle. 50g/j Organes( Rein,…. Un adulte sain (70Kg) au repos a un besoin énergétique de 2400Kcal 50% fournis par les glucides 35% les lipides 15% les protides A l’effort les besoins augmentent Varient en selon plusieurs facteurs:.Sexe: F = 2200 Kcal H =2400 Kcal.Activité: Travail intense = 3400 à 3800Kcal Travail très intense= 4000 à 5500Kcal.Age: E = 1400 à 2000Kcal A = 2200 à 3000Kcal Vieillard = diminuer la ration de 30%  Le climat: Climat très froid augmenter la ration 5000 kcal/j La ration alimentaire doit couvrir nos besoins énergétiques sans les dépasser. Tout dépassement va favoriser : - l’athérosclérose - l’obésité - le diabète V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES Objectifs de ce chapitres Connaitre les deux familles des monosaccharides. Maitriser la représentation de Fischer des sucres. Comprendre la cyclisation des monosaccharides, Maitriser la représentation de Haworth des sucres cyclisés V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses La plupart des oses naturels appartiennent à la série D Le chef de file des sucres de la série D est le D-glycéraldéhyde L’obtention des autres sucres se fait par l’ajout d’un carbone juste après la fonction réductrice V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses Les aldoses les plus importants sont les aldohexoses, ils possèdent 4 carbones asymétriques ce qui donne 24= 16 stéréo-isomères, 08 sont de la série D et 8 de la série L. V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses a. Filiation 1 2 OU 3 Glycéraldéhyde (GA) a. Filiation Filiation chimique des oses selon Fischer  LES ÉPIMÈRES Si les molécules ne diffèrent que par la configuration absolue d’1 C*, ce sont des épimères. Le galactose est l’épimère en 4 du glucose LES ÉPIMÈRES V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses b) Cyclisation d’un aldose Structure cyclique des oses: en solution les oses sont essentiellement présents sous forme cyclique.) La fonction C=O réagit avec une fonction OH pour former un hémiacétal. L’angle des liaisons C-C du squelette du sucre rapprochent la fonction C=O des carbones 4 et 5. On pourra donc former un cycle à 6 côtés (pyranose) ou à 5 côtés (furanose) V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses b) Cyclisation d’un aldose V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses b) Cyclisation d’un aldose V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 1) Les aldoses b) Cyclisation d’un aldose Aldéhyde + Alcool =Hémiacétal Les fonctions à droite en Fischer sont en dessous du cycle de Haworth, les fonctions à gauche sont au-dessus. Mutarotation des oses Il est naturellement possible de basculer d’un anomère à un autre en repassant très temporairement par la forme linéaire de l’ose, ce phénomène est appelé la mutarotation des oses. a-D-Glucopyranose b-D-Glucopyranose 36% 63% D-Glucose 0,1% V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 2) Les cétoses Il y’a un carbone asymétrique en moins, il n’y’a pas de fonction alcool secondaire , il s’agit de la Dihydroxyacétone, C’est un intermédiaire du métabolisme des sucres V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 2) Les cétoses Comme pour les aldoses , les céto-hexoses sont les plus importants. Ils possèdent trois carbones asymétriques, ce qui donne 8 stéréo-isomères, dont 4 de la série D et 4 de la série L, V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 2) Les cétoses CH2OH 1 C O OU 2 CH2OH 3 Dihydroxyacétone a.Filiation D- Erythrulose D- Ribulose D-Xylulose D- Fructose V- ETUDE DES GLUCIDES A- LES OSES 2) Les cétoses b) Cyclisation d’un cétose Cétone + Alcool = Hémicétal V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES Deux osamines ont un intérêt biologique : la Glucosamine et la Galactosamine [-OH en 2 remplacé par -NH2] Le -NH2 est souvent acétylé pour donner une N-acétylglucosamine ou une N-acétylgalactosamine Les osamines sont des constituants des glycolipides, des glycosaminoglycanes et des glycoprotéines. V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES Acides uroniques On les obtient par oxydation de la fonction alcool primaire sur le C6. Ce sont des constituants des Glycosaminoglycanes Leur rôle biologique est essentiel dans la détoxification hépatique. V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES Acide sialique = Acide N-acétylneuraminique (NANA) L’acide neuraminique est le produit de condensation de : Acide pyruvique + D mannosamine. Ce sont des constituants des glycoprotéines et glycolipides de la paroi des cellules eucaryotes. L’acide sialique est l’acide N-acétylneuraminique (NANA). V- Dérivés amines d’oses biologiques A- LES OSES Principaux oses et dérivés d’oses présentant une importance biologique  Je sais définir Monosaccharide Aldoses et cétoses Carbone asymétrique épimère  Je connais Les séries D et L des sucres Les caractéristiques des aldohexoses et des cétohexoses Quelques sucres dont le glucose et le fructose  Je sais Nommer un sucre à partir de sa formule de Fisher. Reconnaitre une fonction hémiacétal et une fonction hémicétal. Reconnaitre un anomère alpha et un anomère béta. V- Dérivés amines d’oses biologiques B- LES OSIDES Objectifs Connaitre les principaux disaccharides. Savoir identifier leur caractère réducteur Savoir donner leurs caractéristiques structurelles et biologiques. V- Dérivés amines d’oses biologiques B- LES OSIDES 1°) Définition de la liaison osidique Addition de deux oses simples entre carbones portant des hydroxyles Liaison O-osidique (O-glycosidique) Condensation de deux alcools: - liés aux carbones anomériques des deux oses - ou 1 OH lié au carbone anomérique + 1 OH lié à un autre carbone V- Dérivés amines d’oses biologiques HO 2 H H H H C + C C C OH HO O +H2O Dénomination biochimique de dissacharide dépend: -De la nature des oses -Des anomères -Du carbone porteur de l’hydroxyle engagé dans la liaison sur le second ose -Des formes cycliques V- Dérivés amines d’oses biologiques  2°) Classification des osides OSIDES HETEROSIDES HOLOSIDES Par hydrolyse: Oses et/ou dérivés d’oses OSES + Aglycone Oligosides Polyosides n < 10 Oses n > 10 Oses Hétéro Ex: n=2 Homopolyosides= Polyosides= oses identiques oses -Maltose: et/ou Réducteur Dérivés -Lactose: d’oses Réducteur -Saccharose:Non.Amidon.MPS réducteur.Glycogène.GAG  Nomenclature Un diholoside, donc une liaison osidique est caractérisé: Par la nature des 2 oses qui le constituent et par leur forme cyclique(pyrane ou furane), Par la configuration anomérique de la liaison osidique, Et si le diholoside est réducteur par le numéro de l’atome de C portant la fonction alcool impliquée dans la liaison.  