Chapitre 2 hétéromolécules PDF

Preview

Summary

Chapitre 2 hétéromolécules...

Description

Chapitre 2 : les Hétéromolécules Partie 1 : Hétéromolécules 1

Les acides nucléiques Les constituants de bases de l’ADN sont les nucléotides qui sont constitués d’une base azotée, d’un sucre (pentose) et d’un acide phosphorique

I. Bases azotées 1. 2 sortes de bases : purines et pyrimidines Une base azotée est une molécule qui est en général cyclique aromatique et qui contient des atomes d’azotes dans la partie cyclique, il existe 2 sortes de bases azotées hétérocycliques :

➜

Au niveau de l’ADN et l’ARN on va trouver des bases puriques et pyrimidiques.

a) Celles retrouvées dans l’ADN et l’ARN

• Les pyrimidines

1

Les fonctions imino-amine peuvent exister sous différentes formes selon la position des électrons → on parle de mésomères. Équilibre amino-imino (cytosine)

En solution ces deux espèces moléculaires sont en équilibre mais l’équilibre est fortement déplacé vers la forme amino.

C’est le cas aussi pour la fonction amide. Équilibre énol-cétone (thymine-uracile)

En solution la forme cétone est prédominante quelque soit le solvant.

• Les purines

2

Équilibre amino-imino (adénine) Encore une fois en solution ces deux espèces moléculaires sont en équilibre mais l’équilibre est fortement déplacé vers la forme amino.

Équilibre énol-cétone (guanine)

Ici la forme cétone est encore prédominante.

➜ Il n’existe

pas que 5 bases azotées en biologie, il y en a d’autres types qui n’ont pas toujours un effet

bénéfique.

b) D’autres bases aux rôles variés Forme protonée

Base azotée qui dérive du cycle purique

Forme déprotonée

Sous sa forme protonée l’acide urique est très peu soluble un excès dans l’organisme il peut former des cristaux au niveau des articulation par exemple → maladie comme la goutte.

On a une structure de base (la caféine) avec des méthyles qui adoptent des positions variables.

3

2. Absorbance dans l’U.V. Les bases azotées présentes dans l’ADN et l’ARN ont la particularité d’être des molécules qui absorbent la lumière à une longueur d’onde de 280 nm. On avait vu que certaines chaines d’acides aminés dans les protéines absorbent une Amax de 280 nm. Les bases azotées absorbent entre 280 et 220 nm mais le maximum d’absorption est à 260 nm.

Pureté : ADN/ARN pur le ratio : → = contamination protéique ➜ Si le rapport entre la DO entre 260 et 280 est inférieur à 1,8 cela veut dire que la solution est contaminée par d’autres molécules que de l’ADN ou ARN. Quantité : Une solution avec A260 = 1 correspond à une concentration : de 50 μg/mL d’ADN db de 40 μg/mL d’ARN ou ADN sb.

3. Densité de charge La répartition des électrons à la surface des bases azotées n’est pas uniforme : on a des oxygènes qui sont plus électronégatifs que le carbone et l’azote, ils vont attirer vers eux les électrons des liaison azote/carbone ou azote/hydrogène par exemple. Cela vaut dire que les molécules sont polarisées, il peut avoir un excédent de charges positives d’un coté et un excédent de charge négatives de l’autre. Comme on a des liaisons hydrogènes polarisées elles vont pouvoir participer à des liaisons hydrogènes : les liaisons NH vont pouvoir être des donneurs de liaisons hydrogènes tandis que l’oxygène et les azotes vont pouvoir être accepteurs d’hydrogènes = interactions entre les bases azotés

Les flèches expliquent la complémentarité A=T et G≡C

Les densités de charges déterminent les positions et les orientations des liaisons hydrogène. La liaison hydrogène est directionnelle i.e. l’interaction est optimale quand les 3 atomes sont alignés, et une distance de 3 Å entre N et O. Possibilité avec un angle, distance plus importante → interaction plus faible.

