Biochimie gnrale et mtab - ? BIOCHIMIE GNRALE ET MTABOLIQUE 1. Introduction. A. La matire

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    14-Sep-2018

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  • BIOCHIMIE GNRALE ET MTABOLIQUE

    1. Introduction.A. La matire vivante.Cest un assemblage de diffrents organites complexes permettant la reproduction (introuvable dans la matire inerte sauf les cristaux en solution qui croissent tout seuls) et la gestion de lnergie.Il y a une dynamique dchange entre les diffrents organites pour rguler lensemble du systme. Cette coordination tend la reproduction. Ces organites sont forms de macromolcules (protines) constitus da-a. Ces macromolcules peuvent aussi tre des polysaccharides donc forms de saccharides ou tre des acides nucliques forms de nuclotides.

    B. Liaisons.a) Liaison covalente:Deux atomes qui apporte chacun un lectron de valence pour remplir sa dernire couche orbitale, polarise ou symtrique.El ou nergie de liaison est lnergie ncessaire la rupture de la liaison:El= 300KJ/mol.Rq: 1cal= 4,18J et 1J= 0,24cal.

    b) Liaison non covalente:-Liaison lectrostatique (= saline= ionique): un atome va cder un lectron lautre donc doublet sur le plus lectrongatif.Les ions sont rares ltat isols puisquils sempilent (rseau cristallin) en milieu solide, et sassocient des molcules polaires telles que leau en milieu liquide.El= 200 300KJ/mol.-Liaison hydrogne: entre molcules polaires ou non. Il est plus fortement accroch au donneur.Rq: Le donneur, laccepteur et lH doivent tre aligns.El= 30KJ/mol.-Force de Van der Waals: force attractive non spcifique lorsque deux atomes sont la distance d= 0,3 0,4nm. La distribution des lectrons autour des atomes varie dans le temps do une possibilit dattraction.El= 10KJ/mol.El faible mais elle devient significative lorsque de nombreux atomes sont en contact.Rq: Si P augmente, la force de Van der Waals augmente.

    Rq: Pour savoir sil y aura liaison ionique ou covalente on peut utiliser ces rgles qui donnent une ide grossire de la liaison quon peut attendre.Il y a liaison ionique entre deux lments si lun des deux appartient au bloc s ( lexception de H et de Be).

  • Il y a liaison covalente si les deux lments appartiennent au bloc p.En termes de la diffrence dlectrongativit

    X:Il y a liaison ionique si

    X est peu prs gal, ou suprieur deux.Il y a liaison covalente si

    X est peu prs gal, ou infrieur un.Lorsque la valeur de

    X est intermdiaire entre un et deux la liaison nest pas clairement ionique, ni clairement covalente. Nous verrons plus tard comment interprter cette liaison intermdiaire.

    Complexit du vivant: si un polypeptide compte 200 a-a, il y a 10

    260 squences possibles (car 20

    200) cest dire >> au nombre datomes dans lunivers, qui est denviron 10

    130.

    C. Limportance de leau dans les interactions.Leau liquide contient des molcules de forte affinit mutuelle ce qui explique leur ordonnance. En effet, le degr dordonnance est proportionnel au nombre de liaisons H.Une protine en solution aqueuse doit affaiblir ses liaisons pour se solubiliser, donc au profit des liaisons H de leau.Les gouttelettes dhuiles sagrgent non pas par affinit mutuelle mais car leau sous jacente doit satisfaire ses liaisons H.

    2. Les a-a.Un a-a est une unit structurale de base des protines, constitu dune fonction acide carboxylique et amine, ainsi que dun atome H et dune chane latrale, lie un carbone central (= C

    ).Les a-a diffrents sont prsents ltat de zwitterion cest dire pH 7 la fois charg + et -.

