BIOCHIMIE

1. J.M. Guillot - Biochimie -2006 BIOCHIMIE • Dr Jean-Michel GUILLOT • Ecole des Mines d'Alès • Laboratoire Génie de l'Environnement Industriel (LGEI) • 6 avenue de Clavières 30319 Alès Cedex • Tél. (33) 04 66 78 27 80 • Fax (33) 04 66 78 27 01 • E-mail jean-michel.guillot@ema.fr

2. J.M. Guillot - Biochimie -2006 LA BIOCHIMIE ? Etude des bases moléculaires de la vie - bases chimiques de certains processus fondamentaux - relations structure/activité - ...

3. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Ordres de grandeur (1) Atomes Molécules Macromolécules Organites Cellules Liaison C-C Globules rouges Hémoglobine Glucose Ribosome Bactéries 10 Å 102 Å 103 Å 104 Å 105 Å 1Å Dimensions ( 1Å = 10- 10 m )

4. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Ordres de grandeur (2) Premier événement de la vision Déroulement de l'hélice d'ADN Naissance d'une bactérie Mouvements moléculaires internes dans les protéines Réaction catalysée par une enzyme Synthèse d'une protéine 10-3 s 10-12 s 10-9 s 10-6 s 1s 103 s Temps (secondes)

5. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les molécules du vivant Ces molécules peuvent être classées en 4 familles: - Protéines - Glucides - Lipides - Acides Nucléiques

6. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les protéines

7. C C J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Les protéines sont constituées d'acides aminés: Forme D Forme L COOH COOH NH2 H H NH2 R R

8. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Il existe une vingtaine d’acides aminés (forme L dans les protéines) : Acide aminé le plus simple R = H Glycine(Gly) (Acide aminoacétique) Il ne présente pas de carbone asymétrique (pas de forme D et L)

9. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acides aminés hydrophobes (R = chaîne carbonée / aliphatiques) Alanine (Ala)(Acide L-2-aminopropionique) Valine (Val)(Acide 2-amino-3-méthylbutyrique) Leucine (Leu)(Acide 2-amino-4-méthylvalérique) Isoleucine (Ile)(Acide 2-amino-3-méthylvalérique

10. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acide aminé iminé Proline (Pro)(Acide 2-pyrrolidine-carboxylique) Acide aminé avec fonction alcool Thréonine (Thr)(Acide 2-amino-3-hydroxybutyrique)

11. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acide aminé à fonction soufrée Méthionine (Met)(Acide L-2-amino-4-méthylthiobutyrique) Cystéine (Cys)(Acide L-2-amino-3-mercaptopropionique) Acides aminés à fonction amidée Asparagine (Asn)(Acide 2-aminosuccinamique) Glutamine (Gln)(Acide L-2-aminoglutaramique)

12. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acides aminés avec charge négative (fonction acide carboxylique) RCOOH  RCOO- + H+ Acide aspartique (Asp)(Acide 2-aminosuccinique) Acide glutamique (Glu)(Acide L-glutaminique)

13. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acides aminés avec charge positive (fonctions azotées : amines) Lysine (Lys)(Acide 2,6-diaminohexanoique Arginine (Arg)(Acide (S)-2-amino-5-guanidinovalérique) Histidine (His)(Acide (S)-alpha-amino-1H-imidazole-4-propionique)

14. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Acides aminés avec cycle aromatique Phénylalanine (Phe)(Acide (S)-alpha-amino- bêta-phenylpropionique) Tyrosine (Tyr) (Acide (S)-3-(p-Hydroxyphényl)alanine) (Acide (S)-2-Amino- 3-(p-hydroxyphényl)propionique) Tryptophane (Trp)(Acide (S)-alpha-amino- bêta-(3-indolyl)-propionique)

15. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Hydrophiles Arginine Asparagine Ac. Aspartique Cystéine Ac. Glutamique Glutamine Glycine Histidine Lysine Sérine Thréonine Hydrophobes Alanine Leucine Isoleucine Valine Methionine Phénylalanine Proline Tryptophane Tyrosine

16. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les acides aminés Les acides aminés peuvent être les précurseurs de molécules actives, hormones…

17. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Propriétés acido-basiques des acides aminés

18. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Propriétés acido-basiques des acides aminés Chaîne latérale Acide Basique Soufrée Oxygénée

