MODULE BIO 121 LES CONSTITUANTS BIOMOLECULAIRES DE LA CELLULE. Responsables : Françoise Cornillon et Ludovic Pelosi REPARTITION :

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1 MODULE BIO 121 LES CONSTITUANTS BIOMOLECULAIRES DE LA CELLULE Responsables : Françoise Cornillon et Ludovic Pelosi REPARTITION : 21h de cours magistraux (14 séances de 1h30) 19h30 de TD (13 séances de 1h30, dont une en salle informatique) 20h TP (5 séances de 4h dont une d initiation) BLOUSE OGLIGATOIRE

2 MODULE BIO 121 LES CONSTITUANTS BIOMOLECULAIRES DE LA CELLULE EVALUATION : Note de contrôle continu 1 TP = moyenne des 5 compte-rendus de TP tenant compte aussi de l attitude en TP Coefficient 0,6 Note de contrôle continu 2 = 1/2 h d écrit et 10 min d oral au cours du semestre Coefficient 0,4 Note d examen final = 2h d écrit portant sur tout le programme abordé en CM, TD et TP en fin de semestre Coefficient 1,0

3 La Biochimie Définition: la chimie appliquée à la biologie! Ou comment les notions élémentaires de chimie peuventelles expliquer les mécanismes moléculaires du vivant

4 les familles de biomolécules: Les glucides : glucose, polysaccharides (3 cours) Les acides nucléiques : ADN, ARN, cofacteurs (FAD, NADH, NADPH), etc. (3 cours) Les acides aminés : peptides, protéines (5 cours) Les lipides : acides gras, phospholipides, cholestérol, etc. (3 cours) L eau

5 Quelques rappels Bactéries: 1 à 5 µm (10-6 m) Cellules animales ou végétales : 10 à 100 µm Mitochondrie: 1 à 5 µm En biochimie Echelle moléculaire : nm (10-9 m) ex: bicouche lipidique (10 nm) Echelle atomique: Å (10-10 m) ex: liaison hydrogène 2Å, etc.

6 Ouvrages Biochimie Générale, Jacques-Henry WEIL 9 ème édition - Ed Dunod Biochimie, D. Voet, J-G. Voet- Ed De Boeck Biochimie, De L.Stryer J.Berg J.Tymoczko Flammarion Tous disponibles en nombre suffisant à la BU des Sciences!!! Quelques sites que vous pouvez consulter sur internet biochimie générale monosaccharides et polysaccharides biochimie générale Sites indiqués sur le BV

7 Les Glucides Bio 121 I - Introduction

8 I/1 - Rôles biologiques des sucres Rôles énergétiques Rôles structuraux Métabolisme cellulaire Réserves ou sources d énergie amidon saccharose ADN ou ARN Membranes des hématies Parois des plantes et des bactéries glucose Desoxyribose ou Ribose groupes sanguins ABO cellulose peptidoglycane énergie

9 I/2 - Dénominations Unités de base GLUCIDES Hydrates de carbone OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables)

10 OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) = structures élémentaires des glucides Glucose (forme cyclique)

11 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère

12 OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) hydrolysable Amidon

13 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses)

14 HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses) Cellulose

15 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses) HETEROSIDES (hydrolyse oses + aglycones)

16 Parties osidiques HETEROSIDES (hydrolyse oses + aglycones) On parle aussi de glycoconjugués Partie protéique (aglycone) Glycoprotéine

17 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses) HETEROSIDES (hydrolyse oses + aglycones) OLIGOHOLOSIDES Oligosaccharides 2 10 oses POLYHOLOSIDES Polysaccharides > 10 oses HOMOPOLYSACCHARIDES (oses =)

18 HOMOPOLYSACCHARIDES (oses =) Amidon Cellulose Amilopectine

19 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses) HETEROSIDES (hydrolyse oses + aglycones) OLIGOHOLOSIDES Oligosaccharides 2 10 oses POLYHOLOSIDES Polysaccharides > 10 oses HOMOPOLYSACCHARIDES (oses =) HETEROPOLYSACCHARIDES (oses #)

20 HETEROPOLYSACCHARIDES (oses #) Glucomannane (glucose et mannose) Arabinogalactane (arabinose et galactose)

21 I/3 - Définition chimique Carbohydrates de formule Cn (H 2 O)n Plusieurs fonctions alcool Carbones asymétriques alcool primaire R1 CH2- OH R2 * alcool secondaire R1 CH OH Une fonction réductrice : aldéhyde cétone R1 C H O O R1 C R2

22 I/4 - Classification Selon la nature de la fonction réductrice Aldéhyde aldose Cétone cétose Selon le nombre d atomes de carbones Cn (H2O)n n = 3 triose n = 4 tétrose n = 5 pentose n = 6 hexose n = 7 heptoses Selon la configuration du ou des carbones asymétriques Série D ou L

