La chimie du vivantLa chimie du vivant

Gilles Bourbonnais / Cégep de Sainte-FoyGilles Bourbonnais / Cégep de Sainte-Foy

Les molécules de la vieLes molécules de la vie

De ces 25, quatre sont particulièrement importants :

• Carbone (C) : peut former 4 liaisons chimiques

• Hydrogène (H) : ne forme qu'une liaison

• Oxygène (O) : peut former 2 liaisons

• Azote (N) : peut former 3 liaisons

La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques présents à l'état naturel.

p. 28

Avec ces 4 éléments on peut former un nombre astronomique de molécules différentes, des plus simples aux plus complexes.

Exemples :

CH4 (méthane)

Ex. Le méthanol CH3OH

groupement hydroxyl

Ex. L'éthanol CH3-CH2OH

Les liaisons peuvent être simples, doubles ou triples

Éthane Éthylène Acétylène

p. 57

Presque toutes les molécules des êtres vivants sont formées d'atomes de carbones reliés les uns aux autres.

• Chaînes linéaires

• Chaînes ramifiées

• Cycles

p. 58

N.B. Les mêmes atomes peuvent former des molécules différentes:

• CH3-CH2-OH (C2H6O)

• CH3-O-CH3 (C2H6O aussi)

= Isomères= Isomères

p. 59

• Isomère de structure

• Isomère géométrique

• Isomère optique

cis trans

p. 59

Ces deux molécules (du glycéraldéhyde) ne sont pas équivalentes. On ne peut pas les superposer.

D-GlycéraldéhydeL-Glycéraldéhyde

Une molécule peut avoir deux formes optiques (l’une l’image de l’autre dans un miroir) SI un de ses carbones est lié à 4 atomes ou groupements différents (ce carbone est alors dit « asymétrique »

L’alanine est un constituant important des protéines.

L’alanine retrouvée dans les êtres vivants est toujours de la forme L

L’alanine D (fabriquée en laboratoire) a un goût légèrement sucré alors que la L (la forme naturelle) ne goûte rien

La vitamine C naturelle est de la forme L

On ne peut pas assimiler et utiliser la forme D (artificielle)

Vitamine C forme DVitamine C forme L

Thalidomide de forme LThalidomide de forme D

La forme L a un effet sédatif (somnifère) et antiémétique (contre la nausée)

La forme D a un effet tératogène (inhibe la croissance des membres)La thalidomide a été mise en marché en 1957. Elle a été retirée du marché en 1961 après qu’on en ait relié l’usage par des femmes enceintes à de graves malformations congénitales. Depuis 1965, on l’utilise pour traiter la lèpre et certains cancer. Elle aurait aussi des effets bénéfiques chez les sidatiques.

Lorsque la molécule est synthétisée en laboratoire, on obtient un mélange des formes D et L. Même si on peut séparer la forme L de la D, dans l’organisme, chacune de ces deux formes peut se transformer en l’autre forme.

Environ 10 000 bébés sont nés avec des membres atrophiés entre 1957 et 1962. Leur mère avait pris de la thalidomide au cours de la grossesse.

p. 59

caféine

Molécule de valium

Molécule de cocaïne

Le carbone permet de construire des molécules variées et complexes

Matière organique = matière formée de molécules contenant du carbone (sauf CO2 et carbonates)

Chimie des molécules contenant du carbone = chimie organique

Carbone = le seul atome pouvant se lier à lui-même de nombreuses fois.

Permet de construire des molécules :

• Complexes (peuvent contenir des milliers d'atomes)

• Variées

Ex. On peut imaginer 62,5 millions de molécules différentes de la formule C40H82

Les molécules du vivant

Chaque être vivant contient des milliers de molécules différentes.

