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CATEGORIE PARAMEDICALE

Formation de bachelier en Biologie Médicale

1ère année CHU-B36/ Tour 4 / Bureau 4/35

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Biochimie Part I 2009-2010

Steve Gillet, D. Sc. Email : [email protected]

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Biochimie Part I

Note : Le texte ci-dessous est extrait de « En bref… Biochimie structurale et métabolique »

2ème édition de Christian Moussard aux éditions de boeck.

Sommaire 0. Introduction ........................................................................................................................... 4

Organisme vivant .............................................................................................................. 4

Conservation ..................................................................................................................... 4

Perpétuation ...................................................................................................................... 4

Energie et matière ............................................................................................................. 4

Biochimie ........................................................................................................................... 5

1. Les acides aminés : structure et propriétés .......................................................................... 6

Définition ........................................................................................................................... 6

Importance biologique ....................................................................................................... 6

Classification ..................................................................................................................... 7

Les séries D et L ............................................................................................................. 11

Le caractère amphotère .................................................................................................. 13

Les principales réactions des acides aminés .................................................................. 14

2. Les protéines : Structure et propriétés ............................................................................... 14

Définition ......................................................................................................................... 14

Importance biologique ..................................................................................................... 15

Classification ................................................................................................................... 16

2.1. Liaison peptidique et structure primaire ....................................................................... 16

2.2. Les structures supérieures .......................................................................................... 18

3. Bioénergétique ................................................................................................................... 18

3.1. Variation d’énergie libre standard ∆G°’ ........................................................................ 19

3.2. Variation d’énergie libre ∆G ......................................................................................... 20

3.3. Les 5 conséquences pratiques .................................................................................... 21

1ère conséquence ............................................................................................................ 21

2ème conséquence ........................................................................................................... 22

Gillet Steve, D.Sc. -1-

Biochimie Part I

3ème conséquence ........................................................................................................... 22

4ème conséquence ........................................................................................................... 22

5ème conséquence ........................................................................................................... 23

3.4. Energie libre d’activation ∆G# ...................................................................................... 23

3.5. Variation d’énergie libre ∆G et potentiel rédox ............................................................ 25

4. Les enzymes ...................................................................................................................... 27

4.1. Définition et propriétés ................................................................................................. 27

5. Les coenzymes .................................................................................................................. 28

5.1. Définition et propriétés ................................................................................................. 28

6. Les glucides : Structure et propriétés ................................................................................. 29

Définition ......................................................................................................................... 29


Classification ................................................................................................................... 30

6.1. Les monosaccharides .................................................................................................. 31

Classification ................................................................................................................... 31

Les séries D- et L- ........................................................................................................... 32

La structure cyclique ....................................................................................................... 36

Les principales réactions ................................................................................................. 38

Résumé Stéréoisomérie .................................................................................................. 39

6.2. Les disaccharides ........................................................................................................ 39

6.3. Oligosaccharides et glycoprotéines ............................................................................. 41

6.4. Les polysaccharides .................................................................................................... 43

6.5. Glycosaminoglycanes et proteoglycanes .................................................................... 43

6.6 Les peptidoglycanes ..................................................................................................... 44

12. Les lipides : structure et propriétés .................................................................................. 45

Définition ......................................................................................................................... 45

Classification ................................................................................................................... 46


12.1. Les acides gras .......................................................................................................... 48


Biochimie Part I

12.2. Les triglycérides ......................................................................................................... 51

12.3. Les glycérophospholipides ........................................................................................ 52

12.4. Les sphingolipides ..................................................................................................... 53

12.5. Les isoprénoïdes ....................................................................................................... 54

27. Le mécanisme des nucléotides ........................................................................................ 56

27.1. Qu’est-ce ? ................................................................................................................ 56

Les bases ........................................................................................................................ 56

Les pentoses ................................................................................................................... 58

Les nucléosides et nucléotides ....................................................................................... 58

27.2. Pourquoi ? ................................................................................................................. 60

27.3. Où ? ........................................................................................................................... 61

27.4. Comment ? ................................................................................................................ 61

Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques ......................................... 61

Catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques .................................................. 61

28. Le métabolisme de l’hème ............................................................................................... 62

28.1. Qu’est-ce ? ................................................................................................................ 62

28.2. Pourquoi ? ................................................................................................................. 62

28.3. Où et comment ? ....................................................................................................... 63


Biochimie Part I

0. Introduction

Organisme vivant

Un organisme vivant est une structure complexe ayant pour fins de se conserver

(individuellement) et de se perpétuer (globalement) en usant de la matière et de l’énergie

prélevées dans l’environnement.

Il est programmé par un génotype, dont l’ADN (Acide DésoxyRibonucléique) est le

support chimique. C’est l’ensemble des informations qui donne une description complète de

cet organisme. Ce dernier possède également un phénotype qui est l’expression

structurelle et fonctionnelle de ce génotype, en interaction avec l’environnement.

Le phénotype est sous la dépendance du génotype : toutes les réactions

biochimiques sont catalysées par des enzymes, protéines dont la synthèse est gouvernée

par le génotype.

Conservation

La conservation de la structure d’un organisme vivant se fait au niveau du génotype

grâce à la réplication de l’ADN qui précède la mitose des cellules somatiques et au

niveau du phénotype grâce à la matière et l’énergie prélevées dans l’environnement. Cette

conservation exige :

- Un travail chimique réalisé au cours du métabolisme qui comprend :

o Le catabolisme : ensemble des réactions qui extraient l’énergie et la matière

des molécules complexes.

o L’anabolisme : ensemble des réactions qui utilisent l’énergie et la matière

pour la synthèse de molécules complexes.

- D’autres travaux cellulaires : osmostique, électrique, mécanique, etc. réalisés

grâce à l’énergie libérée par le catabolisme.

Perpétuation

La perpétuation de la structure d’un organisme vivant se fait au niveau du

génotype, grâce à la réplication de l’ADN qui précède la méiose dans les cellules

germinales.

Energie et matière

La possibilité de prélever de l’énergie et de la matière dans l’environnement pour

fournir un travail biologique est une propriété fondamentale des organismes vivants. Deux

stratégies sont possibles :


Biochimie Part I

- Celle des organismes autotrophes photosynthétiques qui utilisent l’énergie des

photons solaires et des molécules simples (minérales, CO2, H2O, etc.) comme

source de C, H, et O.

- Celle des organismes hétérotrophes qui utilisent l’énergie chimique de molécules

complexes (d’autotrophes ou d’autres hétérotrophes) et comme matière des

molécules plus simples issues de la dégradation de ces molécules complexes.

Sont restitués à l’environnement une partie de l’énergie sous forme de chaleur et des

molécules simples qui seront recyclées.

Le carbone, principal élément de la matière organique, est globalement réduit (par

exemple le motif CH2 dans les acides gras). Le carbone minéral sous forme de CO2 est

oxydé. La photosynthèse réduit le carbone minéral en carbone organique grâce à

l’énergie solaire. La respiration cellulaire oxyde le carbone organique en carbone

minéral, ce qui produit de l’énergie.

L’énergie libérée par les réactions suffisamment exergoniques du catabolisme

n’est pas utilisée telle quelle par les réactions endergoniques de l’anabolisme et lors de

l’exécution des autres travaux cellulaires : elle est d’abord convertie en « monnaie ATP ».

L’énergie libérée par les réactions d’oxydation du catabolisme n’est pas utilisée

telle quelle par les réactions de réduction de l’anabolisme : elle est conservée dans des

transporteurs d’électrons (NADH,H+, FADH2 et NADPH,H+). La plus grande part de la

« monnaie-redox » NADH,H+ et FADH2 est échangée contre de la « monnaie ATP » au

cours de la respiration cellulaire. Quant au NADPH,H+, il est utilisé à des synthèses

réductrices.

Biochimie

Si l’on définit la biochimie comme la science qui a pour objet l’étude des

réactions chimiques (chimie) ayant lieu au sein de la matière vivante (bio) :

- La biochimie génétique a pour objet l’étude des réactions chimiques qui

permettent la conservation et la perpétuation de la structure vivante au niveau

du génotype. La biologie moléculaire y ajoute la dimension technique d’étude et de

modification des gènes et des leur expression.

- La biochimie structurale et métabolique a pour objet l’étude de la structure et des

propriétés chimiques des molécules constituant la matière vivante (structurale)

ainsi que des réactions chimiques permettant la transformation et l’utilisation de la

matière et de l’énergie prélevées dans l’environnement pour assurer la conservation

de la structure vivante au niveau phénotypique (métabolique).


Biochimie Part I

- La biochimie de l’information a pour objet l’étude des réactions chimiques par

lesquelles communiquent les différents niveaux d’organisation de la structure

vivante (organites, cellules, organes, systèmes) entre eux et en relation avec

l’environnement.

1. Les acides aminés : structure et propriétés

Définition

Les acides aminés sont des molécules qui possèdent à la fois une fonction acide

carboxylique et une fonction amine primaire portées par un même atome de carbone,

l’atome de carbone α (ou C-2, C-1 étant celui de l’acide carboxylique). Ils diffèrent par la

nature de la chaîne latérale R.

COOH

CHH2N

R

fonction carboxylique

fonction amine

chaîne latérale

carbone α

Parmi les acides aminés standard, une exception : la proline dont la fonction amine

(secondaire) est incluse dans un cycle.

Plus de 300 acides aminés ont été inventoriés. On distingue :

- Les 20 acides aminés constitutifs des protéines naturelles ou acides aminés

standards (quelle que soit leur origine, virale, bactérienne, végétale ou animale) : ils

sont codés par l’ADN et incorporés dans la chaîne polypeptidique des protéines lors

de la traduction de l’ARNm ;

- Et les autres… que l’on trouve soit à l’état libre, soit dans de petits peptides

synthétisés par des µ-organismes ou des végétaux.

Importance biologique

Le rôle des acides aminés est multiple :


Biochimie Part I

- structural : ils sont les monomères des protéines ; leur nature, l’ordre dans lequel

ils s’enchaînent, leurs rapports spatiaux mutuels sont les déterminants de la structure

et de la fondation des protéines ;

- énergétique : ils peuvent être, comme le glucose, les acides gras et les corps

cétoniques, substrats énergétiques ;

- métabolique : ils sont précurseurs plus ou moins directs de molécules d’intérêt

biologique, leur catabolisme fournissant des atomes et groupements d’atomes utilisés

lors de réaction de synthèse ;

- fonctionnel : certains ont en soi des propriétés biologiques importantes (par

exemple, la glutamine qui intervient dans la transmission de l’influx nerveux).

Classification

Les acides aminés protéiques peuvent être classés :

- Selon la structure de la chaîne latérale R, qui peut être :

o Aliphatique (16)

Hydrocarbonée (6) linéaire (Gly, Ala, Pro) ou branchée (Val, Leu, Ile)

A fonction alcool (2) (Ser, Thr)

A fonction soufrée (2) (Cys, Met)

A fonction acide (et amide correspondante) (4) (Asp, Asn, Glu, Gln)

A fonction basique (2) (Lys, Arg)

o Aromatique (4) (Phe, Tyr, Trp, His)

- Selon la polarité de la chaîne latérale R, qui peut être :

o Polaire (11) :

Non ionisable (6) (Ser, Thr, Asn, Gln, Cys, Tyr)

Ionisable (5) (Asp, Glu, Lys, Arg, His)

o Non polaire (9) (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro)

Cette dernière classification est utile quant à la structure tridimensionnelle des

protéines et quant aux modes d’association des protéines avec d’autres molécules :

- les acides aminés à chaîne latérale polaire non ionisable contractent des liaisons hydrogènes (environ 10 x plus faible qu’une liaison covalente) ;

- les acides aminés à chaîne latérale polaire ionisable contractent des liaisons

ioniques ;

- les acides aminés à chaînes latérales non polaires contractent des liaisons

hydrophobes (environ 20 x plus faible qu’une liaison covalente) ;

- tous les acides aminés, par leur chaîne latérale, peuvent contracter des liaisons de

van der Waals (environ 40 x plus faible qu’une liaison covalente) ;


Biochimie Part I

Le tableau ci-dessous reprend l’ensemble des 20 acides aminés standards ainsi que leur

notation à 3 ou 1 lettres.

