UE1 BIOCHIMIE - ipeco.fr

PACES - UE 1 : Biochimie – Dr E. TIENNAULT-DESBORDES - IPECO – Année 2018-2019

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UE1 BIOCHIMIE

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Bonjour à tous, Vous trouverez, dans cette partie de l'UE1 une introduction brève à la bioénergétique suivie de l'étude structurale des molécules à partir desquelles nous produisons l'énergie : les glucides, les lipides et les acides aminés. Après avoir compris le cours, vous pourrez vous tester à l'aide des QCM corrigés, réfléchir au TD que nous corrigerons dès la première séance. Ce TD me permettra de reprendre avec vous toutes les notions abordées dans le cours. Bon courage !

Dr. E. TIENNAULT-DESBORDES spécialité Biochimie et Biologie moléculaire


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Introduction : L'énergie dans la cellule L’univers évolue spontanément vers un état de désordre de plus en plus grand (augmentation du désordre ou entropie). Une cellule maintient un haut degré d’ordre, d’organisation. Elle doit maintenir une entropie basse. Une cellule est un système ouvert. Elle échange de l’énergie et de la matière avec son environnement. Elle prélève de l’énergie dans le milieu extérieur pour maintenir une entropie basse. L’extraction d’énergie par la cellule dans l’environnement est assurée par une série de réactions chimiques appelée métabolisme. Le métabolisme est un ensemble de réactions qui sont couplées et interconnectées et vont produire et consommer de l’énergie. Tous les phénomènes évoluent vers un état d’équilibre pour lequel l’énergie potentielle est minimale (Equilibre thermodynamique). La cellule lutte contre cette évolution spontanée : elle n’est pas en équilibre avec le milieu extérieur ; elle est dans un état stationnaire. Si la cellule est dans un état d’équilibre, c’est la mort cellulaire. Les voies métaboliques sont réparties en deux grandes catégories : le catabolisme et l'anabolisme Le catabolisme correspond à la dégradation des molécules en énergie utilisable (ex : oxydation glucides /lipides) L'anabolisme correspond aux réactions de synthèse de molécules qui nécessite un apport d’énergie (synthèse de lipides, glucides,...). Les éléments suivants sont source d’énergie : protides (acides aminés, peptides et protéines constitués d'acides aminés), lipides, glucides.


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LES GLUCIDES Rem : je vous conseille d'apprendre les formules en rouge…

Les glucides (saccharides) sont des biomolécules très importantes. Ils sont encore appelés les sucres, ou hydrates de carbone, ou encore carbohydrates car un très grand nombre répond à la formule : Cn(H2O)n (n = 3, 4, 5, …). Les sucres représentent une source d’énergie pour les organismes vivants, soit immédiatement utilisable (glucose), soit sous forme de réserve (amidon, glycogène). Ils peuvent également avoir un rôle structural (cellulose des végétaux) ou être des composants de métabolites (les coenzymes (petites molécules nécessaires à l’activité de certaines enzymes) mais aussi les monomères composant les acides nucléiques. I. Structure des glucides

11. 3 catégories de glucides : 111. les oses ou monosaccharides (sucres simples) :

Ils sont non hydrolysables. Une seule unité comporte de 3 à 8 atomes de carbone ; selon leur nombre de carbone, on les appelle des trioses (3C ou atomes de carbone), tétroses (4C), pentoses(5C), hexoses (6C)…. Il s'agit de polyols (fonction alcools : -OH ou groupement hydroxyle). De plus, s’ils sont porteurs d’une fonction carbonylée aldéhyde (-CHO) ou cétone (-CO-), on les appelle respectivement, des aldoses ou des cétoses, de sorte que si l’on veut indiquer tout à la fois la nature de la fonction carbonylée et le nombre d’atomes de C, on dira : aldopentoses, cétohexoses… Pour représenter les oses simples ont utilise la représentation de Fisher. Les atomes de carbone se situent à l’intersection des traits verticaux et horizontaux. Nomenclature : le carbone le plus oxydé (carbone portant la fonction aldéhyde ou cétone) porte l’indice le plus faible possible. Les hydroxyles des fonctions alcools secondaires et les atomes d'hydrogène se situent sur l'horizontale. Ex : Le glucose en représentation de Fisher

ou en écriture simplifiée (les H sont sous-entendus): Le numéro des atomes de carbone est indiqué en rouge.

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112. les osides

Ils résultent de la condensation, avec élimination d’eau, de molécules d’oses et éventuellement de substances non glucidiques. Ils sont hydrolysables.

- les holosides : sont formés par la réunion de motifs exclusivement glucidiques. On peut distinguer 2 catégories

• les oligoholosides (ou oligosaccharides) avec un nombre de résidus glucidiques inférieur à 10 : maltose, saccharose,…

• les polyholosides (ou polysaccharides, ou osanes) avec un nombre > à 10 voire avec des milliers de résidus. Si ces polyholosides sont homogènes, on les nomme homopolyosides ou homoglycanes (amidon, cellulose, glycogène) - les hétérosides : proviennent de la condensation d’oses et de substances non glucidiques appelées aglycone. Si dans l’hétéroside, l’aglycone est lié au résidu glucidique :

• par un groupe oxygène : c’est un O-hétéroside

• par un atome d’azote : c’est un N-hétéroside Exemple : les nucléotides (AMP, GTP, …)

AMP : Adénosine monophosphate = (adénine + ribose + adénine) 113. les glycoconjuguées : Ce sont des oses liés à d'autres biomolécules • liés à des protéines ou peptides de manière covalente : protéoglycanes, peptidoglycanes et glycoprotéines • liés à des lipides : glycolipides

12. Isomérie 121. La chiralité des molécules

Une molécule possède des propriétés optiques si elle est chirale (capacité de faire dévier le plan de la lumière polarisée). Une molécule est chirale : - si elle diffère de sa symétrique par rapport à un plan (image dans un miroir non superposable). - si elle possède au moins un carbone asymétrique.

- si elle ne possède pas de plan de symétrie.

Un carbone asymétrique (symbolisé par *) possède 4 groupements ou substituants différents.

