cours 1 (introduction)

L'art d'enseigner n'est que l'art d'ĂŠveiller la curiositĂŠ naturelle des jeunes esprits dans le but de les satisfaire ensuite.

BELHAMRA Abdallah Tel : 0663446720 Mail : belhamra1@voila.fr Site de rĂŠvision de biochimie structurale : http://www.wix.com/belhamra/biochimie-structurale

BELHAMRA

2011-2012

Séance

Date

Contenu

S1

17/11/2011

Introduction

S2

24/11/2011

Métabolisme des Glucides

S3

01/12/2011

Métabolisme des Glucides

S4

08/12/2011

Métabolisme des Lipides

S5

15/12/2011

Métabolisme des Lipides

S6

22/12/2011

Métabolisme des Protéines

S7

29/12/2011

Régulations métaboliques

En parallèle l’enzymologie sera traitée en TD : 2 ou 3 séances ( cours et exercices) BELHAMRA 2011 - 2012

RAPPELS CHIMIQUES INTRODUCTION A LA BIOCHIMIE

PLAN I- Définition : Domaines de la Biochimie II- Atome III- Liaisons chimiques V- Eau VI- Acides / Bases VII- Molécules organiques / Métabolisme

Biochimie

6

BIOTECHNOLOGIE MEDECINE

BIOLOGIE MOLECULAIRE BIOLOGIE CELLULAIRE

MICROBIOLOGIE

BIOCHIMIE GENETIQUE

NEUROSCIENCE

TOXICOLOGIE

PHARMACOLOGIE SCIENCES ALIMENTAIRES PHYSIOLOGIE ( A + V )

IMMUNOLOGIE

Toute Matière est composée d’ATOMES Un atome est l’élément de base de la matière. Il faudrait empiler environ un million d’atomes pour obtenir l’épaisseur d’un cheveu ! !

8

STRUCTURE DE L’ATOME Electrons: Charge électrique négative

Protons: Charge électrique positive

Neutrons: Pas de charge électrique nette 9

Nucléon = protons +neutrons

STRUCTURE DE L’ATOME 2 représentations de l’atome H

e- tournant autour du noyau de l’atome H

Nuage électronique de l’atome H

L'atome de carbone, ingrédient essentiel à la vie, n’est presque composé que de vide. Un nuage de six électrons chargés négativement tourne en orbite autour du noyau BELHAMRA 2010-2011 chargé positivement.

BELHAMRA

2010-2011

Albert Einstein a découvert que masse et énergie sont équivalentes. Les particules (électron, proton, neutron...) peuvent se transformer en énergie et vice-versa.

E = MC2, M la masse, C la vitesse de la lumière (300000 km/s) et E l'énergie.

Exemple : la bombe atomique. les atomes se percutant entre eux avec une telle énergie que les noyaux et les particules se transforment en énergie BELHAMRA

2010-2011

Electricité : C'est le mouvement des électrons à travers la matière.

BELHAMRA

2010-2011

Pour plus d’informations

Consultez les sites : http://www.alphaquark.com/Sciences/Atome.htm

http://www.physix.fr/guppy/flash/Didapage/courant3/l

BELHAMRA

2010-2011

MolĂŠcules Quand 2 atomes ou plus liĂŠs ensemble =

Liaisons Chimiques

16

Liaisons Chimiques Se forment Ă cause des interactions des ĂŠlectrons des atomes

17

ELECTRONEGATIVITE de l’atome = Abilité à attirer des e-

Détermine le type et la force de la liaison chimique 18

Les ions Les ions sont des atomes qui ont une charge électrique positive ou négative parce que le nombre des électrons n'est pas égal au nombre de protons

19

Liaisons ioniques • Se forment entre des atomes quand des électrons sont TRANSFÉRÉS d'un atome à un autre formant des ions de charges électriques opposées

20

Liaisons Covalentes • Se forment quand les atomes partagent des électrons • Arrive quand l‘électronégativité entre les atomes est similaire • Plusieurs cas se présentent : 21

Des molécules ont des Liaisons covalentes Simples… qui signifie que les atomes partagent une seule paire d'électrons Liaison Sigma (σ )

22

Des molécules ont des Liaisons covalentes Doubles … qui signifie que les atomes partagent deux paires d'électrons Liaison Pi (π) plus faible que σ

23

D'autres molécules ont des Liaisons covalentes Triples … qui signifie que les atomes partagent Trois paires d'électrons Liaison Pi

24

Liaisons Covalentes Non Polaires Arrive quand l‘électronégativité des deux atomes est identique et les électrons sont partagés d’une manière égale.