    A. Formule.a) Les a-a chane latrale aliphatique hydrophobe:-Glycine (= glycocolle): a-a chane souple non hydrophobe (trs faiblement). Son radical R est un H. Seul a-a symtrique donc optiquement inactif. Neutre. -Alanine: chane latrale mthyl donc hydrophobe car apolaire.Rq: Plus la chane latrale est longue et plus la-a est hydrophobe (sauf si cette chane aliphatique contient une molcule polaire).-Valine: avec 3 mthyl donc encore plus hydrophobe. Cest un aa branch.-Leucine: homologue > de valine (car un mthyl de plus).-Isoleucine: isomre de la leucine car embranchement au C

    au lieu du C

    . Il y a deux C*. Cest le plus hydrophobe des aa.-Mthionine: aa soufr, hydrophobe. Les deux derniers C sont spars par S (moins ractif que dans cystine) ce qui confre un caractre polaire car susceptible de liaisons H. 1e aa de squence par la suite enlev.

  • -Proline: seul aa chane latrale sur C

    avec amine II (inhabituel) cest dire imine (on devrait parler dacide imin et non amin). Ceci rend difficile les liaisons H avec dautres a-a. Dans les chanes polypeptidiques, lincapacit de rotation de cet a-a justifie sa position dans les coudes de la chane protique car de plus, cet a-a est trs rigide. Noyau pyrrole.-Cystine: 2e a-a soufr, fonction thiol R-SH ou sulfhydrile. Cystine/cystine est un couple redox. Dans cellule (milieu rducteur donc cystine sous forme rduite cest dire sans ponts disulfure contrairement aux protines extracellulaires).

    b) Chane latrale aromatique (cycle plan):-Phnylalanine: seul a-a hydrophobe du groupe (trs hydrophobe); cest lun des aa les plus hydrophobes. Le moins ractif des aromatiques.-Tyrosine: phnylalanine hydroxyle donc noyau phnol au lieu de phnyl. Ainsi, elle est peu hydrophobe. Cet hydroxyde peut tre phosphoryl. a-a frquent dans le site actif des enzymes.-Tryptophane: 2 noyaux alcools (cycle benznique + pyrrole= noyau indole). a-a le plus rare dans les protines donc de lorganisme. Plus ractif que phnylalanine mais moins que tyrosine.

    c) a-a polaires chane latrale charge + ou -:-Arginine (+): basique, chane latrale noyau guanidinium (= 1C entour de 3 amines dont la charge totale du fait des lectrons dlocaliss est +). Cest la-a le plus polaire et le plus basique. Partie initiale de laa caractre hydrophobe, partie finale (guanidinium) charg +.Le plus polaire et le plus charg des aa.Conditionnellement essentiel car chez lenfant production par lorganisme insuffisante. Dgrad dans intestin. Prcurseur de NO, proline,...-Lysine (+): basique, toujours charge +. Amphipatique.-Histidine (+): basique, polaire (noyau imidazole). a-a frquent dans le site actif des enzymes. Neutre ou charg selon pH.aa essentiel (synthtis par les bactries de lintestin).-Aspartate (-): acide aspartique mais pH neutre, les fonctions sont ionises donc on le nomme aspartate (1C + un carbonyle). Chane latrale toujours charge moins. aa charg trs hydrophile.-Glutamate (-): acide, homologue > de laspartate. a-a le plus frquent dans lorganisme. aa le plus frquent dans les protines des organismes.Cest le 5e got: exhausteur de got.

    d) a-a chane latrale non charge mais polaire:-Srine: a-a alcool (OH; cest une fonction polaire). Faiblement polaire, hydrophile.-Thronine: 2C donc moins polaire et qui a 2C* (le 2e a-a 2C*).

  • -Asparagine: a-a fonction CO-NH2 donc amide (a-a polaire). Fonction amide (non ionisable linverse des amines) mais confre un caractre polaire.-Glutamine: a-a amid, homologue > asparagine. Fonction amide. Trs prsent dans lorganisme au mme titre que le glutamate.

