Pour les étudiants du cours de Biochimie de 1e année de l'Université de Neuchâtel:

Ces textes résument les notions à connaître sur les différentes classes de molécules. La structure des molécules dont le nom est en gras doit être connue.

Glucides
Protéines et acides aminés
Lipides
Nucléotides et acides nucléiques


LES GLUCIDES

Les glucides (sucres, hydrates de carbone, parce que leur formule est (CH2O)i (où i est au moins 3) forment un groupe de composés très important, qui se trouvent sous des formes diverses dans tous les organismes vivants. Du point de vue chimique, on peut définir les glucides comme des polyhydroxyaldéhydes ou des polyhydroxycétones ou encore des polymères susceptibles de libérer ces mêmes composés par hydrolyse.

Il existe aussi des dérivés de sucres tel que des sucres-alcools (par ex. glycérol, inositol), sucres-acides (par ex. acide glucuronique), désoxysucres (par ex. désoxyribose), sucres aminés (glucosamine) et même une vitamine (vit. C, acide ascorbique). L'acide N-acétylneuraminique (sialique) est un important déterminant de surface des protéines extracellulaires humaines.

On distingue 3 classes de glucides selon leur degré de polymérisation :

a) les monosaccharides: la classification des monosaccharides repose, d'une part sur le nombre d'atomes de carbone (triose, tétraose, etc), d'autre part sur la nature de la fonction réductrice (aldose, cétose). Les plus répandus possèdent 5 ou 6 atomes de C (pentoses et hexoses). Le D-glucose (un aldohexose) est certainement le plus important puisqu'il est utilisé par la plupart des cellules vivantes comme source préférée d'énergie. D'autres monosaccharides importants sont le glycéraldéhyde, le dihydroxyacétone, le ribose, le galactose, le fructose. Les sucres sont optiquement actifs. On trouve en général des sucres D plutôt que L (par ex. D-glucose). Les monosaccharides ont tous un groupe réducteur, qui peut former spontanément (et réversiblement) une liaison (hémiacétal ou hémicétal) avec l'une des fonctions hydroxyles, formant une structure cyclique. Les cycles à 6 atomes sont des pyranoses, les cycles à 5 atomes des furanoses. Il y a deux conformations possibles (anomères): a et b (par.ex. b—D-glucopyranose, a-D-ribofuranose).

b) les oligosaccharides (di-, tri-, tetra-, etc) contiennent de 2 à 10 molécules d'un monosaccharide jointes par une liaison glycosidique, impliquant le groupe réducteur d'au moins un monosaccharide et l'un des groupes alcool ou réducteur d'un autre sucre. Le groupe réducteur impliqué dans la liaison est bloqué et ne réagit plus dans les tests de réduction. Dans le saccharose, les groupes réducteurs se bloquent réciproquement, ce sucre n'est donc pas réducteur. Par contre, maltose et lactose sont réducteurs.

c) les polysaccharides: contiennent de longues chaînes linéaires ou réticulées d'unités monosaccharidiques. Ils servent soit de réserve (amidon = amylose + amylopectine, glycogène, polymères de glucose), soit de polysaccharides structuraux tels que la cellulose (polymère de glucose), la chitine (polymère de N-acétylglucosamine) et autres composants des matrices extracellulaires (héparane), ou parois (pectine, hémicellulose, etc).

Liaisons à d'autres molécules

Les composés contenant un sucre lié à une autre molécule sont des glycosides (pour le glucose des glucosides). Des sucres sont ainsi incorporés dans des lipides (phosphatidylinositol, gangliosides, glycolipides), à des (glyco-)protéines (glycannes liés soit à une asparagine par une liaison N-glycosidique, soit à un groupe alcool par une liaison O-glycosidique). Les glycoprotéines sont en général extracytosoliques.

Le (désoxy-)ribose fait partie de l'acide (désoxy-) ribonucléique (ADN ou ARN) et des nucléotides (par ex. ATP).


PROTEINES ET ACIDES AMINES

Les protéines sont les macromolécules les plus abondantes de la cellule animale, constituant 50% ou plus de son poids sec. L'hydrolyse acide de ces macromolécules libère les acides aminés (ou aminoacides) qui les constituent.

Les acides a-aminés comportent une fonction carboxyle (acide) et une fonction amine primaire en position a par rapport au carboxyle. Puisque ils contiennent des groupements acides et basiques, ils sont considérés comme des ampholytes : en milieu acide, ils réagissent comme une base ; en milieu alcalin, ils réagissent comme un acide (zwitterion) . A pH neutre leur groupe carboxyle est chargé négativement, le groupe aminé positivement. La chaîne latérale (ou reste, ou résidu R) peut aussi contribuer une charge à pH 7. Les a.a. pouvant donner ou accepter un proton dans leurs conditions locales de pH sont souvent impliqués dans l'activité enzymatique.

Les acides aminés peuvent être classés selon la polarité de la chaîne latérale.

On distingue 5 classes principales (aux pH 6.0-7.0, zone des pH intracellulaires)

1) Les a.a. non-polaires ou hydrophobes (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Phe, Trp, Pro, Met)
2) Les a.a. polaires
non-chargés ( Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr)
3) Les a.a. polaires acides
avec charge négative (Asp, Glu)
4) Les a.a. polaires basiques avec charge positive (Lys, Arg, His)

En outre, certains a.a. sont aromatiques (Phe, Trp, Tyr). La Gly, n'ayant pas de chaîne latérale, est difficile à classer.

Structure des protéines

1) structure primaire: séquence des aminoacides reliés par des liaisons peptidiques formant la chaîne peptidique, un polymère non ramifié. La structure primaire est un texte linéaire allant du N-terminal au C-terminal, écrit en 20 lettres (par ex. ATGFDSKLNLVT)

2) structure secondaire: structure spatiale locale du polypeptide, déterminée par des interactions faibles (ponts H) entre atomes des liaisons peptidiques (C=O···H-N): hélice a, feuillet b, coude b , triple hélice du collagène).

3) structure tertiaire: structure globale de la chaîne peptidique, déterminée par les interactions surtout entre chaînes latérales, par ponts salins, pont H, ponts disulfures, interactions de van der Waals, mais aussi par l'effet hydrophobe. Un grand polypeptide forme des domaines. Pour sa fonction, une potéine a souvent besoin de cofacteurs (ion métalique, groupe prosthétique souvent dérivé d'une vitamine)

4) structure quaternaire: arrangement spécifique de plusieurs chaînes peptidiques identiques ou différentes.

Les structures secondaire, tertiaire, etc. peuvent être désorganisées sans qu'une liaison peptidique soit rompue, uniquement par rupture de liaisons faibles. Ce phénomène s'appelle la dénaturation. La dénaturation peut être provoquée par une variété d'agents physiques ou chimiques tels que : chaleur (cuisson), UV, variation du pH, détergents, solvants, etc.

Au point isoélectrique (pI), les a.a et les protéines ont une charge nette égale à 0. Ils ont une solubilité minimale. A un pH plus bas ils sont positifs, à un pH plus haut ils sont négatifs.


LES LIPIDES

Les lipides sont groupés à cause de leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques. On distingue les glycérides, les phospholipides, les sphingolipides, les stéroïdes, les terpènes.

Les acides gras libres n'existent dans les cellules et les tissus que sous forme de traces, mais en grande quantité sous forme d'esters. Il ont pour formule générale : CH3(CH2)nCOOH. Leurs sels de Na+ et K+ sont amphipathiques et forment des micelles (savons). Les acides gras les plus communs contiennent 12 (ac. laurique ou laurate) , 16 (ac. palmitique), 18 (ac. stéarique) atomes de carbone. Les acides gras peuvent être insaturés, soit posséder une (ac. oléique C18:1) ou plusieurs doubles liaisons (ac. linoléique C18:2). Les ac. gras insaturés (liaisons doubles en cis) sont liquides à température basse. Les acides gras polyinsaturés sont essentiels dans notre alimentation. Chez les animaux, l'ac ac. arachidonique (C20:4) est le précurseur des prostaglandines, chez les plantes, l' ac. linolénique (C18:3) est le précurseur des oxylipines (par ex. ac. jasmonique), des molécules messagères pour l'organisme.

Les esters de glycérol et d'ac. gras sont des triacylglycérides ou (tri-)glycérides. Ils constituent une réserve d'énergie. Ils sont hydrophobes, liquides (huiles) ou solides (graisses) à température ambiante, selon leur teneur en ac. gras insaturés. Les cires sont des esters d'ac. et d'alcools gras.

Dans les phospholipides (phosphoglycérides) l'un des groupements hydroxyles primaires de la glycérine est estérifié par de l'acide phosphorique, lui-même estérifié à une autre substance hydrophile, par ex. choline (phosphatidylcholine ou lécithine), sérine (phosphatidylsérine). Le phosphatidylinositol est le précurseur de plusieurs messagers secondaires (diacylglycérol, inositol-polyphosphates).

Les sphingolipides ressemblent aux glycérides, mais contiennent de la sphingosine au lieu du glycérol et d'un acide gras. Les plus importants sont la sphingomyéline et les gangliosides (contenant plusieurs sucres, dont de l'acide sialique). Le céramide sert aussi de messager secondaire.

Le cholestérol est le stéroïde le plus abondant chez les animaux. Les plantes et les champignons contiennent d'autres stérols. Les stérols sont les précurseurs de nombreuses hormones stéroïdes, des sels biliaires (détergents), de la vitamine D.

Les dérivés de l'isoprène (composé à 5 C) sont appelés terpènes. Ils incluent plusieurs vitamines (A, E, K), des arômes volatils, des alcools (géraniol (C10), farnésol (C15)), le squalène (précurseur des stérols), le caoutchouc.

Les phospholipides et sphingolipides sont amphipathiques. Ils peuvent former une monocouche entre l'eau et l' huile (ou l'air, dans les poumons), ou une bicouche (membrane) entre deux compartiments aqueux. Ces couches se forment par effet hydrophobe et doivent toujours être fluides ("huile d'olive en 2 dimensions, mais beurre dans la 3e dimension"). Les deux couches d'une membrane peuvent avoir des compositions différentes (par ex. phosphatidylsérine dans la couche cytosolique, sphingolipides dans la couche extracytosolique de la membrane plasmique). Les membranes contiennent des protéines intégrales et jusqu'à un tiers de stérol (membrane plasmique). Les sphingolipides et le cholestérol ont tendance à se regrouper latéralement en "radeaux lipidiques". Des protéines peuvent être ancrées dans la couche cytosolique par une queue acyle (ac. gras) ou prényle (par. ex. farnésyl), dans la couche extracytosolique par une ancre GPI (glycosylphosphatidylinositol).

Les triglycérides et le cholestérol sont transportés dans le sang sous forme de lipoprotéines.


NUCLEOTIDES ET ACIDES NUCLEIQUES

Les nucléotides sont formés d'un sucre, d'une base azotée et d'au moins un phosphate (sinon il s'agit d'un nucléoside). Le sucre est en général le ribose ou le désoxyribose (désoxynucléotide). La base est en général une purine bicyclique (adénine dans l'adénosine A, guanine dans la guanosine G) ou une pyrimidine monocyclique (cytosine dans la cytidine C, uracil dans l'uridine U et thymine dans la thymidine T) liée au C-1 du sucre par une liaison glycosidique. A part leur fonction de précurseurs pour les acides nucléiques, les nucléotides triphosphates sont aussi des transporteurs d'énergie chimique et donneurs de phosphate pour les kinases (ATP, GTP), des précurseurs de messagers secondaires (cAMP, cGMP) et font partie de plusieurs cofacteurs importants (coenzyme A, NADH, FMN, FAD). Il servent aussi à activer chimiquement des sucres (en général UTP).

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides liés par leur phosphate en position 5' et 3' du (désoxy-)ribose. L'acide désoxyribonucléique (ADN) est le matériel génétique de la cellule. Chaque molécule d'ADN est composée de deux brins complémentaires antiparallèles fixés en forme de spirale double par des ponts hydrogènes entre les bases (2 ponts entre A et T, 3 entre C et G). Chez les eucaryotes l'ADN est emballé dans le noyau sous forme de chromatine, dont l'unité de base est le nucléosome. Chaque molécule d'ADN constitue un chromosome. Chez les bactéries l'ADN est aussi emballé et compacté par des protéines.

L'acide ribonucléique (ARN) est constitué en plus grande partie de simples brins. L'ARN contient de l'uracil au lieu de la thymine. On distingue 4 types distincts d'ARN dans les cellules : L'ARN messager (mRNA), l'ARN de transfert (tRNA) l'ARN ribosomal (rRNA) ainsi que les petits ARN nucléaires (snRNA). L' mRNA sert d'intermédiaire (copie de travail) pour transmettre l'information génétique du chromosome aux protéines. Les rRNA constituent la majeure partie des ribosomes, où ils ont des fonctions catalytiques et structurelles pour la synthèse des polypeptides. Les tRNA sont liés à un acide aminé qu'ils apportent au ribosome. Ils sont les vrais traducteurs en couplant un acide aminé donné à un anticodon précis. Les snRNA jouent un rôle dans les réactions d'épissage des mRNA, la maturation des rRNA, etc.