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Avenue de l'Hôpital, 1, B-4000 LIEGE
CATEGORIE PARAMEDICALE
Formation de bachelier en Biologie Médicale
1ère année CHU-B36/ Tour 4 / Bureau 4/35
Tél. : 04 / 366 43 70 / Fax : 04 / 366 43 74
Email : [email protected] Website : www.biomedcharlemagne.be
Biochimie Part I 2009-2010
Steve Gillet, D. Sc. Email : [email protected]
Website : http://perso.latribu.com/shagar
Biochimie Part I
Note : Le texte ci-dessous est extrait de « En bref… Biochimie structurale et métabolique »
2ème édition de Christian Moussard aux éditions de boeck.
Sommaire 0. Introduction ........................................................................................................................... 4
Organisme vivant .............................................................................................................. 4
Conservation ..................................................................................................................... 4
Perpétuation ...................................................................................................................... 4
Energie et matière ............................................................................................................. 4
Biochimie ........................................................................................................................... 5
1. Les acides aminés : structure et propriétés .......................................................................... 6
Définition ........................................................................................................................... 6
Importance biologique ....................................................................................................... 6
Classification ..................................................................................................................... 7
Les séries D et L ............................................................................................................. 11
Le caractère amphotère .................................................................................................. 13
Les principales réactions des acides aminés .................................................................. 14
2. Les protéines : Structure et propriétés ............................................................................... 14
Définition ......................................................................................................................... 14
Importance biologique ..................................................................................................... 15
Classification ................................................................................................................... 16
2.1. Liaison peptidique et structure primaire ....................................................................... 16
2.2. Les structures supérieures .......................................................................................... 18
3. Bioénergétique ................................................................................................................... 18
3.1. Variation d’énergie libre standard ∆G°’ ........................................................................ 19
3.2. Variation d’énergie libre ∆G ......................................................................................... 20
3.3. Les 5 conséquences pratiques .................................................................................... 21
1ère conséquence ............................................................................................................ 21
2ème conséquence ........................................................................................................... 22
Gillet Steve, D.Sc. -1-
Biochimie Part I
3ème conséquence ........................................................................................................... 22
4ème conséquence ........................................................................................................... 22
5ème conséquence ........................................................................................................... 23
3.4. Energie libre d’activation ∆G# ...................................................................................... 23
3.5. Variation d’énergie libre ∆G et potentiel rédox ............................................................ 25
4. Les enzymes ...................................................................................................................... 27
4.1. Définition et propriétés ................................................................................................. 27
5. Les coenzymes .................................................................................................................. 28
5.1. Définition et propriétés ................................................................................................. 28
6. Les glucides : Structure et propriétés ................................................................................. 29
Définition ......................................................................................................................... 29
Importance biologique ..................................................................................................... 29
Classification ................................................................................................................... 30
6.1. Les monosaccharides .................................................................................................. 31
Classification ................................................................................................................... 31
Les séries D- et L- ........................................................................................................... 32
La structure cyclique ....................................................................................................... 36
Les principales réactions ................................................................................................. 38
Résumé Stéréoisomérie .................................................................................................. 39
6.2. Les disaccharides ........................................................................................................ 39
6.3. Oligosaccharides et glycoprotéines ............................................................................. 41
6.4. Les polysaccharides .................................................................................................... 43
6.5. Glycosaminoglycanes et proteoglycanes .................................................................... 43
6.6 Les peptidoglycanes ..................................................................................................... 44
12. Les lipides : structure et propriétés .................................................................................. 45
Définition ......................................................................................................................... 45
Classification ................................................................................................................... 46
Importance biologique ..................................................................................................... 48
12.1. Les acides gras .......................................................................................................... 48
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Biochimie Part I
12.2. Les triglycérides ......................................................................................................... 51
12.3. Les glycérophospholipides ........................................................................................ 52
12.4. Les sphingolipides ..................................................................................................... 53
12.5. Les isoprénoïdes ....................................................................................................... 54
27. Le mécanisme des nucléotides ........................................................................................ 56
27.1. Qu’est-ce ? ................................................................................................................ 56
Les bases ........................................................................................................................ 56
Les pentoses ................................................................................................................... 58
Les nucléosides et nucléotides ....................................................................................... 58
27.2. Pourquoi ? ................................................................................................................. 60
27.3. Où ? ........................................................................................................................... 61
27.4. Comment ? ................................................................................................................ 61
Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques ......................................... 61
Catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques .................................................. 61
28. Le métabolisme de l’hème ............................................................................................... 62
28.1. Qu’est-ce ? ................................................................................................................ 62
28.2. Pourquoi ? ................................................................................................................. 62
28.3. Où et comment ? ....................................................................................................... 63
Gillet Steve, D.Sc. -3-
Biochimie Part I
0. Introduction
Organisme vivant
Un organisme vivant est une structure complexe ayant pour fins de se conserver
(individuellement) et de se perpétuer (globalement) en usant de la matière et de l’énergie
prélevées dans l’environnement.
Il est programmé par un génotype, dont l’ADN (Acide DésoxyRibonucléique) est le
support chimique. C’est l’ensemble des informations qui donne une description complète de
cet organisme. Ce dernier possède également un phénotype qui est l’expression
structurelle et fonctionnelle de ce génotype, en interaction avec l’environnement.
Le phénotype est sous la dépendance du génotype : toutes les réactions
biochimiques sont catalysées par des enzymes, protéines dont la synthèse est gouvernée
par le génotype.
Conservation
La conservation de la structure d’un organisme vivant se fait au niveau du génotype
grâce à la réplication de l’ADN qui précède la mitose des cellules somatiques et au
niveau du phénotype grâce à la matière et l’énergie prélevées dans l’environnement. Cette
conservation exige :
- Un travail chimique réalisé au cours du métabolisme qui comprend :
o Le catabolisme : ensemble des réactions qui extraient l’énergie et la matière
des molécules complexes.
o L’anabolisme : ensemble des réactions qui utilisent l’énergie et la matière
pour la synthèse de molécules complexes.
- D’autres travaux cellulaires : osmostique, électrique, mécanique, etc. réalisés
grâce à l’énergie libérée par le catabolisme.
Perpétuation
La perpétuation de la structure d’un organisme vivant se fait au niveau du
génotype, grâce à la réplication de l’ADN qui précède la méiose dans les cellules
germinales.
Energie et matière
La possibilité de prélever de l’énergie et de la matière dans l’environnement pour
fournir un travail biologique est une propriété fondamentale des organismes vivants. Deux
stratégies sont possibles :
Gillet Steve, D.Sc. -4-
Biochimie Part I
- Celle des organismes autotrophes photosynthétiques qui utilisent l’énergie des
photons solaires et des molécules simples (minérales, CO2, H2O, etc.) comme
source de C, H, et O.
- Celle des organismes hétérotrophes qui utilisent l’énergie chimique de molécules
complexes (d’autotrophes ou d’autres hétérotrophes) et comme matière des
molécules plus simples issues de la dégradation de ces molécules complexes.
Sont restitués à l’environnement une partie de l’énergie sous forme de chaleur et des
molécules simples qui seront recyclées.
Le carbone, principal élément de la matière organique, est globalement réduit (par
exemple le motif CH2 dans les acides gras). Le carbone minéral sous forme de CO2 est
oxydé. La photosynthèse réduit le carbone minéral en carbone organique grâce à
l’énergie solaire. La respiration cellulaire oxyde le carbone organique en carbone
minéral, ce qui produit de l’énergie.
L’énergie libérée par les réactions suffisamment exergoniques du catabolisme
n’est pas utilisée telle quelle par les réactions endergoniques de l’anabolisme et lors de
l’exécution des autres travaux cellulaires : elle est d’abord convertie en « monnaie ATP ».
L’énergie libérée par les réactions d’oxydation du catabolisme n’est pas utilisée
telle quelle par les réactions de réduction de l’anabolisme : elle est conservée dans des
transporteurs d’électrons (NADH,H+, FADH2 et NADPH,H+). La plus grande part de la
« monnaie-redox » NADH,H+ et FADH2 est échangée contre de la « monnaie ATP » au
cours de la respiration cellulaire. Quant au NADPH,H+, il est utilisé à des synthèses
réductrices.
Biochimie
Si l’on définit la biochimie comme la science qui a pour objet l’étude des
réactions chimiques (chimie) ayant lieu au sein de la matière vivante (bio) :
- La biochimie génétique a pour objet l’étude des réactions chimiques qui
permettent la conservation et la perpétuation de la structure vivante au niveau
du génotype. La biologie moléculaire y ajoute la dimension technique d’étude et de
modification des gènes et des leur expression.
- La biochimie structurale et métabolique a pour objet l’étude de la structure et des
propriétés chimiques des molécules constituant la matière vivante (structurale)
ainsi que des réactions chimiques permettant la transformation et l’utilisation de la
matière et de l’énergie prélevées dans l’environnement pour assurer la conservation
de la structure vivante au niveau phénotypique (métabolique).
Gillet Steve, D.Sc. -5-
Biochimie Part I
- La biochimie de l’information a pour objet l’étude des réactions chimiques par
lesquelles communiquent les différents niveaux d’organisation de la structure
vivante (organites, cellules, organes, systèmes) entre eux et en relation avec
l’environnement.
1. Les acides aminés : structure et propriétés
Définition
Les acides aminés sont des molécules qui possèdent à la fois une fonction acide
carboxylique et une fonction amine primaire portées par un même atome de carbone,
l’atome de carbone α (ou C-2, C-1 étant celui de l’acide carboxylique). Ils diffèrent par la
nature de la chaîne latérale R.
COOH
CHH2N
R
fonction carboxylique
fonction amine
chaîne latérale
carbone α
Parmi les acides aminés standard, une exception : la proline dont la fonction amine
(secondaire) est incluse dans un cycle.
Plus de 300 acides aminés ont été inventoriés. On distingue :
- Les 20 acides aminés constitutifs des protéines naturelles ou acides aminés
standards (quelle que soit leur origine, virale, bactérienne, végétale ou animale) : ils
sont codés par l’ADN et incorporés dans la chaîne polypeptidique des protéines lors
de la traduction de l’ARNm ;
- Et les autres… que l’on trouve soit à l’état libre, soit dans de petits peptides
synthétisés par des µ-organismes ou des végétaux.
Importance biologique
Le rôle des acides aminés est multiple :
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Biochimie Part I
- structural : ils sont les monomères des protéines ; leur nature, l’ordre dans lequel
ils s’enchaînent, leurs rapports spatiaux mutuels sont les déterminants de la structure
et de la fondation des protéines ;
- énergétique : ils peuvent être, comme le glucose, les acides gras et les corps
cétoniques, substrats énergétiques ;
- métabolique : ils sont précurseurs plus ou moins directs de molécules d’intérêt
biologique, leur catabolisme fournissant des atomes et groupements d’atomes utilisés
lors de réaction de synthèse ;
- fonctionnel : certains ont en soi des propriétés biologiques importantes (par
exemple, la glutamine qui intervient dans la transmission de l’influx nerveux).
Classification
Les acides aminés protéiques peuvent être classés :
- Selon la structure de la chaîne latérale R, qui peut être :
o Aliphatique (16)
Hydrocarbonée (6) linéaire (Gly, Ala, Pro) ou branchée (Val, Leu, Ile)
A fonction alcool (2) (Ser, Thr)
A fonction soufrée (2) (Cys, Met)
A fonction acide (et amide correspondante) (4) (Asp, Asn, Glu, Gln)
A fonction basique (2) (Lys, Arg)
o Aromatique (4) (Phe, Tyr, Trp, His)
- Selon la polarité de la chaîne latérale R, qui peut être :
o Polaire (11) :
Non ionisable (6) (Ser, Thr, Asn, Gln, Cys, Tyr)
Ionisable (5) (Asp, Glu, Lys, Arg, His)
o Non polaire (9) (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro)
Cette dernière classification est utile quant à la structure tridimensionnelle des
protéines et quant aux modes d’association des protéines avec d’autres molécules :
- les acides aminés à chaîne latérale polaire non ionisable contractent des liaisons hydrogènes (environ 10 x plus faible qu’une liaison covalente) ;
- les acides aminés à chaîne latérale polaire ionisable contractent des liaisons
ioniques ;
- les acides aminés à chaînes latérales non polaires contractent des liaisons
hydrophobes (environ 20 x plus faible qu’une liaison covalente) ;
- tous les acides aminés, par leur chaîne latérale, peuvent contracter des liaisons de
van der Waals (environ 40 x plus faible qu’une liaison covalente) ;
Gillet Steve, D.Sc. -7-
Biochimie Part I
Le tableau ci-dessous reprend l’ensemble des 20 acides aminés standards ainsi que leur
notation à 3 ou 1 lettres.
