Résumé final DMAC PDF 2021-2022

DES MOLÉCULES AUX CELLULES B2 UNINE 2021-2022 Jolan Corthay Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Table des matières 1.1 L’organisation chimique de la...

DES MOLÉCULES AUX CELLULES B2 UNINE 2021-2022 Jolan Corthay Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Table des matières 1.1 L’organisation chimique de la vie....................................................................................... 1 1.1.1 Éléments et composés................................................................................................. 1 1.1.2 L’atome........................................................................................................................ 1 1.1.3 Les liaisons................................................................................................................... 2 1.2 L’eau et la vie...................................................................................................................... 4 1.2.1 Les liaisons covalentes polaires de l’eau permettent les ponts-H............................... 4 1.2.2 Quatre propriétés émergentes de l’eau...................................................................... 4 1.2.3 Les conditions acides ou basiques influent sur les organismes vivants....................... 6 1.3 Le carbone et la diversité moléculaire de la vie.................................................................. 8 1.3.1 La chimie organique étudie les composés du carbone................................................ 8 1.3.2 Les atomes de carbone peuvent former une grande variété de molécules en se liant à quatre atomes.................................................................................................................... 8 1.3.3 Le comportement chimique des molécules dépend de groupements fonctionnels. 10 1.4 Structure et fonction des molécules organiques complexes............................................ 12 1.4.1 Les macromolécules sont des polymères synthétisés à partir de monomères......... 12 2. pH et sucres........................................................................................................................ 13 2.1 Constante d’acidité....................................................................................................... 13 2.2 Les sucres...................................................................................................................... 15 2.2.1 Disaccharides......................................................................................................... 16 2.2.2 Polysaccharides...................................................................................................... 17 2.2.3 Dérivés des sucres.................................................................................................. 18 3. Les lipides............................................................................................................................ 19 3.1 Les acides gras.............................................................................................................. 19 3.2 Les glycérolipides (glycérides, acylglycérol).................................................................. 20 3.3 Phospholipides (glycérophospholipides)...................................................................... 20 3.4 Glycolipides des membranes végétales........................................................................ 21 3.5 Plasmalogènes.............................................................................................................. 21 3.6 Sphingolipides............................................................................................................... 22 3.7 Le cholestérol................................................................................................................ 22 3.8 Micelle, monocouche, bicouche et membranes........................................................... 23 3.8.1 Fluidité de la membrane........................................................................................ 23 3.9 Isoprénoïdes et terpènes.............................................................................................. 25 I Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 3.10 Vitamines liposolubles................................................................................................ 25 4. Les protéines....................................................................................................................... 26 4.1 Fonctions des protéines................................................................................................ 26 4.2 Les acides aminés.......................................................................................................... 26 4.3 Les peptides.................................................................................................................. 27 4.4 La structure secondaire................................................................................................ 28 4.4.1 L’hélice alpha......................................................................................................... 28 4.4.3 Le feuillet beta....................................................................................................... 29 4.5 Structure tertiaire......................................................................................................... 31 4.6 Structure quaternaire................................................................................................... 32 4.6.1 Exemples de protéines........................................................................................... 32 4.6.2 Modifications post-traductionnelles...................................................................... 33 5. La myoglobine et l’hémoglobine......................................................................................... 34 5.1 La myoglobine............................................................................................................... 34 5.2 L’hémoglobine.............................................................................................................. 36 5.3 L'hémoglobine lie l'oxygène de manière coopérative.................................................. 36 5.4 Modification de la structure quaternaire de l’hémoglobine........................................ 38 5.4.1 Deux modèles limitants......................................................................................... 39 5.4.2 Les changements structurels des groupes d’hèmes.............................................. 40 5.4.3 2,3-Bisphosphoglycérate........................................................................................ 40 5.5 L’effet Bohr................................................................................................................... 42 5.6 Dioxyde de carbone et le pH......................................................................................... 43 6. Les enzymes........................................................................................................................ 45 6.1 Le métabolisme d’un organisme transforme la matière et l‘énergie, soumis aux lois de la thermodynamique.......................................................................................................... 45 6.1.1 Les formes d’énergie.............................................................................................. 46 6.1.2 Les principes de la transformation d’énergie........................................................ 46 6.2 Le changement d’énergie libre d’une réaction nous indique si elle est spontanée ou non...................................................................................................................................... 48 6.2.1 Énergie libre........................................................................................................... 48 6.3 L’ATP alimente le travail cellulaire................................................................................ 50 6.3.1 Structure et hydrolyse de l’ATP............................................................................. 50 6.4 Les enzymes abaissent les barrières énergétiques....................................................... 51 6.5 La régulation de l’activité enzymatique........................................................................ 52 II Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 6.6 Cinétique....................................................................................................................... 54 6.6.1 Mécanismes de l’enzyme....................................................................................... 55 6.7 Le modèle de Michaelis-Menten.................................................................................. 56 6.7.1 Linéarisation de la courbe de Michaelis-Menten : graphe de Lineweaver Burke.. 57 6.7.2 Mécanismes à plusieurs substrats......................................................................... 58 6.8 Inhibiteurs enzymatiques.............................................................................................. 59 6.8.1 L’inhibition compétitive......................................................................................... 59 6.8.2 L’inhibition incompétitive...................................................................................... 60 6.8.3 L’inhibition non compétitive.................................................................................. 60 6.9 Mécanismes catalytiques.............................................................................................. 62 6.9.1 Stabilisation de l’état de transition........................................................................ 62 6.9.2 Mécanismes catalytiques....................................................................................... 63 6.10 Les cofacteurs............................................................................................................. 67 6.10.1 Cosubstrats.......................................................................................................... 67 6.10.2 Groupes prosthétiques........................................................................................ 68 6.11 Classification des enzymes.......................................................................................... 71 7. Le métabolisme................................................................................................................... 72 7.1 Les voies cataboliques et production d’ATP................................................................. 72 7.1.1 Réactions d’oxydoréduction.................................................................................. 73 7.2 La respiration cellulaire................................................................................................. 74 7.2.1 La glycolyse............................................................................................................ 74 7.2.2 Oxydation du pyruvate.......................................................................................... 76 7.2.3 Le cycle de l’acide citrique ou cycle de Krebs........................................................ 