Classement

(structure) Structure Nom (Notation 3 lettres ou 1 lettre)

Classement

(polarité)

Alip

hatiq

ue

Hyd

roca

rbon

ée

COOH

CHH2N

H

Glycine (Gly ou G)

Non

pol

aire

COOH

CHH2N

CH3

Alanine (Ala ou A)

COOH

CHH2N

Valine (Val ou V)

COOH

CHH2N

Leucine (Leu ou L)

COOH

CHH2N

Isoleucine (Ile ou J)

COOH

CHHN

Proline (Pro ou P)


Biochimie Part I

Alc

ool

COOH

CHH2N

HO

Sérine (Ser ou S)

Pol

aire

non

ioni

sabl

e

COOH

CHH2N

HO

Thréonine (Thr ou T)

Sou

frée

COOH

CHH2N

HS

Cystéine (Cys ou C)

COOH

CHH2N

S

Méthionine (Met ou M)

Non

pol

aire

Aci

de

COOH

CHH2N

HOOC

Acide aspartique (Asp ou D)

Pol

aire

ioni

sabl

e

COOH

CHH2N

H2NOC

Asparagine (Asn ou N)

Pol

aire

non

ioni

sabl

e


Biochimie Part I

COOH

CHH2N

COOH

Acide glutamique (Glu ou E)

Pol

aire

ioni

sabl

e

COOH

CHH2N

CONH2

Glutamine (Gln ou Q)

Pol

aire

non

ioni

sabl

e

Bas

ique

COOH

CHH2N

NH2

Lysine (Lys ou K)

Pol

aire

ioni

sabl

e

COOH

CHH2N

NH

CNH

NH2

Arginine (Arg ou R)

Aro

mat

ique

COOH

CHH2N

Phénylalanine (Phe ou F)

Non

pol

aire


Biochimie Part I

COOH

CHH2N

HO

Tyrosine (Tyr ou Y)

Pol

aire

non

ioni

sabl

e

COOH

CHH2N

HN

Tryptophane (Trp ou W)

Non

pol

aire

COOH

CHH2N

NH

N

Histidine (His ou H)

Pol

aire

ioni

sabl

e Les séries D et L

L’atome de carbone α des acides aminés (à l’exception de la glycine) est un atome

de carbone asymétrique. Il existe deux stéréoisomères de chaque acide aminé, qui sont

l’image spéculaire l’un de l’autre, ce sont donc deux énantiomères. En biochimie, il est

courant d’utiliser la projection de Fisher comme mode de représentation des molécules.

C’est d’ailleurs représentation que nous avons utilisé ci-dessus, au moins pour le carbone α.

Dans ce type de projection, les substituants à gauche et à droite sont hors du plan, vers le

lecteur. Puisque la notation D-, L- est basée sur le glycéraldéhyde (un glucide et non un

acide aminé), nous allons utiliser ce composé comme exemple. La fonction aldéhydique (ou

cétone dans le cas d’autres glucides, ou acide dans le cas des acides aminés) est

positionnée dans le haut. La notation D- pour le glycéraldéhyde correspond à un hydroxyde

(une amine, dans les cas des acides aminés) à droite (D- droite… mnémotechnique). La

notation L- pour le glycéraldéhyde correspond à un hydroxyde (une amine, dans les cas des

acides aminés) à gauche (L- left… mnémotechnique). Il est important de ne pas confondre


Biochimie Part I

cette notation avec la notation d-/l- qui fait référence à la rotation spécifique des molécules

organiques ; notation à laquelle nous préférerons d’ailleurs la notation + / -, moins sujette à

confusion. A noter, d’ailleurs que la notation D-/L- ne donne aucune information quant à la

rotation spécifique de l’acide aminé.

HO H

O

OH

L-Glycéraldéhyde(S)-(-)-glycéraldéhyde

HO H

O

OH

D-Glycéraldéhyde(R)-(+)-glycéraldéhyde

H O

OHH

CH2OH

H O

OHH

CH2OH

H O

HHO

CH2OH

H O

HHO

CH2OH

ROH

O

NH2

L-acide aminé

ROH

O

NH2

D-acide aminé

HO O

NH2H

R

HO O

NH2H

R

HO O

HH2N

R

HO O

HH2N

R


Biochimie Part I

En règle générale, les acides aminés naturels présents dans les protéines

appartiennent à la série L, mais les exceptions ne sont pas rares, tant chez les eucaryotes

que chez les procaryotes.

Le caractère amphotère

Les acides aminés possèdent au moins deux groupements ionisables, le

groupement acide carboxylique et le groupement amine : ils sont amphotères et existent

sous différentes formes ionisées selon le pH. A pH acide, le groupement aminé peut fixer un

proton et il apparaît un cation, tandis qu’à pH alcalin, le groupement carboxyle peut céder un

proton et il apparaît un anion.

Dans le cas simple d’un acide aminé neutre (par opposition aux acides aminés

acides et basiques) :

- Au pK d’un groupement ionisable donné, il y a autant de molécules ionisées que de

molécules non ionisées (ex. : au pKCOOH il y a 50 % COOH et 50 % COO-.

- Au pHi (pH isoélectrique), à mi-distance entre les deux pK, l’acide aminé est le plus

dissocié et sa charge nette est nulle.

o Sa solubilité dans l’eau est minimale : à pHi, les molécules, globalement

neutres, n’ont pas tendance à se repousser, mais au contraire à s’agréger au

gré d’interactions mutiples : tandis qu’aux autres pH, elles sont chargées et

leur répulsion lest maintient en solution.

o Il ne migre pas dans un champ électrique à courant continu (électrophorèse).

COOH

+H3N H

R

COO-

+H3N H

R

COO-

H2N H

R

pH alcalin

pHi

pH a

cide

La forme non ionisée d’un acide aminé ne peut donc exister à aucun pH et s’est

simplement par commodité qu’il est représenté comme tel.

Toujours dans le cas d’un acide aminé neutre, le pKCOOH est de l’ordre de 2 et le

pKNH2 de l’ordre de 10. Donc à pH 7, les groupements -COOH et -NH2 sont presque

totalement ionisés : la charge nette est nulle. Les acides aminés acides et basiques

possèdent sur leur chaîne latérale un groupement ionisable supplémentaire. Pour

l’aspartate, le pKCOOH « latéral » est de l’ordre de 4 ; pour la lysine, le pKNH2 « latéral » est de

l’ordre de 12. Ainsi, à pH 7, les acides aminés acides ont leurs groupements carboxyles


Biochimie Part I

presque totalement ionisés et leur charge nette est égale à -1 ; les acides aminés

basiques ont leurs groupements aminés presque totalement ionisés, leur charge nette

est égale à +1.

Puisque les groupements α-carboxyle et α-aminé des acides aminés (sauf les –

COOH et –NH2 terminaux) sont engagés dans les liaisons peptidiques de la chaîne

polypeptidique, la charge nette des protéines dépend essentiellement de la charge des

chaînes latérales des acides aminés acides et basiques.

Les principales réactions des acides aminés

La double fonction carboxyle et aminée confère aux acides aminés de multiples

possibilités de réaction qui seront éventuellement étudiées ultérieurement.

2. Les protéines : Structure et propriétés

Définition

Les protéines sont des polymères linéaires d’acides aminés unis par une liaison

amide, dite liaison peptidique, établie entre le groupement α-carboxyle de l’un et le

groupement α-aminé du suivant.

H2N

HN

NH

HN

OH

O

R1

Ri

O Ri+1

O Rn

O

Liaison peptidique

ExtrémitéN-terminale

ExtrémitéC-terminale

Deux acides aminés unis par une liaison peptidique forment un dipeptide, trois acides

aminés un tripeptide, un petit nombre d’acides aminés un oligopeptide, quelques dizaines

d’acides aminés (n < 100) un polypeptide, au-delà une protéine. La plupart des protéines

comptent entre 100 et 2000 résidus d’acide aminés. La masse moléculaire moyenne d’un

résidu étant de 110 daltons, la masse moléculaire d’une protéine varie entre 11 000 et 220

000 daltons.

Toutes les protéines de toutes les espèces (du virus à l’Homme), sont construites à

partir de 20 acides aminés. Le nombre de combinaison est illimité (20n pour une protéine de


Biochimie Part I

n acides aminés). De plus, après leur synthèse, les protéines peuvent se lier à d’autres

molécules de nature non protéique, ce qui augmente encore la diversité de leur structure.

Sauf aux extrémités de la chaîne, tous les acides aminés sont engagés dans 2

liaisons peptidiques, l’un par son groupement aminé avec le précédent, l’autre par son

groupement carboxyle avec le suivant. Ils perdent donc leur identité d’acides aminés et sont

appelés résidus.

Par convention, l’acide aminé porteur du groupement aminé libre (acide aminé N-

terminal) est l’acide aminé n°1 de la chaîne polypeptidique et l’acide aminé porteur du

groupement carboxyle (acide aminé C-terminal) est le dernier acide aminé.


Les protéines sont des molécules biologiques de première importance

quantitative (elles constituent plus de la moitié de la masse sèche des cellules) et

qualitative (elles participent presque toutes à des fonctions cellulaires).

Leurs rôles sont multiples. Il n’y a pas de biomolécules qui aient autant de fonctions

cellulaires, comme il n’y a presque pas de fonctions cellulaires qui leur échappent. La liste

simplifiée qui suit, illustrée d’exemples, les classe dans un ordre mnémotechnique :

- Protection : anticorps ;

- Régulation : les protéines participent à la communication intra- et intercellulaire qui

permet la coordination du métabolisme au niveau de la cellule et entre différents

niveaux de l’organisation hiérarchique des organismes multicellulaires, ex. : facteurs

de transcription, hormones et récepteurs ;

- mOuvement : l’actine et la myosine sont les protéines de la contraction musculaire,

la dyénine est la protéine des cils et flagelles qui meuvent nombre de cellules ;

- Transport : l’hémoglobine transporte l’O2 des poumons vers les tissus et le CO2 des

tissus vers les poumons, les lipoprotéines plasmatiques transportent les lipides entre

leurs sites métaboliques, les protéines intrinsèques transportent ions et molécules à

travers les membranes cellulaires ;

- Energie : les protéines sont des réserves d’acides aminés en tant que substrats

énergétiques : ex. l’ovalbumine du blanc d’œuf, la caséine du lait, les protéines des

graines qui nourrissent la descendance, les protéines musculaires chez l’Homme et

les animaux (en cas de besoin) ;

- Influx Nerveux : ex. la rhodopsine est la protéine photoréceptrice des cellules en

bâtonnet de la rétine ;

- Enzymes : catalyseurs de réactions biochimiques


Biochimie Part I

- Structure : les protéines soutiennent et protègent les structures biologiques : ex. le

collagène du tissu conjonctif animal, la kératine des phanères, la tubuline est

microtubules du cytoplasme.

Classification

On classe les protéines selon leur composition :

- en holoprotéines, dont la molécule n’est composée que d’acides aminés,

- et hétéroprotéines, dont la molécule comporte en plus une partie non protéique

(appelée groupement prosthétique) : glucides, lipides, acides nucléiques, ions

métalliques, etc.

On classe encore selon leur forme globale :

- en protéines globulaires :

o leur rapport axial (rapport de la dimension la plus grande à la dimension la

plus petite) est inférieur à 10 : elles sont sphéroïdes ;

o elles sont solubles dans l’eau ;

o elles ont été les plus étudiées car à cette catégorie appartiennent les

enzymes, les hormones, les anticorps, etc.

- en protéines fibreuses :

o leur rapport axial est supérieur à 10 : elles sont filiformes ;

o elles sont insolubles dans l’eau ;

o elles remplissent des fonctions structurales ou protectrices

- en protéines mixtes, mi-globulaires mi-fibreuses, ex. : la myosine.

2.1. Liaison peptidique et structure primaire

Théoriquement, la liaison peptidique s’établit par élimination d’une molécule d’eau

entre le groupement carboxyle d’un acide aminé et le groupement aminé de l’acide aminé

suivant :

H2NHC COOH

R1

H2NHC COOH

R2

- H2OH2N

HC

R1

O

NHHC

R2

COOH

liaisonpeptidique

En fait la réaction, endergonique, est beaucoup plus complexe mais nous n’entrerons

pas dans les détails pour ce cours.

La liaison peptidique –CO-NH- est un hybride de résonance dans lequel les

électrons du doublet de l’azote et les électrons π de la liaison C=O occupent la même

orbitale délocalisée entre les atomes d’azote et d’oxygène.


Biochimie Part I

N

O

H

N

O

H La liaison C-N a donc le caractère d’une double liaison partielle. Ainsi la liaison

peptidique est très stable, plane et rigide (la rotation autour de la liaison C-N est

impossible). La liaison peptidique s’inscrit dans un parallélogramme dont deux des sommets

opposés sont occupés par les atomes de carbone α et les deux autres par les atomes

d’hydrogène et d’oxygène (H et O étant presque toujours en trans par rapport à la liaison C-

N).

NN

N

versextrémitéN-terminale Ri-1

OH

H

Ri

O

H O

Ri+1

versextrémitéC-terminale

rotations impossibles

rotations possibles

Φ α Ψα α

Bien que la liaison peptidique soit rigide et plane, 2 liaisons peptidiques consécutives

peuvent pivoter autour du carbone α commun, dans la limite des contraintes stériques : la

chaîne polypeptidique est un collier de parallélogrammes articulés autour des sommets

opposés.

Par convention, l’angle de rotation autour de la liaison Cα-N est désigné par la lettre

Φ et l’angle de rotation autour de la liaison Cα-C par la lettre Ψ. Le plan de référence est

celui passant par N, Cα et C de –CO. La valeur absolue de l’angle est compris entre 0 et

180°, le signe est négatif si la rotation a lieu dans le sens des aiguilles d’une montre et positif

dans le cas contraire. Les angles Φ et Ψ définissent les positions relatives des deux liaisons

peptidiques autour du carbone α commun. Pour des raisons stériques (les atomes sont trop

voisins et se gênent mutuellement), la plupart des valeurs de Φ et de Ψ ne sont pas

permises. Celles qui sont autorisées déterminent les structures secondaires des protéines.