Classement
(structure) Structure Nom (Notation 3 lettres ou 1 lettre)
Classement
(polarité)
Alip
hatiq
ue
Hyd
roca
rbon
ée
COOH
CHH2N
H
Glycine (Gly ou G)
Non
pol
aire
COOH
CHH2N
CH3
Alanine (Ala ou A)
COOH
CHH2N
Valine (Val ou V)
COOH
CHH2N
Leucine (Leu ou L)
COOH
CHH2N
Isoleucine (Ile ou J)
COOH
CHHN
Proline (Pro ou P)
Gillet Steve, D.Sc. -8-
Biochimie Part I
Alc
ool
COOH
CHH2N
HO
Sérine (Ser ou S)
Pol
aire
non
ioni
sabl
e
COOH
CHH2N
HO
Thréonine (Thr ou T)
Sou
frée
COOH
CHH2N
HS
Cystéine (Cys ou C)
COOH
CHH2N
S
Méthionine (Met ou M)
Non
pol
aire
Aci
de
COOH
CHH2N
HOOC
Acide aspartique (Asp ou D)
Pol
aire
ioni
sabl
e
COOH
CHH2N
H2NOC
Asparagine (Asn ou N)
Pol
aire
non
ioni
sabl
e
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Biochimie Part I
COOH
CHH2N
COOH
Acide glutamique (Glu ou E)
Pol
aire
ioni
sabl
e
COOH
CHH2N
CONH2
Glutamine (Gln ou Q)
Pol
aire
non
ioni
sabl
e
Bas
ique
COOH
CHH2N
NH2
Lysine (Lys ou K)
Pol
aire
ioni
sabl
e
COOH
CHH2N
NH
CNH
NH2
Arginine (Arg ou R)
Aro
mat
ique
COOH
CHH2N
Phénylalanine (Phe ou F)
Non
pol
aire
Gillet Steve, D.Sc. -10-
Biochimie Part I
COOH
CHH2N
HO
Tyrosine (Tyr ou Y)
Pol
aire
non
ioni
sabl
e
COOH
CHH2N
HN
Tryptophane (Trp ou W)
Non
pol
aire
COOH
CHH2N
NH
N
Histidine (His ou H)
Pol
aire
ioni
sabl
e Les séries D et L
L’atome de carbone α des acides aminés (à l’exception de la glycine) est un atome
de carbone asymétrique. Il existe deux stéréoisomères de chaque acide aminé, qui sont
l’image spéculaire l’un de l’autre, ce sont donc deux énantiomères. En biochimie, il est
courant d’utiliser la projection de Fisher comme mode de représentation des molécules.
C’est d’ailleurs représentation que nous avons utilisé ci-dessus, au moins pour le carbone α.
Dans ce type de projection, les substituants à gauche et à droite sont hors du plan, vers le
lecteur. Puisque la notation D-, L- est basée sur le glycéraldéhyde (un glucide et non un
acide aminé), nous allons utiliser ce composé comme exemple. La fonction aldéhydique (ou
cétone dans le cas d’autres glucides, ou acide dans le cas des acides aminés) est
positionnée dans le haut. La notation D- pour le glycéraldéhyde correspond à un hydroxyde
(une amine, dans les cas des acides aminés) à droite (D- droite… mnémotechnique). La
notation L- pour le glycéraldéhyde correspond à un hydroxyde (une amine, dans les cas des
acides aminés) à gauche (L- left… mnémotechnique). Il est important de ne pas confondre
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Biochimie Part I
cette notation avec la notation d-/l- qui fait référence à la rotation spécifique des molécules
organiques ; notation à laquelle nous préférerons d’ailleurs la notation + / -, moins sujette à
confusion. A noter, d’ailleurs que la notation D-/L- ne donne aucune information quant à la
rotation spécifique de l’acide aminé.
HO H
O
OH
L-Glycéraldéhyde(S)-(-)-glycéraldéhyde
HO H
O
OH
D-Glycéraldéhyde(R)-(+)-glycéraldéhyde
H O
OHH
CH2OH
H O
OHH
CH2OH
H O
HHO
CH2OH
H O
HHO
CH2OH
ROH
O
NH2
L-acide aminé
ROH
O
NH2
D-acide aminé
HO O
NH2H
R
HO O
NH2H
R
HO O
HH2N
R
HO O
HH2N
R
Gillet Steve, D.Sc. -12-
Biochimie Part I
En règle générale, les acides aminés naturels présents dans les protéines
appartiennent à la série L, mais les exceptions ne sont pas rares, tant chez les eucaryotes
que chez les procaryotes.
Le caractère amphotère
Les acides aminés possèdent au moins deux groupements ionisables, le
groupement acide carboxylique et le groupement amine : ils sont amphotères et existent
sous différentes formes ionisées selon le pH. A pH acide, le groupement aminé peut fixer un
proton et il apparaît un cation, tandis qu’à pH alcalin, le groupement carboxyle peut céder un
proton et il apparaît un anion.
Dans le cas simple d’un acide aminé neutre (par opposition aux acides aminés
acides et basiques) :
- Au pK d’un groupement ionisable donné, il y a autant de molécules ionisées que de
molécules non ionisées (ex. : au pKCOOH il y a 50 % COOH et 50 % COO-.
- Au pHi (pH isoélectrique), à mi-distance entre les deux pK, l’acide aminé est le plus
dissocié et sa charge nette est nulle.
o Sa solubilité dans l’eau est minimale : à pHi, les molécules, globalement
neutres, n’ont pas tendance à se repousser, mais au contraire à s’agréger au
gré d’interactions mutiples : tandis qu’aux autres pH, elles sont chargées et
leur répulsion lest maintient en solution.
o Il ne migre pas dans un champ électrique à courant continu (électrophorèse).
COOH
+H3N H
R
COO-
+H3N H
R
COO-
H2N H
R
pH alcalin
pHi
pH a
cide
La forme non ionisée d’un acide aminé ne peut donc exister à aucun pH et s’est
simplement par commodité qu’il est représenté comme tel.
Toujours dans le cas d’un acide aminé neutre, le pKCOOH est de l’ordre de 2 et le
pKNH2 de l’ordre de 10. Donc à pH 7, les groupements -COOH et -NH2 sont presque
totalement ionisés : la charge nette est nulle. Les acides aminés acides et basiques
possèdent sur leur chaîne latérale un groupement ionisable supplémentaire. Pour
l’aspartate, le pKCOOH « latéral » est de l’ordre de 4 ; pour la lysine, le pKNH2 « latéral » est de
l’ordre de 12. Ainsi, à pH 7, les acides aminés acides ont leurs groupements carboxyles
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Biochimie Part I
presque totalement ionisés et leur charge nette est égale à -1 ; les acides aminés
basiques ont leurs groupements aminés presque totalement ionisés, leur charge nette
est égale à +1.
Puisque les groupements α-carboxyle et α-aminé des acides aminés (sauf les –
COOH et –NH2 terminaux) sont engagés dans les liaisons peptidiques de la chaîne
polypeptidique, la charge nette des protéines dépend essentiellement de la charge des
chaînes latérales des acides aminés acides et basiques.
Les principales réactions des acides aminés
La double fonction carboxyle et aminée confère aux acides aminés de multiples
possibilités de réaction qui seront éventuellement étudiées ultérieurement.
2. Les protéines : Structure et propriétés
Définition
Les protéines sont des polymères linéaires d’acides aminés unis par une liaison
amide, dite liaison peptidique, établie entre le groupement α-carboxyle de l’un et le
groupement α-aminé du suivant.
H2N
HN
NH
HN
OH
O
R1
Ri
O Ri+1
O Rn
O
Liaison peptidique
ExtrémitéN-terminale
ExtrémitéC-terminale
Deux acides aminés unis par une liaison peptidique forment un dipeptide, trois acides
aminés un tripeptide, un petit nombre d’acides aminés un oligopeptide, quelques dizaines
d’acides aminés (n < 100) un polypeptide, au-delà une protéine. La plupart des protéines
comptent entre 100 et 2000 résidus d’acide aminés. La masse moléculaire moyenne d’un
résidu étant de 110 daltons, la masse moléculaire d’une protéine varie entre 11 000 et 220
000 daltons.
Toutes les protéines de toutes les espèces (du virus à l’Homme), sont construites à
partir de 20 acides aminés. Le nombre de combinaison est illimité (20n pour une protéine de
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Biochimie Part I
n acides aminés). De plus, après leur synthèse, les protéines peuvent se lier à d’autres
molécules de nature non protéique, ce qui augmente encore la diversité de leur structure.
Sauf aux extrémités de la chaîne, tous les acides aminés sont engagés dans 2
liaisons peptidiques, l’un par son groupement aminé avec le précédent, l’autre par son
groupement carboxyle avec le suivant. Ils perdent donc leur identité d’acides aminés et sont
appelés résidus.
Par convention, l’acide aminé porteur du groupement aminé libre (acide aminé N-
terminal) est l’acide aminé n°1 de la chaîne polypeptidique et l’acide aminé porteur du
groupement carboxyle (acide aminé C-terminal) est le dernier acide aminé.
Importance biologique
Les protéines sont des molécules biologiques de première importance
quantitative (elles constituent plus de la moitié de la masse sèche des cellules) et
qualitative (elles participent presque toutes à des fonctions cellulaires).
Leurs rôles sont multiples. Il n’y a pas de biomolécules qui aient autant de fonctions
cellulaires, comme il n’y a presque pas de fonctions cellulaires qui leur échappent. La liste
simplifiée qui suit, illustrée d’exemples, les classe dans un ordre mnémotechnique :
- Protection : anticorps ;
- Régulation : les protéines participent à la communication intra- et intercellulaire qui
permet la coordination du métabolisme au niveau de la cellule et entre différents
niveaux de l’organisation hiérarchique des organismes multicellulaires, ex. : facteurs
de transcription, hormones et récepteurs ;
- mOuvement : l’actine et la myosine sont les protéines de la contraction musculaire,
la dyénine est la protéine des cils et flagelles qui meuvent nombre de cellules ;
- Transport : l’hémoglobine transporte l’O2 des poumons vers les tissus et le CO2 des
tissus vers les poumons, les lipoprotéines plasmatiques transportent les lipides entre
leurs sites métaboliques, les protéines intrinsèques transportent ions et molécules à
travers les membranes cellulaires ;
- Energie : les protéines sont des réserves d’acides aminés en tant que substrats
énergétiques : ex. l’ovalbumine du blanc d’œuf, la caséine du lait, les protéines des
graines qui nourrissent la descendance, les protéines musculaires chez l’Homme et
les animaux (en cas de besoin) ;
- Influx Nerveux : ex. la rhodopsine est la protéine photoréceptrice des cellules en
bâtonnet de la rétine ;
- Enzymes : catalyseurs de réactions biochimiques
Gillet Steve, D.Sc. -15-
Biochimie Part I
- Structure : les protéines soutiennent et protègent les structures biologiques : ex. le
collagène du tissu conjonctif animal, la kératine des phanères, la tubuline est
microtubules du cytoplasme.
Classification
On classe les protéines selon leur composition :
- en holoprotéines, dont la molécule n’est composée que d’acides aminés,
- et hétéroprotéines, dont la molécule comporte en plus une partie non protéique
(appelée groupement prosthétique) : glucides, lipides, acides nucléiques, ions
métalliques, etc.
On classe encore selon leur forme globale :
- en protéines globulaires :
o leur rapport axial (rapport de la dimension la plus grande à la dimension la
plus petite) est inférieur à 10 : elles sont sphéroïdes ;
o elles sont solubles dans l’eau ;
o elles ont été les plus étudiées car à cette catégorie appartiennent les
enzymes, les hormones, les anticorps, etc.
- en protéines fibreuses :
o leur rapport axial est supérieur à 10 : elles sont filiformes ;
o elles sont insolubles dans l’eau ;
o elles remplissent des fonctions structurales ou protectrices
- en protéines mixtes, mi-globulaires mi-fibreuses, ex. : la myosine.
2.1. Liaison peptidique et structure primaire
Théoriquement, la liaison peptidique s’établit par élimination d’une molécule d’eau
entre le groupement carboxyle d’un acide aminé et le groupement aminé de l’acide aminé
suivant :
H2NHC COOH
R1
H2NHC COOH
R2
- H2OH2N
HC
R1
O
NHHC
R2
COOH
liaisonpeptidique
En fait la réaction, endergonique, est beaucoup plus complexe mais nous n’entrerons
pas dans les détails pour ce cours.
La liaison peptidique –CO-NH- est un hybride de résonance dans lequel les
électrons du doublet de l’azote et les électrons π de la liaison C=O occupent la même
orbitale délocalisée entre les atomes d’azote et d’oxygène.
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Biochimie Part I
N
O
H
N
O
H La liaison C-N a donc le caractère d’une double liaison partielle. Ainsi la liaison
peptidique est très stable, plane et rigide (la rotation autour de la liaison C-N est
impossible). La liaison peptidique s’inscrit dans un parallélogramme dont deux des sommets
opposés sont occupés par les atomes de carbone α et les deux autres par les atomes
d’hydrogène et d’oxygène (H et O étant presque toujours en trans par rapport à la liaison C-
N).
NN
N
versextrémitéN-terminale Ri-1
OH
H
Ri
O
H O
Ri+1
versextrémitéC-terminale
rotations impossibles
rotations possibles
Φ α Ψα α
Bien que la liaison peptidique soit rigide et plane, 2 liaisons peptidiques consécutives
peuvent pivoter autour du carbone α commun, dans la limite des contraintes stériques : la
chaîne polypeptidique est un collier de parallélogrammes articulés autour des sommets
opposés.
Par convention, l’angle de rotation autour de la liaison Cα-N est désigné par la lettre
Φ et l’angle de rotation autour de la liaison Cα-C par la lettre Ψ. Le plan de référence est
celui passant par N, Cα et C de –CO. La valeur absolue de l’angle est compris entre 0 et
180°, le signe est négatif si la rotation a lieu dans le sens des aiguilles d’une montre et positif
dans le cas contraire. Les angles Φ et Ψ définissent les positions relatives des deux liaisons
peptidiques autour du carbone α commun. Pour des raisons stériques (les atomes sont trop
voisins et se gênent mutuellement), la plupart des valeurs de Φ et de Ψ ne sont pas
permises. Celles qui sont autorisées déterminent les structures secondaires des protéines.
