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Molécules constitutives du vivant
Cour de paramédicale et L1 bio...

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UE 2.4 : Biologie moléculaire et cellulaire Chapitre 1 Les molécules constitutives du vivant Dans l’échelle du vivant nous trouvons d’abord les atomes, suivit des molécules, organite, cellule, tissus, organe qui forment l’organisme.

I)Structure de l’atome L’atome est la plus petite partie de la matière (sphère d’un diamètre d’une dizaine de nanomètres10-9m). Un atome est composé d’un noyau composé de protons Z (charge positive) et de neutrons A-Z(neutre), et d’un nuage d’électrons Z dont le nombre est toujours égal au nombre de protons (= maintien de la neutralité). Chaque type d'atomes est déterminé par le nombre d'électrons (appelé numéro atomique) qui gravitent autour de son noyau. Les 4 atomes majoritaires du vivant sont C, H, O et N Isotopes : atomes qui ont le même nombre de protons et d’électrons mais un nombre de neutrons diffèrent. Ils peuvent être naturels ou créés artificiellement, c’est atome sont instable. Les atomes instables sont radioactifs : leurs noyaux changent ou se désintègrent en émettant des radiations Il existe deux classes de molécules dans le monde vivant selon la présence ou l’absence de carbone et d’hydrogène :

II) Les composé inorganique *Les molécules inorganiques (ou minéraux) ne possèdent pas de combinaisons complexes de carbone et d’hydrogène. Ces composés proviennent d’une source dite minérale (eau, terre, atmosphère …). *Les molécules organiques sont des assemblages relativement complexes de sous unités carbonées et hydrogénées. Ces molécules proviennent inévitablement d’un être vivant ou qui était vivant.

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• Les êtres vivants sont composés de grandes molécules organiques qui servent de support structural et/ou métabolique (réserve énergétique) à l’organisme. • Il s’agit de POLYMERES (grosses molécules), formées par l’association de MONOMERES (sous unités).

Organisation des chaines carbonées : linéaire, ramifiée ou cyclique Les liaisons entre les carbones peuvent être : simple, double ou triple.

A) Construction d’une cellule et origine de la vie Métabolisme : ensemble des réactions chimiques se produisant dans un système (cellule, organisme, …) Catabolisme : dégradation de macromolécules (nutriments) en petites molécules (monomères) pour produire de l’énergie (ATP). Anabolisme : création de macromolécules (polymères) à partir de petites molécules (monomères) grâce à la consommation d’énergie

B) L’eau : solvant de la vie L’eau est le composé inorganique le plus important et le plus abondant dans la matière vivante : elle représente à elle seule 60 à 80% du volume de la cellule. Le maintien de l’équilibre hydrique du corps est fondamental (compensation des pertes d’eau par les apports). L’eau est un corps dont l’unité de base est une molécule : la molécule d’eau.

C) La polarité Dans une molécule, l’union entre les atomes (la liaison chimique) est assurée grâce à la mise en commun par chacun d’eux, d’un voire de deux ou trois électrons. Les électrons ainsi "partagés" n’appartiennent plus ni à l’un, ni à l’autre des atomes mais aux deux.

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Un tel "partage" n’est pas toujours équitable, car certains atomes peuvent être plus avides d’électrons que d’autres. C’est ce qu’il se passe dans la molécule d’eau, où l’oxygène a tendance à capter plus fortement les électrons que l’hydrogène. Dans cette molécule, la charge négative des électrons engagés dans les liaisons n’est donc pas répartie de manière homogène entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène : l’atome d’oxygène est chargé négativement et l’atome d’hydrogène positivement. On dit d’une telle molécule que c’est une molécule polaire. Cette polarité est une propriété extrêmement importante de la molécule d’eau.