77 7.2.4 La phosphorylation oxydative................................................................................ 79 7.3 La fermentation............................................................................................................ 81 8. Biologie moléculaire........................................................................................................... 84 8.1 Composition et structure de l’ADN............................................................................... 85 8.2 La réplication................................................................................................................. 86 8.2.1 Initiation de la réplication...................................................................................... 87 8.3 La transcription............................................................................................................. 91 8.3.1 Transcription chez les procaryotes........................................................................ 93 8.3.2 Transcription et maturation chez les eucaryotes................................................... 98 8.4 La traduction............................................................................................................... 103 III Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 8.4.1 Le code génétique................................................................................................ 103 8.4.2 Les partenaires de la traduction.......................................................................... 104 8.4.3 Mécanisme de la traduction................................................................................ 107 8.5 Mutations et évolution des protéines........................................................................ 110 9. Tour de la cellule............................................................................................................... 111 9.1 Structure typique d’une bactérie................................................................................ 111 9.2 Cellule animale et cellule végétale............................................................................. 113 9.2.1 Membrane biologique......................................................................................... 114 9.2.2 Noyau................................................................................................................... 117 9.2.3 Le réticulum endoplasmique............................................................................... 118 9.2.4 L’appareil de Golgi............................................................................................... 122 9.2.5 Les lysosomes...................................................................................................... 123 9.2.6 Les peroxysomes.................................................................................................. 125 9.2.7 Comparaison entre cellules animale et végétale................................................. 125 10. Transmission de signaux à l’intérieur des cellules.......................................................... 126 10.1 La réception.............................................................................................................. 128 10.1.1 Récepteurs d’hormones stéroïdes..................................................................... 128 10.1.2 Récepteurs à canal ionique................................................................................ 128 10.1.3 Les récepteurs couplés aux protéines G............................................................ 129 10.1.4 Récepteurs à domaine tyrosine kinase (RTK)..................................................... 134 10.2 Réponse cellulaire..................................................................................................... 137 10.3 Arrêt du signal........................................................................................................... 138 IV Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 1.1 L’organisation chimique de la vie 1.1.1 Éléments et composés Un élément est une substance impossible à décomposer en d’autres substances, tous les éléments sont classés dans le tableau périodique des éléments. Un composé est formé d’au moins deux éléments, par exemple le chlore et le sodium sont deux éléments, ils forment une liaison ionique et deviennent un composé, le NaCl ou chlorure de sodium. Les propriétés émergentes sont des propriétés d’un composé que les éléments n’avaient pas de manière individuelle. Le NaCl est comestible mais pas le chlore ni le sodium. Les éléments constituants le corps humain Les éléments majeurs constituants le corps humain sont l’oxygène (65%), le carbone (18,5%), l’hydrogène (9,5%) et l’azote (3,3%), ce sont ces éléments qui constituent le squelette des grandes molécules ou encore qui forment de l’eau. Les éléments mineurs sont des ajouts sur le squelette pour modifier les propriétés de la molécule, souvent à l’origine des groupes fonctionnels. On retrouve aussi des oligoéléments qui constituent moins de 0,01% des éléments du corps humain. 1.1.2 L’atome L’atome est constitué du noyau, contenant des protons et des neutrons, et d’électrons qui tournent très vite autour du noyau et forment une sorte de nuage. Un élément neutre possède autant de protons (charge positive) que d’électrons (charge négative). Le numéro atomique correspond au nombre de protons, il est propre à chaque élément. Le nombre de masse est égal au nombre de protons plus le nombre de neutrons, les électrons ayant une masse négligeable. Les isotopes sont des atomes du même élément qui diffèrent par le nombre de neutrons donc le nombre de masse. Sur le tableau périodique la masse est en fait une moyenne des isotopes présents dans la nature, le plus abondant étant le plus stable. Ces isotopes sont chimiquement presque identiques. Les radio-isotopes peuvent être utilisés comme traceur du glucose pour révéler les tissus cancéreux, en effet ces derniers ont une activité métabolique plus élevée et donc plus demandeur en sucre. Ils sont ensuite mis en évidence par une tomographie. On peut aussi les utiliser pour la datation radiométrique. Les radio-isotopes ont une demi- vie, à chaque intervalle de temps la moitié se désintègrent, on peut donc tracer une courbe et dater des évènements selon le taux restant de l’isotope. 1 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Les électrons Les électrons sont repartis sur différentes couches électroniques appelées orbitales. Chaque orbitale peut contenir deux électrons au maximum. Une orbitale s est sphérique et une orbitale p a une forme du signe de l’infini (haltère). Lorsqu’un électron est stimulé, par un apport d’énergie, il passe sur un orbitale plus haute, on dit que son niveau énergétique augmente. Il reviendra par la suite à son orbitale d’origine en dégageant l’énergie accumulée. Les orbitales se superposent en réalité, on voit ici l’exemple des éléments de la deuxième ligne. L’angle que prennent les 3 orbitales 2p permet d’orienter les interactions selon des axes définis. Les électrons de valence sont ceux qui se situent sur la dernière couche électrique d’un élément. 1.1.3 Les liaisons La liaison covalente De manière générale, tous les éléments cherchent à atteindre la configuration des gaz rares. La liaison covalente est un partage d’électrons. Par exemple un atome d’hydrogène possède un électron, il lui en faudrait un deuxième pour atteindre la configuration de l’hélium, si deux atomes d’hydrogène se croisent, l’électron sera attiré par le noyau de l’autre atome. Ils vont se rapprocher au point de partager les deux électrons. Les électrons partagés forment ensuite un nuage et circulent autour des deux noyaux. La liaison est double si deux atomes partagent deux électrons chacun et triple s’ils partagent trois électrons chacun. Une liaison covalente peut être polaire si un des éléments est plus électronégatif (attire plus les électrons que l’autre) comme c’est le cas pour la molécule d’eau. L’oxygène attire plus les électrons partagés de la liaison, il en résulte une charge partielle négative vers l’oxygène et des charges partielles positives vers les électrons. 2 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 La liaison ionique La liaison ionique se fait par un transfert d’électrons. Par exemple le Na qui est dans la première colonne a besoin de se débarrasser d’un électron pour être plus stable et le chlore qui est dans l’avant dernière colonne n’a besoin que d’un électron en plus pour ressembler à l’argon. Le cation et l’anion formés vont s’attirer car ils ont des charges opposées. Des cristaux se forment lorsque ces ions s’arrangent parfaitement, plusieurs cations attirent plusieurs anions et inversement pour former une structure géométrique parfaite. La liaison hydrogène Les liaisons hydrogènes résultent de l’attraction entre une charge partielle négative d’une molécule et une charge partielle positive d’une autre molécule. Par exemple entre l’hydrogène de l’eau et l’azote de l’ammoniac. Ces liaisons sont souvent avec des molécules comprenant des atomes très électronégatifs comme le fluor, l’oxygène ou l’azote pour les charges partielles négatives et souvent de l’hydrogène pour les charges partielles positives induites par les éléments susdits. Force de Van der Waals Ces forces résultent de la création de dipôles momentanés provoqués par le mouvement aléatoire des électrons. Il se peut que dans le nuage il y ait plus d’électrons à un endroit ce qui fait que cet endroit est chargée négativement pendant un moment. Elles sont faibles individuellement mais peuvent devenir importantes s’il y en a beaucoup, c’est grâce à cela que le gecko peut monter sur les murs. Les liaisons ne sont pas toutes aussi fortes, de la plus forte à la plus faible on a : Covalente > ionique > hydrogène > Van der Waals 3 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 1.2 L’eau et la vie 1.2.1 Les liaisons covalentes polaires de l’eau permettent les ponts-H L’oxygène étant plus électronégatif que l’hydrogène, les électrons partagés dans les liaisons covalentes passent plus de temps près de l’oxygène, ce sont des liaisons covalentes polaires. La charge globale de la molécule est donc repartie inégalement, il y a une charge partielle négative vers l’oxygène et des charges partielles positives vers les hydrogènes. Les molécules d’eau peuvent donc former des liaisons hydrogènes entre elles, ces liaisons sont dynamiques, elles se forment et se rompent à l’infini. 