Les molécules du vivant

Les molécules du vivant -Les Molécules constitutives des êtres vivants La cellule est constituée de molécules qui sont assemblées entre elles pour former les structures cellulaires Les protéines et les glucides ainsi que les acides nucléiques peuvent être formées de centaines voire de milliers d'atomes: ce sont les macromolécules qui peuvent elles mêmes s'associer entre elles. De nombreuses interactions entre les surfaces des différentes molécules qui contrôlent l'assemblage des structures sont hautement spécifiques et caractérisent la reconnaissance moléculaire qui est un concept majeur en biologie. Pour des structures simples le processus d'assemblage peut avoir lieu spontanément on parle alors d'auto-assemblage qui survient dès que deux molécules entrent en collision et s'amarrent l'une à l'autre. C'est le cas par exemple de certains virus qui peuvent être dissociés entre une molecule d'arn et en protéines de l'enveloppe qui peuvent se reformer sous certaines conditions D'autres assemblages sont plus complexes et sont régulés par la cellule elle-même qui par exemple induit des modifications chimiques séquentielles des molécules qui entraînent des modifications de conformation augmentant ou diminuant la stabilité des structures Un exemple est la disparition de la membrane nucléaire pendant la mitose et sa reconstitution à la fin de celle-ci. L eau est la molécule la plus abondante de l organisme et la plupart des réactions chimiques de l organisme ont lieu en milieu aqueux. Cette eau est accompagnée d un bon nombre d électrolytes dont les plus importants sont le sodium (Na), Le potassium (K), le calcium (Ca), l hydrogène (H), et chlore (Cl-). Tous ces éléments associés constituent un ensemble hydroelectrolytique qui sert de support à l organisation moléculaire des organismes. Les organismes vivants sont constitués en outre de 4 éléments : L hydrogène (H), l oxygène (O2), l azote (N) et le carbone (C). H, O et C s assemblent pour donner les lipides et les glucides C, H, O et N s assemblent pour donner les acides aminés et donc les protéines, mais aussi les nucléotides et donc les acides nucléiques support de l information génétique 1- L ensemble hydro-electrolytique Composition hydro-électrolytique des différents compartiments de l organisme (* pour un individu de 70 Kg) Compartiments Eléments Liquides extracellulaires Cellules Plasma-Lymphe Liquides interstitiels H2O 5L* 10L* 30L* Cations Na K Ca H Anions Cl- Autres éléments Chargés négativement HCO3- Protéines/ ac nucléiques Le compartiment extracellulaire a une composition hydro-électrolytique différente du compartiment intra-cellulaire, la plus marquée étant celle entre les concentrations de sodium et de potassium. Ceci est du à l existence de mécanismes

de régulation des concentrations des différents ions entre les différents compartiments par exemple la pompe Na/ K ATPase qui va activement participer à cette régulation Ces mécanismes de régulation participent : Au maintien et à la régulation du volume cellulaire Maintien d un compartiment intracellulaire électriquement neutre L établissement d un potentiel de repos Contrôle du passage des ions et d autres molécules à travers la membrane plasmique. -2- Les Glucides -2-1-Nomenclature -2-1-1 Les monosacccharides Glucides simples (CH2O)n, n étant compris enter 3 et 7 N= 3 triose (exemple pyruvate), n=5 pentose (exemple ribose et désoxyribose), n=6 hexose (exemple glucose). Ces monosaccharides peuvent être phosphorylés -2-1-2 Les disaccharides Formés de deux monosaccharides (exemple le saccharose, le lactose, le maltose) -2-1-3-Les oligosaccharides Glucides comportant 3 à 15 monosaccharides -2-1-4- Les polysaccharides Polymères ramifiés formés d unités osidiques comme le glycogène qui est une forme de stockage du glucose (foie muscle) -2-2-Rôles des glucides -2-2-1-Source d énergie Le glucose est le principal composé nutritif de la cellule, une série d oxydations le transforme en dérivés plus petits jusqu à obtenir du gaz carbonique (CO2) et de l eau (H 2 O) et aboutir à la libération d énergie sous forme d ATP ou Adénosine Tri-Phosphate Glucose et glycolyse: 1glucose 6O 2 6CO2 6 H 2 O énergie -2-2-2- Participent à la formation d autres molécules Associés à des bases azotées cycliques et à des groupements phosphate ils forment les nucléotides qui eux mêmes conduiront aux acides nucléiques (ADN et ARN) -2-2-3-S associent à des lipides (glycolipides) et des protéines (glycoprotéines) molécules souvent présentes dans la membrane cellulaire Molécules responsables de la reconnaissance de soi (complexe majeur d'histocompatibilité) Molécules d adhérence cellulaire Molécules circulant dans le sang (ex : facteur de coagulation) -3 Les lipides -3-1 Nomenclature -3-1-1 Lipides simples - Les acides gras Longues Chaines hydrocarbonnées avec un groupement carboxylique terminal CH3 (CH2-CH2)n COOH où n est habituellement compris entre 14 et 24 Les acides gras peuvent comporter une ou plusieurs double liaisons dans leur chaîne carbonée : acides gras insaturés. Acide gras saturé : gras animal en général solide à température de la pièce, sa consommation peut favoriser l apparition de problèmes cardio-vasculaire. Acide gars insaturé : gras végétal (avec cependant beaucoup d exception), liquide à la température de la pièce -3-1-2 Lipides complexes Les triglycérides ou tri-acyl-glycérols, sont constitués par 3 acides gras reliés à une molécule de glycérol

