Les molécules du vivant

UE 2.1 : «Biologie fondamentale» Les molécules du vivant - partie 2 - Année 2016-2017 promotion GAUSFRED de ROUSSILLON Institut Méditerranéen de Formation en Soins Infirmier Jean-Luc Moreau

Objectif Définition, structure et fonctions des principales molécules organiques du vivant Les protéines Les lipides Les glucides Les acides nucléiques Les Vitamines

Atomes Molécules Ions Anions- Cations+

Atomes Molécules Ions Anions- Cations+ Squelette carboné Inorganiques Organiques Groupement fonctionnel Eau OH COOH NH 2 Lipides Protides Glucides Acides nucléiques Vitamines

Composé organique Molécule comportant des atomes de carbone (C) liés à des atomes d hydrogènes (H). Les molécules organiques peuvent aussi comporter d autres éléments (O, N, P, S )

Organique/minéral

Protéine polysaccharides et acides nucléiques sont des polymères polymères Pentamère

Molécules les plus variées et les plus abondantes dans les organismes vivants Remplissent de nombreuses fonctions cellulaires Macromolécule organique dont l unité de base est :

Les protéines Protéine : grec «prôto» le premier, essentiel Extrêmement nombreuses : > 100 000 et ~ 50 % poids sec des cellules Grande diversité de fonctions : Molécules de structure Molécules fonctionnelles Enzymes : catalyse les réactions biochimiques Défense contre les infections : anticorps Transporteur Signalisation cellulaire: hormone, récepteur

Protéines = polymères d acides aminés

Structure des acides aminés Molécules de structure commune H R O H N C α H C OH

Structure des acides aminés Molécules de structure commune H R O H N C α H C OH Groupement carboxyle (acide)

Structure des acides aminés Molécules de structure commune H H N Groupement amine R C α H C O OH Groupement carboxyle (acide)

Structure des acides aminés Molécules de structure commune Chaîne latérale variable H H N Groupement amine R C α H C O OH Groupement carboxyle (acide)

Exemples d acides aminés

20 aa classiques 2 aa «exotiques» sélénocystéine pyrrolysine

Besoin en acides aminés chez l Homme Acides aminés essentiels : synthèse impossible, source dans alimentation Acides aminés non essentiels : synthèse endogène

Synthèse des protéines Protéines de l alimentation ou endogènes dégradées Pool d acides aminés libres Acheminement vers les cellules pour une synthèse de protéines particulières

Phénylcéthonurie: Pathologies (1) Pathologie innée du métabolisme Trouble du catabolisme de la phénylalanine Déficience en phénylalanine hydrolase (PAH) Accumulation de phénylalanine Troubles neurologiques

Phénylcéthonurie Troubles neurologiques

Phénylcéthonurie Test de Guthrie Maladie génétique héréditaire Troubles neurologiques

Pathologies (2) Leucinose Trouble du métabolisme de la leucine, isoleucine et valine Déficit en α-cétodécarboxylase Accumulation d acides cétoniques Encéphalopathie (léthargie, coma, convulsion )

Liaison peptidique Une liaison peptidique est une liaison covalente qui relie 2 acides aminés de la chaîne polypeptidique Liaison peptidique

Liaison peptidique

Liaison peptidique 2 résidus = dipeptide 12-20 résidus = oligopeptide 20-50 résidus = polypeptide Au-delà de 50 = protéine

Séquence d une protéine = structure primaire

Repliement des protéines dans l espace Acides aminés N C N C

Structure des protéines 4 niveaux structuraux: Structure primaire Structure secondaire Structure tertiaire Structure quaternaire

Récepteur de l insuline Structure tertiaire

UE 2.1 : «Biologie fondamentale» Les molécules du vivant - partie 3 - Jean-Luc Moreau Année 2014-2015 promotion Ambroise PARE Institut Méditerranéen de Formation en Soins Infirmier

La description des protéines se fait traditionnellement selon quatre niveaux d'organisation

Illustration de l importance de la bonne conformation des protéine

La protéine prion (1) PrP-c Protéine prion cellulaire normale PrP-sc Forme pathogène D après Stantley B. Prusiner

La protéine prion (2) PrPc : protéine prion responsable de l encéphalopathie spongiforme transmissible Caractérisée par un état de démence, un coma et le décès du patient Liée à l accumulation dans le cerveau d une protéine prion anormale, PrPsc (prion protein scrapie associated)., ayant un pouvoir infectieux PrPc et PrPsc ont même séquence primaire mais diffèrent par leur structure tertiaire

La drépanocytose Hb β humaine Ac. glutamique normale MVHLTPEEKSAVTALWGKVNVDE MVHLTPVEKSAVTALWGKVNVDE mutée valine Modification d'un seul acide aminé (glu-> val) de la chaîne beta de l Hb

