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Les principaux atomes des macromolécules
-Carbone-Azote-Oxygène-Souffre-Hydrogène-Phosphore-Calcium-Chlore-Iode-Fer-Magnésium-Potassium-Sodium
+ oligoélément: le chrome, le cobalt, le cuivre, le fluor, le manganèse, le molybdène, le sélénium, le silicium, l'étain, le vanadium et le zinc.
Tableau périodique
Pour former une macromolécule les différents atomes interagissent entre eux.
Il y a différents types d'énergies.
Energies d'interactions
-interaction de Van de Walls (~0.4-4 kJ/mol) -liaisons covalentes (~300 kJ/mol)-liaisons ioniques (~20 kJ/mol)-interactions dipolaires-liaisons hydrogène (~12-30 kJ/mol)-Interactions hydrophobe (~12-15 kJ/mol)
Interaction de Van Der Walls
L'interaction de Van Der Waals
Un atome est composé d'un noyau (+) et d'un nuage électronique (-)
Lorsque que 2 atomes s'approchent. Il y a une répulsion entre leurs nuages électroniques.Potentiel répulsif en 1/r12
Lorsque que 2 atomes s'éloignent, il y a une attraction (dipolaire) en 1/r6
612)(
r
b
r
arE
Le rayon de Van Der Waals correspond à la distance minimale d'approche de 2 molécules
Au final attractifrépulsif
Elément RWD (Å)
H 1.20-1.45
C 1.65-1.70
N 1.55
O 1.5
F 1.5-1.6
Cl 1.7-1.9
P 1.85
S 1.8
Chaque éléments à un rayon de Van Der Waals qui peut varier
RWD C'est le volume occupé par un atome sans liaisons
La liaison covalente
Une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle chacun des atomes liés met en commun un ou plusieurs doublets d'électrons de ses couches externes. C'est ce qui produit l'attraction mutuelle entre atomes.
La liaison covalente
La nature de ces liaisons (hybridation) va influencer l'énergie et la géométrie de ces liaisons (angles, longueurs)
Les différentes hybridations du carbone
Le carbone possède 6 électrons: 1S2+2S2+2P2
Il manque 4 électrons pour compléter la dernière couche
Hybridation SP3
Structure tétraédrique
Ex méthyle
Hybridation SP2
Plan trigonal 3 liaisons et une liaison
Pas de rotations possible autour de la liaison
Hybridation SPlinéaire
C C
C C
2 laissons et 2 liaisons
Pas de rotations possible autour de la liaison
Le carbone peut faire 4 liaisons
éthylène
éthyne ou acétylène
Les différentes hybridations de l'azote
L'azote possède 7 électrons: 1S2+2S2+2P3
Il manque 3 électrons pour compléter la dernière couche
Hybridation SP3
Doublet non liant
ammoniac ammonium
La résonance impose la planarité
N
C
H
O
Hybridation SP2
plan N=C
H
Doublet non liant
Hybridation SPlinéaire
N C
L'azote peut faire 3 liaisons et partager son doublet non liant avec un accepteur (base)
Les différentes hybridations de l'oxygène
L'oxygène possède 8 électrons: 1S2+2S2+2P4
Il manque 2 électrons pour compléter la dernière couche
Hybridation SP3
tétraédriqueO
H H107°,5
2 doublets non lianteau
Ion hydronium
[ O-H]-
Ion hydroxyde
Hybridation SP2
Plan trigonal C=0
Groupe carbonyle
2 doublet non liant
L'oxygène peut faire jusqu'à 2 liaisons et partager son doublet non liant avec un accepteur (base)
Hybridation SPlinéaire
C O- +
Monoxyde de carbone
Les différentes hybridations du souffre
Le soufre possède 16 électrons: 1S2+2S2+2P6+3S2+3P4+3dIl manque 2 électrons pour compléter la dernière couche.A cause des orbitales 3d c'est une molécule hypervalente
S
O
O
O
O
2-sulfate
Hybridation SP3
tétraédrique S
Attention sulfoxyde et sulfone
SP3 et tétraédrique
S
O
OO
Sulfite SO3
Hybridation SP2
Plan trigonal
en fait: résonance
O1 S
O2
O3
O1 S
O2
O3
O1 S
O2
O3
Attention SO32- S
O