Nomenclature Ose signifie que la fonction hémiacétalique du dernier ose est libre (ose engagé par une fonction alcool), Osyl signifie que la fonction hémiacétalique du premier ose est engagé dans la liaison osidique Oside signifie que la fonction hémiacétalique du dernier ose est engagé dans la liaison osidique,  Sucre non réducteur: c1 c1 Sucre réducteur :c1 c2,c3,c4,c5,c6  3°) Les holosides a) Les oligosides Maltose: C’est un produit d’hydrolyse obtenu lors de la digestion des polyosides (amidon et glycogène) par les amylases. Il est formé par l’union de 2 molécules de glucose unies en α 1-4. C’est un oside réducteur. Il est hydrolysé en 2 molécules de glucose par une enzyme spécifique, la maltase.  3°) Les holosides a) Les oligosides Maltose CH2OH CH2OH 6 6 5 5 O H 4H C O H H C H H C1 C C C OH H 1 4 OH H C2 O C C2 OH OH C 3 3 H OH H OH D-Glucose D-Glucose a-D-glucopyrannosyl-(1-4) D- glucopyrano se Produit de dégradation des amidons a(1->4) glucosidase  Lactose Sucre du lait C’est un diholoside réducteur constitué d’une molécule de Gal et d’une molécule de Glc unies par une liaison β 1-4 osidique.  Lactose Lactase CH2OH CH2OH 6 6 5 5 OH OH C O H C O H 4C H C1 4 C OH H C1 O OH H Ose dont le carbone H C C2 H C C2 H anomérique 3 3 est libre à droite H OH H OH (extrémité D-Galactose D-Glucose réductrice) b-D-galactopyranosyl (1->4)D- glucopyrano se L’enzyme hydrolysant le disaccharide reconnaît: -L’ose dont le carbone anomérique est engagé - La nature de l’anomére (a ou b) -Le type de liaison O-osidique (numéros des carbones liés) Exemple: lactase = b(1->4)-galactosidase  Saccharose Canne, Bettrave, source de glucose pour la cellule, c’est le sucre de table.  Saccharose D-Glucose CH2OH 6 5 H C O H H C C1 4 OH H OH C C2 3 H OH O D-Fructose HOCH2 O 6 C C2 5 H OH 1 H C C CH2OH 4 3 OH H a-D-glucopyranosyl (1->2) b( D- fructofurano side Les deux carbones anomériques sont engagés dans la liaison O-osidique Saccharase = a (1->2)-glucosidase b(2->1)-fructosidase A Noter Comme tous les disaccharides ne sont pas liés par les mêmes types de liaisons, ils ne seront pas hydrolysés par les mêmes enzymes. Une alpha-glucosidase peut hydrolyser le saccharose et le maltose qui contiennent de l’alpha glucose.  A la fin de ce chapitre Je sais définir Disaccharide Liaison O-glycosidique Je connais Les caractéristiques des principaux disaccharides: saccharose, Maltose et Lactose. Les enzymes capables ou non d’hydrolyser une liaison b) Les polyosides Objectifs Connaitre les principaux homoglycannes. Savoir donner les caractéristiques structurelles et biologiques Identifier les extrémités réductrices et non réductrices. b) Les polyosides b.1. Les homopolyosides Linéaires branchés Amidon - Glycogène  b.1. Les homopolyosides b.1.1. Amidon Sucre non réducteur ❑ Réserve glucidique chez les végétaux, b.1. Les homopolyosides b.1.1. Amidon Sucre non réducteur b.1. Les homopolyosides b.1.1. Amidon b.1. Les homopolyosides  b.1. Les homopolyosides Liaisons a(1->4)-glycopyranosyl CH2OH CH2OH Liaisons a(1->6)- 6 6 glycopyranosyl 5 5 H C O H H C O H H H C C 4C C 4 OH H 1 OH H 1 C2 O C C2 OHC 3 3 O H OH H OH CH2OH CH2OH CH2OH CH2 CH2OH 6 6 6 6 6 5 5 5 5 5 H C O H H C O H H C O H H C O H H C O H H H H H H C C1 4C C 4C C 4C C 4C C 4 OH H OH H 1 OH H 1 OH H 1 OH H 1 C2 O C C2 O C C2 O C C2 O C C2 C 3 3 3 3 3 H OH H OH H OH H OH H OH Liaisons a(1->4)-glycopyranosyl  b.1. Les homopolyosides Amidon = polymères d’a-D-glucose = Amylose + Amylopéctine - Amyloses: liaisons a(1->4), de quelques dizaines à plusieurs milliers de résidus (PM de 5 à 500 kDa). 20 % des amidons environ  - Amylopectines: Liaisons a(1-->4) + liaisons a(1-->6) tous les 20-30 résidus (PM jusqu’à 1000 kDa). 80% des amidons environs Insolubles à 37°C. Ils diffèrent suivant les espèces végétales Structure a-hélicoïdale Digestibles par des a-glucosidases dans l’intestin Réserve énergétique des cellules végétales b1.2. Glycogène Non réducteur ❑ Réserve d’énergie chez les animaux ❑ Polymère soluble ❑ Foie et Muscle  b.1. Les homopolyosides b1.2. Glycogène polymères d’a D-glucoses liés par des liaisons a(1->4) et tous les 8-12 résidus des branchements a(1->6) Structure plus compacte que les amidons Structure a hélicoïdale Digestibles par des a glucosidases dans l’intestin Réserve énergétique des cellules animales b.1. Les homopolyosides Glycogène  C) Les hétérosides Résultant de l’association du carbonyle d’un ose avec une fraction non glucidique Leur classification se fait selon la nature du groupement fonctionnel de l’aglycone impliqué dans la liaison osidique – O-hétéroside : ose + hydroxyle (OH) alcoolique ou phénolique – S-hétéroside : ose + groupement thiol (SH) – N-hétéroside : ose + groupement NH2  C) Les hétérosides C.1. LES GLYCOSAMINOGLYCANES (G.A.G) Association d’oses et dérivés d’oses Un G.A.G est un ensemble de disaccharides dont l’un des monosaccharides est toujours: soit N- Acétylglucosamine soit N- Acétylgalactosamine L’autre monosaccharide est un acide glucuronique ou un ose. C) Les hétérosides Dans certains GAG un ou plusieurs groupements OH (alcool primaire ou secondaire) peut être estérifié par un sulfate ce qui donne une forte Viscosité.  