La drépanocytose/anémie à cellule falciforme X 22 000

La drépanocytose/anémie à cellule falciforme L hémoglobine cristallise. Cela forme des fibre qui vont déformer le globule rouge Ischémie, anémie

Hormones et neuromédiateurs

La kératine Protéine fibreuse produite par les kératinocytes Composant majoritaire des ongles et des cheveux Imperméabilité de la peau

Le collagène Séquence partielle de la chaîne a1(i) de collagène Gly(13)-Pro-Met-Gly-Pro-Ser-Gly-Pro-Arg-Gly-Leu-Hyp-Gly-Pro-Hyp-Gly-Ala-Hyp- Gly-Pro-Gln-Gly-Phe-Gln-Gly-Pro-Hyp-Gly-Glu-Hyp-Gly-Glu-Hyp-Gly-Ala-Ser- Gly-Pro-Met-Gly-Pro-Arg-Gly-Pro-Hyp-Gly-Pro-Hyp-Gly-Lys-Asn-Gly-Asp-Asp(61) Assemblage des molécules de collagène en fibrille

Assemblage des fibrilles de collagène en fibre

Collagène dans l organisme Protéine la plus abondante de l organisme produit par de nombreuses cellules Résistance Initiation cascade de coagulation sanguine

Hormone et communication intercellulaire Ex: hormone

Albumine Synthétisée par le foie Principale protéine plasmatique Transporteur plasmatique (acides aminés, lipides, calcium ) Pouvoir tampon : limite les variations de ph Contribue à la rétention d eau dans le sang Détoxification (ex: métaux toxiques Cu, Hg )

Anticorps

Les enzymes Définition (1) Ce sont des molécules biologiques de nature protéique possédant une activité catalytique élevée et spécifique Protéine globulaire 4 niveaux de structure

Les enzymes Définition (2) Ce sont des molécules biologiques de nature protéique possédant une activité catalytique élevée et spécifique Catalyseur du monde vivant Augmente seulement la vitesse des réactions possibles Activité à faible dose Intact en fin de réaction

Définition Ce sont des molécules biologiques de nature protéique possédant une activité catalytique élevée et spécifique Spécificité réactionnelle : chaque enzyme ne catalyse qu une seule réaction (ou un groupe de réactions du même type).

Définition (3) Ce sont des molécules biologiques de nature protéique possédant une activité catalytique élevée et spécifique Spécificité réactionnelle : chaque enzyme ne catalyse qu une seule réaction (ou un groupe de réactions du même type). Spécificité de substrat : «reconnaissance» du substrat par l architecture spatiale de l enzyme.

Le site actif Site actif Fonction des enzymes Cavité ou sillon dans lequel vont se fixer et réagir les substrats pour se transformer en produit

Le site actif comprend deux parties Site actif Site de fixation Site catalytique

Site actif Ensemble des acides aminés de la protéines qui établissent des interactions directes avec le substrat Site de fixation responsable de la spécificité de substrat Site catalytique responsable de la spécificité de réaction

Ecriture simplifiée de la réaction enzymatique E+S ES E + P

Cofacteur enzymatique Certaines enzymes sont exclusivement de nature protéique, d autres pour fonctionner ont besoin d un cofacteur Cofacteur : Composé permettant à l enzyme d être active - ions métalliques (cuivre, zinc, ) - vitamine

Définition Les isoenzymes Enzymes catalysant la même réaction mais codées par des gènes différents Propriétés Synthétisés dans des cellules; tissus; temps différents Mode de régulation, spécificité de substrat différents Meilleure adaptation de l organisme Répondre aux besoins d un tissu ou d un stade de développement particulier

Les lipides

Les lipides Connaître les lipides : structures, caractéristiques et fonctions Comprendre les relations entre structure et fonction Connaissance de base pour la compréhension des applications biomédicales

Les lipides Molécules organiques hydrophobes (C,H,O) Ne sont pas des polymères Nombreux rôles dans le monde du vivant : énergétique : réserve d énergie structural : composant des membranes cellulaire, gaine de myéline Signalisation cellulaire : hormones (stéroïdes)

Lipides Lipides à base d acides gras Acides gras Glycérides Phospholipides Cholestérol Stéroïdes AG Saturés AG monoinsaturés AG polysaturés Vitamines liposolubles A, E, K

Qu est-ce qu un acide gras?

