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 Chapitre 1: biomolécules, biopolymères et cellules À -Propriété des biomolécules/biopolymères 1- polarité structurale: elles ont un sens, une orientation 2- elles portent l’information ( recette de la vie) 3- elles ont une architecture tridimensionnelle caracté...

 Chapitre 1: biomolécules, biopolymères et cellules À -Propriété des biomolécules/biopolymères 1- polarité structurale: elles ont un sens, une orientation 2- elles portent l’information ( recette de la vie) 3- elles ont une architecture tridimensionnelle caractéristique: la connaissance de la structure tridimensionnelle d’une protéine est une étape majeure dans le développement d’inhibiteurs pharmacologiques contre cette dernière 4- complémentarité structurale: elles s’associent ou interagissent via différentes liaisons. Certaines molécules peuvent s’associer entre elles comme. Ces associations ont différents impacts au niveau cellulaire et sont notamment possibles grâce aux liaisons non covalentes( réversibles/transitoires). Exemple: les facteurs de croissance et récepteurs membranaires. NB: c’est une notion importante à connaître pour comprendre les propriétés fonctionnelles des systèmes biologiques B- Cellules 1- Organisation structurale: toutes les cellules vivantes appartiennent à l’une de ces grandes catégories Procaryote et Eucaryotes.Ces cellules se distinguent par la présence ou l’absence de noyaux 2- Comment étudier une cellule ? - L’introduction de méthodes permettant la rupture des cellules dans des conditions relativement douces permettant ainsi d’isoler des organites et/ou des bio molécules d’intérêt - Technique de la Lyse Cellulaire: méthode pour briser les cellules et en extraire leur contenu - Les progrès techniques considérables notamment dans le domaine de la microscopie C- Composantes des cellules Eucaryotes 1- Cytosquelette 2- Noyau 3- Réticulum Endoplasmique (RE) 4- Appareil de Golgi 5- Mitochondrie 6- Lysosomes 7- Cytosol 8- Membrane plasmique 1- Le Cytosquelette: - Contient des protéines ( tubiline, actine) qui donnent la forme et une certaine résistance mécanique aux cellules - Impliqué également dans le mouvement cellulaire ( mouvements de la cellule ainsi que mouvements des composantes à l’intérieur de la cellule) 2- 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) - Chaque cellule contient environ 2 mètres d’ADN dans son noyau - L’ADN est compacté dans une structure appelée nucléosome ( ADN + 8 histone) - Pore nucléaire: Signal de Localisation Nucléaire ( SNL ) pour pénétrer le noyau. Est un segment riche en acides aminés arginine(R) et lysine (K) consécutifs. 3- Reticulum Endoplasmique (RE): - Il en existe 2 types: RE lisse et RE rugueux ( contient des ribosomes à sa surface ) - RE rugueux: synthétise majoritairement les protéines membranaires et des protéines ciblées pour la sécrétion - RE lisse: synthétise les lipides 4- Appareil de Golgi: - Modification et triage des produits de synthèse (protéines) du reticulum endoplasmique - Joue un rôle clé avec le RE dans la sécrétion ( les protéines sécrétrices sont synthétisées dans le RÉ et passe à travers le Golgi. Ces passent donc du milieu intracellulaire pour se rendre vers le milieu extracellulaire. ) 5- Mitochondrie: - Site de production de l’ATP ( 90% de l’énergie produite par une cellule provient de la mitochondrie) - Formé de deux membranes ( interne et externe) et d’un espace membranaire - Organite clé dans l’apoptose ( mort cellulaire programmée) - Contient sa propre ADN 6- Lysosomes: - Intervient dans la digestion/recyclage des composantes cellulaires - Intervient dans la dégradation de produits de l’endocytose - Contient des enzymes qui permettent la dégradation 7- Le Cytosol ( aussi présent chez les procaryotes): - C’est la phase aqueuse de composition complexe qui entoure les organites. Contient: - Cytosquelette - Enzyme - Acides aminés - Métabolites - …Etc - Le Cytosol désigne le liquide intracellulaire 