Biochimie Part I

2.2. Les structures supérieures

L’architecture des protéines comporte, outre la structure primaire (séquence des

acides aminés, en tant que nombre, nature et position des résidus unis par liaison

peptidique dans la chaîne polypeptidique, qui traduit la séquence des codons de l’ARN

messager) trois niveaux de structures supérieures :

- la structure secondaire :

o elle est due aux relations dans l’espace des résidus proches les uns des

autres dans la chaîne polypeptidique ;

o elle est stabilisée par des liaisons hydrogène entre les –CO et –NH

peptidiques ;

- la structure tertiaire :

o elle est due aux relations dans l’espace des résidus éloignés les uns des

autres dans la chaîne polypeptidique ;

o elle est stabilisée par des liaisons hydrogène, de van der Waals,

hydrophobes, ioniques et (éventuellement) des ponts disulfures entre les

chaînes latérales des résidus ;

- la structure quaternaire :

o elle est due aux relations dans l’espace de différentes chaînes

polypeptidiques qui composent une même protéine ;

o elle est stabilisée par les mêmes liaisons que la structure tertiaire, à

l’exception des ponts disulfures (sauf exception de l’exception ☺ ).

Les protéines fibreuses n’ont ni structure tertiaire ni structure quaternaire et

leur structure secondaire associe plusieurs molécules différentes.

3. Bioénergétique Devant une réaction biochimique, le biochimiste se pose la question suivante : des

conditions étant données, en particulier de concentration des réactants, dans quel

sens a lieu cette réaction : aller ou retour ? Vers la droite ou vers la gauche ? La bio-

énergétique, ou thermodynamique appliquée à la biochimie, qui étudie les variations

d’énergie associées aux réactions biochimiques, permet de répondre à cette question.

Soit la réaction réversible (toute réaction biochimique l’est, théoriquement) :

A + B C + DV1

V2 A, B, C et D étant dits réactants. Cette réaction a lieu simultanément dans les deux sens, à

des vitesses différentes :


Biochimie Part I

- dans le sens aller, à la vitesse :

v1 = k1 [A] [B]

o A et B sont dits substrats et C et D produits,

o k1 est la constante de vitesse de la réaction aller ;

- dans le sens retour, à la vitesse :

v2 = k2 [C] [D]

o C et D sont dits substrats et A et B produits,

o k2 est la constante de vitesse de la réaction retour ;

A l’équilibre :

v1 = v2

ou : k1 [A]éq [B]éq = k2 [C]éq [D]éq

ou : k1/k2 = Kéq = [C]éq [D]éq / [A]éq [B]éq

- Kéq, rapport des constantes de vitesse (aller/retour), est la constante d’équilibre de

la réaction considérée de la gauche vers la droite,

- [A]éq, [B]éq, [C]éq et [D]éq sont les concentrations des réactants à l’équilibre.

Pour des concentrations initiales de même ordre de grandeur des réactants :

- si k1 est supérieur à k2, l’équilibre s’établira du côté de C et D,

- si k1 est inférieur à k2, l’équilibre s’établira du côté de A et B.

Cela dit, il en est de même pour des concentrations initiales des réactants différentes,

les proportions de A, B, C et D restant inchangées à l’équilibre.

La réaction – théoriquement réversible – est dite complète dans un sens si, à

l’équilibre, les concentrations des produits sont très supérieures à celles des substrats.

3.1. Variation d’énergie libre standard ∆G°’

Les molécules A, B, C et D ont une énergie libre (énergies de vibration, rotation et

translation de la molécule et énergie des liaisons interatomiques) GA, GB, GC et GD,

respectivement. La différence d’énergie libre entre C et D (état final si on considère la

réaction de la gauche vers la droite) d’une part et A et B (état initial) d’autre part est

appelée variation d’énergie libre ∆G :

∆G = Gproduits - Gsubstrats

soit : ∆G = (GC + GD) – (GA + GB) (état final – état initial)

∆G est exprimé en kilojoule par mole (kJ mol-1), ou, anciennement en kilocalories par

mole (kcal mol-1) (1 cal = 4,187 J).

Si la réaction était considérée dans le sens retour, ∆G aurait la même valeur absolue,

mais serait de signe opposé.


Biochimie Part I

Comme l’eau s’écoule du haut vers le bas de la montagne, toute réaction a lieu

spontanément des molécules dont l’énergie libre est la plus grande vers celles sont

l’énergie libre est la plus petite, c'est-à-dire dans le sens d’une ∆G négative.

Dans les conditions standard pour les biochimistes, c'est-à-dire : à la pression P

de 101,3 kPa (1 atm), à pH 7, avec des concentrations initiales en substrats de 1 M, on

définit la variation d’énergie libre standard pour les biochimistes ∆G°’ (le signe ° renvoie

aux conditions standard et le signe ‘ au pH 7). On démontrera (dans le cours de chimie

physique) que :

∆G°’ = - RT lnKéq

avec :

R, constante des gaz parfaits = 8,314 J mol-1 K-1

T, température en K

lnKéq = logarithme népérien de la constante d’équilibre Kéq = [C]éq [D]éq / [A]éq [B]éq

A noter que lorsque l’eau participe à la réaction, on ne tient pas compte de sa

concentration dans le calcul de la constante d’équilibre : en milieu aqueux, [H2O] = 55 M et

ne varie pas de façon significative au cours des réactions.

∆G°’ est une constante caractéristique d’une réaction donnée. Elle exprime la

quantité maximale de travail que cette réaction peut théoriquement fournir.

- Si [C]éq [D]éq > [A]éq [B]éq, la réaction a eu lieu dans le sens aller A + B C + D dont

∆G°’ est négative, la réaction est dite exergonique : elle produit de l’énergie libre

(exergonique : « énergie vers l’extérieur »), utilisable pour effectuer un travail. On dit

aussi alors que la réaction est spontanée, ce qui ne signifie pas qu’elle a lieu

instantanément, mais que thermodynamiquement favorable, elle est possible sans

apport énergétique extérieur.

- Si [C]éq [D]éq < [A]éq [B]éq, la réaction n’a pas eu lieu dans le sens aller A + B C + D

dont ∆G°’ est positive (elle a lieu dans le sens retour C + D A + B dont la ∆G°’ est

négative). Quand la ∆G°’ est positive, la réaction est dite endergonique : elle ne

peut avoir lieu qu’avec apport énergétique extérieur. On dit aussi alors que la

réaction est impossible.

- Si [C]éq [D]éq = [A]éq [B]éq, la réaction était, dès le départ, à l’équilibre : ∆G°’ = 0.

3.2. Variation d’énergie libre ∆G

Dans les conditions réelles de la vie cellulaire, on démontre (on le fera, en tout cas,

dans le cours de chimie physique) que :

∆G = ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B]) où [A], [B], [C] et [D] sont les concentrations initiales des

réactants. La variation d’énergie libre ∆G n’est donc pas une constante, elle dépend de la


Biochimie Part I

nature des substances réagissantes, représentées par le terme ∆G°’ et des conditions

réactionnelles : température et surtout concentrations initiales des réactants dont le rapport,

représenté par le terme logarithmique, détermine si ∆G est supérieur, inférieur ou égal à

∆G°’.

3.3. Les 5 conséquences pratiques

1ère conséquence

Au fil d’une réaction exergonique, la valeur absolue de ∆G diminue (∆G°’ est négatif

et RT ln([C].[D] / [A].[B]) augmente au fur et à mesure que la réaction A + B C + D évolue)

jusqu’à s’annuler lorsque l’équilibre est atteint. Alors : ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B]) = 0 d’où

∆G°’ = - RT lnKéqu. La constante d’équilibre d’une réaction permet donc de calculer sa

variation d’énergie libre standard pour les biochimistes ∆G°’.

Plus la valeur d’une ∆G°’ négative est grande, plus l’équilibre s’établit loin du côté des

produits, plus la réaction est complète dans les conditions standard. ∆G°’ a en soi peu

d’intérêt : elle correspond à des conditions standard sans rapport avec les conditions

biologiques. Néanmoins, elle permet :

- de se faire une idée, dans les conditions standard, du sens dans lequel a lieu une

réaction et de la quantité de travail que cette réaction peut fournir ;

- de comparer des réactions et de les classer selon le critère de leur ∆G°’, ci-dessous,

le « thermomètre bioénergétique » : réactions d’hydrolyse de quelques composés

phosphorylés et d’un thioester, l’acétyl-coenzyme A et leur ∆G°’ :

SCHEMA

Ces composés peuvent être arbitrairement classés en deux groupes :

o les composés riches en énergie, c'est-à-dire à haut potentiel d’hydrolyse, avec

une ∆G°’ plus négative que – 25 kJ mol-1 ;

o les composés pauvres en énergie, c'est-à-dire à bas potentiel d’hydrolyse,

avec une ∆G°’ moins négative que – 25 kJ mol-1 ;

L’ATP occupe dans cette échelle une position intermédiaire (∆G°’ = - 30,5 kJ mol-1)

qui en fait une « monnaie d’échange » énergétique : l’hydrolyse de liaisons à haut potentiel

libère de l’énergie convertie en « monnaie ATP » ; l’hydrolyse de l’ATP libère de l’énergie

utilisée à la synthèse de liaisons à bas potentiel.

- et d’évaluer la ∆G d’une réaction dans des conditions données.


Biochimie Part I

2ème conséquence

Connaissant la ∆G°’ et les concentrations initiales des réactifs et produits dans

des conditions cellulaires données, on peut calculer ∆G :

∆G = ∆G°’ + RT ln([C].[D] / [A].[B])

Par exemple, la ∆G de la réaction d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule où

[ADP].[Pi]/[ATP] est proche de 1/500 M, est de :

-30 500 + 8,314.298.ln(1/500) = -45,9 kJ mol-1

La réaction d’hydrolyse de l’ATP dans la cellule est donc plus exorgonique dans les

conditions cellulaires que dans les conditions standard.

La ∆G indique, dans les conditions cellulaires :

- par son signe, si la réaction est exergonique (∆G < 0) ou endergonique (∆G > 0)

dans le sens considéré ;

- par sa valeur absolue, la position de l’état d’équilibre par rapport à l’état initial :

plus cette valeur est éloignée de la valeur absolue de ∆G°’, plus l’équilibre s’établit

loin de concentrations initiales.

3ème conséquence

Une réaction dont la ∆G°’ est positive (et donc impossible dans les conditions

standard) peut avoir lieu pour certaines concentrations des réactants : quand [C].[D] /

[A].[B] est suffisamment inférieur à 1 pour que le terme (négatif) RT ln([C].[D] / [A].[B]) ait une

valeur absolue supérieure à celle de ∆G°’, alors ∆G est négatif et la réaction est possible.

4ème conséquence

Considérons une réaction à l’équilibre. Alors :

∆G°’ + RT ln([C]éq.[D]éq / [A]éq.[B]éq) = 0

- Si à partir de l’équilibre, on augmente les concentrations de A et de B, le rapport sous

le logarithme est inférieur à Kéq et ∆G devient négatif : la réaction reprend dans le

sens aller jusqu’à un nouvel état d’équilibre, mais la valeur de Kéq n’aura pas changé.

- De même, si l’on augmente les concentrations de C et de D, le rapport sous le

logarithme est supérieur à Kéq et ∆G devient positif : la réaction reprend dans le sens

retour dont la ∆G est négative jusqu’à un nouvel état d’équilibre, mais la valeur de Kéq

n’aura pas changé.

Une réaction est d’autant plus réversible (par une modification des concentrations

des réactants) que sa ∆G°’ est proche de zéro.

- C’est parce qu’elles ont des ∆G°’ proches de 0 que les réactions d’une voie

métabolique peuvent fonctionner dans un sens ou dans l’autre.


Biochimie Part I

- Dans une voie métabolique où des réactions s’enchaînent les unes aux autres, les

produits de l’une étant les substrats de la suivante, c’est la continuelle soustraction

des produits de l’une par la suivante qui oriente le flux malgré les faibles ∆G°’.

5ème conséquence

Une réaction endergonique (∆G°’ positive) est possible si elle est couplée à une

réaction exergonique (∆G°’ négative). Par exemple, la réaction glucose + Pi glucose-6-

phosphate est endergonique, mais lorsqu’elle est couplée à la réaction d’hydrolyse de l’ATP

en ADP et Pi (exergonique), la réaction globale devient possible.

3.4. Energie libre d’activation ∆G#

La ∆G ne donne aucune information sur la vitesse de réaction. Elle dit dans quel sens

a lieu spontanément la réaction, combien de travail elle peut fournir, mais ne dit pas à quelle

vitesse cette réaction a lieu. La vitesse d’une réaction dépend de l’énergie libre

d’activation ∆G# qui n’a aucun rapport avec ∆G.

La plupart des réactions exergoniques n’ont lieu que lentement, même si elles sont

thermodynamiquement très favorables (∆G°’ très négative). En effet, l’état initial A + B, à

haute énergie libre, est séparé de l’état final C + D, à basse énergie libre, par un état de

transition d’énergie libre supérieure à celle de l’état initial : la différence d’énergie libre

entre l’état initial et l’état de transition est l’énergie libre d’activation ∆G#.