Gillet Steve, D.Sc. -17-
Biochimie Part I
2.2. Les structures supérieures
L’architecture des protéines comporte, outre la structure primaire (séquence des
acides aminés, en tant que nombre, nature et position des résidus unis par liaison
peptidique dans la chaîne polypeptidique, qui traduit la séquence des codons de l’ARN
messager) trois niveaux de structures supérieures :
- la structure secondaire :
o elle est due aux relations dans l’espace des résidus proches les uns des
autres dans la chaîne polypeptidique ;
o elle est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les –CO et –NH
peptidiques ;
- la structure tertiaire :
o elle est due aux relations dans l’espace des résidus éloignés les uns des
autres dans la chaîne polypeptidique ;
o elle est stabilisée par des liaisons hydrogène, de van der Waals,
hydrophobes, ioniques et (éventuellement) des ponts disulfures entre les
chaînes latérales des résidus ;
- la structure quaternaire :
o elle est due aux relations dans l’espace de différentes chaînes
polypeptidiques qui composent une même protéine ;
o elle est stabilisée par les mêmes liaisons que la structure tertiaire, à
l’exception des ponts disulfures (sauf exception de l’exception ☺ ).
Les protéines fibreuses n’ont ni structure tertiaire ni structure quaternaire et
leur structure secondaire associe plusieurs molécules différentes.
3. Bioénergétique Devant une réaction biochimique, le biochimiste se pose la question suivante : des
conditions étant données, en particulier de concentration des réactants, dans quel
sens a lieu cette réaction : aller ou retour ? Vers la droite ou vers la gauche ? La bio-
énergétique, ou thermodynamique appliquée à la biochimie, qui étudie les variations
d’énergie associées aux réactions biochimiques, permet de répondre à cette question.
Soit la réaction réversible (toute réaction biochimique l’est, théoriquement) :
A + B C + DV1
V2 A, B, C et D étant dits réactants. Cette réaction a lieu simultanément dans les deux sens, à
des vitesses différentes :
Gillet Steve, D.Sc. -18-
Biochimie Part I
- dans le sens aller, à la vitesse :
v1 = k1 [A] [B]
o A et B sont dits substrats et C et D produits,
o k1 est la constante de vitesse de la réaction aller ;
- dans le sens retour, à la vitesse :
v2 = k2 [C] [D]
o C et D sont dits substrats et A et B produits,
o k2 est la constante de vitesse de la réaction retour ;
A l’équilibre :
v1 = v2
ou : k1 [A]éq [B]éq = k2 [C]éq [D]éq
ou : k1/k2 = Kéq = [C]éq [D]éq / [A]éq [B]éq
- Kéq, rapport des constantes de vitesse (aller/retour), est la constante d’équilibre de
la réaction considérée de la gauche vers la droite,
- [A]éq, [B]éq, [C]éq et [D]éq sont les concentrations des réactants à l’équilibre.
Pour des concentrations initiales de même ordre de grandeur des réactants :
- si k1 est supérieur à k2, l’équilibre s’établira du côté de C et D,
- si k1 est inférieur à k2, l’équilibre s’établira du côté de A et B.
Cela dit, il en est de même pour des concentrations initiales des réactants différentes,
les proportions de A, B, C et D restant inchangées à l’équilibre.
La réaction – théoriquement réversible – est dite complète dans un sens si, à
l’équilibre, les concentrations des produits sont très supérieures à celles des substrats.
3.1. Variation d’énergie libre standard ∆G°’
Les molécules A, B, C et D ont une énergie libre (énergies de vibration, rotation et
translation de la molécule et énergie des liaisons interatomiques) GA, GB, GC et GD,
respectivement. La différence d’énergie libre entre C et D (état final si on considère la
réaction de la gauche vers la droite) d’une part et A et B (état initial) d’autre part est
appelée variation d’énergie libre ∆G :
∆G = Gproduits - Gsubstrats
soit : ∆G = (GC + GD) – (GA + GB) (état final – état initial)
∆G est exprimé en kilojoule par mole (kJ mol-1), ou, anciennement en kilocalories par
mole (kcal mol-1) (1 cal = 4,187 J).
Si la réaction était considérée dans le sens retour, ∆G aurait la même valeur absolue,
mais serait de signe opposé.
Gillet Steve, D.Sc. -19-
Biochimie Part I
Comme l’eau s’écoule du haut vers le bas de la montagne, toute réaction a lieu
spontanément des molécules dont l’énergie libre est la plus grande vers celles sont
l’énergie libre est la plus petite, c'est-à-dire dans le sens d’une ∆G négative.
Dans les conditions standard pour les biochimistes, c'est-à-dire : à la pression P
de 101,3 kPa (1 atm), à pH 7, avec des concentrations initiales en substrats de 1 M, on
définit la variation d’énergie libre standard pour les biochimistes ∆G°’ (le signe ° renvoie
aux conditions standard et le signe ‘ au pH 7). On démontrera (dans le cours de chimie
physique) que :
∆G°’ = - RT lnKéq
avec :
R, constante des gaz parfaits = 8,314 J mol-1 K-1
T, température en K
lnKéq = logarithme népérien de la constante d’équilibre Kéq = [C]éq [D]éq / [A]éq [B]éq
A noter que lorsque l’eau participe à la réaction, on ne tient pas compte de sa
concentration dans le calcul de la constante d’équilibre : en milieu aqueux, [H2O] = 55 M et
ne varie pas de façon significative au cours des réactions.
∆G°’ est une constante caractéristique d’une réaction donnée. Elle exprime la
quantité maximale de travail que cette réaction peut théoriquement fournir.
- Si [C]éq [D]éq > [A]éq [B]éq, la réaction a eu lieu dans le sens aller A + B C + D dont
∆G°’ est négative, la réaction est dite exergonique : elle produit de l’énergie libre
(exergonique : « énergie vers l’extérieur »), utilisable pour effectuer un travail. On dit
aussi alors que la réaction est spontanée, ce qui ne signifie pas qu’elle a lieu
instantanément, mais que thermodynamiquement favorable, elle est possible sans
apport énergétique extérieur.
- Si [C]éq [D]éq < [A]éq [B]éq, la réaction n’a pas eu lieu dans le sens aller A + B C + D
dont ∆G°’ est positive (elle a lieu dans le sens retour C + D A + B dont la ∆G°’ est
négative). Quand la ∆G°’ est positive, la réaction est dite endergonique : elle ne
peut avoir lieu qu’avec apport énergétique extérieur. On dit aussi alors que la
réaction est impossible.
- Si [C]éq [D]éq = [A]éq [B]éq, la réaction était, dès le départ, à l’équilibre : ∆G°’ = 0.
3.2. Variation d’énergie libre ∆G
Dans les conditions réelles de la vie cellulaire, on démontre (on le fera, en tout cas,
dans le cours de chimie physique) que :
∆G = ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B]) où [A], [B], [C] et [D] sont les concentrations initiales des
réactants. La variation d’énergie libre ∆G n’est donc pas une constante, elle dépend de la
Gillet Steve, D.Sc. -20-
Biochimie Part I
nature des substances réagissantes, représentées par le terme ∆G°’ et des conditions
réactionnelles : température et surtout concentrations initiales des réactants dont le rapport,
représenté par le terme logarithmique, détermine si ∆G est supérieur, inférieur ou égal à
∆G°’.
3.3. Les 5 conséquences pratiques
1ère conséquence
Au fil d’une réaction exergonique, la valeur absolue de ∆G diminue (∆G°’ est négatif
et RT ln([C].[D] / [A].[B]) augmente au fur et à mesure que la réaction A + B C + D évolue)
jusqu’à s’annuler lorsque l’équilibre est atteint. Alors : ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B]) = 0 d’où
∆G°’ = - RT lnKéqu. La constante d’équilibre d’une réaction permet donc de calculer sa
variation d’énergie libre standard pour les biochimistes ∆G°’.
Plus la valeur d’une ∆G°’ négative est grande, plus l’équilibre s’établit loin du côté des
produits, plus la réaction est complète dans les conditions standard. ∆G°’ a en soi peu
d’intérêt : elle correspond à des conditions standard sans rapport avec les conditions
biologiques. Néanmoins, elle permet :
- de se faire une idée, dans les conditions standard, du sens dans lequel a lieu une
réaction et de la quantité de travail que cette réaction peut fournir ;
- de comparer des réactions et de les classer selon le critère de leur ∆G°’, ci-dessous,
le « thermomètre bioénergétique » : réactions d’hydrolyse de quelques composés
phosphorylés et d’un thioester, l’acétyl-coenzyme A et leur ∆G°’ :
SCHEMA
Ces composés peuvent être arbitrairement classés en deux groupes :
o les composés riches en énergie, c'est-à-dire à haut potentiel d’hydrolyse, avec
une ∆G°’ plus négative que – 25 kJ mol-1 ;
o les composés pauvres en énergie, c'est-à-dire à bas potentiel d’hydrolyse,
avec une ∆G°’ moins négative que – 25 kJ mol-1 ;
L’ATP occupe dans cette échelle une position intermédiaire (∆G°’ = - 30,5 kJ mol-1)
qui en fait une « monnaie d’échange » énergétique : l’hydrolyse de liaisons à haut potentiel
libère de l’énergie convertie en « monnaie ATP » ; l’hydrolyse de l’ATP libère de l’énergie
utilisée à la synthèse de liaisons à bas potentiel.
- et d’évaluer la ∆G d’une réaction dans des conditions données.
Gillet Steve, D.Sc. -21-
Biochimie Part I
2ème conséquence
Connaissant la ∆G°’ et les concentrations initiales des réactifs et produits dans
des conditions cellulaires données, on peut calculer ∆G :
∆G = ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B])
Par exemple, la ∆G de la réaction d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule où
[ADP].[Pi]/[ATP] est proche de 1/500 M, est de :
-30 500 + 8,314.298.ln(1/500) = -45,9 kJ mol-1
La réaction d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule est donc plus exorgonique dans les
conditions cellulaires que dans les conditions standard.
La ∆G indique, dans les conditions cellulaires :
- par son signe, si la réaction est exergonique (∆G < 0) ou endergonique (∆G > 0)
dans le sens considéré ;
- par sa valeur absolue, la position de l’état d’équilibre par rapport à l’état initial :
plus cette valeur est éloignée de la valeur absolue de ∆G°’, plus l’équilibre s’établit
loin de concentrations initiales.
3ème conséquence
Une réaction dont la ∆G°’ est positive (et donc impossible dans les conditions
standard) peut avoir lieu pour certaines concentrations des réactants : quand [C].[D] /
[A].[B] est suffisamment inférieur à 1 pour que le terme (négatif) RT ln([C].[D] / [A].[B]) ait une
valeur absolue supérieure à celle de ∆G°’, alors ∆G est négatif et la réaction est possible.
4ème conséquence
Considérons une réaction à l’équilibre. Alors :
∆G°’ + RT ln([C]éq.[D]éq / [A]éq.[B]éq) = 0
- Si à partir de l’équilibre, on augmente les concentrations de A et de B, le rapport sous
le logarithme est inférieur à Kéq et ∆G devient négatif : la réaction reprend dans le
sens aller jusqu’à un nouvel état d’équilibre, mais la valeur de Kéq n’aura pas changé.
- De même, si l’on augmente les concentrations de C et de D, le rapport sous le
logarithme est supérieur à Kéq et ∆G devient positif : la réaction reprend dans le sens
retour dont la ∆G est négative jusqu’à un nouvel état d’équilibre, mais la valeur de Kéq
n’aura pas changé.
Une réaction est d’autant plus réversible (par une modification des concentrations
des réactants) que sa ∆G°’ est proche de zéro.
- C’est parce qu’elles ont des ∆G°’ proches de 0 que les réactions d’une voie
métabolique peuvent fonctionner dans un sens ou dans l’autre.
Gillet Steve, D.Sc. -22-
Biochimie Part I
- Dans une voie métabolique où des réactions s’enchaînent les unes aux autres, les
produits de l’une étant les substrats de la suivante, c’est la continuelle soustraction
des produits de l’une par la suivante qui oriente le flux malgré les faibles ∆G°’.
5ème conséquence
Une réaction endergonique (∆G°’ positive) est possible si elle est couplée à une
réaction exergonique (∆G°’ négative). Par exemple, la réaction glucose + Pi glucose-6-
phosphate est endergonique, mais lorsqu’elle est couplée à la réaction d’hydrolyse de l’ATP
en ADP et Pi (exergonique), la réaction globale devient possible.
3.4. Energie libre d’activation ∆G#
La ∆G ne donne aucune information sur la vitesse de réaction. Elle dit dans quel sens
a lieu spontanément la réaction, combien de travail elle peut fournir, mais ne dit pas à quelle
vitesse cette réaction a lieu. La vitesse d’une réaction dépend de l’énergie libre
d’activation ∆G# qui n’a aucun rapport avec ∆G.
La plupart des réactions exergoniques n’ont lieu que lentement, même si elles sont
thermodynamiquement très favorables (∆G°’ très négative). En effet, l’état initial A + B, à
haute énergie libre, est séparé de l’état final C + D, à basse énergie libre, par un état de
transition d’énergie libre supérieure à celle de l’état initial : la différence d’énergie libre
entre l’état initial et l’état de transition est l’énergie libre d’activation ∆G#.
