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Chimie Bioorganique:Science Naturelle et Non naturelle*
* Bernald Breslow; vol.75 , Journal of Chemical Education, 1998, 6, 750-718.JChemEd.chem.wisc.edu
Behzad KARAMI
Biologie et chimie organique– chimie enzymatique
– bactériologie
– biologie humaine
I. Introduction
Biologie
Chimie organique
Chimie bioorganique
Chimie bioorganique (passage entre chimie organique et biologie) • Chimie bioorganique, science naturelle:
– arôme de fleur,– communication des insectes,– vision des animaux,– photosynthèse,– …
Introduction
Les chimistes travaillent sur :
le métabolisme,les informations sur la génétique, catalyse enzymatique, effets et fonctions des hormones, synthèse des protéines
• Chimie bioorganique, science non naturelle(Transformation des produits naturels pour obtenir des nouveaux produits non naturels)
Introduction
Introduction
protéine
Lipides / membranes
Acide nucléique
Polysaccharide
sucreAcide amine 1. 1.
Acide aminé
Acide gras
Nucléotides
Sucre
Unité constituant la cellule Large unité dans les cellules
1.
2.
3.
4.
Les constituants des cellules
II. Les constituants des cellules
Les constituants des cellules
II.1. Les protéines
Les protéines
Les peptides
- Enchaînement d’acides aminés
- Chaque acide aminé est aussi appelé un résidu
- 2 résidus = dipeptide, 3 résidus = tripeptide
- 12-20 résidus = oligopeptide
- 20-100 résidus = polypeptide
- au-delà de 100 = protéine
Les protéines
Les protéines
- Ce sont les composés organiques les plus abondants dans les cellules: ils constituent plus de 50% de leur masse sèche.
- Les protéines jouent un rôle prédominant dans le fonctionnement cellulaire.
- La « brique » de base qui constitue les protéines est l’acide aminé.
Les protéines
R
CCOO-
NH3
+
H
Sauf pour la glycine, on distingue pour chaque acide aminé 2 énantiomères (C de configuration absolue R ou S).
Les protéines
Les acides aminés sont des composés amphotères, ils peuvent se composer comme un acide (donneur de H+) ou comme une base (accepteur de H+).
NH3+ C H
R
COOH
NH3+ C H
R
COO-NH2 C H
R
COO-H+ H+
cation zwitterion anion
pH acide pH neutre pH basique
H+ H+
K1 K2
La structure tertiaire de certaines protéines est stabilisée par la formation de ponts disulfures (-S-S-) qui s’établissent entre 2 cystéines.
C
CH
O
NH
CH2SH
C
CH
O
NH
CH2SH+C
CH
O
NH
CH2S
C
CH
O
NH
CH2S
+ H2
Les protéines
Les protéines
Les protéines
II.1.a: Mécanisme de l’activité enzymatique
Les protéines / Enzyme
Les protéines / Enzyme
Classification « officielle » des enzymes:
- classe 1: oxydo-réductase (échanges d’e- ou de H-)
- classe 2: transférase (ajout d’un groupement)
- classe 3: hydrolase (coupent par addition d’eau)
- classe 4: lyases (coupent avec apparition d’une double liaison ou au contraire ajoutent un groupement à une double liaison
- classe 5: isomérases (isomérisent le substrat)
- classe 6: ligases ou synthases (lient une autre molécule au substrat. Souvent en liaison avec l’hydrolyse d’ATP, ce qui fournit de l’énergie)
Les protéines / Enzyme
OOO
H
Milieu environnant
OOO
R1 ¨
OH
O
Asp52
Glu35
¨OO
OR1¨
O
O
Asp52
Glu35
¨C
+
OO
HO
H
OH R1
E OH R1
+
Asp32
Asp215
C O
O
C O
O
H
- HO
H
CO
NHR'
R
Asp32
Asp215
C O
O
H
C O
O
OHC
NHR' R
OH
-
Asp32
Asp215
C O
O
C O
O
H
-O
CN R
OHH
R'H
Asp32
Asp215
C O
O
H
C O
O
OC
OH
R
- NH2R'
Les protéines / Enzyme
OH2C
O
POH
O
OR
Base
O
Im H
His - 119
Im
His - 12
NH3
Lys - 41
OH2C
O
PO
O
Base
O
H ImHis - 12
N NH
Im = Imidazole
HO
RIm
His - 119
N NHH
Im H = Imidazolium
Les protéines / Enzyme
Enzyme ribonucléase
OH2C
O
P OO
OR
Base
OH
Im H
His-119
Im His-12
OH2C
O
P OHO
OR
Base
O
Im
His-119
H ImHis-12
NH3
Lys - 41NH3
Lys - 41
OH2C
O
P OH
HO
OR
Base
O
Im
His - 119
Im
His - 12
Lipides / membranes
II.2. Lipides / membranes
COO
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadecanoic acid anion
COOH
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH
HC
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadec-9-enoic acid
COO
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH
HC
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadec-9-enoic acid anion
C
C
C H
H
H
H
H O
HH
O
H
H
O
H
H
O
H
H
OH
H
O
H
H
OH
H
OHH
OH H
OHH
O
H
HO
HH
OHH
O
H
H
O
H
H
O H
H
COOH
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadecanoic acid
Ce sont des molécules insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques (chloroforme, éther …).