Etat de transition Energie libre

Avancement de

la réaction

GA + GB

GC + GD

∆G# > 0

∆G < 0

∆GD < 0


Biochimie Part I

Qu’est-ce que l’état de transition ? Soit une réaction de déplacement d’un atome ou

un groupe d’atomes X de la molécule A sur la molécule B, respectivement transformées en

C et D :

Ce déplacement passe par un état de transition :

où X est lié aux 2 molécules à la fois.

Cette réaction peut se décomposer en 2 réactions partielles :

- la première, de formation de l’état de transition, dont la ∆G est la variation d’énergie

libre d’activation ∆G# (positive) :

- la seconde, de dissociation de l’état de transition, de ∆GD négative :

La ∆G de la réaction globale est égale à ∆G# + ∆GD.

La vitesse de la réaction est inversement proportionnelle à ∆G#. Les molécules

qui peuvent atteindre cet état de transition et être transformées sont celles qui sont

suffisamment excitées lorsqu’elles s’entrechoquent.

- Dans un laboratoire, on chauffe le tube à essai où l’on fait la réaction : l’agitation

thermique des molécules les excite et la réaction est accélérée (la température

augmente la probabilité des rencontres).

- Dans la cellule où la température est « douce et agréable », ce sont les enzymes qui

accélèrent la réaction : en mettant en présence l’un de l’autre les substrats de façon

adéquate, ils abaissent l’énergie libre d’activation qui les sépare de l’état de

transition.

- Rarement, ∆G# est si faible que la simple agitation thermique des molécules leur

fournit l’énergie nécessaire au franchissement de cette barrière énergétique : la

X + X +

X

X + X

X X +


Biochimie Part I

réaction est alors perceptible. Le plus souvent, ∆G# est telle que le nombre de

molécules franchissant cette barrière est infime : la réaction est alors imperceptible,

voire inexistante.

- La barrière d’énergie libre d’activation est essentielle à la vie : sans elle, les

molécules complexes, riches en énergie libre (protéines, acides nucléiques) se

décomposeraient rapidement.

3.5. Variation d’énergie libre ∆G et potentiel rédox

Une réaction d’oxydoréduction :

red1 + ox2+ ox1

+ + red2 est la somme de deux demi-réactions, mettant en jeu chacune un couple redox :

red1 ox1+ + e-

e- + ox2+ red2

Chaque couple redox d’une molécule est composé :

- d’un réducteur (red), forme la plus riche en électrons : c’est un donneur

d’électrons,

- et d’un oxydant (ox), forme la plus pauvre en électrons : c’est un accepteur

d’électrons.

Dans un couple redox, plus le réducteur est fort, c'est-à-dire a une forte tendance

à donner un (des) électron(s), plus l’oxydant est faible, c'est-à-dire a une faible tendance à

accepter un (des) électron(s).

Au cours de la réaction d’oxydoréduction, des électrons sont transférés, d’un couple

à l’autre, du réducteur le plus fort, qui sera oxydé, à l’oxydant le plus fort, qui sera

réduit :

red1 ox1+ + e-

e- + ox2+ red2

red1 + ox2+ ox1

+ + red2 où le couple 1 est plus réducteur que le couple 2.

Dans les cellules, les électrons peuvent être transférés d’une molécule à une autre de

quatre façons différentes :

- transfert d’électron(s) seul(s) :

A + B+ A+ + B


Biochimie Part I

- transfert d’atome(s) d’hydrogène (H = H+ + e-) :

AH2 + B A + BH2 - transfert d’un ion hydrure H- (H- = H+ + 2 e-) :

AH2 + NAD+ A + NADH + H+

- combinaison d’un réducteur et de l’oxygène formant un composé oxygéné :

AH + 1/2 O2 AOH Un équivalent réducteur correspond à un électron transféré dans une réaction

d’oxydoréduction, de quelque façon ait lieu ce transfert.

On évalue la force réductrice d’un couple redox donné red1/ox1+ en comparant son

potentiel redox standard E° à celui d’un couple redox de référence, le couple H+ / ½ H2. Le

potentiel redox standard de ce couple est nul par convention (dans les conditions standards

où [H+] = 1 M et PH2 = 1 atm).

- Si le couple est plus réducteur que le couple H+ / ½ H2, alors son potentiel redox

E° est négatif.

- Si le couple est moins réducteur que le couple H+ / ½ H2, alors son potentiel redox

E° est positif.

Un pH égal à 0 ([H+] = 1 M) étant un milieu cellulaire irréaliste, à E° on substitue E°’ à

pH 7. Le couple H+ / ½ H2 passe de E° = 0 à E°’ = -0,42 V. Il est possible de démontrer que,

hors des conditions standard : E=E°'+ RTnF

ln [ox][red]

avec R = constante des gaz parfaits, T =

température absolue, n = nombre d’électrons transférés, F = constante de Faraday.

La connaissance de E°’ des couples redox permet de classer sur une échelle redox,

du plus oxydant (potentiel redox le plus fort) au plus réducteur (potentiel redox le plus faible).

Par convention, le potentiel redox se réfère à la demi-réaction Ox+ + e- red.

SCHEMA

Connaissant les potentiels redox, on peut calculer la ∆G°’ ou la ∆G d’une réaction

redox et en prédire le sens. On montre que : ∆G°’ = -nF∆E°’ ou ∆G = -nF∆E.

Soit la réaction :

red1 + ox2+ ox1

+ + red2 ∆E = E2 – E1

- Si le couple 1 est plus réducteur que le couple 2, alors ∆E est positif et la réaction a

lieu de la gauche vers la droite.

- Si le couple 1 est moins réducteur que le couple 2, alors ∆E est négatif et la réaction

a lieu de la droite vers la gauche.


Biochimie Part I

Au cours des réactions redox, les électrons sont transférés du couple redox dont le

potentiel redox est le plus faible (réducteur le plus fort) vers celui dont le potentiel redox

est le plus fort (oxydant le plus fort).

4. Les enzymes

4.1. Définition et propriétés

Une réaction exergonique est spontanée, c'est-à-dire que, thermodynamiquement

favorable, elle est possible sans apport énergétique extérieur. Mais cela ne signifie pas

qu’elle soit instantanée. Par exemple, la réaction :

Saccharose + H2O Glucose + Fructose

est spontanée. Par voie chimique, la réaction prend des mois voir des années. Par contre,

en présence de sccharase, l’enzyme qui catalyse l’hydrolyse du saccharose, la réaction ne

dure que quelques secondes !

Les enzymes sont les catalyseurs biologiques des réactions biochimiques :

- Catalyseurs :

o Elles augmentent les vitesses de réaction (d’un facteur 103 à 1012), sans

modifier la constante d’équilibre, en diminuant l’énergie libre

d’activation ;

o elles se retrouvent intactes à la fin de la réaction, bien qu’elles se soient

intimement liées aux substrats et produits,

- biologiques :

o Elles sont produites par la cellule : toutes les enzymes sont des protéines

(exception : les ribozymes sont des ARN doués d’activité catalytique) ;

o elles sont spécifiques : elles transforment un substrat donné (spécificité du

substrat) grâce à une réaction donnée (spécificité d’action). A noter que la

spécificité de substrat est variable : certaines enzymes ont une spécificité

absolue, transformant un substrat unique en un produit unique ; d’autres ont

une spécificité plus large, transformant les substrats d’une classe de substrats

en autant de produits. Par exemple, la glucokinase ne phosphoryle que le

glucose, tandis que l’hexokinase phosphoryle divers hexoses, dont le glucose.

Quant à la spécificité d’action, elle est invariable : une enzyme, une seule

réaction catalysée.

o elles sont régulables : certaines enzymes modifient leur activité catalytique

en réponse à des signaux métaboliques, ce qui permet l’ajustement de l’offre

métabolique à la demande cellulaire.


Biochimie Part I

Les isoenzymes (ou isozymes) sont des enzymes qui ont une même propriété

catalytique, mais qui diffèrent par leurs propriétés physico-chimiques (leur séquence en

acides-aminés ne sont pas identiques). Les isoenzymes peuvent différer d’un tissu à l’autre.

Nous reviendrons plus en détail sur les enzymes et leur fonctionnement dans la partie

II du cours de biochimie.

5. Les coenzymes

5.1. Définition et propriétés

Les coenzymes sont des cofacteurs indispensables à certaines enzymes

(appelées apoenzymes). On distingue les coenzymes libres ou cosubstrats et les

coenzymes liées ou groupements prosthétiques. L’ensemble apoenzyme + coenzyme

forme l’enzyme entière ou holoenzyme.

Cosubstrats (CoS) et groupements prosthétiques (GP) ont en commune les

caractères suivants :

- contrairement aux enzymes, ils ne sont pas de nature protéique (corollairement, ils

sont thermostables et ont une basse masse moléculaire) ; contrairement aux

substrats, ils retrouvent leur état initial ; comme les substrats, ils entrent dans la

stoechiométrie de la réaction ;

- ils transfèrent d’une molécule à une autre une entité X (électron, atome ou

groupement d’atomes) en la prenant transitoirement en charge.

Ils diffèrent par les caractères suivants :

- les cosubstrats sont faiblement fixés à l’apoenzyme par des liaisons non

covalentes et fonctionnent dans deux réactions enzymatiques différentes,

chargeant X au cours de la première, puis le déchargeant au cours de la seconde (ils

jouent le rôle d’un deuxième substrat) ;

- les groupements prosthétiques sont solidement fixés à l’apoenzyme par des

liaisons covalentes et fonctionnent dans une seule réaction au cours de laquelle

ils chargent puis déchargent X (ou, rarement, dans 2 réactions intimement liées au

sein d’un complexe multienzymatique).

AX

A

B BX

CoS CoS(X)

ApoE 1

ApoE 2

AX A

B BX

ApoE-GP ApoE-GP(X)


Biochimie Part I

La plupart de coenzymes possèdent un ou plusieurs noyaux cycliques ou

hétérocycliques. Le plus souvent, ces noyaux ne sont pas synthétisables par l’Homme et

doivent être apportés par l’alimentation ou les bactéries intestinales (ils ont un caractère

indispensable ou essentiel, comme certains acides aminés ou certains acides gras) : ce

sont les vitamines (le plus souvent hydrosolubles) qui sont les précurseurs des coenzymes.

Mais quelques coenzymes n’ont pas de caractère vitaminique (par exemple le coenzyme

lipoïque), de même quelques vitamines n’ont pas d’activité coenzymatique connue (par

exemple les vitamines liposolubles A et D).

On classe les coenzymes en deux grandes catégories : les coenzymes

d’oxydoréduction et les coenzymes de transfert de groupement d’atomes.

Ces deux catégories seront éventuellement vues plus en détail ultérieurement.

6. Les glucides : Structure et propriétés

Définition

Les glucides (ou sucres) sont les biomolécules les plus abondantes sur la Terre.

Chez les végétaux, la photosynthèse synthétise, à partir du gaz carbonique et de l’eau, le

glucose. Ce dernier est précurseur de presque toutes les autres biomolécules et est stocké

sous forme d’amidon ou est transformé en cellulose. Chez les animaux, la majeure partie

des glucides est apportée par l’alimentation et est d’origine végétale ; néanmoins, des

glucides peuvent être synthétisés à partir de molécules non glucidiques.

- Ils sont constitués d’une ou de plusieurs unités aldéhydiques ou cétoniques

polyhydroxylées. Les glucides sont aussi appelés hydrates de carbone par les

diététiciens et carbohydrates par les anglo-américains.

- Ils sont en général très hydrophiles : leurs nombreux groupements hydroxyles

établissent des liaisons hydrogène avec des molécules d’eau.

- Le groupement aldéhyde ou cétone leur confère un caractère réducteur. En milieu

alcalin et à chaud, le glucose réduit le Cu2+ (bleu) de la célèbre Liqueur de Fehling

(cupro-tartrate sodique) en Cu+ (le fameux précipité rouge brique de Cu2O).


Leurs rôles sont multiples :

- Au niveau extracellulaire :

o structural : sous forme de fibres ou de gels, les glucides soutiennent et

protègent les structures biologiques (par exemple la cellulose de la paroi des

cellules végétales, la chitine des exosquelettes des insectes et crustacés, la


Biochimie Part I

muréine de la paroi bactérienne, les glycosaminoglycanes du cartillage et des

tendons) ;

- Au niveau intracellulaire :

o énergétique :

l’oxydation des glucides est l’une des voies essentielles de production

d’énergie dans les cellules non photosynthétiques ;

des polymères (amidon chez les végétaux et glycogène chez les

animaux) mettent en réserve cette énergie ;

o métabolique : ils sont transformés en d’autres molécules d’intérêt biologique,

glucidiques ou non ;

- Au niveau intercellulaire :

o fonctionnel : liés à des protéines ou à des lipides membranaires, des

glucides sont impliqués dans le processus de communication cellulaire.