25

Liaisons Covalentes Polaires Pôle Négatif

• Arrive quand l‘électronégativité des deux atomes est différente et les électrons sont partagés de façon inégale

Pôle Positif 26

L’électronégativité même famille.

de gauche à droite et de bas en haut dans une

Liaisons Hydrogène Les liaisons hydrogènes sont des liaisons faibles qui se forment entre des molécules

Pont H2 Intramoléculaire Pont H2 Intermoléculaire 28

Forces de liaisons • Liaisons Covalentes sont généralement fortes • Liaisons ioniques sont faibles, facilement “cassables” dans l’eau • Liaisons Hydrogènes sont très faibles 29

La

Molécule d’eau H2O Unité : le picomètre 1pm = 10-12m

Propriétés de l’eau Omniprésente et indispensable au maintien de la vie, l’eau est l’un des corps chimiques les plus essentiels de notre planète. Ses propriétés sont exceptionnelles, voire parfois inattendues. Au centre de nombreux travaux de recherche, elle continue de passionner nombre de scientifiques auxquels elle n’a pas encore révélé tous ses secrets.

Propriétés de l’eau H2O • L’eau est un solvant universel.

• Les composés ioniques et les molécules covalentes polaires sont rapidement dissociées dans l’eau 33

Molécules Hydrophyles substances qui se dissolvent dans l’eau : sels, sucres…..

34

Molécules Hydrophobes Substances qui ne se dissolvent pas dans l’eau : huiles, cires ……

Gouttelette d’eau dans l’huile

Gouttelettes d’huile dans H2O

35

L'eau a une Haute capacité thermique (calorifique) : La capacité d'une substance pour changer la température en réponse à un gain ou à une perte de chaleur.

L'eau change très lentement de température!

• Chaleur Spécifique = la quantité de chaleur nécéssaire pour augmenter la T°C d’ 1 g de la substance de 1°C.

• Pourquoi? ……… Liaisons Hydrogène.

36

L’eau a une Haute Chaleur de Vaporisation Chaleur de Vaporisation: quantité de chaleur qu’1g de liquide doit absorber pour se transformer en état de gaz.

37

L’eau liquide est cohésive • L’eau colle à l’eau !

• Pourquoi?

Parce que la Polarité de l’eau résulte des liaisons H2 38

L’eau liquide est adhésive • L’eau colle à d’autres molécules • Pourquoi?

Liaisons H2 39

Le transport de l’eau dans les arbres utilise l’adhésion et la cohésion

Action capillaire -Propriété qui augmente l’adhésion d’un liquide à une surface -Propriété qui augmente une balance entre les forces d’adhésion et de cohésion à l’intérieur d’un liquide

Hg

H2O

40

L’eau a une Haute Tension Superficielle • La surface de l’eau est difficile de tordre ou casser • Pourquoi?

Liaisons H2

41

L’eau stabilise la Température • L'eau peut absorber et stocker une quantité énorme de chaleur du soleil.

• Résultat - modération climatique - les organismes peuvent survivre aux changements de température.

42

RafraĂŽchissement ĂŠvaporatif

43

Résultat : • L'eau refroidit les organismes exposés aux chaleurs excessives • Pourquoi?

Comme l'eau s'évapore elle prend la chaleur avec elle !

44

L'eau s’étend et devient moins dense quand elle gèle ….donc elle flotte ! C’est un cas unique !

• Liaisons H2 sont rectilignes dans la glace et tordues dans H2O liquide, donc le même nombre de molécules occupe plus de place dans la glace que dans le liquide !

• Dans l’eau, la distance entre les molécules croit de l’état liquide à l’état solide.

• Dans la glace, il y a plus de vide entre les molécules. Donc la glace est moins dense que le liquide !

(une bouteille qui gèle éclate !) EAU Flotte !

BENZENE Coule !

