UE Biologie – Socle Commun

Biochimie - Acides Aminés et Protéines

I. Introduction à la Cellule et aux Protéines

A. La Cellule : Intégration Spatiale, Structurale et Métabolique

• Intégration spatiale: La cellule est un système extrêmement compacté, rempli de molécules diverses (glucides, lipides, protéines) qui interagissent grâce à leur affinité et leur concentration.
• Intégration structurale: Les membranes sont constituées de lipopolysaccharides, lipoprotéines et peptidoglycanes. Ces associations modifient les propriétés des biomolécules, permettant une multitude de combinaisons avec des activités biologiques différentes.
• Intégration métabolique: Les métabolismes sont interconnectés. Le glucose, par exemple, peut être dégradé pour former des acides aminés, des acides gras ou des précurseurs d'acides nucléiques. Le cycle de Krebs génère également des acides gras, acides aminés et précurseurs de l'hémoglobine.

B. Les Protéines

Les protéines sont des polymères d'acides aminés. Leur nature et leur ordre dans la séquence peptidique déterminent leur structure tridimensionnelle et leurs fonctions.

• Séquence peptidique: Ordre des acides aminés liés entre eux.
• Repliement spatial: L'affinité entre les acides aminés favorise le repliement de la chaîne protéique, rapprochant des acides aminés éloignés dans la séquence. La protéine acquiert ainsi une structure 3D unique.
• Exemple de l'insuline: Hormone globulaire de deux chaînes (A et B) permettant de diminuer le taux de sucre en interagissant avec des récepteurs spécifiques. Son déficit est associé au diabète.
• Rôles polyvalents des protéines:
  • Liaison: Facteurs transcriptionnels (régulent l'expression des gènes).
  • Métabolisme: Hormones (insuline, hormone de croissance).
  • Structure: Actine (fibres musculaires).
  • Catalyseur biologique: Enzymes.
  • Transport: Albumine (transporte hormones et autres composés).
  • Commutateurs de signalisation: Protéines comme RAS (prolifération cellulaire) qui changent de structure entre formes active et inactive.

II. Généralités sur les Acides Aminés

A. Structure Générale des Acides Aminés

Tous les acides aminés protéinogènes, sauf la proline, sont des alpha-acides aminés. Ils possèdent un carbone α tétraédrique lié à quatre groupes différents :

• Un groupe carboxyle (COO^- à pH physiologique).
• Une fonction amine (NH₃⁺ à pH physiologique).
• Un atome d'hydrogène (H).
• Un groupe R (chaîne latérale) : c'est ce groupe qui confère à chaque acide aminé ses propriétés spécifiques.

Rappels de Chimie:

• Fonction acide (COOH): Cède des protons, baisse le pH. À pH physiologique (7,4), elle est déprotonée (COO^-), chargée négativement.
• Fonction amine (NH₂): Capte des protons, augmente le pH. À pH physiologique (7,4), elle est protonée (NH₃⁺), chargée positivement.
• Quand un acide aminé est isolé, ses propriétés dépendent des fonctions carboxyle, amine et de la chaîne latérale R.
• Quand il est inclus dans une chaîne protéique (liaison peptidique étant formée), ses propriétés dépendent uniquement de la chaîne latérale R.

B. Classification des Acides Aminés

• Acides aminés protéinogènes: Il existe 21 acides aminés constituants des protéines.
  • Certains peuvent subir des modifications enzymatiques post-traductionnelles (ex: Proline en Hydroxyproline, Lysine en Hydroxylysine, Cystéine en Cystine par oxydation).
  • Le 21ᵉ acide aminé est la Sélénocystéine (analogue de la Cystéine où le soufre est remplacé par le Sélénium).
• Acides aminés non constituants des protéines: Plus de 300 existants, ils jouent des rôles dans le métabolisme intermédiaire (ex: Citrulline dans le cycle de l'urée).
• Les 9 Acides Aminés Essentiels (Indispensables): L'Homme est incapable de les synthétiser (notamment les noyaux aromatiques et les ramifications). Ils doivent être apportés par l'alimentation.
  • Histidine (HIS)
  • Leucine (LEU)
  • Thréonine (THR)
  • Lysine (LYS)
  • Tryptophane (TRP)
  • Phénylalanine (PHE)
  • Valine (VAL)
  • Méthionine (MET)
  • Isoleucine (ILE)
  • Moyen mnémotechnique: Hystérique Le Très Lyrique Tristan Fait Vachement Méditer Iseult.
• Acides Aminés Non Indispensables: Proviennent des interrelations métaboliques (glycolyse, voie des pentoses phosphates, cycle de Krebs).

C. Chaîne Latérale (Radical R)

La nature de la chaîne latérale R est déterminante pour les propriétés physico-chimiques des acides aminés :

• Elle varie en forme et en taille.
• Elle entraîne une variation de réactivité chimique et physique (acidité/basicité, charge) et de solubilité dans l'eau (polarité).
• Elle permet aux acides aminés de se spécialiser, par exemple :
  • Positionnement à l'intérieur ou à l'extérieur d'une protéine.
  • Présence au niveau du site actif des enzymes.
  • Participation aux sites d'interaction (antigène/anticorps, hormone/récepteur, interfaces lipidique/aqueux).

III. Classification basée sur la Polarité de la Chaîne Latérale

A. Acides Aminés Hydrophobes

• Très faible affinité pour l'eau, très peu solubles.
• Chaîne latérale uniquement composée de Carbone (C) et d'Hydrogène (H), sauf la Proline qui comporte un Azote.
• Très peu polarisés, donc apolaire. Se comportent comme des chaînes de lipides.
• Exemples (à connaître leur structure et nom):
  • Glycine (Gly): Unique AA symétrique sans carbone asymétrique.
  • Alanine (Ala)
  • Valine (Val): Ramifiée, essentielle.
  • Leucine (Leu): Ramifiée, essentielle.
  • Isoleucine (Ile): Ramifiée, essentielle.
  • Phénylalanine (Phe): Aromatique, essentielle.
  • Proline (Pro): Cycle pyrrolidine, iminoacide.

B. Acides Aminés Hydrophiles

• Affinité pour l'eau, solubles dans l'eau.
• Chaîne latérale comportant C et H, mais aussi de l'Oxygène (O), Soufre (S), Azote (N).
• Structure variée, avec des chaînes latérales basiques ou acides.
• Sont polaires (présence de charges +/- à pH physiologique ou de structures très polarisées), permettant des interactions avec l'eau.
• Exemples (à connaître leur structure et nom):
  • Acides:
    • Acide Aspartique (Asp): Acide, contient un groupe COOH supplémentaire.
    • Acide Glutamique (Glu): Acide, contient un groupe COOH supplémentaire.
  • Basiques:
    • Arginine (Arg): Basique, noyau Guanidinium, très hydrophile (6 atomes de C).
    • Histidine (His): Basique faible, noyau Imidazole, peut échanger des protons, souvent dans les sites catalytiques (6 atomes de C).
  • Neutres polaires:
    • Sérine (Ser): Fonction alcool (OH), souvent phosphorylée (phospho-sérine).
    • Thréonine (Thr): Fonction alcool (OH), deux carbones asymétriques.
    • Cystéine (Cys): Fonction thiol (SH), peut former des ponts disulfures.
    • Asparagine (Asn): Fonction amide (-CONH₂).
    • Glutamine (Gln): Fonction amide (-CONH₂).

C. Acides Aminés Amphipathiques (ou Amphiphiles)

• Possèdent à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles.
• Idéaux pour former des interfaces (ex: dans les membranes). "Amphi" = "à la fois l'un et l'autre".
• Exemples (à connaître leur structure et nom):
  • Lysine (Lys): Basique, avec région hydrophobe (4 CH₂) et région hydrophile (NH₃⁺).
  • Méthionine (Met): Essentielle, contient du soufre mais peu polaire (soufre lié à C).
  • Tyrosine (Tyr): Aromatique, non essentielle (sauf en l'absence de Phénylalanine), fonction phénol (OH) polaire et noyau benzénique apolaire. Peut être impliquée dans des réactions d'oxydo-réduction.
  • Tryptophane (Trp): Essentiel, aromatique (noyau indole), fragile, le plus rare des AA. Région hydrophobe (noyau aromatique).

IV. Propriétés Physiques des Acides Aminés

A. Asymétrie et Chiralité

• Carbone α asymétrique: Tous les acides aminés, sauf la glycine, possèdent un carbone α asymétrique (lié à 4 groupes différents).
• Molécule chirale: La présence de ce carbone asymétrique rend la molécule chirale (non superposable à son image dans un miroir).
• Énantiomères: Deux stéréoisomères images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables. Ils ont les mêmes propriétés chimiques et physiques (masse, volume, charge, polarité) mais se comportent différemment dans l'espace. Les enzymes, étant elles-mêmes chirales, reconnaissent spécifiquement un énantiomère.
• Représentation de Fischer:
  • Le groupe -COOH est en haut, la chaîne latérale vers l'arrière.
  • Si la fonction amine (-NH₂) est à gauche, l'AA appartient à la série L.
  • Si la fonction amine (-NH₂) est à droite, l'AA appartient à la série D.
  • Les acides aminés des protéines des végétaux et animaux sont majoritairement de la série L.
  • Les acides aminés de la série D se trouvent dans les bactéries et peptides antibiotiques.

B. Propriétés Optiques (Pouvoir Rotatoire)

• Les molécules asymétriques dévient la lumière polarisée : elles sont optiquement actives.
• Tous les acides aminés ont cette propriété, sauf la glycine (car symétrique).
• Dextrogyre (+): Dévie la lumière vers la droite.
• Lévogyre (-): Dévie la lumière vers la gauche.
• Attention: L'appartenance à la série L ou D ne prédit pas le sens de déviation (un AA de la série L peut être dextrogyre et vice-versa). Le sens dépend de la taille des substituants autour du carbone asymétrique.
• Loi de Biot: Permet de quantifier le pouvoir rotatoire et la concentration d'un AA. $$A^{\circ} = [\alpha]_{\lambda}^{T} \times \ell \times C$$
  • $A^{\circ}$: Rotation observée (degrés).
  • $[\alpha]_{\lambda}^{T}$: Pouvoir rotatoire spécifique (dépend de T° et longueur d'onde $\lambda$).
  • $\ell$: Trajet optique (dm).
  • $C$: Concentration (g/ml).
• Propriétés en solution: Les pouvoirs rotatoires s'additionnent. Ex: Mélange dextrogyre et lévogyre diminue le pouvoir rotatoire total.

C. Absorption Moléculaire

• Mesurée par spectrophotométrie UV, notamment au niveau du pic d'absorption maximale.
• Seuls 3 acides aminés aromatiques absorbent dans l'UV proche (260-290 nm) grâce à leurs noyaux aromatiques:
  • Phénylalanine (Phe): Max à 260 nm.
  • Tyrosine (Tyr): Max à 275 nm. Absorbance prépondérante dans les protéines.
  • Tryptophane (Trp): Max à 280 nm. Très fragile.
• Les autres AA n'absorbent pas à ces longueurs d'onde.
• Cette propriété permet de quantifier les AA ou protéines par la loi de Beer-Lambert.
• La mesure à 275 nm (Tyrosine) est préférable car la Tyr est plus fréquente que le Trp dans les protéines, bien que son absorbance soit moindre.
• Utile pour quantifier de très petites protéines ou peptides avec des AA aromatiques.
• Tryptophane (Trp):
  • AA aromatique avec la plus grande chaîne latérale (noyau indole).
  • Amphipathique, fragile (détruit par acides minéraux), absorbe à 280 nm, le plus rare des AA.
• Tyrosine (Tyr):
  • Noyau aromatique (parahydroxyphénylalanine).
  • Fonction phénol (OH) faiblement acide, peut participer à des réactions d'oxydo-réduction.
  • Fréquent dans les sites catalytiques des enzymes.
  • Non indispensable (sauf sans phénylalanine).
  • Absorbe à 275 nm. Amphipathique (OH polaire, noyau apolaire).

D. Polarité des Acides Aminés

• La polarisation d'une liaison covalente dépend de la différence d'électronégativité (EN) des atomes.
  • EN égales $\rightarrow$ liaison non polarisée (ex: H₂).
  • EN différentes $\rightarrow$ moment dipolaire (ex: OH). L'atome le plus électronégatif attire les électrons (δ⁻).
• Les atomes O, N, S sont plus électronégatifs que H. Les fonctions carboxyle, amine, hydroxyle, thiol sont polarisées.
• Ces liaisons polarisées interagissent avec d'autres liaisons polarisées, comme celles des molécules d'eau (qui sont hydrophiles).
• Il existe deux types d'AA polaires: chargés et non chargés.

1. Acides Aminés Polaires Chargés

• Possèdent une fonction acide (COO⁻) ou basique (NH₃⁺) dans leur chaîne latérale, recevant une charge entière à pH physiologique.
  • Acides (chargés négativement): Aspartate (Asp), Glutamate (Glu). Leur pKa est faible, donc ils cèdent facilement un H⁺.
  • Basiques (chargés positivement): Arginine (Arg), Lysine (Lys), Histidine (His). Ils captent facilement un H⁺.
• Développent des interactions particulières:
  • Interactions électrostatiques: Force dépend de la distance et de l'environnement (constante diélectrique). L'eau (forte constante diélectrique) masque ces interactions.
  • Interactions ion-dipôle: Avec des dipôles comme l'eau (O est δ⁻, H est δ⁺). Les molécules d'eau s'organisent autour des groupes chargés, créant une forte affinité (hydrophilie).

2. Acides Aminés Polaires Non Chargés

• Leurs groupes R comportent des hétéro-atomes (O, N, S) avec des doublets non liants, provoquant une polarisation partielle des liaisons O-H, N-H, S-H.
• Formation d'interactions dipôle-dipôle et ion-dipôle, et surtout de liaisons hydrogènes avec l'eau.
• Tout composé capable de réaliser des liaisons hydrogènes avec l'eau est hydrosoluble (hydrophile).
• Exemples: Asparagine (Asn), Thréonine (Thr), Glutamine (Gln), Tyrosine (Tyr), Sérine (Ser), Cystéine (Cys).
• La solubilité globale d'un AA dépend de sa chaîne latérale (partie variable).
• AA à fonction amide (Asn, Gln): Formes amidées des acides aspartique et glutamique. Leur fonction carboxyle est masquée, elles sont chimiquement neutres mais polaires et hydrophiles.
• AA à fonction alcool (Ser, Thr): Sérine est homologue hydroxylé de l'alanine. Polaires, hydrophiles. Peuvent être estérifiées par l'acide phosphorique (phosphorylation), un mécanisme clé de régulation des protéines. P53 (gardienne du génome) est activée par phosphorylation de Ser, Thr, Tyr.
• AA à fonction thiol (Cys): Méthyl-thiol (R=CH₂-SH). Liaison S-H polarisée. Polaire, hydrophile. Participe à des réactions d'oxydo-réduction. Deux cystéines peuvent former un pont disulfure (-S-S-), une liaison covalente stable cruciale pour la structure tertiaire des protéines (ex: insuline). Les groupements thiols peuvent être protégés par des réducteurs (DTT, β-Mercaptoéthanol).

3. Acides Aminés Non Polaires

• Chaînes latérales formées presque exclusivement de C et H, donc pas de liaison hydrogène.
• Hydrophobes, n'interagissent pas avec l'eau.
• Exemples: Alanine (Ala), Glycine (Gly), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile), Proline (Pro), Phénylalanine (Phe).
• AA à chaîne aliphatique ramifiée (Val, Leu, Ile): Valine, par exemple, est apolaire, hydrophobe. Forme des liaisons hydrophobes faibles qui jouent un rôle structurel dans les structures tertiaires et quaternaires des protéines.
• Liaisons hydrophobes: Interactions entre espèces apolaires basées sur des dipôles instantanés et forces de London. Elles jouent un rôle structural majeur en regroupant les régions apolaires pour minimiser le contact avec l'eau, stabilisant ainsi la structure protéique (ex: dans la RNase).

V. Propriétés Ioniques et pH Isoélectrique (pHi)

• Les acides aminés sont des molécules amphotères (propriétés acides et basiques) avec au moins deux groupements ionisables (carboxyle et amine).
• Leur ionisation varie avec le pH.
• pH acide ($<2$): Carboxyle non dissocié (COOH), amine protonée (NH₃⁺). L'AA est majoritairement cationique (charge positive).
• pH basique ($>10$): Amine déprotonée (NH₂), carboxyle dissocié (COO⁻). L'AA est majoritairement anionique (charge négative).
• pH entre les pKa du COOH et NH₂: L'AA est sous forme d'ion dipolaire (ou Zwitterion), avec une charge globale nulle (COO⁻ et NH₃⁺).
• pHi (pH isoélectrique): Le pH auquel un AA existe majoritairement sous forme de Zwitterion (charge nette nulle). Il correspond à la moyenne des deux pKa des groupes ionisables qui encadrent l'ion dipolaire.
• Calcul du pHi: Pour les AA sans chaîne latérale ionisable, $pHi = \frac{pK_{aCOOH} + pK_{aNH2}}{2}$.
• Conséquences d'un groupe ionisable sur la chaîne latérale:
  • Introduction d'un pK supplémentaire, modifiant le pHi.
  • Concerne His (noyau imidazole), Arg (groupe guanidyle), Lys (fonction amine), Asp et Glu (groupe carboxylique).
  • Plus un pK est bas, plus l'espèce est acide. Ex: le COOH en alpha est plus acide que celui de la chaîne latérale pour l'acide aspartique.
• Exemple de l'acide aspartique: Deux fonctions carboxyles et une fonction amine. Le pHi est calculé en faisant la moyenne des pK des deux fonctions qui encadrent la forme zwitterion. Pour l'Asp (pKαCOOH=2.1, pKR-COOH=4.0, pKαNH2=9.8), le zwitterion est entre pK 2.1 et 4.0. Donc $pHi = (2.1 + 4.0) / 2 = 3.05$.

VI. Structures des Protéines

A. Peptides

• Polymères d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques (liaisons amides).
• Formée par condensation d'un carboxyle en alpha d'un AA et d'une amine en alpha d'un autre AA, avec libération d'une molécule d'eau.
• Classification:
  • Oligopeptides: ≤ 10 AA (ex: enképhalines, 5 AA, action biologique).
  • Polypeptides: > 10 AA.
  • Protéine: Polypeptide dont le poids moléculaire > 10 000 Da (10 kDa).
• Liaison peptidique:
  • Mésomérie: Stabilisée par résonance (délocalisation des électrons $\pi$). Possède deux formes mésomères.
  • Rigidité: Bloque la rotation autour de la liaison C-N, immobilisant les atomes C, N, O, H dans le même plan. Cela limite le nombre de conformations spatiales possibles.
  • Dimension: Distance inter-atomique constante. Distance entre deux Cα = 3,6 Å. La longueur d'une chaîne peptidique étirée de 'n' AA = $n \times 3.6$ Å.
  • Configuration trans: Généralement favorisée pour les chaînes latérales afin de minimiser l'encombrement stérique.
• Structure d'une chaîne polypeptidique:
  • Deux extrémités libres:
    • Amino-terminale (N-ter): Groupe amine libre (NH₃⁺).
    • Carboxy-terminale (C-ter): Groupe carboxyle libre (COO⁻).
  • Les séquences sont toujours lues N → C.