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) 8- Membrane plasmique: ( aussi présente chez les procaryotes mais avec des différences structurales) - Tous les constituants du Cytosol sont maintenus à des proportions et concentrations constantes et équilibrées grâce aux propriétés spécifiques de la membrane plasmique - La structure fondamentale des cellules est une bicouche lipidique - Sépare le Cytosol du milieu extra cellulaire - Contrôle l’entrée et la sortie sélective de molécules - Chaque cellule possède une composition en protéines membranaire qui lui est spécifique D- Différences et similarités avec les cellules procaryotes Procaryotes VS Eucaryotes. Unicellulaires. Organismes unicellulaires ou multicellulaires. Pas de noyau. Noyau. Pas d’organites. Présence d’organites. Structure membranaire particulière. Structure plus complexe ( compartimentation) (Leur membrane est plus épaisse pour les protéger. Cytosquelette : assure la rigidité de la cellule du milieu externe car ils sont unicellulaires). Petite taille. Végétales, animales et autres E- Quelques notions à connaître 1- Éléments: substances impossibles à décomposer en d’autres substances plus simples au cours de réactions chimiques ( matériel de base) 2- Éléments chimiques: jouent un rôle très important dans l’organisme car ils entrent dans la composition de nombreuses molécules indispensables à la vie - Éléments chimiques du vivant: Carbone, Oxygène, Hydrogène, Azote, Phosphore, Soufre. - Représente 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 3- Liaisons covalentes: dont la formation ou la rupture demandera l’intervalle d’une enzyme. Sont stables et demandent de l’énergie pour être rompus 4- Liaisons non covalentes: qui peuvent se former ou se rompre sans l’intervention d’une enzyme. Sont réversibles et importantes pour le maintien des fonctions vitales - Interactions ioniques - Liaisons hydrogène - Interactions de van der Waals - Interactions hydrophobes  Chapitre 2:liaisons covalentes et non covalentes Deux groupes de liaisons chimiques dominent dans le système vivant: liaisons covalentes et liaisons. non covalentes 1- Liaisons covalentes: Dont la formation ou la rupture demandera l’intervalle d’une enzyme. Sont stables et demandent de l’énergie pour être rompus - Se forment lorsque 2 atomes partagent une paire d’électrons dans leur orbitale de valence. - Chaque atome peut réaliser un nombre caractéristique de liaisons covalentes (ex.: carbone est capable de former 4 liens covalents). - Si plus d’une paire d’électrons est partagée entre les deux atomes, des liaisons doubles ou triples se forment. les liaisons covalentes dans les systèmes biologiques sont typiquement simples ou doubles (les liens triples sont assez rares dans le monde du vivant) La formation ou la rupture des liaisons covalentes impliquent une grande variation d’énergie A- Liaisons covalentes non polaires Partage d’électrons entre 2 atomes d’électronégativité identique. - L’électronégativité mesure la capacité qu’à un atome à attirer des électrons. Elle augmente de gauche vers la droite et du bas vers le haut B- Liaisons covalentes polaires - Les électrons ne sont pas partagés de manière égale dans les liaisons covalentes polaire - Les atomes avec une plus grande électronégativité vont attirer plus fortement les électrons. - Les atomes avec une plus grande électronégativité vont attirer plus fortement les électrons. - L’atome le plus électronégatif porte une charge partielle négative 5et l’autre atome porte une charge partielle positive St C- Les liaisons covalentes: le Carbone - Les bio molécules contiennent pratiquement toutes du carbone - Le carbone peut former jusqu’à 4 liaisons covalentes et des liaisons avec lui même - Les liaisons les plus fréquentes du carbone sont avec : C, O, H et N - Peux former des doubles liens et aussi plus rarement des liens triples 2- les liaisons non covalentes -Sont des liaisons réversibles où il n’y a pas de partage d’électrons - Bien qu’énergétiques