On peut regrouper la plupart de ces molécules en 4 grandes familles:

• Glucides (sucres ou hydrates de carbone)

• Lipides (gras, huiles et stéroïdes)

• Protéines

• Acides nucléiques

Les glucidesLes glucides

On divise les glucides en :

• Monosaccharides (sucres simples)

• Disaccharides (sucres doubles)

• Polysaccharides (sucres complexes)

p. 67

MonosaccharidesMonosaccharides p. 67

Formule générale = CnH2nOn

Ex. le glucose = C6H12O6

La plupart des monosaccharides ont 5 carbones (pentoses) ou 6 carbones (hexoses)

Sucres à 6 carbones (hexoses)Sucres à 6 carbones (hexoses)

Glucose (C6H12O6)

Fructose (C6H12O6)

Galactose (C6H12O6)

DisaccharidesDisaccharides

Les monosaccharides peuvent se lier deux à deux :

Saccharose :

glucose + fructose glucose-fructose + H2O

= réaction de condensation (ou synthèse par déshydratation) : une molécule d'eau est libérée

p. 68

Maltose : glucose - glucose

Lactose : glucose - galactose

Le sucre acheté à l’épicerie, c’est du saccharose extrait de la canne à sucre ou de la betterave à sucre. Le sucre d’érable est également fait de saccharose. Le goût sucré de la plupart des fruits vient surtout du saccharose qu’ils contiennent.

Un faux glucide que notre organisme ne peut pas utiliser (ni même digérer) : le sucralose

Voyez-vous la différence avec le saccharose ?

Le sucralose goûte 600 fois plus sucré que le saccharose

Pouvoir sucrant des glucidesPouvoir sucrant des glucides

• Saccharose : 100

• Fructose : 140 - 170

• Glucose : 70 - 80

• Galactose : ~ 35

• Maltose : ~ 40

• Lactose : ~ 20

Le miel est formé d'un mélange d'eau (25%) et de glucides (75%): glucose (25 à 35%), fructose (35 à 45%) et saccharose (5%).

Le sirop de maïs est un sirop de glucose (extrait de l’amidon) pouvant aussi contenir du fructose.

PolysaccharidesPolysaccharides

= polymères de glucoses (glu-glu-glu-glu….glu)

• Amidon

• Glycogène

• Cellulose

Amidon (p. 68)

Glycogène

Cellulose

= forme sous laquelle les plantes emmagasinent le glucose

Abondant dans les féculents (céréales, pommes de terre, légumineuses)

Digestion de l'amidon = transformation de l'amidon en glucose dans l’intestin

Formé de deux types de polymères : amylose et amylopectine p. 69

chaîne linéaire chaîne ramifiée

AmylopectineAmylopectine

Petits sacs remplis d'amidon dans les cellules d'une pomme de terre. L'amidon a ici été coloré en bleu par de l'iode.

Cellule de pomme de terre

Grain d'amidon

Voyez-vous comment on peut transformer de l’amidon (farine de maïs, par exemple) en sirop de maïs (sirop de glucose) ?

La fécule est faite de grains d’amidon

Amidon

Glycogène

Cellulose

Semblable à l'amylopectine

= façon de faire de réserves de glucose chez les animaux (dans le foie et les muscles)

S'il y a carence de glucose :

glycogène glu + glu + glu +…+glu

S'il y a des surplus de glucose dans le sang :

glu + glu + glu +…+ glu glycogène

Le glycogène s'accumule dans le foie et les muscles

p. 70

Amidon

Glycogène

Cellulose

= chaînes linéaires de glucose

Liaisons (plutôt que )

p. 70

Des liaisons faibles unissent les chaînes de glucose les unes aux autres. Il se forme ainsi des microfibres résistantes (environ 80 molécules de cellulose par microfibre).

Les microfibres s’unissent pour former des macrofibres qui forment ensuite des fibres de cellulose

N.B. La molécule est droite, elle ne forme pas de ramifications comme c’est le cas pour l’amidon.

p. 71

Papier, bois, coton = cellulose

Chaque cellule végétale est entourée d'une paroi riche en cellulose.

Les animaux ne peuvent pas digérer la cellulose : ne peuvent pas briser les liaisons entre les glucoses.

Cellulose = composante importante des fibres alimentaires

La cellulose est assurément la substance organique la plus abondante sur Terre.