B. Conformation Tridimensionnelle des Protéines

1. Structure Primaire

• Nombre et ordre d'enchaînement des acides aminés (séquence peptidique).
• Détermine les structures supérieures.

2. Structure Secondaire

Agencement spatial local de la chaîne polypeptidique. Stabilisée uniquement par des liaisons hydrogènes entre les groupes NH et carbonyles des liaisons peptidiques.

• Structures secondaires non ordonnées (aléatoires): Flexibles, variables (random coil), souvent aux extrémités, peu d'action biologique.
• Structures secondaires ordonnées: Nombre restreint en raison de la rigidité de la liaison peptidique. Dépendent des angles dièdres $\phi$ (phi, entre Cα-N) et $\psi$ (psi, entre Cα-CO).
  • Hélice α:
    • La plus fréquente. Chaîne enroulée en spirale.
    • 3,6 résidus par tour. Chaque résidu allonge l'hélice de 1,5 Å. Pas de l'hélice = 5,4 Å.
    • Stabilisée par liaisons H intra-chaînes (entre AA en position n et n+4).
    • Se comporte comme un dipôle (extrémité N-terminale positive, C-terminale négative).
    • Chaînes latérales vers l'extérieur, interagissant avec l'environnement.
  • Hélice α gauche:
    • Moins stable que l'hélice alpha droite.
    • 3,3 résidus par tour. Pas de l'hélice = 9,6 Å (plus lâche).
    • Stabilisée par association de 3 hélices $\alpha$ gauches (triple hélice, ex: collagène).
    • Stabilisation par liaisons H inter-chaînes via modifications post-traductionnelles (hydroxylysine, hydroxyproline, nécessitant vitamine C).
  • Structures β (Feuillets plissés β):
    • Association de chaînes polypeptidiques colinéaires par liaisons H inter-chaînes.
    • Plans des liaisons peptidiques arrangés comme sur une feuille pliée.
    • Feuillets plissés antiparallèles (βa): Chaînes opposées. Liaisons H quasi linéaires, très stables (6 liaisons H pour une même longueur). Fréquent dans les zones de pliure.
    • Feuillets plissés parallèles (βp): Chaînes dans le même sens. Liaisons H moins bien alignées, moins stables (4 liaisons H pour une même longueur).
    • Tonneau β: Feuillet β replié sur lui-même en structure cylindrique fermée (ex: protéine de liaison au rétinol). Intérieur hydrophobe.
  • Autres structures ordonnées:
    • Coudes β (ou virages β): Éléments simples de 3-4 résidus permettant un virage à 180°. Stabilisés par liaisons H entre AA en n et n+3. Souvent des AA de petite taille (ex: Glycine).
    • Boucles: Structures flexibles mais définies, assurant des changements de direction sans régularité. Se situent à la surface des protéines pour interagir avec d'autres molécules.

3. Structure Tertiaire

• Structure spatiale globale et tridimensionnelle d'une protéine globulaire repliée sur elle-même.
• Pour une protéine donnée, une seule structure tertiaire permet sa fonction biologique (conformation native).
• Stabilité conformationnelle: Due à des interactions entre les chaînes latérales d'AA, même distants dans la séquence mais proches dans l'espace. La plupart sont des liaisons de faible énergie, mais leur grand nombre assure une forte cohésion.
• Forces d'interactions (ordre décroissant d'intensité):
  • Covalentes: Ponts disulfures (entre deux cystéines), les plus stables et rares ($\Delta G° \approx -350$ KJ/mol).
  • Non-covalentes: Liaisons hydrophobes, électrostatiques, hydrogènes, dipôle-dipôle ($\Delta G° \approx -1$ à $-10$ KJ/mol).
• Structure super-enroulée (coiled-coil): Hélice alpha avec un motif répété de 7 AA. Si les AA en position 1 et 4 sont hydrophobes, formation d'une bande hydrophobe. L'interaction de deux de ces hélices par leurs bandes hydrophobes crée un super-enroulement stable.
• Adaptation à l'environnement:
  • Protéines solubles (plasma, cytosol): Globulaires. Chaînes polaires à la surface, chaînes apolaires enfouies à l'intérieur (structure hydrophobe compacte).
  • Protéines membranaires: S'adaptent à un environnement multiphasique (aqueux + lipidique).
• Domaines structuraux: Petites unités fonctionnelles au sein des grandes protéines. Provenant de gènes ayant fusionné.
• Motifs structuraux: "Super" structures secondaires. Ex: motif en clé grecque (4 feuillets β antiparallèles), faisceaux d'hélices (ex: 4 hélices du cytochrome C), cylindre $\alpha$-$\beta$ (feuillets $\beta$ au centre, hélices $\alpha$ autour).

4. Structure Quaternaire

• Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former un complexe fonctionnel (protéine oligomérique).
• Peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères).
• Seule la forme oligomérique est fonctionnellement active (ex: insuline). La dissociation des sous-unités entraîne une perte d'activité.

Biochimie - Bioénergétique et Introduction au Métabolisme

La bioénergétique est l'étude des processus par lesquels les cellules acquièrent et utilisent l'énergie. Le métabolisme englobe l'ensemble des réactions biochimiques, dont le catabolisme (dégradation pour produire de l'énergie) et l'anabolisme (synthèse consommant de l'énergie).

I. Énergétique Cellulaire et Bioénergétique

A. Définitions

• Bioénergétique : Ensemble des processus cellulaires pour se procurer l'énergie nécessaire.
• Organismes chimiotrophes : Cellules animales qui utilisent l'énergie chimique contenue dans les molécules. (Contrairement aux phototrophes qui utilisent l'énergie lumineuse.)
• Thermodynamique : Étude des transferts d'énergie dans un système en évolution avec son environnement (chaleur et travail).
• Systèmes thermodynamiques :
  • Ouvert : Échange matière et énergie avec l'environnement.
  • Fermé : Échange seulement de l'énergie avec l'environnement (la cellule est un système fermé du point de vue thermodynamique).
  • Isolé : Aucun échange avec l'environnement.
• Énergie échangée par la cellule :
  • Chaleur : Énergie thermique.
  • Travail :
    • Chimique : Synthèse de molécules.
    • Mécanique : Mouvement musculaire.
    • Osmotique : Création de gradient de concentration.
    • Électrique : Création de gradient ionique.

B. L'Énergie Libre

1. Variation d'Énergie Libre ($\Delta G$)

• Toute molécule A possède une énergie libre interne G. Une transformation de A en B modifie G.
• $\Delta G$ (variation d'énergie libre) = $G_{finale} - G_{initiale}$.
• Si $\Delta G < 0$, la réaction est spontanée (exergonique) et libère de l'énergie.
• Si $\Delta G > 0$, la réaction est non spontanée (endergonique) et nécessite un apport d'énergie.
• Si $\Delta G = 0$, la réaction est à l'équilibre.
• Équation de Gibbs : $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$
  • $\Delta H$ : Variation d'enthalpie (chaleur).
  • $\Delta S$ : Variation d'entropie (désordre).
  • $T$ : Température en Kelvin.

2. Conditions Standards et Biologiques

• Conditions standards (chimiques) :
  • $T = 298 \text{K}$ (25°C).
  • Pression = 1 atmosphère.
  • Concentration des réactifs = 1 M (donc pH = 0 pour les protons).
  • $\Delta G^\circ$ : Variation d'énergie libre mesurée dans ces conditions.
• Conditions standards biologiques :
  • $T = 298 \text{K}$.
  • Pression = 1 atmosphère.
  • Concentration des réactifs = 1 M (sauf les protons).
  • pH = 7.
  • $\Delta G^{\circ'}$ : Variation d'énergie libre standard mesurée à pH 7.
• Conditions biologiques réelles :
  • pH $\approx 7$.
  • Concentrations des réactifs $\neq 1 \text{M}$.
  • $\Delta G$ : Variation d'énergie libre observée dans les conditions cellulaires réelles.
• Le signe de $\Delta G$ (et non $\Delta G^{\circ'}$) est crucial en biologie pour savoir si une réaction est spontanément réalisable dans la cellule. Une réaction endergonique ($\Delta G^{\circ'} > 0$) peut devenir exergonique ($\Delta G < 0$) dans les conditions cellulaires grâce aux concentrations réelles.

II. Rôle des Nucléotides Riches en Énergie

A. Définitions (Catabolisme et Anabolisme)

• Catabolisme : Ensemble des réactions de dégradation des molécules (exogènes ou endogènes) pour libérer leur énergie interne.
  • 3 étapes :
    1. Décomposition en éléments constitutifs (monosaccharides, acides aminés, acides gras).
    2. Transformation en molécules à petit nombre de carbones (2 à 5 atomes).
    3. Ces molécules entrent dans les voies centrales communes (ex: cycle de Krebs) et sont dégradées en CO₂ et H₂O, libérant de l'énergie.
  • Processus oxydatifs (glycolyse, cycle de Krebs, phosphorylation oxydative).
  • Utilisation de coenzymes oxydés (NAD+, NADP+) qui deviennent réduits (NADH + H+, NADPH + H+).
  • Production d'ATP : Le catabolisme est couplé à la synthèse d'ATP à partir d'ADP + Pi. La production mitochondriale d'ATP est beaucoup plus importante que la cytoplasmique.
• Anabolisme : Ensemble des processus de synthèse de biomolécules qui consomment de l'énergie.
  • Processus réducteurs : consomment les coenzymes réduits (NADPH + H+) qui cèdent des hydrogènes pour les synthèses.
  • Consommateur d'énergie : L'ATP est hydrolysée en ADP + Pi pour fournir l'énergie nécessaire.
• Couplage énergétique : L'énergie libérée par le catabolisme est récupérée par le couple ADP/ATP, qui la fournit pour les réactions de synthèse de l'anabolisme. C'est le point central des transferts d'énergie.

B. ATP et ses Caractéristiques

L'ATP (Adénosine Triphosphate) est un nucléoside triphosphate, la principale monnaie énergétique de la cellule.

• Structure :
  • Un sucre (D-Ribose).
  • Une base azotée (Adénine) liée au Ribose par une liaison N-osidique. L'ensemble Ribose-Adénine forme l'Adénosine.
  • Trois groupements phosphate en position 5' du sucre, liés par des liaisons ester et anhydride d'acide.
• Formation :
  • Adénosine + 1 Phosphate $\rightarrow$ Adénosine Monophosphate (AMP).
  • AMP + 1 Phosphate $\rightarrow$ Adénosine Diphosphate (ADP).
  • ADP + 1 Phosphate $\rightarrow$ Adénosine Triphosphate (ATP).
• Caractéristiques clés de l'ATP :
  • Molécule très instable, mais sa concentration intracellulaire est de quelques mmol/L, car elle est synthétisée et utilisée en permanence.
  • Ratio [ATP]/[ADP] intracellulaire maintenu autour de 10 (très éloigné de l'équilibre).
  • Somme des concentrations [ATP] + [ADP] + [AMP] = constante.
  • L'organisme ne stocke pas l'ATP. Il hydrolyse jusqu'à 45 kg/jour d'ATP (env. 100 moles).

III. Acide Phosphorique et Énergie des Liaisons Phosphorylées

• L'acide phosphorique (H₃PO₄) est un triacide minéral faible, capable de céder ses 3 protons.
• À pH physiologique, l'ion HPO₄²⁻ (ion hydrogénophosphate) et H₂PO₄⁻ (ion dihydrogénophosphate) prédominent, l'ion H₂PO₄⁻ étant le plus abondant.
• Liaisons ester-phosphate :
  • Formées par réaction de l'acide phosphorique avec un alcool.
  • Libèrent environ -14 kJ/mol à l'hydrolyse (bas potentiel énergétique).
• Liaisons anhydride d'acide :
  • Formées par réaction de l'acide phosphorique avec un acide carboxylique (déshydratation) ou entre deux phosphates.
  • Libèrent > -30 kJ/mol à l'hydrolyse (haut potentiel énergétique).
  • Dans l'ATP, les liaisons entre les groupements phosphates sont des liaisons anhydride d'acide.

IV. ATP - Formes d'Hydrolyse, Rôles et Synthèse

A. Formes d'Hydrolyse de l'ATP

1. Hydrolyse fréquente : ATP $\rightarrow$ ADP + Pi (libère environ -30 kJ/mol). L'ADP peut ensuite être hydrolysé en AMP + Pi. On parle de niveau d'énergie intermédiaire.
2. Hydrolyse en AMP : ATP $\rightarrow$ AMP + PPi (Pyrophosphate).
   • Libère environ -30 kJ/mol pour la première liaison anhydride.
   • Le PPi est ensuite rapidement hydrolysé en 2 Pi par les pyrophosphatases, libérant $-20 \text{kJ/mol}$ (chaleur). Cela rend la réaction quasiment irréversible.
   • Cette hydrolyse ATP $\rightarrow$ AMP libère plus d'énergie que ATP $\rightarrow$ ADP (jusqu'à -110 kJ/mol dans la cellule avec un ratio [ATP]/[AMP] = 10 000).
   • Permet de coupler des réactions très endergoniques (biosynthèse d'acyl-CoA, activation d'AA).

B. Autres Rôles de l'ATP

• Coenzyme : Donneurs de phosphate pour la plupart des enzymes de phosphorylation (kinases).
• Donneur de pyrophosphate (PPi) : Ex: activation de la vitamine B1 (thiamine) en pyrophosphate de thiamine.
• Donneur d'AMP : Ex: activation des acides gras ou des acides aminés.
• Donneur d'adénosyl : Ex: synthèse de S-adénosyl-méthionine (SAM). L'adénosyl se lie à la méthionine (formation d'un ion sulfonium S+), ce qui rend le groupe méthyl très réactif pour les réactions de méthylation.

C. Couplage Énergétique (notion très importante)

• Une réaction ne peut être spontanée que si $\Delta G < 0$. Un catalyseur (enzyme) n'agit que sur une réaction spontanée.
• Les réactions endergoniques ($\Delta G > 0$) peuvent devenir spontanées en étant couplées à des réactions fortement exergoniques (ex: hydrolyse de l'ATP).
• Exemple : Phosphorylation du glucose (Glc + Pi $\rightarrow$ Glc-6-P + H₂O, $\Delta G^{\circ'} = +13.8$ kJ/mol) est endergonique. Couplée à l'hydrolyse de l'ATP (ATP + H₂O $\rightarrow$ ADP + Pi, $\Delta G^{\circ'} = -30.5$ kJ/mol), la réaction nette (Glc + ATP $\rightarrow$ Glc-6-P + ADP) est exergonique ($\Delta G^{\circ'} = -16.7$ kJ/mol).
• Le couplage augmente considérablement la constante d'équilibre ($K_{eq}$) de la réaction. L'ATP est un "donneur d'énergie universel".

D. Synthèse des Liaisons Riches en Énergie de l'ATP

1. Phosphorylation au niveau du substrat : Récupération de l'énergie libérée par l'hydrolyse d'un composé phosphorylé à très haut potentiel énergétique (ex: 1,3-Bisphosphoglycérate et Phosphoénolpyruvate dans la glycolyse).
2. Couplage chimio-osmotique (phosphorylation oxydative) : Récupération de l'énergie des oxydations cellulaires dans les mitochondries. L'énergie des électrons et protons est utilisée pour synthétiser de l'ATP.

E. Synthèse de l'ATP (Mitochondrie)

• La mitochondrie est une centrale chimique qui consomme O₂, protons et électrons. Elle transfère ces derniers sur O₂ pour former H₂O.
• L'énergie des oxydations permet la synthèse d'ATP pour les processus anaboliques. L'ATP est ensuite hydrolysé, recyclant l'ADP. Le reste de l'énergie est dissipé sous forme de chaleur.

V. Autres Nucléotides Riches en Énergie et Composés Phosphorylés

• Autres nucléotides :
  • GTP/GDP (guanosine) : Métabolisme des protides.
  • UTP (uridine) : Métabolisme des glucides.
  • CTP (cytidine) : Métabolisme des lipides.
  Ces nucléotides interviennent aussi dans les contractions musculaires, mouvements cellulaires, gradients ioniques.
• Composés phosphorylés à connaître (avec leurs valeurs de $\Delta G^{\circ'}$) :
  • Glycérol-3-phosphate : $-9,2 \text{kJ/mol}$
  • Glucose-6-phosphate : $-13,8 \text{kJ/mol}$
  • Glucose-1-phosphate : $-20,9 \text{kJ/mol}$
  • Créatine-phosphate : $-43,0 \text{kJ/mol}$ (rôle majeur dans la contraction musculaire)
  • Phosphoénolpyruvate : $-61,9 \text{kJ/mol}$
• Acétyl-CoA : Composé à haut potentiel énergétique, transporteur activé de groupements acétyles.
  • Hydrolyse : $-31,4 \text{kJ/mol}$.
  • Très important pour l'entrée des acétyles dans le cycle de Krebs et de nombreux métabolismes. L'énergie provient de la proximité entre le groupement carbonyle et l'atome de soufre.

VI. Vue Globale du Métabolisme

A. Voies Centrales Communes

• Les nutriments (polysaccharides, protéines, lipides) sont digérés en leurs éléments constitutifs (monosaccharides, AA, acides gras).
• Ces éléments sont utilisés pour les réserves ou dégradés en molécules à petit nombre de carbones (ex: pyruvate, Acétyl-CoA).
• Ces molécules entrent dans les voies centrales communes du catabolisme, principalement le cycle de Krebs, conduisant à la production d'énergie et/ou de précurseurs pour les synthèses.
• L'interconversion des composés à faible nombre de carbone est essentielle (ex: pyruvate décarboxylé en Acétyl-CoA).
• L'entrée dans le cycle de Krebs se fait par condensation de l'Acétyl-CoA avec l'oxaloacétate pour former du citrate.

B. Métabolisme du Glucose

• Le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate.
• Destinées du glucose-6-phosphate :
  • Glycogénogenèse : Mis en réserve sous forme de glycogène (foie, muscles).
  • Glycogénolyse : Dégradation du glycogène en glucose (en cas de besoin).
  • Glycolyse (cytoplasme) : Dégradation en 2 molécules de pyruvate (3C).
  • Voie des pentoses phosphates : Production de ribose-5-phosphate (précurseur d'acides nucléiques) et NADPH, H+ (composé réducteur pour les synthèses anaboliques).
• Destinées du pyruvate :
  • Conditions anaérobiques : Transformé en lactate.
  • Mitochondrie : Décarboxylé et activé en Acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase (PDH), qui entre dans le cycle de Krebs.
  • Sortie de la mitochondrie : Utilisé pour la néoglucogenèse (synthèse de glucose).
  • Précurseur de certains acides aminés.
• Après un repas riche en glucides : Le cycle de Krebs ralentit. L'excès d'Acétyl-CoA est dévié vers la synthèse d'acides gras ou d'hormones stéroïdes.

C. Métabolisme des Lipides

• Les lipides sont dégradés en acides gras.
• Les acides gras sont estérifiés avec le glycérol pour former des triglycérides, stockés dans les adipocytes.
• À distance des repas (jeûne) : Libération des acides gras (lipolyse).
  • Les acides gras activés gagnent la mitochondrie et subissent la β-oxydation, formant de l'Acétyl-CoA.
  • L'Acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie.
• Autres conditions métaboliques : L'Acétyl-CoA peut quitter la mitochondrie (via le citrate) pour le cytoplasme et être utilisé pour la synthèse d'acides gras.