1.2.2 Quatre propriétés émergentes de l’eau La cohésion des molécules d’eau Les liaisons hydrogènes font en sorte qu’une molécule d’eau soit toujours liée à une autre. Dans les plantes ces liaisons contribuent au transport de l’eau et des nutriments contre la gravité. En bref, une molécule d’eau qui s’évapore à la surface se fait remplacer par une molécule d’eau venant des nervures et cela fait avancer toute la chaine. Dans ce cas l’adhérence aide aussi, c’est l’interactions des molécules d’eau (polaires) avec d’autres molécules polaires des parois des nervures. Cette cohésion est aussi responsable de la tension superficielle. Elle est due au fait que les molécules de la surface sont attirées par les molécules en dessous d’elle. On peut observer cette tension lorsqu’on remplit un verre à ras bord. Elle permet aussi à certaines araignées de marcher sur l’eau. La stabilisation de la température par l’eau L’eau est capable d’absorber une grande quantité d’énergie sans que sa température varie beaucoup. Sa chaleur spécifique est de 1cal/g x °C, ce qui signifie qu’il faut une calorie (4,184 Joules) pour élever de 1°C la température de 1 gramme d’eau. Ce sont les liaisons hydrogènes qui donne à l’eau cette chaleur spécifique élevée, il faut beaucoup d’énergie pour briser les liaisons et donc mettre les molécules en mouvements, à l’inverse lorsque la température de l’eau baisse légèrement, beaucoup de liaisons se forment et cela dégage une grande quantité d’énergie. Cela permet de garder une température viable dans l’eau et sur les côtes, les étendues d’eau emmagasinent de l’énergie pendant la journée ou, à plus grande échelle, pendant l’été et relâche cette énergie la nuit et l’hiver. Les organismes étant composés d’eau cela permet aussi de mieux tamponner les changements de température extérieurs. L’eau a aussi une grande chaleur d’évaporation (580cal/g à 25°C), ce qui veut dire qu’une molécule d’eau qui s’évapore absorbe beaucoup d’énergie et donc refroidit la masse d’eau d’où elle s’est évaporée. Cette évaporation permet de réguler la température des lacs et des étangs mais aussi des plantes (évapotranspiration) et des humains (transpiration). 4 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 La glace flotte à la surface de l’eau liquide En dessous de 4°C, les liaisons hydrogènes de l’eau sont ne sont plus dynamiques. Les molécules d’eau s’associent avec quatre autres molécules formant un cristal dans lequel les molécules sont plus éloignés que dans de l’eau liquide où les liaisons sont dynamiques. Cela accroit le volume donc logiquement diminue la masse volumique. Le fait que la glace flotte sur l’eau permet un isolement de l’air froid de l’eau qui se situe juste en dessous et donc un environnement viable. La glace permet aussi une étendue solide qui constitue l’habitat de plusieurs espèces. L’eau : solvant fondamental de la vie L’eau est un solvant très polyvalent grâce à la polarité de ses molécules. Par exemple si on met du NaCl dans de l’eau, le cristal va se dissoudre car les anions Cl- vont être attirés par plusieurs charge partielles positives, la région des hydrogènes de la molécule d’eau et les cations Na+ vont être attirés par les oxygènes des molécules d’eau. L’enveloppe d’eau qui entoure chaque ion s’appelle une couche d’hydratation. Une substance peut être hydrophile sans pour autant se dissoudre dans l’eau. Cela signifie que la substance fait des interactions avec l’eau mais est trop grande pour se dissoudre comme c’est le cas du coton ou de protéines comme le lysozyme. Les substances hydrophobes sont celles qui ne sont ni des ions ni des molécules polaires ou ne faisant pas d’interactions avec l’eau. La concentration de soluté dans l’eau se donne souvent en mol/L mais parfois aussi en g/L ou encore en g/100mL. Une solution de 34.2g/mL par exemple peut être dite de 32,4%. 5 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 1.2.3 Les conditions acides ou basiques influent sur les organismes vivants Propriétés acides et basiques de l’eau Une molécule d’eau peut perdre un hydrogène mais qui laisse son électron à l’oxygène, il devient donc un ion H+ autrement dit un proton. La molécule d’eau ayant perdu le proton devient un ion hydroxyde OH- et le proton va s’attacher à une autre molécule d’eau pour donner l’ion hydronium H3O+, souvent noté simplement H+ dans les calculs. H+ et OH- sont à l’équilibre dans de l’eau pur qui a un pH de 7 (neutre), un déséquilibre entraine un changement de pH. Les acides et les bases Les acides libèrent leurs protons dans l’eau ce qui accroit la concentration des ions H+, il en résulte un plus grand nombre de H+ que de OH. Les acides forts, comme l’acide chlorhydrique (HCl), libèrent rapidement leurs protons en solution : la réaction de dissociation est quasiment complète. Au contraire les bases sont des substances capables de capter des protons en solution ce qui diminue la concentration de H+, c’est le cas de NH3 qui est une base faible et devient un acide faible lors de l’ajout d’un proton. D’autres bases comme le NaOH (base forte) ne capte pas des protons mais libèrent des OH- ce qui revient au même effet. Les acides et bases faibles se dissocient plus ou moins en solution alors que les acides et bases forts ont une dissolution complète. L’échelle de pH Dans toutes les solutions aqueuses à 25°C, le produit de la concentration de H+ et de OH- est égal à 10-14. Dans une solution neutre, donc pH égal à 7, les deux concentrations sont égales à 10-7. Le pH est calculé avec la variation de H+ mais celle-ci reflète forcément aussi la variation des OH- étant donné que les deux concentrations sont liés. Un pH en dessous de 7 est considéré comme acide et en dessus de 7 comme basique. À noter que c’est une échelle logarithmique, la différence de concentration entre un pH de 3 et un pH de 6 n’est pas un facteur 2 mais un facteur 10x10x10 (1000) fois plus de ions. 6 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Les solutions tampons Le pH du sang humain est de 7.4, de petites variations peuvent engendrer de graves problèmes. Les solutions tampons permettent d’éviter des variations trop importantes du pH. Elles acceptent des protons quand la solution en renferme trop et elles en donnent quand il n’y en a plus assez. Ces solutions de composent souvent d’un couple acido-basique faible comme l’acide carbonique et l’ion bicarbonate. L’équilibre se déplace vers la droite ou vers la gauche selon les conditions extérieures afin de maintenir un pH constant. L’acidification : une menace pour nos océans Les océans permettent une grande absorption du dioxyde de carbone atmosphérique. Avec l’augmentation importante de ce gaz dans l’atmosphère, l’océan est contraint d’en absorber plus. Le CO2 et l’eau forme l’acide carbonique qui relâche des protons. Ces protons sont ensuite captés par des ions hydrogénocarbonate. Le problème est que certains organismes comme les coraux ont besoin de cet ion pour la calcification. Cette acidification des océans risquerait à terme de faire disparaitre les coraux ou les appauvrir fortement. 7 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 1.3 Le carbone et la diversité moléculaire de la vie 1.3.1 La chimie organique étudie les composés du carbone Les substances qui contiennent du carbone sont appelés substances organiques et la branche de la chimie qui les étudie est appelée chimie organique. Le carbone offre de grandes possibilités, grâce à ses 4 électrons de valence il peut se lier avec 4 molécules. Les molécules organiques peuvent être des molécules comme le méthane (CH4) ou d’énormes protéines. À l’époque on pensait que seuls les êtres vivants pouvaient synthétiser des molécules organiques. C’est en 1828 que Friedrich Wöhler synthétise l’urée et rompt cette croyance. L’origine de la vie sur terre Les molécules organiques sont au cœur de beaucoup de processus vitaux, on se demande comment elles ont pu être synthétiser de manière abiotique (sans organismes vivants). C’est en 1953 que Miller fait une expérience dans laquelle il recrée les conditions de la terre primitive. Il prend d’abord un mélange aqueux correspondant à la composition des océans primitifs et le fait s’évaporer. Ces vapeurs rentrent en contact avec les molécules de l’air primitif (H2, CH4, NH3 et vapeur d’eau). Des décharges électriques simulent des possibles éclairs dans l’air. Tout ce mélange se condense et Miller parvient à identifier diverses molécules organiques présentes chez les êtres vivants. Certaines simples mais il y a aussi des acides aminés. Il est donc possible que ces molécules se soient créées de manière abiotique sur une terre primitive. 1.3.2 Les atomes de carbone peuvent former une grande variété de molécules en se liant à quatre atomes Le carbone peut faire quatre liaisons covalentes simples mais il a aussi la possibilité de faire des liaisons double ou triple. 8 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Selon le nombre de carbone et le nombre de liaisons qu’il fait la géométrie de la molécule change. La géométrie de ces molécules en trois dimensions détermine souvent des fonctions. Les électrons de valence déterminent le nombre de liaisons que peut faire un atome, les électrons célibataires peuvent être mis en commun pour créer une liaison covalente. La structure de la molécule de CO2 est linéaire, la molécule est apolaire. Les deux liaisons sont doubles, ce qui veut dire que dans une liaison 4 électrons sont partagés. La diversité des molécules organiques découle des variations dans les squelettes carbonés Les chaines de carbone forment le squelette des molécules organiques. Les hydrocarbures sont des molécules composées uniquement de carbones et d’hydrogènes. Il peut y avoir plusieurs variations comme la longueur, les ramifications, le positionnement des liaisons doubles ou encore la présence de cycle. Les molécules d’hydrocarbures sont peu courantes dans les organismes appart sous forme d’acides gras dans les graisses. Ces molécules sont très souvent hydrophobes, les liaisons C- H sont apolaires. Ces hydrocarbures contiennent beaucoup d’énergie. Les isomères Les isomères sont des composés ayant la même formule moléculaire mais des propriétés différentes car ils n’ont pas la même configuration. Les isomères de structures sont deux molécules qui diffèrent par l’ordre d’enchaînement de leurs atomes, par l’ajout de ramifications par exemple. Ils peuvent également différer par la position de leurs liaisons doubles. Les isomères cis (Z) et trans (E) diffèrent par la disposition des atomes autour d’une double liaison carbone-carbone. Cela ne se passe pas dans les liaisons simples parce qu’elles sont moins rigides et permettent la rotation des atomes autour de la liaison. 9 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Les énantiomères sont des molécules qui forment une image miroir l’une de l’autre, elles diffèrent par la disposition des atomes autour d’un carbone asymétrique. Un carbone asymétrique est un carbone qui est lié à 4 atomes différents et qui peut prendre deux configurations différentes. L’isomère L correspond à S et le D à R. Ce changement de configuration a des effets importants sur la réactivité des molécule surtout observables avec les molécules utilisées en pharmacie. 1.3.3 Le comportement chimique des molécules dépend de groupements fonctionnels Les propriétés d’une molécule organique reposent sur l’arrangement de son squelette d’hydrocarbure mais aussi des groupes fonctionnels. On peut considérer que les hydrocarbures sont des molécules organiques simples et qu’elles composent le squelette de molécule organiques plus complexes auxquelles on a ajouté des groupements fonctionnels à la place de certains hydrogènes des hydrocarbures. Par exemple les hormones sexuelles femelle (Œstradiol) et mâle (testostérone) diffèrent seulement de deux groupes fonctionnels et leurs actions sont très différentes (apparition des critères anatomiques des femelles et des mâles chez les vertébrés). 