Les acides gras - c est un lipide - Longue chaîne carbonée avec une fonction acide 1 chaîne aliphatique + Groupement carboxylique

Les acides gras saturés/insaturés Saturé on ne peut pas ajouter d hydrogène Insaturé au moins une double liaison

Acides gras poly-insaturés essentiels

Les glycérides

Les triglycérides (Graisse classique) = molécules formées de 1 glycérol lié à 3 acides gras

Les phospholipides CH 2 O O CH O C O C O CH 2 CH 2 O P O CH 2 O + N(CH 3 ) 3 (ex: Choline) Phosphate Variable Phosphate Glycerol Acides gras Hydrophilic head Hydrophobic tails (a) Formule développée (b) Modèle compact (c) Symbole des phosphoglycérolipides Des phospholipides amphiphiles = 1 pôle hydrophile + 1 pôle hydrophobe

Structure de la membrane plasmique Tête hydrophile Bicouche lipidique Queues hydrophobe Bicouche lipidique Épaisseur 7 à 8 nm

Le cholestérol Composant des membranes cellulaires Particulièrement abondant dans la gaine de myéline des fibres nerveuses Diminue la fluidité membranaire et perméabilité passive des membranes Composant des lipoprotéines plasmatiques (forme de transport du cholestérol)

Lipoprotéines Structures sphériques riches en protéines et en lipides dont le cholestérol Transport des lipides dans le plasma Différents types de lipoprotéines : chylomicrons, VLDL, LDL, HDL Associées aux pathologies cardiovasculaires

Cholestérol et pathologie

Artères coronaires

Athéromes des artères coronaires Plaques d athérome

Athéromes des artères coronaires Sténose = rétrécissement de la lumière artérielle Thrombose = oblitération du vaisseau / caillot sanguin

Athérosclérose En cas d hypercholestérolémie le cholestérol peut se déposer dans les artères et les boucher: plaque d athérome (athérosclérose)

Bilan lipidique simplifié Après 12 heures de jeûne: Aspect du sérum Dosage des triglycérides Dosage du cholestérol < 1,7 mmol/l (<1,5g/L) < 5,1 mmol/l (<2g/L)

Bilan lipidique

Hormones stéroïdiennes Favorise nidation Homéostasie Na+ et K+ Anti-stress Hormones sexuelles

Les glucides

Importance des glucides Source d énergie (glucose) Réserves énergétiques (amidon, glycogène) Constituants de composés de l organisme (transporteurs d électrons, acides nucléiques, ) déterminants antigéniques (système ABO) Présent dans de nombreux aliments (pain, riz, pâtes, pommes de terre, )

Les glucides Monosaccharides ou sucres simples = oses Polymères de sucres simples sucres complexes = osides Pentose Hexose Disaccharides Polysaccharides Glycoconjugués

Les oses

Un hexose important : le glucose (1)

Un hexose important : le glucose (2) A jeun: Le taux normal de glucose dans le sang ou glycémie est compris entre 4 et 6,10 mmol/l (0,7 et 1,10 g/l) Diabète si glycémie à jeun > 6,6 mmol/l (1,2 g/l) Si glycémie > 9,9 mmol/l (1,8 g/l) sucre dans les urines = glycosurie Diabète de type I : maladie autoimmune, destruction des cellules β productrices d insuline Diabète de type II : adulte > 50 ans, excès pondéral, résistance à l insuline

Deux pentoses importants : ribose et désoxyribose Ribose et désoxyribose : sucres constituants des acides nucléiques (ARN et ADN) Ribose : sucre de l ARN, ATP, coenzyme comme le NAD Désoxyribose : sucre de l ADN

ATP = Adénosine triphosphate Principale forme d énergie utilisée par les cellules

Polymères de sucres simples

Les disaccharides 2 hexoses sont reliés entre eux par une liaison osidique (ou glycosidique) pour donner un disaccharide

Maltose Les principaux disaccharides Union de 2 glucoses provenant de la digestion de l amidon par l amylase (bière, whisky) Saccharose Glucose-fructose = Sucre de table Lactose Galactose-glucose. Présent dans le lait de tous les mammifères

Intolérance au lactose Déficience en lactase Diarrhée et ballonnements 10 % des adultes sont intolérants au lactose en Europe

Les polysaccharides Assimilables Non assimilables Fibres alimentaires Amidon Cellulose Métabolisme Transit intestinal

L amidon Un polymère de glucose Substance de réserve des végétaux La moitié des glucides apportés par l alimentation chez l homme Abondant dans les graines de céréales (blé, maïs, riz) et la pomme de terre

La cellulose La cellulose est une molécule linéaire très répandue dans le monde végétal Non assimilable chez l homme La cellulose fait partie du groupe des fibres alimentaires et joue un rôle important dans le transit intestinal et la sensation de plénitude gastrique