D) L’eau un bon solvant L’eau est un très bon solvant : Elle dissout un grand nombre de corps ioniques, comme les sels par exemple dont les briques de base sont des ions, ainsi que certaines substances formées de molécules polaires, sans toutefois modifier ces molécules. Ce phénomène de dissolution résulte du caractère polaire des molécules d’eau qui, du fait des charges positives et négatives dont elles sont porteuses, sont attirées par les charges de signes contraires des ions ou des molécules polaires qui leur sont proches. Elles forment alors un écran autour de ces ions ou de ces molécules polaires, les séparant de leurs congénères et favorisant leur dispersion au sein du liquide. E) Quelque propriété L’eau est le principal milieu de transport de l’organisme : le sang et la lymphe sont les lieux de transport de l’organisme et sont principalement composés d’eau. L’homme est un homéotherme dont la température corporelle varie entre 36.1 et 37.8°C selon la profondeur du tissu. La thermorégulation a pour objectif de maintenir une température corporelle adéquate pour le fonctionnement harmonieux du corps (activité enzymatique et conformation des molécules), et cela malgré des variations externes importantes. Parmi les mécanismes de régulation de la température par échange de chaleur (convection, rayonnement et conduction), l’eau joue un rôle important par le phénomène d’évaporation (sudation et transpiration 3

permet un refroidissement du corps car l’eau sous forme de vapeur entraine une partie de la chaleur qui passe du corps dans l’environnement).

F) Réactions chimiques L’eau intervient dans de nombreuses réactions chimiques. • Hydrolyse : coupure d’une molécule en présence d’eau. • Synthèse de polymères : liaison de deux monomères avec libération d’eau Le corps est très riche en eau, ce qui donne également à cette molécule un rôle de « coussin » amortissant et protecteur autour de certains organes (Liquide céphalo rachidien autour du tissu nerveux).

III)Les ions A) Valence des ions Ion : atome qui a gagné (Anion = -) ou perdu (Cation = +) un électron • Ions monovalents = ont gagné ou perdu un seul électron : Chlore (Cl-), sodium (Na+), potassium (K+), • Ions bivalents = ont gagné ou perdu deux électrons : calcium (Ca 2+ ), Magnésium (Mg 2+), ions sulfures (SO4 2-) • Ions trivalents = ont gagné ou perdu trois électrons : PO43-

B) Quelques ions Phosphore PO42- Inorganique (os, dents) Organique (acides nucléiques) Phosphorémie : carence en phosphore qui entraine une déminéralisation osseuse Soufre SO42-

Organique (protéine, vitamines)

Sulfatémie : Carence qui entraine des perturbations larges de l’organisme 4

Calcium Ca2+

 Inorganique : Os, dents, muscles

Calcémie : c’est le taux qui doit être le plus régulé car la moindre variation de calcium peut engendrer des réactions fatales.

C) Oligoéléments Ions présents en très faible quantité dans l’organisme (traces) et pourtant indispensables à son bon fonctionnement. Fluor : action contre les caries Fer : L’un des éléments essentiels de l’hémoglobine(sang) Iode : Composants des hormones de la glande thyroïde

IV)Les sels minéraux Les sels minéraux sont composés de l’association de cations et d’anions. On parle d’électrolytes car ils conduisent l’électricité. Ils sont dépourvus de liaisons covalentes (seules des liaisons faibles unissent les ions qui les composent). A) Dissociation des sels minéraux et notion de ph La dissociation de certains électrolytes libère des ions H+ ou des ions OH- (hydroxyde) : Le pH (potentiel hydrogène) permet de définir si un milieu est acide, basique ou neutre. Le pH (potentiel hydrogène) d’une solution est une mesure de la concentration en ions H+ : pH = - log [H+]. La concentration d’ions H+ dans l’organisme est très faible (concentration dans le plasma artériel = 0,00004 mEq/L), par rapport à d’autres ions (ex. du Na+ environ 135 mEq/L). Une molécule qui libère des ions H+ (ou H3O+) est un acide. 5

Certaines molécules (bases) font baisser la concentration en H+ en se combinant avec les ions H+ libres. C’est le cas des molécules qui libèrent des ions OH-. Ces ions OH- se combinent avec H+ pour donner de l’eau. B) Equilibre acido – basique de l’organisme L’équilibre acido-basique de l’organisme est défini par la concentration en ions hydrogène (H+) des cellules. C’est l’activité métabolique des cellules, nécessaire au fonctionnement du corps humain qui produit des composés acides qui sont ensuite éliminés par deux voies : pulmonaire et rénale