    Rq: Les aa branchs ne sont pas dans les hlices

    .

    e) a-a non standard:-Ils proviennent de modifications post traductionnelles:4 hydroxy proline (importante dans structure collagne).N mthyl-lysine.-Slnocystine: vritablement cod par un codon stop: UGA. Cest le 21e aa.La slnocystine est un acide amin rare, qui entre dans la constitution de certaines protines (glutathion peroxydase...) que l'on nomme slnoprotines. Contrairement la plupart des acides amins rares (n'appartenant pas la srie des 20 acides amins communs aux polypeptides), la slnocystine n'est pas forme aprs la traduction de l'ARNm, mais intgr directement lors de la constitution de la chane polypeptidique. Il existe en effet un ARNt permettant l'intgration de cet acide amin dans la chane polypeptidique en formation.Contrairement ce que son nom laisse souvent penser la slnocystine est forme partir de la srine (et non de la cystine), o l'atome d'oxygne de la chane latrale est remplac par un atome de slnium.Pyrrolysine (cod par codon stop: UAG).-aa artificiels: ce sont des acides

    amins (NH2 en position terminale) linaire. Base en chimie des polyamides.

    B. Proprits gnrales des a-a.a) Lhydrophobicit est synonyme dapolarit.b) Charges et proprits acido-basiques:Cf AcAm 7.Sigmode:-1e point dinflexion: pK1 (pK du carboxyle (1/2 COOH, 1/2 COO-) entre pH 2 et 3.-pH isoionique (= pHi): sous forme ionise, neutre.pHi= 1/2 (pKi + pKj).Pour un aa monocarboxylique et monoamin: pKi = pK1 et pKj = pK2.aa dicarboxylique: pKi = pK1 mais pKj = pKr (pK de la chane latrale R).aa diamin: pKi = pKr et pKj = pK2.Au pHi, majorit des aa sous forme de zwitterion, mais 5 aa sont ioniss: aspartate (- et pKr = 3,6), glutamate (- et pKr = 4,2), lysine (+ et pKr = 10,5), histidine (pKr = 6,0), arginine (+ et pKr = 12,5).Lhistidine a un rle tampon important.Les aa se comporte comme des acides et des bases = amphotres.

  • -2e point dinflexion: pK2 (pK de lamine entre pH 9 et 10).De pK1 pK2 il y a dprotonisation.pK1 est le pH auquel la moiti des formes acides est sous forme dissocie.

    K est la constante dquilibre de la raction=

    H +[ ] A[ ]/

    HA[ ].pK= -log K.

    Les a-a ionisables ont une sigmode prsentant 3pK au lieu de 2.

    c) Spectre dabsorption (ou densit optique).Les radicaux des a-a cycle aromatique ont la proprit dabsorber les UV.Proline prsente un pic dabsorption 260nm, tyrosine a 280nm et tryptophane a 280nm aussi mais de manire beaucoup plus prononce.1 C* donne deux isomres optiques.Lensemble des possibilits = stroisomres.nantiomres (srie D et L)= 2 isomres optiques en miroir.Srie D: amine droite. Srie L: amine gauche (cest le plus courant). La srie varie en fonction des paramtres exprimentaux.

    d) Mis part la glycine, tous les a-a ont un C*.Le nombre disomres optiques possibles (= nantiomres= stroisomres) est dfinit par 2 exposant: nb de C*.Nous avons faire la L-asparagine dans leau mais la D-asparagine dans lHCl.Sur Terre, il nexiste que des sries L. Mais de rares micro-organismes terrestre ou extra terrestre contiennent des a-a de srie D.

    e) lectrophorse des a-a:Sur un support poreux, lon place des a-a avec une solution saline.Si pH solution > pHi, les a-a anoniques migrent vers lanode (+).Si pH solution < pHi, les a-a cationiques migrent vers la cathode (-).

    f) Proprits chimiques lies au groupe:Cf AcAm 8 15.-Capacit fixer un radical phosphate.-Oxydation de la cystine en cystine (= pont disulfure).-Formation dester.-Formation damide.-Dcarboxylation.-Dsamination.-Formation dimine.-Formation de drivs N-acyls.