L association des acides gras avec un groupement énergétique le coenzyme A conduit à la formation d un acyl coa. Le plus petit acide gras lié à un CoA est l acétyl CoA -3-2 Rôle des lipides -3-2-1- Source d énergie 1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide A partir des triglycérides les trois chaînes d acides gras sont libérées ainsi que du glycérol Le glycérol peut se transfromer en pyruvate et les acides gras sont activés par fixation à un CoA puis dégradés par un système enzymatique en unités à 2 carbones (acétyl CoA) ces acétyl CoA rejoignent alors la voie des glucides Glucose Triglycérides Pyruvate Glycérol Acides gras Acétyl CoA Acétyl CoA -3-2-2 Les lipides sont des composants des membranes biologiques -3-2-2-1- Les phospholipides Le glycérol est lié à 2 acides gras et à un alcool phosphorylé Groupement chimique contenant du P et du N Glycérol Acides gras Leur composition chimiques confèrent aux phospholipides un comportement particulier vis à vis de l eau (cf cours sur les membranes biologiques) -3-2-2-2- Les glycolipides Molécules dans lesquels le glycérol est lié à deux acides gras et plusieurs sucres -3-2-2-3- Les stéroïdes Molécules formées d'un squelette de 4 cycles de carbone (noyau stérol). Exemple : le cholestérol qui rigidifie la membrane cellulaire -3-2-2-3-1 Les stéroïdes peuvent être des hormones Hormones stéroïdes, testostérone et oestrogènes, cortisol, hormones thyroïdiennes, Vitamine D par exemple). -3-2-2-3-2 Les lipides peuvent être des messagers dans la cellule des lipides membranaires qui peuvent être dégradés par des enzymes et donner naissance à des molécules qui transmettent une information au sein de la cellule (ex : phosphatidyl inositol)

-4 Les acides aminés et leurs dérivés -4-1- les acides aminés: Au nombre de 20 La chaîne latérale a un caractère soit hydrophile soit hydrophobe -4-2- Les protéines Modifications post - traductionnelles -4-2-1- Structure Polymères d A Aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques Protéines = 10 à 30 % du poids des cellules La séquence d AA d une protéine est déterminée par la séquence des nucléotides de l ADN au niveau du gène qui code pour la protéine. La structure primaire de la protéine est l ordre dans lequel sont placés les acides aminées (séquence). Ex. le lysosyme : 129 acides aminés 1er acide aminé (Lysine) Extrémité N terminale 129e acide aminé (Leucine) Extrémité C terminale La protéine assemblée se replie pour former une structure tridimensionnelle précise. Cette structure est déterminée par la séquence même des AA. Les AA hydrophiles sont à l extérieur de la pelote et les AA hydrophobes sont situés à l intérieur. Ce sont des liaisons non covalentes qui maintiennent la structure repliée de la protéine.

Certaines parties de la protéine peuvent adopter une forme régulière = structure secondaire: Feuillet bêta Hélice alpha Pas de conformation régulière Beaucoup de protéines sont formées de plusieurs chaînes d'acides aminés qui s'imbriquent les unes dans les autres = structure quaternaire Ex.Hémoglobine : 2 chaînes alpha et 2 chaînes bêta 2 chaînes alpha 2 chaînes bêta La structure tertiaire des protéines conditionne leur fonction Protéine Prion normal Protéine Prion infectieux Les protéines ont une certaine flexibilité et peuvent à l'occasion subir des changements de conformation (comme une protéine canal lorsqu'elle fixe un ion). C'est aussi le cas de l'hémoglobine qui n'a pas la même conformation selon qu'elle transporte ou pas de l'oxygène