plus faibles que les liaisons covalentes, leur effet cumulatif est important pour la forme tridimensionnelle des molécules et participe au maintien de leur structure. - La facilité qu’on ces forces à se rompre est compatible avec la chimie des cellules où les propriétés de la vie découlent des interactions moléculaires. Les liaisons non covalentes permettent de brefs contacts entre molécules: celles-ci s’assemblent, réagissent l’une avec l’au puis se dissocient ( difficile de se dissocier seulement s’il y’a des liens covalents) - les liens non covalents sont affectés notamment par le pH et la température , donc l’environnement cellulaire doit être rigoureusement contrôlé A-Interactions ioniques Interactions entre groupements chargées ( de charge opposée) tels que les groupements carboxylates ( COO) et amino ( NH3 ) B-Liaisons hydrogène Plutôt spécifiques avec N-H, O-H ou F-H (donneurs de H) et N,O,F (accepteurs de H) Elles donnent la double hélice de l’ADN C-Interactions de van der Waals ( ou interactions dipôle-dipôle) Certains atomes polaires mais non réellement chargés s’attirent mutuellement s’ils sont à proximité suffisante. Ces forces sont généralement assez faibles et sont responsables d’interactions multiples entre atomes voisin non liés 3- classification des liaisons à partir: A- les forces d’interaction Liaisons covalentes > liaisons hydrogène > van der Waals B- la longueur Liaisons covalentes < liaisons hydrogène < van der Waals 4- interactions hydrophobes Ces interactions se forment entre les molécules ou des portions de molécules hydrophobes ( non polaires ) afin de limiter leur contact avec l’eau (molécule polaire ) et impact sur l’arrangement spatial des bio molécules 5- importances et exemples en biochimie À- liens non covalents la structure tridimensionnelle d’une protéine dépend notamment de la formation de plusieurs liaisons non covalentes L’interaction entre les molécules ( reconnaissance) est un autre exemple où les liaisons non covalentes entrent en jeu  Chapitre 3: l’eau, le pH et l’effet tampon 1- l’eau et ses propriétés - L’eau est considéré polaire: l’oxygène a une charge partielle négative tandis que l’hydrogène est partiellement positif. - Le partage inégal polarise la molécule favorisant ainsi la formations de liaison hydrogène. Les propriétés intéressantes de l’eau sont attribuables notamment à ses liaisons - L’eau possède des forces d’attraction moléculaires importantes et elle pose la capacité d’être impliqué dans plusieurs liens hydrogène par molécule - Les molécules biologiques portant des groupes polaires ou ionique se dissolvent aisément dans l’eau. Cette caractéristique est attribuables à leur capacité de former des liaisons hydrogène avec l’eau Exemples de molécules hydrosolubles: sels, amines, sucres , alcools, aldéhydes et cétones NB: molécules polaires sont solubles dans l’eau, molécules non polaires ne sont pas ou sont peu solubles dans l’eau Les molécules amphipathiques (qui présente une partie polaire et une partie non polaire) forment des structures particulières en milieu aqueux 2- Acides et Base A- definition de Bronsted-Lowry -Acide: composé capable de libérer des ions H ( protons) en solution. C’est un donneur de protons H - Base: composé capable de fixer des ions H. C’est un accepteur de protons H Les réactions d’acide base peuvent se représenter ainsi: ↑ MA V + Ha0 -- A #20 - + + T acide base base acidy 1 Conjugue Conjugue  L’eau peut agir comm.acide ou comme base en donnant ou en acceptant un proton respectivement. H2O comme base: HCl + H2O Cl + H3O H2O comme acide: CN + H2O HCN + OH L’eau possède une faible tendance à s’ioniser. À l’équilibre: [H+] = [OH-] (pour l’eau pure à 25°C) [H +] = 1 x 10-7 M = [OH-] = 1 x 10-7 M Pour toutes les autres solutions: [H+] = [OH-] neutre [H+] > [OH-] acide [H+] < [OH-] basique La concentration de l’ion hydrogène peut être exprimée sous forme de pH comme suit: pH = - log10 [H+] Une substance aqueuse dont le pH < 7 est un