Classification

On distingue :

- les monosaccharides (ou oses simples), formés d’une seule unité : par exemple le

glucose ;

- les disaccharides (ou dioses), formés de deux unités : par exemple le saccharose,

fait de glucose et de fructose ;

- les oligosaccharides (ou oligosides) :

o à courtes chaînes de 3 à plusieurs unités,

o de structure non répétitive et complexe,

o le plus souvent liés de façon covalente à des molécules non glucidiques

(glycoconjugués) : glycoprotéines (la fraction protéique est prédominante) et

glycolipides ;

- les polysaccharides (ou polyosides) :

o à longues chaînes de très nombreuses unités,

o de structure répétitive et simple,

o linéaires (par exemple la cellulose) ou ramifiés (par exemple le glycogène) ;

- les protéoglycanes :

o à longues chaînes polysaccharidiques (glycosylaminoglycanes) ;

o liées, sauf exception, de façon covalente à des protéines (la fraction

glucidique est prédominante) ;

- les peptidoglycanes :

o à longues chaînes polysaccharidiques


Biochimie Part I

o liées entre elles par des courts peptides.

6.1. Les monosaccharides

Classification

Les monosaccharides sont classés selon le nombre de leurs atomes de carbone

et la nature du groupement carbonyle.

Nombre d’atomes de carbone Nom

3 Trioses

4 Tétroses

5 Pentoses

6 Hexoses

7 Heptoses

8 Octoses

Si le groupement carbonyle est de type aldéhyde, on parle d’aldose et si le

groupement carbonyle est de type cétone, on parle de cétose.

Par exemple, l’aldohexose a 6 atomes de carbone, 5 groupement hydroxyles et un

groupement aldéhydique ; la cétopentose a 5 atomes de carbones, 4 groupements

hydroxyles et un groupement cétonique.

(CHOH)4

CH2OH

OH

aldohexose

CH2OH

O

(CHOH)2

CH2OH

cétopentose

1

1

2

- Les atomes de carbone sont numérotés d’une extrémité à l’autre de la chaîne dans le

sens qui donne le nombre le plus faible à l’atome de carbone dont le degré

d’oxydation est le plus élevé, c'est-à-dire à l’atome de carbone du groupement

carbonyle.

- Les monosaccharides les plus simples sont les trioses (n = 3) glycéraldéhyde et

dihydroxyacétone qui sont des isomères de fonction :


Biochimie Part I

CHOH

CH2OH

OH

Glycéraldéhyde

CH2OH

O

CH2OH

dihydroxyacétone

Les séries D- et L-

Le C-2 de l’aldotriose, le glycéraldéhyde, est un atome de carbone asymétrique, car il

est lié à quatre atomes ou groupements d’atomes différents : -H, -OH, -CHO et –CH2OH.

- Il existe donc 2 stéréoisomères de configuration, le D-glycéraldéhyde et le L-

glycéraldéhyde, selon que le groupement hydroxyle est à droite ou à gauche de la

chaîne carbonée (de la projection de Fisher avec le carbonyle vers le haut),

molécules qui sont images en miroir l’une de l’autre, comme le sont les deux mains :

cet atome de carbone est un centre chiral et les 2 stéréoisomères sont dits

énantiomères.

HO H

O

OH

L-Glycéraldéhyde(S)-(-)-glycéraldéhyde

HO H

O

OH

D-Glycéraldéhyde(R)-(+)-glycéraldéhyde

H O

OHH

CH2OH

H O

OHH

CH2OH

H O

HHO

CH2OH

H O

HHO

CH2OH

- A partir du glycéraldéhyde (D ou L), on peut augmenter le nombre d’atomes de

carbone de la chaîne, en l’allongeant pas son extrémité C-1 : on passe du triose au

tétrose, puis au pentose et enfin à l’hexose.


Biochimie Part I

o La présence du nouvel atome de carbone asymétrique crée une isomérie de

position du groupement hydroxyle qui peut être projeté d’un côté ou de l’autre

de la chaîne carbonée.

o La filiation des aldoses de la série D comprend 2 tétroses à la première

génération, 4 pentoses à la deuxième et 8 hexoses à la troisième :

HC

CH2OH

OH

D-Glycéraldéhyde

OH

D-Thréose D-Erythrose

D-Lyxose D-Xylose D-Arabinose D-Ribose

D-Talose D-IdoseD-Galactose D-Gulose D-Mannose D-AltroseD-Glucose D-Allose Le D-érythrose est un aldotétrose intermédiaire de la voie des

pentoses phosphate et de la photosynthèse ;

Le D-ribose est l’aldopentose des ribonucléotides, de l’ARN et de

coenzymes (NAD, NADP, FAD) ;

Le D-galactose, le D-mannose et le D-glucose sont les aldohexoses

les plus communs.


Biochimie Part I

o Deux oses qui ne diffèrent que par la configuration d’un seul carbone

asymétrique sont dits épimères. La transformation d’un épimère en un autre

est appelée épimérisation.

o Tous les aldoses de la série D ont un avant-dernier atome de carbone de

même configuration spatiale que le C-2 du D-glycéraldéhyde.

o L’appartenance d’un ose à la série D (ou L) ne préjuge pas de son pouvoir

rotatoire qui peut être (+) ou (-). Ainsi le D-glucose est dextrogyre et le D-

fructose est lévogyre.

o La famille du L-glycéraldéhyde compte les mêmes aldoses mais tous sont en

configuration L. De rares sucres et dérivés existent à l’état naturel sous forme

L : L-arabinose, L-fructose, L-acide ascorbique (vitamine C des fruits et

antioxydant E300 des produits alimentaires). Mais la série naturelle est la

série D car le premier ose que la photosynthèse fait apparaître est le

glycéraldéhyde dont l’élongation par son C-1 laisse à droite l’avant dernier

groupement hydroxyle.

o Le nom des cétoses se déduit habituellement de celui de l’aldose

correspondant en intercalant la syllabe ul, sauf pour le fructose dont

l’appellation d’origine a prévalu contre celle de gluculose ☺


Biochimie Part I

CH2OH

O

CH2OHdihydroxyacétone

D-Erythrulose

D-Xylulose D-Ribulose

D-Fructose o Le C-2 du cétotriose, la dihydroxyacétone n’est pas asymétrique : cet ose

est optiquement inactif. Le D-érythrulose est le seul D-cétotétrose. La filiation

des cétoses de la série D comprend 2 cétopentoses et 4 cétohexoses. Ne

sont indiqués sur le schéma que :

Les D-xylulose et D-ribulose, cétopentoses intermédiaires de la voie

des pentoses phosphate et de la photosynthèse,

Et le seul cétohexose important, le D-fructose, sucre des fruits et du

miel (entre autres).

Pourrait être ajouté un C-7, le D-sédoheptulose, autre intermédiaire de

la voie des pentoses phosphate.


Biochimie Part I

La structure cyclique

En solution à pH neutre, moins de 1 p. 1000 des molécules de monosaccharide ont

leur groupement carbonyle libre. En effet, un aldéhyde ou une cétone réagit avec un alcool

pour former un hémiacétal. Ici groupement carbonyle et alcool sont présents dans une même

molécule flexible, séparés par 2 ou 3 atomes de carbone : ils peuvent réagir pour former un

hémiacétal interne qui confère à la molécule une structure cyclique. L’aldéhyde en C-1 du

glucose réagit avec le groupement hydroxyle en C-5 (3 atomes de carbone les séparent)

pour former le noyau pyranose (en raison de sa similitude avec le pyrane).

-BH

B

O

H

HOH

O

HO

HH

O H

OH

H O

OH

HO

OH

OH

CH2OH

D-Glucose

H O

HO

OH

CH2OH

α-D-Glucopyranose(+ β-D-Glucopyranose)

O

OH

CH2OH

O

H O

CH2OH


Biochimie Part I

H O

CH2OH

L-Glucose

O

HO

OH

HO

HO

CH2OH

Le groupement carbonyle en C-2 du fructose réagit avec le groupement hydroxyle en

C-5 (2 atomes de carbone les séparent) pour former le noyau furanose (en raison de sa

similitude avec le furane).

CH2OH

O

HO

OH

OH

CH2OH

D-fructose

CH2OH

HO

OH

CH2OH

α-D-fructofuranose(β-D-fructofuranose)

O

HO

OH O

O

CH2OHCH2OH CH2OHCH2OH

- Les formules structurales du D-glucopyranose et du D-fructofuranose ci-dessus sont

des projections d’Haworth :

o les atomes de carbone du noyau sont implicites ;

o le plan du noyau est perpendiculaire à celui de la feuille de papier ;

o les liaisons en avant du noyau sont symbolisées par une ligne grasse ;


Biochimie Part I

o les groupements hydroxyles qui sont à droite dans la représentation linéaire

de Fischer apparaissent au dessous du plan, ceux qui sont à gauche de la

chaîne au dessus du plan ;

o seuls sont explicites l’atome d’oxygène du pont oxydique et le groupement –

CH2OH extracyclique.

- La création du pont oxydique fait apparaître un nouveau centre d’asymétrie : le

groupement hydroxyle hémiacétalique peut être situé soit au dessous du plan du

noyau, soit au dessus. Cette nouvelle stéréoisomérie est appelée anomérie. Les

deux anomères sont distingués respectivement par les lettres α et β (dans la série D).

Quelle que soit la série D ou L, la forme est α si le groupement –OH anomérique et le

groupement –CH2OH distal sont de part et d’autre du cycle (en trans) et β s’ils sont

du même côté (en cis).

La transformation d’un anomère en l’autre (le cycle s’ouvre par hydratation, le

groupement –OH bascule par rotation du C-1 autour de la liaison C-1 – C-2, puis le

cycle se referme par déshydratation) s’accompagne d’une variation de l’activité

optique (mutarotation). Par exemple, en solution, le glucose est un mélange de 1/3

d’α-D-glucopyranose et de 2/3 de β-D-glucopyranose. La mutarotase accélère la

mutarotation.

- Le cycle hexagonal du noyau pyranose n’est pas plan. En raison des angles de

valence de l’atome de carbone, deux conformations sont possibles, bateau et chaise

(la plus stable) :

conformation chaise conformation bateau

Les principales réactions

La double fonction carbonyle et alcools confère aux monosaccharides de multiples

possibilités de réaction, dont nous parlerons plus en détail dans la partie II du cours de

biochimie.

Des abréviations des oses et dérivés d’oses (les 3 premières lettres, sauf pour le

glucose [Glc], la place étant prise par l’acide glutamique [Glu]) facilitent l’écriture symbolique

des glucides :

Xylose Xyl Acide aldonique A

Galactose Gal Acide uronique UA


Biochimie Part I

Glucose Glc Amine N

Mannose Man Acétylamine NAc

Fructose Fru Acide muramique Mur

Idose Ido Acide neuraminique Neu

Fucose Fuc Acides sialiques Sia

Résumé Stéréoisomérie

stéréoisomérie(même formule brute,

même formule développéemais structures spatiales différentes)

stéréoisomériede conformation

(interconversionsans rupture

de liaison chimique)

stéréoisomériede configuration

(interconversionavec rupture

de liaison chimique)

diastéréoisomérie(les 2 molécules

ne sont pas images en miroirl'une de l'autre)

énantiomérie(les 2 molécules

sont images en miroir l'une de l'autre : elles diffèrent par

la configuration de tous les C asymétriques)

épimérie(les 2 molécules ne diffèrent quepar la configuration d'un seul C asymétrique)

anomérie(les 2 molécules ne diffèrent quepar la configuration du C hémiacétalique)

6.2. Les disaccharides

Les disaccharides sont formés :

- de 2 unités monosaccharidiques

- unies par une liaison O-glycosidique entre :

o le groupement hydroxyle anomérique (en configuraiton α ou β) de l’une

o et le groupement hydroxyle de l’autre, anomérique ou non.

Les 3 disaccharides importants sont :


Biochimie Part I

- le saccharose (ou « sucrose » d’outre-Manche, sucre de betterave, de canne à

sucre, et de table), hydrolysable en glucose et fructose. Chez les végétaux, le

saccharose est le glucide circulant (sucre de la sève), comme l’est chez les animaux

le glucose (sucre du sang).

O

O

CH2OH

OCH2OH

CH2OH

Saccharoseou α-D-glucopyranosyl-(1a2)-β-D-

fructofuranoseou Glc(α1a2)βFru

- le lactose (sucre du lait), hydrolysable en galactose et glucose ;

O

CH2OHLactose

ou β-D-galactopyranosyl-(1a4)-D-glucopyranose

ou Gal(β1a4)Glc

O

O

CH2OH

- et le maltose (sucre de malt issu de l’amidon de l’orge germé), hydrolysable en

glucose.

O

CH2OH

Maltoseou α-D-glucopyranosyl-(1a4)-D-

glucopyranoseou Glc(α1a4)GlcO

O

CH2OH

Le saccharose est non réducteur : les 2 oses sont engagés « nez à nez » par le

groupement hydroxyle hémiacétalique dans la liaison O-glycosidique. Les lactose et

mannose sont réducteurs : le groupement hydroxyle hémiacétalique du deuxième ose, en

position anomérique α ou β, est libre.