Les polysaccharides polymères de monosaccharides - Le glycogène que l on trouve surtout dans le foie et les muscles est un polymère de glucose Le glycogène Le glycogène est la principale forme de stockage du glucose chez les animaux

Les glycoconjugués = Oses + fraction non osidique Oses + protéines Oses + lipide Oses + autres Glycoprotéines Lipoprotéines Hétérosides Glycoconjugués

Les groupes sanguins ABO Les groupes sanguins sont définis par la présence ou l absence de sucres particuliers (glycolipides) l appartenance à un groupe sanguin est défini par la présence : 1.d un antigène de nature glucidique sur les hématies 2. d anticorps dans le sérum Ce sont les anticorps qui oblige de respecter des règles de compatibilité pour les transfusions

Lipide Groupe GluNAc O GluNAc Antigène A A GluNAc Antigène B B

Les acides nucléiques

Les acides nucléiques Les acides nucléiques Il existe deux types d acide nucléique : ADN et ARN L ADN = Acide DésoxyriboNucléique L ARN = Acide RiboNucléique L ADN support de l information nécessaire à la synthèse des protéines et des ARN L ADN est principalement localisé dans le noyau des cellules eucaryotes

Acide DésoxiriboNucléique ADN

4 Bases azotées Composants de l ADN Adénine Guanine Cytosine Thymine Glucide Purique Pyrimidique Groupe phosphate Pentose : désoxyribose

L ADN Polymère linéaire de désoxyribonucléotides reliés par des liaisons phosphodiesters Désoxyribonucléotide = base + pentose + groupe phosphate

(Désoxyribo)nucléotide Désoxyribonucléotide = base + pentose + groupe phosphate Exemple Phosphate Base azotée Base purique Adénine Adénosine monophosphate Pentose

L ADN Le désoxyribonucléotide est un nucléotide

4 bases azotées DONC 4 sortes de nucléotides dans l ADN : A, T, C et G

L ADN Les nucléotides peuvent se lier les uns aux autres par leur sucre (désoxyribose) et leur groupement phosphate. 5 3 Polymère linéaire de désoxyribonucléotides

L ADN est formé de 2 brins antiparallèles 3 L ADN 5 5 3 L orientation des brins est toujours inversée Bicaténaire Antiparallèle Complémentaire

L ADN Par convention, lecture et écriture de l ADN se fait dans le sens 5 vers 3

Appariement des bases 3 5 5 3

Complémentarité des bases Liaison hydrogène désoxyribose désoxyribose désoxyribose désoxyribose A T G C A T L appariement entre bases obéit à des règles : règles de Chargaff G C

En résumé Il existe une interaction à deux liaisons hydrogènes entre Adénine et Thymine Il existe une interaction à trois liaisons hydrogènes entre Guanine et Cytosine Deux à deux, les bases azotées sont donc associées par liaisons hydrogènes. Ceci assure la stabilité de l'ensemble On peut résumer les associations entre bases par le tableau suivant : Bases puriques Nombre de Liaisons H Bases pyrimidiques A 2 T G 3 C

Exercice 1 : Déterminer la séquence du brin d ADN complémentaire à la séquence donnée 5 3 TTCAGTT AAGTCAA 3 5

1 brin d ADN

L ADN : support de l hérédité polymère de désoxyribonucléotides 5 end O OH P O O O O P O O H 2 C O O P O O H 2 C O O P O O H 2 C OH O O O O 3 end Liaison hydrogène Composition chimique T C G A A G C T O O O O 3 end OH CH 2 O P O O CH 2 O P O O CH 2 O P O O CH 2 O P O O 5 end (b) Composition chimique fondamentale O O O O G C A T T A 1 nm G C 3.4 nm C G A T C G T A T A A T A T G C 0.34 nm A T Double hélice (a) Principales caractéristiques tridimentionnelles de la structure de l ADN d ADN Modèle compact d ADN (c) Modèle compact de l ADN

Fonctions de l ADN L ADN stocke le patrimoine génétique dans sa séquence nucléotidique l'adn contient l information permettant la synthèse de tous les est de tous les ARN et toutes les protéines dont l'organisme a besoin

L ARN Adénine Cytosine Guanine Uracile ribose

Les différents types d ARN ARNm : ARN permettant la production des protéines ARNrb : ARN des ribosomes ARNt : transport des acides aminés aux ribosomes ARN interférent : régulation de l expression des gènes

L ARN diffère de l ADN par plusieurs caractères : Acide ribonucléique L ARN il est plus court (70 à 10 000 nucléotides) le squelette de pentoses et de phosphates contient du ribose à la place du désoxyribose parmi les bases azotées l'uracile (U) remplace la thymine (T) Les RNA sont simple brin mais certaines régions sont appariées sur une courte distance par leurs bases complémentaires