OO
2- SP3 tétraédrique
Le souffre peut faire jusqu'à 6 liaisonsmalgré une valence de 2
Hexafluorure de souffreBipyramide tétragonaleHybridation d2sp3
Les différentes hybridations du phosphate
Le phosphate possède 15 électrons: 1S2+2S2+2P6+3S2+3P3+3dIl manque 3 électrons pour compléter la dernière couche
Hybridation SP3
tétraédrique P
O
O
O
O
3-
Le phosphate peut faire jusqu'à 6 liaisons malgré une valence de 2
P
O
O-
O-
O-
P
Cl
Cl
ClCl
Cl
Pentachlorure de phosphorebipyramide trigonale
Hybridation dsp3
Exemples de longueurs et d'énergie de liaisons
Liaison longueur énergie
Å kJ/mol
C-H 1.09 411
C-C 1.54 348 C=C 1.4Å 614 C=C 1.2Å 839
C-N 1.47 308
C-O 1.43 360 C=O 1.2Å 799
C-S 1.82 272
N-H 1.01Å 386
N-O 1.4Å 201
O-H 0.96 459
S-H 1.34 363
P-O 1.63 335
L'énergie de liaison est de plusieurs centaines de kJ/mol.L'énergie augmente avec la valence et l'électronégativité.Inversement, la longueur de la liaison diminue avec la valence et l'électronégativité.
Ces valeurs peuvent changer avec les phénomènes de résonance (ex benzène), ou de l'environnement chimique (atome voisin), des torsions géométriques …
-
Mésomérie
Dans certains cas, il n'est pas possible de représenter une molécule sous une forme unique à cause de la délocalisation des électrons. On ne peut représenter que les formes limites.
Ex benzène
La liaison peptidique N
C
H
O
CC
N
C
O
CC
+
-
H
Ces 2 formes limites expliquent la planarité de la liaison peptidique
Ex phosphate tribasique [PO4]3-
Cella permet de stabiliser des charges
L'effet mésomère peut imposer des contraintes géométriques et stabiliser des molécules
Beaucoup de colorant possèdent des formes mésomères
Tautomérie
La tautomerisation est la migration d'un atome d'hydrogène accompagné d'un changement de localisation d'une double liaison ce qui conduit à un autre isomère avec des propriétés chimiques différentes.Il ne faut pas confondre l'effet mésomère = délocalisation d'électrons et l'effet tautomère = déplacement d'un atome d'hydrogène
Cette réaction a besoin d'être assistée (base, acide)
On retrouve la tautomerisation dans les différentes bases de l'ADN
Les interactions ioniques
Interaction électrostatique
Une particule chargée génère un champs électrique.
ur
qE
r
2
04
1
PermittivitéDépend du milieu
Décroit en 1/r2
Une particule chargée dans un champs électrique subie une force F=qE (force de coulomb)L'interaction entre 2 particule chargées q1 et q2 est donc:
+q
r
qqU
ur
qqF
r
r
2.1
4
1
2.1
4
1
0
20
+q -q
Répulsif pour 2 charges de même signeAttractif pour 2 charges de signe opposéLa force décroit en 1/r2
La liaisons ioniques(~20 kJ/mol)
Dans les macromolécules, il y a des groupes chargés.Ions, guanidinium, amine, carboxylate, métaux,…
Ces groupes chargés vont interagir entre eux grâce à la force de Coulomb.
e = charge d’un électronZn = nombre des charges portées par atomerAB = distance entre les atomesD constante diélectrique
Interaction ionique entre 2 atomes
ZA • ZB • e2
D • rABE =
Force à longue distance (1/r2) et non directiveDépend de la nature du milieu, solvant, force ionique, ….
D>1 (vide)
Dans les liquides: 2 < D < 110H2O : D= 80Dans la protéine: D=4
9109
Ponts salins
Ex Groupe carboxylique (asp, glu) et ammonium (lys)
C
O
O
- NH3+
liaisons ioniques avec un métal.
Coordination 4
Coordination 5
Plan carrététraédrique
Bipyramide trigonale Pyramide à base carré
Les ions sont fixés par des des ligands de charge opposé.
La coordination des métaux dans les protéines varie en général de 4 à 6.