Cas particulier de la chitine

Forme la carapace extérieure (exosquelette) des Arthropodes (crustacés, insectes, araignées, etc.).

Forme aussi la paroi rigide des cellules des Mycètes (champignons).

= polymère de glucoses aminés (glucosamine) (glucoses liés a un groupement NH2) et imprégné de CaCO3 glucosamine

p. 71

Rôle des glucidesRôle des glucides

• Structure : cellulose et chitine surtout

• Énergie

Les glucides servent surtout à procurer de l’énergie par respiration cellulaire. Au cours de cette réaction, le glucide est dégradé en gaz carbonique et en eau, ce qui libère de l’énergie utilisable par la cellule.

Ex. respiration du glucose

1 glucose + 6 O26 CO2 + 6 H2O + Énergie

p. 164

• Triglycérides (graisses et huiles)

• Phosphoglycérolipides (ou phospholipides)

• Stéroïdes

Les lipidesLes lipidesp. 71

= molécules formées de 1 glycérol lié à 3 acides gras

TriglycéridesTriglycérides p. 72

groupement acide

Gras saturés et gras insaturés :

On ne peut pas ajouter d'hydrogène

On pourrait ajouter 2 hydrogènes en transformant la liaison double en liaison simple.

Plusieurs doubles liaisons.

p. 72

Acide oléique (monoinsaturé)

Acide palmitique (saturé)

Notez la courbure dans la chaîne d’acide gras causée par la double liaison

Gras saturés :Gras saturés :

• Gras animal en général

• Solide à la température de la pièce

• Consommation favorise un taux de cholestérol élevé et donc des problèmes cardio-vasculaires

Gras insaturés:Gras insaturés:

• Gras végétal en général (beaucoup d'exceptions quand même)

• Liquide à la température de la pièce

On désigne souvent les acides gras insaturés par le carbone de la première double liaison (en partant du groupement méthyl). Chaque carbone est désigné par la lettre oméga () et le numéro de sa position.

La plupart des gras insaturés dans la diète nord-américaine sont de type 6. Il serait avantageux selon plusieurs études d'augmenter la quantité d'acide gras 3 dans la diète.

On retrouve des acides gras 3 surtout dans les poissons gras d'eau froide (saumon, truite, hareng, maquereau).

Acide 9

Acide 6

Acide 3

12

34

56

78

9

Attention, pas dans Campbell

Hydrogénation d'une huile insaturée :

L’hydrogénation permet de rendre les huiles plus stables (plus résistantes à la dégradation par la lumière ou la chaleur).

Elle permet aussi de rendre solide à la température de la pièce certaines huiles (permet de fabriquer de la margarine, par exemple).

Attention, erreur dans Campbell p. 72 : le beurre d’arachide commercial n’est pas hydrogéné. On y ajoute seulement un peu d’huile partiellement hydrogénée (très peu, moins de 1% du contenu en gras ) pour empêcher l’huile d’arachide de remonter à la surface.

L’hydrogénation produit des acides gras trans :

Les huiles naturelles insaturées sont toujours de type cis.

cis trans

Attention, pas dans Campbell

Les shortening sont produits à partir d’huiles végétales insaturées (liquides) qui sont solidifiées en transformant de cis à trans les liaisons doubles.

Les huiles trans sont souvent solides à température de la pièce (à cause de leurs chaînes rectilignes, comme celles des saturés).

Elles sont avantageuses pour l’industrie alimentaire (prolongent la durée de conservation sur les tablettes et améliore la texture de nombreux produits).

Elles sont aussi dommageables pour la santé que les gras saturés (plus, même, selon certains).

Rôle principal des triglycérides:

= Réserve d'énergie

1 g graisse = 2 fois plus d'énergie que 1 g de glucide

Surplus en lipides, glucides ou protéines alimentaires peuvent se transformer en gras.

Animaux mettent en réserve l'énergie surtout sous forme de gras alors que les plantes le font surtout sous forme d'amidon. Pourquoi ?