    3. Les protines.Une protine est un assemblage da-a lis la suite les uns des autres.

  • Polypeptides < 100 rsidus < protines.

    A. Liaisons peptidiques.Caractristiques de la liaison:-Mobilit des lectrons entre O, C, amine et H.-Rigidit entre C, N, H et O.-Angle de rotation autour du C

    .-Prsence ventuelle de boucles dues un pont disulfure entre deux rsidus cystiniques. Le pont disulfure peut tre sur une mme chane (= intracatnaire) ou entre deux chanes (= intercatnaire).Rq: Le pont disulfure est une liaison covalente.

    Proprits physico-chimiques des protines:-Les protines ont un poids molculaire exprim sans units ou en Dalton (Da):1Da= 1 masse dH= 1 uma.1a-a= 110.-La solubilit varie en fonction du pH, (de la T) et de la force ionique ().La force ionique est proportionnelle la valence des ions.Si est faible

    faible concentration ionique.0: force ionique nulle donc concerne leau pure. pHi, solubilit minimum pour une protine considre.Cf Prot 7.Rq: les histones sont les seules solubles dans leau pure.Si la force ionique est trop grande, il y a prcipit (procd de relargage).Lon parle de caractre amphotre lorsqu la fois basique et acide. Le caractre amphotre des protines est uniquement port par la chane latrale.Pour toute protine, faible (diffrent de 0)

    solubilit maximum.Pour T= 37C

    solubilit normale.Si T > 40C

    solubilit baisse.

    Pour les protines, si pH > pHi, charge nette -, et si pH < pHi, charge nette +.

    Certains aa sont mthyl (mthyle, lysine) ou actyl (lysine,...) suite leur traduction.Joue un rle de rgulation dans histones.Phosphorylation: rgulation de lactivit enzymatique.Carboxylation sur aspartate, glutamate.Hydroxylation.Glycosylation: pour former glycoprotine.

    Cf Prot 13.

  • Le glutathion (= glutamate + cystine + glycocolle=

    glutamil-cystinyl-glycocolle) est le plus petit peptide, cest un transporteur dH, il peut exister sous forme rduite ou oxyde.Dans le glutathion, la cystine sert de rgulateur de ltat doxydation/rduction de la cellule.Rq: la liaison glutamate-cystine est une liaison avec carboxyle dans la chane latrale.Naturellement sous forme rduite car la forme oxyde

    ponts disulfures entre 2 glutathion.

    Insuline:Chane A (21 rsidus).Chane B (30 rsidus).Trois ponts disulfures dont 1 intracatnaire (en A) et 2 intercatnaires.

    B. La structure primaire.La structure primaire dun peptide ou dune protine est lordre dans lequel sont arrangs les a-a. Elle comprend les liaisons covalentes (et une partie des ponts disulfures).Le NH2 libre est lextrmit N-terminal, toujours crit gauche, par opposition lextrmit C-terminal, toujours crit droite.

    Les liaisons peptidiques relie le C*

    dun aa avec C et N donc amidification.Particularit:Trois angles (

    ,

    et

    ) dont un: entre N et O de 0 (cis) ou 180 (trans).Forme cis ne concerne que 10% des prolines.

    La structure I est rigide (ce qui assure la stabilit de la structure III).Pont disulfure si environnement oxydant (se trouve plus facilement lextrieur de la cellule car dans la cellule se trouve le glutathion, molcule rductrice).

    C. La structure secondaire.Disposition rgulire dans lespace des a-a proches. Cette disposition est uniquement fonction des rotations autour du C

    , dpendant de

    et de

    (= angle de rotation de la premire et deuxime liaison du C

    autre quavec R et H) et

    , ainsi que des liaisons H (concerne des aa proches). Elle se trouve stabilise par des liaisons covalentes.