D. Métabolisme des Protéines

• Les protéines alimentaires sont digérées en acides aminés (AA). Ils rejoignent la circulation sanguine pour la synthèse et le renouvellement des protéines tissulaires.
• Les AA peuvent être catabolisés :
  • Désamination : Séparation du groupement aminé et du squelette carboné.
  • Le groupement aminé est détoxifié en urée (uréogenèse), éliminée par les reins.
  • Le squelette carboné gagne la mitochondrie et entre dans différentes voies (pyruvate, Acétyl-CoA, intermédiaires du cycle de Krebs).
• En fonction des situations métaboliques :
  • Les squelettes carbonés sont oxydés pour produire de l'énergie.
  • À distance des repas (jeûne) : Les AA peuvent être utilisés pour produire du glucose (AA glucoformateurs via l'oxaloacétate).
  • En jeûne prolongé : Certains AA sont précurseurs des corps cétoniques (cétogenèse).

SHS - Histoire de la Médecine et des Sciences

L'étude de l'histoire et de la sociologie des sciences permet de comprendre comment la médecine a affirmé sa scientificité, en utilisant des approches critiques du rationalisme et du relativisme, et en analysant le développement des essais cliniques randomisés (ECR) et de la médecine fondée sur les preuves (EBM).

I. Outils de Sociologie et d'Histoire des Sciences

A. Étude des Facteurs Sociaux

• L'histoire et la sociologie analysent les sciences avec une approche critique.
• Elles étudient les facteurs sociaux, économiques, politiques qui favorisent ou bloquent la production de connaissances scientifiques.
• Le rapprochement médecine-sciences (XIXème siècle) est une scientifisation de la société (Norbert Elias), où la confiance en la science remplace les interprétations superstitieuses.

B. Le Rationalisme

• La science cherche à atteindre la vérité par la raison et la logique. Apparu en Grèce Antique (Platon, Le Ménon).
• Caractéristiques du discours scientifique rationaliste :
  • Général : Établit des lois pour expliquer un grand nombre de phénomènes.
  • Universellement vrai : Valide à tout moment et en tout lieu.
  • Autonome : S'appuie sur des connaissances scientifiques antérieures.
• Théorie de Popper (1933) :
  • Le travail scientifique implique hypothèses, déductions et confrontation aux données empiriques.
  • Une théorie est scientifique si elle est falsifiable (on peut démontrer qu'elle est fausse).
  • Toutes les théories qui n'ont pas été réfutées sont considérées comme vraies (momentanément).

C. Le Relativisme

• Courant qui s'oppose au rationalisme. Une connaissance est scientifique si l'ensemble des chercheurs la considère comme telle.
• Paradigme scientifique de Kuhn : La science est une succession de visions du monde (paradigmes).
  • 3 caractéristiques d'un paradigme :
    1. Ensemble de normes épistémiques (règles de fabrication des connaissances: expériences, méthodes valables).
    2. Normes créées par une communauté scientifique.
    3. Normes susceptibles d'être abandonnées lors d'une "révolution scientifique" (ex: modèle géocentrique vers héliocentrique).
• Théorie de Latour (1984) : Une théorie s'impose si elle est momentanément plus efficace et si elle est soutenue par des alliés puissants (y compris non scientifiques : opinion publique, industriels, politiques).
  • Les savoirs scientifiques sont situés (apparaissent dans un milieu social) et circulent dans des réseaux.
  • Il faut étudier les échecs (pourquoi certains savoirs ne sont pas acceptés comme vrais).
• Critiques du relativisme radical :
  • Affirme que tout discours est subjectif, sans vérité objective. Conduit à l'idée que tous les discours se valent (impasse du relativisme radical).
  • Risque de discréditer le discours scientifique et d'instrumentalisation politique (ex: déni du changement climatique).
  • Les historiens et sociologues des sciences adoptent une position intermédiaire entre rationalisme et relativisme.

II. Histoire des Essais Cliniques et de la Médecine Fondée sur les Preuves

A. Les Premiers Réformateurs et l'EBM

• Développement de la biomédecine (fondée sur les sciences biologiques et biochimiques).
• Création de l'Evidence-Based Medicine (EBM) : Utiliser les meilleures preuves de la recherche clinique pour soigner.
• Contexte historique : Années 1950 aux USA. Méfiance croissante envers les industriels et les praticiens trop crédules.
• Objectif : Évaluer objectivement les médicaments, trier le vrai du faux.
• Création des Essais Cliniques Randomisés (ECR) :
  • Regrouper des patients avec la même pathologie au même stade.
  • Administrer la nouvelle molécule à un groupe VS placebo à l'autre.
  • Double aveugle : Ni le patient, ni le médecin ne savent qui reçoit quoi.
  • Évaluation objective des effets, analyses statistiques complexes pour déterminer l'efficacité.
• Succès mondial des ECR : Promu par les politiques de dépenses publiques et la concurrence pharmaceutique. A mené à la multiplication des publications et au développement des statistiques.

B. Naissance de la Médecine Fondée sur les Preuves (EBM)

• Années 1990, USA : Méthode pédagogique pour aider les praticiens à s'orienter dans les publications biomédicales.
• Hiérarchisation des niveaux de preuve : L'ECR est considéré comme le meilleur niveau de preuve. Les études de cas uniques sont moins solides.
• Les ECR sont devenus la base des recommandations cliniques des sociétés savantes et des décisions de santé publique.
• Ils sont le dispositif central de production de la preuve en médecine.

C. Critiques de la Scientificité des Essais Cliniques

• Par les associations de patients du Sida (années 90) :
  • Ont obtenu des modifications des essais cliniques (ex: information préalable des patients).
  • Droit de sortie des patients (si dégradation rapide de leur état).
  • Protestation contre l'utilisation du placebo (risque de perte de chance).
  • Interruption des essais si un groupe montre des résultats nettement meilleurs.
• Sur les critères d'évaluation :
  • Critiques des critères de morbidité et mortalité (évolution de la maladie, espérance de vie).
  • Les ECR n'utilisent pas toujours les critères de qualité de vie (effets secondaires, confort du patient).
• Test des médicaments sur les femmes : Les essais sont principalement menés sur des hommes, car les variations hormonales chez les femmes compliquent les études.
• Conséquences des ECR :
  • Risque de standardiser la prescription et de déshumaniser la relation médecin-patient.
  • Les recommandations fondées sur les ECR peuvent altérer l'écoute du patient.

D. Critiques de l'Implication Industrielle

• La plupart des ECR sont sponsorisés par les industries pharmaceutiques. Ces recherches coûtent cher et sont souvent financées par l'argent public et privé.
• Les médecins-chercheurs sont en compétition pour accueillir les ECR (amélioration des soins, publications pour la carrière).
• Outil marketing : Les industries tendent à mettre en avant les résultats favorables, même sur de petits groupes, ce qui impacte l'objectivité.
• Délocalisation des ECR : Vers des pays où les coûts sont moindres et les droits des patients moins protégés (ex: Inde).

Chimie - La Constitution des Molécules Organiques

La chimie organique est l'étude du carbone et de ses composés (molécules organiques). Comprendre sa structure, ses liaisons et sa nomenclature est essentiel.

I. Introduction à la Chimie Organique

• La chimie organique est la chimie du carbone et de ses composés.
• Les molécules organiques sont essentielles à la vie (lipides, glucides, protéines, acides nucléiques).
• Elles ont des applications variées (plastique, textile, médicaments, carburants).
• L'objectif est de comprendre les propriétés et le comportement des molécules organiques.

II. Modèle Ondulatoire et Hybridation

A. Modèle Ondulatoire

• Dualité onde-particule : Les électrons possèdent des propriétés ondulatoires.
• Fonction d'onde ($\Psi$) : Décrit l'électron comme une onde. $\Psi^2$ détermine la probabilité de présence de l'électron.
• Orbitales atomiques (OA) : Obtenues comme solutions des équations d'ondes, elles ont différentes formes (sphérique pour s, lobes pour p).
• Liaison chimique : Résulte du recouvrement en phase des OA (théorie de Pauling).
• Recouvrement de 2 OA : Forme 2 orbitales moléculaires (OM) : une liante ($\sigma$) et une anti-liante ($\sigma^*$).

B. Hybridation du Carbone

L'hybridation explique la tétravalence du carbone et la géométrie des molécules. Elle ne modifie pas l'énergie totale ni le nombre d'orbitales.

• Carbone sp³ (tétraédrique) :
  • Configuration électronique ($1s^2, 2s^2, 2p^2$). Pour expliquer la tétravalence, une orbitale $2s$ et trois $2p$ s'hybrident pour former 4 orbitales hybrides $sp^3$.
  • Ces 4 orbitales se dirigent selon les sommets d'un tétraèdre (angles de $109^\circ 28'$) pour minimiser les répulsions interélectroniques.
  • Ex: Méthane (CH₄), Éthane (CH₃-CH₃). La liaison C-C dans l'éthane est une liaison $\sigma$ par recouvrement axial de deux $sp^3$.
• Carbone sp² (trigonale plane) :
  • Une $2s$ et deux $2p$ s'hybrident en 3 orbitales hybrides $sp^2$. Une orbitale $2pz$ non hybridée reste perpendiculaire au plan.
  • Les 3 orbitales $sp^2$ sont dans un plan avec des angles de $120^\circ$.
  • Ex: Éthylène (H₂C=CH₂). Une double liaison C=C est formée d'une liaison $\sigma$ (recouvrement axial de deux $sp^2$) et d'une liaison $\pi$ (recouvrement latéral des deux $2pz$). Une liaison $\pi$ est toujours associée à une liaison $\sigma$.
• Carbone sp (linéaire) :
  • Une $2s$ et une $2p$ s'hybrident en 2 orbitales hybrides $sp$. Deux orbitales ($2px$ et $2pz$) non hybridées restent perpendiculaires.
  • Les 2 orbitales $sp$ sont alignées avec un angle de $180^\circ$.
  • Ex: Éthyne (HC≡CH). Une triple liaison C≡C est formée d'une liaison $\sigma$ (recouvrement axial de deux $sp$) et de deux liaisons $\pi$ (recouvrement latéral des $2px$ et $2pz$).

C. Conséquences de l'Hybridation

• Rotation :
  • Pas de rotation possible autour des doubles et triples liaisons.
  • Rotation possible avec les carbones $sp^3$ (conformation) $\rightarrow$ Conformères.
• La théorie VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) est en accord avec l'hybridation pour prédire la géométrie.

III. Écriture et Nomenclature des Composés Organiques

A. Représentation des Molécules

• Éléments fréquents : C, H, O, N, puis Cl, Br, I, S, P, As.
• Formule brute : Donne la nature des éléments et leur proportion relative, permet de calculer la masse moléculaire (ex: CH₄N₂O pour l'urée). Ne donne aucune information sur l'agencement ni les liaisons multiples.
• Formule semi-développée et condensée : Montre toutes les liaisons sauf les C-H. Représentation en 2D sans stéréochimie (ex: CH₃-CH₂-OH).
• Formule plane ou développée (Kékulé) : Chaque liaison covalente est représentée par un trait. Complète mais lourde pour les molécules complexes, ne décrit pas la 3D.
• Formule topographique (topologique) : Représentation la plus rapide, en ligne brisée en zigzag.
• Les extrémités et jonctions représentent les atomes de Carbone.
• Les Hydrogènes liés aux C ne sont pas mentionnés, mais on peut les déduire.
• Les H liés aux hétéroatomes (OH, SH, NH, NH₂) ou aux fonctions terminales (aldéhydes) sont mentionnés.
• Les liaisons multiples sont figées pour alcènes/alcynes. Pour les arènes (benzène), les liaisons multiples alternées sont représentées indifféremment.

B. Classe du Carbone (à connaître)

• Primaire : Lié à un autre carbone.
• Secondaire : Lié à deux autres carbones.
• Tertiaire : Lié à trois autres carbones.
• Quaternaire : Lié à quatre autres carbones.

C. Classification

• Deux grandes familles :
  • Composés acycliques : Chaînes linéaires ou ramifiées (hydrocarbures linéaires ou ramifiés).
  • Composés cycliques :
    • Carbocycliques : Contiennent uniquement des carbones dans le cycle (ex: benzène, cyclohexane).
    • Hétérocycliques : Contiennent au moins un hétéroatome dans le cycle (ex: azote, oxygène, soufre).

D. Noms des Chaînes Carbonées (à connaître)

• La longueur de la chaîne est donnée par analogie aux alcanes.
• Préfixes (à connaître les 10 premiers) :
  • 1C : Méth-
  • 2C : Éth-
  • 3C : Prop-
  • 4C : But-
  • 5C : Pent-
  • 6C : Hex-
  • 7C : Hept-
  • 8C : Oct-
  • 9C : Non-
  • 10C : Déc-
  • ... (jusqu'à Isodécane pour 20C)
• Pour les cycles, on ajoute "cyclo-" devant le nom de l'alcane (ex: cyclohexane).

E. Noms des Ramifications (à connaître)

Les ramifications sont des chaînes carbonées (C et H) greffées sur le squelette principal. Leur suffixe est "-yl".

• Radicaux alkyles linéaires ou ramifiés (souvent symbolisés par R) :
  • CH₃- : Méthyl (Me)
  • CH₃-CH₂- : Éthyl (Et)
  • CH₃-CH₂-CH₂- : Propyl (Pr)
  • (CH₃)₂CH- : Isopropyl (iPr)
  • CH₃-CH₂-CH₂-CH₂- : Butyl (Bu)
  • (CH₃)₂CH-CH₂- : Isobutyl (iBu)
  • (CH₃)₃C- : Tertiobutyl (tBu) - le préfixe tert est en italique et ne compte pas pour l'ordre alphabétique.
• Préfixes cycliques et aromatiques :
  • C₆H₅- : Phényl (Ph)
  • C₆H₅CH₂- : Benzyl (Bn)

F. Insaturations

• Une molécule est saturée si elle contient le maximum d'hydrogènes (seulement des liaisons simples).
• Une molécule est insaturée si elle contient des liaisons multiples (doubles ou triples) ou des cycles.
• L'insaturation est un nombre entier positif et correspond à la différence par rapport à un alcane.
  • 1 double liaison (C=C, C=O, C=N) : 1 insaturation.
  • 1 triple liaison (C≡C, C≡N) : 2 insaturations.
  • 1 cycle : 1 insaturation.
  • Pour un cycle avec liaisons doubles : compter le cycle + le nombre de doubles liaisons (ex: Benzène = 1 cycle + 3 liaisons $\pi$ = 4 insaturations).

IV. Les Groupes Fonctionnels (Fonctions Chimiques)

Les groupes fonctionnels sont des groupes d'atomes qui confèrent à une molécule des propriétés physiques et chimiques caractéristiques.

A. Hydrocarbures (uniquement C et H)

• Alcanes (C-C) : Que des liaisons simples. Suffixe "-ane" (ex: méthane). Peu polaires, peu réactifs.
• Alcènes (C=C) : Au moins une double liaison. Suffixe "-ène" (ex: butène). Réactivité particulière due à la liaison $\pi$ (caractère nucléophile).
• Alcynes (C≡C) : Au moins une triple liaison. Suffixe "-yne" (ex: éthyne). Réactivité particulière due à la liaison $\pi$.
• Arènes : Cycles avec liaisons conjuguées (alternance de doubles et simples liaisons). Aussi appelés noyaux aromatiques (ex: benzène). Réactivité différente des alcènes/alcynes.

B. Fonctions Monovalentes (carbone lié à un hétéroatome)

• Halogénure (Halogénoalcane) : Carbone lié à un halogène (F, Cl, Br, I). (Ex: Chlorure de Benzyle)
• Alcool : Carbone lié à un groupe hydroxyle (-OH).
  • Primaire : OH lié à un C primaire.
  • Secondaire : OH lié à un C secondaire.
  • Tertiaire : OH lié à un C tertiaire.
• Éther : Oxygène lié à deux carbones (R-O-R').
• Amine : Carbone lié à un atome d'azote (-N).
  • Primaire : N lié à un C.
  • Secondaire : N lié à deux C.
  • Tertiaire : N lié à trois C.
• Thiol : Carbone lié à un groupement sulfhydryle (-SH). (Ex: HS-CH₃)
• Nitré : Carbone lié à un groupement nitro (-NO₂).

C. Fonctions Divalentes (carbone lié à deux hétéroatomes, ou double liaison avec un seul hétéroatome)

• Aldéhyde : Carbonyles terminales : -CHO (C=O avec un H et un R).
• Cétone : Carbonyles internes : C=O (C=O avec deux R).
• Acétal : R(OR')(OR'') (C lié à deux groupes -OR).

D. Fonctions Trivalentes (carbone lié à trois hétéroatomes, ou triple liaison avec un seul hétéroatome)

• Acide carboxylique : -COOH (C=O et -OH).
• Ester : -COOR' (C=O et -OR').
• Nitrile : -C≡N (triple liaison C-N).
• Amide : -CONR₂ (C=O et -N).
  • Primaire : N lié à un C.
  • Secondaire : N lié à deux C.
  • Tertiaire : N lié à trois C.

V. Règles de Nomenclature (IUPAC)

La nomenclature IUPAC (Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée) est le langage universel pour nommer les composés organiques.

1. Déterminer la fonction principale : Sera désignée en suffixe.
   • Ordre de priorité décroissant (à connaître par cœur) :
     1. Acide carboxylique
     2. Ester
     3. Chlorure d’acyle
     4. Amide
     5. Nitrile
     6. Aldéhyde
     7. Cétone
     8. Alcool
     9. Amine
     10. Éther
     11. Halogène (toujours substituant)
     12. Nitro (toujours substituant)
   • Astuce mnémotechnique : Acide **E**t **A**midon **N**eutralisent les **A**llergies **C**omme l'**A**lcool tue les **A**mbitieuses **I**nfections.
2. Déterminer la chaîne carbonée la plus longue : Doit contenir :
   • La fonction principale.
   • Le maximum d'insaturations.
   • Le maximum de substituants.
   • La chaîne principale n'est pas toujours la plus longue.
3. Nommer la chaîne carbonée, la fonction principale, les insaturations et les substituants :
   • Les fonctions qui ne sont pas principales sont appelées substituants et sont nommées avec leur préfixe.
   • Certaines fonctions sont toujours des substituants (halogènes, nitro).
4. Numéroter les constituants : Ajouter les préfixes di-, tri-, tétra- en cas de répétition.

VI. Noms et Numérotations

A. Chaîne Carbonée

• Noms basés sur les alcanes (Méth-, Éth-, Prop-...).
• Si cyclique, ajouter "cyclo-" (ex: cyclopentane).

B. Insaturations

• Pas d'insaturation : suffixe "-ane".
• Une double liaison (alcène) : suffixe "-ène".
• Une triple liaison (alcyne) : suffixe "-yne".
• Numéroter le premier C de la liaison multiple (ex: But-2-ène).