Plusieurs possibilités de liaisons hydrogène existent : dans la nature, seules certaines interactions sont retrouvées et que l’on va retrouver dans l’ADN. Par exemple à côté des appariements classiques A/T et C/G existent des couples "non-standard" G=A ou G=T.

4

II. Nucléosides et nucléotides 1. Liaison avec 2 types de pentose β-D-desoxyribofuranose β-D-ribofuranose

Pentoses sous forme furanique (5 atomes dans le cycle)

Liaison base-sucre → nucléoside Base pyrimidique : N1 → C1’

➜

Base purique : N9 → C1’

On obtient une liaison carbone-azote : liaison N-glycosidique

Base + Sucre = "Nucléoside"

2. Modification avec l’acide phosphorique (H3PO4) Cette molécules est un triacide :

À pH 7 seul la fonction OH pKa = 10 n’est pas déprotonée, c’est elle qui va faire la liaison avec le sucre.

5

➜

On obtient une liaison carbone-azote : liaison phosphoester en 5’ Base + Sucre + Phosphate = "Nucléotide"

Selon la base azotée on obtient des nucléotides variables :

3. Nomenclature

Le préfixe déoxy- ou déoxyribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du déoxyribose. Le préfixe ribo- est ajouté aux nucléosides ou nucléotides qui comportent du ribose.

III. Structure spatiale 1. Association des nucléotides dans un acide nucléique Les nucléotides vont s’associer les uns avec les autres pour donner un acide nucléique.

6

Extrémité 5’ L’acide phosphorique a encore deux fonctions acides donc il peut faire une autre liaison phosphodiester : l’acide phosphorique porté par un nucléotide va réagir avec la fonction OH porté en 3’ par le ribose porté par un autre ribonucléotide pour former une deuxième liaison phosphodiester avec l’élimination d’une molécule d’eau.

Pour savoir si on parle d’ADN ou d’ARN on peut regarder le sucre s’il est désoxy en 2’ ou pas ou la base azotée T ou U

Liaison phosphodiester 3’→ 5’

Extrémité 3’

2. Complémentarité des bases L’ADN est formé de deux brins qui sont complémentaires et antiparallèles l’un à l’autre, cette découverte a aboutit grâce à Watson, Crick et Franklin.

Les deux polymère d’ADN s’associent par l’intermédiaire de liaisons hydrogènes entre les bases A et T et entre les bases G et C toujours entre une pyrimidine et une purine.

7

Remarque : les bases azotées sont des molécules plans donc les paires de bases vont faire des plans ce qui va permettre de former la structure double hélice de l’ADN.

3. Double hélice/Propriétés La double hélice de type B est la forme la plus classique de l’ADN qui présente 10 pb pour faire un tour complet. Au centre on retrouve les bases azotés et à l’extérieur le squelette pentose-phosphate.

gr

La notion de petit et grand sillon est assez importante car une protéine qui interagit avec l’ADN dans le grand sillon va lui permettre de reconnaitre les bases azotés de l’ADN.

an

p

n illo s d

ts e.

n illo

= 1 tour

Comment on pourrait le croire on ne retrouve pas de grand vide entre les atomes, l’ADN est très compact, tous les atomes sont en contact les uns avec les autres.

Puisqu’il faut 10 pb pour faire un tour complet (360° chaque paire de base va être décalée de 36° par rapport à la paire de base suivante.

Dans la majorité des cas, dans une cellule, l’ADN se retrouve sous forme double hélice alors que pour l’ARN c’est l’inverse on va souvent le trouvé isolé sous forme simple brin.

8

Dénaturation Si on chauffe l’ADN, les liaisons hydrogènes entre les bases azotées vont être cassées. On va plus se retrouver avec une molécule d’ADN constituée de deux brins associés mais avec deux brins isolés. Les bases azotées vont se trouver dans un nouveau milieu qui est hydrophile (eau) cela va changer la façon dont ces bases azotées vont être capables d’absorber la lumière. Une augmentation de l’absorption de lumière U.V. (effet hyperchrome) permet le suivi du phénomène par spectrophotométrie. La séparation est réversible, la molécule d’ADN peut se reformer à l’identique si la température du milieu diminue lentement.