45

RĂŠsultat

Pour plus de dĂŠtails sur H2O :

http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/dec

RÊsultat • La glace forme une couverture d'isolation en hiver. La vie aquatique peut vivre sous la glace.

47

Conséquence : Si l’eau se comportait « normalement » comme tous les composés de structure semblable, les scientifiques ont calculé que dans les conditions de pression atmosphérique normale, elle devrait bouillir à - 80°Celsius ! Il ne devrait y avoir ni eau liquide, ni glace sur Terre. Toute l’eau de notre planète devrait être sous forme gazeuse. Mais si tel avait été le cas, il n’aurait pu y avoir de vie sur Terre… du moins telle que nous la connaissons !

Le mystère vient des liaisons H !!!

L’eau est utilisée pour faire des solutions • Une solution est un mélange de deux ou plusieurs substances • Solvant + Soluté

Solution

• Eau sucrée, eau salée, limonade…..

49

Solvant • Agent dissolvant • Présent en grande proportion Exemples: • Eau • Méthane 50

Soluté • La substance qui est dissoute • Présent en petite quantité

Exemples: • Sel dans l’eau salée • Sucre dans l’eau sucrée

51

Concentration d’une solution • Habituellement basée sur la Molarité • Molarité = le nombre de moles de soluté par litre de solution.

• une mole est = 6.021x1023 atomes

52

Une Mole de chaque !

Sucre Sulfate de cuivre Soufre

Oxide de Mercure

Chlorue de Sodium Cuivre

53

Dissociation de l’eau • L’eau peut parfois se couper en 2 ions.

• Dans l’eau pure la concentration de chaque ion est 10-7 M

54

• L’addition de certains solutés perturbe la balance entre ces deux ions.

• Les deux ions sont très réactifs et peuvent affecter radicalement une cellule.

55

Acides • Matériaux qui peuvent libérer H+ Exemple: HCl HCl H+ + Clacide chlorydrique, vinaigre, etc…

56

Effects des pluies acides !

57

Bases • Matériaux qui peuvent absorber H+ • Souvent réduisent H+ par production de OHExemple: NaOH NaOH Na+ + OHKOH, Savons, etc…….

58

Echelle de pH • Une échelle logarithmique pour définir la concentration H+ dans une solution. pH = - log [H+]

59

Échelle de pH

Acides: pH < 7 Neutralité: pH 7 Bases: pH >7

60

• Acides: pH <7 • Bases: pH >7 Chaque unité pH est un changement de 10x dans H+ 61

Tampons • Matériaux qui ont à la fois les propriétés acides et bases • Résistent aux variations pH. • Les cellules et d'autres solutions biologiques contiennent souvent des tampons pour prévenir les dommages. 

Exemples de solutions chimiques tampon:

CH3COOH/CH3COO- et NH4+/NH3 

Dans le sang humain la solution tampon physiologique est :

H2CO3/HCO3-

62

Molécules Organiques • Contiennent des atomes de carbone, exceptés le monoxide de carbone (CO) et dioxide de carbone (CO2) • Le carbone a 4 électrons disponibles pour former 4 liaisons chimiques….donc diverses molécules sont facilement formées en utilisant un « squelette moléculaire carboné » • Ces molécules carbonées sont habituellement trouvées sous forme de longues chaînes ou 63 anneaux.

Macromolécules La plupart des macromolécules sont des “polymères” ….molécules formées de la répétition d’une sous unité “monomère”.

64

Groupement Fonctionnel • Beaucoup de molécules organiques partagent des propriétés semblables parce qu'elles ont un amas d’atomes semblables, appelées Groupements fonctionnels.

• Chaque groupement fonctionnel donne aux molécules une propriété particulière, telle que l'acidité ou la polarité.

65

Fonctions chimiques utilisĂŠes en Biochimie

66

67

68

4 types principaux de Macromolécules • • • •

hydrocarbures Lipides Protéines Acides Nucléiques 69

Hydrocarbures • Utilisés comme carburant, des « matériaux de construction », et des récepteurs.

• Composés de C,H,O • Formule générale CH2O • C:O rapport 1:1

70

Types d’ Hydrocarbures

• Monosaccharides • Disaccharides • Polysaccharides

71

Monosaccharides Mono = 1 Saccharide = sucre Sucres simples.