Les G.A.G. se divisent en deux groupes: -Ceux qui ne contiennent pas d’acide sulfurique Acide hyaluronique CH2OH 6 H C5 O O C4 de acide glucuronique COO- C H C1 6 4 H b 1->4 5 OH H C O O C C2 H 3 H 4 C OH H C1 b 1->3 H NH C1 de N-acétyl glucosamine O C C2 H C O 3 CH3 H OH Acide glucuronique N-acétyl-glucosamine - 50000 sous unités/chaîne - Composant fluide synovial (articulation, vitrée (œil), tendons, cartilage  - Ceux qui contiennent l’acide sulfurique Chondroïtine sulfate CH2OH 6 -O SO 3 5 C4 de acide C O O glucuronique COO- C H C1 6 4 H H b 1->4 5 O C H C O C2 H 3 H C1 4 C OH H b 1->3 H NH C1 de N-acétyl C O galactosamine O C C2 H 3 CH3 H OH N-acétyl-galactosamine sulfatée Acide glucuronique Kératane sulfate CH2OSO - 6 3 H 5 C O O C3 du galactos CH2OH 6 C H 1b 1->3 5 4 OH H C OH C O O C C2 H H 3 C1 4 C H b 1->4 NH H H C C2 H C1 de N-acétyl 3 C O galactosamine O H OH CH3 Galactose N-acétyl-glucosamine sulfatée  C) Les hétérosides C.2. Les glycoprotéines Les osides sont fixés sur les protéines par deux types de liaisons formées par condensation : - La liaison N-osidique qui s'établit en général entre le dérivé N-acétylamine du glucose et la fonction amide de l'asparagine, - la liaison O-osidique est plus diverse. Elle s'établit par le dérivé N-acétylamine du galactose chez les mammifères (mannose pour les levures...) et la fonction alcool de la serine ou de la thréonine. C) Les hétérosides C.3.Les glycolipides Les glycolipides résultent de la liaison d'un simple hexose ou d'un oligosaccharide à une fonction hydroxyle appartenant soit au glycérol d'un diglycéride (glycéroglycolipide) soit à la sphingosine d'un céramide (sphingolipide). ENZYMOLOGIE Aissam EL MAATAOUI 1  ENZYMOLOGIE L'enzymologie est la science qui étudie les propriétés structurales et fonctionnelles des enzymes. 2  Objectifs Définir les termes d’enzymologie : enzyme, substrat, produit, coenzyme, activateur, inhibiteur, réaction enzymatique, voie métabolique, enzyme- clé. Étudier sur un exemple la vitesse d’une réaction enzymatique en fonction du temps, de la concentration de l’enzyme, de la concentration du substrat, en représentation normale ou en double inverse. Définir la vitesse initiale, la vitesse maximum, la constante de MICHAELIS. Donner des exemples d’inhibitions de réactions enzymatiques en expliquant les effets de cette inhibition sur les paramètres de la réaction. 3  LES ENZYMES I - INTRODUCTION II - NOMENCLATURE & CLASSIFICATION III - CINETIQUE ENZYMATIQUE IV – EFFET DES CONSTANTES PHYSIQUES V - ENZYMES ALLOSTERIQUES 4  I - INTRODUCTION UNE FONCTION MAJEURE DES PROTEINES : LA CATALYSE ENZYMATIQUE 5  1 - DEFINITION ET PROPRIETES Enzymologie : étude des ENZYMES Catalyseur : une ou un enzyme Agissent à très faible concentration Sont inchangés à la fin de la réaction Ont une grande spécificité : catalysent une réaction chimique donnée d’un corps initial défini. n’affectent pas l’équilibre d’une réaction réversible mais augmentent la vitesse (l’équilibre atteint (106 fois) 6  Les enzymes ❑ Une enzyme est un catalyseur biologique de nature protidique. C’est-à-dire une protéine qui permet d’augmenter la vitesse d’une réaction chimique ❑ Les réactions catalysées sont 10 à 10 fois 3 7 plus rapides qu’elles ne le seraient sans l’enzyme. ❑ Une enzyme se retrouve non modifiée à la fi n de la réaction, elle ne fait donc pas partie du bilan réactionnel. De plus, se retrouvant intacte en fi n de réaction, elle est alors disponible pour catalyser une nouvelle réaction, ce qui explique qu’elle soit active à faible concentration. 7  Les enzymes Nature : Protéines sauf les ribozymes Il existe deux types d'enzymes. ex Les ribozymes (ARN) RNA hammerhead ribozyme. Clivage autocalytique Ex trypsine. Les enzymes protéiques Protéase à serine 8  Les enzymes abaissent l’énergie d’activation du substrat L'énergie d'activation ou l'énergie libre d'activation ( ΔGA) est l'énergie qui doit être absorbée par les réactifs pour que leurs liaisons soient brisées. Les réactifs doivent atteindre un état de transition instable dans lequel les liaisons sont plus fragiles et plus faciles à briser. Même une réaction exergonique, où le ΔG est négatif, requiert 9 l'absorption d'énergie pour atteindre l'état de transition.  Spécificité réactionnelle :chaque enzyme ne catalyse qu’une seule réaction (ou un groupe de réactions du même type). Spécificité de substrat : «reconnaissance» du substrat par l’architecture spatiale de l’enzyme. 10  2 - LA REACTION ENZYMATIQUE ENZYME (E) SUBSTRAT PRODUIT (S) (P) Substrat : molécule qui entre dans une réaction pour y être transformée grâce à l’action catalytique d’une enzyme Produit : molécule qui apparaît au cours d’une réaction catalysée par une enzyme 11 12  3. SITE ACTIF site actif de l’enzyme : la partie de la protéine capable de reconnaître et de transformer le/les substrats. un double rôle : site de fixation site catalytique 13 14  4- COFACTEURS Les enzymes ont souvent besoin de cofacteurs qui sont indispensables pour le déroulement de la réaction Ils jouent un rôle dans le site actif ▪ Ils sont souvent issus des vitamines Qualité de l’alimentation : des carences provoquent des maladies Co-facteurs organiques Co-facteurs Inorganiques 15  cofacteur inorganique ions minéraux : Co2+, Mg 2+, Na+, K+….. Enzyme Type Cofacteurs Nom Subtilisine (protéase) Hydrolase aucun Glucose isomérase Isomérase Co2+, Mg 2+ ion ß-galactosidase Hydrolase Na+, K+ ion 16  Cofacteur organique COENZYME Définition : Molécule biologique intervenant comme cofacteur