NO

O

OHOH

P

O

OH

OH N

NN

NH2

Adénine

Groupement phosphate

Ribose


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Des énantiomères (ou antipodes optiques) sont des isomères de configuration, symétriques par rapport à un miroir et non superposables. Des diastéréoisomères sont des isomères de configuration non-images l’un de l’autre dans un miroir. Des stéréoisomères sont des isomères de configuration regroupant les énantiomères et les diastéréoisomères possibles d’une molécule. Ils se différencient les uns des autres par la position des 4 substituants dans l’espace.

122. Configuration des oses simples

*Dans la série des sucres, on trouve au moins un carbone asymétrique : - l’aldotriose, le glycéraldéhyde : CH2OH-C*HOH-CHOH en possède un ; - le cétotriose (la dihydroxyacétone : CH2OH-CO-CH2OH) étant le seul à ne pas posséder de carbone asymétrique). Les oses se représentant en Fisher comme ci-après. On définit une configuration D ou L à partir de la position de l’hydroxyle voisin de la fonction alcool primaire :

- si cet OH est situé à droite du plan formé par la chaîne carbonée : configuration D.

- si cet OH est situé à gauche : configuration L.

L-fructose

Fonction aldéhyde

Série L

Fonction alcool primaire

Série D

D-glucose L-glucose

Miroir


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On remarquera que les oses naturels sont pour la plupart de la série D. On rappelle ici que l ‘appartenance à la série D ou L n’implique pas un signe déterminé pour le pouvoir rotatoire (= capacité à dévier la lumière polarisée). *Quand la lumière polarisée traverse une substance optiquement active, le faisceau lumineux va être dévié : -vers la droite, le composé est dextrogyre, noté d ou (+) -vers la gauche, le composé est lévogyre, noté l ou (-). Si une molécule A est lévogyre, une molécule A' (image dans un miroir de A) sera dextrogyre. Un mélange équimolaire de deux substances optiquement active est un mélange racémique (angle de déviation = 0). *Le nombre de stéréoisomères pour un ose regroupe les isomères de la série D et leur image dans un miroir, la série L appelés des énantiomères. Lorsque 2 isomères ne diffèrent que par la configuration d’un seul OH, ce ne sont plus des énantiomères mais des diastéréoisomères. Par contre, lorsque dans une même série (D ou L) 2 isomères ne différent que par la configuration d’un seul OH, ce sont des épimères. L’épimérisation peut-être réalisée chimiquement ou par réaction enzymatique (exemple : le glucose est l’épimère en C2 du mannose et l’épimère en C4 du galactose). Les numéros en rouge indiquent les numéros des atomes de carbone en nomenclature.

123. Structure cyclique (cycles pyrane et furane)

Si l’on a écrit les oses sous forme linéaire jusqu’à présent, les oses en solution existe sous forme cyclique (99% contre 1% sous forme linéaire). L’apparition d’un cycle est due à l’élimination d’une molécule d’eau entre la fonction aldéhyde ou cétone et un hydroxyle. Dans les 2 cas, la fonction réductrice est sous forme semi-acétal ou hémiacétal. La formation du cycle fait apparaître un carbone asymétrique supplémentaire (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses). Cette asymétrie supplémentaire définit une

isomérie supplémentaire, les isomères α ou β suivant la position de l’hydroxyle porté par ce carbone, appelés des anomères :

- Pour un ose de la série D, si OH du C anomère est situé au

dessous du plan d’un cycle pyrane ou furane: c’est un anomère α - Pour un ose de la série D, si OH du C anomère est situé au dessus

du plan d’un cycle pyrane ou furane: c’est un anomère β

D-glucose D-mannose

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- Pour un ose de la série L, si OH du C anomère est situé au

dessous du plan d’un cycle pyrane ou furane: c’est un anomère β - Pour un ose de la série L, si OH du C anomère est situé au dessus

du plan d’un cycle pyrane ou furane: c’est un anomère α - Formation d’un hémiacétal (aldéhyde ou cétone+ alcool) :

R-CHO + R’-CH2OH R-CHOH-O-CH2-R’ + H20

- Formation d’un hémiacétal sur un cycle pyrane (6 sommets): exemple du D-glucose A partir de la forme linéaire, faire pivoter la molécule sur le côté droit. Les -OH dirigés vers le bas seront en bas dans le cycle.

ou Les numéros en rouge indiquent les numéros de l’atome de carbone. Les hydroxyles côté droit se retrouvent en dessous du cycle et les hydroxyles côté gauche vers le haut (valable pour les carbones 2,3 et 4). L'hydroxyle du carbone 5 est à l'horizontal pour attaquer le carbone 1 de la fonction aldéhyde. Attention : par convention le carbone 6 porteur de la fonction alcool primaire se retrouve au dessus du cycle lorsque le sucre est de la série D et en dessous du cycle pour la série L. La libre rotation entre le carbone 2 et la fonction aldéhyde permet d’aboutir aux deux

anomères du D-glucopyranose (1 : β-D-glucopyranose et 2 : α-D-glucopyranose).

Anomère β : l'ose appartient à la série D série D donc –CH2OH ou C n°6 et –OH hémiacétalique porté par le carbone n°1 ou carbone anomère sont du même côté du plan du cycle.

Anomère α : l'ose appartient à la série D série D donc –CH2OH ou C n°6 et –OH hémiacétalique porté par le carbone n°1 ou carbone anomère sont de part et d'autre du plan du cycle.

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- Formation d’un hémiacétal sur un cycle furane : exemple du D-fructose Par le même mécanisme, on obtient l’alpha et le bêta-fructofuranose par cyclisation entre l’hydroxyle du carbone 5 et la fonction cétone portée par le carbone 2.