10 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Exemples de groupements chimiques importants en biologie Ce sont les 7 groupes que l’on retrouve le plus dans les molécules organiques en biologie. L’ATP : une importante source d’énergie pour les processus cellulaire L’adénosine triphosphate a un rôle très important dans la cellule, c’est en quelque sorte la molécule qui donne l’énergie nécessaire au déroulement des réactions. L’énergie n’est pas vraiment dans la molécule, c’est une sorte d’énergie potentielle qui est libérée lorsque l’ATP réagit avec l’eau et se sépare d’un groupement phosphate qui devient un phosphate inorganique. L’ATP devient de l’ADP, adénosine diphosphate. C’est cette réaction qui libère de l’énergie. 11 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 1.4 Structure et fonction des molécules organiques complexes 1.4.1 Les macromolécules sont des polymères synthétisés à partir de monomères Les glucides, les protéines et les acides nucléiques sont des polymères. Un polymère est une grande molécule formée de plusieurs petites unités structurales presque identiques liées entre elles par des liaisons covalentes. Ces petites molécules s’appellent les monomères. La synthèse et la dégradation des polymères Chaque classe de polymères a des monomères différents mais les mécanismes chimiques pour les synthétiser ou les dégrader sont les mêmes, dans les cellules ils sont souvent dépendants d’enzymes (macromolécules qui accroissent la vitesse de réaction). Les monomères se lient par une réaction de déshydratation, lorsque deux monomères se lient une molécule d’eau est relâchée. L’un des monomères perd un groupement hydroxyle (-OH) et l’autre perd un hydrogène (H) qui s’unissent pour former de l’eau (H2O). Cette réaction se produit à chaque ajout de monomères et permet de former un polymère. Lors de la lyse d’un polymère en monomères c’est la réaction inverses qui se produit. C’est une hydrolyse, cela signifie que les liaisons sont brisées grâce à des molécules d’eau. La dégradation des polymères peut se faire lors de la digestion par exemple. Les molécules dans les aliments sont souvent sous forme de polymères, des molécules dans le tube digestif permettent la lyse et ensuite les monomères peuvent traverser la paroi des cellules et passer dans la circulation pour aller fournir de l’énergie à l’organisme. 12 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 2. pH et sucres L’eau a des propriétés amphotères ce qui facilite le transfert de protons entre molécules en solution aqueuse. Une substance amphotère peut se comporter comme une base ou comme un acide. 2.1 Constante d’acidité Les acides fort se dissocient entièrement en solution alors que les acides faibles ne se dissocient que partiellement en solution. Ils sont donc l’équilibre avec leur base faible conjuguée. La constante de dissociation (ou constante d’acidité) est une mesure de la force d’un acide en solution. Un pKa faible correspond à un acide fort. L’équation de Henderson-Hasselbach lie le pH et le pKa et on peut en tirer le rapport des concentrations des acides et des bases. Quand pH < pKa : [A-] < [HA] Quand pH = pKa : [A-] = [HA] Quand pH > pKa : [A-] > [HA] Le titrage d’un acide permet de calculer expérimentalement son pKa, il est égal au pH lorsque les 50% de l’acide sont dissous. À noter que le pH a une échelle logarithmique, une variation dans 1 dans le pH sera une variation de 10 dans le rapport acide-base. Solution tampon Une solution tampon est une solution aqueuse qui maintient approximativement le même pH malgré l'addition de petites quantités d'un acide ou d'une base. Dans l'eau, le dioxyde de carbone, l'acide carbonique, l'ion bicarbonate et l'ion carbonate sont en équilibre, en fonction du pH : CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3– ⇌ 2 H+ + CO32– L'ajout d'un acide déplace les équilibres vers la gauche (avec, éventuellement, dégagement de dioxyde de carbone), tandis que l'ajout d'une base les déplace vers la droite (avec, éventuellement, précipitation d'un sel carbonaté). 13 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Le caractère amphotère du bicarbonate (sa place intermédiaire dans l'équilibre), lui fait jouer un rôle de tampon. Cette fonction de tampon des bicarbonates existe notamment dans le sang, avec un rôle très important pour le maintien du pH. Chaînes latérales pouvant se déprotoner Certains groupes latéraux d’acides aminés peuvent changer la charge d’une protéine selon le pH. Pour les acides aminés acides, lorsque le pH est supérieur au pKa, ils sont déprotonés et contribuent chacun à une charge négative. Lorsque le pH = pKa signifie que la moitié des acides aminés sont neutres et l'autre moitié déprotonée. Dans ce cas, chaque acide aminé apporte une charge de -0,5. C'est le contraire pour les acides aminés basiques qui apporteront une charge positive tant que le pH est inférieur au pKa. Lorsque le pH est supérieur au pKa, l'acide aminé ne contribue pas à la charge de la protéine. Lorsque le pH-pKa est égal à plus ou moins 1, 1/10 des acides aminés seront chargés ou 9/10 dépend de ou on se situe. 14 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 2.2 Les sucres Les sucres sont différenciés par leur nombre de carbone mais aussi selon leur fonction. Les sucres sont très souvent des molécules chirales, on définit L ou D selon la configuration de l’avant dernier carbone de la chaîne. (L pour lévogyre et D pour dextrogyre) Le stéréoisomère naturel du glucose est le D-glucose. Cyclisation du glucose en pyranose Un pyranose est un sucre en cycle de 6 atomes dont 5 de carbone et 1 d’oxygène. La forme linéaire représente moins de 1% du glucose dans de l’eau a 31°C. on différencie le D-α-glucose (36%), comme le cycle ci-dessus avec le groupe OH du carbone 1 en bas, et le D- β-glucose (64%) avec le groupe OH du carbone 1 en haut, du même côté du plan que le carbone 6. Alpha et Beta sont appelés des anomères. Le groupe réducteur est le carbone lié à deux oxygènes, dans ce cas le C1. Cyclisation du ribose en pyranose ou en furanose Un furane est un cycle à 5 atomes dont 1 d’oxygène et 4 de carbone. Le ribose est un pentose, le carbone 1 peut soit réagir avec le carbone 4 pour donner un furanose ou avec le carbone 5 pour donner un pyranose. Il existe aussi des formes anomériques pour le ribofuranose ou le ribopyranose mais tous sont dextrogyres. Dans de l’eau ce sont les ribopyranoses les plus fréquents (80% en tout). Mais c’est le β-D-ribofuranose que l’on trouve dans les acides nucléiques. Représentations des sucres et conformations Il existe différentes manières de représenter la molécule de glucose. Fisher : linéaire, montre tous les atomes. Les lignes verticales représentent des liaisons sous le plan et les lignes horizontales des liaisons au-dessus du plan. Haworth : 3D, sans montrer les C ni les H. Un trait plus épais indique que les atomes (et les liaisons chimiques) sont en avant du plan de la feuille, plus proche du lecteur. 15 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Représentation de Cram : plane, sans montrer les C ni les H. Un trait plus épais indique que les atomes (et les liaisons chimiques) sont en avant du plan, un trait pointillé indique que les atomes (et les liaisons chimiques) sont en arrière du plan. La représentation en perspective nous montre que deux carbones sortent du plan, ce qui est dû à des contraintes spatiales. On voit ici la configuration chaise (la plus stable) mais lorsque les deux carbones sortent du même côté du plan on parle de configuration bateau. Ces deux configurations sont valables pour les pyranoses, il en existe d’autre pour les furanoses. Il y a la configuration enveloppe, un carbone est au-dessus du plan qui comporte donc 4 atomes, on désigne ce carbone par C… endo. La configuration tordue est avec un carbone au-dessus du plan et un juste à côté au-dessous, il y a donc 3 atomes dans le plan, on désigne aussi avec C… endo, le carbone désigné est celui au-dessus du plan. Ces configurations sont dynamiques en solution mais peuvent être fixées dans une structure. Dans l'ADN, le désoxyribose est en conformation enveloppe avec C2 endo, alors que dans l'ARN, le ribose est en conformation enveloppe avec C3 endo. 2.2.1 Disaccharides Un disaccharide est un sucre composé de deux monomères. Pour rappel, une liaison osidique est une liaison covalente qui comporte toujours au moins un groupe réducteur (la fonction alcool du groupe hémiacétal ou hémicétal d’un sucre portée par le carbone anomère) avec un dégagement d’une molécule d’eau. C’est une liaison entre un sucre et une autre molécule, pas forcément un autre sucre. 16 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Le lactose est un disaccharide de glucose et de galactose, β-D-galactose (1à4) β-D-glucose. C’est un β-galactoside (hétéroside comportant au moins 1 galactose) réducteur car seul le groupe réducteur du galactose est impliqué dans la liaison. Le saccharose est un disaccharide de glucose et de fructose, α-D-glucose (1à2) β-D- fructose. C’est donc un α-glucoside et un β-fructoside, il est non réducteur car les deux groupes réducteurs sont bloqués dans la liaison. J’aime les bites : Le maltose est un disaccharide de glucose α en 1à4, un seul des groupes réducteurs est bloqué, c’est donc un sucre réducteur. 2.2.2 Polysaccharides Un polysaccharide est un polymère de sucres. L’amidon, le glycogène et la cellulose sont tous les trois des polymères de glucoses. L’amidon est composé d’amylose et d’amylopectine. L’amylose fait des liaisons 1à4 et n’est pas ramifiée. L’amylopectine a aussi une chaine de glucoses liés 1à4 mais avec quelques ramifications en α1à6, deux glucoses liés ainsi sont appelés isomaltose. Le glycogène a une structure similaire à l’amylopectine mais il est beaucoup plus ramifié. Nomenclature On différencie les glycanes des glycosides. Glycanes : Ø Glycane : polymère de sucres non-spécifiés Ø Glucane : polymère de glucose (amidon, glycogène, cellulose, callose) Ø Fructane : polymère de fructose (par ex. inuline) Ø Galactane : polymère de galactose Ø O-glycane : liaison glycosidique du groupe réducteur à un alcool (-OH) Ø N-glycane : liaison glycosidique du groupe réducteur à un azote Glycosides : Ø Glycoside : composé de (au moins) un sucre lié à un aglycone Ø Glucoside : composé de (au moins) un glucose lié à un aglycone Ø Galactoside : composé de (au moins) un galactose lié à un aglycone Aglycone : Substance liée à un sucre par une liaison glycosidique, ce qui reste quand on a enlevé tous les sucres (a privatif) Ø O-glycoside : liaison glycosidique du groupe réducteur à un alcool (-OH) Ø N-glycoside : liaison glycosidique du groupe réducteur à un azote 17 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 2.2.3 Dérivés des sucres Sucres-alcools Les sucres-alcools sont obtenus par une réduction (hydrogénation) du groupe carbonyle, une cétone ou un aldose. On peut retrouver le glycérol dans les lipides, le myo-inositol dans les molécules signaux et ribitol comme cofacteur de la FAD. On peut aussi citer l’ADN qui contient un sucre désoxy (en C2) et les sucres aminés dans lesquels un groupement OH a été substitué par NH2. Les glycoprotéines La glycolisation des protéines est une modification post- traductionnelle qui consiste à ajouter un ou plusieurs sucres sur un acide aminé. Des liaisons O-glycosidiques avec le groupe alcool de la chaine latérale des sérine, thréonine ou hydroxylysine (ajout d’une fonction OH sur la lysine). Des liaisons N-glycosidiques avec l’amide de l’asparagine. Il se peut qu’il n’y ait pas qu’un sucre qui soit rattachés à l’acide aminé. On parle de complexe antennaire. Ces derniers commencent toujours par un GlcNac et se termine par un acide sialique. Le complexe antennaire peut se diviser en plusieurs branches avec un acide sialique à chaque extrémité terminale. Acides sialiques/sialates Les acides sialiques sont associés aux glycoprotéines de la membrane plasmique des animaux (face extérieure), ces glycoprotéines ont donc un complexe antennaire. Ce sont des marqueurs de vieillissement (tendance à partir avec l’âge) et des récepteurs pour la fixation de pathogènes comme la grippe. Ce sont des dérivés de sucres à 11 atomes de carbones. 