Biochimie Part I

Des hydrolases spécifiques rompent la liaison O-glycosidique des disaccharides, en

reconnaissant la nature de l’ose engagé par son groupement hydroxyle hémiacétalique, la

forme anomérique de cet ose et la nature du deuxième ose. Ainsi la lactase est une β-

galactosidase, la maltase et la saccharase (chez les animaux) des α-glycosidases . Chez les

végétaux, la saccharase est une β-fructosidase.

6.3. Oligosaccharides et glycoprotéines

La presque totalité des protéines sont des hétéroprotéines : leur hydrolyse libère

des acides aminés et d’autres molécules. Si ces dernières sont glucidiques, il s’agit de

glycoprotéines, constituées d’une chaîne polypeptidique (fraction protéique) à laquelle

sont liées de façon covalente des chaînes oligosaccharidiques (fraction glucidique), courtes

ou longues (jusqu’à quelques dizaines d’unités), souvent ramifiées. La fraction glucidique

peut représenter de 5 % aux 2/3 de la masse moléculaire, mais en général la fraction

protéinique prédomine.

A quoi servent ces chaînes oligosaccharidiques dont ne peuvent se passer les

protéines ?

- elles augmentent l’hydrosolubilité des protéines sécrétées ;

- elles interviennent dans les repliements de la protéine qui la mettent dans sa

conformation fonctionnelle ;

- elles sont un facteur de dissymétrie membranaire, étant tournées vers l’extérieur de

la cellule ;

- elles participent dans le processus de reconnaissance cellulaire (marqueurs de

surface spécifiques) ;

- cela dit, certaines protéines amputées de leur partie glucidique conservent

parfaitement leur structure tridimensionnelle et leur fonction !

Les chaînes oligosaccharidiques des glycoprotéines comprennent :

- des oses (pentoses : xylose et hexoses : galactose, mannose, très rarement

glucose) ;

- des 6-désoxyoses (fucose = 6-désoxygalactose) ;

- des hexosamines (2-amino-2-désoxyhexoses), le plus souvent N-acétylées (N-

acétylgalactosamine GalNAc et N-acétylglucosamine GlcNAc) ;

- des acides sialiques, dérivés N- ou O-acylés de l’acide neuramique.

Les glycoprotéines, à part le collagène, ne contiennent pas de glucose, et

contrairement aux protéoglycanes, ne contiennent pas d’acides uroniques.

Les chaînes oligosaccharidiques sont fixées sur la chaîne polypeptidique par des

liaisons :


Biochimie Part I

- O-glycosidiques, établies entre le groupement hydroxyle hémiacétalique de l’ose

terminal (réducteur) et le groupement hydroxyle alcoolique d’un acide aminé alcool :

sérine ou thréonine, et hydroxylysine dans le collagène ;

O

CH2OH

O

H2C

liaisonO-glycosidique

(Ser, Thr)

chaînepolypeptidique

- ou N-glycosidiques, établies entre le groupement hydroxyle hémiacétalique de l’ose

terminal (réducteur) qui est presque toujours la N-acétylglucosamine et l’atome

d’azote du groupement amide de l’asparagine.

O

CH2OH

NH

liaisonN-glycosidique

Asn

chaînepolypeptidique

NHCOCH3

O

Les oligosaccharides unis par liaison N-glycosidique contiennent un motif

pentasaccharidique commun, témoin de l’initiation de leur synthèse. D’autres sucres sont

attachés à ce motif de différentes façons pour former la très grande variété

d’oligosaccharides présents dans les glycoprotéines.

Man

Man

Man GlcNAc GlcNAc Asn

Les chaînes oligosaccharidiques ne sont fixées à la chaîne polypeptidique que sur les

résidus sérine, thréonine et asparagine inclus dans des séquences particulières reconnues

par des enzymes spécifiques.

La chaîne oligosaccharidique peut être fixée à des lipides, les céramides, pour

former des sphingolipides appelés gangliosides.


Biochimie Part I

6.4. Les polysaccharides

Les polysaccharides sont formés de nombreuses unités monosaccharidiques (n

compris entre quelques dizaines et plusieurs centaines de milliers) unies par des liaisons O-

glycosidiques. Ils sont linéaires (ex. la cellulose) ou ramifiés (ex. le glycogène).

On les classe selon leur structure ; ils sont formés :

- ou d’un seul type d’unité. Ce sont les homopolysaccharides (ou homopolyosides) :

la cellulose, le glycogène et l’amidon sont des polymères du glucose ; la chitine est

un polymère de la N-acétylglucosamine ;

- ou de deux ou plusieurs types différents d’unités. Ce sont des

hétéropolysaccharides (ou hétéropolyosides) : les glycosaminoglycanes des

protéoglycanes ; les gommes, hémicelluloses et mucilage des végétaux ;

On les classe aussi selon leur rôle biologique :

- les polysaccharides de réserve : le glycogène et l’amidon qui sont,

respectivement dans les cellules animales et végétales, des formes de stockage du

glucose ;

- et les polysaccharides de structure : ex. la cellulose et la chitine.

Le glycogène, l’amidon, la cellulose, la chitine et l’agarose seront éventuellement vus

plus en détail ultérieurement.

6.5. Glycosaminoglycanes et proteoglycanes

Les protéoglycanes sont constitués, liés (sauf exception) de façon covalente, de

protéines (fraction protéique : 5 % environ) et d’hétéropolysaccharides

(glycosaminoglycanes ou, anciennement, mucopolysaccharides), longues chaînes

linéaires résultant de la condensation d’un grand nombre d’unités disaccharidiques

élémentaires formées généralement :

- d’une hexosamine, souvent acétylée, sulfatée ou non : N-acétylglucosamine

(GlCNAc) ou N-acétylgalactosamine (GalNAc),

- et d’un acide hexuronique : acide glucoronique (GlcUA) ou acide iduronique (IdUA),

- unis par des liaisons (β-1 4) et (β-1 3).

Ces molécules ont un caractère acide marqué, dû à la présence des groupements

sulfate et carboxyle.


Biochimie Part I

O

O

CH2OH

NHCOCH3

O

COOH

N-acétylglucosamine

Acide glucoronique

Selon leur rôle biologique, on distingue :

- les glycosaminoglycanes de structure

o molécules étirées et rigides (conséquences de la configuration β et des

liaisons hydrogène adjacentes, comme dans la cellulose ou la chitine) ;

o polyanioniques, fixant les cations comme le Na+ dont le pouvoir osmotique

provoque l’appel d’une grande quantité d’eau ;

o très hydrophiles : les groupements anioniques, par répulsion, tiennent les

molécules éloignées les unes des autres, favorisant les liaisons hydrogène

avec les molécules d’eau (elles peuvent fixer 10 000 fois leur propre volume

d’eau) ;

o entrant dans la composition de la matrice extracellulaire (ou substance

fondamentale), au côté de protéines fibreuses comme le collagène et

l’élastine et de glycoprotéines d’ancrage des cellules comme la laminine et la

fibronectine ;

- et les glycosaminoglycanes de sécrétion : héparine et dérivés.

6.6 Les peptidoglycanes

L’exemple type de peptidoglycane est la muréine de la paroi bactérienne. Elle est

formée :

- de longues chaînes hétéropolysaccharidiques résultant de la condensation d’un

grand nombre d’une unité disaccharidique élémentaire formée de deux osamines

différentes, la N-acétylglucosamine et l’acide N-acétylmuramique :

GlcNAc(β1 4)MurNAc(β1 4)

SCHEMA


Biochimie Part I

- liées à des tétrapeptides formés de L-alanine, D-glutamate, L-lysine et D-alanine, le

pontage entre les chaînes se faisant entre deux tétrapeptides soit directement, soit

indirectement par l’intermédiaire d’un pentapeptide de glycine.

Les peptidoglycanes forment les parures et armures des bactéries :

- Dans les Gram négatif (paroi mince), la « chaîne » glycanique et la « trame »

peptidique forment une « cotte de maille » bidimensionnelle.

- Dans les Gram positif (paroi épaisse), des « chaînes » glycaniques empilée et la

« trame » peptidique forment une « cotte de maille » tridimensionnelle (c’est du

massif, pouvant atteindre jusqu’à 50 % de la masse de la bactérie). De plus, des

molécules d’acides lipotéchoïques traversent le peptidoglycane de part en part

pour se ficher covalentiellement dans les phospholipides membranaires – comme

l’armature métallique du béton armé. Ce sont ces molécules qui sont responsables

de la prise de coloration Gram.

Les lysozymes (présent dans les larmes, les sécrétions nasales) est une β-

muramidase qui, hydrolysant la liaison (β1 4) entre MurNAc et GlcNAc, détruit la

paroi bactérienne, laissant la bactérie sous forme d’un protéoplaste vulnérable. Il fut

découvert par hasard par Alexander Fleming : sur les boites de culture où son nez

avait coulé, les bactéries ne poussaient plus.

12. Les lipides : structure et propriétés

Définition

Les lipides sont définis sur la base d’un critère physique commun : ils sont peu ou

pas solubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques. Les lipides sont soit :

- hydrophobes, s’ils ne contiennent que des groupements non polaires. L’absence

d’atomes polarisants (O et N en particulier) empêchent ces molécules d’établir des

liaisons hydrogène avec les molécules d’eau. C’est pourquoi l’huile et le vinaigre

(solution aqueuse) forment deux phases distinctes dans la vinaigrette. On les dit

hydrophobes parce qu’ils ne sont pas miscibles à l’eau et liposolubles parce qu’ils

sont miscibles entre eux ;

- amphiphiles, s’ils contiennent à la fois des groupements polaires et non polaires.

Leur diversité structurale s’oppose à une définition chimique comme celle des

glucides, des protéines ou des acides nucléiques qui ont chacun une homogénéité

structurale. Néanmoins, les lipides ont des points communs :

- métabolique : ils sont construits à partir d’unités de 2 atomes de carbone (acétate)

ou à 5 atomes de carbone (isoprène, lui-même dérivant de l’acétate) ;


Biochimie Part I

- structural :

o leur molécule comporte au moins une chaîne aliphatique, longue de 4 atomes

de carbone au moins ;

o à part les acides gras eux-mêmes et les isoprénoïdes, ils sont formés

d’acide(s) gras et d’alcool(s).

Classification

On peut classer les lipides selon la nature et l’agencement de leurs acide(s) gras et

alcool(s) constitutifs :

Acides gras (AG) : acides carboxyliques à longue chaîne aliphatique

OH

O

Cérides : esters d’un AG et d’un alcool à longue chaîne aliphatique

O

O

n m

Acide gras alcool Triglycérides : esters d’AG et d’un trialcool, le glycérol

O

O

O

O

O

O

Glycérophospholipides : esters d’AG et de glycérol, ce dernier étant uni par un phosphate

à un autre alcool


Biochimie Part I

O

O

O

O

O

P O

O

O

NH2

Sphingolipides : esters de sphingosine et d’un AG

O

HN

OH

X

O

Sphingosine

Acide Gras

Si X = H, on parle de céramides

Si X = phosphate-alcool, on parle de sphingomyélines

Si X = monosaccharide, on parle de cérébrosides

Si X = oligosaccharide, on parle de gangliosides

Isoprénoïdes : polymères d’isoprène

Terpènes Stéroïdes : stérols et dérivés

- Les acides gras, cérides (ou cires), triglycérides et stérols sont des lipides dits

simples : leurs atomes sont C, H et O. Les autres sont dits complexes : ils

contiennent en plus P, N ou S.

- Les glycérophospholipides et les sphingomyélines peuvent être groupés sous le nom

de phospholipides (ils contiennent du phosphate). Dans la pratique, phospholipides

est souvent utilisé au sens restreint du glycérophospholipide. Les cérébrosides et les

gangliosides peuvent être groupés sous le nom de sphingoglycolipides (ils

contiennent des glucides).


Biochimie Part I

- Contrairement aux autres lipides qui sont saponifiables, c'est-à-dire hydrolysables en

milieu alcalin en leur(s) acide(s) gras et alcool(s) constitutifs, les isoprénoïdes sont

insaponifiables.


Leurs rôles sont divers. La liste qui suit, illustrée d’exemples, les classe dans un ordre

mnémotechnique, le mot lipides pouvant être pris comme l’acronyme de leurs rôles :

- L… comme lipos, qui en grec, veut dire « gras » ;

- Isolations en tous genres :

o Electrique : en tant que constituant essentiel des membranes cellulaires, les

lipides (glycérophospholipides, chlorestérol et sphingolipides) réalisent

l’isolation électrique des cellules et permettent la constitution d’un potentiel

électrique membranaire ;

o Mécanique et thermique : les graisses corporelles (triglycérides) ont un rôle

d’isolant thermique et de protecteur mécanique de l’organisme, par exemple

au niveau sous-cutané et autour des organes internes ;

o Imperméable : revêtement de surface des feuilles, des plumes, … les

cérides, très hydrophobes (molécules à double chaîne hydrocarbonée),

préservent de l’eau ;

- Précurseurs : ils sont transformés en d’autres molécules d’intérêt biologique : le

cholestérol et hormones stéroïdes, vitamines (A, D, E et K), messagers (IP3 et DAG,

céramide) et modulateurs (eicosanoïdes) cellulaires…

- Ils Donnent de l’Energie : l’oxydation des acides gras est l’une des voies

essentielles de production d’énergie dans les cellules. Molécules très réduites (leur

état d’oxydation est comparable à celui des hydrocarbures carburants fossiles), leur

oxydation complète en CO2 et H2O est très exergonique. Les triglycérides sont la

forme de stockage intracellulaire des acides gras ;

- Structure : phospholipides et sphingolipides, molécules amphiphiles, sont les

composants essentiels des membranes cellulaires (plus de la moitié de leur masse,

soit près de 10 % de la masse sèche d’un organisme)

Ajoutons, hors acronyme, que de nombreuses protéines sont modifiées par leur

liaison covalente à des acides gras qui les dirigent vers leur localisation cellulaire.