La différence de DO c’est ce qu’on appelle l’hyperchromicité → augmentation de la DO.

Lorsqu’on se met à 260 nm, au début, lorsque la température augmente la DO ne bouge presque pas (entre 10 et 30° l’ADN reste en double hélice = bicaténaire). Passé les 30° l’ADN commence à se dénaturer localement par endroit avec donc quelques bases qui se retrouvent exposées au solvant et qui absorbent donc plus. Plus on chauffe plus la dénaturation sera importante jusqu’à arriver à un plateau → on a complètement dissocié les deux brins (= monocaténaire), la DO ne varie donc plus. On peut déterminer le point médian par la technique des tangentes parallèles par exemple, ce point correspond au Tm (température de fusion qui correspond à la moitié de l’ADN qui est à l’état dénaturée et l’autre moitié encore à l’état natif) d’une molécule d’ADN. Selon la séquence et la longueur de la molécule d’ADN on va avoir un Tm qui varie.

L’ADN double brin chauffé à 100°C est dénaturé sous forme de 2 ADN simples brins :

- on laisse la température du tube redescendre lentement, puis à température ambiante, on remesure l’absorbance à 260 nm : on retrouve la valeur d’absorbance initiale avant chauffage → l'ADN s'est réapparié, il s'est renaturé.

- on dépose le tube sur de la glace, l’absorbance à 260 nm n'a pas changé : on retrouve la valeur d’absorbance après chauffage → l'ADN est resté dénaturé à cause de la chute de température trop brutale.

9

Respiration de l’ADN A T° < Tm, ADN db globalement stable, mais des dissociations sur un nombre limité de paires de bases se produisent. On va avoir temporairement des dissociations sur quelques bases A=T et G≡C dues : - "des rotations de liaisons N-glycosidiques - "rotations de liaisons au sein du cycle furane des déoxyriboses. Phénomènes rapides (1 μs environ) qui permettent les insertions de molécules intercalantes (marquage fluorescent de l’ADN), transitions locales ADN B et autres types d’hélice.

➜

4. Modifications chimiques des acides nucléiques Exemples : La cytosine peut être modifiée par ajout d’un méthyle sur son carbone 5 et la désamination de la cytosine méthylée donne une thymine, base normale de l’ADN, on ne retrouve pas une cytosine. Ceci peut entrainer l’apparition d’une mutation lors de la transcription et de la transduction notamment Chez les eucaryotes, les ARN messagers, subissent une modification côté 5‘ : protection contre les exonucléases (enzyme qui coupe les acides nucléiques (ADN ou ARN). L’addition d'une 7-méthylguanosine sur le premier nucléotide de l'ARN, par une liaison 5'-5' triphosphate s’appelle la coiffe. Les deux premiers riboses de l'ARN transcrit subissent aussi une méthylation de leur fonction alcool en 2’.

IV. Des nucléotides remarquables : ATP, AMPc et GMPc Dans les cellules, les nucléosides sont retrouvés sous formes mono, di- et triphosphates.

(adénosine diphosphate) (adénosine triphosphate → fournisseur d’énergie)

La valeur du pKa de la seconde fonction acide du dernier acide phosphorique est de 7, donc à pH 7, on a 50% de forme protonée, 50% de forme déprotonée. L'AMP cyclique (AMPc) et le GMP cyclique (GMPc), font partie des messagers secondaires. Par exemple l’adoption aux variations de glucose dans le sang est médiée par des messagers primaires qui sont l’insuline ou le glucagon (ils vont signaler s’il y a trop de glucose ou pas dans le sang) et à l’intérieur de la cellule l’information va être transmise au noyau grâce à des variations d’AMPc ou GMPc (= messagers secondaires).

10

L'AMPc est produit à partir d'ATP par une enzyme, l’adénylate cyclase qui va faire une réaction entre le OH en 3’ du ribose pour qu’il se lie au premier phosphate porter en 5’, les deux autres phosphates de l’ATP vont être éliminés au cours de la réaction.

