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Chapitre 1 Introduction à la biochimie : les molécules du vivant Professeur Ber

Chapitre 1 Introduction à la biochimie : les molécules du vivant Professeur Bertrand TOUSSAINT Année universitaire 2011/2012 Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés. UE1 : Biochimie Plan du chapitre • « Bio »chimie : Définitions et généralités sur le vivant • L’eau solvant de la vie – Structure et propriétés de l’eau : la liaison hydrogène – Propriétés de solvatation – Importance des liaisons à faible énergie • Les 4 atomes du vivant, H,C,N et O – Le carbone • L’apparition du phénomène « vie » – Théorie d’Oparine et Haldane – Expérience de Miller – Sophistication des molécules du vivant Métabolisme réaction aux stimulus reproduction Objectif : durée d’existence préservation de l’information génétique • « Un état organique caractérisé par la capacité de reproduction, de métabolisme et de réaction aux stimulus » Définition(s) de la vie Unicité biochimique de la vie -Cellule -60 à 90% d’eau : protons, électrons, oxygène, solvant des biomolécules -Macromolécules : Protéines, lipides, polysaccharide -Métabolites : petites molécules issues du métabolisme -Réactions lentes catalysées par des enzymes -ADN : acide désoxyribonucléique La vie, phénomène mystérieux Pasteur fin XIXème : première démonstration réfutant l’hypothèse en cours de la génération spontanée : la vie n’apparaît pas de l’inerte. Expérience de Pasteur « la génération spontanée est une chimère » : toute forme de vie née d ’une vie préexistante Comment la vie est -elle apparue de l’ inerte ?? Origines de la vie Formation des océans -3.45 Ga : premières cellules ayant laissé des vestiges fossiles Microspheroides ressemblant à des microorganismes actuels, qui semblent partager avec les cellules actuelles les caractéristiques fondamentales communes du vivant : il est limité par une membrane ; il échange avec l'extérieur de la matière et de l'énergie et possède un métabolisme ; il possède un système de reproduction. Premières cellules fossiles Plan du chapitre • « Bio »chimie : Définitions et généralités sur le vivant • L’eau solvant de la vie – Structure et propriétés de l’eau : la liaison hydrogène – Propriétés de solvatation – Importance des liaisons à faible énergie • Les 4 atomes du vivant, H,C,N et O – Le carbone • L’apparition du phénomène « vie » – Théorie d’Oparine et Haldane – Expérience de Miller – Sophistication des molécules du vivant « Tout ce qui est vivant exige de l’eau ; tous les organismes sont des systèmes chimiques en phase aqueuse » L ’eau solvant de la vie La molécule possède une structure dérivée du tétraèdre due à la présence de deux paires électroniques non-liantes (en bleu) La molécule d’eau L'eau est un dipôle électrique permettant la formation de liaison hydrogène. Application : micro-ondes destruction des métastases hépatiques de cancer colique par radio-fréquence. la molécule d’eau est polarisée De nature électrostatique, elle s'établit entre un atome d'hydrogène porteur d'une charge partielle + et l'atome d'oxygène d'une molécule d'eau voisine. Energie de cette liaison :20 kJmol-1, trés inférieure à l'énergie d'une liaison de covalence (100 à 400). Liaison hydrogène La durée moyenne d ’une liaison H entre 2 molécules d ’eau est de 9.5 ps (10-12s) la fluidité de l ’eau Interprétation moderne de la structure de l’eau Les propriétés de l ’eau : liquide entre 0 et 100°C état solide (glace) de densité plus faible l’état liquide solvant polaire grande inertie thermique sont liées à sa structure en réseau de liaisons hydrogènes. Propriétés de l’eau Eau et méthane Eau et méthane Capillarité : la hauteur atteinte par le liquide est inversement proportionnelle au rayon du tube Cohésion et tension superficielle Eau liquide, eau solide Eau solide : 4 liaisons hydrogène par molécule d’eau Structures cristallines similaire à un « échafaudage » Moins compacte que l’eau liquide : densité plus faible : 0.916kg/l La glace, qui flotte, forme une couche isolante de protection à la surface de l'étang, réduisant ainsi l'arrivée du courant chaud vers l ’air froid. Nature extrêmement polaire de l ’eau : excellent solvant pour 1) des substances ionisables (sels, NaCl) 2) des substances non ionisables polaires (oses, alcools, amines, carbonyles..) 