18 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 3. Les lipides 3.1 Les acides gras Les acides gras sont des molécules amphipatiques (une partie apolaire et une partie polaire). Ils ont une tête hydrophile composé d’un acide carboxylique et d’une queue hydrophobe composée d’une longue chaîne de carbone. Un acide gras peut se lier à une autre molécule par condensation en perdant son groupement OH, il n’a donc plus de fonction acide mais une fonction cétone (carbonyle). On peut différencier les acides gras saturés des acides gras insaturées. Les acides gras saturés n’ont pas de doubles liaisons dans leur chaine de carbone, on dit saturés car les carbones sont saturés en hydrogènes. Dans l’ordre d’importance de présence dans le vivant les acides gras saturés sont le palmitique (16C), le stéarique (18C) et le myristique (14C). Les acides gras insaturés ont une ou des doubles liaisons dans leur chaine carbonée qui peuvent être cis ou trans, cela crée un changement de la forme de la molécule (création d’un angle). Les acides gras insaturés trans sont rares dans la nature Leurs propriétés physiques dépendent de la longueur de la chaîne, de la température et du degré d’insaturation. Leur point de fusion augmente avec le nombre de C et leur point de fusion diminue fortement en présence de double(s) liaison(s). 19 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Savon Le savon est produit par une base forte et un corps gras, ce qui crée des sels d’acide gras comme le stéarate de sodium. Le caractère amphipatique de la molécule lui permet de former des micelles autour des graisses, la queue hydrophobe se met au centre vers les graisses et la tête hydrophile à l’extérieur au contact de l’eau. De manière générale ces molécules couvrent les surfaces hydrophobes (surfactant). 3.2 Les glycérolipides (glycérides, acylglycérol) Les glycérolipides sont formés par une réaction de condensation (estérification) d’un ou plusieurs acides gras avec le glycérol. Monoacylglycérol pour un acide gras, di- pour deux et tri- pour trois. Les glycérolipides contiennent des fonctions ester. Les graisses et les huiles sont des triglycérides, les graisses sont solides à température ambiante, c’est dû à la présence uniquement d’acide gras saturés qui font des meilleures interactions de Van der Waals grâce à leur géométrie. Dans une réaction de saponification, ce sont souvent des graisses qui sont impliquées. Les huiles sont liquides car leurs acides gras sont insaturés (géométriquement moins bien emboitable). Les adiposomes (gouttelettes lipidiques) assurent le stockage de lipides chez les mammifères. Elles sont formées essentiellement de triglycérides et d'esters de cholestérol et sont entourées par une couche de phospholipides. La surface des adiposomes est parsemée d'un certain nombre de protéines qui interviennent dans la régulation du métabolisme des lipides. 3.3 Phospholipides (glycérophospholipides) Les phospholipides sont constitués d’un glycérol lié à deux acides gras et à un groupement phosphate (PO4). Les acides gras peuvent varier et il peut y avoir différent groupe lié au phosphate. C’est également un composé amphiphile, la tête est polaire et les deux acides gras sont apolaires. 20 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Si on ajoute de la choline au phosphate cela nous donne de la phosphatidylcholine (PA) aussi appelé lécithine. C’est un lipide membranaire majeur qui constitue un grand pourcentage des lipides de la membrane. La phosphatidyléthanolamine et la phosphatidylsérine sont deux phospholipides importants. On nomme les phospholipides selon leur groupe de tête, dans le cas ci-dessus on sait que de la sérine a été ajoutée au phosphate de la tête. Certains phospholipides sont utilisés dans la transmission de signaux. 3.4 Glycolipides des membranes végétales Les glycolipides ressemblent aux phospholipides. Ils sont composés d’un glycérol lié à deux acides gras par condensation et à un sucre. Les glycolipides sont abondants dans les chloroplastes où ils jouent un rôle dans la photosynthèse, d’ailleurs ce sont les lipides les plus abondants sur terre. 3.5 Plasmalogènes Les plasmalogènes sont aussi appelés éther phospholipides car ils ont une liaison vinyl- éther. Ils sont composés d’un glycérol qui se lie par une liaison vinyl-éther avec un acide gras, par une condensation avec un autre acide gras et le troisième carbone est lié à un groupement phosphate lui-même lié avec le groupement alcool souvent d’une choline, d’une sérine, de l’éthanolamine ou d’un inositol. Dans le corps humain les plus fréquents sont ceux liés avec un groupement choline (cœur) et un groupement éthanolamine (cerveau). 21 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 3.6 Sphingolipides Ce sont des lipides dérivés de la molécule de sphingosine. Un acide gras se lie sur l’azote de la sphingosine pour former une liaison amide. On peut ensuite ajouter différents substituants sur la fonction alcool primaire de la sphingosine comme un groupement phosphate et une choline dans le cas d’une sphingomyéline. On retrouve cette molécule dans la constitution de la gaine de myéline. Les sphingolipides jouent un rôle dans la transmission du signal et dans la reconnaissance cellulaire, on les classe selon leurs substituants sur l’alcool primaire. 3.7 Le cholestérol La molécule est composée d’un groupe alcool en C3 qui détermine la partie polaire, de 4 cycle de carbone et d’une queue flexible (qui peut bouger). Le cholestérol est un composant majeur des membranes, il joue un grand rôle dans leur fluidité. Il est le précurseur de nombreux métabolites comme les hormones stéroïdiennes, la vitamine D ou les sels biliaires. Les stérols ont toujours la même structure de base, on reconnait souvent avec les 4 cycles. On retrouve aussi des stérols dans les champignons (transformé ensuite en vitamine D2) et dans les plantes (présents naturellement). 22 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 3.8 Micelle, monocouche, bicouche et membranes Une monocouche se forme spontanément à l’interface de l’huile et de l’eau ou de manière générale entre un composé polaire et apolaire. Une vésicule, ou liposome, est la formation d’une sphère creuse de molécule amphipatique dans un milieu hydrophile, ainsi les têtes polaires sont à l’extérieur et les queues hydrophobes ne sont pas en contact avec l’eau. Une micelle ou un adiposome est une sphère qui piège de l’huile ou de la graisse en son centre, les têtes polaires sont dirigées vers l’extérieur et les queues hydrophobes vers l’intérieur en contact avec les graisses ou huiles. Les membranes biologiques sont formées d’une bicouche lipidique qui sépare différents compartiments. Les phospholipides de la bicouche ne sont pas immobiles. Ils peuvent faire des mouvements latéraux (environ 107 fois par seconde), de droite à gauche, ou des flip-flop (environ 1 fois par mois), un phospholipide qui change de côté de la membrane. 3.8.1 Fluidité de la membrane La fluidité de la membrane dépend des liaisons de Van der Waals, plus elles sont importantes plus le point de fusion de la membrane est haut, elle est donc plutôt visqueuse. Les forces de Van der Waals sont surtout entre les queues hydrophobes des molécules, plus elles sont longues plus les interactions sont importantes et à l’inverse plus elles sont courtes plus la membrane sera fluide. Les doubles liaisons (insaturation) rentrent aussi en compte, plus il y a de doubles liaisons moins les interactions de Van der Waals sont importantes. La fluidité détermine aussi la perméabilité de la membrane à certaines molécules et à des ions. 23 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Les membranes biologiques comportent d’autres lipides que les phospholipides comme le cholestérol, ce dernier peut représenter jusqu’à un tiers des lipides membranaires. En trop grande quantité il rigidifie la membrane et empêche les échanges mais en bonne quantité il fluidifie la membrane et diminue sa température de gèle en gênant les liaisons de Van der Waals. Il diminue également la perméabilité aux molécules hydrosolubles. Il a également un rôle de tampon thermique, il limite les mouvements des phospholipides à haute température et empêche leur entassement à basse température. Mosaïque fluide Le terme de mosaïque fluide est souvent employé pour décrire à la fois la composition et le comportement dynamique des membranes biologiques. Mosaïque car la composition de la membrane est très hétérogène. Elle comporte des protéines membranaires, différents lipides (également une différence de composition entre le feuillet interne et externe) et des sucres complexes. Fluide car les phospholipides et les protéines membranaires peuvent se mouvoir dans le plan de la membrane. Les phospholipides peuvent en effet exécuter trois mouvements : par diffusion latérale, par rotation, et par flip-flop (le flip-flop est cependant plus rare pour les phospholipides que pour les stérols intégrés dans la membrane plasmique). Ce dernier mouvement doit être catalysé par des enzymes, les flipases. Les queues hydrophobes peuvent aussi avoir des mouvements de battements. La mobilité des protéines dans le plan de la membrane a été démontrée en hybridant deux cellules puis en les séparant, on peut remarquer que certaines protéines ont changé de membrane, elles sont passées d’une cellule à l’autre. Asymétrie des couches des membranes Les bicouches membranaires sont très rarement symétriques, c’est-à-dire que si on prend une paire le lipide de la couche externe ne sera surement pas le même que sur la couche interne. Cette asymétrie est maintenue car les flip-flop sont des mouvements rares. Les sphingolipides font très peu de bascule, ils restent dans la monocouche où ils ont été synthétisés. Dans le cas de la membrane de l’érythrocyte, la phosphatidylsérine est sur la couche interne, c’est un marqueur d’apoptose si elle se retrouve sur la couche externe. Cette asymétrie a pu être prouvée par fracture de la bicouche. Si on congèle la membrane à -80°C, on peut la couper avec une lame pour visualiser les deux monocouches séparément, on remarque notamment que la monocouche cytoplasmique comporte beaucoup plus de protéines car elles jouent souvent un rôle dans la transmission de signaux. Chez les vertébrés, les lipoprotéines sont des grands complexes de lipides et de protéines, ils transportent massivement les lipides dans l’organisme. La coque externe est constituée de phospholipides et de cholestérol, il y a des triglycérides à l’intérieur. 