Etat de transition Energie libre
Avancement de
la réaction
GA + GB
GC + GD
∆G# > 0
∆G < 0
∆GD < 0
Gillet Steve, D.Sc. -23-
Biochimie Part I
Qu’est-ce que l’état de transition ? Soit une réaction de déplacement d’un atome ou
un groupe d’atomes X de la molécule A sur la molécule B, respectivement transformées en
C et D :
Ce déplacement passe par un état de transition :
où X est lié aux 2 molécules à la fois.
Cette réaction peut se décomposer en 2 réactions partielles :
- la première, de formation de l’état de transition, dont la ∆G est la variation d’énergie
libre d’activation ∆G# (positive) :
- la seconde, de dissociation de l’état de transition, de ∆GD négative :
La ∆G de la réaction globale est égale à ∆G# + ∆GD.
La vitesse de la réaction est inversement proportionnelle à ∆G#. Les molécules
qui peuvent atteindre cet état de transition et être transformées sont celles qui sont
suffisamment excitées lorsqu’elles s’entrechoquent.
- Dans un laboratoire, on chauffe le tube à essai où l’on fait la réaction : l’agitation
thermique des molécules les excite et la réaction est accélérée (la température
augmente la probabilité des rencontres).
- Dans la cellule où la température est « douce et agréable », ce sont les enzymes qui
accélèrent la réaction : en mettant en présence l’un de l’autre les substrats de façon
adéquate, ils abaissent l’énergie libre d’activation qui les sépare de l’état de
transition.
- Rarement, ∆G# est si faible que la simple agitation thermique des molécules leur
fournit l’énergie nécessaire au franchissement de cette barrière énergétique : la
X + X +
X
X + X
X X +
Gillet Steve, D.Sc. -24-
Biochimie Part I
réaction est alors perceptible. Le plus souvent, ∆G# est telle que le nombre de
molécules franchissant cette barrière est infime : la réaction est alors imperceptible,
voire inexistante.
- La barrière d’énergie libre d’activation est essentielle à la vie : sans elle, les
molécules complexes, riches en énergie libre (protéines, acides nucléiques) se
décomposeraient rapidement.
3.5. Variation d’énergie libre ∆G et potentiel rédox
Une réaction d’oxydoréduction :
red1 + ox2+ ox1
+ + red2 est la somme de deux demi-réactions, mettant en jeu chacune un couple redox :
red1 ox1+ + e-
e- + ox2+ red2
Chaque couple redox d’une molécule est composé :
- d’un réducteur (red), forme la plus riche en électrons : c’est un donneur
d’électrons,
- et d’un oxydant (ox), forme la plus pauvre en électrons : c’est un accepteur
d’électrons.
Dans un couple redox, plus le réducteur est fort, c'est-à-dire a une forte tendance
à donner un (des) électron(s), plus l’oxydant est faible, c'est-à-dire a une faible tendance à
accepter un (des) électron(s).
Au cours de la réaction d’oxydoréduction, des électrons sont transférés, d’un couple
à l’autre, du réducteur le plus fort, qui sera oxydé, à l’oxydant le plus fort, qui sera
réduit :
red1 ox1+ + e-
e- + ox2+ red2
red1 + ox2+ ox1
+ + red2 où le couple 1 est plus réducteur que le couple 2.
Dans les cellules, les électrons peuvent être transférés d’une molécule à une autre de
quatre façons différentes :
- transfert d’électron(s) seul(s) :
A + B+ A+ + B
Gillet Steve, D.Sc. -25-
Biochimie Part I
- transfert d’atome(s) d’hydrogène (H = H+ + e-) :
AH2 + B A + BH2 - transfert d’un ion hydrure H- (H- = H+ + 2 e-) :
AH2 + NAD+ A + NADH + H+
- combinaison d’un réducteur et de l’oxygène formant un composé oxygéné :
AH + 1/2 O2 AOH Un équivalent réducteur correspond à un électron transféré dans une réaction
d’oxydoréduction, de quelque façon ait lieu ce transfert.
On évalue la force réductrice d’un couple redox donné red1/ox1+ en comparant son
potentiel redox standard E° à celui d’un couple redox de référence, le couple H+ / ½ H2. Le
potentiel redox standard de ce couple est nul par convention (dans les conditions standards
où [H+] = 1 M et PH2 = 1 atm).
- Si le couple est plus réducteur que le couple H+ / ½ H2, alors son potentiel redox
E° est négatif.
- Si le couple est moins réducteur que le couple H+ / ½ H2, alors son potentiel redox
E° est positif.
Un pH égal à 0 ([H+] = 1 M) étant un milieu cellulaire irréaliste, à E° on substitue E°’ à
pH 7. Le couple H+ / ½ H2 passe de E° = 0 à E°’ = -0,42 V. Il est possible de démontrer que,
hors des conditions standard : E=E°'+ RTnF
ln [ox][red]
avec R = constante des gaz parfaits, T =
température absolue, n = nombre d’électrons transférés, F = constante de Faraday.
La connaissance de E°’ des couples redox permet de classer sur une échelle redox,
du plus oxydant (potentiel redox le plus fort) au plus réducteur (potentiel redox le plus faible).
Par convention, le potentiel redox se réfère à la demi-réaction Ox+ + e- red.
SCHEMA
Connaissant les potentiels redox, on peut calculer la ∆G°’ ou la ∆G d’une réaction
redox et en prédire le sens. On montre que : ∆G°’ = -nF∆E°’ ou ∆G = -nF∆E.
Soit la réaction :
red1 + ox2+ ox1
+ + red2 ∆E = E2 – E1
- Si le couple 1 est plus réducteur que le couple 2, alors ∆E est positif et la réaction a
lieu de la gauche vers la droite.
- Si le couple 1 est moins réducteur que le couple 2, alors ∆E est négatif et la réaction
a lieu de la droite vers la gauche.
Gillet Steve, D.Sc. -26-
Biochimie Part I
Au cours des réactions redox, les électrons sont transférés du couple redox dont le
potentiel redox est le plus faible (réducteur le plus fort) vers celui dont le potentiel redox
est le plus fort (oxydant le plus fort).
4. Les enzymes
4.1. Définition et propriétés
Une réaction exergonique est spontanée, c'est-à-dire que, thermodynamiquement
favorable, elle est possible sans apport énergétique extérieur. Mais cela ne signifie pas
qu’elle soit instantanée. Par exemple, la réaction :
Saccharose + H2O Glucose + Fructose
est spontanée. Par voie chimique, la réaction prend des mois voir des années. Par contre,
en présence de sccharase, l’enzyme qui catalyse l’hydrolyse du saccharose, la réaction ne
dure que quelques secondes !
Les enzymes sont les catalyseurs biologiques des réactions biochimiques :
- Catalyseurs :
o Elles augmentent les vitesses de réaction (d’un facteur 103 à 1012), sans
modifier la constante d’équilibre, en diminuant l’énergie libre
d’activation ;
o elles se retrouvent intactes à la fin de la réaction, bien qu’elles se soient
intimement liées aux substrats et produits,
- biologiques :
o Elles sont produites par la cellule : toutes les enzymes sont des protéines
(exception : les ribozymes sont des ARN doués d’activité catalytique) ;
o elles sont spécifiques : elles transforment un substrat donné (spécificité du
substrat) grâce à une réaction donnée (spécificité d’action). A noter que la
spécificité de substrat est variable : certaines enzymes ont une spécificité
absolue, transformant un substrat unique en un produit unique ; d’autres ont
une spécificité plus large, transformant les substrats d’une classe de substrats
en autant de produits. Par exemple, la glucokinase ne phosphoryle que le
glucose, tandis que l’hexokinase phosphoryle divers hexoses, dont le glucose.
Quant à la spécificité d’action, elle est invariable : une enzyme, une seule
réaction catalysée.
o elles sont régulables : certaines enzymes modifient leur activité catalytique
en réponse à des signaux métaboliques, ce qui permet l’ajustement de l’offre
métabolique à la demande cellulaire.
Gillet Steve, D.Sc. -27-
Biochimie Part I
Les isoenzymes (ou isozymes) sont des enzymes qui ont une même propriété
catalytique, mais qui diffèrent par leurs propriétés physico-chimiques (leur séquence en
acides-aminés ne sont pas identiques). Les isoenzymes peuvent différer d’un tissu à l’autre.
Nous reviendrons plus en détail sur les enzymes et leur fonctionnement dans la partie
II du cours de biochimie.
5. Les coenzymes
5.1. Définition et propriétés
Les coenzymes sont des cofacteurs indispensables à certaines enzymes
(appelées apoenzymes). On distingue les coenzymes libres ou cosubstrats et les
coenzymes liées ou groupements prosthétiques. L’ensemble apoenzyme + coenzyme
forme l’enzyme entière ou holoenzyme.
Cosubstrats (CoS) et groupements prosthétiques (GP) ont en commune les
caractères suivants :
- contrairement aux enzymes, ils ne sont pas de nature protéique (corollairement, ils
sont thermostables et ont une basse masse moléculaire) ; contrairement aux
substrats, ils retrouvent leur état initial ; comme les substrats, ils entrent dans la
stoechiométrie de la réaction ;
- ils transfèrent d’une molécule à une autre une entité X (électron, atome ou
groupement d’atomes) en la prenant transitoirement en charge.
Ils diffèrent par les caractères suivants :
- les cosubstrats sont faiblement fixés à l’apoenzyme par des liaisons non
covalentes et fonctionnent dans deux réactions enzymatiques différentes,
chargeant X au cours de la première, puis le déchargeant au cours de la seconde (ils
jouent le rôle d’un deuxième substrat) ;
- les groupements prosthétiques sont solidement fixés à l’apoenzyme par des
liaisons covalentes et fonctionnent dans une seule réaction au cours de laquelle
ils chargent puis déchargent X (ou, rarement, dans 2 réactions intimement liées au
sein d’un complexe multienzymatique).
AX
A
B BX
CoS CoS(X)
ApoE 1
ApoE 2
AX A
B BX
ApoE-GP ApoE-GP(X)
Gillet Steve, D.Sc. -28-
Biochimie Part I
La plupart de coenzymes possèdent un ou plusieurs noyaux cycliques ou
hétérocycliques. Le plus souvent, ces noyaux ne sont pas synthétisables par l’Homme et
doivent être apportés par l’alimentation ou les bactéries intestinales (ils ont un caractère
indispensable ou essentiel, comme certains acides aminés ou certains acides gras) : ce
sont les vitamines (le plus souvent hydrosolubles) qui sont les précurseurs des coenzymes.
Mais quelques coenzymes n’ont pas de caractère vitaminique (par exemple le coenzyme
lipoïque), de même quelques vitamines n’ont pas d’activité coenzymatique connue (par
exemple les vitamines liposolubles A et D).
On classe les coenzymes en deux grandes catégories : les coenzymes
d’oxydoréduction et les coenzymes de transfert de groupement d’atomes.
Ces deux catégories seront éventuellement vues plus en détail ultérieurement.
6. Les glucides : Structure et propriétés
Définition
Les glucides (ou sucres) sont les biomolécules les plus abondantes sur la Terre.
Chez les végétaux, la photosynthèse synthétise, à partir du gaz carbonique et de l’eau, le
glucose. Ce dernier est précurseur de presque toutes les autres biomolécules et est stocké
sous forme d’amidon ou est transformé en cellulose. Chez les animaux, la majeure partie
des glucides est apportée par l’alimentation et est d’origine végétale ; néanmoins, des
glucides peuvent être synthétisés à partir de molécules non glucidiques.
- Ils sont constitués d’une ou de plusieurs unités aldéhydiques ou cétoniques
polyhydroxylées. Les glucides sont aussi appelés hydrates de carbone par les
diététiciens et carbohydrates par les anglo-américains.
- Ils sont en général très hydrophiles : leurs nombreux groupements hydroxyles
établissent des liaisons hydrogène avec des molécules d’eau.
- Le groupement aldéhyde ou cétone leur confère un caractère réducteur. En milieu
alcalin et à chaud, le glucose réduit le Cu2+ (bleu) de la célèbre Liqueur de Fehling
(cupro-tartrate sodique) en Cu+ (le fameux précipité rouge brique de Cu2O).
Importance biologique
Leurs rôles sont multiples :
- Au niveau extracellulaire :
o structural : sous forme de fibres ou de gels, les glucides soutiennent et
protègent les structures biologiques (par exemple la cellulose de la paroi des
cellules végétales, la chitine des exosquelettes des insectes et crustacés, la
Gillet Steve, D.Sc. -29-
Biochimie Part I
muréine de la paroi bactérienne, les glycosaminoglycanes du cartillage et des
tendons) ;
- Au niveau intracellulaire :
o énergétique :
l’oxydation des glucides est l’une des voies essentielles de production
d’énergie dans les cellules non photosynthétiques ;
des polymères (amidon chez les végétaux et glycogène chez les
animaux) mettent en réserve cette énergie ;
o métabolique : ils sont transformés en d’autres molécules d’intérêt biologique,
glucidiques ou non ;
- Au niveau intercellulaire :
o fonctionnel : liés à des protéines ou à des lipides membranaires, des
glucides sont impliqués dans le processus de communication cellulaire.