Forme linéaire ou circulaire Glucose, Fructose, Galactose…. Tous avec la formule chimique C6H12O6….. La même formule chimique, différentes formes.

72

â&#x20AC;˘ La plupart des mots finissant par OSE sont des Hydrocarbures.

Glucose, Fructose, Galactose.........

73

Disaccharides Sucre formé par l’union de deux monosaccharides par le processus de Déshydratation ….(enlever 1 H2O)

• glucose + fructose = sucrose (sucre de table) + H2O •

glucose + galactose = lactose ( le sucre du lait) + H 2O

• glucose + glucose = maltose + H2O 74

Syhthèse par Condensation ou Synthèse par Déshydratation

Réaction chimique qui relie les monomères dans un polymère Des liaisons covalentes sont formées par élimination d’eau entre les monomères 75

Hydrolyse

Inverse de la synthèse par condensation Utilisation d’eau(Hydro), pour couper (Lyse) Coupure des polymères par addition d’eau

76

77

Exemples de Disaccharides produits par DĂŠshydratation

78

Polysaccharides Tous ont la formule chimique (CH2O)n • Beaucoup sont constitués de simples sucres.

• Utilisés soit pour le stockage soit pour les structures.

• Exemples: Amidon = un polymère de molécules α-glucose, forme de stockage énergétique chez les plantes.

Glycogène = un polymère de molécules α-glucose, forme de stockage énergétique chez les animaux (foie, muscle) Cellulose = un polymère de molécules β-glucose, forme structurale chez les plantes (paroi). Composé majeur du bois.

Chitine = un polymère de molécules β-glucose, chacune modifiée par un groupe amine, forme structurale dans la paroi cellulaire des moisissures et l’exosquelette des 79 arthropodes.

80

81

Lipides (Graisses) • Diverses molécules hydrophobes qui sont insolubles dans l’eau (et autres molécules polaires) et solubles dans les molécules non polaires comme l’éther et le chloroforme.

• Constitués de C,H,O • Pas de formule générale !

• C:O rapport élevé

82

Types de Lipides (Graisses) • Triglycérides • Phospholipides • Stéroides

83

Triglycérides • Trois AG liés à un Glycérol.

• Liaison “ester” entre le -COOH de l’AG et le -OH de l’Alcool.

• Diffèrent suivant l’utilisation des AG. • Utilisés comme stocks énergétiques, isolants, “coussins” d’organes….

84

Acide

Gras

85

Huiles et Graisses • Graisses = solide à température ambiante.

• Huiles = liquide à température ambiante.

• Saturatés = solide à température ambiante.

• Insaturés= liquide à température ambiante.

86

Lipides Saturés Saturé = pas de double liaison.

87

Lipides Insaturés Insaturé = une ou plusieurs C=C. Peuvent accepter plusieurs H2.

Double liaisons causent des "replis" dans la molécule.

88

89

Question ?

• Lequel a plus d’énergie 1kg de Graisse ou 1kg d’Amidon? …. Sachant que dans les Graisses il y a plus de liaisons C-H qui fournissent plus d’énergie par masse.

• Réponse : 1kg de Graisse (lipides ont 9 calories par gramme alors que les Glucides ont 4 calories par 90 gramme seulement )

Phospholipides • Similaires aux graisses, mais ont seulement deux AG. • Le troisième -OH du glycérol est lié à un groupement P remplaçant un AG. • Composé majeur du Plasma sanguin et des membranes cellulaires.

91

92

Résultat • Phospholipides sont amphipathiques ou amphiphiles qui ont une queue hydrophobe non polaire, mais une tête hydrophile polaire.

• Auto-assemblage en bicouches, une part importante des membranes cellulaire.

93

Stéroides • Caractérisés par un squelette de 4 cycles carbonés.

• Diffèrent par les groupements fonctionnels attachés aux cycles.

• Exemples: – cholestérol – Hormones stéroliques

94

Protéines • Composées de C,H,O,N, et parfois S. • Pas de formule générale • Polymères d’Acides Aminés (AA) 95

Utilisation des Protéines • Protéines Structurales : utilisées pour former la peau, les cheveux, les muscles, etc…

• Enzymes: Contrôle du Metabolisme • Anticorps: protection contre les substances étrangères.