23 En résumé Dans la dénomination des oses On associe la nature de la fonction réductrice à la longueur de la chaîne carbonée et à la configuration Aldose en C3 de la série D D - aldotriose Cétose en C6 de la série L L- cétohexose

24 II Les oses ou sucres simples Formules et structures

25 I/2 - Dénominations Unités de base OSES Monosaccharides Sucres simples (non hydrolysables) GLUCIDES Hydrates de carbone OSIDES Polysaccharides (hydrolysables) Polymère HOLOSIDES (hydrolyse seulement des oses) HETEROSIDES (hydrolyse oses + aglycones) OLIGOHOLOSIDES Oligosaccharides 2 10 oses POLYHOLOSIDES Polysaccharides > 10 oses HOMOPOLYSACCHARIDES (oses =) HETEROPOLYSACCHARIDES (oses #)

26 II/1 - Trioses Aldose Cétose aldéhyde D-glycéraldéhyde (D, car OH à droite) Alcool II aire cétone Alcool I aire dihydroxyacétone Alcool I aire Alcool I aire

27 II/2 - Chiralité Objet chiral : Objet non superposable à son image dans un miroir Deux molécules chirales : Deux stéréoisomères ou énantiomères Propriétés chimiques et physiques identiques À l exception du pouvoir rotatoire Molécule avec plusieurs centres de chiralité : (ex : cas des aldotétrose) diastéréoisomères

28 II/3 - Configuration D ou L du glycéraldéhyde d après la convention de Fischer: * * D-glycéraldéhyde (OH à droite) L-glycéraldéhyde (OH à gauche) énantiomères Les oses naturels appartiennent à la série D

29 II/4 - Isomérie optique Enantiomérie # pouvoir rotatoire Le pouvoir rotatoire (à ne pas confondre avec l isomérie D ou L), est la propriété optique de chaque énantiomère à dévier le plan de polarisation d une onde monochromatique polarisée Si le plan de polarisation est dévié vers la droite, la molécule est dite «dextrogyre», elle est noté (+) Si le plan de polarisation est dévié vers la gauche, la molécule est dite «Levogyre», elle est noté (-) D-glycéraldéhyde (+) L-glycéraldéhyde (-) Mélange racémique La forme naturelle du fructose D(-) La forme naturelle du glucose D(+)

30 II/5 - Carbone asymétrique - représentation Les chimistes représentent les molécules dans l'espace en utilisant le procédé du "coin volant " : - un trait simple représente une liaison située dans le plan du papier - un pointillé représente une liaison orientée en arrière de ce plan - et un trait d'épaisseur croissante représente une liaison orientée vers le lecteur. A A B * C D D C * B

31 II/6a- Représentation de Fisher Représentation plane d une molécule en 3 dimensions Hermann Emil Fischer - prix Nobel de chimie 1902

32 II/6b- Représentation de Fisher H CHO C * CH2OH OH H CHO * C OH CH2OH H CHO C * OH CH2OH D CHO CHO CHO H * C OH CH2OH OH C * H CH2OH OH C* H CH2OH L Exemple avec le glycéraldéhyde

33 II/7 - Numérotation des carbones C cétotétrose

34 II/8 - Filiation des oses D-Glycéraldéhyde Addition du C supplémentaire Exemple avec le aldoses H OH D-érythrose 1 HO H D-thréose Enantiomères Diastéréoisomères (épimères)

35 On peut ensuite continuer 2 possibilités de placer le substituant OH sur le C2 du D-érythrose formation de 2 nouveaux stéréoisomères non images l un de l autre = diastéréoisomères Deux diastéréoisomères qui ne diffèrent que par la position d une seule fonction alcool secondaire = épimères

36 Dans le cas des cétose C cétotétrose

37 Affiliation série-d (L) des aldoses Lors de l allongement de sa chaîne carbonée, un ose appartiendra à la série D (L) si son carbone de référence (le plus éloigné de la fonction aldéhyde, ou le plus proche de la fonction alcool primaire) appartient à la même configuration absolue que le carbone asymétrique du D- (L-) glycéraldéhyde (-OH à droite (à gauche) sur la projection de Fischer)

38 II/9 - Stéréoisomérie des oses Enantiomères : (résumé) Deux molécules qui sont l image l une de l autre dans un miroir Epimères : Deux molécules qui diffèrent par la position d un seul hydroxyle secondaire Diastéréoisomères : stéréoisomères non images l un de l autre dans un miroir Epimères en C2 Enantiomères Diastéréoisomères Anomères : Deux molécules qui diffèrent par la position de l hydroxyle secondaire généré par la cyclisation anomère α ou β

39 Nombre de stéréoisomères L allongement de la chaîne carbonée par des atomes de carbone porteurs d une fonction alcool secondaire (donc chiraux) augmente le nombre de stéréoisomères n C* => 2 n stéréoisomères exemple: aldohexose n C* = = 2x2x2x2 = 16 stéréoisomères 8 appartiennent à la série D 8 appartiennent à la série L

40 II/10 - Filiation des aldoses de la série D diastéréoisomères épimères Série D OH à droite épimères

41 II/11 - Filiation des cétoses de la série D

42 II/12 - Cyclisation des oses Addition nucléophile intermoléculaire R1 C H O +.. HO C R2 OH R1 C O C R2 aldéhyde alcool Addition nucléophile intramoléculaire H hémiacétal C C H O aldéhyde.. + HO C alcool OH C O - C H hémiacétal cyclique A partir des pentoses!