Leurs rôles sont nombreux:
- stockage d’énergie ou de vitamines liposolubles dans les graisses
- rôle structural dans les membranes biologiques
- transport de l’information (hormones)
- vitamines impliquées dans la catalyse de réactions enzymatiques
Lipides
Les lipides contenant des acides gras:
Ce sont les lipides majoritaires. Comme leur nom l’indique ils sont composés d’acides gras.
Les acides gras sont des acides organiques à longue chaîne hydrocarbonée (4 à 24 C)
chaîne hydrocarbonée(ou aliphatique)
fonction acide déprotonée à pH 7
CH3 CH2 COO-n
partie hydrophobe partie hydrophile
molécule amphiphile
Lipides / membranes
Les acides gras comportent en général un nombre pair de carbones (le plus souvent 16 ou 18).
COOH
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadecanoic acid
Si un acide gras ne présente pas de double liaison on dit qu’il est saturé.
Si il présente une ou plusieurs double liaisons il est insaturé.
COOH
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH
HC
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H2C
CH2
H3C
Octadec-9-enoic acid
Lipides / membranes
Dans les acides gras naturels, la conformation de la double liaison est de type cis.
Ceci induit une courbure rigide de la chaîne aliphatique.
HH
H
H
Lipides / membranes
cis
trans
Propriétés physiques des acides gras: micellisation
Les acides gras sont amphiphiles, ils ont une partie polaire et une partie apolaire. Plus la partie apolaire est longue et moins les acides gras sont solubles dans l’eau.
S’ils sont en concentration suffisante, les acides gras vont spontanément s’organiser en micelles.
Dans cette structure les parties hydrophobes s’associent entre elles et seules les parties polaires des acides gras sont au contact de l’eau.
Lipides / membranes
Lipides / membranes
tête polaire (Hydrophile)
queue non polaire (Hydrophobe)
monomère
micelle
Principe de formation d'une micelle(La couleur bleue symbolise l'eau)
Lipides / membranes
Lipides / membranes
Propriétés des membranes biologiques:
- Les membranes constituent une barrière sélective qui permet de compartimenter les cellules biologiques. La partie médiane de la membrane étant hydrophobe, elle est imperméable à toutes les molécules hydrophiles (ions, sucres…).
Ceci permet le maintien de compositions différentes spécifiques des milieux intracellulaires ou intra organites.
- Les membranes biologiques sont fluides. Leur cohésion est assurée par des interactions de faible énergie (principalement hydrophobes). Les molécules qui constituent ces membranes sont donc libres de diffuser et sont en mouvement constant.
Lipides / membranes
Ce sont des molécules que l'on retrouve dans tout le règne animal. Elles
portent l'information génétique à partir de laquelle seront synthétisées
toutes les protéines de la cellule (stockage d'informations).
Les nucléotides sont aussi impliqués dans le stockage de l'énergie et dans
le transport d'informations.
II.3. Acide nucléique
Acide nucléique
Acide nucléique/ ADN
Acide nucléique/ ADN et ARN
O
OH
OH
BaseC-5
C-2
C-5
C-3
OBase
OH
HO
Acide nucléique / ADN et ARN
ADN naturel est polymérisé par liaisons phosphate et
oxygène à C-5 et C-3
ADN non naturel est polymérisé par liaisons phosphate et
oxygène à C-5 et C-2
Acide nucléique/ gènes
• Chimie bioorganique et futur• mille problèmes sans solution
- organismes de mer
- formations de structure chimique
- mécanisme de mémoire humain et particulièrement effet de synthèse des protéines
- détermination des gènes par les nucléotides
- ………
• Chimie médicale
Cancer, Agent antiviral, Agent antibactérien, Maladies de cœur, Obésité, Défaut génétique, Diabète, Arthroses, Elzeimer,…
Conclusion
III. Conclusion
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