- C'est la structure tertiaire des protéines qui rend la reconnaissance moléculaire entre deux protéines (ou tout autre molécule) extrêmement spécifique (exemple reconnaissance entre une enzyme et son substrat). Tout ce qui peut se lier à une protéine (autre protéine, ion, stéroides etc) est appelé ligand ce cette protéine. - C'est la structure d'une protéine qui régule sa fonction. Les réactions chimiques qui vont modifier la structure des protéines est une des façons pour la cellule de réguler un processus biologique. Très souvent ces réactions sont des phosphorylations ou des déphosphorylations, réactions qui ajoutent ou retirent un phosphate sur des acides aminés bien précis: la sérine, thréonine, et la tyrosine. Exemple; désassemblage de la membrane nucléaire suite à la phosphorylation de la lamine, protéine du cytosquelette du noyau, pendant la mitose. - Du fait de leur structure primaire secondaire et tertiaire, certaines protéines sont constituées de plusieurs domaines qui sont bien organisés dans l'espace et qui ont chacun une fonction spécifique. Par exemple, les récepteurs des hormones stéroïdes ont un domaine qui se lie à ces hormones, un domaine qui leur permet de se dimériser avec un autre récepteur et de se lier à l'adn. - Certaines protéines sont modifiées par clivage (ce qui est irréversible) ce qui rend active la protéine, avec comme exemple le clivage de pro-hormones en hormone active comme l'insuline ou le clivage des enzymes. - Certaines protéines comme les protéines sécrétoires, celles de la membrane plasmique ou des membranes des organites sont modifiées par rajouts de sucres. (Golgi et RE). -4-2-2 Rôles des protéines 1. Structure, support mécanique 2. Régulation du métabolisme 3. Mouvement 4. Transport de molécules et Transport membranaire 5. Défense de l'organisme 6. Métabolisme (les enzymes) -4-2-2-1- Structure et support mécanique Les protéines fibreuses forment des fibres résistantes. Ex1. le collagène (cf cours sur la matrice extra-cellulaire), dans l os, la peau, les tendons, les ligaments

Le collagène est formé de 3 chaînes : Collagène type I : le plus répandu Ex2 : la kératine située dans les ongles, la cornée, les plumes, les écailles, les sabots -4-2-2 2.Echange d informations et régulation du métabolisme : Les hormones Ex. L'insuline : 2 chaînes pour un total de 51 ac. Aminés, Attention toutes les hormones ne sont pas des protéines certaines sont des stéroïdes Les récepteurs membranaires Les messagers intracellulaires Les protéines de régulation intranucléaires : les facteurs de transcription (se fixe sur l ADN) -4-2-2-3. Mouvement et contraction Mouvements dus à 2 protéines : l'actine et la myosine. Les cellules formant les muscles contiennent un grand nombre de ces protéines -4-2-2-4.Transport De molécules L'hémoglobine : transporte l'oxygène et le gaz carbonique dans les globules rouges La myoglobine : transporte l'oxygène dans les muscles La transferrine transporte le fer dans le sang Membranaire Beaucoup de substances chimiques traversent la membrane des cellules en passant par des canaux formés par des protéines Certaines protéines forment un canal pouvant s'ouvrir ou se fermer Exemple : le canal responsable de l expulsion du chlore hors des cellules -4-2-2-5. Défense de l'organisme Les anticorps (ou immunoglobulines) sont faits de protéines Les protéines du complexe majeur d histocompatibilité participent à la fonction d identité de l organisme -4-2-2-6. Métabolisme (les enzymes) La plupart des réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule sont catalysées par des protéines spéciales: les enzymes. Catalyseur = substance qui active une réaction chimique qui, sans le catalyseur, serait très lente ou impossible. Ex. Pourquoi le saccharose ne se défait-il pas en glucose et fructose dans votre café alors qu'il le fait rapidement dans votre intestin? Les enzymes peuvent servir: -à assembler : de petites molécules en plus grosses = anabolisme -à dégrader de grosses molécules en plus petites = catabolisme

-à modifier des molécules en d'autres molécules semblables (changer un glucose en fructose, par exemple) L'enzyme peut resservir pour une nouvelle réaction -4-2-3- les acides aminés jouent aussi un rôle nutritif pour les cellules Les AA en excès ne peuvent être stockés contrairement aux glucides et aux lipides. Ils servent alors de nutriment à la cellule. La fonction amine NH2 est enlevée et est transformée dans le cycle de l urée La chaîne carbonée est transformée en pyruvate et intègrera par la suite le cycle de Krebs -5- Les nucléotides et leur dérivés -5-1 Nomenclature Les nucléotides sont un triple assemblage incluant -4 bases azotées appartenant à 2 catégories : Une base azotée cyclique 2 bases pyrimidiques constituées par un hétérocycle à 6 atomes, dont 2 d'azote,: thymine et cytosine. 2 bases puriques, formé par deux hétérocycles à 2 atomes d'azote chacun : adénine et guanine. Un glucide à 5 carbones : Ribose et désoxy-ribose 1, 2, ou 3 groupements phosphate -5-2- Les nucléotides : une source d énergie -5-2-1- L adénosine triphosphate ou ATP (Adenine, ribose et 3P). L hydrolyse d l ATP en adénosine diphosphate et 1 P libère de l énergie. Le phosphate va se fixer sur un substrat ce qui lui confère de l énergie, ce qui active ce substrat qui pourra ainsi assurer sa fonction métabolique -5-2-2-La Guanosine triphosphate (GTP) (Guanine, ribose et 3P).est un donneur de phosphate. Elle est hydrolysée par toute une série d enzymes appelées les GTPases. Ces protéines alternent entre deux conformations : active (à gauche) liée au GTP et inactive (à droite) liée au GDP. L'équilibre entre ces deux conformations est régulé par des facteurs d'échange (GEF) permettant l'échange du GDP par le GTP, des protéines GAP catalysant l'hydrolyse du GTP, et enfin des protéines GDI inhibant la dissociation du GDP. Effecteur (Activé avec GTP) (Activé avec GDP) Les GTPases jouent un rôle majeur dans un grand nombre de fonctions cellulaires (signalisation, exocytose, transport nucléaire, assemblage du cytosquelette) D autres nucléotides Ils interviennent comme source d énergie

Tableau récapitulatif : Nucléotide Groupe transporté ATP, GTP P NAD, FAD, NADP H CoA Radical acétyl -5-3-Les nucléotides : unités de base des acides nucléiques Les nucléotides s associent pour donner de longues chaînes : les acides nucléiques On distingue deux catégories: l'adn et l'arn -5-3-1 - Les constituants de l'adn -L'acide phosphorique, le désoxyribose : il s'agit d'un sucre en C5 (5 atomes de carbone) très réactif, à 3 fonctions alcools, différant du ribose par réduction du groupement -OH de C2. et 4 bases azotées pyrimidiques thymine et cytosine et puriques, adénine et guanine. -5-3-2-Structure de l'adn -5-3-2-1. La structure primaire de l'adn On appelle nucléoside la combinaison entre une molécule de sucre et une base azotée. Par convention on numérote les atomes de carbone du sucre de 1' à 5' On appelle nucléotide la combinaison entre un nucléoside et une molécule d'acide phosphorique. On obtient ainsi 4 nucléotides différant uniquement par leur base : Désoxythymidine 5' monophosphate (d TMP). Désoxycytidine 5' monophosphate (d CMP). Désoxyadénosine 5' monophosphate (d AMP). Désoxyguanosine 5' monophosphate (d GMP). Ces nucléotides monophosphates sont constitutifs de l'adn. L'enchaînement ordonné des nucléotides forme un polynucléotide Il se constitue ainsi une chaîne de nucléotides 5' - 3'. Deux polynucléotides se différencient uniquement par la séquence de leurs bases azotées (T, C, A, G). La structure polynucléotidique correspond à la structure primaire de l'adn.

-5-3-2-2. La structure secondaire de l'adn La molécule d'adn résulte de l'association de 2 polynucléotides. L'association se réalise selon une complémentarité stricte entre bases : A-T (ou T-A), C-G (ou G-C). Les 2 bases complémentaires sont associées par des liaisons hydrogène : 2 liaisons entre A-T, 3 entre C-G. Les 2 chaînes sont antiparallèles c'est à dire que les deux polynucléotides sont en sens opposés: l'un est orienté 5'-3', l'autre 3'-5' L'association entre bases complémentaires entraîne les équimolarité A = T et C = G. Donc A/T = 1 et C/G =1. En conséquence, deux ADN se différencient par la valeur du rapport AT/CG. L'ensemble prend grossièrement la forme d'une échelle : les barreaux, constitués par les paires de bases complémentaires appariées et situées dans des plans parallèles, sont disposés perpendiculairement aux montants, correspondant aux molécules de sucre et d'acide phosphorique ( ou "squelette désoxyribose - phosphate"). Enfin l'échelle est en outre tordue sur elle-même autour d'un axe central et constitue donc une double hélice correspondant à la structure secondaire. -5-3-2-3 Informations supplémentaires Les bases, empilées, étant séparées par un espace régulier de 3,4 Å (Angstrom) et l'hélice décrivant un tour complet tous les 34 Å, il y a donc environ 10 paires de bases par tour. L'enroulement des deux polynucléotides délimite deux sillons hélicoïdaux, de largeur différente, à la surface de la molécule, un grand sillon et un petit sillon. L'hélice d'adn est qualifiée de dextre. Chez l'homme, la longueur d'une molécule d'adn est d'environ 5 cm. Sachant qu'il y à 46 chromosomes à une chromatide donc 46 molécules d'adn dans une cellule. -5-3-3-Structure de L ARN Séquences linéaires de nucléotides. La chaîne est une alternance de ribose et de phosphate. Sur chaque ribose peut se fixer, A, G, C ou U Le Knock-out d'un gène