C. Substituants (à connaître leur nom)

• Placés par ordre alphabétique.
• Les préfixes di-, tri-, tétra- ne comptent pas pour l'ordre alphabétique.
• Le préfixe tert- ou sec- ne compte pas pour l'ordre alphabétique (ex: tert-butyl).
• Le préfixe iso- compte pour l'ordre alphabétique (ex: isopropyl).
• Assigner le plus petit numéro possible.
• Exemples de préfixes :
  • F- : fluoro-
  • Cl- : chloro-
  • HO- : hydroxy-
  • NH₂- : amino-
  • NO₂- : nitro-
  • CH₃- : méthyl-
  • CH₃CH₂- : éthyl-
  • CH₃O- : méthoxy-
  • (CH₃)₂CH- : isopropyl-
  • (CH₃)₃C- : tert-butyl-

D. Fonction Principale (suffixe) et Secondaire (préfixe)

• Pour un composé monofonctionnel : fonction + maximum d'insaturations.
• Pour un composé polyfonctionnel : fonction principale + maximum d'insaturations + maximum de fonctions secondaires.
• Numérotation de la fonction principale :
  • Acides carboxyliques, aldéhydes, nitriles sont forcément en bout de chaîne (numéro 1).
  • Esters et amides peuvent être en bout de chaîne (numéro 1 si fonction principale).
  • Pour cétones, numéroter le C du C=O.
  • Pas de suffixes pour halogènes et nitro.
  • Pour alcools et amines, numéroter le C portant la fonction avec le plus petit numéro.
• Tableau des suffixes et préfixes (à connaître par cœur) :

  Groupe Fonctionnel	Suffixe	Préfixe
  Acide Carboxylique	Acide alcanoïque	-
  Ester	Alcanoate d’alkyle	Alkoxycarbonyle
  Amide	Alcanamide	Amido
  Nitrile	Alcanenitrile	Cyano
  Aldéhyde	Alcanal	Oxo
  Cétone	Alcanone	Oxo
  Alcool	Alcanol	Hydroxy
  Amine	Alcanamine	Amino
  Éther	Alkoxyalcane	Alkoxy
  Halogène	-	Fluoro, Chloro, Bromo, Iodo
  Nitro	-	Nitro

Biochimie et Acides Aminés

Ce cours aborde les notions fondamentales des acides aminés, les composants essentiels des protéines, et les bases de la bioénergétique cellulaire. La compréhension de ces concepts est cruciale pour la réussite des QCM.

I. Introduction à la Biochimie Cellulaire

La cellule est un système complexe où se déroulent de multiples interactions. Elle est le siège de l'intégration spatiale, structurale et métabolique.

A. La cellule : Intégration spatiale, structurale et métabolique

• Intégration spatiale : Les cellules sont des systèmes extrêmement compactés, remplis de molécules diverses (glucides, lipides, protéines) qui interagissent grâce à leur affinité et à leur concentration.

• Intégration structurale : Les membranes cellulaires sont composées de molécules diverses telles que les lipopolysaccharides, lipoprotéines et peptidoglycanes. Ces associations créent une richesse de biomolécules aux propriétés modifiées.

• Intégration métabolique : Il existe un réseau complexe d'interrelations métaboliques. Par exemple, le glucose peut être converti en acides aminés, acides gras, ou précurseurs d'acides nucléiques. Le cycle de Krebs génère également de nombreux précurseurs essentiels. Tous ces métabolismes sont interconnectés.

B. Les protéines

Les protéines sont des macromolécules polyvalentes composées d'acides aminés. Leur structure dans l'espace est déterminante pour leur fonction.

• Agencement dans l'espace : La nature et l'ordre des acides aminés (séquence peptidique) définissent la protéine. Les affinités entre acides aminés favorisent le repliement de la chaîne protéique, rapprochant des acides aminés éloignés dans la séquence primaire. Cela crée des zones hétérogènes (charges, polarité) qui permettent à la protéine d'interagir spécifiquement avec des récepteurs.

• Exemple de l'insuline : L'insuline est une hormone globulaire, composée de deux chaînes (A et B) reliées par des liaisons covalentes (ponts disulfures), conférant une structure 3D spécifique. Cette hormone interagit avec des récepteurs spécifiques pour diminuer la glycémie. Son déficit est associé au diabète.

• Rôle des protéines :

  • Liaison : Facteurs transcriptionnels régulant l'expression des gènes.

  • Métabolisme : Hormones (insuline, hormone de croissance).

  • Structure : Actine dans les fibres musculaires.

  • Catalyseur biologique : Enzymes, indispensables aux réactions biologiques.

  • Transport : Albumine transportant hormones et autres composés dans le sang.

  • Commutateurs de signalisation : Protéines comme RAS qui changent de structure pour activer ou inactiver la transmission de signaux cellulaires (ex: prolifération).

II. Généralités sur les Acides Aminés

Les acides aminés sont les unités de base des protéines, dotés d'une structure commune et de propriétés variées dictées par leur chaîne latérale.

A. Structure générale des acides aminés

La structure de base d'un acide aminé comprend un carbone α central lié à quatre groupements différents (sauf la glycine) :

• Un groupe carboxyle ()

• Une fonction amine ()

• Un atome d'hydrogène ()

• Un groupe R (chaîne latérale)

Ces acides aminés sont dits "α-aminés" car les fonctions amine et carboxyle sont portées par le carbone α.

Rappels de Chimie

• Fonction Acide (Carboxyle, ) : Cède des protons () dans le milieu, diminuant le pH. À pH physiologique (7,4), le groupement se dissocie en , chargé négativement.

• Fonction Amine (Basique, ) : Capte des protons () à pH physiologique, devenant , chargé positivement.

Les 2 parties des acides aminés

• Les fonctions communes (carboxyle et amine) et la chaîne latérale R déterminent les propriétés d'un acide aminé isolé.

• Dans une protéine, les propriétés sont déterminées uniquement par la chaîne latérale R, car les fonctions amine et carboxyle du carbone α sont engagées dans la liaison peptidique.

B. Classification des Acides Aminés

Acides Aminés protéinogènes (constituants des protéines)

• Il existe 21 acides aminés protéinogènes.

• Certains peuvent subir des modifications enzymatiques post-traductionnelles (ex: oxydation) :

  • Proline Hydroxyproline

  • Lysine Hydroxylysine

  • Cystéine Cystine

• Le 21ème acide aminé est la Sélénocystéine : un analogue de la Cystéine où le Soufre est remplacé par un Sélénium (Se).

Acides Aminés non constituants des protéines

• Ces molécules sont des intermédiaires métaboliques (ex: Citrulline dans le cycle de l'urée).

• Elles servent de liens entre différents métabolismes et peuvent transférer des groupements (, ).

• Il en existe plus de 300.

Les 9 Acides Aminés indispensables pour l'Homme

L'Homme est incapable de les synthétiser et doit les apporter par l'alimentation. Ils sont à apprendre par cœur :

• Histidine (HIS)

• Leucine (LEU)

• Thréonine (THR)

• Lysine (LYS)

• Tryptophane (TRP)

• Phénylalanine (PHE)

• Valine (VAL)

• Méthionine (MET)

• Isoleucine (ILE)

Moyen mnémotechnique : Hystérique Le Très Lyrique Tristan Fait Vachement Méditer Iseult

Acides Aminés non indispensables

Ils proviennent des interrelations métaboliques (glycolyse, voie des pentoses phosphates, cycle de Krebs).

C. Chaîne latérale (Radical R)

La chaîne latérale R est la partie variable des acides aminés et détermine leurs propriétés physico-chimiques.

• Elle varie en fonction de :

  • Sa forme dans l'espace.

  • Sa taille.

• Elle représente :

  • Une variation de réactivité chimique et physique (basicité ou acidité, charge).

  • Une variation de solubilité dans l'eau (polarité).

• Elle permet aux acides aminés de se spécialiser, en déterminant leur localisation (extérieur/intérieur de la protéine), leur rôle dans les sites actifs des enzymes, et leurs interactions (antigène/anticorps, hormone/récepteur, interfaces lipidique/aqueux).

III. Classification basée sur la polarité de la Chaîne Latérale

A. Acides Aminés Hydrophobes

• Très faible affinité pour l'eau (repoussent l'eau et sont repoussés par l'eau).

• Très peu solubles dans l'eau.

• Chaîne latérale comportant uniquement des atomes de Carbone et d'Hydrogène (sauf la Proline qui comporte un atome d'Azote).

• Très peu polarisés = apolaires.

• Exemples à connaître (structures) : Glycine (Gly), Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile), Proline (Pro), Phénylalanine (Phe).

• La Valine, Leucine, Isoleucine sont des acides aminés à chaîne aliphatique ramifiée et sont considérés comme des acides aminés essentiels.

B. Acides Aminés Hydrophiles

• Affinité pour l'eau, donc solubles dans l'eau.

• Chaîne latérale comportant des atomes de Carbone, Hydrogène, mais aussi Oxygène, Soufre, Azote.

• Structure variée (chaînes latérales basiques ou acides).

• Polaires : présence de charges entières () à pH physiologique ou de structures très polarisées.

• Exemples à connaître (structures) :

  • Basiques : Arginine (Arg - Noyau Guanidinium), Histidine (His - Noyau Imidazole), Lysine (Lys - Basique).

  • Acides : Acide Aspartique (Asp - Acide), Acide Glutamique (Glu - Acide).

  • Alcool : Sérine (Ser - fonction alcool), Thréonine (Thr - fonction alcool).

  • Amide : Asparagine (Asn - Fonction Amide), Glutamine (Gln - Fonction Amide).

  • Thiol : Cystéine (Cys - fonction thiol SH).

Détails sur l'Arginine, Lysine et Histidine

• Arginine (Arg) : Noyau guanidinium avec pK=. Très fortement basique, stable sous forme protonée, chargée positivement à pH physiologique. Hydrophile (pas amphipathique).

• Lysine (Lys) : Fonction amine en bout de chaîne R avec pK=. Région apolaire () et région polaire (). Amphipathique.

• Histidine (His) : Noyau imidazole, pK=. Base faible, excellente échangeur de protons (participe aux réactions d'oxydo-réduction dans les sites catalytiques des enzymes).

Détails sur l'Acide Aspartique et l'Acide Glutamique

• Acides aminés avec fonction carboxylique () dans leur chaîne latérale.

• À pH physiologique, ils sont partiellement dissociés en , portant une charge négative.

• Ces charges négatives permettent des interactions électrostatiques avec des AA chargés positivement, importantes pour la structure 3D des protéines.

• L'acide aspartique est plus acide que l'acide glutamique. pK du carboxyle du radical ~.

Détails sur l'Asparagine et la Glutamine

• Possèdent un groupement amide () dans leur chaîne latérale.

• Ce sont les formes amidifiées de l'acide aspartique et glutamique.

• Elles sont chimiquement neutres (pas de charge négative à pH physiologique), mais possèdent des radicaux polaires non chargés, les rendant hydrophiles.

Détails sur la Sérine et la Thréonine

• Contiennent une fonction alcool ().

• Sérine (Ser) : Fonction alcool primaire en (). Homologue hydroxylé de l'alanine.

• Thréonine (Thr) : Deux carbones asymétriques.

• Polaires non chargés, hydrophiles. Peuvent intervenir dans des réactions d'oxydo-réduction et de phosphorylation (estérification par l'acide phosphorique, régulant l'activité des protéines).

Détails sur la Cystéine

• Contient un groupement thiol ().

• Polaire non chargé, hydrophile.

• Participe à des réactions d'oxydo-réduction car le groupement thiol s'oxyde facilement.

• Deux cystéines peuvent former un pont disulfure (liaison covalente stable ) en présence d'un oxydant, jouant un rôle majeur dans la structuration spatiale des protéines (structure tertiaire).

• Exemple de l'insuline qui possède 3 ponts disulfures (un intra-chaîne et deux inter-chaînes), stabilisant sa structure 3D.

Détails sur la Tyrosine

• Noyau aromatique hydroxylé (parahydroxyphénylalanine).

• Fonction phénol très faiblement acide, capable de céder ou accepter un proton (donc impliquée dans les réactions d'oxydo-réduction).

• La fonction hydroxyle confère polarité et hydrophilie malgré le noyau benzénique hydrophobe, c'est donc un AA amphipathique.

C. Acides Aminés Amphipathiques (ou Amphiphiles)

• Possèdent à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles.

• Idéaux pour former des interfaces (ex: entre domaines aqueux et lipidiques).

• Moyen mnémotechnique : "Amphi" du grec "À la fois l'un et l'autre".

• Exemples : Thréonine (Thr), Méthionine (Met), Lysine (Lys), Tyrosine (Tyr), Tryptophane (Trp).

Détails sur la Méthionine

• Contient un atome de soufre, mais non sous forme thiol ().

• AA essentiel pour l'homme.

Détails sur le Tryptophane

• Acide aminé aromatique avec le plus grand radical (noyau indole).

• Amphipathique (pôle hydrophobe avec noyau aromatique et pôle hydrophile).

• Fragile, détruit par les acides minéraux.

• Le plus rare des acides aminés (- de ).

IV. Propriétés physiques des Acides Aminés

A. Asymétrie

Carbone α asymétrique

• La plupart des acides aminés sont des molécules asymétriques.

• Le carbone α est lié à 4 groupements différents (sauf la Glycine, qui est symétrique car son groupe R est un H).

• Cette asymétrie confère à l'AA une chiralité, rendant la molécule non superposable à son image dans un miroir.

• Les deux stéréoisomères sont appelés énantiomères. Ils ont la même constitution chimique, poids, volume et charge, mais se comportent différemment dans l'espace (ex: une enzyme peut en reconnaître un et pas l'autre).

Représentation de Fischer

• Le groupe carboxyle () est placé en haut, la chaîne latérale R vers l'arrière.

• Si la fonction amine () est à gauche : série L (left).

• Si la fonction amine () est à droite : série D (droit).

• Les acides aminés des protéines, végétaux et animaux sont majoritairement de la série L.

• Les acides aminés de la série D se trouvent dans les bactéries et les peptides antibiotiques.

B. Propriétés optiques (Pouvoir rotatoire)

• Les molécules asymétriques dévient la lumière polarisée : elles sont optiquement actives.

• Tous les acides aminés ont cette propriété, sauf la Glycine (due à sa symétrie).

• Dextrogyres (+) : dévient la lumière vers la droite.

• Lévogyres (-) : dévient la lumière vers la gauche.

• La série L ou D n'implique pas le sens de déviation (un AA de la série L peut être dextrogyre).

• La Loi de Biot permet de mesurer le pouvoir rotatoire et de relier son intensité à la concentration de l'AA :

  A° = [α]T_λ × ℓ × C

  • : rotation observée en degrés.

  • : pouvoir rotatoire spécifique (en ) à température T () et longueur d'onde ().

  • : trajet optique en décimètres (dm).

  • : concentration de l'AA en grammes/millilitre (g/ml).

• Les pouvoirs rotatoires des mélanges d'AA s'additionnent.

C. Absorption moléculaire des acides aminés

• Mesure par spectrophotométrie : permet l'étude du spectre d'absorption.

• Seuls les 3 acides aminés aromatiques absorbent dans l'UV proche (entre $260) grâce à leurs noyaux aromatiques :

  • Phénylalanine (Phe) : Max d'absorption à .

  • Tyrosine (Tyr) : Max d'absorption à (prépondérante).

  • Tryptophane (Trp) : Max d'absorption à .

• Cette propriété permet de quantifier les AA aromatiques ou les protéines qui les contiennent en utilisant la Loi de Beer-Lambert.

• Bien que la Tyrosine absorbe moins, sa plus grande présence dans les protéines la rend pertinente pour la mesure à . Le Tryptophane est rare.

• Cette technique est utile pour les protéines de petite taille (10-15 AA) où d'autres méthodes (colorimétriques) sont moins précises.

D. Polarité des acides aminés

La polarité des liaisons covalentes (H-O, H-N, H-S) résulte de la différence d'électronégativité des atomes. Ces liaisons polarisées permettent des interactions avec l'eau (hydrophilie).

Acides aminés polaires chargés

• Possèdent une fonction acide (Asp, Glu) ou basique (Arg, Lys, His) dans leur chaîne latérale.

• Portent une charge entière à pH physiologique.

• Développent des interactions électrostatiques (avec des dipôles, notamment les molécules d'eau).

• La force des interactions électrostatiques est dépendante de la distance et de l'environnement (constante diélectrique du milieu). Les molécules d'eau masquent partiellement ces interactions.

• Les molécules d'eau étant des dipôles, elles interagissent avec les AA chargés par des interactions ion-dipôle.

• Ces interactions confèrent une forte hydrophilie aux AA polaires chargés, ce qui est crucial pour la solubilité des protéines (ex: insuline).

Acides aminés polaires non chargés

• Les groupements R contiennent des hétéro-atomes (O, N, S) fortement électronégatifs et portant des doublets non liants.

• La polarisation partielle des liaisons (O-H, N-H, S-H) permet :

  • Des interactions dipôle-dipôle et ion-dipôle.

  • La formation de liaisons hydrogènes avec les molécules d'eau.

• Toutes les molécules polarisées peuvent former des liaisons hydrogènes avec l'eau et sont donc hydrosolubles.

• La solubilité globale des AA dépend de leur chaîne latérale R.

• Exemples : Asparagine (Asn), Thréonine (Thr), Glutamine (Gln), Tyrosine (Tyr), Sérine (Ser), Cystéine (Cys).

Acides aminés non polaires (Hydrophobes)

• Chaînes latérales formées presque exclusivement d'atomes de carbone et d'hydrogène (longues chaînes hydrocarbonées).

• Pas de liaisons hydrogènes avec l'eau.

• Présentent une forte hydrophobie.

• Exemples : Alanine (Ala), Isoleucine (Ile), Glycine (Gly), Proline (Pro), Valine (Val), Phénylalanine (Phe), Leucine (Leu).

• Ces AA peuvent former des liaisons hydrophobes (interactions de London), qui sont des interactions faibles mais nombreuses, participant au repliement et à la stabilité des protéines.

• Ces interactions sont basées sur la formation de dipôles instantanés.

V. Propriétés ioniques des Acides Aminés : pH isoélectrique (pHi)

Les acides aminés sont des molécules amphotères, possédant au moins deux groupements ionisables (carboxylique et aminé) dont l'ionisation varie avec le pH.

A. Ionisation des acides aminés en fonction du pH

• À pH très acide () : La fonction carboxylique n'est pas dissociée (), et la fonction amine est protonée (). L'AA porte une charge nette positive (forme cationique).

• Entre le pKa du carboxyle et le pKa de l'amine : La fonction carboxyle est dissociée (), et la fonction amine est protonée (). L'AA est sous forme d'ion dipolaire (zwitterion), avec une charge globale nulle.

• À pH très basique () : Le groupement aminé est déprotoné (), et le groupement carboxylique est dissocié (). L'AA est majoritairement anionique, avec une charge globale négative.

Rappel pK : Le pK est la constante de dissociation d'un acide. Quand , de l'espèce est dissociée. Plus le pK est faible, plus l'acide est fort. Plus le pK est élevé, plus la base est forte.

B. Calcul du pH isoélectrique (pHi)

• Le pHi est le pH auquel un acide aminé existe majoritairement sous forme d'ion dipolaire (charge nette nulle).

• Pour un acide aminé sans groupement ionisable sur sa chaîne latérale (ex: Alanine) :

  pHi = (pKα-COOH + pKα-NH2) / 2

• Si la chaîne latérale R comporte un groupe ionisable, elle introduit un pK supplémentaire, modifiant le calcul du pHi. Il faut alors prendre la moyenne des deux pK qui ENCADRENT l'ion dipolaire.