12.1. Les acides gras

Les acides gras sont des acides carboxyliques à longue chaîne aliphatique. Ils

sont rarement à l’état libre. Une exception de taille : les acides gras libres plasmatiques,


Biochimie Part I

transportés par l’albumine dans ses poches hydrophobes. Le plus souvent, ils sont estérifiés

à des alcools (glycréol, sphingosine, cholestérol, etc.) pour former d’autres lipides.

La classification des acides gras se fonde sur :

- Le nombre d’atomes de carbone (n compris entre 4 et 36), numérotés à partir de

l’atome de carbone carboxylique ;

o n est presque toujours pair, car les acides gras sont synthétisés par

condensation d’unités dicarbonées.

o L’acide acétique CH3COOH n’est pas un acide gras : le caractère polaire du –

COOH l’emporte sur le caractère apolaire de -CH3. Le plus petit acide gras est

un C4 : l’acide butyrique (il produit l’odeur du beurre rance et celle des

aisselles…). Le plus grand est un C32 : l’acide laccéroïque.

o La plupart des acides gras naturels ont un nombre d’atomes de carbone

compris entre 14 et 24

- Le nombre de doubles liaisons.

On distingue :

o Les acides gras saturés (sans double liaison), dont la molécule est à la fois

souple (totale liberté de rotation autour de chaque liaisons C-C) et étirée

(conformation la plus stable) ;

o Et les acides gras insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons : acides

gras mono- et polyinsaturés (mono- et polyéniques). La double liaison crée un

coude rigide à 30° dans la molécule ;

O

HO

acide stéarique

O

OH

acide oléique

La plupart des acides gras polyinsaturés ont leurs doubles liaisons en

configuration cis.


Biochimie Part I

Deux doubles liaisons consécutives sont en position malonique, c'est-

à-dire séparées par un atome de carbone. Les acides gras à doubles

liaisons conjuguées sont rares).

doubles liaisons en position malonique

COOHHOOC

acide malonique

Une nomenclature simplifiée indique :

C n : x ∆m,n,o C : carbone

n : nombre de carbone

x : nombre de doubles liaisons

∆ : double liaison

m, n, o : positions des doubles liaisons à partir du carbone 1 (celui de l’acide).

Par exemple, l’acide linoléique est noté C18 : 2 ∆9,12

O

OH

α

βγ

δ

123

456

78

910

1112

ω

On attribue aussi aux atomes de carbones adjacents à C-1 les lettres de l’alphabet

grec et toujours ω pour l’atome de carbone méthylique. Les acides gras insaturés sont

rattachables à une série caractéristique par la place de la première double liaison à partir de

l’atome de carbone ω. Ainsi, l’acide linoléique appartient à la série ω-6 : la double liaison

entre C-12 et C-13 est distante de 6 atomes de carbones de l’atome de carbone ω (plus

simplement, 18 - 12 = 6).

Quelques acides gras importants :

Acide palmitique C16 : 0 Acide palmitoléique C16 : 1 ∆9

Acide stéarique C18 : 0


Biochimie Part I

Acide oléique C18 : 1 ∆9

Acide linoléique C18 : 2 ∆9,12

Acide α-linolénique C18 : 3 ∆9,12,15

Les acides palmitique et stéarique sont les acides gras saturés les plus répandus.

L’acide oléique est l’acide gras insaturé le plus répandu : plus du 1/3 dans le lard, près de

4/5 dans l’huile d’olive. Les acides linoléique et α-linolénique sont indispensables chez

l’Homme : ils doivent être apportés par l’alimentation (vitamine F).

La longue chaîne aliphatique non polaire leur confère insolubilité dans l’eau et

solubilité dans les solvants organiques. La solubilité dans l’eau est d’autant plus faible que la

chaîne est plus longue et les doubles liaisons sont plus nombreuses.

A pH 7, tous les acides gras libres sont ionisés (même si on ne les représente pas

en tant que carboxylates). Ces molécules amphiphiles (petite tête polaire –COO- et longue

queue apolaire R) s’assemblent en micelles dans l’eau.

Les acylates (R-COO-) donnent des savons avec les cations alcalins monovalents : la

plupart des savons domestiques sont des acylates de potassium. Les acylates de calcium,

au contraire, précipitent : c’est pourquoi le sabon mousse moins avec de l’eau dure, c'est-à-

dire calcaire.

Le point de fusion des acides gras augmente avec la longueur de la chaîne, et, à

longueur égale, diminue avec le nombre de doubles liaisons (les coudes formés par les

doubles liaisons éloignent les molécules les unes des autres).

Ainsi le beurre (d’origine animale), riche en acides gras saturés (acide palmitique),

est solide. Les huiles (d’origine végétale), riches en acides gras insaturés (acides oléiques et

linoléique), sont liquides. Les margarines (huiles végétales hydrogénées) ont la consistance

du beurre.

12.2. Les triglycérides

Les triglycérides sont des esters d’acides gras et de glycérol :

- les triglycérides simples (ou homotriglycérides) contiennent le même acide gras (par

exemple la tristéarine de la graisse de bœuf ne contient que de l’acide stéarique) ;

- les triglycérides mixtes (ou hétérotriglycérides) contiennent 2 ou 3 acides gras

différents.

o Les mono- et les diglycérides sont des intermédiaires du métabolisme des

triglycérides.

o Selon la terminologie officielle, les mono-, di- et triglycérides sont désormais

nommés mono-, di- et triacylglycérols.


Biochimie Part I

- Les triglycérides sont des graisses neutres, très hydrophobes : les polarités des

groupements hydroxyles du glycérol et carboxyle des acides gras « s’annulent » dans

la liaison ester.

12.3. Les glycérophospholipides

Les glycérophsopholipides sont des 1,2-diglycérides unis à un alcool par une

liaison phosphodiester : le phosphate est engagé dans 2 liaisons esters, l’une avec le

groupement hydroxyle en C-3 du glycérol, l’autre avec le groupement hydroxyle de l’alcool

de l’alcool. Ils dérivent de l’acide phosphatidique et sont désigné par l’alcool avec le préfixe

« phosphatidyl ». En général, l’acide gras en C-1 est saturé et l’acide gras en C-2 est

insaturé.

O

O

O

O

O

P O

O

O

NH2

L’exemple ci-dessus représente un phsophatidylethanolamine. Si l’éhtanol amine est

remplacé par un autre alcool, on peut avoir, par exemple des phosphatidylcholines (choline),

phosphatidylsérines (sérine), phosphatidylinositols (inositol), phosphatidylglycérols (glycérol).

La molécule des glycérophospholipides est amphiphile. Elle présente :

- Une tête polaire, donc hydrophile, le groupement phosphoalcool (porteur, à pH 7

d’une charge négative sur le phosphate et d’une ou plusieurs charges sur l’alcool) ;

- Une (double) queue non polaire, donc hydrophobe, les deux groupements acyles.

L’apolarité des deux groupements acyles l’emportant sur la polarité du

phosphoalcool, la solubilité dans l’eau des glycérophospholipides est très faible (traces).

- En milieu aqueux, les molécules s’organisent :

o en micelles : queue contre queue et la tête polaire dirigée vers l’eau ;

o ou en vésicules ou liposomes, formant une double couche concentrique

- Dans la bicouche lipidique des biomembranes (que l’on peut voir comme une

grosse micelle écrasée), la tête polaire est tournée vers la phase aqueuse extérieure,

la queue non polaire plongeant dans la membrane.


Biochimie Part I

Vésicule

Micelle

Bicouche lipidique

12.4. Les sphingolipides

Comparés aux glycérophospholipides, les sphingolipides ont en lieu et place du

glycérol et de son groupement acyle en position C-1 un aminoalcool complexe, la

sphingosine (les trois premiers atomes de carbone de la molécule de sphingosine, avec

leurs groupements fonctionnels –OH, -NH2 et –OH, sont structurellement analogues aux trois

atomes de carbone du glycérol, avec leurs groupements fonctionnels –OH). La sphingosine

est unie à un acide gras par une liaison amide pour former une céramide. La céramide est

unie :

- par une liaison ester à la phosphorycholine pour former les sphingomyélines ;

- ou par une liaison O-glycosidique à un ou plusieurs sucres pour former les

sphingoglycolipides :

o les cérébrosides dont le monosaccharide est le plus souvent le galactose,

o les gangliosides dont l’oligosaccharide est caractérisé par la présence

d’acides sialiques (acide neuraminique N-acétylé ou N-glycosylé).

Tous les sphingolipides sont amphiphiles.

Leur rôle est double :

- comme les glycoprotéines, ce sont des molécules de reconnaissance (antigène de

surface du système ABO, sites de fixation),

- et précurseurs d’un second messager, le céramide, issu de l’hydrolyse par la

sphingomyélinase, enzyme effectrice de récepteurs de cytokines.


Biochimie Part I

12.5. Les isoprénoïdes

Les isoprénoïdes ont en commun les caractères suivants :

- comme les autres lipides, ils sont peut ou pas solubles dans l’eau et solubles dans

les solvants organiques ;

- contrairement aux autres lipides et sauf exception (les stérols), ils ne sont pas liés à

des acides gras ;

- la structure de leur unité de base est formellement dérivée de l’isoprène ou 2-méthyl-

1,3-butadiène qui polymérise en un très grand nombre de molécules (plus de 20 000)

dont la variété tient :

o au nombre de molécules condensées ;

o au mode de condensation 4-1 (queue à tête) ou 4-4 (queue à queue) ;

o à des modifications ultérieures, cyclisation en particulier.

Condensation 4-1 Condensation 4-4 On distingue :

- les terpènes, présents surtout dans le règne végétal, mais aussi chez les animaux :

o monoterpènes (10 atomes de C) : molécules volatiles et odorifères (menthol,

camphre) ;

o sesquiterpènes (15 atomes de C) : par exemple les hormones juvéniles des

insectes (qui les maintiennent à l’état larvaire) ;

o diterpènes (20 atomes de C) : par exemple la chaîne phytol de la

chlorophylle, des gibbéréllines (hormones de croissance des plantes) ;

o polyterpènes supérieurs : les dolichols (transporteurs de glucides dans la

synthèse des protéines N-glycosylées), le caoutchouc (élastomère naturel

produit par l’Hévéa), le squalène (entre autres précurseur de la synthèse du

cholestérol), les caroténoïdes (carotènes, pigments accessoires de la

photosynthèse, et vitamine A, la vitamine de la vision) ;


Biochimie Part I

o et d’autres… : ubiquinones et plastoquinones (transporteurs d’électrons),

naphtoquinones (vitamines K), tochophérols (vitamine E)

- les stéroïdes

o Les stérols et leurs dérivés ont en commun le squelette

cyclopentanoperhydrophénantrène (ou stérane). Les stérols portent ce nom à

cause de la fonction hydroxyle en C-3. Le plus répandu chez les animaux est

le cholestérol : formé d’une toute petite tête polaire (le groupement hydroxyle

en C-3) et d’une très grosse queue apolaire (le noyau tétracyclique, plan et

rigide, et la chaîne latérale flexible), sa molécule est très hydrophobe. Par leur

groupement hydroxyle en C-3, les stérols peuvent s’unir :

Par une laisons ester à des acides gras pour former les stérides ;

Par une liaison O-osidique à d’autres molécules, en particulier

glucidiques pour former des hétérosides (ex. digitonine, ouabaïne).

phénantrène

perhydrophénantrène et cyclopentane

cyclopentanoperhydrophénantrène(ou stérane)

cholestane

cholesterol

HO

o Les dérivés : les acides biliaires, les hormones stéroïdes (testiculaires,

ovarienne et placentaires, corticosurrénales), la vitamine D et d’autres : les

ecdysones (hormone de la mue des insectes et des crustacés, etc.)


Biochimie Part I

27. Le mécanisme des nucléotides

27.1. Qu’est-ce ?

Les nucléotides sont constitués d’une base azotée (purique ou pyrimidique), d’un

pentose (ribose ou désoxyribose), d’un à 3 groupements phosphoryles

Les bases

Les bases sont des hétérocycles aromatiques.