Formé de :

• 1 glycérol

• 2 acides gras

• 1 groupement phosphate(peut aussi contenir du N)

Forment les membranes des cellules

Phosphoglycérolipides (ou phospholipides)Phosphoglycérolipides (ou phospholipides) p. 73

Groupement chimique contenant du P et du N

Glycérol

Acides gras

Comportement des phosphoglycérolipides face à l'eau :

Groupement phosphate hydrophile

Acides gras hydrophobes

micelle

Les phosphoglycérolipides dans l'eau peuvent s'assembler en une double couche :

Mélangés à l’eau, les phospholipides peuvent former de petites sphères : les liposomes

La membrane des cellules est formée d'une double couche de phosphoglycérolipides associés à d'autres molécules.

= molécules formées d'un squelette de 4 cycles de carbone (noyau stérol).

Le plus connu = cholestérol (animaux seulement)

• Entre dans la composition des membranes cellulaires.

• Sert à fabriquer certaines hormones (hormones stéroïdes, testostérone et oestrogènes, par exemple).

StéroïdesStéroïdes

le noyau stérol

p. 74

http://ici.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/chime/htmpdb/cholesterol.htm

Dans l’organisme, le cholestérol est transporté dans le sang associé à des micelles formées de phospholipides et de protéines. On distingue les LDL (low-density lipoprotein) des HDL (hight-density lipoprotein). Les LDL contiennent moins de protéines que les LDL.

phospholipidescholestérol

Le cholestérol fabriqué par le foie ou absorbé par le système digestif se dépose dans les tissus sous forme de LDL. On qualifie, pour cette raison, les LDL de « mauvais cholestérol » puisqu’il est dommageable qu’il s’en accumule trop (problèmes cardio-vasculaires) .

Les surplus de cholestérol sont éliminés des tissus (dirigés vers le foi et éliminés par la bile) sous forme de HDL. On qualifie, pour cette raison, les HDL de « bon cholestérol ».

Il est important d’avoir un taux élevé de HDL par rapport aux LDL.

La consommation d’oméga 3 ferait diminuer le LDL et augmenter le HDL.

Les lipides ne sont pas solubles dans l’eau. Ils le deviennent en s’associant à des phospholipides. Le côté liposoluble des phospholipides est en contact avec le lipide à transporter (le cholestérol ici) et le côté hydrosoluble avec l’eau du sang.

p. 966

50% du poids sec de la plupart des cellules = protéines

Remplissent de nombreuses fonctions

Molécules les plus variées

Protéines = polymère (chaîne) d'acides aminés

Les protéinesLes protéines

formule générale d’un acide aminé

p. 75

Il y a 20 sortes différentes d'acides aminés (p. 76)

Les 20 acides aminés

Liaison peptidique :

synthèse par déshydratation

L’aspartame ( Nutrasuc® ) est un dipeptide (deux acides aminés liés l’un à l’autre) lié à un méthanol

L’aspartame goûte 180 fois plus sucré que le saccharose

Juste en passant, avant de continuer avec les protéines ...

Ex. le lysosyme

129 acides aminés

1er acide aminé (Lysine)

Structure primaire de la protéine = ordre dans lequel sont placés les acides aminés.

129e acide aminé (Leucine)

p. 78

La protéine assemblée se replie pour former une structure tridimensionnelle précise:

Principales forces responsables du repliement de la chaîne d’acides aminés

p. 81

Lysosyme

Insuline

Hexokinase

Certaines parties de la protéine peuvent adopter une forme régulière = structure secondaire:

Feuillet bêta

Hélice alpha

Pas de conformation régulière

Forme finale = structure tertiaire

p. 82

Acétylcholinestérase

Hélices alpha

Feuillets bêta

Feuillets bêta en jaune

Hélices alpha en violet

Dans la cellule, d’autres protéines, les chaperonines, favorisent le bon repliement des protéines synthétisées.

Lire p. 82

Beaucoup de protéines sont formées de plusieurs chaînes d'acides aminés qui s'imbriquent les unes dans les autres = structure quaternaire

Ex.