24 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 3.9 Isoprénoïdes et terpènes Les terpénoïdes, parfois appelés isoprénoïdes, sont une classe importante et diversifiée de produits chimiques organiques naturels dérivés du composé isoprène à 5 atomes de carbone, et des polymères d'isoprène appelés terpènes. Les stéroïdes et les stérols chez les animaux sont produits biologiquement à partir de précurseurs de terpénoïdes. Ce sont aussi des précurseurs de la vitamine A et D, ils sont aussi à la base de molécules odorantes comme dans la rose, la citronnelle, le citron et l’orange. 3.10 Vitamines liposolubles Les vitamines liposolubles sont formées en partie de terpènes. Dans le corps la vitamine A peut être sous forme de retinol, de retinal (peut passer de cis à trans sous l’effet d’un photon et dégager un influx nerveux), ou encore d’acide rétinoïque. La vitamine D est une hormone dérivée du cholestérol sous l’action d’un rayonnement UV provenant du soleil. La vitamine E et la vitamine K sont aussi des vitamines liposolubles, la vitamine K joue un rôle dans la coagulation du sang 25 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4. Les protéines 4.1 Fonctions des protéines Les protéines sont essentielles pour toutes une série de fonctions biologiques, dont : Ø Structure : toile d’araignée, collagènes des TC, kératine pour la peau, ongles, cheveux et plumes Ø Stockage : ovalbumine dans le blanc d’œuf, caséine du lait, gluténines des céréales, légumines des haricots Ø Transport : hémoglobine, lipoprotéines, transferrine, aquaporine, pompes à Na, … Ø Signaux : hormones (insuline, facteurs de croissance), cascades de signaux Ø Réception : récepteurs d’hormones, de neurotransmetteurs, de pathogènes Ø Régulation : facteurs de transcription, épigénétique Ø Motricité : mouvement des cils et flagelles, contraction musculaire, mitose Ø Défense : anticorps, agents antimicrobiens Ø Catalyse : enzymes qui ont une facilitation sélective de réaction chimique (dégradation d’aliments, synthèse de macromolécules, …) Tous les exemples ne sont pas à connaître par cœur, ils servent à donner une idée. 4.2 Les acides aminés Les protéines synthétisées par l’Homme contiennent 20 acides aminés différents, on les appelle acides aminés protéinogènes. Un acide aminé est composé d’un carbone central, d’un groupement acide carboxylique, d’un groupement amine et d’une chaine latérale R. En chimie organique le premier carbone qui s’attache à la fonction principale s’appelle le carbone alpha. 9 des 20 acides aminés ont une chaine latérale non-polaire et hydrophobes : la valine, la leucine, l’isoleucine, la méthionine, la phénylalanine, et le tryptophane. La glycine, l’alanine et la proline sont apolaires mais pas hydrophobes. La phénylalanine et le tryptophane sont également aromatiques. 6 ont une chaine latérale polaire neutre, la sérine, la thréonine, la cystéine, la tyrosine, l’asparagine et la glutamine. Bien qu’étant considérés comme neutre la cystéine et la tyrosine peuvent se déprotoner lorsque le pH est plus grand que 7, la cystéine est partiellement déprotonée au pH physiologique. La tyrosine est aussi aromatique. Les 5 derniers ont une chaine latérale polaire chargée (souvent), l’acide aspartique, l’acide glutamique, la lysine, l’arginine et l’histidine. Tous ont des formes majoritaires au pH physiologique appart l’histidine qui n’est que partiellement négative. Les acides aminés essentiels ne peuvent pas être fabriqués par l'organisme. Ils doivent donc provenir de l'alimentation. Les 9 acides aminés essentiels sont les suivants : histidine, isoleucine, leucine, lysine, méthionine, phénylalanine, thréonine, tryptophane et valine. 26 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4.3 Les peptides Les protéines sont des polymères d’acides aminés, elles se forment avec une liaison peptide. Un acide aminé se lie avec un autre en dégageant une molécule d’eau. Ce sont les groupes amines et acide carboxylique qui se lient entre eux, ainsi les chaines latérales peuvent interagir avec l’environnement et change notamment de protonation en fonction du pH. À l’inverse la dégradation d’une protéine se fait par hydrolyse et nécessite de l’eau. La laisons peptidique à une résonnance magnétique particulière qu’on peut exprimer grâce à l’hybride de résonnance. La liaison a un caractère de liaison double trans, elle ne permet donc aucune rotation. En revanche le carbone alpha peut quand même faire des rotations, il n’y a que deux angles possibles (principe de Ramachadian) avec les plans des liaisons peptidiques (phi et psi). Les rotations sont limités en raison de l’emcombrement stérique entre les différentes chaines latérales. C’est pourquoi les protéines prennent souvent spontanément la forme de feuillet beta ou hélice apha. La structure primaire d’une protéine correspond simplement à sa séquence d’acides aminés. Par convention, on commence par l’extrémité amine et on finit par l’extrémité carbonyle. Il faut prendre en compte la protonation des extrémités lorsqu’on calcule la charge totale d’une protéine. La structure primaire est déterminée par le code génétique. Un oligopeptide est composé de 2-20 acides aminés et un polypeptide de plus de 50 acides aminés. Le point isoélectrique PI La charge d’une protéine dépend des chaines latérales de ses acides aminés et des extrémités N et C qui peuvent se protoner ou se déprotoner. Plus le pH est élevé, plus les groupes déprotonables ont tendance à perdre un H+ (et donc une charge positive). A pH bas les protéines ont donc généralement une charge nette positive. A pH élevé les protéines ont donc généralement une charge nette négative. A un pH précis (le PI) les charges positives et négatives s’annulent, la charge totale est donc nulle. Il faut prendre en compte les pourcentages d’un acide aminé protoné et déprotoné dans la protéine selon l’équation d’Henderson-Hasselbach. 27 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4.4 La structure secondaire La structure secondaire est le repli structurel que les chaines polypeptidiques adoptent, nous prendrons comme exemples une hélice alpha et un feuillet beta plissé. Les chaines adoptent toujours la géométrie la plus basse en énergie donc la plus stable, ce processus est essentiellement spontané. Les structures secondaires d’une protéine se forme avec des liaisons hydrogènes entre les groupes amine et les groupes carbonyle des acides aminés. 4.4.1 L’hélice alpha L’hélice alpha est une structure étroitement enroulée formant une tige avec les chaines latérales dirigées vers l’extérieur. Tous les groupes CO et NH forment des liaisons hydrogènes appart les groupes aux extrémités. Les hélices alpha sont très souvent droitières, elles tournent sur la droite. Il y a une rotation de 100° à chaque acide aminé donc 3,6 pour un tour, les liaisons hydrogène se font entre un acide aminé et celui qui se trouve 4 places plus loin dans la chaine (13 atomes de distance entre le O du groupe carbonyle et le H du groupe amine) donc un peu plus qu’un tour, la liaison n’est pas parfaitement dans l’axe. Certains acides aminés avec des chaines latérales simples comme l’alanine sont très favorables à la formation d’hélice alpha alors que d’autre avec des chaines latérales plus volumineux comme tryptophane ou cyclique comme la proline auront plutôt tendance à perturber les hélices alpha. Ainsi en ne connaissant que la structure primaire on peut déjà avoir une idée de la structure secondaire. Les hélices alpha hydrophobes L’intérieur d’une membrane biologique est constitué en grande partie de chaine de carbone hydrophobes. Il faut donc qu’une hélice alpha soit hydrophobes si elle veut pouvoir traverser la membrane. Cela signifie que le peptide contient surtout des acides aminés non-polaires hydrophobes. Ce sont souvent les domaines transmembranaires des protéines, ils sont de l’ordre de 21-23 acides aminés. Hélice amphipatique Les hélices amphipatiques sont capables d’interagir latéralement avec une membrane ou une autre hélice hydrophobe. La séquence d'acides aminés de l'hélice amphipathique alterne entre les résidus hydrophiles et hydrophobes tous les 3 à 4 résidus, puisque l'hélice α fait un tour tous les 3,6 résidus. 28 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Superhélice Une superhélice est une structure dans laquelle une hélice alpha est elle-même enroulée en hélice. Sur ce schéma les bandes hydrophobes des hélices s’alignent les une unes sur les autres pour former une superhélice. Cette structure est dite supersecondaire, elle est intermédiaire entre les structures secondaires et les structures tertiaires. Ces structures résultent de l’empilement de structure secondaire adjacente. Liaisons peptidiques cis et trans On regarde si les chaines latérales sont du même côté que la liaison amide ou non. Si la liaison peptidique est en cis, les chaines latérales sont du même côté, cela provoque un encombrement à cause de la taille de ces groupes latéraux qui sont trop proches. Ces liaisons sont donc toujours en trans, sauf pour le cas de la proline qui comme elle se lie avec l’azote c’est égal si elle est en cis ou en trans. En cis, elle joue un rôle dans les virages des feuillets beta. 4.4.3 Le feuillet beta Le feuillet plissé beta contient de multiples brins peptidiques mis les uns à côté des autres. Les carbones α des chaines de peptide sont placés dans les creux et les sommets des plis. On distingue les feuillets béta parallèles ou les chaines de peptides sont placées parallèlement et les feuillets beta antiparallèles dans lesquels les chaines de peptides sont dirigées dans des directions opposés et donc avec des virages. Des liaisons hydrogènes se font entre les oxygènes et les azotes de la chaine de peptide pour maintenir le feuillet beta. On voit ici un feuillet beta antiparallèle. 29 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Les liaisons hydrogènes n’ont pas le même angle dans un feuillet beta parallèle et un antiparallèle. On peut reconnaître un feuillet bêta antiparallèle au nombre d'atomes dans les anneaux liés par les liaisons hydrogènes qui alterne entre 14 et 10. Les liaisons hydrogènes dans un feuillet bêta antiparallèle sont linéaires ce qui donne une plus grande stabilité au feuillet. Dans un feuillet beta parallèle, chaque cycle formé par les liaisons hydrogènes contient 12 atomes. Ces liaisons hydrogènes ne sont pas à 180 degrés, contrairement au feuillet antiparallèle. On trouve aussi beaucoup dans les protéines les brins beta. Un feuillet beta est constitué de brins beta (comme un drap plissé avec les sommets et les creux). Tonneau beta Un tonneau beta est constitué de plusieurs feuillets beta plissés mis en rond pour former un tube. Il joue surtout un rôle de protection comme la GFP qui protège le chromophore mis au centre du tonneau contre les changements environnementaux comme le pH. Virages beta Les virages beta sont la forme la plus courante des virages, ils permettent un changement de direction de la chaine polypeptidique. H H H O H N C H C C C N C N C O H H O N H C O C O H N C O H N C C C C H H H H β turn: Type I β turn: Type II C’est l’orientation de la fonction carbonyle qui diffère entre les deux types de virages beta. Ces virages sont considérés comme des structures secondaires. 