Le GMPc dérive du GTP grâce à la guanylate cyclase.

Lorsque la concentration de GMPc ou d’AMPc augmente dans une cellule cela va avoir des effets sur d’autres protéines : - lorsque c’est la concentration en AMPc qui augmente cela va déclencher l’activation de la Protéine Kinase A qui va elle-même permettre l’activation d’autres protéines spécifiques par phosphorylation - lorsque c’est la concentration en GMPc qui augmente cela va activer la protéine Kinase G et certains canaux ioniques dits GMPc-dépendants. ➜

Cela va aboutir à la réponse de la cellule à la variation de l’environnement.

Vu que ces molécules activent pas mal de voies au niveau de la cellule il ne faut pas que l’AMPc et la GMPc est une durée de vie trop importante, elles sont dégradés par certaines phosphodiestérases. Ces phosphodiestérases sont elles-mêmes inhibées par la caféine et la théine (ce qui explique l’effet excitant).

Partie 2 : Hétéromolécules 2

Diversité des molécules du vivant I.

Le peptidoglycane

1. Qu’est-ce que c’est ? Le peptidoglycane forme la paroi bactérienne des bactéries à « Gram positif » et à « Gram négatif » qui se trouve autour de la membrane plasmique, maintenant la forme des cellules et assurant une protection mécanique contre la pression osmotique. Hans Christian Gram, bactériologiste danois, a développé une méthode de coloration pour mieux visualiser sous microscope les bactéries dans des sections de poumons : toutes les bactéries ne se colorent pas de la même façon... Cette coloration a joué un rôle important pour la classification des bactéries... Les Gram + prennent la coloration puisque le peptidoglycane est directement accessible

Les bactéries Gram + possèdent : - une membrane plasmique - une couche épaisse de peptidoglycane - autres constituants pariétaux Le peptidoglycane est une sorte de « côte de maille », rigide mais poreuse, comme une passoire et qui résiste à la pression osmotique interne, sans ça, la bactérie éclaterai.

Les Gram - sont peu ou pas colorées.

Les bactéries Gram - possèdent : - une membrane plasmique interne - espace périplasmique (espace entre les 2 membranes) - une mince couche de peptidoglycane - une membrane externe rendue perméable par la présence de porines.

11

2. Quel est son rôle ? ✻ participe au maintien de la forme (bâtonnet, sphère…) de la cellule puisque c’est une sorte de carapace ✻ résiste à la pression osmotique interne de la cellule. ✻ forme une structure en 3D d’épaisseur variable suivant les types de bactéries Gram + ou Gram -. 3. Quel est son rôle ? Le mot peptidoglycane suggère que l’on va retrouver dans sa structure une partie peptide (protéine formé par un nombre restreint d'acides aminés) et une partie sucre. Les tubes représentent la partie sucre, un long polymère de sucre, une chaine polysaccaridique formée par une succession de deux sucres : Nacétylglucosamine (NAG) et N-acétylmuramic acid (NAM). La présence unique de ces tubes ne permet pas une rigidité il faut qu’ils soient reliés entre eux.

Sur chaque NAM on a un peptide de 4 résidus d’AA (tétrapeptide) accrochés qui vont être reliés entre eux par d’autres peptides de 5 ou 6 résidus d’AA (pontage peptidique).

Plus précisément on retrouve cette sutrcure avec les NAM et les NAG reliés entre eux par une liaison O-glycosidique β 1→4. La fonction OH du NAM sert à former une liaison peptidique avec le tétrapeptide.

A noter : - des ac. aminés de série D sont présents dans la paroi bactérienne, pas dans les protéines. - alternance des séries d’acides aminés très importante : L-D-L-D. - nature des acides aminés très spécifique de l’espèce bactérienne.