HOMEOSTASIE ACIDO – BASIQUE : Le pH est régulé de manière immédiate par le système tampon Un tampon est une base faible qui accepte des ions hydrogène (acide fort) présents dans une solution pour donner un acide faible (acide carbonique), ainsi le pH de la solution est maintenu neutre tant que le tampon est présent en quantité suffisante pour capter tous les ions H+. L’intérêt essentiel de cette équation est de transformer un produit dangereux (H+ ou ions hydrogène) en C02 (dioxyde de carbone), gaz qui se diffuse très bien et facilement éliminé par les poumons, et en eau, facilement éliminée par les reins.

V)Les composé organique A) Les vitamines : Les vitamines sont des substances qui n'apportent pas d'énergie mais qui sont indispensables au bon fonctionnement de l'organisme. Elles interviennent en faible concentration dans de nombreux processus vitaux. Dans la plupart des cas, notre organisme est incapable de les synthétiser. Elles sont apportées par l'alimentation. Elles sont au nombre de treize et se répartissent en deux catégories :

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- les vitamines liposolubles qui sont absorbées en même temps que les graisses et stockées. Elles sont solubles dans les solvants organiques. Ce sont les vitamines A, D, E et K. - les vitamines hydrosolubles qui ne sont pas stockées de manière prolongée et qui sont excrétées dans les urines quand leur apport est excédentaire. Elles sont solubles dans l'eau. Il s'agit des vitamines C, B1, B2, PP, B5, B6, B8, B9, B12.

Les vitamines servent en réalité de coenzymes dans des réactions chimiques importantes. B) Les glucides : • Les glucides sont une classe de molécules organiques contenant un groupement carbonyle (aldéhyde ou cétone) et plusieurs groupements hydroxyle (-OH). • Leur formule chimique est basée sur le modèle Cn(H2O)p (d'où l'appellation historique). Les glucides constituent un ensemble de substances dont les unités de base sont les sucres simples appelés oses ou monosaccharides. Les glucides sont habituellement répartis entre oses (monosaccharides) et osides, qui sont des polymères d'oses (polysaccharides). • Les oses (sucres simples) sont des molécules simples, non hydrolysables, formant des cristaux. • Les osides (sucres complexes), hydrolysables sont des polymères d'oses liés par une liaison osidique. 7

On peut ainsi diviser les glucides :  Les monosaccharides ;  Les disaccharides  Les polysaccharides ;  Les glycoconjugués.

Les monosaccharides sont des molécules formées de C, H et O. La plupart ont pour formule générale CnH2nOn. La plupart des monosaccharides que l'on retrouve chez les êtres vivants ont 5 ou 6 carbones :  Monosaccharides à 5 carbones (C5H10O5) = pentoses : ribose (constituant de l’ARN), désoxyribose (constituant de l’ADN),  Monosaccharides à 6 carbones (C6H12O6) = hexoses : glucose, fructose (cétose), galactose …Ces trois glucides ont pour formule C6H12O6. Ils ont la même formule moléculaire Mais, ont des structures différentes. Ce sont des isomères

Un disaccharide est un glucide formé de l'union chimique de deux monosaccharides. Exemple : Synthèse du saccharose. Le saccharose se forme par l'union d'un glucose à un fructose. • Au cours de la réaction, le groupement OH d'un des deux sucres se lie à un H du OH de l'autre sucre. • Il se forme alors une molécule d'eau.

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• Les deux sucres demeurent liés par l'intermédiaire d'un O. Ce type de réaction où deux molécules simples s'unissent avec dégagement d'une molécule d'eau est appelé réaction de condensation (ou synthèse par déshydratation). Les disaccharides les plus courants sont : • Le saccharose = glucose-fructose ; • Le lactose = glucose-galactose ; • Le maltose = glucose-glucose. La plupart des polysaccharides sont des polymères de glucose. Les trois polysaccharides les plus connus sont : • L’amidon ; • Le glycogène ; • La cellulose.