acide. ( augmentation de H+) Une substance aqueuse dont le pH > 7 est une base. ( baisse de H+) Il est possible de changer le pH d’un échantillon d’eau en y ajoutant une substance (acide, base) qui modifie l’équilibre entre [H+] et [OH-]. Acides forts : se dissocient complètement dans l’eau. Les acides forts sont plutôt rares, particulièrement en biochimie. Exemple: HCl, HNO3 HA A- + H+ S HA + H2O [A- + H3O+ Acides faibles: ne se dissocient pas à 100% dans l’eau. Contrairement aux acides forts, la plupart des acides d’intérêt en biochimie ne se dissocient pas complètement dans l’eau. Exemple: Acide acétique (CH3COOH) HA C A- + H+S HA + H2O. - A- + H3O+ Les concentrations finales pour les acides faibles sont exprimées en terme d’équilibre. Pour l’acide acétique, il s’ionise partiellement et ne cède que quelques protons à l’eau… Les acides faibles ont des constantes d’ionisation appelées « Ka » qui correspondent à: La valeur du pKa (- log (Ka)) d’un acide décrit sa tendance à s’ioniser. Un acide plus « fort » possède un Ka élevé (et un pKa faible). S’il y a plus de concentration de produit que de réactifs Ka est élevé et c’est l’inverse s’il y a moins de concentration de produits que de réactifs. faible fant  3- Relations entre pH et pKa ( équation d’Henderson- Hasselbalch) Cette équation lie le pH d’une solution au pKa (ou Ka) d’un acide, et à la concentration de celui-ci [HA] et de sa base conjuguée [A-]. Le pH d’une solution dépend du pKa et peut être calculé si nous connaissons la constante de dissociation (Ka ou pKa), [A-] et [HA]. Cette équation nous indique que lorsque le pH d’une solution d’acide est égal au pKa de cet acide, ce dernier est à demi dissocié; la moitié des molécules sont retrouvées sous la forme protonée (HA) et l’autre moitié sous la forme non protonée (A-)… Si pH = pKa : on est dans une solution demi- dissociée 4- Solutions tampons Les tampons sont des systèmes aqueux qui tendent à résister aux modifications de pH quand de petites quantités d’acide (H+) ou de base (OH-) sont ajoutées Un système acide faible (HA) et base conjuguée (A-) agit comme tampon contre l’ajout d’un acide ou d’une base en limitant des changements drastiques de pH. La zone tampon est la zone de pH où les variations de ce dernier sont minimales suite à l’ajout d’acide ou de base. La zone tampon est + ou – 1 unité du point d’équivalence (pKa).  -. L’ajout d’H+ ou d’OH- dans la zone tampon d’un système tampon n’a que peu d’impact sur la valeur du pH de la solution. Dans la zone tampon: H ↓+ A- → HA Base conjuguée (A-) neutralise l’addition de H+ OH- + HA → H2O Acide faible (HA) neutralise l’addition de OH- 5- Importance du pouvoir tampon en biochimie À- L’activité enzy La base de la classification des acides aminés dépend des propriétés de la chaîne latérale (-R): hydrophobe (non polaire) polaire, non chargé polaire, chargé positivement polaire, chargé négativement aromatique matique Le maintien du pH est donc vital pour toutes les cellules. Les processus cellulaires dépendent de l’activité des enzymes et cet te dernière est considérablement influencée par le pH. Pour maintenir le pH dans une zone serrée, les organismes dépendent de systèmes tampons. → pour le maintien du pH intracellulaire: 2 - 1) système phosphate (HPO4 /H2PO4) - → pour le maintien du pH des fluides extracellulaires: 2) système bicarbonate/acide carbonique (HCO3/H2CO3) - -pHsang est compris entre 7.35 à 7.45 the on a Lien entre l’acidité du sang et la respiration Co gui - Si H + augmente, le pH baise, la concentration de H2CO3 et de CO2 augmente donc on respire plus rapidement - Si H + baisse , le pH augmente, la concentration de H2CO3 et de CO2 baisse donc on respire plus lentement B- L’architecture en 3D est dépendante du pH: les liens non covalents sont affectés notamment par le pH et la température  Chapitre 4: acides aminés 1- Fonctions des acides aminés précurseurs de molécules d’intérêt biologiques Unités de construction des protéines - qu’est ce qu’une