Ils obéissent à une géométrie qui tend à minimiser les répulsions électrostatiques entre les ligands de même charge
Coordination 6La plus répandue
octaédrique
La coordination, les distance et la nature des ligands, peuvent aider à déterminer la nature du métal (difficile)
Les interactions électrostatiques seront affaiblies dans -les solvant avec des grande constante diélectrique (D) -dans des tampons de sels (grande force ionique).
Le pH est très important car il modifie les charges des groupement ionisables.
Le pKa est influencé par:-nature du solvant (constante diélectrique)-force ionique-environnement électrostatique
Les interactions dipolaires
Le dipôle électrostatique
un dipôle électrostatique est un ensemble de deux charges opposées -q et +q séparée d'une distance a
est le moment dipolaire
L'unité est le Debye
Une unité de charge d’un électron séparé par 1 Å induit un moment dipolaire de 4.8 Debye.
Le dipôle crée un champs électrique
Contrairement au champs crée par une charge unique, Le Champs électrique créé par un dipôle n'est pas isotrope.De plus il diminue beaucoup plus rapidement avec la distance (1/r3)
P
Un dipôle tend à s'orienter dans un champs électrique
-q +qE
F
FP
EP
L'eau possède un moment dipolaire. Dans un champs électromagnétique. Les molécule d'eau vont s'orienter et tourner. Application le micro-onde
L'électronégativité
Certains atomes sont plus électronégatifs que d'autres. Dans une liaison, ils vont avoir tendance à attirer des électrons. Il y aura par conséquent la création d'une charge partielle négative (-) et positive (+), soit un dipôle.
Valeurs d’électronégativité pour quelques atomes:
O 3.45N 2.98C 2.55S 2.53H 2.15
Exemple de dipôles
C-OH, C=O, C-N, C=N, O-H,N-H…
La molécule d'eau
OH H
+ +
-
P Moment dipolaire, 1.83 D
Ces dipôles peuvent stabiliser des charges
-
+
+
Zn2+
Dipôle induitCertains groupes peuvent devenir des dipôles sous l'effet d'un champ électrique.
Ex benzène E
+-
Ces dipôles interagiront favorablement en "stacking" en s'induisant mutuellement
Ex benzène, bases azotées des acides nucléiques
Interaction des orbitales
La liaison hydrogène
Un atome d'hydrogène lié avec un atome électronégatif (donneur) va former un dipôle.(ex O-H, N-H).
D H- +
Ce dipôle va pouvoir interagir avec un autre dipôle formé par un atome électronégatif (accepteur). (ex C=0, C=N-C)
A+ -
- D — H A- + - +
La liaison hydrogène
Liaison hydrogène
La composante principale de cette interaction est électrostatique. Mais il existe aussi un caractère covalent entre H et A (partage de l'atome d'hydrogène entre le donneur et l'accepteur). Cette énergie est environ 20X moins importante que celle d'un liaison covalente (~12-30 kJ/mol).
L’énergie et la longueur de la liaison dépend des valeurs d’électronégativité des partenaires.
La distance entre le donneur est l'accepteur peut varie de 2.5 à 3.2 Å (2.8 en moyenne).C'est plus court que les contacts de Van der Walls Ex
- D — H A
2.8 Å
- O — H O
2.8 Å
VDW 1+1.2+1.5=3.7 Å
La liaison hydrogène est une interaction directive
L'énergie de la liaison hydrogène est maximum lorsque les trois atomes impliqués D-H…A sont colinéaires. Et que la liaison H...A suive l'hybridation de l'orbitale de A (accepteur).
Ex:
-C=O
HO Alignement
Direction
Longueur
Un atome peut être impliqué dans plusieurs liaisons hydrogène
Ex
O
HN
HN
C
Les liaisons hydrogènes peuvent modifier le pKa d'un groupe
SH
O=
En stabilisant l'atome d'hydrogène, on augmente le pKa du thiol
S-
O
H
En interagissant favorablement avec la forme déprotonné.On abaisse le pKa du thiolate
L'eau
La molécule d'eau est à la fois un donneur et un accepteur de liaison hydrogène
O
H H 2 donneurs
2 accepteurs
Grace à ses propriétés l'eau est un excellent solvant pour les molécules polaires (qui sont capables de former des liaisons hydrogène) et pour les sels (dipôles).