Hémoglobine : 2 chaînes alpha et 2 chaînes bêta

2 chaînes

2 chaînes

Voir aussi le collagène p. 81

Principales fonctions des protéines

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport de molécules

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueurs cellulaires

8. Récepteurs d’hormones

9. Métabolisme (les enzymes)

Les protéines peuvent former des fibres ou des tubes qui peuvent s'assembler pour former des structures solides.

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Collagène : formé de trois chaînes d'acides aminés imbriquées

Collagène forme la peau (derme), les tendons, les ligaments, l'armature des os, etc.

Collagène = protéine la plus abondante de l'organisme.

Kératine : forme les ongles, la couche cornée de la peau, les plumes, les écailles, les sabots, etc.

La portion supérieure de l’épiderme de la peau est formée de cellules mortes remplies de kératine (ces cellules ressemblent à de petites écailles de kératine)

Utilisation ingénieuse des fibres de protéines

La soie d’araignée est formée de protéines (la fibroïne) repliées pour former des feuillets bêta. Ces feuillets sont séparés par des zones sans structure secondaire qui confèrent de l’élasticité à la fibre.

La plupart des hormones sont des protéines

Ex.

L'insuline : 2 chaînes pour un total de 51 ac. Aminés

La vasopressine : 1 chaîne courte de 9 ac. aminés

N.B. Certaines hormones sont des stéroïdes

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Mouvements dus à 2 protéines : l'actine et la myosine.

Les cellules formant les muscles sont remplies de ces protéines.

L'hémoglobine : transporte l'oxygène

La myoglobine : transporte l'oxygène dans les muscles

L'albumine sérique : transporte le gras dans le sang

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Les anticorps (ou immunoglobulines) sont faits de protéines

Anticorps IGE

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Beaucoup de substances chimiques traversent la membrane des cellules en passant par des canaux formés par des protéines.

Canal responsable de l'expulsion du chlore hors des cellules.

Certaines protéines forment un canal pouvant s'ouvrir ou se fermer.

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Le système immunitaire peut faire la différence entre ses propres cellules et des cellules étrangères par certaines protéines très variables qui sont à la surface des cellules.

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

Hormone = substance sécrétée par une glande qui agit sur certaines cellules du corps. L’hormone est sécrétée dans le sang qui la transporte dans tout le corps.

L’hormone ne peut agir que sur les cellules qui ont des récepteurs auxquels elle peut se lier. Ces récepteurs sont généralement des protéines de la membrane (parfois dans le noyau).

p. 1087

récepteur protéique

Pseudohermaphrodisme testiculaire

L’hormone (H) n’agit que sur les cellules qui ont à leur surface les protéines auxquelles elle peut se fixer. Si le récepteur est anormal, l’hormone ne peut pas se fixer et donc ne peut pas agir.

Catalyseur = substance qui active une réaction chimique qui, sans le catalyseur, serait très lente ou impossible.

La plupart des réactions chimiques qui se déroulent dans la cellule sont catalysées par des protéines spéciales: les enzymes.

Enzyme = catalyseur

1. Structure

2. Hormones

3. Mouvement

4.Transport

5. Immunité

6. Canaux membranaires

7. Marqueur cellulaire

8. Récepteur d’hormones

9. Métabolisme

p. 99

Ex. synthèse ou digestion du saccharose

ENZYME

Sans l’enzyme, la réaction serait très lente, voire impossible à la température ambiante.

L'enzyme abaisse le niveau d'activation de la réaction

Réaction avec enzyme

Énergie d'activation de la réaction sans enzyme

Énergie dégagée par la réaction

Réaction sans enzyme

Énergie d'activation de la réaction avec enzyme

p. 101

Mode d'action d'une enzyme

L'enzyme peut resservir à faire à nouveau la réaction

p. 103

Substrat(s) Produit(s)

enzyme

Détail des interactions chimiques au niveau du site actif d’une enzyme qui catalyse la réaction :

O = CR’- NHR O = CR’- OH + NH2R

substrat produits

Notez les interactions chimiques temporaires entre le produit et les acides aminés du site actif de l’enzyme.