30 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4.5 Structure tertiaire La structure tertiaire est la forme donnée à la molécule, elle résulte des interactions entre les chaines latérales des acides aminés éloignés sur la chaine peptidique et rapprochés par la structure secondaire. De l’interaction la plus forte à la moins forte on a : le pont disulfure (covalente) fait par deux cystéine), les ponts salins et les ponts H, les forces de Van der Waals et les interactions hydrophobes (chaines latérales hydrophobes). On parle ici seulement des ponts H entre un atome d’une chaine latérale et un atome de la chaine peptidique ou deux atomes de chaines latérales car les ponts H entre deux liaisons peptidiques sont responsables uniquement de la structure secondaire. Superhélices de kératine La kératine est un exemple de protéine avec les quatre niveaux de structure. L’hélice alpha est une structure secondaire. La superhélice, formée de deux hélices alpha (dimère) est une structure super secondaire, elle résulte d’empilement entre des motifs spécifiques sur les hélices alpha. Le protofilament et les protofibrilles résultent de la structure tertiaire de la protéine avec notamment des ponts disulfures (importants pour maintenir la structure tertiaire de la kératine). Quatre protofibrilles se lient pour former le filament intermédiaire et finalement la protéine de kératine sur laquelle on peut observer une torsion gauche qui donne une mesure supplémentaire de résistance. Un pont disulfure peut être un élément de structure tertiaire et quaternaire. C’est une modification de la protéine post-traductionnelle. Deux cystéines font une liaison covalente de manière spontanée dans un milieu oxydant (présence de O2) pour donner la cystine. Cette modification ne se fait en général pas dans le cytoplasme qui est un milieu réducteur. 31 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4.6 Structure quaternaire 4.6.1 Exemples de protéines Collagène : triple hélice Le collagène est composé de trop de glycine et de proline pour former des hélices alpha ou des feuillets bêta. Il est composé de trois hélices gauches (autres types que alpha) qui se tordent pour former une hélice droite avec 3,3 résidus par tour. Les glycines sont à l’intérieur des triples hélices Ces triples hélices s’associent en parallèle pour former des fibrilles. Les hydroxyprolines sont essentielles pour la stabilisation de la triple hélice et des fibrilles en formant des ponts-H L’hydroxyproline est un acide aminé venant de la proline qui a subi une modification post traductionnelle grâce à l’ascorbate (cofacteur d’enzyme). On peut l’utiliser comme indicateur du collagène. Cette molécule est semblable à une proline avec l’ajout d’un groupe hydroxyde. L’ascorbate permet aussi la modification de la lysine en hydroxylysine aussi présente dans la chaine peptidique du collagène mais en moins grand nombre. Anticorps IgG Les anticorps IgG sont composés de deux chaines lourdes (H) liées entre elles par des ponts disulfures et liées aux deux chaines légères (L) par des ponts disulfures. Chaque domaine, variable (V) ou constant (C), possède un pont disulfure interne. Les domaines variables VH et VL forment le site de fixation de l’antigène. La structure secondaire montrée en haut de l’image est un sandwich bêta. À noter que certaines protéines transmembranaires sont des tonneaux beta comme c’est le cas de la porine de la membrane externe de bactéries Gram- et de mitochondries. Cela permet un passage au milieu du tonneau. 32 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 4.6.2 Modifications post-traductionnelles Les protéines peuvent subir des modifications après leur synthèse. Sur ce schéma on observe une protéine liée à différents glucides et acides gras qui vont ancrer la protéine dans la membrane, dans ce cas la protéine est modifié par un ancrage GPI qui ancre cette dernière dans la partie extracellulaire de la membrane. Les protéines peuvent également faire des repliements lorsqu’elles se trouvent dans des milieux aqueux pour protéger leurs parties hydrophobes. Les petites protéines diluées qui sont dénaturées ont la possibilité de se replier. Ces processus peuvent être très lents et longs. Les protéines plus grandes qui ne sont pas diluées peuvent former des agrégats lorsqu’elles sont dépliées (dénaturées), principalement en formant des feuillet beta intermoléculaire. Ces agrégats sont difficilement défaits et la dénaturation est alors irréversible. Il existe des maladies humaines connues qui sont liées à l’agrégation de protéines et où un supplément de chaperons pourrait aider : Ø Alzheimer Ø Parkinson Ø Huntington Ø Creutzfeld-Jacob Ø Sclérose latérale amyotrophique, … Les chaperons sont des protéines qui empêchent l’agrégation des protéines, leur nombre diminue avec l’âge. 33 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 5. La myoglobine et l’hémoglobine On trouve la myoglobine dans les muscles, cette protéine permet de fournir rapidement de l’oxygène lors d’exercice. L’hémoglobine est dans le sang, elle transporte l’oxygène et permet une bonne distribution mais également partiellement le retour du CO2 aux poumons. La myoglobine existe en tant que polypeptide unique, tandis que l’hémoglobine est un tétramère. Les quatre chaînes de l’hémoglobine lient l’oxygène de manière coopérative, la liaison de l’oxygène à un site dans une chaîne augmente l’affinité des chaînes restantes pour l’oxygène. 5.1 La myoglobine La myoglobine se compose en grande partie d’hélices alpha et de coudes qui forment une structure globulaire. La myoglobine peut exister sous une forme sans oxygène appelée désoxymyoglobine ou sous une forme avec une molécule d’oxygène liée appelée oxymyoglobine. La capacité de la myoglobine et de l’hémoglobine à lier l’oxygène dépend de la présence d’un groupe prosthétique appelé hème. Le groupe d’hème donne aux muscles et au sang leur couleur rouge. Il se compose d’un composant organique et d’un atome central de fer. Le composant organique, appelé protoporphyrine, est composé de quatre anneaux de pyrrole reliés par des ponts de méthine pour former un anneau de tétrapyrrole. Quatre groupes méthyl, deux groupes de vinyle et deux chaînes latérales propionate sont attachés. L’atome de fer se trouve au centre de la protoporphyrine, lié aux quatre atomes d’azote pyrrole. Seul l’état Fe2+ est capable de lier l’oxygène. L’ion de fer peut former deux liaisons supplémentaires, une de chaque côté du plan hème. Ces sites de liaison sont appelés les cinquième et sixième site de coordination. Dans la myoglobine, le 5ème site de coordination est occupé par l’histidine proximale. La liaison d’oxygène se produit au 6ème site de coordination. En désoxymyoglobine, ce site reste inoccupé. L’ion de fer est légèrement trop grand pour s’insérer dans le trou bien défini dans l’anneau de porphyrine ; il se trouve à environ 0,4 Å à l’extérieur du plan de l’hème. 34 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 La liaison de la molécule d’oxygène au sixième site de coordination réorganise considérablement les électrons dans le fer de sorte que l’ion devienne effectivement plus petit, ce qui lui permet de se déplacer dans le plan de la porphyrine. L’imagerie Le changement de structure électronique qui se produit lorsque l’ion de fer se déplace dans le plan de la porphyrine est parallèle à des altérations dans les propriétés magnétiques de l’hémoglobine ; ces changements sont la base de l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRM). Les techniques de résonance magnétique nucléaire détectent les signaux qui proviennent principalement des protons dans les molécules d’eau et sont altérées par les propriétés magnétiques de l’hémoglobine. Avec l’utilisation de techniques appropriées, des images peuvent être générées et révèlent des différences dans les quantités relatives de désoxy- et d’oxyhémoglobine et donc l’activité relative de diverses parties du cerveau. Ainsi, une région plus active du cerveau sera plus riche en oxyhémoglobine La libération d’espèces réactives d’oxygène La liaison d’oxygène au fer dans l’hème est accompagnée du transfert partiel d’un électron de l’ion ferreux à l’oxygène. À bien des égards, la structure est mieux décrite comme un complexe entre l’ion ferrique (Fe3+) et l’anion de superoxyde (O2-). Il est crucial que l’oxygène, lorsqu’il est libéré, laisse sous forme de dioxygène plutôt que de superoxyde. Ptemièrement, le superoxyde peut être dommageable pour de nombreux matériaux biologiques. Deuxièmement, la libération de superoxyde laisserait l’ion de fer dans l’état ferrique (Fe3+). Cette espèce, appelée metmyoglobine, ne lie pas l’oxygène. Ainsi, la capacité potentielle d’oxygénation est perdue. Les caractéristiques de la myoglobine stabilisent le complexe d’oxygène de telle sorte que le superoxyde est moins susceptible d’être libéré. En particulier, la poche de liaison de la myoglobine comprend un résidu d’histidine supplémentaire (appelé l’histidine distale) qui donne une liaison hydrogène à la molécule d’oxygène lié. Le caractère de superoxyde de l’espèce d’oxygène lié renforce cette interaction. 35 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 5.2 L’hémoglobine L’hémoglobine humaine est un assemblage de quatre sous-unités semblables à la myoglobine. L’hémoglobine se compose de quatre chaînes de polypeptides, de deux chaînes alpha identiques et de deux chaînes bêta identiques. Chacune des sous-unités se compose d’un ensemble d’hélices dans le même arrangement que les hélices α dans la myoglobine. La structure récurrente est appelée pli globine (structure globine). A) Un diagramme en ruban de la désoxyhémoglobine montre les quatre chaînes polypeptidiques de l'hémoglobine marquées comme alpha 1, bêta 1, alpha 2 et bêta 2. Les chaînes alpha et bêta sont diagonalement opposées. Chaque chaîne polypeptidique possède un groupe d'hème, représenté par un modèle de boule et de bâton. B) Le modèle de la désoxyhémoglobine, qui remplit l'espace, montre les deux groupes d'hème à la surface des chaînes bêta. L'espace au centre est très petit. 5.3 L'hémoglobine lie l'oxygène de manière coopérative Nous pouvons déterminer les propriétés liantes de l’oxygène à une protéine en observant sa courbe de liaison de l’oxygène. La saturation fractionnée, Y, est définie comme la fraction des sites de liaison possibles qui contiennent de l’oxygène lié. La valeur de Y peut varier de 0 (tous les sites vides) à 1 (tous les sites remplis). La concentration d’oxygène est mesurée par sa pression partielle, pO2. Pour la myoglobine, on observe une courbe de liaison indiquant un simple équilibre chimique. Notez que la courbe augmente fortement à mesure que le pO2 augmente, puis reste constant. La demi- saturation des sites de liaison, appelé P50 (y=0,5), est à la valeur relativement faible de 2 torrs, ce qui indique que l’oxygène se lie avec une forte affinité à la myoglobine. La courbe de liaison de l’oxygène pour l’hémoglobine ressemble à un « S. » Ces courbes sont appelées sigmoïdes. La demi-saturation (P50 = 26 torrs) est significativement plus haute que celle de la myoglobine. 