indispensable dans la catalyse enzymatique d’une réaction Origine : synthétisé par l’organisme sinon apporté par l’alimentation (vitamine) 17 18 II. CLASSIFICATION & NOMENCLATURE 19  Nomenclature  Nom : nom du substrat + ase Ex.: saccharase ( saccharose) ou… nom du substrat et de la transformation réalisée Ex. : lactate déshydrogénase ( lactate pyruvate)  Numéro matricule (EC) à 4 chiffres : Ex.: chymotrypsine = EC 3.4.4.5 3 (hydrolase) - 4 (hydrolyse de peptide) - 4 (protéase à sérine) - 5 (chymotrypsine) X - X -X - X Réaction Caractéristique Classe Sous chimique de l’enzyme classe 20 CLASSIFICATION DES ENZYMES 21 22 23 24 25  MethylmalonylCoA SuccinylCoA Les mutases :catalysent le transfert d’un radical d’une partie d’une molécule à une autre 26 27  III. CINETIQUE ENZYMATIQUE La cinétique enzymatique, c’est l’étude des variations des vitesses de la réaction en fonction de la concentration du substrat Elle permet de déterminer: -Modélisation de l’activité enzymatique -Équation de la vitesse -Paramètres cinétiques 28  III. CINETIQUE ENZYMATIQUE 1. Influence de la [E] a. Vitesse de réaction 29  Vi = -dS = dP dt dt Vi = La vitesse de la réaction enzymatique: Quantité de substrat qui disparaît par unité de temps Quantité de produit formé par unité de temps 30 b. Phases de réaction enzymatique 31  Facteurs influençant la vitesse des réactions 1. Température 2. Concentration des réactifs 3. Présence de catalyseurs 4. Nature du solvant 32 33 34 c. Concentration en enzyme 35 v E S P E1 E2 E3 E4 [Enzyme] 36 36  V est proportionnelle à la concentration de [E] quand [S] > [E] ( E1 , E2 , E3, ) V est indépendante de la concentration de [E] quand [S] < [E] ( E4 ) [S] constitue un facteur limitant 37  d) dosage enzymatique vi [E] La mesure de l’activité enzymatique en présence de concentrations croissantes d’enzyme, et dans certaines conditions, montre que Vi varie linéairement avec [E]. 38  Application : Dosage enzymatique : Détermination de l’activité enzymatique Activité catalytique - unités katal (Système International) 1 Kat : quantité d’enzyme capable de catalyser la transformation d’une mole de substrat / seconde L’Unité Internationale– [ ancienne unité ] : 1 UI : quantité d’enzyme capable de catalyser transformation d’une micromole de substrat / mn dans les conditions optimales du dosage 1 U. I. = 15 nanokatal. 39  Isoenzymes / isoformes Isoenzymes – Issus de gènes différents, – ou composition différente en sous-unité (cf LDH) Isoformes d’enzymes : modification à partir d’un gène Isoenzymes ou isoformes sont exprimés dans des cellules ; tissus; temps différents Catalysant la même réaction N’ayant pas les même mode de régulation ou les mêmes KM ou kcat. 40 41 42  2.Traitement mathématique des cinétiques Conditions 1-On travaille à de très faible concentration de substrat [S]>>[P] 2-Il y’a beaucoup plus de substrat que d'enzyme que [S]>>[E] 3-les formes libres de l'enzyme et de l'enzyme liée au substrat sont en équilibre (rapide). 43  2. Traitement mathématique des cinétiques E+ S E–S E–P E+P Modèle de Michaelis Menten condition de mesure de vitesse initiale E k1 k2 S ES P K-1 K-2 E 44  k2 k1 S ES P k-1 k-2 k1 et k –1 sont les constantes de vitesse d’association et de dissociation du complexe ES k-2 négligeable : condition de mesure de la vitesse initiale kcat (k2) est la constante catalytique, c’est-à- dire la constante de vitesse de la réaction enzymatique 45 durant la phase stationnaire, [ES] est constante V formation de ES = k1 [E] [S] V dissociation de ES= (k-1 + k2 ) [ES] V formation de ES = V dissociation de ES k1 [E] [S] = (k-1 + k2 ) [ES] 46  équation de conservation de l’enzyme [ E] total = [E] + [ES] d’où [E] = [ E] total - [ES] k1( [ E] total - [ES]) [S] = (k-1 + k2 ) [ES] KM = (k-1+ k2) / k1 ( [ E] total - [ES]) [S] = Km [ES] 47  vitesse de réaction Vi = k2 ES k2[E] total [S] Vi = [S] + KM Soit KM = (k-1+ k2) / k1 et Vmax = k2 [E] total Vmax [S] Vi = KM + [S] 48  v vmax [S] vmax Vo = Vmax KM + [S] 2 équation de Michaelis-Menten KM [S] la réaction enzymatique suit une hyperbole => la réaction enzymatique est saturable. 49  Signification de KM et Vmax k2 est souvent très petit devant k–1. Alors, constante de dissociation du complexe ES KM dans ce cas est l’inverse de la constante d’affinité de l’enzyme pour son substrat Si KM est grand : enzyme peu spécifique du substrat. Si KM est petit : enzyme très spécifique du substrat. l’affinité est inversement proportionnelle à la valeur de KM 50 51 52  Signification de KM et Vmax vmax: vitesse maximale de la réaction enzymatique Vmax : Vitesse de la réaction enzymatique quand tous les sites actifs sont saturés Par S dans les conditions optimales de l’environnement 53  LINEARISATION l’équation de Lineweaver et Burk est une fonction linéaire de type y = a.x + b. 1/v Pente = KM/Vmax 1/Vmax 1 KM + 1 = V0 Vmax [S] Vmax -1/KM 1/[S] 54  3- Influence des inhibiteurs Il existe deux grandes classes d’inhibiteurs : * les inhibiteurs irréversibles * et les inhibiteurs réversibles. a- inhibiteurs irréversibles Se lient de façon covalente à un groupement fonctionnel indispensable à l’activité enzymatique 55  Exemple : aspirine AINS : anti-inflammatoires non-stéroïdiens L’aspirine inhibe irréversiblement par acétylation du résidu sérine du site actif de la cyclooxygénase (COX). 