Classification
On distingue :
- les monosaccharides (ou oses simples), formés d’une seule unité : par exemple le
glucose ;
- les disaccharides (ou dioses), formés de deux unités : par exemple le saccharose,
fait de glucose et de fructose ;
- les oligosaccharides (ou oligosides) :
o à courtes chaînes de 3 à plusieurs unités,
o de structure non répétitive et complexe,
o le plus souvent liés de façon covalente à des molécules non glucidiques
(glycoconjugués) : glycoprotéines (la fraction protéique est prédominante) et
glycolipides ;
- les polysaccharides (ou polyosides) :
o à longues chaînes de très nombreuses unités,
o de structure répétitive et simple,
o linéaires (par exemple la cellulose) ou ramifiés (par exemple le glycogène) ;
- les protéoglycanes :
o à longues chaînes polysaccharidiques (glycosylaminoglycanes) ;
o liées, sauf exception, de façon covalente à des protéines (la fraction
glucidique est prédominante) ;
- les peptidoglycanes :
o à longues chaînes polysaccharidiques
Gillet Steve, D.Sc. -30-
Biochimie Part I
o liées entre elles par des courts peptides.
6.1. Les monosaccharides
Classification
Les monosaccharides sont classés selon le nombre de leurs atomes de carbone
et la nature du groupement carbonyle.
Nombre d’atomes de carbone Nom
3 Trioses
4 Tétroses
5 Pentoses
6 Hexoses
7 Heptoses
8 Octoses
Si le groupement carbonyle est de type aldéhyde, on parle d’aldose et si le
groupement carbonyle est de type cétone, on parle de cétose.
Par exemple, l’aldohexose a 6 atomes de carbone, 5 groupement hydroxyles et un
groupement aldéhydique ; la cétopentose a 5 atomes de carbones, 4 groupements
hydroxyles et un groupement cétonique.
(CHOH)4
CH2OH
OH
aldohexose
CH2OH
O
(CHOH)2
CH2OH
cétopentose
1
1
2
- Les atomes de carbone sont numérotés d’une extrémité à l’autre de la chaîne dans le
sens qui donne le nombre le plus faible à l’atome de carbone dont le degré
d’oxydation est le plus élevé, c'est-à-dire à l’atome de carbone du groupement
carbonyle.
- Les monosaccharides les plus simples sont les trioses (n = 3) glycéraldéhyde et
dihydroxyacétone qui sont des isomères de fonction :
Gillet Steve, D.Sc. -31-
Biochimie Part I
CHOH
CH2OH
OH
Glycéraldéhyde
CH2OH
O
CH2OH
dihydroxyacétone
Les séries D- et L-
Le C-2 de l’aldotriose, le glycéraldéhyde, est un atome de carbone asymétrique, car il
est lié à quatre atomes ou groupements d’atomes différents : -H, -OH, -CHO et –CH2OH.
- Il existe donc 2 stéréoisomères de configuration, le D-glycéraldéhyde et le L-
glycéraldéhyde, selon que le groupement hydroxyle est à droite ou à gauche de la
chaîne carbonée (de la projection de Fisher avec le carbonyle vers le haut),
molécules qui sont images en miroir l’une de l’autre, comme le sont les deux mains :
cet atome de carbone est un centre chiral et les 2 stéréoisomères sont dits
énantiomères.
HO H
O
OH
L-Glycéraldéhyde(S)-(-)-glycéraldéhyde
HO H
O
OH
D-Glycéraldéhyde(R)-(+)-glycéraldéhyde
H O
OHH
CH2OH
H O
OHH
CH2OH
H O
HHO
CH2OH
H O
HHO
CH2OH
- A partir du glycéraldéhyde (D ou L), on peut augmenter le nombre d’atomes de
carbone de la chaîne, en l’allongeant pas son extrémité C-1 : on passe du triose au
tétrose, puis au pentose et enfin à l’hexose.
Gillet Steve, D.Sc. -32-
Biochimie Part I
o La présence du nouvel atome de carbone asymétrique crée une isomérie de
position du groupement hydroxyle qui peut être projeté d’un côté ou de l’autre
de la chaîne carbonée.
o La filiation des aldoses de la série D comprend 2 tétroses à la première
génération, 4 pentoses à la deuxième et 8 hexoses à la troisième :
HC
CH2OH
OH
D-Glycéraldéhyde
OH
D-Thréose D-Erythrose
D-Lyxose D-Xylose D-Arabinose D-Ribose
D-Talose D-IdoseD-Galactose D-Gulose D-Mannose D-AltroseD-Glucose D-Allose Le D-érythrose est un aldotétrose intermédiaire de la voie des
pentoses phosphate et de la photosynthèse ;
Le D-ribose est l’aldopentose des ribonucléotides, de l’ARN et de
coenzymes (NAD, NADP, FAD) ;
Le D-galactose, le D-mannose et le D-glucose sont les aldohexoses
les plus communs.
Gillet Steve, D.Sc. -33-
Biochimie Part I
o Deux oses qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul carbone
asymétrique sont dits épimères. La transformation d’un épimère en un autre
est appelée épimérisation.
o Tous les aldoses de la série D ont un avant-dernier atome de carbone de
même configuration spatiale que le C-2 du D-glycéraldéhyde.
o L’appartenance d’un ose à la série D (ou L) ne préjuge pas de son pouvoir
rotatoire qui peut être (+) ou (-). Ainsi le D-glucose est dextrogyre et le D-
fructose est lévogyre.
o La famille du L-glycéraldéhyde compte les mêmes aldoses mais tous sont en
configuration L. De rares sucres et dérivés existent à l’état naturel sous forme
L : L-arabinose, L-fructose, L-acide ascorbique (vitamine C des fruits et
antioxydant E300 des produits alimentaires). Mais la série naturelle est la
série D car le premier ose que la photosynthèse fait apparaître est le
glycéraldéhyde dont l’élongation par son C-1 laisse à droite l’avant dernier
groupement hydroxyle.
o Le nom des cétoses se déduit habituellement de celui de l’aldose
correspondant en intercalant la syllabe ul, sauf pour le fructose dont
l’appellation d’origine a prévalu contre celle de gluculose ☺
Gillet Steve, D.Sc. -34-
Biochimie Part I
CH2OH
O
CH2OHdihydroxyacétone
D-Erythrulose
D-Xylulose D-Ribulose
D-Fructose o Le C-2 du cétotriose, la dihydroxyacétone n’est pas asymétrique : cet ose
est optiquement inactif. Le D-érythrulose est le seul D-cétotétrose. La filiation
des cétoses de la série D comprend 2 cétopentoses et 4 cétohexoses. Ne
sont indiqués sur le schéma que :
Les D-xylulose et D-ribulose, cétopentoses intermédiaires de la voie
des pentoses phosphate et de la photosynthèse,
Et le seul cétohexose important, le D-fructose, sucre des fruits et du
miel (entre autres).
Pourrait être ajouté un C-7, le D-sédoheptulose, autre intermédiaire de
la voie des pentoses phosphate.
Gillet Steve, D.Sc. -35-
Biochimie Part I
La structure cyclique
En solution à pH neutre, moins de 1 p. 1000 des molécules de monosaccharide ont
leur groupement carbonyle libre. En effet, un aldéhyde ou une cétone réagit avec un alcool
pour former un hémiacétal. Ici groupement carbonyle et alcool sont présents dans une même
molécule flexible, séparés par 2 ou 3 atomes de carbone : ils peuvent réagir pour former un
hémiacétal interne qui confère à la molécule une structure cyclique. L’aldéhyde en C-1 du
glucose réagit avec le groupement hydroxyle en C-5 (3 atomes de carbone les séparent)
pour former le noyau pyranose (en raison de sa similitude avec le pyrane).
-BH
B
O
H
HOH
O
HO
HH
O H
OH
H O
OH
HO
OH
OH
CH2OH
D-Glucose
H O
HO
OH
CH2OH
α-D-Glucopyranose(+ β-D-Glucopyranose)
O
OH
CH2OH
O
H O
CH2OH
Gillet Steve, D.Sc. -36-
Biochimie Part I
H O
CH2OH
L-Glucose
O
HO
OH
HO
HO
CH2OH
Le groupement carbonyle en C-2 du fructose réagit avec le groupement hydroxyle en
C-5 (2 atomes de carbone les séparent) pour former le noyau furanose (en raison de sa
similitude avec le furane).
CH2OH
O
HO
OH
OH
CH2OH
D-fructose
CH2OH
HO
OH
CH2OH
α-D-fructofuranose(β-D-fructofuranose)
O
HO
OH O
O
CH2OHCH2OH CH2OHCH2OH
- Les formules structurales du D-glucopyranose et du D-fructofuranose ci-dessus sont
des projections d’Haworth :
o les atomes de carbone du noyau sont implicites ;
o le plan du noyau est perpendiculaire à celui de la feuille de papier ;
o les liaisons en avant du noyau sont symbolisées par une ligne grasse ;
Gillet Steve, D.Sc. -37-
Biochimie Part I
o les groupements hydroxyles qui sont à droite dans la représentation linéaire
de Fischer apparaissent au dessous du plan, ceux qui sont à gauche de la
chaîne au dessus du plan ;
o seuls sont explicites l’atome d’oxygène du pont oxydique et le groupement –
CH2OH extracyclique.
- La création du pont oxydique fait apparaître un nouveau centre d’asymétrie : le
groupement hydroxyle hémiacétalique peut être situé soit au dessous du plan du
noyau, soit au dessus. Cette nouvelle stéréoisomérie est appelée anomérie. Les
deux anomères sont distingués respectivement par les lettres α et β (dans la série D).
Quelle que soit la série D ou L, la forme est α si le groupement –OH anomérique et le
groupement –CH2OH distal sont de part et d’autre du cycle (en trans) et β s’ils sont
du même côté (en cis).
La transformation d’un anomère en l’autre (le cycle s’ouvre par hydratation, le
groupement –OH bascule par rotation du C-1 autour de la liaison C-1 – C-2, puis le
cycle se referme par déshydratation) s’accompagne d’une variation de l’activité
optique (mutarotation). Par exemple, en solution, le glucose est un mélange de 1/3
d’α-D-glucopyranose et de 2/3 de β-D-glucopyranose. La mutarotase accélère la
mutarotation.
- Le cycle hexagonal du noyau pyranose n’est pas plan. En raison des angles de
valence de l’atome de carbone, deux conformations sont possibles, bateau et chaise
(la plus stable) :
conformation chaise conformation bateau
Les principales réactions
La double fonction carbonyle et alcools confère aux monosaccharides de multiples
possibilités de réaction, dont nous parlerons plus en détail dans la partie II du cours de
biochimie.
Des abréviations des oses et dérivés d’oses (les 3 premières lettres, sauf pour le
glucose [Glc], la place étant prise par l’acide glutamique [Glu]) facilitent l’écriture symbolique
des glucides :
Xylose Xyl Acide aldonique A
Galactose Gal Acide uronique UA
Gillet Steve, D.Sc. -38-
Biochimie Part I
Glucose Glc Amine N
Mannose Man Acétylamine NAc
Fructose Fru Acide muramique Mur
Idose Ido Acide neuraminique Neu
Fucose Fuc Acides sialiques Sia
Résumé Stéréoisomérie
stéréoisomérie(même formule brute,
même formule développéemais structures spatiales différentes)
stéréoisomériede conformation
(interconversionsans rupture
de liaison chimique)
stéréoisomériede configuration
(interconversionavec rupture
de liaison chimique)
diastéréoisomérie(les 2 molécules
ne sont pas images en miroirl'une de l'autre)
énantiomérie(les 2 molécules
sont images en miroir l'une de l'autre : elles diffèrent par
la configuration de tous les C asymétriques)
épimérie(les 2 molécules ne diffèrent quepar la configuration d'un seul C asymétrique)
anomérie(les 2 molécules ne diffèrent quepar la configuration du C hémiacétalique)
6.2. Les disaccharides
Les disaccharides sont formés :
- de 2 unités monosaccharidiques
- unies par une liaison O-glycosidique entre :
o le groupement hydroxyle anomérique (en configuraiton α ou β) de l’une
o et le groupement hydroxyle de l’autre, anomérique ou non.
Les 3 disaccharides importants sont :
Gillet Steve, D.Sc. -39-
Biochimie Part I
- le saccharose (ou « sucrose » d’outre-Manche, sucre de betterave, de canne à
sucre, et de table), hydrolysable en glucose et fructose. Chez les végétaux, le
saccharose est le glucide circulant (sucre de la sève), comme l’est chez les animaux
le glucose (sucre du sang).
O
O
CH2OH
OCH2OH
CH2OH
Saccharoseou α-D-glucopyranosyl-(1a2)-β-D-
fructofuranoseou Glc(α1a2)βFru
- le lactose (sucre du lait), hydrolysable en galactose et glucose ;
O
CH2OHLactose
ou β-D-galactopyranosyl-(1a4)-D-glucopyranose
ou Gal(β1a4)Glc
O
O
CH2OH
- et le maltose (sucre de malt issu de l’amidon de l’orge germé), hydrolysable en
glucose.
O
CH2OH
Maltoseou α-D-glucopyranosyl-(1a4)-D-
glucopyranoseou Glc(α1a4)GlcO
O
CH2OH
Le saccharose est non réducteur : les 2 oses sont engagés « nez à nez » par le
groupement hydroxyle hémiacétalique dans la liaison O-glycosidique. Les lactose et
mannose sont réducteurs : le groupement hydroxyle hémiacétalique du deuxième ose, en
position anomérique α ou β, est libre.