A B C D E

Voie métabolique principale

H

Voie métabolique secondaire

Le produit d’une première réaction chimique est souvent le substrat d’une autre réaction chimique. Les réactions chimiques qui se déroulent successivement forment une voie métabolique.

LE MÉTABOLISMELE MÉTABOLISME

Chaque étape est catalysée par une enzyme

Les enzymes d’une chaîne métabolique peuvent être intégrés dans la membrane de la cellule ou d’un organite de la cellule.

Premières étapes de la respiration cellulaire : transformation du glucose en deux pyruvates.

Chaque étape est catalysée par une enzyme.

Quelques centaines des milliers de réactions qui se

déroulent dans la cellule

Ex. les premières étapes de la respiration cellulaire :

p. 170, 171, 173 et177

Chaque étape est catalysée par une enzyme spécifique.

Réactions illustrées aux pages 170-171

L'enzyme ne peut fonctionner que si elle possède une forme parfaitement adaptée à la ou aux molécules qu'elle catalyse.

Les enzymes peuvent se déformer = dénaturation de l'enzyme

Enzymes sensibles:

• aux températures élevées

• au pH trop élevé ou trop faible

• concentration élevée d’électrolytes (sels)

p. 103-104

Les enzymes peuvent servir à assembler de petites molécules en plus grosses = anabolisme

OU

à défaire de grosses molécules en plus petites = catabolisme

OU

à modifier des molécules en d'autres molécules semblables (changer un glucose en fructose, par exemple)

Une enzyme donnée ne peut catalyser qu'une réaction bien précise. Il y a donc autant d'enzymes différentes que de réactions différentes.

Cofacteur et coenzymep. 104

Cofacteur = petite molécule se fixant sur le site actif. Sans le cofacteur, le site actif est inactif.

Beaucoup de cofacteurs sont des ions métalliques (Cu, Zn, Mn, etc.)

Certains sont de petites molécules organique (par rapport à la taille de l’enzyme); on les appelle alors coenzymes.

Beaucoup de vitamines sont des coenzymes (ou sont des précurseurs de coenzymes)

Un substrat peut normalement se lier au site actif de l’enzyme

Un inhibiteur compétitif imite le substrat et entre en compétition avec lui pour s’introduire dans le site actif.

Un inhibiteur non compétitif se lie à l’enzyme et altère la conformation de l’enzyme de sorte que le site actif ne peut plus s’associer au substrat.

INHIBITION ENZYMATIQUESite actif

Inhibiteurcompétitif

Inhibiteur non compétitifp. 104

Le Viagra™ est un médicament qui avait été développé pour traiter les cardiaques. Il a pour effet de faciliter la dilatation des artères. C’est un inhibiteur compétitif de l’enzyme phosphodiestérase, laquelle enzyme sert à détruire le GMP cyclique, une substance de la paroi des artères essentielle dans le mécanisme de la dilatation.

Voir : The search for Viagra

Le cyanure est un inhibiteur compétitif d'une enzyme appelée cytochrome oxydase. Cette enzyme est essentielle à l'une des dernières étapes de la respiration cellulaire. Sans elle, la respiration cesse, c'est la mort.

Le Zyclon-B de triste mémoire pour son utilisation dans les camps de la mort nazis était constitué de granules poreux imbibés d'acide cyanhydrique (HCN).

La régulation allostérique

Un activateur allostérique stabilise la forme active

Un inhibiteur allostérique stabilise la forme inactive

LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES

p. 105

A B C D E

Voie métabolique

E1 E2 E3 E4

La molécule E est un inhibiteur allostérique de

l’enzyme E1

X

p. 106

LA RÉGULATION DES VOIES MÉTABOLIQUES

La rétro-inhibition

Protéine des aliments

Digestion

Acides aminés

Circulation

Les cellules synthétisent leurs protéines à partir des acides aminés provenant de la digestion

Notre alimentation doit contenir des protéines

Nouvelle protéine

Protéines et alimentation

FIN

FIN