56 Action métabolique de la COX 57  aspirine Acétylation 58 Inhibiteurs réversibles a- Inhibiteur compétitif L’inhibiteur est un analogue structural du substrat S + E ES P + E KI I + E EI l’affinité diminue , la Vmax non modifiée 59 14 60 15 61 Exemple d’inhibiteurs compétitifs 62 Application pratique d’inhibiteurs compétitifs I :éthanol éthylène glycole Acide oxalique Non toxique E :Alcool toxique déshydrogénase 63  v 1/v vmax +I +I vmax 2 1/Vmax KM K’M [S] -1/KM -1/K’M 1/[S] l’affinité apparente diminue : K’M > KM ; 1/K’M < 1/KM Vmax = constante 64 b- Inhibiteur non compétitif L’inhibiteur se fixe sur un site différent du substrat S + E ES P + E KI S + EI EIS E + I S + E ES + I EIS L’affinité non modifiée la Vmax diminue 65  v 1/v vmax +I v’max 1/v’max +I vmax 2 1/Vmax v’max 2 KM [S] -1/KM 1/[S] La vmax diminue : v’max < vmax ; 1/v’max > 1/vmax KM = constante 66  Enzyme Inhibition (Mechanism) I Competitive I Non-competitive Substrate Cartoon Guide S S E I E S I I Compete for Inhibitor active site Different site → ES → E + P E + S← E + S←→ ES → E + P Equation and Description + + + I I I ↓↑ ↓↑ ↓↑ EI EI + S →EIS [I] binds to free [E] only, [I] binds to free [E] or [ES] and competes with [S]; complex; Increasing [S] can increasing [S] overcomes not overcome [I] inhibition. Inhibition by [I]. Juang RH (2004) BCbasics  Enzyme Inhibition (Plots) I Competitive I Non-competitive I Uncompetitive Vmax Vmax vo vo Direct Plots Vmax’ I I Km Km’ [S], mM Km = Km’ [S], mM Vmax unchanged Vmax decreased Km increased Km unchanged Both Vmax & Km decreased Double Reciprocal 1/vo I 1/vo I Intersect at Y axis 1/ Vmax Intersect 1/ Vmax at X axis 1/Km 1/[S] 1/Km 1/[S] Juang RH (2004) BCbasics III EFFET DES CONSTANTES PHYSIQUES 1- EFFET du pH Les enzymes sont des protéines Elles sont sensibles aux variations du pH du milieu Quand le pH change, La structure tridimensionnelle change, Etat d’ionisation des groupements chargés varie dans le site actif de l’enzyme que dans le substrat,. L’activité enzymatique dépend du pH et cette dépendance est spécifique à chaque enzyme 69  Influence du pH pepsine acétylcholinestérase pH optimal vitesse initiale, V0 chymotrypsine 70  2- Effet de la température Les effets de la température est le résultat de l’action de 2 forces agissant simultanément mais dans des sens opposés. Quand la température augmente, la vitesse de réaction augmente (apport d’énergie). Quand la température augmente, il se produit une inactivation (« dénaturation ») progressive de la protéine enzymatique. Il existe une température optimale avec activité enzymatique optimale. Généralement, la dénaturation commence à être appréciable au-delà de 40°C 71 72 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES 73 Allostérie Propriété de certaines protéines actives qui peuvent changer de structure spatiale lorsqu’elles se lient à un effecteur en un site différent du site actif, cette liaison se traduisant par une modification de l’activité. 74 Ligand Substance qui peut se lier et former un complexe avec une biomolécule (Enzyme). Types de ligands: substrat, cofacteurs, ions métalliques, activateurs, inhibiteurs, neurotransmetteurs... L’effecteur se fixe sur le site allostérique et joue un rôle important dans le contrôle de l'activité des enzymes dans la cellule. 75 Transition allostérique Lorsque l’effecteur allostérique se combine au site allostérique il entraîne au niveau de la protéine enzymatique toute entière une très légère modification de structure qui est réversible: c’est la transition allostérique, qui a pour conséquence directe de modifier la cinétique de la réaction. 76 La transition allostérique modifie les forces de liaisons qui associent les sous unités entre elles, mais sans aller jusqu’ a leur dissociation. La molécule apparait soit dans un état tendu ou relâché (selon son affinité au substrat). 77 En se liant au site allostérique: L'effecteur inhibiteur modifie la forme de l'enzyme qui devient alors inactive. Si l'inhibiteur se sépare du site allostérique, l'enzyme reprend sa forme active. Un effecteur activateur rend une enzyme normalement inactive, active. Si l'activateur se sépare de l'enzyme, celle-ci reprend sa forme inactive. 78  Effet allostérique Enzyme homotrope = L’effecteur est le substrat lui-même Enzyme hétérotrope = L’effecteur est une molécule qui diffère du substrat. (Cas de la rétro-inhibition): La structure du produit final de la réaction est différente de celle du substrat 79  Please note that due to differing operating systems, some animations will not appear until the presentation is viewed in Presentation Mode (Slide Show view). You may see blank slides in the “Normal” or “Slide Sorter” views. All animations will appear after viewing in Presentation Mode and playing each animation. Most animations will require the latest version of the Flash Player, which is available at http://get.adobe.com/flashplayer. 80 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Le modèle allostérique Le comportement des enzymes allostériques est décrit par deux modèles basés sur deux théories différentes. 81 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Le modèle allostérique LES MODELE CONCERTE DE MONOD, CHANGEUX ET WYMAN Chaque protomère ne contient qu’un seul site de fixation pour le substrat. l’enzyme ne peut être que dans deux états, et toutes les sous unités sont dans un état ou dans un autre. ETAT T OU ETAT R Ce modèle concerté ne permet d’expliquer que le phénomène de coopérativité positive 82 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Le modèle allostérique LES MODELE CONCERTE DE MONOD, CHANGEUX ET WYMAN 83 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Le modèle allostérique LES MODELE SEQUENTIEL DE KOSHLAND Chaque sous unité passe individuellement d’un état à un autre. Le changement d’état d’une sous-unité influe sur le changement des autres sous unités. Ce modèle permet d’expliquer le phénomène de coopérativité positive et négative. 