36 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 À l’intérieur des globules rouges, l’hémoglobine interagit avec le 2,3-bisphosphoglycérate, une molécule qui abaisse significativement l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène. Pour l’hémoglobine, cette forme sigmoïde suggère que la liaison de l’oxygène à un site dans le tétramère de l’hémoglobine augmente la probabilité que l’oxygène se lie aux sites inoccupés restants. Inversement, le déchargement de l’oxygène à un hème facilite le déchargement de l’oxygène aux autres. Ce genre de comportement contraignant est appelé coopératif, parce que les liaisons à des sites individuels dans chaque site de d’hémoglobine ne sont pas indépendantes les unes des autres. La liaison coopérative de l’oxygène L’oxygène doit être transporté dans le sang depuis les poumons, où la pression partielle de l’oxygène est relativement élevée (100 torrs), vers les tissus métaboliquement actifs, où la pression partielle de l’oxygène est beaucoup plus faible (20 torrs). Dans les poumons, l’hémoglobine devient presque saturée d’oxygène de sorte que 98% des sites de liaison d’oxygène sont occupés. Lorsque l’hémoglobine se déplace vers les tissus et libère O2, le niveau de saturation tombe à 32%. Ainsi, un total de 98 -32 = 66% des sites potentiels de liaison d’oxygène contribuent au transport de l’oxygène. La libération coopérative d’oxygène favorise un déchargement plus complet de l’oxygène dans les tissus. Si la myoglobine était utilisée pour le transport de l’oxygène, elle serait saturée à 98 % dans les poumons, mais resterait saturée à 91 % dans les tissus, et seulement 98 – 91 = 7 % des sites contribueraient au transport de l’oxygène ; la myoglobine lie trop étroitement l’oxygène pour être utile dans le transport de l’oxygène. La situation aurait pu être améliorée sans coopération par l’évolution d’un porteur d’oxygène non coopératif avec une affinité optimisée pour l’oxygène. Pour une telle protéine, le plus d’oxygène qui pourrait être transporté à partir d’une région dans laquelle pO2 est de 100 torrs à un y= 0.6. Et il est de 20 torrs est 63 - 25 = 38%. La liaison coopérative et la libération d’oxygène par l’hémoglobine lui permettent de fournir près de 10 fois plus d’oxygène que pourrait livrer la myoglobine et plus de 1,7 fois plus que ce qui pourrait être livré par n’importe quelle protéine non coopérative. 37 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Dans des conditions de repos, la concentration d’oxygène dans le muscle est d’environ 40 torrs, mais pendant l’exercice la concentration est réduite à 20 torrs. Dans le passage de 100 torrs dans les poumons à 40 torrs dans le muscle au repos, la saturation en oxygène de l’hémoglobine est réduite de 98% à 77%, et donc 98-77 = 21% de l’oxygène est libérée pour passer à 40 torrs. Avec une diminution de 40 torrs à 20 torrs, la saturation en oxygène est réduite de 77% à 32%, correspondant à une libération d’oxygène de 45% pour passer à 20 torrs. Ainsi, parce que le changement de la concentration d’oxygène du repos à l’exercice correspond à la partie la plus rapide de la courbe de liaison de l’oxygène, l’oxygène est effectivement livré aux tissus où il est le plus nécessaire. 5.4 Modification de la structure quaternaire de l’hémoglobine La liaison de l’oxygène à un site dans le tétramère de l’hémoglobine influence les propriétés de liaison des autres sites. L’hémoglobine subit des changements importants dans la structure quaternaire sur la liaison de l’oxygène : les dimères a1b1 et a2b2 tournent environ 15 degrés les uns par rapport aux autres. Ainsi, l’interface entre les dimères a1b1 et a2b2 est la plus affectée par cette transition structurelle. Les dimères a1b1 et a2b2 sont plus libres de se déplacer les uns envers les autres dans l’état oxygéné qu’ils ne le sont dans l’état désoxygéné. La structure quaternaire observée sous la forme désoxyhémoglobine, est souvent appelée état T (pour tendu) parce qu’elle est assez limitée par les interactions entre les sous-unités. La structure quaternaire de la forme entièrement oxygénée, l’oxyhémoglobine, est appelée l’état R (pour relâché). La forme R de l’hémoglobine est moins limitée. Dans l’état R, les sites de liaison d’oxygène ne sont pas contraints et sont capables de lier l’oxygène avec une affinité plus élevée que les sites dans l’état de T. En déclenchant le déplacement du tétramère d’hémoglobine de l’état T vers l’état R, la liaison de l’oxygène à un site augmente l’affinité de liaison d’autres sites. 38 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 5.4.1 Deux modèles limitants Dans le modèle concerté : la molécule ne peut exister que sous deux formes : l’état T et l’état R. La liaison des dioxygènes ne fait que déplacer l’équilibre entre ces deux états. Ainsi, quand l’hémoglobine lie une molécule d’oxygène, la probabilité que le tétramère soit dans l’état R augmente. Les tétramères de désoxyhémoglobine sont presque exclusivement dans l’état de T. La courbe de liaison observée pour l’hémoglobine peut être considérée comme une combinaison des courbes de liaison qui seraient observées si toutes les molécules restaient dans l’état T ou si toutes les molécules étaient dans l’état R. Dans un modèle alternatif : la liaison d’un ligand à un site augmente l’affinité de liaison des sites voisins sans induire une conversion complète à l’état R. Ni l’un ni l’autre modèle dans sa forme pure ne tient entièrement compte du comportement de l’hémoglobine, un modèle combiné est nécessaire. Le comportement de l’hémoglobine est concerté quand trois sites sont occupés par l’oxygène, la structure quaternaire est associée à l’état R. Le site de liaison restant a une affinité pour l’oxygène de 20 fois supérieure à celle de l’hémoglobine entièrement désoxygénée. Cependant quand l’hémoglobine a un oxygène lié à un seul des quatre sites, la structure quaternaire reste principalement à l’état T. Pourtant, l’hémoglobine avec une liaison lie l’oxygène trois fois plus fortement que l’hémoglobine entièrement désoxygénée, une observation compatible uniquement avec un modèle alternatif. 39 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 5.4.2 Les changements structurels des groupes d’hèmes Le mouvement de l’ion de fer sur l’oxygénation amène le résidu d’histidine associé au fer vers l’anneau de porphyrine. Lorsque l’atome de fer se déplace, le résidu d’histidine lié dans le cinquième site de coordination se déplace avec lui. Ce résidu d’histidine fait partie d’une hélice qui se déplace également. Le mouvement modifie l’interface entre les dimères, incitant d’autres changements structurels, ce qui entraîne la formation de l’état R. À titre de comparaison, la structure de la désoxyhémoglobine est représentée en gris derrière la structure de l’oxyhémoglobine en couleur. 5.4.3 2,3-Bisphosphoglycérate Pour que l’hémoglobine fonctionne efficacement, l’état T doit rester stable jusqu’à la conversion en état R. Cependant, l’état T de l’hémoglobine est très instable. Ainsi, un mécanisme supplémentaire est nécessaire pour stabiliser l’état T. Pour découvrir ce mécanisme on a étudié de l’hémoglobine pure. L’hémoglobine pure lie l’oxygène de manière bien plus forte que l’hémoglobine dans les globules rouges. Cette différence est due à la présence dans ces cellules de 2,3- bisphosphoglycérate (2,3-BPG). Ce composé très anionique est présent dans les globules rouges à la même concentration que celle de l’hémoglobine. Sans 2,3-BPG, l’hémoglobine serait un transporteur d’oxygène extrêmement inefficace, ne libérant que 8% de l’oxygène dans les tissus. L’examen de la structure cristalline de la désoxyhémoglobine en présence de 2,3-BPG révèle qu’une seule molécule de 2,3-BPG se lie au centre du tétramère, dans une poche présente uniquement sous la forme T. Sur la transition T à R, cette poche s’effondre et 2,3-BPG est libéré, pour que la transition structurelle de T à R ait lieu, les liens entre l’hémoglobine et 2,3-BPG doivent être rompus. En présence de 2,3- BPG, plus de sites de liaison d’oxygène dans le tétramère d’hémoglobine doivent être occupés afin d’induire la transition T à R, ainsi l’hémoglobine reste dans l’état T d’affinité inférieure jusqu’à ce que des concentrations plus élevées d’oxygène soient atteintes. 2,3-BPG est appelé un effecteur allostérique (autres structures). La régulation par une molécule qui ne ressemble pas à l’oxygène est possible car l’effecteur allostérique se lie à un site distinct du site de liaison de l’oxygène (allostérique). 40 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 Exemple avec l’affinité des globules rouges d’un fœtus Les globules rouges fœtaux ont une plus grande affinité pour l'oxygène que les globules rouges maternels, car l'hémoglobine fœtale ne se lie pas à la 2,3-BPG aussi bien que l'hémoglobine maternelle. C’est dû à la substitution des chaines beta par des chaines gamma, plus précisément d’un résidu sérine à la place d’un résidu histidine. L'hémoglobine fœtale a donc une plus grande affinité pour l'oxygène. Cette différence permet un transfert efficace de l'oxygène des globules rouges de la mère aux globules rouges du fœtus. Exemple avec le monoxyde de carbone Le monoxyde de carbone (CO) est un gaz incolore et inodore qui se lie à l’hémoglobine au même endroit que l’oxygène, formant un complexe appelé carboxyhémoglobine. La formation de carboxyhémoglobine exerce des conséquences dévastatrices sur le transport normal de l’oxygène de deux façons. Tout d’abord, le monoxyde de carbone se lie à l’hémoglobine environ 200 fois plus facilement que l’oxygène. Le monoxyde de carbone déplace l’oxygène de l’hémoglobine empêchant son transport. Deuxièmement, le monoxyde de carbone déplacera la courbe de saturation en oxygène des sites restants vers la gauche, forçant la configuration R. Il en résulte une affinité accrue pour l’oxygène, empêchant sa dissociation et sa livraison aux tissus. Un traitement est l’administration de 100% d’oxygène. Avec cette thérapie, la pression partielle de l’oxygène dans le sang devient suffisamment élevée pour augmenter considérablement la vitesse avec laquelle le monoxyde de carbone quitte l’hémoglobine. 41 Des molécules aux cellules 2021-2022 B2 5.5 L’effet Bohr Les tissus, tels que les tissus musculaires, génèrent de grandes quantités d’ions H+ et de CO2. Pour libérer de l’oxygène là où le besoin est le plus grand, l’hémoglobine a évolué pour répondre à des niveaux plus élevés de ces substances. Comme le 2,3-BPG, les ions H+ et de CO2 sont des effecteurs allostériques de l’hémoglobine qui se lient aux sites de la molécule qui sont distincts des sites de liaison de l’oxygène. La régulation de la liaison de l’oxygène par les ions d’hydrogène et le dioxyde de carbone est appelée l’effet Bohr. L’affinité de l’oxygène pour l’hémoglobine diminue à mesure que le pH diminue par rapport à une valeur de 7,4. Par exemple, le transport des poumons (pH 7.4 et une pression partielle d’oxygène de 100 torrs) au muscle actif (pH de 7,2 et une pression partielle d’oxygène de 20 torrs) entraîne une libération d’oxygène représentant 77% de la capacité de charge totale. Seulement 66% de l’oxygène serait libéré en l’absence de tout changement de pH Dans la désoxyhémoglobine, trois résidus d'acides aminés forment deux ponts salins qui stabilisent la structure quaternaire T. La formation de l'un des ponts salins dépend