19. J.M. Guillot - Biochimie -2006

20. J.M. Guillot - Biochimie -2006 La liaison peptidique +NH3 H - C - COO - R COO - +NH3 - C- H R' +NH3 H - C - CO R COO - NH - C- H R' + H2O Liaison peptidique

21. J.M. Guillot - Biochimie -2006 La liaison peptidique Propriétés de la liaison peptidique Forme trans et forme cis N-terminal pK 6.8-8.0 C-terminal pK 3.5-4.3 Pas de protonation- déprotonation des liaisons peptidiques sauf à pH extrême

22. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les peptides Chaînes latérales Source Encarta

23. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les peptides

24. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Définitions par rapport aux chaînes peptidiques Peptide : pas de structure secondaire (~10 acides aminés)Polypeptide : chaîne plus longue de séquence connuePolyamino acide : séquences aléatoires ou répétitives de longueurs différentes (polymérisation chimique)Protéine : polypeptide naturel et de structure tridimensionnelle définie.Structure primaire : enchaînement d'acides aminés dans une chaîne peptidique unique

25. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Conformation des chaînes peptidiques Pour la chaîne principale des peptides et des protéines : il existe deux liaisons simples (N-C et C-CO) pour lesquelles un grand nombre de conformations est possible. Entre chaque acide aminé, il existe une liaison C-N, ayant un caractère partiel de double liaison, ce qui fait que seules les conformations cis et trans sont possibles

26. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Conformation des chaînes peptidiques Les acides aminés peuvent exister dans 8 conformations différentes en moyenne. Une protéine (une partie de protéine) contenant 100 acides aminés est donc susceptible d'adopter plusieurs milliers de conformations différentes. Même si ces conformations ne sont pas toutes possibles (pour des raisons d'occupation de l'espace et d’encombrement stérique), il en reste un nombre important (plusieurs centaines probablement). Donc : dans une protéine non structurée, chaque molécule d'un échantillon existe dans une conformation unique à un moment donné. La durée de vie de chaque conformation est très courte.

27. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Les protéines L'activité des protéines est liée à leur structure. On distingue la structure: - Primaire - Secondaire - Tertiaire - Quaternaire

28. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure primaire La structure primaire correspond à: - l'enchaînement des acides aminés (dans la chaîne polypeptidique). Cet enchaînement est appelé séquence d'acides aminés Remarque: La séquence, contrairement à la composition, prend en compte la notion d'ordre des acides aminés dans la chaîne.

29. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire La structure secondaire correspond à: - l'arrangement spatial de la chaîne polypeptidique (Conformation). Il existe deux types de conformation ordonnée: - l'hélice a - le feuillet plissé b - boucles Il existe des superstructures secondaires

30. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire L'hélice a La terminologie hélice "a" est basée sur une classification ancienne (antérieure à la détermination de la structure) L'hélice a est très quasiment toujours une hélice droite. Elle contient 3,6 résidus par tour, soit une translation de 5,41 Å par tour. Les atomes sont bien compactés, ce qui est favorable aux interactions de Van der Waals. Un atome d'oxygène de carbonyle participe à une liaison H avec le NH appartenant à un acide aminé situé à 4 positions plus loin dans la chaîne (parcourue dans le sens N ->C).

31. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire L'hélice a Cette liaison presque droite fait 2.86 Å de long. Surtout, elle est présente pour tous les résidus et très répétitive tout le long de la chaîne ce qui renforce la stabilité de l'ensemble. Le centre de l'hélice n’est pas occupé mais présente un diamètre très faible, insuffisant pour laisser la place à une molécule ou un ion.

32. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire L'hélice a Les chaînes latérales sont tournées vers l'extérieur de l'hélice. L' hélice a pourrait être gauche (les angles et de même valeur absolue mais de signe opposé à celui de l'hélice droite), mais les chaînes latérales des acides aminés de la série L recouvrent de façon trop importante la chaîne principale. Cette structure est beaucoup moins stable et donc elle est très peu observée.

33. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire L'hélice a Dans les protéines, l'hélice a n'est pas toujours exactement celle qui est décrite précédemment. Les angles sont souvent de -62 et -41 ° respectivement (plutôt que de -57 et -47), ce qui permet que l'oxygène du carbonyle s'écarte de l'axe de l'hélice, la liaison H est encore moins droite, ce qui permet peut-être à l'oxygène de former des liaisons hydrogènes simultanément avec le NH en i+4 et avec l'eau ou d'autres donneurs. La destruction et la croissance de l'hélice ne peut se faire qu'aux extrémités de cette hélice.

34. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Le feuillet b Le module de base est le brinb, dont la conformation est très étendue.

35. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Le feuillet b Il peut être assimiler à une hélice contenant seulement deux résidus par tour (puisque l'on retrouve la même disposition des résidus tous les deux résidus) et un déplacement de 3.4A° par résidu Cette conformation n'est pas stable si elle est isolée, car aucune liaison H n'y apparaît. Elle n'est stable que dans les feuillets b, dans lesquels les liaisons H s'établissent entre deux brins b différents soit parallèles soit antiparallèles.

36. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Le feuillet b 4 brins Anti-parallèles

37. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Le feuillet b 4 brins parallèles

38. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Les feuillets antiparallèles sont intrinsèquement plus stables que les parallèles, (même si la nature des résidus peut inverser cette tendance). Les résidus adjacents dans un même brin sont alternativement sur une face et l'autre du feuillet. Ils n'interagissent pas ensemble. Par contre, des interactions existent entre les chaînes latérales appartenant à deux brins adjacents, ainsi d'ailleurs qu'avec la chaîne principale. Le feuillet b

39. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure secondaire Le feuillet b n'est pas vraiment plat. L'ensemble est soumis à une torsion, qui est anti-horaire dans les protéines.Le feuillet b n'est pas une véritable structure secondaire car les interactions se passent entre brins très distants dans la structure primaire. Les parties qui servent de connexion entre les différents brins d'un même feuillet ont des structures très différentes, ce qui influence l'organisation du feuillet lui-même. Il existe peu de modèles polypeptidiques de feuillets b à cause de ce fait. Le feuillet b

40. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure tertiaire La structure tertiaire (aspect globulaire) / repliement de la chaîne est assurée par un ensemble de forces: - liaisons covalentes (Pont disulfure) - liaisons H (hydrogène) - interactions électrostatiques - interactions hydrophobes - forces de Van der Walls

41. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure tertiaire (Pont disulfure) oxydation + 2e- + 2H+

42. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure quaternaire La structure quaternaire est obtenue: par association de plusieurs chaînes polypeptidiques. Cette association se fait par des liaisons faibles. Elle permet de constituer des édifices de haut poids moléculaire (Macromolécules). L'activité biologique de certaines protéines nécessite ce type de structure. Exemple de protéines ayant une structure quaternaire: Hémoglobine, Collagène...

43. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure / Résumé Source Encarta

44. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Structure / Résumé Nombre se structures connues

45. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Rôle des protéines On distingue les protéines: - de structure (elles assurent la cohésion de la cellule) collagène, protéine fibreuse - de transport (échange) canaux transmembrannaires (pompes Na/K) transporteur comme l'hémoglobine (O2) - de catalyse et de reconnaissance enzymes

46. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Exemple : Transport O2 Transport de l'oxygène par l'Hémoglobine (Hb) « Hémoglobine = 4 myoglobines  (2+2)»

47. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Exemple : Transport O2 • Transport de l'oxygène par l'Hémoglobine (Hb) • (chargement dans les poumons/Libération dans les tissus) • CO (monoxyde de carbone) se fixe sur Hb • (liaison avec le Fer de Hb, à la place de O2) • Interférence Poison • Affinité CO / O2 vis-à-vis d'un hème (1/4Hb) 25000 fois • de Hb 200 à 250 fois

48. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Exemple : Transport O2 Transport de l'oxygène par l'Hémoglobine (Hb) Mesure du type de l’état de Hb Sans liaison ou liaison avec CO ou O2

49. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Exemple : Transport O2 Transport de l'oxygène par l'Hémoglobine (Hb) Mesure du type de l’état de Hb La variation du spectre d’absorption (couleur) est due à l’hème (noyau porphyrine + Fe)

50. J.M. Guillot - Biochimie -2006 Exemple : Transport O2 Transport de l'oxygène par l'Hémoglobine (Hb) La structure de l’hémoglobine (protéine) permet de tenir l’hème, d’en assurer l’accès, de garantir la solubilité… 4 sous-unités (struct IIIaire) Chacune contient 1 hème Protéine globale Tetramère a2b2 (struct IVaire)