84 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Le modèle allostérique LES MODELE SEQUENTIEL DE KOSHLAND 85 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.1. Mode D’action Il s’agit des protéines oligomérique Elles fonctionnent de manière coopérative et jouent un rôle important dans la régulation métabolique 86 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES Substrat +A v T "inactive" R "active" vmax Courbe sigmoïde traduit la coopérativité. vmax 2 Interaction coopérative : effet positif (le substrat facilite sa propre fixation) K1/2 [S] T R T R T R 87 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES Lorsque l’on étudie leur cinétique en traçant la vitesse en fonction de la concentration en substrat, La courbe n’est pas un hyperbole (enzyme michaelienne), mais une courbe sigmoïde, ceci traduit un effet coopératif positif. 88 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES Les enzymes michaeliennes ne sont pleinement actives qu’a de faibles concentrations en substrats , les enzymes allostériques sont pleinement efficaces à des concentrations fortes en substrat Pour des concentration dS égales la réponse de l’enzyme allostériques est supérieur à celle de l’enzyme michaelienne dv 89 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES 90 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.1. Mode D’action t 91 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.2. Effecteurs allostériques 92 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.2. Effecteurs allostériques (Systèmes K) LES ACTIVATEURS Ces enzymes ont la propriété d’ être régulés par des effecteurs allostériques qui sont souvent des produits des voies métaboliques, Ainsi le rétrocontrôle négatif qui s’opère sur l’enzyme allostérique par les produits des voies métaboliques 93 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.2. Effecteurs allostériques (Système K) LES ACTIVATEURS La fixation de l’activateur va induire une modification conformationnelle de l’enzyme appelé transition allostérique qui va modifier le site de fixation de l’enzyme et augmenter son affinité pour le substrat On peut même passer d’une courbe sigmoïde a une courbe hyperbolique L’activateur diminue le phénomène de coopérativité 94  1. Modulateur allostérique = effecteur allostérique +A v T "inactive" R "active" +I vmax Vmax = Cste vmax K1/2 varie 2 K1/2 [S] A : effet de l’activateur sur la fixation du substrat : positif (l’activateur facilite la fixation du substrat) 95 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.2. Effecteurs allostériques (Système K) LES INHIBITEURS Une baisse de l’affinité du substrat pour l’enzyme. L’inhibiteur va renforcer les liaisons tendues entre les sous unités et ainsi favoriser un état dit tendu T. 96  1. Modulateur allostérique = effecteur allostérique v T "inactive" R "active" +I vmax Vmax = Cste vmax K1/2 varie 2 K1/2 [S] I : effet de l’inhibiteur sur la fixation du substrat : négatif (il inhibe la fixation du substrat) 97 V. LES ENZYMES ALLOSTERIQUES V.3. Effecteurs allostériques (Système V) Le système V: ce sont les enzymes pour lesquelles l’effecteur ne modifie que la Vmax de la réaction. Les enzymes allostériques du système V sont caractérisés par le fait que le substrat (S) a la même affinité pour les deux formes d'enzyme R et T. Tout se passe comme s'il n’y avait qu’une seule forme d'enzyme. Il en résulte une fixation hyperbolique de S. La coopérativité semble absente. Activateur (A) et inhibiteur (I) modifient la vitesse sans modifier l’affinité 98 99 Exemple : Glycogène phosphorylase L’AMP est un activateur allostérique alors que l’ATP et le glucose sont des inhibiteurs allostériques 100  VI. REGULTATION DE L’ACTIVTE DE CERTAINES ENZYMES VI.2. REGULATION PAR LES ISOENZYMES Formes d’une même enzyme catalysant la même réaction mais a des vitesses différentes (paramètres V-MAX et Km différents) 101 VI. REGULTTION DE L’ACTIVTE DE CERTAINES ENZYMES VI.2. REGULATION PAR LES ISOENZYMES 102 103  MODULE DE CHIMIE –BIOCHIMIE LES PROTÉINES Aissam EL MAATAOUI 1 2  Objectifs Expliquer et illustrer les structures, primaire, secondaire, tertiaire et quaternaires des protéines. Décrire la nature et la force relative des forces qui stabilisent chaque ordre de structure protéique. 3  PLAN 1.INTRODUCTION 2. LA LIAISON PEPTIDIQUE 3- PEPTIDES 4. PROTEINES 4. DENATURATION DES PROTEINES 5. RELATION STRUCTURE FONCTION 4  1.Introduction (1) ✓ Synthèse à partir de 20 acides aminés (AA). ✓ Séquences d ’AA reliés par des liaisons peptidiques. ✓ Contrôle génétique de chaque séquence spécifique. ✓ Azote = N est leur constituant caractéristique. ✓ Renouvellement perpétuel « turnover protéique ». ✓ Grande quantité (10 000 protéines chez un eucaryote). ✓ Grande diversité de taille, de structure. ✓ Le nombre de combinaison est illimitée 5  1.Introduction (2) Diversité des fonctions ✓ Structure (collagène, kératine). ✓ Enzymatiques (quasi-totalité). ✓ Hormonales et neuromédiatrices. ✓ Motrices (Actine, Myosine). ✓ Transport (Albumine). ✓ Transduction (Récepteurs, Prot G). ✓ Immunité (Immunoglobilines, Cytokines). ✓ Régulation de l ’expression du génome (Facteur de transcription) 6  Les protéines le pouvoir exécutif L’ADN détient le pouvoir législatif 7  1.La liaison peptidique Formation d’une liaison covalente entre le COOH d’1 AA et le NH2 d’un autre AA par perte d’une molécule d’eau : résidus d'acide aminé. 