    La liaison H est de faible nergie de type lectrostatique. Elle sopre entre un proton et un atome nuclophile. Elle stablit entre les chanes latrales daa.2 alcools entre eux, 2 acides entre eux ou 2 amines entre elles.Cest une force directionnelle: il faut quaccepteur, H et donneur soient aligns.

  • Il existe trois sortes de structure secondaire:-Hlice

    : avec un pas vers la droite de 3,6 aa mais parfois 3 comme dans le collagne. En laboratoire, il est possible dobtenir des hlice

    de pas gauche.Les hlices

    droites sont stabilises par des liaisons H avec des a-a(n) et des a-a(n+4). Les angles

    et

    sont bien dtermin. Si de N-term C-term lon tourne dans le sens horaire, il sagit dune hlice alpha D.Le centre de lhlice est vide mais de faible diamtre. Stabilis par des liaisons H. Concerne tous les aa sauf proline car pas damine pour liaison H et structure particulire.Rq: les hlice alpha G sont moins stables donc moins frquentes.Tous les CO et CH sont utiliss pour crer des liaisons H au sein de lhlice.Il existe des enroulement dhlices sur elle-mme ou entre-elles; lon parle denchevtrement. Cest le cas dans la myosine, la fibrine ou la kratine; il est intressant de noter que les protines fibrillaires ne contiennent que des hlices

    . Ces dernires confrent aux protines fibrillaires leurs rsistance ltirement, leur solubilit et leur duret (flexibilit variable).-Feuillet

    (ou pliss): structure caractrise par des repliements de chanes: structure parallle ou antiparallle (comme dans lADN). Les structures en feuillets

    antiparallles sont plus stables donc plus frquents que celles en parallles.La fibrone de la soie qui est une protine fibreuse est la seule ne comporter que des feuillets

    .Cest un enchanement plutt linaire, instabilit des brins

    mais stabilit du feuillet

    (union de deux brins ou union de 2 segments du mme brin).-Coude

    : relie deux feuillets

    , antiparallles via 3 aa (dont la glycine et la proline) ncessaires la formation du coude

    .Glycine du fait de sa petitesse et proline du fait de sa forme.

    D. La structure tertiaire.Assemblage des formes cellulaires cest dire des structures II (hlice

    , feuillets et coudes

    ) dans les trois directions de lespace par pliage de chanes.Stabilis par lensemble des liaisons qui existe en biochimie (une partie des ponts disulfures, liaisons H, liaisons hydrophobes et liaisons lectrovalente).Maintient de la structure: 300 KJ/mol (liaison covalente).Liaison lectrostatique (entre charges opposes: basique (lysine, histidine, arginine) et acides (aspartate, glutamate).Pont salin.Liaison de Van der Waals: non spcifique, uniquement du proximit de 2 atomes spars par une distance idale de 0,3 nm. Force importante quand complmentarit des formes.Liaison hydrophobe: concerne aa hydrophobe (alanine, valine, leucine et isoleucine) + aa aromatique (phnylalanine et tyrosine).

  • Stabilisation de boucles en reliant des a-a voisins ou non, ce dernier cas tant dailleurs le plus frquent.Si les protines fibrillaires nont quun seul type de structure (secondaire), ce nest pas le cas des protines globulaires qui, comportant des hlices

    et des feuillets

    , sont sujettes au compactage confr par la structure tertiaire.La structure tertiaire dtermine le site actif.Classification des protines:-protines globulaires: trs soluble, joue un rle important dans mtabolisme. Tous les enzymes sont des protines globulaires (h

    et f

    ).-protines fibrillaires: protines de structure riche en h

    (au moins 55% mais peut aller jusqu 70%). Elles sont insoluble et rsistante (ex: kratine).