Gillet Steve, D.Sc. -40-
Biochimie Part I
Des hydrolases spécifiques rompent la liaison O-glycosidique des disaccharides, en
reconnaissant la nature de l’ose engagé par son groupement hydroxyle hémiacétalique, la
forme anomérique de cet ose et la nature du deuxième ose. Ainsi la lactase est une β-
galactosidase, la maltase et la saccharase (chez les animaux) des α-glycosidases . Chez les
végétaux, la saccharase est une β-fructosidase.
6.3. Oligosaccharides et glycoprotéines
La presque totalité des protéines sont des hétéroprotéines : leur hydrolyse libère
des acides aminés et d’autres molécules. Si ces dernières sont glucidiques, il s’agit de
glycoprotéines, constituées d’une chaîne polypeptidique (fraction protéique) à laquelle
sont liées de façon covalente des chaînes oligosaccharidiques (fraction glucidique), courtes
ou longues (jusqu’à quelques dizaines d’unités), souvent ramifiées. La fraction glucidique
peut représenter de 5 % aux 2/3 de la masse moléculaire, mais en général la fraction
protéinique prédomine.
A quoi servent ces chaînes oligosaccharidiques dont ne peuvent se passer les
protéines ?
- elles augmentent l’hydrosolubilité des protéines sécrétées ;
- elles interviennent dans les repliements de la protéine qui la mettent dans sa
conformation fonctionnelle ;
- elles sont un facteur de dissymétrie membranaire, étant tournées vers l’extérieur de
la cellule ;
- elles participent dans le processus de reconnaissance cellulaire (marqueurs de
surface spécifiques) ;
- cela dit, certaines protéines amputées de leur partie glucidique conservent
parfaitement leur structure tridimensionnelle et leur fonction !
Les chaînes oligosaccharidiques des glycoprotéines comprennent :
- des oses (pentoses : xylose et hexoses : galactose, mannose, très rarement
glucose) ;
- des 6-désoxyoses (fucose = 6-désoxygalactose) ;
- des hexosamines (2-amino-2-désoxyhexoses), le plus souvent N-acétylées (N-
acétylgalactosamine GalNAc et N-acétylglucosamine GlcNAc) ;
- des acides sialiques, dérivés N- ou O-acylés de l’acide neuramique.
Les glycoprotéines, à part le collagène, ne contiennent pas de glucose, et
contrairement aux protéoglycanes, ne contiennent pas d’acides uroniques.
Les chaînes oligosaccharidiques sont fixées sur la chaîne polypeptidique par des
liaisons :
Gillet Steve, D.Sc. -41-
Biochimie Part I
- O-glycosidiques, établies entre le groupement hydroxyle hémiacétalique de l’ose
terminal (réducteur) et le groupement hydroxyle alcoolique d’un acide aminé alcool :
sérine ou thréonine, et hydroxylysine dans le collagène ;
O
CH2OH
O
H2C
liaisonO-glycosidique
(Ser, Thr)
chaînepolypeptidique
- ou N-glycosidiques, établies entre le groupement hydroxyle hémiacétalique de l’ose
terminal (réducteur) qui est presque toujours la N-acétylglucosamine et l’atome
d’azote du groupement amide de l’asparagine.
O
CH2OH
NH
liaisonN-glycosidique
Asn
chaînepolypeptidique
NHCOCH3
O
Les oligosaccharides unis par liaison N-glycosidique contiennent un motif
pentasaccharidique commun, témoin de l’initiation de leur synthèse. D’autres sucres sont
attachés à ce motif de différentes façons pour former la très grande variété
d’oligosaccharides présents dans les glycoprotéines.
Man
Man
Man GlcNAc GlcNAc Asn
Les chaînes oligosaccharidiques ne sont fixées à la chaîne polypeptidique que sur les
résidus sérine, thréonine et asparagine inclus dans des séquences particulières reconnues
par des enzymes spécifiques.
La chaîne oligosaccharidique peut être fixée à des lipides, les céramides, pour
former des sphingolipides appelés gangliosides.
Gillet Steve, D.Sc. -42-
Biochimie Part I
6.4. Les polysaccharides
Les polysaccharides sont formés de nombreuses unités monosaccharidiques (n
compris entre quelques dizaines et plusieurs centaines de milliers) unies par des liaisons O-
glycosidiques. Ils sont linéaires (ex. la cellulose) ou ramifiés (ex. le glycogène).
On les classe selon leur structure ; ils sont formés :
- ou d’un seul type d’unité. Ce sont les homopolysaccharides (ou homopolyosides) :
la cellulose, le glycogène et l’amidon sont des polymères du glucose ; la chitine est
un polymère de la N-acétylglucosamine ;
- ou de deux ou plusieurs types différents d’unités. Ce sont des
hétéropolysaccharides (ou hétéropolyosides) : les glycosaminoglycanes des
protéoglycanes ; les gommes, hémicelluloses et mucilage des végétaux ;
On les classe aussi selon leur rôle biologique :
- les polysaccharides de réserve : le glycogène et l’amidon qui sont,
respectivement dans les cellules animales et végétales, des formes de stockage du
glucose ;
- et les polysaccharides de structure : ex. la cellulose et la chitine.
Le glycogène, l’amidon, la cellulose, la chitine et l’agarose seront éventuellement vus
plus en détail ultérieurement.
6.5. Glycosaminoglycanes et proteoglycanes
Les protéoglycanes sont constitués, liés (sauf exception) de façon covalente, de
protéines (fraction protéique : 5 % environ) et d’hétéropolysaccharides
(glycosaminoglycanes ou, anciennement, mucopolysaccharides), longues chaînes
linéaires résultant de la condensation d’un grand nombre d’unités disaccharidiques
élémentaires formées généralement :
- d’une hexosamine, souvent acétylée, sulfatée ou non : N-acétylglucosamine
(GlCNAc) ou N-acétylgalactosamine (GalNAc),
- et d’un acide hexuronique : acide glucoronique (GlcUA) ou acide iduronique (IdUA),
- unis par des liaisons (β-1 4) et (β-1 3).
Ces molécules ont un caractère acide marqué, dû à la présence des groupements
sulfate et carboxyle.
Gillet Steve, D.Sc. -43-
Biochimie Part I
O
O
CH2OH
NHCOCH3
O
COOH
N-acétylglucosamine
Acide glucoronique
Selon leur rôle biologique, on distingue :
- les glycosaminoglycanes de structure
o molécules étirées et rigides (conséquences de la configuration β et des
liaisons hydrogène adjacentes, comme dans la cellulose ou la chitine) ;
o polyanioniques, fixant les cations comme le Na+ dont le pouvoir osmotique
provoque l’appel d’une grande quantité d’eau ;
o très hydrophiles : les groupements anioniques, par répulsion, tiennent les
molécules éloignées les unes des autres, favorisant les liaisons hydrogène
avec les molécules d’eau (elles peuvent fixer 10 000 fois leur propre volume
d’eau) ;
o entrant dans la composition de la matrice extracellulaire (ou substance
fondamentale), au côté de protéines fibreuses comme le collagène et
l’élastine et de glycoprotéines d’ancrage des cellules comme la laminine et la
fibronectine ;
- et les glycosaminoglycanes de sécrétion : héparine et dérivés.
6.6 Les peptidoglycanes
L’exemple type de peptidoglycane est la muréine de la paroi bactérienne. Elle est
formée :
- de longues chaînes hétéropolysaccharidiques résultant de la condensation d’un
grand nombre d’une unité disaccharidique élémentaire formée de deux osamines
différentes, la N-acétylglucosamine et l’acide N-acétylmuramique :
GlcNAc(β1 4)MurNAc(β1 4)
SCHEMA
Gillet Steve, D.Sc. -44-
Biochimie Part I
- liées à des tétrapeptides formés de L-alanine, D-glutamate, L-lysine et D-alanine, le
pontage entre les chaînes se faisant entre deux tétrapeptides soit directement, soit
indirectement par l’intermédiaire d’un pentapeptide de glycine.
Les peptidoglycanes forment les parures et armures des bactéries :
- Dans les Gram négatif (paroi mince), la « chaîne » glycanique et la « trame »
peptidique forment une « cotte de maille » bidimensionnelle.
- Dans les Gram positif (paroi épaisse), des « chaînes » glycaniques empilée et la
« trame » peptidique forment une « cotte de maille » tridimensionnelle (c’est du
massif, pouvant atteindre jusqu’à 50 % de la masse de la bactérie). De plus, des
molécules d’acides lipotéchoïques traversent le peptidoglycane de part en part
pour se ficher covalentiellement dans les phospholipides membranaires – comme
l’armature métallique du béton armé. Ce sont ces molécules qui sont responsables
de la prise de coloration Gram.
Les lysozymes (présent dans les larmes, les sécrétions nasales) est une β-
muramidase qui, hydrolysant la liaison (β1 4) entre MurNAc et GlcNAc, détruit la
paroi bactérienne, laissant la bactérie sous forme d’un protéoplaste vulnérable. Il fut
découvert par hasard par Alexander Fleming : sur les boites de culture où son nez
avait coulé, les bactéries ne poussaient plus.
12. Les lipides : structure et propriétés
Définition
Les lipides sont définis sur la base d’un critère physique commun : ils sont peu ou
pas solubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques. Les lipides sont soit :
- hydrophobes, s’ils ne contiennent que des groupements non polaires. L’absence
d’atomes polarisants (O et N en particulier) empêchent ces molécules d’établir des
liaisons hydrogène avec les molécules d’eau. C’est pourquoi l’huile et le vinaigre
(solution aqueuse) forment deux phases distinctes dans la vinaigrette. On les dit
hydrophobes parce qu’ils ne sont pas miscibles à l’eau et liposolubles parce qu’ils
sont miscibles entre eux ;
- amphiphiles, s’ils contiennent à la fois des groupements polaires et non polaires.
Leur diversité structurale s’oppose à une définition chimique comme celle des
glucides, des protéines ou des acides nucléiques qui ont chacun une homogénéité
structurale. Néanmoins, les lipides ont des points communs :
- métabolique : ils sont construits à partir d’unités de 2 atomes de carbone (acétate)
ou à 5 atomes de carbone (isoprène, lui-même dérivant de l’acétate) ;
Gillet Steve, D.Sc. -45-
Biochimie Part I
- structural :
o leur molécule comporte au moins une chaîne aliphatique, longue de 4 atomes
de carbone au moins ;
o à part les acides gras eux-mêmes et les isoprénoïdes, ils sont formés
d’acide(s) gras et d’alcool(s).
Classification
On peut classer les lipides selon la nature et l’agencement de leurs acide(s) gras et
alcool(s) constitutifs :
Acides gras (AG) : acides carboxyliques à longue chaîne aliphatique
OH
O
Cérides : esters d’un AG et d’un alcool à longue chaîne aliphatique
O
O
n m
Acide gras alcool Triglycérides : esters d’AG et d’un trialcool, le glycérol
O
O
O
O
O
O
Glycérophospholipides : esters d’AG et de glycérol, ce dernier étant uni par un phosphate
à un autre alcool
Gillet Steve, D.Sc. -46-
Biochimie Part I
O
O
O
O
O
P O
O
O
NH2
Sphingolipides : esters de sphingosine et d’un AG
O
HN
OH
X
O
Sphingosine
Acide Gras
Si X = H, on parle de céramides
Si X = phosphate-alcool, on parle de sphingomyélines
Si X = monosaccharide, on parle de cérébrosides
Si X = oligosaccharide, on parle de gangliosides
Isoprénoïdes : polymères d’isoprène
Terpènes Stéroïdes : stérols et dérivés
- Les acides gras, cérides (ou cires), triglycérides et stérols sont des lipides dits
simples : leurs atomes sont C, H et O. Les autres sont dits complexes : ils
contiennent en plus P, N ou S.
- Les glycérophospholipides et les sphingomyélines peuvent être groupés sous le nom
de phospholipides (ils contiennent du phosphate). Dans la pratique, phospholipides
est souvent utilisé au sens restreint du glycérophospholipide. Les cérébrosides et les
gangliosides peuvent être groupés sous le nom de sphingoglycolipides (ils
contiennent des glucides).
Gillet Steve, D.Sc. -47-
Biochimie Part I
- Contrairement aux autres lipides qui sont saponifiables, c'est-à-dire hydrolysables en
milieu alcalin en leur(s) acide(s) gras et alcool(s) constitutifs, les isoprénoïdes sont
insaponifiables.
Importance biologique
Leurs rôles sont divers. La liste qui suit, illustrée d’exemples, les classe dans un ordre
mnémotechnique, le mot lipides pouvant être pris comme l’acronyme de leurs rôles :
- L… comme lipos, qui en grec, veut dire « gras » ;
- Isolations en tous genres :
o Electrique : en tant que constituant essentiel des membranes cellulaires, les
lipides (glycérophospholipides, chlorestérol et sphingolipides) réalisent
l’isolation électrique des cellules et permettent la constitution d’un potentiel
électrique membranaire ;
o Mécanique et thermique : les graisses corporelles (triglycérides) ont un rôle
d’isolant thermique et de protecteur mécanique de l’organisme, par exemple
au niveau sous-cutané et autour des organes internes ;
o Imperméable : revêtement de surface des feuilles, des plumes, … les
cérides, très hydrophobes (molécules à double chaîne hydrocarbonée),
préservent de l’eau ;
- Précurseurs : ils sont transformés en d’autres molécules d’intérêt biologique : le
cholestérol et hormones stéroïdes, vitamines (A, D, E et K), messagers (IP3 et DAG,
céramide) et modulateurs (eicosanoïdes) cellulaires…
- Ils Donnent de l’Energie : l’oxydation des acides gras est l’une des voies
essentielles de production d’énergie dans les cellules. Molécules très réduites (leur
état d’oxydation est comparable à celui des hydrocarbures carburants fossiles), leur
oxydation complète en CO2 et H2O est très exergonique. Les triglycérides sont la
forme de stockage intracellulaire des acides gras ;
- Structure : phospholipides et sphingolipides, molécules amphiphiles, sont les
composants essentiels des membranes cellulaires (plus de la moitié de leur masse,
soit près de 10 % de la masse sèche d’un organisme)
Ajoutons, hors acronyme, que de nombreuses protéines sont modifiées par leur
liaison covalente à des acides gras qui les dirigent vers leur localisation cellulaire.