43 Lors de la cyclisation, le carbone 1 (aldoses) ou 2 (cétoses) porte un groupement hydroxyle (-OH) dérivé de la fonction aldéhyde ou cétone. L ensemble est désigné : Fonction pseudoaldéhydique Fonction hémiacétal Fonction réductrice Ce OH possède une réactivité particulière et ne doit pas être confondu avec les autres fonctions «alcool» de la molécule d ose

44 II/13 - Représentation de Fisher représentation de Tollens - cas des aldohexoses Fisher H 2 O H 2 O Formation de l hémiacétal interne Pont oxydique 1-4 α Pont oxydique 1-5 α Cycle à 5 sommets Cycle à 6 sommets Tollens La plus stable dans le cas des aldoses Bernhard TOLLENS

45 II/14 - Représentation de Tollens représentation de Haworth Cycle à 6 sommets cycle pyrane pyranose O du cycle en haut à droite Tollens H OH OH au dessus anomère β C1 anomérique OH en dessous anomère α α-d-glucopyranose OH au dessous du plan cycle pyrane Numérotation des C dans le sens des aiguilles d une montre 1 Walter Norman Haworth - prix Nobel de chimie 1937

46 II/14 - Représentation de Tollens représentation de Haworth α Cyclisation 1 4 Cycle de type furane furanose H 2 O H 2 O Cyclisation par un OH de droite Passage du groupement au dessus du cyle H OH

47 Cyclisation 2 6 Cycle de type pyrane pyranose II/15 - Cyclisation des cétohexoses β * Tollens Cyclisation 2 5 Cycle de type furane furanose β *

48 II/16 - Le glucose en solution phénomène de mutarotation [α 0 ] 112 α-d glucopyranose pouvoir rotatoire spécifique [α] = , Dissolution au temps t = 0 pouvoir rotatoire spécifique [α] = 18,7 β-d glucopyranose temps

49 Le glucose en solution Mélange pouvoir rotatoire spécifique [α] = 52,5 Explication : équilibre constant entre la forme linéaire et la forme cyclique de l hexose Interconversion α-d glucopyranose β-d glucopyranose Dans un mélange à l équilibre on a 1/3 de forme α et 2/3 de β

50 Phénomène de mutarotation Exemple avec le D-glucose

51 II/17 - Mode de représentation et nomenclature La nomenclature utilisée doit renseigner sur l ensemble des éléments de structure de l ose : * Anomérie Enantiomérie α-d-glucopyranose Nom de l ose Forme du cycle * Terminaison «ose» lorsque le OH en 1 est libre fonction hémiacétal réductrice libre β-d-fructofuranose

52 II/18 - Ecriture en série L l énantiomère L d un ose peut être obtenu en représentant le symétrique de l isomère D soit par rapport à un plan vertical, soit par rapport à un plan horizontal. CH2OH CHO CHO O α D-glucopyranose énantiomères CH2OH D-glucose CH2OH L-glucose O CH2OH α L-glucopyranose

53 II/19 - Conformations bateau ou Conformères chaise Chaise (4C1) Chaise (1C4) La moins favorable Bateau

54 Conformation chaise

55 II/ 20 Résumé Règles générales de la représentation des oses 1- série D ou L : appartenance déterminée par la position de l hydroxyle du carbone asymétrique voisin de la fonction alcool primaire la plus éloignée de la fonction réductrice. OH à droite (D) OH à gauche (L) 2- filiation : addition du carbone supplémentaire au dessous de la fonction réductrice (C1 aldoses et C2 cétoses) 3- passage représentation de Fisher représentation de Haworth : a/ Le plan du cycle est perpendiculaire au plan de la feuille b/ Le carbone anomérique est représenté à droite de la structure cyclique

56 c/ La numérotation des autres atomes de carbone se fait dans le sens des aiguilles d une montre d/ Les OH situés à droite de l axe vertical de la molécule dans la représentation de Tollens se retrouvent au dessous du plan du cycle dans la représentation de Haworth (les OH à gauche au dessus) e/ Pour chaque ose de la série D, l anomère α a sa fonction réductrice en dessous du plan du cycle et β au dessus. Ce sens est inversé pour les oses de la série L f/ Les atomes de carbone situés hors du cycle sont représentés au dessus du plan du cycle lorsque l OH impliqué dans la cyclisation est à droite de la représentation de Tollens. Inversement lorsque l OH impliqué dans la cyclisation est à gauche.