N

N NH

N1

2

34

56 7

8

9

Pyrimidine Imidazole

Purine

N

N

Pyrimidine On distingue :

- Les bases puriques (ou purines), qui dérivent de la purine, diversement substituées

sur les atomes de carbone 2, 6 et 8 :

o L’adénine (6-aminopurine, en abrégé A) et la guanine (2-amino-6-cétopurine,

en abrégé G) sont les deux bases puriques principales, constitutives des

nucléotides des acides nucléiques (ADN et ARN) ;

N

N

NH

N

NH2

Adénine

N

HN

NH

N

O

Guanine

H2N

o L’hypoxanthine (6-cétopurine, en abrégé HX), la xanthine (2,6-dicétopurine,

en abrégé X) et l’acide urique (2,6,8-tricétopurine) sont 3 bases puriques

participant au catabolisme de l’adénine et de la guanine ;


Biochimie Part I

N

HN

NH

N

O

Hypoxanthine

NH

HN

NH

N

O

Xanthine

O NH

HN

NH

HN

O

Acide urique

O

O

- Les bases pyrimidiques (ou pyrimidines), qui dérivent de la pyrimidine, diversement

substituées sur les atomes de carbone 2,3 et 5 :

o L’uracile (2,4-dicétopyrimidine, en abrégé U), la thymine (2,4-dicéto-5-

méthylpyrimidine, en abrégé T) et la cytosine (2-céto-4-aminopyrimidine, en

abrégé C) sont les 3 bases pyrimidiques principales constitutives des acides

nucléiques :

Uracile

HN

NH

O

O

Thymine

HN

NH

O

O

N

NH

NH2

O

Cytosine L’uracile n’est présent que dans l’ARN ; la thymine, un uracile méthylée, est

présente dans l’ADN et, rarement, dans certains ARN.

Les bases tiennent leur caractère basique des groupements –NH2 extracycliques,

mais aucune n’est protonée à pH physiologique. Le motif structural amide présent dans

toutes les bases, sauf l’adénine, existe sous deux formes en équilibre tautomères, la forme

lactame (ou céto) et la forme lactime (ou énol). A pH 7, la forme céto prédomine.

HN

O

Lactame N

OH

Lactime

Il existe des bases puriques et pyrimidiques mineures (par leur fréquence, mais

majeures par leur fonction). Dans l’ADN, les plus communes sont des dérivés N-méthylés

des bases majeures (ex. la N-méthylcytosine). Dans l’ARN (en particulier les ARNt), on

trouve aussi la pseudo-uracile (5,6-dihydrouracile) et l’hypoxanthine. Des végétaux


Biochimie Part I

contiennent d’autres bases puriques, en particulier des méthylxanthines : la caféine, la

théophylline et la théobromine.

Les pentoses

Ce sont deux aldopentoses :

- le D-ribose ou, en abrégé ribose (dans l’ARN) ;

- le 2’-désoxy-D-ribose ou, en abrégé, désoxyribose (dans l’ADN), dépourvu de

groupement hydroxyle en C-2’.

Dans les nucléotides, les pentoses sont sous forme furanose et ont une configuration

anomérique β.

OOHHOH2C

OHHO

1'2'3'

4'

5'O

OHHOH2C

HO

1'2'3'

4'

5'

Ribose Désoxyribose La numérotation en « prime » des atomes des pentoses les distingue de ceux des bases.

Les nucléosides et nucléotides

- Un nucléoside est formé d’une base et d’un pentose – ribose ou désoxyribose –

unis par une liaison N-glycosidique (d’où le nom de nucléoside) entre le N-1 de la

base pyrimidique ou le N-9 de la base purique et le C-2’ du pentose. En raison de

la configuration anomérique β et du C-1’ du pentose, la base est située au-dessus du

plan du cycle du pentose et dans un plan perpendiculaire à ce dernier (cycles

puriques et pyrimidiques sont plans).

Base

Pentose

Les nucléotides sont, à de rares exceptions près (ex. l’adénosine, un médiateur

chimique), des intermédiaires métaboliques des nucléotides.

- Un nucléotide est un ester phosphorique de nucléoside. Il est formé :

o d’une base ;


Biochimie Part I

o d’un pentose (ribose dans les ribonucléotides ou désoxyribose dans les

désoxyribonucléotides) ;

o d’un ou plusieurs groupements phosphoryles.

Le site d’estérification le plus courant est le C-5’ du pentose. Un nucléoside est ainsi

phosphorylé en nucléoside-5’-monophosphate (5’-NMP), ou en abrégeant, nucléoside

monophosphate (NMP). En unissant le groupement phosphoryle en 5’ avec une liaison

anhydride de l’acide à un deuxième groupement phosphoryle, et ce dernier à un troisième,

on passe du nucléoside monophosphate au nucléoside di- et triphosphate (NDP et NTP). De

la même façon, on a les désoxyribonucléotides correspondants (dNMP, dNDP et dNTP). Les

groupements phosphoryles étant déprotonnés à pH physiologique, l’ATP, par exemple, porte

4 charges négatives.

N

N N

N

NH2

OOPO

O

O

POPO

O O

O O

D’autres sites d’estérification sont possibles, en particulier le C-3’ du ribose dans

l’adénosine-3’,5’-monophosphate cyclique (AMPc) et le guanosine-3’,5’-monophosphate

cyclique (GMPc), ribonucléotides cyclisés par un pont phosphodiester entre les C-3’ et C-5’.

D’autre part, la phosphorylation du C-2’ du ribose du NADP distingue ce dernier du NAD.

- Les bases puriques et pyrimidiques ne sont pas les seules à faire partie des

nucléotides : la nicotinamide tient lieu de base dans le dinucléotide irrégulier qu’est le

NAD(P), la flavine dans les FAD et FMN.

Ribose Désoxyribose

Nucléosides Nucléotides Autre nom Nucléosides Nucléotides

base

s

puriq

ues

Adénine A Adénosine AMP Acide adénylique d-Adénosine dAMP

ADP dADP

ATP dATP

Guanine G Guanosine GMP Acide guanylique d-Guanosine dGMP

GDP dGDP


Biochimie Part I

GTP dGTP

pyrim

idiq

ues

Uracile U Uridine UMP Acide uridylique dUMP

UDP dUDP

UTP

Thymine T Thymidine d-Thymidine dTMP

dTDP

dTTP

Cytosine C Cytidine CMP Acide cytydilique d-Cytidine dCMP

CDP dCDP

CTP dCTP

Le métabolisme des nucléotides comprend :

- le catabolisme digestif des nucléotides issus de l’hydrolyse des acides nucléiques

alimentaires par les ribonucléases, désoxyribonucléases et polynucléotidases du

tractus intestinal ; ces nucléotides sont hydrolysés par des nucléositases et

nucléosidases en bases libres, ribose et phosphate ; la plus grande part de ces

bases sont dégradées et excrétées, une faible proportion étant intégrée dans les

acides nucléiques tissulaires ;

- la synthèse de novo de nucléotides à partir d’intermédiaires métaboliques ;

- le catabolisme tissulaire des nucléotides issus du renouvellement des acides

nucléiques ;

- le recyclage des purines : la synthèse de novo des nucléotides puriques étant

énergétiquement très coûteuse, une voie de récupération des purines permet, à

moindre prix, leur synthèse.

27.2. Pourquoi ?

Les nucléotides jouent un rôle dans presque tous les processus biochimiques.

- Les nucléosides monophosphates sont les monomères des polynucléotides que

sont les acides nucléiques (ADN et ARN), dépositaires moléculaires de l’information

génétique. Les nucléosides triphosphates en sont les précurseurs activés.

- Ils sont constitutifs des NAD, NADP, FAD et FMN, coenzymes d’oxydoréduction, et

du coenzyme A, coenzyme de transfert des groupements acyles.

- L’ATP est la monnaie énergétique universelle, recevant l’énergie produite par des

réactions exergoniques (les oxydations phosphorylantes, la photophosphorylation) et

la cédant aux travaux cellulaires (chimique, mécanique, osmotique). Le GTP est un

donneur d’énergie spécialisé : translocation de la chaîne peptidique sur les


Biochimie Part I

ribosomes au cours de la synthèse des protéines, activation des protéines de

couplage des signaux…

- Des dérivés nucléotidiques sont les intermédiaires activés de réactions de

synthèse : UDP-glucose et glycogénèse, UDP-acide glucuronique et

glucuronoconjugaison, CDP-diglycéride et synthèse des phospholipides…

- Des nucléotides sont des régulateurs métaboliques : l’ATP intervient dans le

contrôle allostérique ou par modification covalente d’enzymes, l’AMPc et le

GMPc sont des seconds messagers cellulaires…

27.3. Où ?

L’importance des nucléotides dans le métabolisme cellulaire est telle que toutes les cellules

peuvent le métaboliser. Chez les mammifères, leur métabolisme a lieu surtout dans le foie.

27.4. Comment ?

Synthèse de novo des nucléotides puriques et pyrimidiques

La partie ribose phosphate des nuléotides puriques et pyrimidiques provient du 5-

phosphoribosyl-1-pyrophosphate (PRPP), forme activée du ribose-5-phosphate issu de la

voie des pentoses phosphates. Cette réaction de pyrophosphorylation, catalysée par la

pyrophosphorybosyl pyrophosphate synthétase, transfère le groupement β-γpyrophosphoryle

de l’ATP sur le C-1 du ribose-5-phosphate. Elle est limitante, mais n’est pas une étape

majeure de la régulation de la synthèse des purines car le PRPP a d’autres rôles

métaboliques. Le ribose-5-phosphate peut aussi être produit directement par

phosphorylation du ribose par la ribose kinase en présence d’ATP.

Le cycle pyrimidine est assemblé « à part », puis uni au ribose-5-phosphate pour

former le premier nucléotide pyrimidique, l’orotidine monophosphate (OMP) ou orodidylate

(dont la base est l’orotate), à partir duquel sont synthétisés tous les nucléotides pyrimidiques.

Le cycle purine est assemblé « en place », sur le ribose-5-phosphate même, pour former,

en 9 réactions, le premier nucléotide purique, l’inosine monophosphate (IMP) ou inosinate

(dont la base est l’hypoxanthine), à partir duquel sont synthétisés tous les nucléotides

puriques. Nous verrons plus de détails à ce sujet dans la partie II du cours de biochimie.

Catabolisme des nucléotides puriques et pyrimidiques

Les nucléotides puriques sont catabolisés en acide urique, les nucléotides

pyrimidiques en acétyl-CoA ou en succinyl-CoA.


Biochimie Part I

28. Le métabolisme de l’hème

28.1. Qu’est-ce ?

L’hème est une porphyrine centrée sur un ion Fer.

N

N

N

N Fe

HOOCCOOH

I

II

III

IV

1 2

3

4

56

7

8

α

βγ

δ

Les porphyrines dérivent de la porphine, composé cyclique formé de 4 noyaux

pyrroles liés par des ponts méthènes.

Les porphyrines sont des porphines substituées sur les atomes de carbone

numérotés de 1 à 8 (la « base » des pyrroles), les atomes de carbone des ponts méthènes

étant désignés par les lettres α, β, γ et δ. La protoporphyrine III (ou protoporphyrine IX

dans la classification de Fischer, pionnier de la chimie des prophyrines), porphyrine de

l’hème (groupement prosthétique de l’hémoglobine et de la myoglobine, des cytochromes de

la chaîne respiratoire et du cytochrome P450), a sa « couronne » spécifique de groupements

méthyles (4), vinyles (2) et propanoyles (2).

Le métabolisme de l’hème comprend : sa synthèse à partir du succinyl-CoA,

intermédiaire du cycle de l’acide citrique, et d’un acide aminé, la glycine, et son

catabolisme en bilirubine et pigments biliaires.

28.2. Pourquoi ?

L’une des propriétés caractéristiques des porphirines (molécules planes) est la

formation de complexe avec les ions métalliques qui se lient avec les atomes pyrroliques de

la porphyrine. Ainsi, la porphyrine de la chlorophylle est centrée sur un ion Mg2+. La

porphyrine de l’hème est centrée sur un ion Fer :


Biochimie Part I


- en tant que groupement prosthétique de coenzymes d’oxydoréduction, Fe3+ fixe

réversiblement un électron ;

- en tant que groupement prosthétique de l’hémoglobine, Fe2+ (mais pas Fe3+) se

relie réversiblement à une molécule d’O2.

28.3. Où et comment ?

La synthèse de l’hème a lieu surtout dans les réticulocytes de la moelle osseuse

(les 5/6, destinés à la synthèse de l’hémoglobine) et un peu dans le foie (1/6, destiné

principalement à la synthèse du cytochrome P450 impliqué dans les réactions de

détoxification hépatique). Ses substrats sont le succinyl-CoA, intermédiaire du cycle de

l’acide citrique, et la glycine.

Le catabolisme de l’hème, provenant pour la plus grande part de l’hémoglobine (et

pour le reste des cytochromes), a lieu :

- dans les macrophages du système réticulo-endothélial (surtout dans la rate, mais

aussi dans la moëlle osseuse et le foie) : l’hème, issu de l’hémoglobine des

« vieilles » hématies phagocytées, est catabolisée en bilirubine ;

- dans le foie : la bilirubine est conjuguée à l’acide glucuronique avant d’être éliminée

par la bile dans l’intestin ;

- dans l’intestin, où la bilirubine conjuguée est catabolisée en pigments biliaires.

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