• Protéines deTransport : Transport des molécules à travers les membranes • Stockage: comme l’ovalbumine dans les oeufs.

96

Protéines Sont des chaînes polypeptidiques d’acides aminés liés par des liaisons peptidiques.

97

Acides Aminés Tous ont un C avec 4 groupements: -COOH (acide) -NH2 (amine) -R groupement 20 AA différents parce qu’on a 20 R différents !

Amino Group

Carboxyl Group AKA: Acid Group

98

Acides AminĂŠs

99

Acides AminĂŠs

100

Groupements R

Les propriétés de R déterminent les propriétés de la protéine !

101

Chaînes Polypeptidiques

• Formée par déshydratation entre le groupement carboxyl d’un AA et le groupement aminé du second AA.

102

103

Strucure des Protéines • Organisation du polypeptide dans une forme 3D fonctionnelle.

– Primaire – Secondaire – Tertiaire – Quaternaire

104

Structure Primaire • Ordre des AA dans la chaîne polypeptidique.

• Beaucoup de séquences différentes sont possibles avec 20 AA. 105

Structure Secondaire • Une structure 3D est formée par les liaisons H entre les groupements R. • Deux structures secondaires principales: − Hélice α - Feuillets plissés

106

Structure Tertiaire • Forme 3D • # liaisons surviennent entre les groupements R. • Exemples: – interactions Hydrophobes – Liaisons ioniques – Ponts Disulfure – Liaisons H2

107

Quaternaire • Quand deux unités polypeptidiques ou plus s’unissent pour former une protéine fonctionnelle.

• Exemple: hémoglobine

108

la structure dâ&#x20AC;&#x2122;une protĂŠine est - elle importante?

109

Dénaturation d’une protéine • Résultat = Perte de structure (et de fonction) de la protéine • Exemples: – Variations de pH – Forte concentrations saline – Chaleur 110

111

Acides Nucléiques • Stockent les Informations génétiques • Polymères de nucléotides • Contiennent C,H,O,N et P • Pas de formule générale • Exemples: DNA et RNA 112

Les Nucléotides du DNA et RNA Les Nucléotides ont trois parties : Base azotée Sucre Pentose (Désoxyribose dans le DNA et Ribose dans le RNA) Groupement Phosphate

113

Bases azotée Cycles de C et N Deux types: Pyrimidiques (un seul cyce) Thymine, Cytosine Purines (cycle double ) Adénine, Guanine

114

Sucre Pentose Sucre à 5-C Ribose RNA Désoxyribose

DNA

115

116

DNA: Acide Désoxyribonucléique • Structure Double Helice • Les deux brins du DNA sont antiparallèles, orientés vers des directions opposées. Un brin arrangé en direction 3’– 5’ alors que l’autre est arrangé en direction 5’– 3’. (5’) veut dire que le groupement phosphate est lié au 5ème carbone dans la molécule de Désoxyribose • Composé de gènes.

117

RNA: Acide Ribonucléique • Molécule importante dans la synthèse protéique.

• Information Génétique pour seulement peu de virus.

118

Différences entre DNA et RNA • RNA un simple brin • DNA a un Désoxyribose, RNA a un ribose • Thymine est remplacée par Uracile

119

Les Processus Métaboliques • Dans les réactions chimiques, les molécules réactives doivent d’abord entrer en collision et avoir une énergie (énergie d’activation) pour déclencher la formation de nouvelles liaisons.

• Quelques réactions exigent des catalyseurs. Les catalyseurs sont des molécules qui déclenchent ou accélèrent les réactions chimiques sans qu’ils soient altérés chimiquement.

120

Métabolisme • Les réactions chimiques qui ont lieu dans les organismes vivants sont appelées réactions métaboliques.

• Deux types de Réactions métaboliques : * Réactions anaboliques : Biosynthèse des molécules et stockage d’énergie * Réactions Cataboliques : Catabolisme des molécules et libération d’énergie

121

Equilibre Chimique • La réversibilité ou non des réactions métaboliques, est déterminée par la concentration des réactifs et des produits.

122