12.1. Les acides gras
Les acides gras sont des acides carboxyliques à longue chaîne aliphatique. Ils
sont rarement à l’état libre. Une exception de taille : les acides gras libres plasmatiques,
Gillet Steve, D.Sc. -48-
Biochimie Part I
transportés par l’albumine dans ses poches hydrophobes. Le plus souvent, ils sont estérifiés
à des alcools (glycréol, sphingosine, cholestérol, etc.) pour former d’autres lipides.
La classification des acides gras se fonde sur :
- Le nombre d’atomes de carbone (n compris entre 4 et 36), numérotés à partir de
l’atome de carbone carboxylique ;
o n est presque toujours pair, car les acides gras sont synthétisés par
condensation d’unités dicarbonées.
o L’acide acétique CH3COOH n’est pas un acide gras : le caractère polaire du –
COOH l’emporte sur le caractère apolaire de -CH3. Le plus petit acide gras est
un C4 : l’acide butyrique (il produit l’odeur du beurre rance et celle des
aisselles…). Le plus grand est un C32 : l’acide laccéroïque.
o La plupart des acides gras naturels ont un nombre d’atomes de carbone
compris entre 14 et 24
- Le nombre de doubles liaisons.
On distingue :
o Les acides gras saturés (sans double liaison), dont la molécule est à la fois
souple (totale liberté de rotation autour de chaque liaisons C-C) et étirée
(conformation la plus stable) ;
o Et les acides gras insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons : acides
gras mono- et polyinsaturés (mono- et polyéniques). La double liaison crée un
coude rigide à 30° dans la molécule ;
O
HO
acide stéarique
O
OH
acide oléique
La plupart des acides gras polyinsaturés ont leurs doubles liaisons en
configuration cis.
Gillet Steve, D.Sc. -49-
Biochimie Part I
Deux doubles liaisons consécutives sont en position malonique, c'est-
à-dire séparées par un atome de carbone. Les acides gras à doubles
liaisons conjuguées sont rares).
doubles liaisons en position malonique
COOHHOOC
acide malonique
Une nomenclature simplifiée indique :
C n : x ∆m,n,o C : carbone
n : nombre de carbone
x : nombre de doubles liaisons
∆ : double liaison
m, n, o : positions des doubles liaisons à partir du carbone 1 (celui de l’acide).
Par exemple, l’acide linoléique est noté C18 : 2 ∆9,12
O
OH
α
βγ
δ
123
456
78
910
1112
ω
On attribue aussi aux atomes de carbones adjacents à C-1 les lettres de l’alphabet
grec et toujours ω pour l’atome de carbone méthylique. Les acides gras insaturés sont
rattachables à une série caractéristique par la place de la première double liaison à partir de
l’atome de carbone ω. Ainsi, l’acide linoléique appartient à la série ω-6 : la double liaison
entre C-12 et C-13 est distante de 6 atomes de carbones de l’atome de carbone ω (plus
simplement, 18 - 12 = 6).
Quelques acides gras importants :
Acide palmitique C16 : 0 Acide palmitoléique C16 : 1 ∆9
Acide stéarique C18 : 0
Gillet Steve, D.Sc. -50-
Biochimie Part I
Acide oléique C18 : 1 ∆9
Acide linoléique C18 : 2 ∆9,12
Acide α-linolénique C18 : 3 ∆9,12,15
Les acides palmitique et stéarique sont les acides gras saturés les plus répandus.
L’acide oléique est l’acide gras insaturé le plus répandu : plus du 1/3 dans le lard, près de
4/5 dans l’huile d’olive. Les acides linoléique et α-linolénique sont indispensables chez
l’Homme : ils doivent être apportés par l’alimentation (vitamine F).
La longue chaîne aliphatique non polaire leur confère insolubilité dans l’eau et
solubilité dans les solvants organiques. La solubilité dans l’eau est d’autant plus faible que la
chaîne est plus longue et les doubles liaisons sont plus nombreuses.
A pH 7, tous les acides gras libres sont ionisés (même si on ne les représente pas
en tant que carboxylates). Ces molécules amphiphiles (petite tête polaire –COO- et longue
queue apolaire R) s’assemblent en micelles dans l’eau.
Les acylates (R-COO-) donnent des savons avec les cations alcalins monovalents : la
plupart des savons domestiques sont des acylates de potassium. Les acylates de calcium,
au contraire, précipitent : c’est pourquoi le sabon mousse moins avec de l’eau dure, c'est-à-
dire calcaire.
Le point de fusion des acides gras augmente avec la longueur de la chaîne, et, à
longueur égale, diminue avec le nombre de doubles liaisons (les coudes formés par les
doubles liaisons éloignent les molécules les unes des autres).
Ainsi le beurre (d’origine animale), riche en acides gras saturés (acide palmitique),
est solide. Les huiles (d’origine végétale), riches en acides gras insaturés (acides oléiques et
linoléique), sont liquides. Les margarines (huiles végétales hydrogénées) ont la consistance
du beurre.
12.2. Les triglycérides
Les triglycérides sont des esters d’acides gras et de glycérol :
- les triglycérides simples (ou homotriglycérides) contiennent le même acide gras (par
exemple la tristéarine de la graisse de bœuf ne contient que de l’acide stéarique) ;
- les triglycérides mixtes (ou hétérotriglycérides) contiennent 2 ou 3 acides gras
différents.
o Les mono- et les diglycérides sont des intermédiaires du métabolisme des
triglycérides.
o Selon la terminologie officielle, les mono-, di- et triglycérides sont désormais
nommés mono-, di- et triacylglycérols.
Gillet Steve, D.Sc. -51-
Biochimie Part I
- Les triglycérides sont des graisses neutres, très hydrophobes : les polarités des
groupements hydroxyles du glycérol et carboxyle des acides gras « s’annulent » dans
la liaison ester.
12.3. Les glycérophospholipides
Les glycérophsopholipides sont des 1,2-diglycérides unis à un alcool par une
liaison phosphodiester : le phosphate est engagé dans 2 liaisons esters, l’une avec le
groupement hydroxyle en C-3 du glycérol, l’autre avec le groupement hydroxyle de l’alcool
de l’alcool. Ils dérivent de l’acide phosphatidique et sont désigné par l’alcool avec le préfixe
« phosphatidyl ». En général, l’acide gras en C-1 est saturé et l’acide gras en C-2 est
insaturé.
O
O
O
O
O
P O
O
O
NH2
L’exemple ci-dessus représente un phsophatidylethanolamine. Si l’éhtanol amine est
remplacé par un autre alcool, on peut avoir, par exemple des phosphatidylcholines (choline),
phosphatidylsérines (sérine), phosphatidylinositols (inositol), phosphatidylglycérols (glycérol).
La molécule des glycérophospholipides est amphiphile. Elle présente :
- Une tête polaire, donc hydrophile, le groupement phosphoalcool (porteur, à pH 7
d’une charge négative sur le phosphate et d’une ou plusieurs charges sur l’alcool) ;
- Une (double) queue non polaire, donc hydrophobe, les deux groupements acyles.
L’apolarité des deux groupements acyles l’emportant sur la polarité du
phosphoalcool, la solubilité dans l’eau des glycérophospholipides est très faible (traces).
- En milieu aqueux, les molécules s’organisent :
o en micelles : queue contre queue et la tête polaire dirigée vers l’eau ;
o ou en vésicules ou liposomes, formant une double couche concentrique
- Dans la bicouche lipidique des biomembranes (que l’on peut voir comme une
grosse micelle écrasée), la tête polaire est tournée vers la phase aqueuse extérieure,
la queue non polaire plongeant dans la membrane.
Gillet Steve, D.Sc. -52-
Biochimie Part I
Vésicule
Micelle
Bicouche lipidique
12.4. Les sphingolipides
Comparés aux glycérophospholipides, les sphingolipides ont en lieu et place du
glycérol et de son groupement acyle en position C-1 un aminoalcool complexe, la
sphingosine (les trois premiers atomes de carbone de la molécule de sphingosine, avec
leurs groupements fonctionnels –OH, -NH2 et –OH, sont structurellement analogues aux trois
atomes de carbone du glycérol, avec leurs groupements fonctionnels –OH). La sphingosine
est unie à un acide gras par une liaison amide pour former une céramide. La céramide est
unie :
- par une liaison ester à la phosphorycholine pour former les sphingomyélines ;
- ou par une liaison O-glycosidique à un ou plusieurs sucres pour former les
sphingoglycolipides :
o les cérébrosides dont le monosaccharide est le plus souvent le galactose,
o les gangliosides dont l’oligosaccharide est caractérisé par la présence
d’acides sialiques (acide neuraminique N-acétylé ou N-glycosylé).
Tous les sphingolipides sont amphiphiles.
Leur rôle est double :
- comme les glycoprotéines, ce sont des molécules de reconnaissance (antigène de
surface du système ABO, sites de fixation),
- et précurseurs d’un second messager, le céramide, issu de l’hydrolyse par la
sphingomyélinase, enzyme effectrice de récepteurs de cytokines.
Gillet Steve, D.Sc. -53-
Biochimie Part I
12.5. Les isoprénoïdes
Les isoprénoïdes ont en commun les caractères suivants :
- comme les autres lipides, ils sont peut ou pas solubles dans l’eau et solubles dans
les solvants organiques ;
- contrairement aux autres lipides et sauf exception (les stérols), ils ne sont pas liés à
des acides gras ;
- la structure de leur unité de base est formellement dérivée de l’isoprène ou 2-méthyl-
1,3-butadiène qui polymérise en un très grand nombre de molécules (plus de 20 000)
dont la variété tient :
o au nombre de molécules condensées ;
o au mode de condensation 4-1 (queue à tête) ou 4-4 (queue à queue) ;
o à des modifications ultérieures, cyclisation en particulier.
Condensation 4-1 Condensation 4-4 On distingue :
- les terpènes, présents surtout dans le règne végétal, mais aussi chez les animaux :
o monoterpènes (10 atomes de C) : molécules volatiles et odorifères (menthol,
camphre) ;
o sesquiterpènes (15 atomes de C) : par exemple les hormones juvéniles des
insectes (qui les maintiennent à l’état larvaire) ;
o diterpènes (20 atomes de C) : par exemple la chaîne phytol de la
chlorophylle, des gibbéréllines (hormones de croissance des plantes) ;
o polyterpènes supérieurs : les dolichols (transporteurs de glucides dans la
synthèse des protéines N-glycosylées), le caoutchouc (élastomère naturel
produit par l’Hévéa), le squalène (entre autres précurseur de la synthèse du
cholestérol), les caroténoïdes (carotènes, pigments accessoires de la
photosynthèse, et vitamine A, la vitamine de la vision) ;
Gillet Steve, D.Sc. -54-
Biochimie Part I
o et d’autres… : ubiquinones et plastoquinones (transporteurs d’électrons),
naphtoquinones (vitamines K), tochophérols (vitamine E)
- les stéroïdes
o Les stérols et leurs dérivés ont en commun le squelette
cyclopentanoperhydrophénantrène (ou stérane). Les stérols portent ce nom à
cause de la fonction hydroxyle en C-3. Le plus répandu chez les animaux est
le cholestérol : formé d’une toute petite tête polaire (le groupement hydroxyle
en C-3) et d’une très grosse queue apolaire (le noyau tétracyclique, plan et
rigide, et la chaîne latérale flexible), sa molécule est très hydrophobe. Par leur
groupement hydroxyle en C-3, les stérols peuvent s’unir :
Par une laisons ester à des acides gras pour former les stérides ;
Par une liaison O-osidique à d’autres molécules, en particulier
glucidiques pour former des hétérosides (ex. digitonine, ouabaïne).
phénantrène
perhydrophénantrène et cyclopentane
cyclopentanoperhydrophénantrène(ou stérane)
cholestane
cholesterol
HO
o Les dérivés : les acides biliaires, les hormones stéroïdes (testiculaires,
ovarienne et placentaires, corticosurrénales), la vitamine D et d’autres : les
ecdysones (hormone de la mue des insectes et des crustacés, etc.)
Gillet Steve, D.Sc. -55-
Biochimie Part I
27. Le mécanisme des nucléotides
27.1. Qu’est-ce ?
Les nucléotides sont constitués d’une base azotée (purique ou pyrimidique), d’un
pentose (ribose ou désoxyribose), d’un à 3 groupements phosphoryles
Les bases
Les bases sont des hétérocycles aromatiques.