104°
La glace
Chaque oxygène forme un tétraèdre.donnant 2 hydrogènes et acceptant 2 hydrogènes
On peut noter que la structure est loin d'être compacte.
C'est pour cette raison que la glace flotte
Eau liquide
L’eau liquide a une structure en groupe de molécules (cluster) liées par un réseau de liaisons-H en fluctuation.
Le temps de vie d’une liaison-H dans le cristal de glace est 10 –5 s mais dans l’eau 10-11 s.
L’énergie de la formation des liaisons-H suffit pour donner à l’eau des qualités physiques remarquables.
L’eau est polaire mais durement polarisable. Grande constante diélectrique de 80 à 25°C.
Un clathrate
La solubilité
Le caractère polaire de l'eau et sa structure relativement ordonnée déterminent les propriétés de l’eau comme solvant.
Lorsque qu'on ajoute une molécule. L'eau doit se réorganiser autour de la molécule (S diminue, défavorable) et on a une perte d'énergie en brisant les liaisons hydrogène de l'eau.
La solubilité dépend de la compensation de ces effets avec des effet favorable (liaisons-H avec des groupes polaires ou des interactions dipolaires avec des charges).
Par conséquent, les molécules apolaires sont très défavorables
Bilan d’énergie : G = H - S (avec S = T • S0)
Perte d’interactions eau / eau -> défavorable (H > 0)
Création d’un cavité :
Introduction d’une molécule dans cette cavité :
Interactions VDW et polairesfavorables
Réorganisation des molécules d’eau (structure clathrate)
S très défavorable
Interactions hydrophobes
Les molécules non-polaires n’interagissent pas d’une façon favorable avec l’eau. Les interaction VDW sont présentes mais elles ne suffisent pas pour compenser les interactions favorables eau/eau. Il n’existe pas une répulsion entre les molécules d’eau et les molécules hydrophobes, mais il existe une perte d’interaction favorable, qui existait avec une molécule polaire à sa place.Pour réduire l’effet négatif sur le bilan d’énergie dans l’eau, les molécules non-polaires cherchent à interagir avec d’autres molécules non-polaires et à réduire la surface exposée au solvant polaire.
Ce sont des interactions hydrophobes
Pour les molécules hydrophobes :
+ +
S favorable : On ne perd pas grand chose au niveau des interactions, mais les molécules d’eau sont plus libres.
Principe du repliement des molécules : création d’un noyau hydrophobe. La formation de ce noyau est codée dans la séquence primaire avec des résidus hydrophobes.
+
Les interactions hydrophobes sont très importantes pour garder la stabilité d’une protéine. Les liaisons-H peuvent s’échanger avec des molécules d’eau. Si elles étaient les seules interactions responsables de l’intégrité de la protéine cette dernière risquerait de se dissoudre = > dénaturation.
Il est difficile de modéliser les interactions hydrophobes car elles sont d'origine entropique.
Elles dépendent de la nature et de de la surface. Les forces induites par l’effet hydrophobe ne sont pas directrices (contrairement à la liaison hydrogène).
La force ionique renforce les interactions hydrophobe.Les interactions hydrophobes sont plus stables à haute température
Environ 12-15kJ/mol (pour exposer un groupe méthyle)
Solvation d'un cristal de sel ?
Les acides est les bases
L'eau H2O est capable de se dissocier en acide et en base (amphotère).
Ion hydronium (acide)
Ion hydroxyde (base)
Un acide est une espèce capable de donner un protonUne base est une espèce capable d'accepter une base
L'eau est en équilibre
Définition du pH
[H3O+] .[OH-]=Ka=10-14
2H2O H3O+ + OH-
pH =-log10 [H3O+]
On désigne le pH en fonction de la concentration d'ions hydroxydes.A pH acide, il y a peu d'ions hydroxydes
Dans l'eau, chaque couple acide/base faible possède leur propre constante d'équilibre
HA A- + H+
base
acide
AH
HAKa
.
par conséquent
A
AHpKapH
pHA
AH
HA
AHKapKa
10
10
101010
log
log
logloglog
(Ka)
A pH=pKa, il y a 50% de forme acide et 50% de forme basique
Le pouvoir tampon.
pKa
pH
% acide
A
AHpKapH 10log
Autour du pKa, la solution est stable à la variation de pH:(Dilution, ajout de base ou d'acide)
Relation entre le Pka et l'énergie
HA A- + H+ (Ka)
R=8.3 J · K-1 · mol-1
T température
...3.2 TR
GpKa
eKa RT
G
Equation de Boltzman
G énergie libre
Si on change l'énergie libre, on change le pKa du groupe.