8  2-CARACTERISTIQUES DE LIAISON PEPTIDIQUE  est un « hybride de résonance » entre les deux formes extrêmes Forme hybride Les électrons partagés entre les atomes O, C et N et sont distribués sur une orbitale moléculaire p qui recouvre les 3 atomes En conséquence, la liaison peptidique possède3 propriétés fondamentales : plane rigide polaire9 Nature partiellement double à cause d’une délocalisation des électrons de valence créant une mésomérie 10 Première forme extrême Seconde forme extrême C O = double liaison C O = simple liaison C N = simple liaison C N = double liaison Sur N de l’amide une paire Sur O de l’acide une paire d’électrons non partagés d’électrons non partagés 11 12 13 La liaison peptidique présente des dimensions pratiquement fixes Ca 1,0 A 1,52 A 1,33 A 1,45 A Ca 1,23 A carbone oxygène Chaîne latérale azote hydrogène 14 Il existe cependant 3 angles qui peuvent prendre des valeurs variables : F , Y 115,6° Y Ca 121,1° F 123,2° 119,5° 118,2° Ca 121,9° (psi) Y F (phi) 15 deux Angles de rotation : F , Y  Les liaisons dont l’orientation reste libre sont celles qui entourent chacun des carbones asymétriques -l’angle de rotation = f. - La liberté de rotation de l ’angle F (phi) autour de la liaison entre le Ca et l ’azote amidique. - l’angle de rotation = y La liberté de rotation de l ’angle Y (psi) autour de la liaison entre le Ca et le groupe carbonyle 16  Le plan rigide de la structure de la liaison peptidique interdit la rotation des atomes On définit W, angle de torsion autour de la liaison C-N. Cet angle ne peut prendre que 2 valeurs Vers le C-terminal Vers le N-terminal Vers le N-terminal Vers le C-terminal W = 0° CIS W = 180° TRANS configuration TRANS, plus stable 17  3- PEPTIDES Connaitre la définition d’un peptide Énumérer quelques exemples de peptides 18  3- PEPTIDES  Peptide = Molécule comprenant (2-99) résidus AA reliés par la liaison peptidique  oligopeptides : entre 2 à 10 résidus AA  polypeptides : nombre résidus aa de 10 - 100  Protéines : à partir de 100 résidus AA 19 20  Dans chaînes peptidiques :2 types de liberté de rotation qui permettent de modifier la conformation spatiale N-terminal C-terminal Ca La liberté de rotation de l ’angle F (phi) La liberté de rotation de l ’angle Y (psi) 21  Les chaînes polypeptidiques N-terminal C-terminal  Nombre variable de résidus aa  Structure spatiale spécifique Commence par : extrémité N-terminale à gauche Se termine par extrémité C-terminale, à droite 22  EXEMPLES DE PEPTIDES le glutathion (GSH) = tripeptide  Propriétés oxydoréductrices est un puissant anti-oxydant  Globules rouges, il empêche l’hémoglobine d’être oxydée en méthémoglobine.  Usages thérapeutiques et nutritionnels : complément alimentaire 23 Vasopressine = hormone peptidique post-hypophysaire  9 résidus aa 24 La pénicilline est un tripeptide produit par un Champignon Penicillium chrysogenum. Premier antibiotique naturel découvert 25 Hormone peptidique : hyperglycémiante  chaîne 29 résidus aa 26 Hormone peptidique : Chaîne A = 21 et Chaîne B= 30 résidus d'acides aminés  Hormone hypoglycémiante 27  4. PROTEINES Connaitre les différentes structures des protéines. Étudier quelques protéines caractéristiques. 28  JE SAIS DÉFINIR Structure primaires, secondaires, tertiaires et quaternaires. Protéines Liaisons peptidiques Hélice alpha Feuillet béta Coude Sous unité 29 Dénaturation protéique  4. PROTEINES Les protéines : premières actrices du monde vivant « Protéine » vient de (proteion) = qui occupe le premier rang. Il n ’existe pratiquement pas de processus biologique non régi par une/des protéine(s). Comprendre le fonctionnement d ’une protéine, c ’est donc comprendre in fine « la logique du vivant » 30  4.1.Classification Rôle biologique Créer et maintenir Transformer Les enzymes une structure P. cytosquelette P. tissus soutien Bouger-se déplacer P.motrice Reconnaître et P.mouvements intracellulaires se défendre Immunoglobulines Transporter Informer-signaler petites Les récepteurs Molécules ex O2 & Hormones trans-membranaires 31 CLASSIFICATION DES PROTEINES SELON LEUR COMPOSITION 1. Holoprotéines 2. Hétéroprotéines Glycoprotéines, lipoprotéines, nucléoprotéines. Métalloprotéines… 32  CLASSIFICATION DES PROTEINES SELON LEUR FORME 1. LES PROTEINES GLOBULAIRES - les chaînes polypeptidiques formant les protéines globulaires sont étroitement enroulées en une structure compacte, sphérique ou globulaire. - Elles sont généralement solubles dans les systèmes aqueux et diffusent rapidement. La plupart ont une fonction dynamique (enzyme, anticorps…). 2. LES PROTEINES FIBREUSES - Elles sont insolubles dans l’eau, allongées avec des chaînes polypeptidiques étendues le long d’un axe au lieu d’être enroulées en une forme globulaire. - Elles ont un rôle structural ou de protection (kératine, collagène, fibroïne, actine, myosine…) 33  4.2. STRUCTUE DES PROTEINES L’architecture des protéines comporte 4 types de structures : Primaire  Primaire, Secondaire  Secondaire, Tertiaire  Tertiaire,  Quaternaire. Quaternaire 34  4.2. STRUCTUE DES PROTEINES a - Structure primaire  Séquence des acides aminés  Déterminée par les gènes.  Définie par les liaisons covalentes : peptidique et ponts disulfures présents dans la protéine  Commence par l’extrémité N-terminale, à gauche)  Se termine par l’extrémité C-terminale, à droite.) 35  4.2. STRUCTUE DES PROTEINES b- Structure secondaire 2 types de structures régulières et répétitives :  Hélice a est stabilisée par des liaisons hydrogène intra- chaîne.  Feuillets b Stabilisées par Les liaisons hydrogènes inter- chaînes  boucles et coudes sont des structures non régulières, non répétitives permettant des connections entre les structures secondaires 36  hélice alpha hélice hélice C-term. C-O pointent gauche droite vers le haut C-term. N-H pointent vers le bas Liaison hydrogène 1 tour = 3,6 résidus Pas ou Pitch 5,41 A R4 Liaison N-term. Hydrogène R1→R4 R1 R2 37 N-term.  Feuillets plissés béta CN CN (brin 1) (brin 1) N→C CN (brin 2) (brin 2) CN CN (brin 3) (brin 3) feuillet bêta parallèle feuillet bêta anti-parallèle 3,4 A vu de dessus vu de dessus feuillet bêta anti-parallèle feuillet bêta parallèle 38 vu de côté vu de côté 39 40  Boucles et coudes Structures (souvent) non régulières, non répétitives permettant des connections entre les structures secondaires : - Brins polypeptidiques des feuillets plissés β - Hélices α et brins de feuillets β Longueurs différentes et formes irrégulières 41  Boucles et coudes Les tours (Coudes) C'est la structure qui connecte deux brins β antiparallèles. Les tours sont généralement courts : 2 à 4 acides aminés en dehors des brins. Les boucles Les structures des protéines sont souvent des combinaisons d'hélice et de feuillets reliées par des boucles de longueurs trés variables : de 1 à 12 résidus (voire jusqu'à 22) avec le plus fréquemment 1, 3, 4 ou 7 résidus. 