• Exemple de l'Acide Aspartique :

  • L'ion dipolaire (charge nette nulle) est présent entre et .

• Conséquences :

  • Quand : l'AA est majoritairement cationique (chargé +).

  • Quand : l'AA est majoritairement anionique (chargé -).

VI. Structures et Propriétés des Protéines

Les protéines sont des polymères d'acides aminés assemblés en peptides, avec des niveaux de structure complexes qui déterminent leur fonction.

A. Peptides

Généralités

• Les peptides sont des polymères d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques (liaisons amides).

• La liaison peptidique se forme par condensation entre le groupe carboxyle d'un AA et le groupe amine d'un autre AA, avec libération d'une molécule d'eau.

• Classification :

  • Oligopeptides : acides aminés (dipeptides, tripeptides, décapeptides). Ex: Enképhalines (5 AA) ont une action biologique.

  • Polypeptides : acides aminés. Poids moléculaire moyen d'un AA est d'environ .

  • Protéine : Polypeptide dont le poids moléculaire dépasse ().

Liaison peptidique

• Mésomérie : La liaison peptidique est stabilisée par résonance (délocalisation des électrons ). Elle possède deux formes mésomères.

• Rigidité et Planéité : Cette délocalisation électronique immobilise le C, N, O et H dans le même plan. La rotation autour de la liaison est difficile, rendant la liaison extrêmement rigide.

• Dimension : La distance entre deux successifs dans une chaîne peptidique est constante : (À CONNAÎTRE +++).

• Une chaîne peptidique étirée de acides aminés a une longueur de .

• La configuration des chaînes latérales est préférentiellement en trans pour minimiser l'encombrement stérique.

Structure d'une chaîne polypeptidique

• Elle possède deux extrémités libres :

  • Un groupe amine libre () à l'extrémité amino-terminale (N-ter).

  • Un groupe carboxyle libre () à l'extrémité carboxy-terminale (C-ter).

• Les séquences peptidiques sont toujours lues et synthétisées dans le sens .

B. Conformation tridimensionnelle des protéines

Les protéines adoptent des structures 3D spécifiques, essentielles pour leur fonction biologique.

Les différentes structures protéiques

1. Structure primaire : C'est l'ordre et le nombre d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique.

2. Structure secondaire : Premier niveau de repliement local, dicté par les liaisons hydrogènes entre les atomes du squelette peptidique.

3. Structure tertiaire : Repliement global de la chaîne polypeptidique dans l'espace, souvent associée à la fonction biologique (conformation native). Stabilisée par diverses interactions entre chaînes latérales.

4. Structure quaternaire : Association de plusieurs sous-unités protéiques (polypeptides) pour former un complexe fonctionnel (ex: dimères, polymères).

Les liaisons autour du sont libres de rotation, définies par les angles phi (Φ) (entre et ) et psi (Ψ) (entre et ).

1. Structure secondaire

• Non ordonnées (aléatoires ou random coil) : Flexibles, variables, souvent aux extrémités des protéines. Généralement sans action biologique spécifique.

• Ordonnées : Nombre restreint de types, limités par la rigidité et la planéité de la liaison peptidique.

  • Hélices α

  • Structures β (feuillets et virages)

• Elles sont stabilisées uniquement par des liaisons hydrogènes (+++) entre le groupe d'un AA et le groupe carbonyle () d'un autre AA. Pas d'interactions électrostatiques ou hydrophobes.

Hélices α

• La plus fréquente.

• Chaîne enroulée en spirale.

• 3,6 résidus par tour d'hélice. Chaque résidu allonge l'hélice de .

• Pas de l'hélice (distance entre 2 points équivalents) = .

• L'hélice se comporte comme un dipôle géant (pôle + et -) car chaque liaison peptidique est orientée.

• Stabilisée par des liaisons hydrogènes intra-caténaires (entre en n et en n+4). La multiplication de ces liaisons faibles confère une grande stabilité.

• Les chaînes latérales se positionnent à l'extérieur de l'axe de l'hélice, permettant des interactions avec l'environnement.

Hélices α gauches

• 3,3 résidus par tour d'hélice.

• Pas de l'hélice = . Structure plus lâche et étirée.

• Instable seule car les liaisons sont trop éloignées pour former des liaisons H intra-caténaires.

• Stabilisée par l'association de 3 hélices α gauches en une triple hélice, grâce à des liaisons H inter-chaînes.

• Exemple : Le collagène est une triple hélice α gauche, stabilisée par des liaisons H inter-caténaires impliquant des résidus d'hydroxylysine et d'hydroxyproline (modifications post-traductionnelles dépendant de la vitamine C).

Les structures β (Feuillets plissés β)

• Association de chaînes peptidiques colinéaires par des liaisons H inter-chaînes.

• Les plans des liaisons peptidiques sont arrangés en feuille pliée.

• Feuillets plissés antiparallèles () :

  • Les chaînes sont dirigées dans des sens opposés.

  • Les liaisons H sont presque linéaires (6 liaisons H pour une même longueur).

  • C'est le feuillet le plus stable.

• Feuillets plissés parallèles () :

  • Les chaînes sont disposées dans le même sens.

  • Les liaisons H sont moins bien alignées (4 liaisons H pour une même longueur, soit de moins).

  • C'est le type de feuillet le moins stable.

• Tonneau : Un feuillet se replie sur lui-même pour former un cylindre fermé. L'intérieur est hydrophobe (ex: protéine de liaison au rétinol).

Autres structures ordonnées

• Les coudes (ou virages ) :

  • Élément simple permettant la formation des feuillets.

  • Composés de 3 ou 4 résidus, ils permettent un virage à .

  • Stabilisés par des liaisons H entre les fonctions amine et carbonyle des résidus n et n+3.

  • Souvent riches en AA de petite taille (ex: Glycine).

• Les boucles :

  • Changements de direction de la chaîne protéique.

  • Structures non régulières mais rigides et définies.

  • Situées à la surface des protéines pour interagir avec d'autres molécules.

2. Structure tertiaire

• Structure spatiale globale d'une protéine globulaire (repliement complexe).

• Pour une protéine donnée, une seule structure tertiaire permet sa fonction biologique (+++). C'est la conformation native.

• Stabilité conformationnelle : Due aux interactions entre les chaînes latérales des AA, même si elles sont éloignées dans la séquence primaire mais proches dans l'espace.

• Forces d'interactions (par ordre décroissant d'intensité) :

  • Interactions covalentes (les plus rares et stables) : Ponts disulfures ().

  • Interactions non covalentes (faible énergie, mais nombreuses) : Liaisons hydrophobes (), électrostatiques (), hydrogènes (), dipôle-dipôle ().

• Structure super-enroulée (coiled-coil) : Hélice alpha avec un motif répété de 7 AA. Si les AA en positions 1 et 4 sont hydrophobes, cela crée une bande hydrophobe. L'interaction entre deux de ces hélices par leurs bandes hydrophobes forme un super-enroulement stable.

• Structure tertiaire et environnement : Adaptée à son environnement.

  • Protéines solubles (plasma, cytosol) : Globulaires, avec des AA hydrophiles en surface et des AA hydrophobes à l'intérieur.

  • Protéines membranaires : Localisées dans les membranes, interagissent avec des phases aqueuses et lipidiques (environnement multiphasique).

• Domaines structuraux : Petites unités fonctionnelles au sein de grandes protéines, souvent issues de la fusion de gènes distincts.

• Motifs structuraux : "Super" structures secondaires (ex : motif en clé grecque, faisceaux d'hélices, cylindre alpha-bêta).

3. Structure quaternaire

• Assemblage de plusieurs sous-unités polypeptidiques.

• Peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères).

• La forme oligomérique (associée) est la seule fonctionnellement active. La dissociation de cette structure entraîne une perte d'activité.

• Exemple : L'insuline est une protéine homodimérique (deux sous-unités identiques associées).

Bioénergétique et Métabolisme

Ce chapitre couvre les principes de la bioénergétique, le rôle des nucléotides riches en énergie, et une introduction aux grands métabolismes (glucides, lipides, protéines).

I. Énergétique Cellulaire et Bioénergétique

A. Définitions

• Bioénergétique : Étude des processus par lesquels les cellules se procurent l'énergie nécessaire à leurs fonctions. Les cellules animales sont chimiotrophes (utilisent l'énergie chimique des molécules).

• Thermodynamique : Étude des transferts d'énergie dans un système en évolution avec son environnement (chaleur et travail).

• Systèmes en thermodynamique :

  • Overt : Échange matière et énergie avec l'environnement.

  • Fermé : Échange uniquement de l'énergie (pas de matière). La cellule est considérée comme un système fermé.

  • Isolé : Aucun échange.

B. L'Énergie libre

1. Variation d'énergie libre ()

• La cellule est un système fermé qui échange de l'énergie sous forme de chaleur (énergie thermique) et de travail (chimique, mécanique, osmotique, électrique).

• L'énergie libre interne G caractérise chaque molécule. Sa variation lors d'une transformation est notée .

• .

• Si : la réaction est exergonique (libère de l'énergie), spontanément réalisable.

• Si : la réaction est endergonique (nécessite de l'énergie), non spontanément réalisable.

• A l'équilibre, la variation d'énergie libre .

• Formule fondamentale en thermodynamique :

  • : variation d'enthalpie (chaleur échangée).

  • : température absolue en Kelvin.

  • : variation d'entropie (désordre).

2. Conditions standards

• Conditions de référence pour comparer les réactions chimiques :

  • Température () : ().

  • Pression : .

  • Concentration des réactifs : .

• La variation d'énergie libre dans ces conditions est notée .

• Attention : La concentration de pour les protons () correspond à un pH de 0, ce qui est très éloigné des conditions physiologiques.

3. En biologie

• Les conditions standard biologiques sont définies à pH = 7. La variation d'énergie libre est alors notée .

• est une constante pour une réaction donnée à pH 7, 1 atm, 1 M de réactants (sauf ), .

• est la variation d'énergie libre observée dans les conditions biologiques réelles (pH 7, concentrations des réactants ).

• C'est le signe de (et non ) qui indique si une réaction est spontanément réalisable dans la cellule.

• Une réaction endergonique () peut devenir exergonique () dans les conditions cellulaires.

II. Rôle des Nucléotides Riches en Énergie et leur Importance dans les Réactions Biochimiques

Le métabolisme énergétique comprend le catabolisme (dégradation des molécules pour libérer l'énergie) et l'anabolisme (synthèse de biomolécules nécessitant de l'énergie).

A. Définitions

• Catabolisme :

  • Dégradation des macromolécules (exogènes ou endogènes) en éléments constitutifs (monosaccharides, AA, AG).

  • Ces éléments sont transformés en petites molécules de 2 à 5 carbones.

  • Ces petites molécules entrent dans les voies centrales communes du catabolisme (ex: cycle de Krebs) et sont dégradées en et , libérant de l'énergie.

  • Ces réactions sont particulièrement oxydatives, faisant intervenir des coenzymes comme et (qui deviennent et ).

  • Le catabolisme est producteur d'énergie, couplé à la synthèse d'ATP (Adénosine triphosphate) à partir d'.

  • La production d'ATP mitochondriale est quantitativement plus importante que la cytoplasmique.

• Anabolisme :

  • Processus réducteur qui consomme les coenzymes réduits () pour la synthèse de molécules.

  • Consommateur d'énergie, utilisant l'ATP (qui est hydrolysé en ).

• L'ATP/ADP est l'intermédiaire central dans le transfert de l'énergie entre le catabolisme et l'anabolisme.

B. ATP et ses caractéristiques

• L'ATP est un nucléoside Triphosphate.

• Nucléoside phosphate : composé d'un sucre (D-ribose), d'une base azotée (adénine), et d'un ou plusieurs groupements phosphate.

• Formation : Adénosine AMP (Adénosine Monophosphate) ADP (Adénosine Diphosphate) ATP.

• L'ATP est une molécule très instable, synthétisée et utilisée en permanence par l'organisme (jusqu'à hydrolysés).

• Le rapport intracellulaire est maintenu autour de 10, très éloigné de l'équilibre.

C. Acide Phosphorique et Énergie des Liaisons Phosphorylées

• L'acide phosphorique () est un triacide minéral faible, capable de céder 3 protons ().

• À pH physiologique, la forme prédomine.

• Liaisons ester-phosphate :

  • Formées entre l'acide phosphorique et un alcool.

  • L'hydrolyse libère environ (bas potentiel énergétique).

• Liaisons d'anhydride d'acide :

  • Formées par la déshydratation entre l'acide phosphorique et des acides carboxyliques (ou entre deux phosphates).

  • L'hydrolyse libère (haut potentiel énergétique).

  • Dans l'ATP, les deux liaisons entre les phosphates sont des liaisons d'anhydride d'acide. Ces liaisons ont un niveau intermédiaire d'énergie.

D. Formes d'hydrolyse de l'ATP

• Réaction 1 (la plus fréquente) : (avec = phosphate inorganique). L'hydrolyse de la liaison d'anhydride d'acide entre les 2 derniers phosphates libère environ .

• Réaction 2 (moins fréquente) : (avec = pyrophosphate). Libère . Le est rapidement hydrolysé en par des pyrophosphatases, libérant supplémentaire dissipée en chaleur.

• L'hydrolyse de l'ATP en AMP libère davantage d'énergie que celle en ADP (jusqu'à dans la cellule, loin de l'équilibre). Ceci permet de coupler des réactions très endergoniques.

E. Autres rôles de l'ATP

• Coenzyme : Donneur de phosphate pour les kinases (enzymes de phosphorylation).

• Donneur de Pyrophosphate : Activation de molécules (ex: vitamine B1).

• Donneur d'AMP : Activation d'acides gras ou d'acides aminés.

• Donneur d'adénosyl : Synthèse de S-adénosyl-méthionine (SAM), importante pour les réactions de méthylation.

F. Couplage énergétique (Notion très importante)

• Une réaction ne peut se produire spontanément que si .

• Une enzyme ne peut que catalyser une réaction spontanément réalisable (elle ne modifie pas l'équilibre, mais la vitesse pour l'atteindre).

• Le couplage d'une réaction endergonique (non spontanée) avec une réaction fortement exergonique (spontanée, ex: l'hydrolyse de l'ATP) peut rendre le processus global exergonique et donc réalisable.

• Exemple : Phosphorylation du glucose (endergonique, ) couplée à l'hydrolyse de l'ATP (exergonique, ) donne une réaction globale exergonique ().

• L'ATP est le "donneur d'énergie universel".

G. Synthèse des liaisons riches en énergie de l'ATP

• Phosphorylation au niveau du substrat : Récupération de l'énergie libérée par l'hydrolyse d'un composé phosphorylé à haut potentiel (ex: lors de la glycolyse).

• Couplage chimio-osmotique : Récupération de l'énergie liée aux oxydations cellulaires dans les mitochondries (production d'ATP au cours de la chaîne respiratoire). Ce processus essentiel est le sujet d'un cours spécifique.

H. Autres nucléotides riches en énergie

• GTP/GDP (guanosine) : Impliqués dans le métabolisme des protides.

• UTP (uridine) : Impliqué dans le métabolisme des glucides.

• CTP (cytidine) : Impliqué dans le métabolisme des lipides.

• Ces nucléotides sont également impliqués dans les contractions musculaires, mouvements cellulaires, et gradients ioniques.

• Composés phosphorylés à connaître (valeurs en kJ/mol) :

  • Glycérol-3-phosphate : .

  • Glucose-6-phosphate : .

  • Glucose-1-phosphate : .

  • Créatine-phosphate : (rôle important dans la contraction musculaire).

  • Phosphoénolpyruvate : .

• Acétyl-CoA : composé à haut potentiel énergétique, transporteur activé de groupements acétyles. Son hydrolyse libère environ . Il est central dans de nombreux métabolismes et sert à l'entrée des acétyles dans le cycle de Krebs.

III. Introduction au Métabolisme

A. Voies centrales communes du métabolisme

Les nutriments (polysaccharides, protéines, lipides) sont digérés en éléments constitutifs (monosaccharides, AA, AG). Ces éléments sont ensuite transformés en molécules à petit nombre de carbones qui convergent vers les voies centrales du catabolisme, notamment le cycle de Krebs.

• Polysaccharides Monosaccharides (Glucose).

• Protéines Acides aminés.

• Lipides Acides gras.

• Ces éléments sont utilisés pour la constitution de réserves (glycogène, triglycérides) ou dégradés en intermédiaires comme l'Acétyl-CoA.

• L'interconversion des composés à faible nombre de carbone est cruciale (ex: pyruvate Acétyl-CoA).

• L'entrée dans le cycle de Krebs s'effectue dans la mitochondrie par condensation d'Acétyl-CoA avec l'oxaloacétate pour former le citrate.

B. Métabolisme du Glucose

• Le glucose est activé par phosphorylation en glucose-6-phosphate.

• Glycogénogenèse : Glucose-6-P stocké sous forme de glycogène (foie, muscles).

• Glycogénolyse : Dégradation du glycogène pour restituer le glucose.

• Glycolyse : Dégradation du glucose dans le cytoplasme en 2 molécules de pyruvate (3C).

• Devenir du pyruvate :

  • Conditions anaérobies : Pyruvate Lactate.

  • Mitochondrie : Pyruvate décarboxylé et activé en Acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase (PDH). L'Acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs.

  • Néoglucogenèse : Le pyruvate peut ressortir de la mitochondrie pour régénérer du glucose (processus important en cas de jeûne).

• Voie des pentoses phosphates : Dégrade le glucose dans le cytosol, produisant du ribose-5-phosphate (précurseur des acides nucléiques) et du NADPH, H (coenzyme réducteur pour les synthèses anaboliques).

• Après un repas riche en glucides, l'excès d'Acétyl-CoA (suite au ralentissement du cycle de Krebs) est dévié vers la synthèse d'acides gras (stockage). L'Acétyl-CoA est aussi un précurseur des hormones stéroïdes.

C. Métabolisme des Lipides

• Les lipides sont dégradés en acides gras.

• Ils sont estérifiés avec le glycérol pour former des triglycérides, stockés dans le tissu adipeux (adipocytes).

• À distance des repas :

  • Lipolyse : Les réserves sont mobilisées, libérant des acides gras.

  • Les acides gras sont activés et subissent la bêta-oxydation dans la mitochondrie pour former de l'Acétyl-CoA.

  • L'Acétyl-CoA entre dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie.

• Autres conditions : L'Acétyl-CoA peut quitter la mitochondrie (via le citrate) pour être utilisé dans le cytoplasme pour la synthèse d'acides gras.

D. Métabolisme des Protéines

• Les protéines alimentaires sont digérées en acides aminés, qui rejoignent la circulation sanguine.

• Ces acides aminés sont utilisés pour la synthèse de protéines tissulaires ou pour le renouvellement incessant des protéines.

• Pool d'acides aminés circulants : issu de la digestion et de la dégradation des protéines endogènes.

• Catabolisme des acides aminés :

  • Désamination : Séparation du groupement aminé et du squelette carboné.

  • Le groupement aminé est détoxifié via l'uréogenèse (formation d'urée éliminée par les reins).

