Introduction - BICH2023 - A2024 PDF

Introduction Biomolécules, biopolymères et cellules Chapitre 1  Qu’est-ce que la biochimie? C’est l’étude de la vie à l’échelle moléculaire. Bien qu’on observe une grande variété d’organismes vivants, les composantes bioc...

Introduction Biomolécules, biopolymères et cellules Chapitre 1  Qu’est-ce que la biochimie? C’est l’étude de la vie à l’échelle moléculaire. Bien qu’on observe une grande variété d’organismes vivants, les composantes biochimiques de leurs cellules (biomolécules/biopolymères) sont remarquablement similaires. Les 4 grandes classes de biomolécules/biopolymères 1. Lipides 2. Protéines (formées d’acides aminés) 3. Acides nucléiques (ADN et ARN) 4. Sucres Propriétés des biomolécules/biopolymères 1. Polarité structurale 2. Porteuses d’information 3. Architecture tridimensionnelle 4. Complémentarité structurale  Propriétés des biomolécules/biopolymères 1. Elles ont un sens, une orientation (polarité structurale) 2. Elles portent l’information (recette de la vie) 3. Elles ont une architecture tridimensionnelle caractéristique 4. Elles s’associent, ou interagissent, via différentes liaisons (complémentarité structurale)  Orientation et Information Exemple: l’ADN contient l’information pour produire des protéines FONCTION SPÉCIFIQUE Architecture tridimensionnelle Exemple: l’enzyme Protéine Kinase B (PKB) Yang, Nat. Struct. Biol., 2002; 9: 940-944.  Architecture tridimensionnelle Inhibiteurs pharmacologiques La connaissance de la structure tridimensionnelle d’une protéine est une étape majeure dans le développement d’inhibiteurs pharmacologiques contre cette dernière. Représentation 3D d’un inhibiteur pharmacologique lié à une protéine (rose) Kostaras et al., British Journal of Cancer, 2020, 123: 542-555.  Architecture tridimensionnelle Exemple: Inhibition de PKB La connaissance de la structure tridimensionnelle d’une protéine est une étape majeure dans le développement d’inhibiteurs pharmacologiques contre cette dernière. “Site actif” de PKB en complexe avec un inhibiteur pharmacologique Gaitonde, Pigment Cell Melanoma Res., 2008, 22: 187-195. Complémentarité structurale Certaines molécules peuvent s’associer entre elles comme «une clé et une serrure». Ces associations ont différents impacts au niveau cellulaire. Possible notamment grâce aux liaisons non covalentes (réversibles/transitoires). Exemple: facteur de croissance et récepteur membranaire Notion importante pour comprendre les propriétés fonctionnelles des systèmes biologiques Exemples: structure de la protéine FGFR, un récepteur membranaire, en complexe avec la protéine FGF, un facteur de croissance FACTEUR DE CROISSANCE « CLÉ » « SERRURE » RÉCEPTEUR RÉCEPTEUR Hubbard, Ann. Rev. Biochem., 2000; 69: 373-398. Récepteurs et cascades de signalisation Activation de ces récepteurs affecte différentes cascades de signalisation FGFR « SERRURE » FGF « CLÉ » CASCADES DE SIGNALISATION? IMPACT #1? #2? #3 #4 La cellule: l’unité structurale des systèmes vivants ORGANISATION STRUCTURALE DES CELLULES procaryote (bactérie) eucaryote (animale, végétale) Toutes les cellules vivantes appartiennent à l’une de ces deux grandes catégories: Procaryote Eucaryote Distinction basée sur la présence ou l’absence d’un noyau. Eucaryotes vs Procaryotes  Cellules procaryotes Unicellulaires pas de noyau pas d’organites petite taille structure membranaire particulière  Cellules eucaryotes Végétales, animales et autres Organismes unicellulaires ou multicellulaires Cytosquelette Noyau et organites Structure plus complexe : COMPARTIMENTATION  Le cytosquelette - Protéines (tubuline, actine) donnent la forme et une certaine résistance mécanique aux cellules. - Impliqué également dans le mouvement cellulaire (mouvement de la cellule ainsi que mouvement des composantes à l’intérieur de la cellule). Noyau Tubuline Cytosquelette de cellules, visualisé par immunofluorescence Actine  Le cytosquelette - Mouvement des composantes à l’intérieur de la cellule Protéine kinésine transportant une vésicule sur un microtubule  Le noyau - Contient le matériel génétique distribué dans les chromosomes (ADN). - Membrane nucléaire définissant le noyau/ pore nucléaire pour réguler l’entrée et la sortie de molécules chez ce dernier (sélectivité).  Le noyau - Chaque cellule contient environ 2 mètres d’ADN dans son noyau. - L’ADN est compactée dans une structure appelé nucléosome. Annunziato, A. (2008) DNA Packaging: Nucleosomes and Chromatin. Nature Education 1(1):26  Le noyau Pore nucléaire Certaines protéines possèdent un Signal de Localisation Nucléaire (SLN) pour y pénétrer – segment riche en acides aminés arginine/R et lysine/K consécutifs Alignement des séquences d’acides aminés de la protéine Twist de plusieurs espèces Les segments riches en « R » et « K » sont typiquement des SLN favorisant la translocation de la protéine au noyau  Le noyau Pore nucléaire: Signal de localisation nucléaire (SLN) pour pénétrer au noyau. NOYAU CYTOSOL TWIST «Twist» «Twist avec SLN muté» La protéine Twist ne pénètre plus dans le noyau lorsque son site de localisation nucléaire (SLN) est modifié/muté pour un autre acide aminé (Δ). Singh, BMC Cell Biol., 2009; 10: 47-60.  