1) : Interactions électrostatiques 2) : Interactions par liaison H et Intéractions dipôle/dipôle Composés hydrophiles L ’eau ne peut pas dissoudre les composés non polaires non chargés 3) : Interactions hydrophobes Composés hydrophobes Propriétés de solvatation de l’eau Les mouvements des protéines solubles seraient dictés par l’eau Pour en savoir plus Wood, K., et coll. (2008). Coincidence of dynamical transitions in a soluble protein and its hydration water: direct measurements by neutron scattering and MD simulations. J. Am. Chem. Soc. Les protéines solubles, esclaves de l’eau Définition : Les molécules dépourvues de groupes chargés ou d'atomes capables de former des liaisons hydrogène sont dénommées substances hydrophobes. Composés hydrophobes et eau (amphi : les deux et philos amis) possèdent à la fois des groupements polaires et des groupement non polaires hydrophobes : les acides gras possèdent donc des propriétés de solvatation ionique (par leur tête) et aussi d’interaction hydrophobe par leur partie non polaire non ionique. Palmitate de sodium Composés amphiphiles Phosphatidylcholine, phosphoglyceride typique avec la choline lié au glycérol par un phosphate, ensemble qui augmente fortement la polarité de la tête du lipide. Phospholipides Formation des membranes 2: Association de molécules lipidiques : seules les portions lipidiques au bord de l’agrégat imposent à l’eau une organisation. Le nombre de molécule d’eau ordonnée diminue 1: Dispersion des lipides dans l’eau : chaque molécule de lipide oblige les molécules d’eau à s’organiser : création d’ordre 3 : Micelles : tous les groupes hydrophobes sont séparés de l’eau, il n’y a pas de coque de molécules d’eau hautement organisées, Formation des membranes structures que l’on peut obtenir en dispersant mécaniquement une suspension de phospholipides en solution aqueuse. Énergiquement faibles mais effet cumulalatif souplesse et la dynamique conformationelle capacité de reconnaissance entre les macromolécules Les liaisons faibles permettent de brefs contacts IMPORTANCE BIOLOGIQUE DES LIAISONS DE FAIBLE ENERGIE 1 : l'appariement complémentaire des bases d'un brin d'ADN à celles de l'autre brin dépend de liaisons hydrogène électives Exemple 1 2. La fixation d ’une protéine à une autre protéine Exemple 2 l'effet hydrophobe et la formation de liaisons H contrôlent le repliement des protéines Rôle du solvant : pour qu ’il y ait formation de liaison H intrachaine il faut qu ’il y ait perte des liaisons avec le solvant. 3 : le repliement des protéines Exemple 3 Représentation en boules compactes du Fab d'une IgG1 complexé avec l'épitope de neutralisation (synthétique) de la gp120 du VIH Exemple 4 4. Interaction antigène/anticorps Plan du chapitre • « Bio »chimie : Définitions et généralités sur le vivant • L’eau solvant de la vie – Structure et propriétés de l’eau : la liaison hydrogène – Propriétés de solvatation – Importance des liaisons à faible énergie • Les 4 atomes du vivant, H,C,N et O – Le carbone • L’apparition du phénomène « vie » – Théorie d’Oparine et Haldane – Expérience de Miller – Sophistication des molécules du vivant Les atomes du vivant C, H, N, O : 96,6 % H a besoin d'1 électron pour compléter sa couche 1s O a besoin de 2 électrons pour compléter sa couche 2p N a besoin de 3 électrons pour compléter sa couche 2p C a besoin de 4 électrons pour compléter sa couche 2p. Caractéristiques de H, C, N et O Le carbone Double liaison -C=C- , -C=O, -C=NH La souplesse structurale liée au carbone oléate palmitate Chiralité Isomère L Isomère D Carbone réduit/oxydé CH4, degré d’oxydation -IV CO2, degré d’oxydation +IV Plan du chapitre • « Bio »chimie : Définitions et généralités sur le vivant • L’eau solvant de la vie – Structure et propriétés de l’eau : la liaison hydrogène – Propriétés de solvatation – Importance des liaisons à faible énergie • Les 4 atomes du vivant, H,C,N et O – Le carbone • L’apparition du phénomène « vie » – Théorie d’Oparine et Haldane – Expérience de Miller – Sophistication des molécules du vivant réaction chimique : les réactifs (des composés chimiques), le réacteur (par exemple, un ballon, une fiole ou un bécher) une source d'énergie (par exemple, la chaleur). Théorie d’Oparine (1894-1980) et Haldane (1892-1964) L’eau L'atmosphère primitive L'atmosphère régnant sur la terre peu après sa formation était principalement composée de gaz carbonique (CO2), d'azote (N2), d'hydrogène (H2), et aussi vraisemblablement de méthane (CH4) et d'ammoniaque (NH3). Les réactifs initiaux l'électricité la chaleur les rayonnements ultraviolets Les formes d'énergies principales Expérience de Stanley Miller S Miller devant son expérience (1953) 1. Régulateur de tension 2. Manchon chauffant 3. Flasque de 500mL en ébulition 4. Océan primitif 5. Tube de prélèvement 6. Colonne d'évaporation 7. Formation de nuages 8. Valve d'arrêt 9. Flasque de 5L 10. Electrodes de Tungstène 11. Athmosphère primitive de méthane (CH4), ammoniaque(NH3), hydrogène (H2), et vapeur d'eau(H2O) 12. Eclair 13. Eau froide 14. Colonne de condensation 15. Eau chaude 16. Précipitation 17. Trappe d'échantillonnage des acides aminés, bases d'ADN (purines, pyrimidines, sucre ribose, etc.) 18. Alimentation primaire 110 volts 19. Alimentation secondaire 7500 volts à 30 ampères 20. Transformateur Résultats uploads/Finance/ origine-biochimique-de-la-vie-pdf.pdf