Sur le tétrapeptide on va venir fixé 2 pentaglycine : - un entre l’extrémité C-terminal de l’alanine et l’extrémité N-terminal de la glycine = liaison peptidique (ou amide) - liaison covalente entre la fonction acide carboxylique de la glycine en C-terminal et la fonction amine de la chaine latérale de la lysine = liaison amide

12

C’est le réseau en 3D, le réseau de chaines reliées les unes aux autres qui fait que qu’on a une peptidoglycane qui a une résistance mécanique qui va résister aux variations de pression osmotique. Ce même réseau de fibres glycanique peut être superposé sur un réseau similaire 2 fois, 3 fois…ces couche sont toutes reliées entre elles par des ponts peptidiques. Les antibiotiques de types pénicilline vont empêcher les bactéries de synthétiser un peptidoglycane fonctionnelle. Mais comment est-il synthétiser ? 4. Comment est-il synthétisé ?

La liaison entre le pentapeptide et le NAM va se faire grâce à un nucléotide particulier qui est l’uracile diphosphate (UDP). Dans la membrane de la bactérie il y a un composé, le Bactoprénol qui va avoir un rôle particulier pour permettre à des molécules de sortir de la cellule.

Il va y avoir la fixation de l’ensemble (NAM, pentapeptide, UDP) sur le Bactoprénol, toujours à l’intérieur de la cellule, puis élimination de la partie UDP qui va être remplacer par un NAG qui va être également activé par un UDP.

L’élimination de l’UDP va permettre le transport de la molécule à l’extérieur de la cellule en passant par le bactoprénol. Plusieurs de ces structures vont sortir de la cellule et être enchainées les unes aux autres.

13

Ensuite on va avoir l’intervention de la transpeptidase, c’est une enzyme qui va enlever sur un peptide un morceau de peptide pour en mettre un autre = échange entre peptide. Cette transpeptidase va enlever le résidu 5 et l’échanger par l’extrémité N-terminal du pont peptidique de façon à réticule le peptidoglycane.

Avec une répétition de ce mécanisme de très nombreuses fois on va se retrouver avec un peptidoglycane qui sera fonctionnel.

➜ On

peut maintenant comprendre le fonctionnement de la pénicilline et ses dérivés, ils vont empêcher la transpeptidase de fonctionner = inhibiteurs d’enzyme.

5. Pourquoi bloquer sa synthèse ? Le peptidoglycane est un constituant essentiel de la bactérie. Il est synthétisé en continue au cours de la vie bactérienne. Quelle serait la conséquence d’un défaut de synthèse du peptidoglycane ?

-

La bactérie deviendrait plus grosse, gonflerait La bactérie s’adapterait et n’aurait plus qu’une membrane plasmique La bactérie éclaterait en milieu hypotonique La bactérie rétrécirait

La Pénicilline vient bloquer l’activité de l’enzyme transpeptidase, empêche la réaction de réticulation.

Le lysozyme est une protéine responsable de la dégradation des chaines glycaniques

La Bacitracine vient bloquer le transport par le bactoprénol

La Cyclosérine est un antibiotique qui va venir bloquer l’étape de rajout des pentapeptides sur les résidus NAM dans la bactérie

14

II. Un antibiotique : la pénicilline 1. Introduction : définition L’origine du mot antibiotique vient du grec anti : « au lieu de », et bios : « la vie ». Antibiotique : substance naturelle ou chimique qui tue les bactéries ou bloque leur croissance (empêcher la prolifération). Dans le 1er cas, on parle d’antibiotique bactéricide, dans le 2nd d’antibiotique bactériostatique. Un grand nombre d’antibiotiques existants sont constitués de molécules naturelles, fabriquées par des microorganismes : des champignons ou d'autres bactéries. D’autres sont synthétiques et optimisés en particulier pour améliorer leur bio-disponibilité (voies d'administration).

Les antibiotiques peuvent être classés selon différents critères tels que leur structure, leur mode d’action, ou les bactéries qu’ils ciblent. Certains antibiotiques sont dit à spectre étroit, ils ne ciblent qu’un seul type de bactéries (ex : Gram -). D’autres sont dits à large spectre car ils touchent quasiment tous les types de bactéries (Gra...