Réticulum endoplasmique (RE) Contient des ribosomes à 2 types: RE lisse et RE rugueux sa surface Lisse Rugueux  Réticulum endoplasmique (RE) - Synthèse majoritairement des protéines membranaires et des protéines ciblées pour sécrétion (RE rugueux) - Synthèse de lipides (RE lisse) RE rugueux, sous forme de feuillets RE lisse, sous forme des tubules  Appareil de Golgi - Modification et triage des produits de synthèse (protéines) du réticulum endoplasmique RE/Golgi jouent un rôle clé dans les phénomènes de sécrétion Les protéines sécrétrices sont synthétisées dans le RE et passe à travers le Golgi. Ces protéines passent donc du milieu intracellulaire pour se rendre vers le milieu extracellulaire.  Mitochondrie *Site de production de l’ATP - 90% de l’énergie produite par une cellule provient de la mitochondrie Formé de: - Deux membranes (interne, externe) - Espace intermembranaire Organite clé dans l’apoptose (mort cellulaire programmée) Contient sa propre ADN  Lysosomes - Digestion/recyclage des composantes cellulaires - Dégradation de produits de l’endocytose - Contient des enzymes qui permettent la dégradation  Le cytosol (aussi présent chez les procaryotes) La phase aqueuse de composition complexe qui entoure les organites Contient: - cytosquelette - enzymes - acides aminés - métabolites - … - Le cytosol désigne le liquide intra-cellulaire dans lequel repose les organites. - Le cytoplasme désigne la partie de la cellule qui se retrouve à l’intérieur de la membrane plasmique (contient le cytosol et les organites).  Cellules eucaryotes Noyau → mémoire de la cellule, contient l’ADN Cytosquelette → responsable de la forme et des mouvements Organites: Réticulum endoplasmique (RE) → synthèse de protéines et de lipides Appareil de Golgi → atelier d’emballage Mitochondrie → centrale énergétique Lysosomes → lieux de traitement des déchets cellulaires *Communication et échange de matériel entre les organites* Tous les constituants du cytosol sont maintenus à des proportions et concentrations constantes et équilibrées grâce aux propriétés spécifiques de la membrane plasmique.  Membrane plasmique (aussi présente chez le procaryotes, mais avec des différences structurales) - La structure fondamentale des cellules est une bicouche lipidique - Sépare le cytosol du milieu extracellulaire - Contrôle l’entrée et la sortie sélective de molécules - Chaque cellule possède une composition en protéines membranaires qui lui est spécifique Eucaryotes vs Procaryotes Comment étudier les cellules ? Plusieurs avancements au 20 e siècle vont révolutionner la science et inaugurer une période d’activité inégalée en biochimie et en biologie cellulaire: - L’introduction de méthodes permettant la rupture des cellules dans des conditions relativement douces permettant ainsi d’isoler des organites et/ou des biomolécules d’intérêt - Les progrès techniques considérables notamment dans le domaine de la microscopie * Les techniques de biologie moléculaire développées au cours de la dernière décennie ont contribué fortement à améliorer nos connaissances des procédés cellulaires.  Techniques de lyse cellulaire Développement de méthodes pour “briser” les cellules et en extraire leur contenu. Peut ainsi extraire des biomolécules d’intérêt ou isoler des organites.  Microscopie Image de cellules cancéreuses visualisées par immunofluorescence. Le cytosquelette est vert alors que le noyau est rouge. La fluorescence nous permet de marquer et de visualiser précisément des biomolécules ou des organites de notre choix. La chimie de la biochimie Éléments: substances impossibles à décomposer en d’autres substances plus simples au cours de réactions chimiques (matériel de base). Les éléments chimiques jouent un rôle très important dans l’organisme car ils entrent dans la composition de nombreuses molécules indispensables à la vie.  Revue des bases de la chimie …de l’atome à la molécule Formation des molécules – Liaisons chimiques Liaisons covalentes – Le carbone et ses propriétés – Concept d’électronégativité Liaisons non covalentes Consultez le – Interactions ioniques Chapitre 2 – Liaisons hydrogène – Interactions de van der Waals – Interactions hydrophobes  Éléments chimiques du vivant Les atomes communs recensés comme éléments qui composent le vivant Éléments Ions Éléments à l’état de trace (essentiels) Communs Moins communs C Na+ Mn V Sn O Mg2+ Fe Cr As H K+ Co Mo Se N Ca2+ Cu Ni F P Cl- Zn B I S Al Ga Si C, H, O, N, P, S - représentent environ 92% du poids sec des êtres vivants. - ont la capacité de former des liaisons covalentes par la mise en commun de paires d’électrons. - forment des liaisons covalentes fortes.  DEUX GROUPES DE LIAISONS CHIMIQUES DOMINENT DANS LES SYSTÈMES VIVANTS Liaisons covalentes : dont la formation ou la rupture demandera l’intervention d’une enzyme – stables, demandent de l’énergie pour être rompues Liaisons non covalentes : qui peuvent se former ou se rompre sans l’intervention d’une enzyme – réversibles, importantes pour le maintien des fonctions vitales Interactions ioniques Liaisons hydrogène Interactions de van der Waals Interactions hydrophobes  Objectifs Propriétés des biomolécules/biopolymères Composantes des cellules eucaryotes Différences et similarités avec les cellules procaryotes