L'amidon est formé de deux types de polymères de glucose : l'amylose et l'amylopectine. • L'amylose est formée de chaînes linéaires de glucoses (les glucoses sont liés les uns aux autres comme les maillons d'une chaîne) alors que l'amylopectine est formée de chaînes ramifiées (il y a des embranchements comme les branches d'un buisson). AMYLOSE (chaine linéaire) AMYLOPECTINE (chaine ramifiée) • L'amidon est le sucre de réserve des plantes, c'est à dire que c'est surtout sous cette forme que les plantes mettent en réserve leurs surplus de glucose. On retrouve de l'amidon surtout dans les racines, les graines et les fruits. • L'amidon est particulièrement abondant dans les céréales (riz, blé, maïs, etc.) et les tubercules (pommes de terre). • C'est une façon pratique, pour l'organisme, de mettre en réserve des surplus de glucose. • Suite à un repas riche en sucres, le sang risque de devenir dangereusement trop concentré en glucose. On dit alors que la glycémie augmente (la glycémie = concentration de glucose dans 9

le sang). Les cellules (foie et muscles surtout) transforment alors ces surplus de glucose en molécules de glycogène ce qui contribue à faire baisser la glycémie. • L'organisme est capable de stocker jusqu'à 600 g de glycogène. • Tout comme l'amidon et le glycogène, la cellulose est un polymère de glucose. • Elle est formée de longues chaînes linéaires de glucoses liés les unes aux autres. • Par contre, les liaisons entre les glucoses sont différentes de celles de l'amidon ou du glycogène.

Définition des lipides • Les lipides sont des molécules organiques insolubles dans l’eau (lipos) et solubles dans les solvants organiques apolaires comme l’alcool, le benzène et le chloroforme. • Tous les lipides contiennent du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène. Dans certains lipides complexes, on trouve du phosphore. • Les lipides comprennent les triglycérides (graisses neutres), les phospholipides et les stéroïdes. • Queue apolaire hydrophobe + Tête polaire hydrophile = Molécule AMPHIPHILE • Si toute la série allant de 2 à 38 atomes de carbone est représentée chez les êtres vivants, les termes à 16 et 18 atomes sont les plus abondants.

Les acides gras saturés • Ils sont totalement saturés (pas de doubles liaisons entre les atomes de carbone). • Les plus abondants sont l’acide palmitique à 16C et l’acide stéarique à 18C. • Exemple d’un acide gras saturé : l’acide palmitique en C16 et de formule CH3- (CH2)14- COOH. 10

Les acides gras insaturés • Ils présentent dans leur molécule une ou plusieurs doubles liaisons. On dit qu’ils sont monos ou poly-insaturés. La présence de ces doubles liaisons leur confère des propriétés physicochimiques particulières. Exemple d’un acide gras mono-insaturé : l’acide oléique en C18 qui possède une double liaison en position 9 (acide gras ω9 = oméga 9). Exemples d’acides gras poly-insaturés : l’acide linoléique en C18 qui possède deux doubles liaisons en positions 9 et 12 (acide gras ω6 = oméga 6).

Les glycérolipides simples (glycérides) : • Ils sont en majeure partie constitués par les triglycérides que l’on appelle les graisses neutres. Ils sont formés par des réactions d’estérification du glycérol par 3 molécules d’acides gras.

Exemple d’un triglycéride homogène (les 3 acides gras sont identiques). • Les glycérides mixtes ont des acides gras différents. • Ils ont un rôle énergétique.

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Les glycérolipides complexes (phosphoglycérolipides) : • Ils sont composés de molécules d’acides gras, de glycérol, d’acide phosphorique et d’un alcool azoté. • Ils sont essentiels à la structure des membranes plasmiques.

Les stéroïdes • Molécules cycliques planes. • Cholestérol : composant essentiel des membranes plasmiques des cellules. • Hormones stéroïdiennes = hormones sexuelles (progestérone et œstrogène, testostérone). • A la base de la vitamine D et des sels biliaires.