Il y a également formation des deux anomères (1 : β-D-fructofuranose ; 2 : α-D-fructofuranose) Rem : La forme furanose peut être adoptée par les aldohexoses tel que le glucose par cyclisation entre le carbone 4 et le carbone 1 pour donner le glucofuranose. La forme pyranose peut être adoptée par le fructose par cyclisation entre le carbone 6 et le carbone 2 pour donner le fructopyranose. Cette forme cyclique se représente le plus souvent avec la représentation de HAWORTH : le noyau est perpendiculaire au plan du papier, les liaisons en traits fins sont derrière le plan du papier, celles en traits épais sont en avant de ce plan, c’est à dire qu’elles sont plus près du lecteur :

En réalité, le cycle hexagonal (très voisin du cyclohexane) n’est pas plan en raison des angles de valence de l’atome de carbone ; le cycle pyrane prend une conformation en chaise ou en bateau. On ne s’intéressera qu’à la forme chaise.

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Anomère β

On distingue deux types de positions des substituants : Un substituant est dit en position axiale lorsque la liaison est parallèle à l’axe du cycle. Ces liaisons sont indiquées par les flèches sur le schéma ci-dessous. Un substituant est dit en position équatoriale lorsque la liaison (non fléché sur le schéma) est presque parallèle au plan moyen du cycle.

O

HOH

HH

H

H

OHOH

OH

OH

La forme chaise est la plus stable (encombrement stérique le plus faible / moins d’interaction entre les groupements portés par les atomes de carbone) et particulièrement

pour le D-glucose les anomères β, plutôt que α, car tous les substituants sont en position équatoriale (moins d'interactions entre les groupement d'atomes –OH). Comment passer de la représentation de Haworth à la forme chaise ? Les liaisons dirigées vers le haut en Haworth sont au dessus du plan du cycle (vers le haut) en forme chaise ; et celles dirigées vers le bas en Haworth sont au dessus du plan de cycle (vers le bas) en forme chaise.

La représentation en forme chaise ci-dessus est celle du β-D-glucopyranose. Représenté en Haworth comme suit :

124. Cyclisation selon Tollens

La cyclisation selon Tollens reprend la représentation de Fisher avec formation d’un pont à gauche ou à droite selon la série L ou D de l’ose. Si le –OH hémiacétalique est du

côté de la cyclisation, il s’agit de l’anomère α et si le –OH hémiacétalique est du côté

opposé de la cyclisation, il s’agit de l’anomère β.

β - D-glucose

Cyclisation à droite car série D

Axe


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β-D-glucopyranose α-D-glucopyranose

D-glucose 0,01 %

125. Propriétés chimiques liées à la forme cyclique

L’équilibre est très en faveur de la forme cyclique mais en présence d’un réactif de la fonction aldéhyde ou cétone, le déplacement de l’équilibre est assez rapide pour que le mélange se comporte en apparence comme s’il n’était composé que de la forme ouverte.

Les 2 anomères possèdent un pouvoir rotatoire spécifique et différent (à l’état cristallisé) :

- α D-glucose : + 112°

- β D-glucose : + 19° Lorsque l’on met en solution l’un ou l’autre des 2 anomères, on constate une

évolution dans le temps du pouvoir rotatoire de la solution qui, dans les 2 cas, se stabilise après quelques heures à la valeur de + 52,7°. Ce phénomène est appelé la mutarotation. Il existe un équilibre réciproque par l’intermédiaire de la forme ouverte :

63% 36% Lorsque l'équilibre est établi, on s'aperçoit qu'il y a plus de D-glucose anomère bêta que d'anomère alpha (Dessiner les forme alpha et bêta et déterminer le nombre de groupement – OH en position équatoriale / plus il y a de "gros" groupements autre que l'atome H en position équatoriale, plus la molécule est stable) II. Propriétés chimiques dues aux fonctions alcools Ce sont des corps solides, solubles dans l’eau et cristallisant difficilement. Ils ont une valeur sucrée.

21. Formation d’esters phosphoriques

A l'aide d'enzymes, les kinases et de l'hydrolyse de l'ATP en ADP (transfert d'un groupement phosphate). Ex : D-Glucose-6-phosphate (métabolisme, le plus fréquent)

Anomère α D-glucose-1-phosphate (métabolisme), Fructose-6-phosphate (métabolisme/glycolyse), Fructose-1,6-bisphosphate (métabolisme / glycolyse).


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22. Réduction des fonctions alcool : formation de dérivés désoxy. Par élimination d’une fonction OH au niveau d’un carbone (ex : désoxyribose, unité structurale des acides nucléiques)

β-D désoxyribose : III. Les dérivés aminés des oses.

33. Les osamines Substitution en C2 par une fonction amine

Exemple de l' α-D-galactosamine

34. N-acétyl-glucosamine

Groupement acétyle : -CO-CH3

35. acide sialique - exemple : l’acide N-acétylneuraminique ou NANA

Ce sont les composants des lipides cérébraux ou des glycoprotéines à la surface des membranes cellulaires. Certains virus possèdent des neuraminidases (enzymes qui hydrolyse ces a. sialiques) : virus de la grippe …etc NANA est une condensation d’une N-acétyl-mannosamine et d’un acide pyruvique (CH3-CO-COOH).

Au pH physiologique, la fonction acide carboxylique s'ionise et devient ion carboxylate –COO- (apport d'une charge négative)

Carbone anomère


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IV. Les osides 41. Liaison osidique ou glycosidique Il s’agit d’une liaison s’établissant entre deux oses (entre deux hydroxyles) avec la participation d’au moins un carbone anomère en éliminant une molécule d’eau.

42. Règle de nomenclature Pour les diholosides, si les 2 carbones hémiacétaliques (anoméres) sont engagés

dans la liaison, on a perte du pouvoir réducteur, on parle alors d’osido-oside.

Si 1 des carbones anoméres est libre, le pouvoir réducteur est conservé, on parle alors d’osido-ose.

Les enzymes sont également et généralement spécifiques d’un ose et d’un type

d’anomère (α ou β). Elles sont souvent utilisées pour hydrolyser les liaisons osidiques (liaisons entre les oses).

43. le lactose =D-galactopyranosyl β (1-4) D-glucopyranose ou D-galactopyranosyl β (1→4) D-glucopyranose dextrogyre

Liaison osidique entre le C1 anomère β du galactose et le C n° 4 du glucose

Galactose Glucose

44. le maltose = D-glucopyranosyl α(1-4) D-glucopyranose Dextrogyre

45. la cellobiose = D-glucopyranosyl β(1-4) D-glucopyranose produit de dégradation de la cellulose.