protéine? C’est une biomolécule composée d’une chaine d’acides amines et sont responsables de nombreux processus cellulaires tels que: - Catalyser des réactions métaboliques (enzymes) - Réplication de l’ADN - Réponse immunitaire (anticorps) - Réponse aux stimuli - Maintenir la structure cellulaire (ex: actine) - Transport de molécules 2- Structure générale d’un acide aminé typique 3- Classification des acides aminés La base de la classification des acides aminés dépend des propriétés de la chaîne latérale (-R): hydrophobe (non polaire) polaire, non chargé polaire, chargé positivement polaire, chargé négativement aromatique 4- aminés et exemples de liaison non covalentes auxquelles leurs groupes R participent Acides aminés non polaires (interactions hydrophobes) : Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Pro, Trp Acides aminés polaires, non chargés (liaisons hydrogène) : Ser, Cys, Thr, Asn, Gln, Tyr, His Acides aminés polaires chargés négativement à pH 7 (interactions ioniques) : Asp, Glu Acides amin polaires chargés positivement à pH 7 (interactions ioniques) : Lys, Arg Acides aminés particuliers Proline : seul acide aminé qui a une chaîne R non libre ce qui fait en sorte que c’est un acide aminé rigide Glycine: seul acide aminé à ne pas avoir de carbone chiral ( la chaîne R est uniquement composé d’un hydrogène  Chapitre 5: ionisation des acides aminés 1- Propriétés des acides aminés Forme ionique des acides aminés : Les acides aminés sont des molécules amphotères, c’est à dire qu’ils peuvent agir comme des acides ou des bases les valeurs de pK déterminent à quel pH chaque acide aminé sera capable de libérer un proton. PK: capacité à s’ioniser NB: La chaîne R est non ionisable pour les acides aminés simples 2- Courbe de titration d’un acide aminé simple Exemple de la glycine 3-Calcul du point isoélectrique (pI) le pH d’un acide aminé où ils se trouve sous sa forme électrique neutre. Donc, si pH différent du pi, l’acide aminé est chargé soit positivement ou négativement À- calcul de pI pour un acide aminé simple ( sans chaîne R non ionisable) pI = (pK1 +pK2)/2 B- Calcul de pI pour un acide aminé complexe Les acides aminés complexes ont une chaîne R ionisable et des courbes de titration avec trois possibilités d’ionisation. Ils possèdent ainsi 3 valeurs de pK ( pK1, pK2 et pKr). Ainsi pour calculer le pI on prend les valeurs de pK entre lesquels l’acide aminé est neutre C- Les acides aminés complexes et la forme de leur groupement R Aspartate ( Asp, D) Cha-Eo-e Ch-cof Glutamate ( Glu, E) Chac-Che-le- Histidine ( His, H) C- CH - XTN  Cysteine ( Cys, C) CHy-SHCHz-S Tyrosine ( Tyr, Y) deet ecto- Lysine ( Lys, K) (CH2)y NHzt E (CHy - - WHy Arginine ( Arg, R) (CHey-NH-c + Es (H)-N D- exemple de l’ionisation de la lysine 4- chargé d’un acide aminé selon le pH À un pH supérieur au pI, les acides aminés. forment des anions (négatifs) et vont migrer vers l’électrode positive lorsque placés dans un champ électrique. (NH2 et COO-) À un pH inférieur au pI, les acides aminés existent à l’état de cations (positifs) et vont migrer vers l’électrode négative. (NH3+ et COOH) Si le pH est égal au pI, les acides aminés n’auront aucune charge (neutre) nette et ne migreront pas lorsque placés dans un champ électrique. 5-Techniques expérimentales A- étapes de résolution des questions d’une expérience donnée 1) Vous avez: - Le pH de l’expérience - Le nom des acides aminés à séparer - Les pKs associés aux acides aminés 2) Vous devez: - Calculer le pI des différents acides aminés - Comparer le pI au pH de l’expérience - Évaluer la charge des acides aminés à ce pH - Prédire la migration/séparation des acides aminés pour votre expérience B-La chromatographie Autre méthode utilisée pour la séparation des acides aminés (ou protéines) dans un mélange. Cette technique exploite essentiellement les différences de signe et d’amplitude des charges électriques des molécules à un pH donné. Chapitre 6: structure et fonction biologiques Liaisons peptidique