42  4.2. STRUCTUE DES PROTEINES c -Structure tertiaire -La séquence des acides aminés (structure primaire) détermine la structure tridimensionnelle Dans un environnement biologique, les protéines exposent leurs résidus hydrophiles à l ’extérieur et les résidus hydrophobes à l ’intérieur Cette règle est pratiquement générale, à l’exception notable des protéines transmembranaires 43 Myoglobine 44 Modèle à haute résolution Ribonucléase 45  4 types de liaisons non covalentes stabilisant la structures tertiaire et quaternaire:  Les liaisons électrostatiques (= ioniques)  Les liaisons hydrogènes Hs+ - Os- ou Hs+ - Ns-  Les liaisons hydrophobes  Les liaisons de van der Waals 1 liaisons covalentes stabilisant parfois la structures tertiaire et quaternaire :  Ponts disulfures S-S 46 47 Liaisons disulfures : Ponts disulfures. Liaisons covalentes entre deux résidus cystéyles (réaction d'oxydation) appartenant à la même chaîne peptidique ou à deux chaînes différentes o Liaisons ioniques (interactions électrostatiques) Implique un radical chargé positivement (-NH3+) et un radical chargé négativement (-COO-) (Ex. Lys-Glu), liant soit 2 parties d'une même chaîne soit 2 chaînes différentes. Dépendent de la force ionique du milieu et du pH. 48 o Liaisons hydrophobes (interactions apolaires) AA avec chaînes latérales hydrophobes, non polaires (Ala, Val, Leu, Ile, Phe…) ont tendance à se rapprocher (vers l'intérieur de la molécule) et permettent ainsi des interactions entre différentes parties d'une chaîne peptidique. Les interactions de Van der Waals sont favorisées Rôle essentiel dans le maintien de la structure Elles sont très faibles mais de part leur nombre elles sont importantes ! o Liaisons hydrogène Entre chaînes latérales des résidus d'AA en impliquant un H d’un groupement OH ou NH et un O d’un groupement COO. Les liaisons hydrogène entre les chaînes latérales se forment en absence d'eau : dans environnement hydrophobe à l'intérieur de la structure. 49  4.2. STRUCTUE DES PROTEINES d-Structure quaternaire Sous unités identiques ou différentes Chaque sous unités est un protomère Plusieurs sous unités = oligomères stabilisées par des liaisons faibles et parfois des ponts dissulfures 2 sous unités = dimère, 4 sous unités = tetramère, 6 sous unités = héxamère 50 Hémoglobine 51 Les immunoglobulines 52 Le motif de base, « immunoglobulinique » est principalement formé de feuillets bêta 53  PROTEINES FIBREUSES : Super structures avec 2 types de structures de base: hélice a , feuillets b Les scléroprotéines sont constituées de fibres ou fibrilles insolubles :  collagènes du tissu conjonctif, du cartilage et des tendons  kératine de la peau et des cheveux. Kératines : plusieurs chaînes en hélice alpha stabilisés par des Les liaisons hydrogènes intra et interchaînes et des ponts disulfures interchaînes 54 Enroulements super hélicoïdaux : le Collagène Enroulement Hélicoïdal 55 5. DENATURATION DES PROTEINES La modification de la structure tridimensionnelle d’une protéine = Dénaturation = Perte de la fonction ou de l’activité biologique Agents dénaturants : physiques : Chaleur, radiations, pH extrème, Chimiques : Urée, solvants organiques, détergents... … 56 5. RELATION STRUCTURE FONCTION La séquence des acides aminés (structure primaire) détermine la structure tridimensionnelle La séquence des acides aminés (structure primaire) est déterminée par les gènes structure primaire structure tridimensionnell Liaisons hydrogènes Résidus hydropho bes Résidus hydrophiles Cœur extérieur hydrophob hydrophile e 57 Exemple : Ribonucléase Extrémité N terminale Extrémité C terminale 58 MODULE DE CHIMIE –BIOCHIMIE L’HEMOGLOBINE Pr Aissam EL MAATAOUI 1  Objectifs Connaitre la structure de l’hémoglobine Savoir différencier une anomalie qualitative d’une anomalie quantitative, Expliquer le rôle de l’hémoglobine 2  PLAN OBJECTIFS 1. INTRODUCTION 2. ROLE DE L’HEMOGLOBINE 3. STRUCUTRE DE L’HEMOGLOBINE 2.1. STRUCTURE DE LA GLOBINE 2.2. STRUCTURE DE L’HEME 4. PROPRIÉTÉS CHIMIQUES 5. OXYDATION DE L’HÉMOGLOBINE : LA MÉTHÉMOGLOBINE 6. RELATION STRUCTURE FONCTION 7. APERCU DES HEMOGLOBINES MUTANTES  1. INTRODUCTION  Myoglobine, protéine simple transporte O2 dans le muscle et sert de réserve de O2 dans ce tissu  Hémoglobine, protéine complexe transporte O2 dans des poumons vers les tissus et CO2 des tissus vers les poumons 4  2. RÔLE DE L’HÉMOGLOBINE Transport de l’oxygène : – Hème : transport (Fe++) – Globine : hydrophobie, protection contre l’oxydation – Fe+++ : irréversible Transport du CO2 (10 %) – Carbamation groupes N-terminaux Tampon Transport d’oxide nitrique (NO) – Et effet « scavenger » : anti-oxydant 5  2. RÔLE DE L’HÉMOGLOBINE  Peut transporter 4 Oxygènes (1 par hème)  La pression partielle d’oxygène (concentration) affecte la quantité qu’une molécule d’hémoglobine peut fixer.  Elle transporte aussi les ions H+ et ajuste ainsi le pH 6  2. RÔLE DE L’HÉMOGLOBINE Le contexte biologique du transport de l’oxygène chez l ’homme Désoxy HbA Oxy HbA Oxy HbF Oxy Mb 7  3. STRUCTURE DE L’HÉMOGLOBINE Hémoglobines : Métalloprotéines : structures protéiques abritent groupements métalliques ; sites actifs de liaisons avec O2 8  3. STRUCTURE DE L’HÉMOGLOBINE 3.1. Structure des globines  Partie spécifique d’hémoglobine  Autant de globines que d’hémoglobines différentes