    La ribonuclase, enzyme qui clive lARN, comporte 124 rsidus a-a et 4 ponts disulfures. Par adjonction dure et de

    mercapto (signifie prsence de soufre) thanol, nous obtenons une pelote statistique cest dire sans activit enzymatique, du fait que les ponts disulfures ont t limins. Par dialyse, lure et le

    mercapto thanol sont rejets pour redonner la ribonuclase. Toutefois, si lon retire lure dans un premier temps, la molcule ne retrouvera que 1% de son activit enzymatique.Le fait que la molcule se reconstitue si vite reste un mystre car compter de 10

    13s pour essayer une possibilit, le temps serait casi infini. Lon suppose que les structures secondaires participent grandement lacclration de la reconstitution.

    Toutes les molcules ne se replient pas spontanment, elles sont guides par des molcules chaperons pour se replier.Structure III ncessite liaison H avant pont disulfure.

    Dnaturation des protines.-Dnaturation thermique.Engendre coagulation (emprisonnement des molcules deau).-Dnaturation par pH.Structure III disparat.-Dnaturation chimique.Mtaux lourds vont rompre ponts salins.Dtergents amphipatiques (

    supprime liaison hydrophobe).

    Le collagne:1/4 de la masse protique du corps.Structure I: proline, hydroxyproline et glycine.Hlice G 3 rsidus par tour donc plus compact quhlice

    .Pas stabilis par pont H interne.Fibrille de collagne: super hlice de 3 brins qui sont associes et tournent D.

  • Stabilisation par liaison H interchane.Lhyrdoxyproline est indispensable cette structure. Proline hydroxyle en 4. Lhydroxylation ncessite un cofacteur: la vit C.La dnaturation thermique du collagne donne la glatine.

    La kratine:Cest une protine fibreuse. Structure en hlice

    droite, stabilise par liaisons hydrognes dans mme sens que la fibre ce qui permet des tirements (jusqu feuillet

    ).Trois fibres en h

    sentourent entre elles en hlice qui tourne gauche. Ces fibres sont relies par des ponts disulfures pour former une protofibrille.

    E. La structure quaternaire.Rsultat de liaisons non covalentes (donc hydrogne ou lectrostatique) entre a-a de chanes polypeptidiques spares (= sous units) donc structure quaternaire lorsquil y a agglomration de plusieurs sous units ensemble.Lhmoglobine comporte 4 sous units, la pyruvate DH: 102 sous units.Les liaisons sont dtruites par les agents dnaturants tels que lure,...Les liaisons entre plusieurs sous units impliquent une relation dans lespace. Si une sous unit est modifie, toute la structure est altre.Histones, constituants des nuclosomes sont associs en plusieurs sous units.

    Rappelons quune sous unit est une chane da-a constituants la structure quaternaire de la protine.Un polymre est un assemblage de protomres (quand les sous units sont diffrentes) ou de monomres (quand les sous units sont identiques).Rq: protomre = monomre = chacune des parties quivalentes dune structure rptitive (= polymre).Ces lments sassocient par des surfaces complmentaires qui sembotent.Oligomre < 6-8 sous units < polymre.

    Hb: 2 sous units

    et 2 sous units

    . Cest une association de deux protomres

    donc cest un dimre.Quand les sous units sont toutes identiques, on parle dhomopolymre.Quand les sous units sont toutes diffrentes, on parle dhtromre.

    Groupement prosthtique + apoprotine (= protine mais cest le terme appropri dans cette raction)= htroprotine.-Groupements esters phosphate -OPO

    3H

    2: phosphoprotines (protines du lait= casines).-Groupements esters sulfate -OSO

    3H: sulfoprotines.-Groupements osidiques: glycoprotines (ex: immunoglobuline).-Molcules lipidiques: lipoprotines.

  • -Atomes de mtal: mtalloprotines.-Pigment (substance colore): chromoprotines.-Acide nuclique: nucloprotines (ribosomes).

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