Pour changer le pKa d'une unité, il faut changer l'énergie libre d'environ 6kJ/mol (soit environ 1 liaison hydrogène).
Les facteurs qui peuvent influencer le pKa:Liaison hydrogèneLiaisons ioniquesChamps électrostatiqueConstante de permittivité (accessibilité au solvant)
Il est difficile de prédire par calcul le pKa des acides aminés dans une protéine
pKa en fonction de l'espèce chimique
Le carbone ne possède pas de doublet non liant et n'est électronégatif. -Il est difficile de protoner ou de déprotonner un atome de carboneEx méthyle (CH4) pKa=48.On peut rendre le carbone plus électronégatif avec ses voisins (c'est toujours un mauvais acide)
L'oxygène est électronégatif et possède en général 2 doublets non liants.H2O/H3O+: pKa=0 l'eau est une mauvaise baseH2O/OH-: Pka=14 l'eau est un mauvais acide-Les alcools (OH) ont en général un pKa >9. Très mauvais acide (ser, thr, tyr)-Groupe carboxyle (COOH) pKa 4-5. Bon acide (asp, Glu)
L'eau est un mauvais acide et une mauvaise base. C'est pourquoi, une molécule d'eau devra être activée par la protéine
pour être réactive (catalyse acide au basique)
Le souffre est un peu électronégatif et possède 2 doublets non liants-Thiol (S-H) pKa=8. Mauvais acide (ex cystéine)
L'azote est électronégatif et possède en général un doublet non liant-Groupe ammonium (NH4
+ ) Pka=9. c'est une bonne baseGrace à son doublet non liant, l'azote est une bonne base lys=pKa=10, Arg Pka=12.5-le groupe imidazole est un acide et facilement une base: histidine (pKa=6.0).C'est un acide aminé crucial en enzymologie
Si l'atome est impliqué dans une délocalisation, la charge forméeest stabilisé Ex:Le pKa diminue pour le groupe carboxyleLe Pka augmente pour le groupe guanidinium
On voit que souvent les acide aminés n'ont pas un pKa adapté pour attaquer un substrat.(afin de rendre les catalyses spécifiques)L'enzyme va créer un environnement favorable pour modifier le pKa.Ex protéase à serine.
Le sulfate
Certains composés ont plusieurs états de protonation
Le phosphate/ acide orthophophorique (triacide).
P
O
OH
OH
OH P
O
O-
OH
OH P
O
O-
O-
OH P
O
O-
O-
O-
pKa=2.1 pKa=7.2 pKa=12.1
phosphate tribasiquephosphate dibasiquephosphate monobasique
Plus difficile à déprotoner à cause des charges
Ion phosphate
A pH physiologique on trouve le phosphate monobasique et dibasique
S
O
O
O-
OH S
O
O
O-
O-
pKa=2
A pH physiologique on trouve seulement le sulfate
Ion hydrogenosulfate Ion sulfate
acide orthophophorique
Autre acide/base
Un acide le Lewis est un composé qui est capable d'accepter un doublet non liantUne base de Lewis est un compose qui est capable de donner un doublet non liant
Par conséquent les métaux Fe2+, Zn 2+, Co2+, … sont de bons acides de Lewis
M2+
OH
H M2+
OH-
+ H+
Active une molécule d'eau (ion hydroxyde=soude)
Les protéines utilisent des métaux pour leur propriété redox ou d'acide le LewisEx protéase à Zn, phosphotriesterases
Ex (M(H2O)6)2+ (M(H2O)5 OH-)2 + H+
Mn (pKa=10.5), Co (pKa=9.8), Ni (pKa=10), Cu (pKa=7.3), Zn (pKa=9), Fe (pKa=6.7)