Les eicosanoïdes Lipides complexes à 20 atomes de carbone. • Prostaglandine : messager chimique, • Thromboxane : vasoconstricteur, rôle dans le phénomène de coagulation, • Leucotriène : acteur de la réaction inflammatoire

Les protides Les protides sont des composés organiques azotés de la matière vivante comprenant au moins : • - une fonction amine -NH2 • - une fonction acide carboxylique -COOH Les acides aminés Les protéines sont formées à partir d’un répertoire de 20 acides aminés qui sont donc l’élément de base des protéines. 12

Un acide aminé est constitué d’une fonction amine, d’un groupe carboxylique, d’un atome d’hydrogène et d’un groupe variable : R. Les chaînes latérales se différencient par leur dimension, leur forme, leur charge, leur capacité à contracter des liaisons hydrogène et leur réactivité chimique. En solution à pH neutre, les acides aminés se trouvent essentiellement sous forme d’ions dipolaires. • Certains acides aminés ne peuvent pas être synthétisés par l’organisme et doivent donc être exclusivement apportés par l’alimentation : il s’agit des acides aminés essentiels ou indispensables. • Les acides aminés non essentiels peuvent être produits de façon endogène par l’organisme. • L’arginine et l’histidine sont essentiels chez les enfants et deviennent non essentiels chez l’adulte. On parle d’acides aminés semi-essentiels.

Certains acides aminés ne sont pas présents dans les protéines tout en jouant un rôle métabolique important à l’état libre : l’homocystéine. Les peptides sont des polymères formés par la liaison d’acides aminés (monomères), entre eux grâce à des liaisons peptidiques. Ce sont des molécules formées par l’enchainement de 2 à 100 acides aminés : • Oligopeptides entre 2 et 10 acides aminés, • Polypeptides entre 11 à 100 acides aminés. Ex : de nombreuses hormones, comme l’insuline qui contient 51 acides aminés. Les protéines : holoprotéines fibreuses Ce sont des molécules comportant plus de 100 acides aminés et souvent d’autres constituants appelés groupes prosthétiques. Il existe deux catégories de protéines selon leurs constituants : • Holoprotéines, dont l’hydrolyse ne produit que des acides aminés : 13

• Protéines fibreuses : longues et filiformes, insolubles dans l’eau et souvent inertes = protéines structurales qui servent de matériau de construction pour les cellules. Les protéines : holoprotéines globulaires • Protéines globulaires : compactes et sphériques, solubles dans l’eau et chimiquement actives = rôles essentiels dans les processus physiologiques Les protéines : hétéroprotéines L’hydrolyse produit des acides aminés plus des groupes prosthétiques (vitamines, acides nucléiques...) : - nucléoprotéines (groupe prosthétique = acide nucléique ; ADN, ARN) - chromoprotéines (groupe prosthétique = pigment ; chlorophylles, hémoglobine) • Glycoprotéines (récepteurs membranaires, transporteurs, marqueurs du soi …) • Lipoprotéines (transport du cholestérol dans le sang : LDL et HDL) Niveau d’organisation des protéines Les protéines possèdent quatre niveaux maximums d’organisation structurale : Structure primaire : La structure primaire des protéines est représentée par la séquence d’acides aminés qui se lient de manière à former une chaîne polypeptidique. Les propriétés uniques de chaque protéine dépendent des types d’acides aminés qui la composent et de leur séquence. Structure secondaire : Les protéines n'existent pas sous forme de chaînes linéaires d'acides aminés : elles se tordent et se replient sur elles-mêmes. C'est leur structure secondaire. La structure secondaire la plus courante est celle de l’hélice alpha (α). Dans l'hélice alpha, la chaîne primaire s'enroule sur elle-même puis est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupes NH et CO, à tous les quatre acides aminés environ. 14

Le feuillet plissé bêta (β) est une autre structure secondaire, où les chaînes polypeptidiques primaires ne s'enroulent pas mais se lient côte à côte au moyen de liaisons hydro...