N
N NH
N1
2
34
56 7
8
9
Pyrimidine Imidazole
Purine
N
N
Pyrimidine On distingue :
- Les bases puriques (ou purines), qui dérivent de la purine, diversement substituées
sur les atomes de carbone 2, 6 et 8 :
o L’adénine (6-aminopurine, en abrégé A) et la guanine (2-amino-6-cétopurine,
en abrégé G) sont les deux bases puriques principales, constitutives des
nucléotides des acides nucléiques (ADN et ARN) ;
N
N
NH
N
NH2
Adénine
N
HN
NH
N
O
Guanine
H2N
o L’hypoxanthine (6-cétopurine, en abrégé HX), la xanthine (2,6-dicétopurine,
en abrégé X) et l’acide urique (2,6,8-tricétopurine) sont 3 bases puriques
participant au catabolisme de l’adénine et de la guanine ;
Gillet Steve, D.Sc. -56-
Biochimie Part I
N
HN
NH
N
O
Hypoxanthine
NH
HN
NH
N
O
Xanthine
O NH
HN
NH
HN
O
Acide urique
O
O
- Les bases pyrimidiques (ou pyrimidines), qui dérivent de la pyrimidine, diversement
substituées sur les atomes de carbone 2,3 et 5 :
o L’uracile (2,4-dicétopyrimidine, en abrégé U), la thymine (2,4-dicéto-5-
méthylpyrimidine, en abrégé T) et la cytosine (2-céto-4-aminopyrimidine, en
abrégé C) sont les 3 bases pyrimidiques principales constitutives des acides
nucléiques :
Uracile
HN
NH
O
O
Thymine
HN
NH
O
O
N
NH
NH2
O
Cytosine L’uracile n’est présent que dans l’ARN ; la thymine, un uracile méthylée, est
présente dans l’ADN et, rarement, dans certains ARN.
Les bases tiennent leur caractère basique des groupements –NH2 extracycliques,
mais aucune n’est protonée à pH physiologique. Le motif structural amide présent dans
toutes les bases, sauf l’adénine, existe sous deux formes en équilibre tautomères, la forme
lactame (ou céto) et la forme lactime (ou énol). A pH 7, la forme céto prédomine.
HN
O
Lactame N
OH
Lactime
Il existe des bases puriques et pyrimidiques mineures (par leur fréquence, mais
majeures par leur fonction). Dans l’ADN, les plus communes sont des dérivés N-méthylés
des bases majeures (ex. la N-méthylcytosine). Dans l’ARN (en particulier les ARNt), on
trouve aussi la pseudo-uracile (5,6-dihydrouracile) et l’hypoxanthine. Des végétaux
Gillet Steve, D.Sc. -57-
Biochimie Part I
contiennent d’autres bases puriques, en particulier des méthylxanthines : la caféine, la
théophylline et la théobromine.
Les pentoses
Ce sont deux aldopentoses :
- le D-ribose ou, en abrégé ribose (dans l’ARN) ;
- le 2’-désoxy-D-ribose ou, en abrégé, désoxyribose (dans l’ADN), dépourvu de
groupement hydroxyle en C-2’.
Dans les nucléotides, les pentoses sont sous forme furanose et ont une configuration
anomérique β.
OOHHOH2C
OHHO
1'2'3'
4'
5'O
OHHOH2C
HO
1'2'3'
4'
5'
Ribose Désoxyribose La numérotation en « prime » des atomes des pentoses les distingue de ceux des bases.
Les nucléosides et nucléotides
- Un nucléoside est formé d’une base et d’un pentose – ribose ou désoxyribose –
unis par une liaison N-glycosidique (d’où le nom de nucléoside) entre le N-1 de la
base pyrimidique ou le N-9 de la base purique et le C-2’ du pentose. En raison de
la configuration anomérique β et du C-1’ du pentose, la base est située au-dessus du
plan du cycle du pentose et dans un plan perpendiculaire à ce dernier (cycles
puriques et pyrimidiques sont plans).
Base
Pentose
Les nucléotides sont, à de rares exceptions près (ex. l’adénosine, un médiateur
chimique), des intermédiaires métaboliques des nucléotides.
- Un nucléotide est un ester phosphorique de nucléoside. Il est formé :
o d’une base ;
Gillet Steve, D.Sc. -58-
Biochimie Part I
o d’un pentose (ribose dans les ribonucléotides ou désoxyribose dans les
désoxyribonucléotides) ;
o d’un ou plusieurs groupements phosphoryles.
Le site d’estérification le plus courant est le C-5’ du pentose. Un nucléoside est ainsi
phosphorylé en nucléoside-5’-monophosphate (5’-NMP), ou en abrégeant, nucléoside
monophosphate (NMP). En unissant le groupement phosphoryle en 5’ avec une liaison
anhydride de l’acide à un deuxième groupement phosphoryle, et ce dernier à un troisième,
on passe du nucléoside monophosphate au nucléoside di- et triphosphate (NDP et NTP). De
la même façon, on a les désoxyribonucléotides correspondants (dNMP, dNDP et dNTP). Les
groupements phosphoryles étant déprotonnés à pH physiologique, l’ATP, par exemple, porte
4 charges négatives.
N
N N
N
NH2
OOPO
O
O
POPO
O O
O O
D’autres sites d’estérification sont possibles, en particulier le C-3’ du ribose dans
l’adénosine-3’,5’-monophosphate cyclique (AMPc) et le guanosine-3’,5’-monophosphate
cyclique (GMPc), ribonucléotides cyclisés par un pont phosphodiester entre les C-3’ et C-5’.
D’autre part, la phosphorylation du C-2’ du ribose du NADP distingue ce dernier du NAD.
- Les bases puriques et pyrimidiques ne sont pas les seules à faire partie des
nucléotides : la nicotinamide tient lieu de base dans le dinucléotide irrégulier qu’est le
NAD(P), la flavine dans les FAD et FMN.
Ribose Désoxyribose
Nucléosides Nucléotides Autre nom Nucléosides Nucléotides
base
s
puriq
ues
Adénine A Adénosine AMP Acide adénylique d-Adénosine dAMP
ADP dADP
ATP dATP
Guanine G Guanosine GMP Acide guanylique d-Guanosine dGMP
GDP dGDP
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Biochimie Part I
GTP dGTP
pyrim
idiq
ues
Uracile U Uridine UMP Acide uridylique dUMP
UDP dUDP
UTP
Thymine T Thymidine d-Thymidine dTMP
dTDP
dTTP
Cytosine C Cytidine CMP Acide cytydilique d-Cytidine dCMP
CDP dCDP
CTP dCTP
Le métabolisme des nucléotides comprend :
- le catabolisme digestif des nucléotides issus de l’hydrolyse des acides nucléiques
alimentaires par les ribonucléases, désoxyribonucléases et polynucléotidases du
tractus intestinal ; ces nucléotides sont hydrolysés par des nucléositases et
nucléosidases en bases libres, ribose et phosphate ; la plus grande part de ces
bases sont dégradées et excrétées, une faible proportion étant intégrée dans les
acides nucléiques tissulaires ;
- la synthèse de novo de nucléotides à partir d’intermédiaires métaboliques ;
- le catabolisme tissulaire des nucléotides issus du renouvellement des acides
nucléiques ;
- le recyclage des purines : la synthèse de novo des nucléotides puriques étant
énergétiquement très coûteuse, une voie de récupération des purines permet, à
moindre prix, leur synthèse.
27.2. Pourquoi ?
Les nucléotides jouent un rôle dans presque tous les processus biochimiques.
- Les nucléosides monophosphates sont les monomères des polynucléotides que
sont les acides nucléiques (ADN et ARN), dépositaires moléculaires de l’information
génétique. Les nucléosides triphosphates en sont les précurseurs activés.
- Ils sont constitutifs des NAD, NADP, FAD et FMN, coenzymes d’oxydoréduction, et
du coenzyme A, coenzyme de transfert des groupements acyles.
- L’ATP est la monnaie énergétique universelle, recevant l’énergie produite par des
réactions exergoniques (les oxydations phosphorylantes, la photophosphorylation) et
la cédant aux travaux cellulaires (chimique, mécanique, osmotique). Le GTP est un
donneur d’énergie spécialisé : translocation de la chaîne peptidique sur les
Gillet Steve, D.Sc. -60-
Biochimie Part I
ribosomes au cours de la synthèse des protéines, activation des protéines de
couplage des signaux…
- Des dérivés nucléotidiques sont les intermédiaires activés de réactions de
synthèse : UDP-glucose et glycogénèse, UDP-acide glucuronique et
glucuronoconjugaison, CDP-diglycéride et synthèse des phospholipides…
- Des nucléotides sont des régulateurs métaboliques : l’ATP intervient dans le
contrôle allostérique ou par modification covalente d’enzymes, l’AMPc et le
GMPc sont des seconds messagers cellulaires…
27.3. Où ?
L’importance des nucléotides dans le métabolisme cellulaire est telle que toutes les cellules
peuvent le métaboliser. Chez les mammifères, leur métabolisme a lieu surtout dans le foie.
27.4. Comment ?
Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques
La partie ribose phosphate des nuléotides puriques et pyrimidiques provient du 5-
phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP), forme activée du ribose-5-phosphate issu de la
voie des pentoses phosphates. Cette réaction de pyrophosphorylation, catalysée par la
pyrophosphorybosyl pyrophosphate synthétase, transfère le groupement β-γpyrophosphoryle
de l’ATP sur le C-1 du ribose-5-phosphate. Elle est limitante, mais n’est pas une étape
majeure de la régulation de la synthèse des purines car le PRPP a d’autres rôles
métaboliques. Le ribose-5-phosphate peut aussi être produit directement par
phosphorylation du ribose par la ribose kinase en présence d’ATP.
Le cycle pyrimidine est assemblé « à part », puis uni au ribose-5-phosphate pour
former le premier nucléotide pyrimidique, l’orotidine monophosphate (OMP) ou orodidylate
(dont la base est l’orotate), à partir duquel sont synthétisés tous les nucléotides pyrimidiques.
Le cycle purine est assemblé « en place », sur le ribose-5-phosphate même, pour former,
en 9 réactions, le premier nucléotide purique, l’inosine monophosphate (IMP) ou inosinate
(dont la base est l’hypoxanthine), à partir duquel sont synthétisés tous les nucléotides
puriques. Nous verrons plus de détails à ce sujet dans la partie II du cours de biochimie.
Catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques
Les nucléotides puriques sont catabolisés en acide urique, les nucléotides
pyrimidiques en acétyl-CoA ou en succinyl-CoA.
Gillet Steve, D.Sc. -61-
Biochimie Part I
28. Le métabolisme de l’hème
28.1. Qu’est-ce ?
L’hème est une porphyrine centrée sur un ion Fer.
N
N
N
N Fe
HOOCCOOH
I
II
III
IV
1 2
3
4
56
7
8
α
βγ
δ
Les porphyrines dérivent de la porphine, composé cyclique formé de 4 noyaux
pyrroles liés par des ponts méthènes.
Les porphyrines sont des porphines substituées sur les atomes de carbone
numérotés de 1 à 8 (la « base » des pyrroles), les atomes de carbone des ponts méthènes
étant désignés par les lettres α, β, γ et δ. La protoporphyrine III (ou protoporphyrine IX
dans la classification de Fischer, pionnier de la chimie des prophyrines), porphyrine de
l’hème (groupement prosthétique de l’hémoglobine et de la myoglobine, des cytochromes de
la chaîne respiratoire et du cytochrome P450), a sa « couronne » spécifique de groupements
méthyles (4), vinyles (2) et propanoyles (2).
Le métabolisme de l’hème comprend : sa synthèse à partir du succinyl-CoA,
intermédiaire du cycle de l’acide citrique, et d’un acide aminé, la glycine, et son
catabolisme en bilirubine et pigments biliaires.
28.2. Pourquoi ?
L’une des propriétés caractéristiques des porphirines (molécules planes) est la
formation de complexe avec les ions métalliques qui se lient avec les atomes pyrroliques de
la porphyrine. Ainsi, la porphyrine de la chlorophylle est centrée sur un ion Mg2+. La
porphyrine de l’hème est centrée sur un ion Fer :
Gillet Steve, D.Sc. -62-
Biochimie Part I
Gillet Steve, D.Sc. -63-
- en tant que groupement prosthétique de coenzymes d’oxydoréduction, Fe3+ fixe
réversiblement un électron ;
- en tant que groupement prosthétique de l’hémoglobine, Fe2+ (mais pas Fe3+) se
relie réversiblement à une molécule d’O2.
28.3. Où et comment ?
La synthèse de l’hème a lieu surtout dans les réticulocytes de la moelle osseuse
(les 5/6, destinés à la synthèse de l’hémoglobine) et un peu dans le foie (1/6, destiné
principalement à la synthèse du cytochrome P450 impliqué dans les réactions de
détoxification hépatique). Ses substrats sont le succinyl-CoA, intermédiaire du cycle de
l’acide citrique, et la glycine.
Le catabolisme de l’hème, provenant pour la plus grande part de l’hémoglobine (et
pour le reste des cytochromes), a lieu :
- dans les macrophages du système réticulo-endothélial (surtout dans la rate, mais
aussi dans la moëlle osseuse et le foie) : l’hème, issu de l’hémoglobine des
« vieilles » hématies phagocytées, est catabolisée en bilirubine ;
- dans le foie : la bilirubine est conjuguée à l’acide glucuronique avant d’être éliminée
par la bile dans l’intestin ;
- dans l’intestin, où la bilirubine conjuguée est catabolisée en pigments biliaires.