  • Le squelette carboné entre dans la mitochondrie et peut converger vers différents intermédiaires du cycle de Krebs (Acétyl-CoA, -cétoglutarate, Succinyl-CoA, Fumarate, Pyruvate, Oxaloacétate).

• Autres situations métaboliques :

  • Oxydation des squelettes carbonés pour produire de l'énergie.

  • À distance des repas, certains acides aminés ("glucoformateurs") peuvent être utilisés pour produire du glucose (néoglucogenèse).

  • En cas de jeûne prolongé, certains acides aminés sont précurseurs des corps cétoniques (cétogenèse).

Chimie Organique : Constitution des Molécules Organiques

La chimie organique est l'étude du carbone et de ses composés. Ce chapitre explore sa constitution, ses règles de liaison, et la nomenclature des molécules.

I. Introduction à la Chimie Organique

• La chimie étudie la structure des molécules et leurs interactions.

• La chimie organique est la chimie du carbone et de ses composés. Les molécules organiques sont essentielles à la vie (lipides, glucides, protéines, acides nucléiques).

• Certaines sont naturelles (coton, soie), d'autres synthétiques (polyester, médicaments).

II. Modèle Ondulatoire et Hybridation

A. Dualité onde-particule et orbitales atomiques

• Dualité onde-particule : De Broglie a proposé que les particules (comme les électrons) possèdent des propriétés ondulatoires ().

• Fonction d'onde : Décrit l'électron comme une onde stationnaire. représente la probabilité de présence de l'électron.

• Les orbitales atomiques (OA) sont les solutions des équations d'ondes et ont différentes formes (s: sphérique, p: lobes).

• Les liaisons chimiques résultent du recouvrement en phase des orbitales. Le recouvrement de 2 OA forme 2 orbitales moléculaires (OM) :

  • OM liante (Sigma) : Stabilisée.

  • OM anti-liante (Sigma*) : Déstabilisée.

B. Hybridation du Carbone

L'hybridation est une opération mathématique décrivant la combinaison d'orbitales atomiques pour former de nouvelles orbitales atomiques hybrides (OH), qui expliquent la tétravalence du carbone et la géométrie des molécules.

1. Hybridation (Alkane, liaison simple)

• Exemple : Méthane ().

• 1 orbitale s + 3 orbitales p 4 orbitales hybrides .

• Ces 4 orbitales sont orientées de manière à minimiser les répulsions électroniques, formant une géométrie tétraédrique avec des angles de .

• Forme 4 liaisons par recouvrement axial (ex: dans le méthane, ou dans l'éthane).

2. Hybridation (Alcène, double liaison)

• Exemple : Ethylène ().

• 1 orbitale s + 2 orbitales p 3 orbitales hybrides .

• Ces 3 orbitales sont dans un plan, à l'une de l'autre (géométrie trigonale plane).

• Il reste 1 orbitale p non hybridée, perpendiculaire au plan.

• Une **double liaison** est composée de :

  • 1 liaison : par recouvrement axial de 2 OH .

  • 1 liaison : par recouvrement latéral de 2 OA p non hybridées.

3. Hybridation (Alcyne, triple liaison)

• Exemple : Ethyne ().

• 1 orbitale s + 1 orbitale p 2 orbitales hybrides .

• Ces 2 orbitales sont alignées à (géométrie linéaire).

• Il reste 2 orbitales p non hybridées, perpendiculaires entre elles et à l'axe .

• Une **triple liaison** est composée de :

  • 1 liaison : par recouvrement axial de 2 OH .

  • 2 liaisons : par recouvrement latéral des 2 pz et des 2 px non hybridées.

C. Conséquences de l'hybridation

• Dans les alcènes et alcynes, la présence de liaisons empêche la rotation autour de la double ou triple liaison.

• La rotation est possible avec les carbones hybridés (conformères).

• Le modèle de la VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) est en accord avec l'hybridation pour prédire la géométrie.

III. Écriture et Nomenclature des composés organiques

A. Représentation des molécules

• Éléments constitutifs (par ordre décroissant de fréquence dans les molécules organiques) :

  • C, H, O, N

  • Cl, Br, I, S, P, As

  • Na, Li, Mg, Zn, Cd, Pb, Sn

• Formule brute : Donne la nature et la proportion relative des éléments, permet le calcul de la masse moléculaire (Ex: pour l'urée). Ne donne pas d'informations sur la disposition spatiale ou les liaisons multiples.

• Formule semi-développée et condensée : Montre toutes les liaisons sauf les liaisons . Représentation en 2D sans stéréochimie (Ex: ).

• Formule plane ou développée (Kékulé) : Toutes les liaisons covalentes sont représentées. Complète mais lourde et ne décrit pas la structure 3D.

• Formule topographique (ou topologique) : Représentation rapide, les atomes de carbone ne sont pas mentionnés explicitement (points et extrémités des lignes), les non plus (sauf liés à hétéroatomes ou sur fonctions terminales). Utile pour molécules complexes.

B. Classe du carbone

• Primaire () : Lié à 1 seul autre carbone.

• Secondaire () : Lié à 2 autres carbones.

• Tertiaire () : Lié à 3 autres carbones.

• Quaternaire () : Lié à 4 autres carbones.

C. Classification des composés organiques

• Composés acycliques :

  • Linéaires

  • Ramifiés

• Composés carbocycliques : Contiennent uniquement des cycles de carbones (Ex: Benzène).

• Composés hétérocycliques : Cycles contenant un ou plusieurs hétéroatomes (autres que C ou H).

D. Noms des chaînes carbonées linéaires et ramifiées

• La longueur de la chaîne carbonée détermine le préfixe du nom (Ex: Methane (1C), Ethane (2C), Propane (3C), Butane (4C), Pentane (5C), ...). Ces préfixes sont à apprendre par cœur.

• Pour les cycles, on ajoute le préfixe "cyclo" (Ex: cyclohexane).

• Les ramifications (radicaux) sont des chaînes carbonées qui se greffent au squelette. Leur suffixe commun est "-yl" (Ex: Méthyl, Éthyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Tert-Butyl).

• Leurs abréviations (Me, Et, Pr, iPr, Bu, tBu, Ph, Bn) sont à connaître.

E. Insaturations

• Une molécule est saturée si elle possède le maximum d'hydrogènes possibles (uniquement liaisons simples et acyclique).

• Une molécule est insaturée si elle contient des doubles liaisons, triples liaisons, ou des cycles.

• Une insaturation correspond à :

  • 1 double liaison () = 1 insaturation.

  • 1 triple liaison () = 2 insaturations.

  • 1 cycle = 1 insaturation.

• Le Benzène, avec 3 doubles liaisons et 1 cycle, possède 4 insaturations.

IV. Les groupes fonctionnels

Les groupes fonctionnels sont des groupements d'atomes qui confèrent à une molécule des propriétés physiques et chimiques caractéristiques.

A. Hydrocarbures

• Composés uniquement de et .

• Alcanes () : Liaisons simples, suffixe "-ane". Peu polaires, peu réactifs.

• Alcènes () : Au moins une double liaison, suffixe "-ène". Caractère nucléophile de la liaison .

• Alcynes () : Au moins une triple liaison, suffixe "-yne". Caractère nucléophile de la liaison .

• Arènes : Cycles avec liaisons conjuguées (alternance de doubles et simples liaisons), noyaux aromatiques (ex: benzène). Réactivité spécifique due à l'aromaticité.

B. Fonctions Monovalentes

Carbone lié à un hétéroatome (O, F, N, S, etc.).

• Halogénure (Halogénoalcane) : (X=halogène: F, Cl, Br, I).

• Alcool : .

  • Primaire : sur un .

  • Secondaire : sur un .

  • Tertiaire : sur un .

• Éther : (Oxygène lié à deux carbones).

• Amine : .

  • Primaire : lié à 1 carbone.

  • Secondaire : lié à 2 carbones.

  • Tertiaire : lié à 3 carbones.

• Thiol : (Soufre et Hydrogène).

• Nitré : .

C. Fonctions Divalentes

Carbone lié à deux hétéroatomes (souvent par une double liaison).

• Aldéhyde : ( en bout de chaîne).

• Cétone : ( en milieu de chaîne).

• Acétal : .

D. Fonctions Trivalentes

Carbone lié à trois hétéroatomes.

• Acide carboxylique : ().

• Ester : ().

• Nitrile : (Triple liaison ).

• Amide : (). (Types Primaire, Secondaire, Tertiaire selon le nombre de carbones liés à l'azote).

V. Les règles de Nomenclature (IUPAC)

Le système IUPAC permet de nommer les composés organiques de manière universelle.

A. Règle de l'IUPAC

1. Déterminer la fonction principale : Celle-ci sera désignée en suffixe. La priorité des fonctions est cruciale (à connaître par cœur via le tableau ci-dessous ou mnémotechnique).

2. Déterminer la chaîne carbonée la plus longue : Cette chaîne doit contenir la fonction principale, le maximum d'insaturations, et le maximum de substituants.

3. Nommer la chaîne carbonée, la fonction principale, les insaturations et les substituants :

   • Les fonctions secondaires sont nommées en préfixe.

   • Les halogènes et nitrés sont toujours des substituants (préfixe).

4. Numéroter les constituants : Attribuer les plus petits numéros possibles. Utiliser des préfixes (di, tri, tétra) si plusieurs groupes identiques.

B. Tableau de priorité des fonctions principales (à connaître)

Astuce mnémotechnique pour l'ordre de priorité (décroissante):
Acide (acide carboxylique) Et (ester) Amidon (amide) neutralisent (nitrile) les allergies (aldéhyde) comme (cétone) l'alcool tue les ambitieuses (amine) infections.

C. Noms et Numérotations

• Chaîne carbonée : Utiliser les préfixes des alcanes (méth-, éth-, prop-, etc.). Ajouter "cyclo" si cyclique.

• Insaturations :

  • Pas d'insaturation : "-ane".

  • Une double liaison : "-ène".

  • Une triple liaison : "-yne".

  • Numéroter le premier carbone de la liaison multiple avec le plus petit chiffre possible.

• Substituants :

  • Placés par ordre alphabétique. Les préfixes di, tri, tétra ne comptent pas dans l'ordre alphabétique.

  • Pour "Tert-Butyl", "tert-" ne compte pas. Pour "Iso"-propyl, "Iso" compte.

  • Donner les plus petits numéros possibles.

• Fonction principale : Elle détermine le suffixe. Les fonctions acide carboxylique, aldéhyde, nitrile sont toujours en bout de chaîne (numéro 1). Les alcools et amines sont numérotés avec le plus petit C portant la fonction.

VI. Introduction à la Sociologie et Histoire des Sciences

Ce chapitre explore l'évolution de la médecine et de la pensée scientifique, en abordant les concepts de rationalisme, relativisme, et les essais cliniques randomisés (ECR).

A. La Médecine et les Sciences

• La médecine clinique existe depuis des millénaires (ex: Égypte antique). Les sciences (ex: mathématiques en Mésopotamie) sont également très anciennes.

• Le rapprochement de la médecine et des sciences s'intensifie au XIXème siècle, un phénomène de "scientifisation" de la société.

• Selon Norbert Elias, nous avons remplacé les interprétations superstitieuses par une approche scientifique.

B. Quelques outils de sociologie et d'histoire des sciences

• L'histoire et la sociologie étudient les sciences avec une approche critique. Elles analysent les facteurs sociaux, économiques, politiques qui influencent la production de connaissances scientifiques.

1. Le Rationalisme

• La science cherche à atteindre la vérité à l'aide de la raison et de la logique. Ce mode de pensée est apparu en Grèce Antique (Platon, Le Ménon).

• Le discours scientifique est :

  • Sur le général (lois expliquant de nombreux phénomènes).

  • Universellement vrai (transcende temps et lieu).

  • Autonome (s'appuie sur des connaissances antérieures).

• Théorie de Popper (1933) : Le travail scientifique repose sur des hypothèses, déductions, et confrontations à l'expérience. Une théorie est considérée vraie si elle n'est pas réfutée.

2. Le Relativisme

• Opposé au rationalisme. Une connaissance est scientifique si l'ensemble des chercheurs la considère comme telle.

• Théorie de Kuhn : La science est une succession de paradigmes (visions du monde).

  • Un paradigme est un ensemble de normes épistémiques (règles de fabrication du savoir) créées par une communauté scientifique.

  • Ces normes peuvent être abandonnées lors d'une révolution scientifique (ex: modèle géocentrique → héliocentrique).

• Théorie de Latour (1984) : Une théorie s'impose car elle est momentanément plus efficace et soutenue par des alliés puissants (industriels, politiques, opinion publique). Les savoirs scientifiques sont "situés" et circulent dans des réseaux. Il est important d'étudier les échecs pour comprendre comment les savoirs ne parviennent pas à être reconnus comme vrais.

• Critiques du relativisme radical : Il n'y a pas de vérité objective, tous les discours se valent (conduisant à l'impasse et au risque d'instrumentalisation politique, ex: déni climatique).

• Les historiens et sociologues des sciences adoptent une position intermédiaire entre rationalisme et relativisme.

C. Histoire des essais cliniques et de la médecine fondée sur les preuves (EBM)

• Biomédecine : Médecine fondée sur la science biologique et biochimique.

• Evidence-Based Medicine (EBM) : Utilisation des meilleures preuves de la recherche clinique pour soigner.

• Née dans les années 1950 aux USA pour évaluer objectivement les médicaments face à la méfiance du public et la crédulité des praticiens.

1. Les Essais Cliniques Randomisés (ECR)

• Méthode d'évaluation des médicaments :

  • Rassemblement de patients ayant la même pathologie et au même stade.

  • Répartition aléatoire en groupes (traitement vs. placebo).

  • Procédure en double aveugle (ni patient, ni médecin ne connaissent le traitement attribué).

  • Évaluation objective des effets (imagerie, bilans sanguins).

  • Analyses statistiques pour déterminer l'efficacité.

• Succès mondial des ECR, promus par les politiques publiques et la concurrence pharmaceutique. Multiplication des publications et développement des analyses statistiques.

2. Naissance de la Médecine fondée sur les preuves

• Dans les années 1990, des chercheurs ont développé une méthode pédagogique pour les praticiens, afin de hiérarchiser les niveaux de preuves des publications biomédicales.

• L'ECR est considéré comme le meilleur niveau de preuve.

• Les ECR sont devenus la base des recommandations cliniques des sociétés savantes et des décisions de santé publique. Ils sont le dispositif central de production de la preuve en médecine.

3. Critiques de la scientificité des essais

• Associations de patients (ex: SIDA dans les années 90) :

  • Ont obtenu des modifications : droit de sortie des patients, contestation de l'utilisation du placebo (perte de chance), interruption des essais en cas de résultats intermédiaires très favorables pour un groupe.

• Critiques des critères d'évaluation : Les ECR se concentrent sur la morbidité et la mortalité, mais négligent la qualité de vie des patients (effets secondaires).

• Sous-représentation des femmes : Les médicaments sont principalement testés sur des hommes, car les variations hormonales féminines ajoutent une complexité.

• Conséquences : Risque de standardiser la prescription, de déshumaniser la relation médecin-patient, et d'altérer l'écoute du patient.

4. Critiques de l'implication industrielle

• De nombreux ECR sont sponsorisés par les industries pharmaceutiques.

• Les industries utilisent les ECR comme outils marketing pour promouvoir des résultats favorables.

• Délocalisations des ECR (ex: en Inde) pour réduire les coûts et contourner certaines réglementations ou droits des patients.

Conclusion : La science et la médecine sont intrinsèquement liées. La science façonne la société, et inversement. Les sciences sociales soulignent l'influence des facteurs externes sur la science et son caractère incertain.

Biochimie, bioénergétique et introduction au Métabolisme & Constitution des Molécules Organiques

Ronéo N°1

Ces notes couvrent des aspects fondamentaux de la biochimie, de la bioénergétique et de la chimie organique, essentielles pour la compréhension des processus biologiques et la modélisation des molécules.

I. Biochimie : Acides Aminés et Protéines

La biochimie étudie la composition et les réactions chimiques des êtres vivants. Les acides aminés et les protéines sont au cœur de la vie cellulaire.

a. La cellule : intégrations spatiale, structurale et métabolique

• Intégration spatiale : Le cytoplasme = environnement compacté, rempli de diverses molécules (glucides, lipides, protéines) qui interagissent grâce à leur affinité et concentration.

• Intégration structurale : membranes composées de lipopolysaccharides (lipides + sucres), lipoprotéines (lipides + protéines) et peptidoglycanes (peptides + sucres). Ces associations de biomolécules confèrent une gd richesse + des propriétés différentes.

• Intégration métabolique : les métabolismes sont interconnectés. Par exemple, le glucose peut être transformé en acides aminés, acides gras et précurseurs d'acides nucléiques.

• Le cycle de Krebs permet de générer divers précurseurs métaboliques.

b. Les Protéines

Les protéines sont des macromolécules essentielles composées d'acides aminés.

Leur agencement spatial détermine leur fonction.

• 1) Agencement dans l'espace :

  • La séquence peptidique (ordre des acides aminés) et la nature des acides aminés déterminent l'organisation spatiale.

  • L'affinité entre certains acides aminés favorise le repliement de la chaîne protéique, rapprochant des acides aminés éloignés dans la séquence.

  • Ceci créé zones hétérogènes (charges, polarités) qui donnent à la protéine une identité unique pour interagir avec des récepteurs spécifiques.

• Exemple de l'insuline :

  • Hormone qui diminue le taux de sucre en favorisant l'entrée du glucose dans les cellules.

  • Agit sur des récepteurs spécifiques et possède une identité propre.

  • Protéine globulaire composée de 2 chaînes (A et B) associées par des liaisons covalentes, formant une structure 3D fonctionnelle.

• 2) Rôle des protéines :

• Elles sont les macromolécules les plus polyvalentes :

  • Rôle deliaison: régulent l'expression de gènes (facteurs transcriptionnels).

  • Rôle dans le métabolisme : insuline, hormone de croissance.

  • Rôle de structure : actine dans les fibres musculaires.

  • Rôle de catalyseur biologique : enzymes.

  • Rôle de transport : albumine (transport d'hormones ds le sang, autres composés).

  • Rôle de commutateurs de signalisation : protéine RAS (prolifération cellulaire) change de structure (active/inactive).

c) Généralités sur les Acides Aminés

1. Structure générale des acides aminés

• Les acides aminés sont des molécules carbonées tétraédriques.

Constituants :

• Un groupe carboxyle (COO^-) -> acide

• Une fonction amine (NH₂⁺). -> base (devient NH3+ lorsqu'il est conjugué)

• Un atome d'hydrogène (H).

• Un groupe R (chaîne latérale) qui est variable.

• Le carbone central est appelé Cα (carbone adjacent). Ce sont des acides α-aminés. (les autres carbones issus de la chaîne latérale sont ainsi appelé Cβ...)

• Rappels de Chimie :

  • Fonction Acide(COOH) : cède des protons, devient COO^- (chargé négativement car perte de protons) à pH physiologique (7,4).

  • Fonction Amine (NH₂) : capte des protons, devient NH₃⁺ (chargé positivement car gain de protons) à pH physiologique (7,4).

• Les propriétés d'un acide aminé sont influencées par :

  • Isolé : dépend des fonctions carboxyle, amine et de la chaîne latérale.

  • Inclus dans une protéine : dépend uniquement de la chaîne latérale.

2. Classification des Acides Aminés

• Acides aminés constituants des protéines (protéinogènes) :

  • Il existe 21 acides aminés protéinogènes.

  • Certains peuvent subir des modifications enzymatiques post-traductionnelles (après traduction) (oxydation -> perte d'e-):

    • Proline devient Hydroxyproline.

    • Lysine devient Hydroxylysine.

    • Cystéine peut être oxydée en Cystine.

  • Le 21^e acide aminé est la Sélénocystéine (analogue de la Cystéine avec un Sélénium).

• Acides aminés non constituants des protéines :

  • +de 300 existants.

  • Appartiennent au métabolisme intermédiaire (ensemble des réactions chimiques qui permettent d’utiliser, transformer ou éliminer les acides aminés dans l’organisme) (ex: Citrulline dans le cycle de l'urée -> élimination de l'azote dans les aa).

  • Rôle de transfert de groupements (hydroxyles -> résultat de l'oxydation,ou amines).

• Les 9 Acides Aminés indispensables pour l'Homme :

  • L'Homme est incapable de les synthétiser (noyaux aromatiques, ramifications). Ils doivent être apportés par l'alimentation.

  • À connaître : Histidine (HIS), Leucine (LEU), Thréonine (THR), Lysine (LYS), Tryptophane (TRP), Phénylalanine (PHE), Valine (VAL), Méthionine (MET), Isoleucine (ILE).

  • Moyen mnémotechnique : Hystérique Le Très Lyrique Tristan Fait Vachement Méditer Iseult.

• Acides Aminés non indispensables : Proviennent des interrelations métaboliques.

3) Chaîne Latérale (R)

La chaîne latérale R confère aux aa leurs propriétés physico-chimiques uniques.

• Varie en taille et forme.

• Représente une variation de réactivité chimique (basicité, acidité), physique (charge) et de solubilité dans l'eau (polarité= détermine si l’acide aminé est hydrophile (soluble dans l’eau) ou hydrophobe (insoluble).

• Permet aux acides aminés de se spécialiser et de se positionner par rapport à la protéine (extérieur/intérieur protéine, site actif d'enzymes, sites d'interaction protéique, interfaces lipidiques/aqueuses).

d. Classification des Acides Aminés par Polarité

1) Acides aminés hydrophobes

• Très faible affinité pour l'eau, peu solubles.

• Chaîne latérale uniquement composée de C et H (sauf Proline avec un N).

• Très peu polarisés = apolaires. Se comportent comme des chaînes de lipides

• Peu polarisé → pas de charges → pas soluble dans l’eau → hydrophobe.

• Exemples : Glycine (Gly), Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile), Proline (Pro), Phénylalanine (Phé).

• Glycine Alla Valider Le Isoterme Pro Phétique

• La Valine, Leucine, Isoleucine sont ramifiées.

• Quand on dit qu’un acide aminé est ramifié, cela concerne sa chaîne latérale R.

• Ramification = la chaîne latérale se divise en plusieurs branches, plutôt que d’être une chaîne droite.

2) Acides aminés hydrophiles

• Affinité pour l'eau, solubles.

• Chaîne latérale contient C, H, mais aussi O, S, N.

• Structure variée (acides/basiques), présence de polarité (charges +/- ou structures très polarisées = fortement hydrophile, fortement « attiré par l’eau »). Interactent avec l'eau.

• Exemples : Arginine (Arg), Histidine (His), Acide aspartique (Asp), Acide glutamique (Glu), Sérine (Ser), Cystéine (Cys), Asparagine (Asn), Glutamine (Gln).

• L'Arginine contient un noyau Guanidinium.

• L'Histidine contient un noyau Imidazole.

• L'Asparagine et la Glutamine possèdent une fonction amide.

• La Sérine et la Thréonine sont des AAs alcool.

3) Acides aminés amphipathiques

• Possèdent à la fois des propriétés hydrophobes et hydrophiles. Idéaux pour former des interfaces.

• Exemples : Thréonine (Thr), Méthionine (Met), Lysine (Lys), Tyrosine (Tyr), Tryptophane (Trp).

• La Lysine est basique avec une région hydrophile (NH₃) et hydrophobe (4 CH₂).

• La Tyrosine est amphipathique avec une région polaire (OH) et apolaire (noyau aromatique).

• Le Tryptophane possède un noyau indole (Le Tryptophane possède un noyau indole = structure en forme d’anneau, région hydrophobe). C'est l'AA le plus rare et fragile.

e) Propriétés Physiques des Acides Aminés

1) Asymétrie

• Carbone α asymétrique :

  • Tous les aa sont asymétriques (4 groupements différents autour du Cα), SAUF la Glycine.

  • La présence de ce carbone asymétrique rend la molécule chirale (non superposable à son image dans un miroir).

  • Énantiomères : stéréoisomères (molécules qui ont les mêmes atomes et la même formule chimique, mais différente disposition dans l’espace) non superposables, images l'un de l'autre dans un miroir. Ont mêmes propriétés chimiques et physiques, SAUF l'interaction avec d'autres molécules chirales (enzymes).

• Représentation de Fisher :

COOH en haut, chaîne latérale (R) vers l'arrière.

• Fonction amine à gauche → série L (left).

• Fonction amine à droite → série D (right).

• Les protéines humaines, végétales et animales contiennent des AA de la série L.

• Les AA de la série D se trouvent chez les bactéries, dans les peptides antibiotiques.

2) Propriétés optiques

• Pouvoir rotatoire :

  • Les molécules asymétriques dévient la lumière polarisée. Appelée pouvoir rotatoire. Optiqu
    ement actives (sauf Glycine).

  • Dextrogyres (+) : dévient la lumière à droite.

  • Lévogyres (-) : dévient la lumière à gauche.

  • La série L ne signifie pas lévogyre (il existe des AA L dextrogyres et des AA D lévogyres).

  • La déviation dépend de la taille des substituants autour du carbone asymétrique.

  • Loi de Biot :

    • : rotation observée en degrés.

    • : pouvoir rotatoire spécifique à T (25°C) et (589,3 nm, raie D du sodium), exprimé en .

    • : trajet optique en dm.

    • : concentration en g/ml.

  • En solution, les pouvoirs rotatoires des AA s'additionnent.

  • Le pouvoir rotatoire de la Glycine est de (structure symétrique).

3. Absorption moléculaire des acides aminés (AA aromatiques)

• Mesurée par spectrophotométrie (spectre d'absorption, pic d'absorption maximale).

• Seuls 3 AA aromatiques absorbent dans l'UV proche (entre 260 et 290 nm) :

  • Phénylalanine (Phe) : 260 nm.

  • Tyrosine (Tyr) : 275 nm.

  • Tryptophane (Trp) : 280 nm.

• Les autres AA n'absorbent pas à ces longueurs d'ondes.

• La mesure de l'absorbance permet de quantifier les AA ou protéines par la loi de Beer-Lambert.

• On se place à 275 nm (Tyrosine) car elle est plus fréquente dans les protéines que le tryptophane, bien que son absorbance soit moindre.

• Cette technique est utile pour quantifier de petites protéines contenant des AA aromatiques.

• Détails sur la tyrosine et le tryptophane :

  • Tryptophane (Trp) : AA aromatique, la plus grande chaîne latérale. Radical = méthyle + noyau indole. Amphipathique, fragile (détruit par acides minéraux). Le plus rare des AA.

  • Tyrosine (Tyr) : Noyau aromatique = parahydroxyphénylalanine. Radical = méthyle + cycle benzénique hydroxylé. Fonction phénol faiblement acide, impliquée dans réactions d'oxydo-réduction. Fréquente dans les sites catalytiques des enzymes. Non indispensable (sauf sans phénylalanine). La fonction hydroxyle apporte polarité et hydrophilie, la rendant amphipathique malgré le noyau benzénique hydrophobe.

4. Polarité des acides aminés

• La polarité d'une liaison covalente dépend de la différence d'électronégativité ().

  • égales → liaison non polarisée (ex: H₂).

  • différentes → liaison polarisée, création d'un moment dipolaire (ex: O-H). Le dipôle va de à .

• Rappel : O, N, S sont plus électronégatifs que H. Les fonctions acide carboxylique, amine, hydroxyle, thiol sont polarisées.

• Ces liaisons polarisées interagissent avec d'autres liaisons polarisées, notamment avec l'eau (hydrophile).

• Types d'AA polaires : polaires chargés et polaires non chargés.

• AA polaires chargés :

  • Possèdent une fonction acide carboxylique ou basique dans leur chaîne latérale.

  • AAs acides : Asp, Glu. S'ionisent en milieu aqueux, perdent un H⁺, deviennent chargés négativement (COO^-).

  • AAs basiques : Arg, Lys, His. Captent un H⁺, deviennent chargés positivement (NH₃⁺).

  • Possèdent une charge entière à pH physiologique.

  • Développent des interactions électrostatiques (entre charges opposées, importantes pour la structure 3D des protéines) et ion-dipôle (avec molécules d'eau, groupements NH₃, hydroxyles).

  • La force des interactions électrostatiques dépend de la distance et de l'environnement (constante diélectrique). L'eau "masque" (atténue) ces interactions.

  • Les interactions ion-dipôle des AA polaires leur donnent une forte hydrophilie. Ex: l'insuline est hydrosoluble grâce à ses charges en surface.

• AA polaires non chargés :

  • Groupements R comportent des hétéro-atomes (O, N, S) fortement électronégatifs avec doublets non liants.

  • Polarisation partielle des liaisons O-H, N-H, S-H.

  • Formation d'interactions dipôle-dipôle, ion-dipôle et liaisons hydrogènes avec l'eau.

  • Exemples : Asparagine, Thréonine, Glutamine, Tyrosine, Sérine, Cystéine.

  • Liaisons hydrogènes : Interaction faible résultant d'une interaction électrostatique entre un hétéro-atome (B) et un atome d'hydrogène lié à un autre atome électronégatif. Longueur d'environ 0,2 nm (vs 0,1 nm pour liaison covalente).

  • Conséquence: Tout composé capable de réaliser des liaisons hydrogènes avec l'eau est hydrosoluble.

  • La solubilité globale des AA dépend de la chaîne latérale variable (partie variable). Ex: Asparagine est plus soluble que Leucine.

• AAs à fonction amide :

  • Asparagine (Asn) et Glutamine (Gln) ont un groupement CO-NH₂.

  • Formes amides des acides aspartique et glutamique. L'amidification masque la fonction acide, les rendant chimiquement neutres à pH physiologique mais hydrophiles.

• AAs alcool :

  • Sérine (Ser) : Homologue hydroxylé de l'alanine, fonction alcool primaire en β (CH₂-OH). Polaire non chargé, hydrophile, très faiblement acide (échange protons). Intervient dans réactions d'oxydo-réduction (oxydo-réduction) aux sites actifs enzymatiques.

  • Thréonine (Thr).

  • Sérine, Tyrosine, Histidine sont fréquents dans les sites actifs des enzymes.

  • Ser et Thr peuvent être estérifiées par l'acide phosphorique (phosphorylation) via des phosphorylases / protéines kinases. C'est une modification post-traductionnelle régulant l'activité des protéines.

  • Exemple protéine p53 : activée par phosphorylation sur Sérine, Thréonine, Tyrosine.

• AAs non polaires :

  • Chaînes latérales faites de C et H. Pas de liaisons hydrogènes, pas d'interaction avec l'eau. Hydrophobes.

  • Exemples : Alanine, Isoleucine, Glycine, Proline, Valine, Phénylalanine, Leucine.

  • Valine : chaîne aliphatique ramifiée. Apolaire, hydrophobe. Forme des liaisons hydrophobes. Rôle structural dans les structures tertiaire et quaternaire. AA essentiel.

  • Liaisons hydrophobes : Interactions entre espèces apolaires, résultant de dipôles instantanés (forces de London).

  • Rôle des liaisons hydrophobes : Rôle структурal, participe aux repliements protéiques, stabilisation des édifices moléculaires par regroupement de territoires apolaires. Ex: RNase, AAs hydrophobes à l'intérieur.

  • La relation polarité/hydrophilie est complexe : la longueur de la chaîne carbonée peut l'emporter sur la polarité d'un groupe hydroxyle (ex: butan-1-ol moins soluble que méthanol).

  • Phénylalanine vs Tyrosine : L'OH supplémentaire rend la Tyrosine amphipathique.

F. Propriétés Ioniques des Acides Aminés

• Les AA contiennent au moins 2 groupements ionisables : -COOH et -NH₂. Leur ionisation varie avec le pH.

• Les AA sont des molécules amphotères (propriétés d'acides et de bases).

• Trois formes selon le pH :

  • À pH acide (< 2) : COOH non dissocié, NH₂ protoné (NH₃⁺). L'AA a une charge positive (forme cationique).

  • Entre les pKa : zwitterion (ion dipolaire) avec charge globale nulle (COOH COO^-, NH₂ NH₃⁺).

  • À pH basique (> 10) : NH₃⁺ déprotoné (NH₂). L'AA a une charge négative (forme anionique).

• Rappel pK : Lorsque pH = pK, l'espèce est à moitié dissociée (50% acide, 50% base). Plus le pK est faible, plus l'acide est fort.

• pH isoélectrique (pHi) :

  • Le pHi est le pH auquel l'AA est majoritairement sous forme d'ion dipolaire (charge globale nulle).

  • Pour un AA sans groupe ionisable sur la chaîne latérale : .

  • Si le pH < pHi : AA majoritairement cationique.

  • Si le pH > pHi : AA majoritairement anionique.

  • Si la chaîne latérale comporte un groupe ionisable, cela introduit un pK supplémentaire et modifie le pHi. Concerne : noyau imidazole (His), groupe guanidyl (Arg), fonction amine (Lys), groupes carboxyliques (Asp, Glu).

  • Plus le pK d'une espèce est bas, plus elle est acide. Ex: le COOH en alpha sur l'Asp est plus acide que le COOH sur la chaîne latérale.

  • Exemple de calcul du pHi de l'Aspartate (Acide aspartique) : pKa(-COOH) = 2,1, pKa(R-COOH) ~ 4,0, pKa(NH₂) = 9,8. Le zwitterion est la forme B (COOH COO-, NH2 NH3+). Le pHi est la moyenne des pK encadrant le zwitterion: .

G. Propriétés Chimiques des Acides Aminés

Cystéine (Cys)

• Possède un groupement thiol (-SH) : méthyl-thiol R=CH₂-SH.

• L'électronégativité du S est supérieure à celle du H, donc la liaison est polarisée, permettant des liaisons hydrogènes. Cys est polaire (non chargé) et hydrophile.

• Participe à des réactions d'oxydo-réduction car le groupe thiol s'oxyde facilement.

• Deux cystéines adjacentes peuvent former un pont disulfure (-S-S-) en présence d'un oxydant. C'est une liaison covalente forte, essentielle pour la structuration spatiale des protéines (structure tertiaire).

• Exemple de l'insuline : contient 3 ponts disulfures (un intrachaîne A, deux interchaînes A-B), cruciaux pour sa structure 3D.

• Réactivité des groupements thiols :

  • Certaines enzymes nécessitent des thiols libres. Ils peuvent s'oxyder, ce qui leur fait perdre leur fonction.

  • Au laboratoire, des réactifs comme le dithiothréitol (DTT) protègent les thiols ou réduisent les ponts disulfures.

  • Le DTT est un agent réducteur qui, utilisé en excès, réduit les ponts disulfures des protéines pour permettre leur isolement et leur étude. Le DTT oxydé se cyclise.

H. Structures et Propriétés des Protéines

1. Peptides

• Les peptides sont des polymères d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (liaisons amides).

• La liaison peptidique se forme par condensation d'un acide carboxylique (-AA) et d'une amine (-AA) avec libération d'eau.

• Classification :

  • Oligopeptides ( 10 AA). Ex: enképhalines (5 AA) ont une action biologique.

  • Dipeptides, Tripeptides, Décapetides.

  • Polypeptides (> 10 AA). Poids moléculaire d'un AA 110 Da.

  • Protéine : polypeptide dont le poids moléculaire dépasse 10 000 Da (10 kDa).

• Liaison peptidique :

  • Mésomérie : stabilisée par résonance (délocalisation des électrons ). Possède deux formes mésomères.

  • Conséquence : sont immobilisés dans le même plan.

  • La rotation autour de la liaison C-N est difficile (nécessite beaucoup d'énergie). La liaison peptidique est extrêmement rigide.

  • Cette rigidité limite le nombre de conformations spatiales possibles.

  • Dimension constante : distance entre deux C est toujours de 3,6 Å.

  • Longueur d'une chaîne peptidique étirée de n acides aminés = Å.

  • La configuration trans des chaînes latérales est favorisée pour minimiser l'encombrement stérique.

• Structure d'une chaîne polypeptidique :

  • Deux extrémités libres : amino-terminale (N-ter) (NH₃⁺) et carboxy-terminale (C-ter) (COO^-).

  • Les séquences peptidiques sont toujours lues dans le sens N C.

2. Conformation tridimensionnelle des protéines

Les protéines ont plusieurs niveaux de structure.

• Structures protéiques :

  • Structure primaire : ordre d'enchaînement des acides aminés.

  • Structures secondaire et tertiaire : agencement spatial et repliement.

  • Structure tertiaire : superstructure, le plus souvent associée à la fonction biologique (conformation native).

  • Structure quaternaire : association de multiples sous-unités protéiques (oligomérique), nécessaire pour la fonction de certaines protéines.

• Structure secondaire :

  • Non ordonnées (aléatoires) : flexibles, variables (random coil), souvent aux extrémités.

  • Ordonnées : stabilisation par liaisons hydrogènes intra-caténaires entre le groupe NH d'un AA et le carbonyle d'un autre AA. Pas d'interactions électrostatiques/hydrophobes.

  • La liaison peptidique est plane et rigide. Les rotations sont possibles autour des C (angles et ).

  • Types principaux : hélices et structures (feuillets et virages).

• Hélice :

  • La plus fréquente. Chaîne enroulée en spirale.

  • 3,6 résidus par tour d'hélice. Chaque résidu allonge l'hélice de 1,5 Å.

  • Pas de l'hélice = 5,4 Å.

  • Se comporte comme un dipôle géant (macro-dipôle) avec une extrémité N-terminale positive et une C-terminale négative.

  • Stabilisée par liaisons H intra-caténaires entre AAs en position n et n+4.

  • Chaînes latérales vers l'extérieur.

• Hélice gauche :

  • Rare, instable seule. 3,3 résidus par tour. Pas de l'hélice = 9,6 Å (plus lâche).

  • Stabilisée par l'association de 3 hélices gauches (triple hélice) via liaisons H inter-chaînes.

  • Ex: collagène. La structure est stabilisée par modifications post-traductionnelles (hydroxylation de lysine et proline, nécessite vitamine C).

• Structures :

  • Feuillets plissés : association de chaînes peptidiques colinéaires par liaisons H inter-chaînes. Liaisons peptidiques arrangées comme sur une feuille pliée.

    • Antiparallèles (a) : chaînes en sens opposés. Liaisons H presque linéaires (6 liaisons H pour même longueur). Le plus stable. C aux zones de pliure.

    • Parallèles (p) : chaînes dans le même sens. Liaisons H moins bien alignées (4 liaisons H pour même longueur). Le moins stable.

  • Tonneau : feuillet replié sur lui-même, formant un cylindre fermé (ex: protéine de liaison au rétinol, intérieur hydrophobe).

  • Coudes (virage ) : élément simple de la structure secondaire, 3-4 résidus, virage à 180°. Stabilisé par liaisons H entre résidus n et n+3. Fréquent pour la Glycine (petite taille).

  • Boucles : autre structure pour changer de direction, rigides et définies, à la surface des protéines pour interagir avec des ligands.

• Structure tertiaire :

  • Structure spatiale d'une protéine globulaire (repliement sur elle-même).

  • Une seule structure tertiaire permet la fonction biologique (conformation native).

  • Stabilité due aux interactions entre les chaînes latérales (résidus distants dans la séquence mais proches dans l'espace).

  • Grand nombre de liaisons faibles (hydrophobes, électrostatiques, hydrogènes, dipôle-dipôle) + liaisons covalentes (ponts disulfures).

  • Classement des forces d'interactions (intensité décroissante) :

    • Covalentes (ponts disulfures) : KJ/mol (les plus stables et rares).

    • Non covalentes (hydrophobes, électrostatiques, hydrogènes, dipôle-dipôle) : à KJ/mol.

  • Structure super-enroulée ("coiled-coil") : hélice alpha avec répétition de motifs "abcdefg". Si a et d sont hydrophobes, formation de bande hydrophobe. Deux hélices interagissent par ces bandes pour former une structure super-enroulée stable.

  • Structure tertiaire et environnement : S'adapte à l'environnement.

    • Protéines solubles (plasma, cytosol) : globulaires, chaînes polaires en surface, chaînes apolaires à l'intérieur (hydrophobe compacte).

    • Protéines membranaires (environnement multiphasique) : interactent avec phases aqueuse et lipidique. Quelques AA hydrophiles dans une séquence hydrophobe peuvent former un domaine transmembranaire.

  • Domaines structuraux : petites unités fonctionnelles dans les grandes protéines, souvent issues de gènes fusionnés.

  • Motifs structuraux (super-structures secondaires) :

    • Motif en clé grecque : 4 feuillets antiparallèles.

    • Faisceaux d'hélices : plusieurs hélices, (ex: faisceau à 4 hélices du cytochrome C).

    • Motif mixte : cylindre - (cylindre de feuillets entouré d'hélices ).

• Structure quaternaire :

  • Assemblage de sous-unités (protéines oligomériques). Peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères).

  • Seule la forme oligomérique est fonctionnellement active.

  • La dissociation entraîne une perte d'activité. Ex: insuline (homodimérique).

II. Bioénergétique et Introduction au Métabolisme

La bioénergétique étudie les transferts d'énergie dans les systèmes biologiques, avec l'ATP comme molécule clé.

A. Définitions

• Bioénergétique : Ensemble des processus par lesquels les cellules obtiennent et utilisent l'énergie. Les cellules animales sont chimiotrophes (utilisent l'énergie chimique des molécules).

• Thermodynamique : Étude des transferts d'énergie (chaleur et travail) dans un système en évolution avec son environnement.

• Systèmes en thermodynamique :

  • Ouvert : échange matière et énergie avec l'environnement.

  • Fermé : échange seulement de l'énergie (ex: cellule).

  • Isolé : aucun échange.

• La cellule est un système fermé qui échange de l'énergie sous forme de chaleur ou de travail :

  • Travail chimique : synthèse de molécules.

  • Travail mécanique : mouvement musculaire.

  • Travail osmotique : création de gradient de concentration.

  • Travail électrique : création de gradient ionique.

B. L'Énergie Libre

1. Variation d'énergie libre ()

• Chaque molécule a une énergie libre interne G. La transformation d'A en B modifie leur G.

• .

  • Si : réaction exergonique, spontanée (formation d'un composé de plus basse énergie).

  • Si : réaction endergonique, non spontanée.

  • Si : équilibre.

• L'équation thermodynamique :

  • : variation d'énergie libre.

  • : variation d'enthalpie (chaleur de réaction).

  • : variation d'entropie (désordre).

  • : température en Kelvin.

2. Conditions standards

• Permet de comparer les réactions chimiques.

  • T : 298°K (25°C).

  • Pression : 1 atm.

  • Concentration des réactants : 1 M (attention, pH=0 si H⁺ = 1M, non physiologique).

  • R (constante des gaz parfaits) = 8,3 10^-3 KJ/Mole/degré.

• : variation d'énergie libre dans ces conditions standards.

• : variation d'énergie libre dans des conditions différentes.

3. En Biologie

• Les conditions standard biologiques utilisent un pH = 7.

• : variation d'énergie libre standard à pH 7 (constante pour une réaction donnée à pH 7, 1 atm, 1M, 298°K).

• : variation d'énergie libre dans les conditions réelles de la cellule (pH ~7, 1 atm, concentrations 1M, 298°K).

• En biologie, le signe de est crucial pour déterminer si une réaction est spontanée. Une réaction endergonique () peut devenir exergonique () dans les conditions cellulaires.

• À l'équilibre, .

C. Rôle des Nucléotides Riches en Énergie et leur Importance dans les Réactions Biochimiques

1. Définitions

• Le métabolisme a deux volets : récupération et utilisation de l'énergie.

• Catabolisme : Réactions de dégradation des molécules pour libérer leur énergie.

  • Se fait en 3 étapes : décomposition en monosaccharides, acides aminés, acides gras; puis en molécules à petit nombre de carbones (2-5C); enfin, cycle de Krebs.

  • Produit du CO₂, de l'eau, et de l'énergie utilisée pour synthétiser l'ATP.

  • Réactions oxydatives (glycolyse, cycle de Krebs). Implique des coenzymes comme les NAD⁺ et NADP⁺ (oxydés) qui deviennent NADH + H⁺ et NADPH + H⁺ (réduits).

  • La production d'ATP est plus importante dans la mitochondrie que dans le cytoplasme.

• Anabolisme : Processus cellulaires qui consomment de l'énergie pour synthétiser des biomolécules (réducteur).

  • Consomme les coenzymes réduits (NADPH, H⁺) et l'ATP.

  • Le carbone supplémentaire ne peut pas être accroché à une chaîne existante.

• L'énergie libérée par le catabolisme est récupérée par un intermédiaire, le couple ADP/ATP, qui la fournit aux réactions de synthèse de l'anabolisme.

ATP et ses caractéristiques

• Nucléoside Phosphate : Composé d'un sucre (D-ribose), d'une base azotée (ici adénine) liée par une liaison N-osidique, et d'un ou plusieurs groupes phosphate.

• Formation de l'ATP :

  • Adénosine Monophosphate (AMP) : adénine + ribose + 1 phosphate en position 5'.

  • Adénosine Diphosphate (ADP) : AMP + 1 phosphate supplémentaire.

  • Adénosine Triphosphate (ATP) : ADP + 1 phosphate supplémentaire.

  • AMP, ADP, ATP sont des nucléotides.

• Quelques ordres de grandeur pour l'ATP :

  • [ATP]_C : quelques mmol/L.

  • Ratio [ATP]_C/[ADP]_C 10.

  • La somme [ATP]_C + [ADP]_C + [AMP]_C est constante.

  • ATP est une molécule très instable et ne peut pas être stockée. La cellule doit la fabriquer et l'utiliser en permanence.

  • L'organisme hydrolyse jusqu'à 45 kg/jour d'ATP.

D. Acide Phosphorique et Énergie des Liaisons Phosphorylées

• L'acide phosphorique (H₃PO₄) est un triacide minéral (faible).

• Les équilibres de dissociation :

  • H₃PO₄ (pKa1 = 2,15)

  • H₂PO₄^- (pKa2 = 7,20)

  • HPO₄^2- (pKa3 = 12,42)

• À pH physiologique (7,4), la forme H₂PO₄^- prédomine.

• Liaisons ester-phosphate :

  • Formées par réaction de H₃PO₄ avec un alcool.

  • L'hydrolyse libère environ -14 KJ/Mole (bas potentiel énergétique).

• Liaisons d'anhydride d'acide :

  • Formées par déshydratation de H₃PO₄ avec un acide carboxylique.

  • Molécules à haut potentiel énergétique.

  • L'hydrolyse libère une quantité d'énergie > -30 KJ/mol.

  • Dans l'ATP, les deux liaisons entre les phosphates sont des liaisons d'anhydride d'acide.

• Dans la cellule, le rapport [ATP]/[ADP] est de 10, très éloigné de l'équilibre (où il y a 180 000 fois plus d'ADP que d'ATP). Ceci favorise l'hydrolyse spontanée de l'ATP.

E. ATP : Hydrolyse, Rôles et Synthèse

1. Énergie

• La liaison du 1^er Phosphate au C5' du ribose est un ester.

• Les deux liaisons entre les phosphates sont des anhydrides d'acide.

• L'hydrolyse de chaque anhydride d'acide libère environ -30 kJ/mol (niveau intermédiaire).

2. Les formes d'hydrolyse de l'ATP

• Le plus souvent : ATP ADP + Pi (-30,5 kJ/mol).

• L'ADP peut ensuite être hydrolysé : ADP AMP + Pi.

• ATP AMP + PPi (pyrophosphate) : libère -30 kJ/mol, puis le PPi est hydrolysé en 2 Pi (libérant -20 kJ/mol sous forme de chaleur). L'hydrolyse en AMP libère encore plus d'énergie que celle en ADP. Ce couplage est utilisé pour des réactions très endergoniques (ex: biosynthèse des acyl-CoA, activation des AA).

3. Autres rôles de l'ATP

• Coenzyme : donneur de phosphate pour les kinases (enzymes de phosphorylation).

• Donneur de Pyrophosphate (ex: activation de la vitamine B1).

• Donneur d'AMP (ex: activation des acides gras ou aminés).

• Donneur d'adénosyl (ex: synthèse de la S-adénosyl-méthionine, activation de la méthionine, coenzyme dans les réactions de transfert de groupements méthyl).

4. Couplage

• Une réaction spontanée a un négatif. Les enzymes ne peuvent catalyser que des réactions spontanées.

• Le couplage énergétique permet de rendre spontanée une réaction endergonique en l'associant à une réaction fortement exergonique (comme l'hydrolyse de l'ATP).

• Exemple : la phosphorylation du glucose est endergonique (+13,8 kJ/mol). Couplée à l'hydrolyse de l'ATP (-30,5 kJ/mol), elle devient exergonique au total (-16,7 kJ/mol).

• L'ATP est le "donneur d'énergie universel".

5. Synthèse des liaisons riches en énergie de l'ATP

• Phosphorylation au niveau du substrat : récupération de l'énergie libérée par l'hydrolyse d'un composé phosphorylé à haut potentiel énergétique (ex: 1,3-bisphosphoglycérate, phosphoénolpyruvate dans la glycolyse).

• Couplage chimio-osmotique : récupération de l'énergie des oxydations cellulaires dans les mitochondries (cours spécifique sur ce sujet).

6. Autres nucléotides riches en énergie

• GTP/GDP (guanosine) : métabolisme des protides.

• UTP (uridine) : métabolisme des glucides.

• CTP (cytidine) : métabolisme des lipides.

• Ces nucléotides sont impliqués dans les métabolismes, contractions musculaires, mouvements cellulaires, gradients ioniques.

7. Composés phosphorylés et Acétyl-CoA

• Composés phosphorylés à haut potentiel (valeurs à connaître) :

  • Phosphoénolpyruvate : -61,9 kJ/mol

  • Créatine-phosphate : -43,0 kJ/mol (important pour contraction musculaire)

  • Glucose-1-phosphate : -20,9 kJ/mol

  • Glucose-6-phosphate : -13,8 kJ/mol

  • Glycérol-3-phosphate : -9,2 kJ/mol

• Acétyl-CoA : composé à haut potentiel énergétique, transporteur activé de groupes acétyl.

  • Hydrolyse libère kJ/mol. L'énergie réside dans la liaison C-S.

  • Très important dans de nombreux métabolismes et l'entrée des acétyles dans le cycle de Krebs.

F. Vue Globale du Métabolisme

Les nutriments (polysaccharides, protéines, lipides) sont dégradés en éléments constitutifs (monosaccharides, AA, AG) Digérés en éléments constitutifs qui sont utilisé pour faire la constititions de réserves ou sont transformés en molécule à petit nombre de C. Puis vont rejoindre les voies centrales du catabolisme (cycle de Krebs).

1. Métabolisme du Glucose

• Catabolisé en monosaccharides (glucose), puis en pyruvate (3C).

• Le glucose-6-phosphate est un intermédiaire clé. Il peut être :

  • Mis en réserve sous forme de glycogène (glycogénogenèse) ou libéré (glycogénolyse).

  • Dégradé via la glycolyse (cytoplasme) en 2 molécules de pyruvate.

  • Dégradé via la voie des pentoses phosphates (cytosol) en ribose-5-phosphate (précurseur acides nucléiques) et NADPH, H⁺ (réducteur pour la synthèse).

• Devenir du pyruvate :

  • Conditions anaérobies : transformé en lactate.

  • Dans la mitochondrie : décarboxylé en Acétyl-CoA (par la pyruvate déshydrogénase) qui entre dans le cycle de Krebs.

  • Peut ressortir de la mitochondrie pour régénérer du glucose (néoglucogenèse).

  • Précurseur de certains AA.

• Après un repas riche en glucides : Le cycle de Krebs ralentit, l'excès d'Acétyl-CoA est transformé en acides gras et hormones stéroïdes.

2. Métabolisme des Lipides

• Dégradés en acides gras. Estérifiés avec le glycérol pour former des triglycérides (réserves dans les adipocytes).

• À distance des repas : lipolyse libère les acides gras.

• Les acides gras activés gagnent la mitochondrie, subissent la bêta-oxydation pour former de l'Acétyl-CoA qui entre dans le cycle de Krebs.

• L'Acétyl-CoA peut aussi être utilisé comme précurseur d'acides gras (exporté de la mitochondrie via le citrate).

3. Métabolisme des protéines

• Protéines alimentaires dégradées en acides aminés.

• Les AA sont utilisés pour la synthèse de protéines tissulaires ou leur renouvellement. Un pool d'AA circule.

• Catabolisme des acides aminés :

  • Séparation des groupements aminés du squelette carboné (désamination).

  • Le groupement aminé est détoxifié via l'uréogenèse (urée éliminée par les reins).

  • Le squelette carboné gagne la mitochondrie (via pyruvate, Acétyl-CoA ou intermédiaires du cycle de Krebs).

  • Selon les situations métaboliques, les squelettes carbonés sont oxydés pour produire de l'énergie ou, en cas de jeûne, convertis en glucose (glucoformateur) ou corps cétoniques (cétogenèse).

III. Histoire des Sciences et de la Médecine (HSM) : La Médecine et les Sciences

Ce cours aborde l'évolution des relations entre la médecine et les sciences, et les outils pour les analyser.

A. Introduction

• La médecine clinique est ancienne (Égypte Antique). Les sciences (mathématiques) aussi (Mésopotamie).

• Rapprochement médecine/sciences au XIX^e siècle dans les sociétés industrialisées (scientifisation de la société).

• Norbert Elias (1983) : passage d'interprétations superstitieuses à une approche scientifique.

B. Outils de Sociologie et d'Histoire des Sciences

L'étude des sciences se fait avec une approche critique, considérant les facteurs sociaux, économiques, politiques.

1. Le Rationalisme

• La science cherche la vérité par la raison et la logique. Apparition en Grèce Antique (Platon, Le Ménon).

• Le discours scientifique est :

  • Sur le général (lois expliquant de nombreux phénomènes).

  • Universellement vrai (indépendant de temps et lieu).

  • Autonome (s'appuie sur connaissances antérieures).

• Théorie de Popper (1933) : Le travail scientifique implique hypothèses, déductions, confrontations aux données empiriques. Plusieurs théories peuvent expliquer un phénomène. Seules les théories non réfutées sont considérées vraies (critère de falsifiabilité).

2. Le Relativisme

• Apparaît suite à Popper. Une connaissance est scientifique si la communauté des chercheurs la considère comme telle.

• Kuhn (physicien) : La science est une succession de paradigmes (visions du monde, normes épistémiques créées par une communauté, susceptibles d'être abandonnées). Changement de paradigme = révolution scientifique (ex: modèle géocentrique héliocentrique).

• Bruno Latour (1984) : Une théorie s'impose si elle est momentanément plus efficace et soutenue par des alliés puissants (industriels, politiques, opinion publique). Les savoirs scientifiques sont situés (apparaissent dans un milieu social) et circulent dans des réseaux. Il faut étudier les échecs des savoirs.

• Critiques du relativisme radical : si tout discours est subjectif, il n'y a pas de vérité objective. Conduit à l'impasse du relativisme radical (tous les discours se valent, discrédite la science, risque d'instrumentalisation politique).

• Historiens et sociologues des sciences adoptent une position intermédiaire.

C. Histoire des Essais Cliniques et de la Médecine Fondée sur les Preuves (EBM)

1. Les premiers réformateurs

• Développement de la biomédecine (rapprochement avec sciences biologiques et biochimiques).

• Evidence-Based Medicine (EBM) : utiliser les meilleures preuves de la recherche clinique pour soigner.

• Objectif : évaluation des médicaments. Initié dans les années 1950 aux USA par Marks (2000), suite à une méfiance envers les industriels et les praticiens.

• Création des essais cliniques randomisés (ECR) : outils pour évaluer la qualité des médicaments.

  • Patients avec même pathologie, même stade.

  • Molécule testée vs placebo.

  • Double aveugle : ni médecin, ni patient ne savent le traitement administré.

  • Évaluation objective (examens médicaux), analyses statistiques.

2. Naissance de la Médecine Fondée sur les Preuves

• Succès mondial des ECR, favorisé par politiques publiques et concurrence pharmaceutique.

• Années 1990, aux USA : Les ECR sont devenus le meilleur niveau de preuve. Une publication décrivant quelques cas est moins "solide".

• Les ECR sont à la base des recommandations cliniques des sociétés savantes et des décisions de santé publique.

3. Critiques de la scientificité des essais

• Associations de patients du Sida (années 90) :

  • Obtention d'un droit de sortie pour les patients en cas de dégradation rapide.

  • Protestation contre l'utilisation du placebo (perte de chance).

  • Interruption des essais si un groupe patient a de meilleurs résultats.

• Critiques des critères d'évaluation :

  • Se basent sur morbidité/mortalité, mais pas sur la qualité de vie des patients (effets secondaires non pris en compte).

• Médicaments peu testés sur les femmes : Variabilité hormonale des femmes complexifie les essais.

• Conséquences des ECR :

  • Risque de standardiser la prescription et de déshumaniser la relation médecin-patient.

  • Altère l'écoute du patient par le médecin.

4. Critiques de l'implication industrielle

• De nombreux ECR sont sponsorisés par les industries pharmaceutiques. (Coût élevé organisé par fonds publics).

• Compétition entre médecins-chercheurs (carrière, publications) pour accueillir les essais cliniques.

• Les ECR deviennent un outil marketing pour les industriels (mettre en avant les résultats favorables).

• Délocalisation des ECR dans d'autres pays (ex: Inde) pour réduire les coûts (salaires plus bas, moins de droits pour les patients).

D. Conclusion sur HSM

• Depuis le XIX^e siècle, la science est devenue un élément important du savoir médical.

• