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