Il est sensible à la β glucosidase.

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46. le saccharose ou sucrose =

D - glucopyranosyl α(1-2) β fructofuranoside ou D - glucopyranosyl α(1→2) β

fructofuranoside ou D - glucopyranosyl α(1↔2) β fructofuranoside sucre très répandu : sucre de canne, bettrave / non réducteur !

hydolysable par une α-glucosidase ou une β-fructosidase pour hydrolyser la liaison

osidique établie entre le carbone n°1 anomère α du glucose et le carbone n°2

anomère β du fructose (d’ou l’utilisation possible de la double flèche dans le nom du sucre).

V. Les polyholosides ou glycanes Ils sont soit naturels ou artificiels.

51. amidon = amylose + amylopectine C’est la forme de réserve glucidique chez les végétaux. L’amidon se présente sous

la forme d’une poudre blanche (obtenue à partir de grains d’amidon) insoluble dans l’eau. Après chauffage, on obtient une solution d’empois d’amidon = amylose. La partie insoluble est constituée d’amylopectine.

511. l’α-amylose : enchaînement de D-glucose α (1-4) donne une coloration bleu avec l’iode / forme une hélice alpha à 6 glc par tour essentiel pour le compactage de la molécule L’action de l’amylase libère du maltose.

512. amylopectine : chaîne principale = D-glucose α(1-4) avec des

ramifications D-glucose α(1-6). Donne une coloration jaune –brun avec l’iode / structure ramifiée tous les 18-20 glc

L’action de l’amylase libère du maltose et de l’isomaltose (D-glucose α1-6). 52. le glycogène C’est la forme de réserve glucidique chez les animaux + levures, bactéries, algues.

Il a la même structure que l’amylopectine. Il est donc hydrolysable par l’amylase. L’α

amylase coupe à l’intérieur de la chaîne. L’α amylase attaque l’extrémité réductrice de la chaîne (-OH hémiacétalique libre) et libère du maltose ; elle s’arrête quand elle rencontre un embranchement. Une dégradation complète du glycogène nécessite donc l’action de

cette enzyme + l’amylo α1-6 glucosidase = enzyme débranchante 1-6.

53. la cellulose : enchaînement de D-glucose β (1-4) C’est le constituant principal des parois végétales

(fibre de coton …). Elle est totalement insoluble dans

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l’eau. Seuls les ruminants et certains insectes peuvent l’hydrolyser cette molécule Les propriétés physiques sont dues à l'établissement de ponts hydrogène (liaisons hydrogène entre les –H et –OH présents dans la molécule).

54. les fructosanes chez les végétaux : enchaînement de D-fructose (β2-1) 55. Les arabanes chez les végétaux : gomme arabique / alginate 56. la pectine chez les végétaux

Polymère d'acide galacturonique (liaisons β-1-4) dont une partie des groupements carboxyliques sont sous forme de méthylesters. 57. La chitine :

Polymère de N-acétylglucosamine reliés par des liaisons β-1-4. Associés à des sels minéraux et à des protéines, elle constitue l'exo-squelette des Arhtropodes/Insectes/Crustacés.

58. L’acide hyaluronique : dans les liquides synoviaux et les tissus conjonctifs des animaux : espace extracellulaire c’est l’hétéropolyoside des glycoaminoglycanes (GAG). On est à la limite des glycoconjugués car il existe de l’acide hyaluronique lié et libre. Rem : polyosides hétérogènes : -hémicellulose, pectine, acide hyaluronique -des algues rouges : agar-agar, carraghénanes -des algues brunes : alginates VI. les glycoconjugués 61. Les glycosaminoglycannes ou GAG sont des chaînes polysaccharidiques anioniques (fonctions sulfate = OSO3

- / carboxylate : COO-) constituées d’unités disaccharidiques répétitives. Ces polysaccharides répétitifs sont présents à la surface des cellules et dans la matrice extracellulaire des animaux. De nombreux GAG sont constitués d’unités disaccharidiques répétitives contenant un dérivé d’ose aminé, glucosamine ou galactosamine. Au moins l’un des oses de l’unité répétitive a un groupe carboxylate ou sulfate chargé négativement. La chondroïtine sulfate, le kératane sulfate, l’héparine (anticoagulant naturel et utilisé en thérapeutique), l’héparane sulfate (plus acide / plus de charges négatives), le dermatane sulfate et l’hyaluronate sont les principaux GAG. La hyaluronidase sécrétée par certaines bactéries pathogènes hydrolyse les liaisons

β(14). Exemple de la chondroïtine sulfate :

Les GAG sont habituellement liés à des protéines pour former des protéoglycannes (PG). Ceux-ci ressemblent plus à des polysaccharides qu’à des protéines car la partie glucidique représentent 95% de la masse de la protéine.


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62. les glycoprotéines : GP Des groupes glucidiques (richesse en mannose) sont fixés par covalence à nombre de protéines différents pour former des GP. Les glucides représentent en masse un pourcentage beaucoup plus faible que les PG (chaîne osidique courte (20 oses max) ramifiées avec des oses atypiques et complexes. Les bactéries ne peuvent pas faire la glycosylation. Chez les eucaryotes, elles sont trouvées sous formes circulantes ou membranaires. La glycosylation joue un rôle dans le triage et l’adressage des glycoprotéines. De nombreux GP sont des constituants des membranes cellulaires où elles jouent toute une série de rôles dans des processus tels que l’adhésion cellulaire ou la liaison des spermatozoïdes aux ovocytes. Elles sont essentielles à l'extérieur des cellules 621. Les liaisons glycosidiques Les oses sont attachés soit à l’atome d’azote de l’amide de la chaîne latérale d’une asparagine (liaisons N) ou à l’atome d’oxygène de la chaîne latérale d’une sérine ou thréonine (liaison O). 622. Les GP membranaires Le glycocalyx comprend tous les glucides rattachés par des liaisons covalentes aux protéines ou lipides de la membrane plasmique. A ces glucides s’ajoutent des GP secrétées par la cellule eucaryote. Pour les globules rouges, on y trouve le système ABO et le système rhésus. Les antigènes A, B, H sont des constituants des sphingolipides des globules rouges. VIII. la spécificité enzymatique Ils existent des exoglycosidases (attaque par les extrémités, ex : glycogène

phosphorylase) et les endoglycosidases (coupe à l’intérieur de la molécule, ex : α-amylase). On note :

- une spécificité de configuration du carbone anomère (α ου β) - une spécificité de substrat (glucose et pas mannose) - une spécificité de liaison Quelques exemples :

- la neuraminidase du virus de la grippe est une exoglycosidase qui enlève les acides sialiques des GP

- la hyaluronidase (endoglycosidase) coupe la liaison β14 de l’acide hyaluronique.


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LES ACIDES AMINES

Les acides aminés représentent l’unité structurale de base des protéines de la bactérie à l'homme. Les protéines sont formées à partir d’un répertoire de 20 aa (formules p20 / 21 à connaître). On les appelle les aa protéinogènes. Certains aa sont dits essentiels car notre organisme est incapable de les synthétiser.

I. LES ACIDES AMINES 11. Nomenclature

aa = acide α−aminé. Ils présentent 2 fonctions : - Fonction acide carboxylique : -COOH au pH physiologique : -COO- - Fonction amine = -NH2 au pH physiologique : NH3

+ Il présente une chaîne latérale différente suivant les acides aminés = R. Il existe 300 aa dans la nature. Motif d’un acide aminé : On regroupe alors les acides aminés en fonction de la nature de leur chaîne latérale. 111. Nature de la chaîne latérale - les acides aminés aliphatiques (chaine latérale ne contenant que du carbone et de l'Hydrogène) Glycine (Gly) Alanine (Ala) Valine (Val) Leucine (Leu) Isoleucine (Ile) Méthionine (Met / attention contient aussi du soufre) Proline (Pro / aa iminé) La glycine n'ayant pas de chaîne latérale mais un hydrogène induit des courbures dans une chaînes polypeptidiques (comme le fait la proline, mais dues à sa structure cyclique). - les acides aminés hydroxylés (présence de groupement –OH ou fonction alcool réactif) Serine (Ser) Thréonine (Thr) Tyrosine (Tyr) dérivé de phe sous l’action d’une phe hydroxylase (enzyme qui fixe un –OH) S'il y a une mutation du gène de cet enzyme, cela induit une augmentation de phe dans le sérum ce qui conduit à la phénylcétonurie. Les aa hydroxylés peuvent subir une estérification par l’acide phosphorique H3PO4 Phosphotyrosine, phosphosérine et phosphothréonine


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Exemple de la phosphosérine (au pH physiologique, les fonctions sont ionisées : -COO-, -NH3+ et

-OPO32-)

Cette phosphorylation est réalisée par les kinases. - les acides aminés soufrés Cystéine (Cys) à fonction soufrée (-SH) Méthionine (Met) à fonction thiéther La cystéine possède une fonction thiol : -SH. 2 cys peuvent former une cystine. Dans une protéine, il n’y a pas de cystine mais 2 cys éloignés qui dans des conditions oxydantes vont former un pont disulfure (repliement de la protéine). Il peut exister des ponts disulfures intra et interchaînes. La méthionine est un thioéther (liaison de type : C-S-C) donneur universel du groupement méthyle –CH3. - les acides aminés diacides ou acides et leurs amides Acide glutamique ou glutamate (Glu) donne glutamine (Gln) Acide aspartique ou aspartate (Asp) donne asparagine (Asn) Asp a un carbone en moins / glu. - les acides aminés basiques Lysine (Lys) / Arginine (Arg) / Histidine (His) - les acides aminés aromatiques Tyrosine (Tyr) / Phenylalanine (Phe) / Tryptophane (Trp) → noyau aromatique appelé indole - l’acide iminé Proline (Pro) Acide dit "iminé" car la fonction amine secondaire ou IIaire est dans le cycle. Du fait de cette cyclisation, il y a formation d’une courbure dans les chaînes polypeptidiques. Dans le collagène, 10 % des prolines sont engagés dans un enchaînement Gly-Pro-Tyr qui est un signal de modification post-traductionnelle qui aboutit à l’hydroxyproline. Ces aa distingués en fonction de la nature de leur chaîne latérale, peuvent également définir 4 classes en fonction maintenant de la polarité de leur chaîne latérale : 112. Caractère polaire de la chaîne latérale


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Caractère apolaire versus caractère polaire apolaire polaire Repliement dans milieu sans eau (eau = solvant polaire)

Important pour la structure de la protéine et l'activité des protéines

Présents dans les protéines constitutives des membranes phospholipidiques (hydrophobes/apolaires)

Rend les protéines solubles dans un mileu polaire comme l'eau quand les résidus sont exposés à la surface

- chaîne latérale non polaire (apolaire), hydrophobe, due à la prédominance de C et de H : aa aliphatiques et 2 aromatiques (val, Ala, Leu, Ile, Pro, Met, Gly, Phe, Trp) - chaîne latérale polaire, hydrophile ne se chargeant pas au pH physiologique : aa hydroxylés (Ser, Thr, Tyr(aa aromatique) /soufré (Cys) /amidés (Asn, Gln). - chaîne latérale polaire se chargeant négativement au pH physiologique : les diacides (asp et glu) - chaîne latérale polaire se chargeant positivement au pH physiologique : les dibasiques (lys, his et arg) 12. Stéréochimie Les aa possèdent tous un carbone asymétrique (Cα) sauf 1, la glycine. On peut alors définir des isomères de série L ou D en fonction de la position du groupement amine par rapport à Cα. Seuls les isomères L sont des aa naturels et forment les protéines.

Formule générale d'un L-acide aminé Cette particularité leur confère également une activité optique vis à vis de la lumière. ATTENTION, on répétera ici que la définition des isomères de série D ou L ne veut pas dire que l’isomère considéré dévie en solution la lumière à droite ou à gauche (dextrogyre ou lévogyre).

13. Absorption dans les UV Les aa aromatiques possèdent un cycle benzène (doublets libres pouvant se délocalisés)

absorbant dans les UV (260/280 nm). Applications : détermination et dosage des aa des peptides et des protéines

Loi de Beer-Lambert : A = ε x l x C

A : Absorbance sans unité / ε = coefficient d’extinction molaire l.cm-1.mol-1 l : chemin traversé soit généralement 1 cm C : concentration en mol.L-1


20

II. PROPRIETES DES AA

21. Propriétés acido-basique 211. Rappel : pH d'une solution aqueuse Soit un couple acide /base = AH / A- caractérisé par une constante d’acidité Ka et d’un pKa (pKa = -log Ka) Equation de mis en solution:

• AH + H2O A- + H3O+

AH = acide faible A- = base faible conjuguée AH dans l’eau est partiellement dissocié en base conjuguée A-

Avec ��

��

Ou Ka = [base conjuguée] x[H30+] / [acide] Ka x [acide] / [base conjuguée] = [H30+]

-log (Ka x [acide] / [base conjuguée] ) = -log [H30+]

pH = pKa + log ([base conjuguée] / [acide]) Si [base conjuguée] = [acide], pH = pKa : solution à pouvoir tampon maximal.

pKa

Solution tampon pH

Espèces AH A- Prédominantes

Exemple d’un polyacide H2CO3 : Il est caractérisé par deux couples :

- H2CO3 / HCO3- caractérisé par un pKa1 = 6,3

- HCO3- / CO3

2- caractérisé par un pKa2 = 10,3 L’évolution des espèces prédominantes est la suivante : pKa1 pKa2 pH Espèces H2CO3 HCO3

- CO32-

Prédominantes [H2CO3]= [HCO3

-] [HCO3-]= [CO3

2-]

212. Caractère acido-basique des acides aminés

Les aa se comportent comme des zwitterions (ions dipolaires par la présence des groupements COOH et NH2) : ils sont soit acide (capacité à perdre un proton), soit basique (capacité à capter un proton). On dit alors qu’ils sont amphotères. Ce sont des amphotères électrolytes (capable de s'ioniser), soit encore des ampholytes.


21

On distingue alors au moins 2 couples acido/basiques : - αCOOH/αCOO- caractérisé par pK1 = 3 (valeur à connaître) - αNH3

+ /αNH2 caractérisé par pK2 = 8 (valeur à connaître) Il existe un autre couple acide/ base conjuguée lorsque la chaîne latérale est ionisable: pKa chaîne latérale = pK3

pk3 glu/asp : 4 (seule valeur de pK3 à apprendre) pK3 his : 6 pK3 lys : 10,5 pK3 arg : 12,5 pK3 cys : 8 pK3 tyr : 10` 212. Etats d'ionisation d'un aa en fonction du pH / cas de la glycine : Cas de la glycine : HOOC-CH2-NH3

+

Il est caractérisé par deux couples :

- COOH/COO- caractérisé par un pka1 - NH3

+/NH2 caractérisé par un pKa2 Ces couples correspondent aux deux fonctions portées par le carbone alpha. L’évolution des espèces prédominantes pour chacune des fonctions est la suivante : pKa1 pHi pKa2 pH Espèces COOH COO- COO- Prédominantes NH3

+ NH3+ NH2

[COOH]= [COO-] [NH3+-]= [NH2]

Chaque aa est caractérisé par un pHi ou pH isoélectrique, pH pour lequel la somme des charges positives est égale à la somme des charges négatives soit charge globale égale à zéro (à noter que l'aa porte des charges mais autant de charges positives que négatives!). Ce pHi est déterminé en effectuant la moitié de la somme des pKa entourant le pHi. Dans le cas expliqué ci-dessus, pHi = (pKa1 + pKa2) /2

Cas de la lysine : pKa1 = 3 / pKa2 = 8 / pKa3 = 10,5

3 8 10,5 Fonctions

αNH3+ αNH3

+ αNH2 αNH2

αCOOH αCOO- αCOO- αCOO- RNH3

+ RNH3+ RNH3

+ R NH2

Bilan des charges +2 +1 0 -1 pHi = (8+ 10,5)/2 = 9,25


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213. Les aa en solution aqueuse

En solution suffisamment diluée, il existe au moins 2 équilibres acide /base résultant du caractère amphotère de l’aa considéré. Dans l’eau, un aa est sous sa forme électriquement neutre soit

pH de la solution = pHi de l’aa.

pHi = pH pour lequel la somme de charge est égale à 0 ou la somme des charge + = somme des charge -. Si le pH de la solution est imposé pour que le pH <pHi de l’aa, alors l’équilibre A/B conjuguée est déplacé vers une forme plus protonée de l’aa et donc électriquement plus positive. Si le pH de la solution est imposé pour que celui-ci soit > pHi de l’aa alors l’eq A/B conjuguée est déplacé vers une forme moins protonée et donc électriquement plus négative.

En résumé, Les acides aminés diacides glu et asp : pHi = (pK1 + pk3) /2 Les acides aminés dibasiques : lys, his et arg : pHi = (pK2 + pK3) /2 Les autres : pHi = (pK1 + pK2) /2

22. Propriétés chimiques des aa. 221. Estérification par l’acide phosphorique Mode de régulation des enzymes : phosphorylation/déphosphorylation Phosphosérine / phosphothréonine / phosphotyrosine 222. Oxydation de la fonction thiol de la cystéine : Formation de cystine Dans une protéine formation de pont disulfure 224. Salification Permet de former des sels d’aa qui sont plus solubles dans l’eau que l’aa correspondant.

- A partir d’HCl → chlorhydrate d’aa = HOOC-CHR-NH3+, Cl-

- A partir de NaOH → sel de sodium = +Na, -OOC-CHR-NH2


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III. Les aa chez l’homme Petite phrase à retenir ! (il en existe d'autre et vous pouvez inventer votre propre phrase) « Le très lyrique Tristan fait vachement méditer Iseult » Leu, thr, lys, trp, phe, val, met, ile

Essentiels ou indispensables non indispensables

Ile ala Leu asn Lys asp Met cys Phe glu Thr gln Trp gly Val pro, ser, tyr, arg, his


24

α

LES ACIDES AMINES

Les formules suivantes (représentées au pH physiologique) sont à apprendre ainsi que les codes 3 lettres.

Chaîne latérale R différente pour chaque acide aminé

Motif commun à tous les acides aminés Un C alpha porte un H, un COO- et un NH3

+


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+ 2


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LES ACIDES GRAS

Les acides gras font partie d'une classe très hétérogène appelée les lipides. Ils sont tous insolubles dans les solvants polaires (eau), solubles dans des solvants organiques. Ces molécules ne sont pas polarisées. On distingue 3 grandes catégories : - les lipides simples (les acides gras)

- les lipides complexes (glycérides et sphingolipides) - les lipides non hydrolysables

Ils sont apportés par l’alimentation et/ou synthétisés directement par l’organisme. La dégradation ou catabolisme des acides gras est imposé par l’arrêt d’apport en nutriments.

Ce sont des molécules :

- à fort pouvoir énergétique (fournissent de l’ATP par hydrolyse) - essentielles dans la structure des cellules (bicouche lipidique) Les membranes contiennent des phospholipides. La membrane plasmique sépare un milieu intérieur (pauvre en Na+, riche en K+) d’un milieu extracellulaire (riche en Na+ et pauvre en K+). La membrane est relativement imperméable aux ions. - isolantes (thermiques, et électriques au niveau du tissu nerveux)

Les acides gras sont des chaînes carbonées possédant une fonction carboxyle (si la fonction carboxyle est engagée dans un liaison ester, c’est un ester d’acide gras). Le nom systématique des acides gras provient du nom des hydrocarbures dont ils dérivent. Les acides gras naturels contiennent un nombre pairs d’atome de carbone (entre 14 et 24). Les acides gras entre 16 et 18 C sont les plus courants. Ils varient par leur longueur de chaîne et leur degré d’insaturation. En effet la chaîne alkyle peut être saturée ou peut comporter 1 ou plusieurs doubles liaisons. I. les acide gras saturés :

Nombre

de C Nombre

de doubles liaisons

Nom commun

(acide …)

Nom systématique

(acide…)

16 0 Palmitique Hexadécanéïque

18 0 Stéarique Octadécanéïque

20 0 Arachidique Eicosanéïque

22 0 Bérénique docosanéïque

24 0 Lignocérique tétracosanéïque

Molécules à savoir en rouge dans le tableau


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Acide palmitique (C16 :0) : (Ecriture simplifiée les C et les H sont "sous-entendus")

Acide stéarique (C18 :0) :

II. les acides gras insaturés

série

18 1 Oléïque Cis ∆9, octadécénoïque

n-9 ou ω9

18 2 Linoléïque Cis ∆9, 12 octadécadiénoïque

n-6 ou ω 6

18 3 linolénique Cis ∆9,12,15 octadécatriénoïque

n-3 ou ω 3

20 4 arachidonique eicosatétraénoïque n-6 ou ω 6

20 5 EPA Cis ∆5,8,11,14,17 eicosapentaénoïque

n-3 ou ω 3

22 6 DHA Cis ∆4,7,10,13,16 ,19 docosahexaénoïque

n-3 ou ω 3

-monoinsaturé : A l’état naturel, la double liaison est sous forme cis (les 2 H dans le même plan). On peut passer à une forme trans par chauffage ou avec l’aide d’enzymes. La nomenclature delta utilise la numérotation utilisée en chimie organique c’est à dire à partir de la fonction –COOH. La nomenclature oméga utilise la numérotation à partir de l’extrémité –CH3. - Acide palmitoléique :

C16 : 1ω7

C16 : 1∆9

- Acide oléique :

C18 : 1ω9

C18 : 1∆9 -polyinsaturés : Acides gras naturels possèdent des doubles liaisons en position malonique (Séparées par un CH2): HOOC-CH2-COOH = acide malonique

1

9 10

ω

7


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C18 :2w6 ou C18 : 2 ∆9,12

Les AG insaturés des mammifères proviennent du palmitoléate (16 : 1w7), de l’oléate (18 :1w9), du linoélate (18 :2 w6) ou du linolénate (18 : 3w3). Le nombre de carbone de l’extrémité w d’un AG insaturé dérivé à la double liaison la plus proche identifie son précurseur car on ne sait pas introduire de double liaison entre l’extrémité w et la première double liaison. Les mammifères ont perdu les enzymes qui permettent d’introduire les doubles liaisons aux atomes de C au-delà de C9 dans une chaîne d’AG. Donc les M. ne peuvent synthétiser ni le linoléate (w6), ni le linolénate (w3). Ce sont deux AG essentiels. Essentiels : ils doivent être apportés par l’alimentation parce qu’ils sont nécessaires à l’organisme et ne peuvent pas être synthétisés par voie endogène. On ne sait pas synthétiser d’EPA ni de DHA à partir d’acide linolénique. Les w3 ont des propriétés anticoagulantes. III. Propriétés physiques

- densité : La masse moléculaire est relativement faible mais les acides gras occupent un

volume important donc la masse volumique est faible. (Leur densité est inférieure à celle de l’eau…les lipides flottent ! !)

- température de fusion : La température à laquelle s’effectue le passage de l’état solide à l’état liquide (température de fusion) varie avec la longueur de la chaîne carbonée et le nombre d’insaturation (si C>10 : solides, qd insaturations : liquides)

IV. Propriétés chimiques

- Propriété acido-basique : c’est un acide faible, donc peu dissocié. Les acides organiques réagissent avec certains métaux ou des bases pour donner des

sels. Les sels d’acides organiques sont solubles dans l’eau, où ils s'ionisent. Les sels de sodium, potassium ou lithium des acides à longues chaînes carbonées constituent les savons. On les obtient par saponification (réaction avec une base forte) des corps gras. Les anions ainsi formés possèdent une dualité (pôle hydrophile et pôle hydrophobe) qui modifie la tension superficielle : formation d’un film en surface et de micelle.

- estérification : RCOOH + R’CH2OH RCOOCH2R’ + H2O

- réactivité de la double liaison : - addition par hydrogénation (réduction) : en présence d’un catalyseur qui va augmenter la vitesse de la réaction : c’est l’hydrogénation catalytique. Il y a passage d’un état liquide à un état solide : c’est le « durcissement des huiles ». ex : les huiles végétales vont donner des margarines. - oxydation à l’air libre ou ozone : c’est le « rancissement » par oxydation des doubles liaisons avec l’oxygène de l’air.


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V. Les prostaglandines PGE1 :

produites lors de réactions inflammatoires. Dérivent des AG polyinsaturés à 20 ou 22 C w6 et w3 et plus particulièrement de l’acide arachidonique pour PGE2 et EPA pour PGE3. La cyclisation est due à une cyclo-oxygénase (COX° inhibée par l’aspirine (anti-inflammatoire) Chez les mammifères, ce sont des composés à action hormonale. Différentes classes :* PGE présentent une fonction cétone et une fonction alcool (cycle)

* PGF présentent deux fonctions alcool (cycle)


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TEST : QCM QCM n°1: Soit la molécule suivante :

Il s’agit du :

A- D-glucose B- D-ribose C- D-galactose D- L-glucose E- L-mannose

QCM n°2 : Soit la molécule du QCM n°1.

A- Son énantiomère est le D-mannose B- Son énantiomère est le L-glucose C- Son énantiomère est le L-Galactose D- Son épimère en C4 est le D-glucose E- Son épimère en C2 est le D-galactose

QCM n°3 : Soit la molécule suivante :

A- Elle n’est constituée que d’aldoses. B- Elle présente une liaison α 1→4. C- Elle présente une liaison α 1→6. D- Il s’agit de β-D-glucopyranosyl 1→4 β-D-glucopyranoside. E- Il s’agit de β-D-galactopyranosyl 1→4 β-D-glucopyranose.

QCM n°4 : Indiquer la ou les propositions exactes concernant les diholosides

A- La liaison existante entre les deux oses engage deux carbones anomères B- La liaison existante entre les deux oses est sensible à l'hydrolyse acide C- La liaison existante entre les deux oses est hydrolysable par des enzymes D- Ils sont tous réducteurs E- Ils présentent tous le phénomène de mutarotation

QCM n°5 : Indiquer la ou les propositions exactes concernant les glucides simples naturels

A- Ils sont tous sous forme linéaire et cyclique B- Lors de la cyclisation, il y a formation d'une liaison acétalique C- Lors de la cyclisation, il y a formation d'une liaison osidique


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D- Ils contiennent tous au moins une fonction alcool primaire E- Les aldoses portent tous une fonction aldéhyde ou cétone

QCM n°6 : Soit la représentation non chargée d'un acide aminé

A. Il s'agit de la lysine B. Il s'agit de l'acide aspartique C. Il est caractérisé par 3 fonctions ionisables D. Il est caractérisé par pk1, pK2, pK3 E. Il est caractérisé par pK1 et pk2

QCM n°7 : Soit une solution de leucine à pH = 9,5. Leu porte 2 fonctions ionisables : αCOOH/ αCOO- caractérisé par un pKa1 = 3 αNH3

+/ αNH2 caractérisé par un pKa2 = 8 Quelle est (ou quelles sont) la (ou les) forme(s) majoritaire(s) ?

A- αCOOH, αNH3+

B- αCOOH, αNH2 C- αCOO-, αNH2 D- αCOOH, αNH3

+, RNH3+

E- αCOO-, αNH3+

QCM n°8 : Soit une solution d'acide aspartique ou asp : Asp porte 3 fonctions ionisables : αCOOH/ αCOO- caractérisé par un pKa1 = 3

αNH3+/ αNH2 caractérisé par un pKa2 = 8

RCOOH/ RCOO- caractérisé par un pKa3 = 4 Quelle est le pH de la solution ?

A- 3 B- 8 C- 5,5 D- 3,5 E- Il est impossible de le déterminer

QCM n°9 : Soit les acides aminés protéinogènes

A. L'organisme n'étant pas capable de les fabriquer, ils sont tous fournis par l'alimentation B. Il en existe 20. C. Il en existe 300. D. Certains n'ont pas besoin d'être apporté par l'alimentation et sont dits "essentiels". E. Deux acides aminés comportent deux carbones asymétriques.

QCM n°10 : Soit la tyrosine

A. Il s'agit d'un acide aminé polaire B. Il s'agit d'un acide aminé hydroxylé C. Il a la capacité d'absorber les U.V. à 280 nm D. Il fait partie de la catégorie des acides aminés aromatiques E. Il est impliqué dans la formation des ponts disulfures dans les protéines


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CORRECTION: QCM 1. C D- Galactose et D-glucose sont des épimères en C4 (ils sont différents par le carbone n°2). 2. CD Enantiomère du L-galactose = D-galactose Epimère en C2 = D-Glucose Epimère en C4 = autre nom d'un ose de la série D 3. AE

ou D-galactopyranosyl β 1→ 4 β-D-glucopyranose 4. BC A : peut engager dans le cas du saccharose Maltose / lactose : NON!

D : le saccharose par ex non réducteur → aucun carbone anomérique libre

E : idem saccharose → aucun carbone anomérique libre 5. D A : le glycéraldéhyde par exemple seulement linéaire (pas assez d'atomes pour faire un cycle (à partir de 5C)) B : liaison hémi-acétalique C : idem B D : aldose en C6 / cétose en C1 et C6

E : aldose → aldéhyde

Cétose → cétone 6. CD arginine

pK1 et pK2 pour les deux fonctions sur le C alpha (COOH → COO- et NH3+ → NH2

+)

pK3 pour la chaîne latérale (NH2+ → NH)

7. C 3 8 9,5

Fonctions

αNH3+ αNH3

+ αNH2

αCOOH αCOO- αCOO- 8. D 3 pHi 4 8

Fonctions

(αNH3+) + + 0

(αCOOH) - - -

(RCOOH) 0 - -

Bilan : +1 0 -1 -2

pHi = pH solution = (3 + 4) = 3,5 9. BE C : naturels D : certains sont essentiels (8) et doivent être apportés par l'alimentation


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E : thr et Ile 10. ABCD E : cys

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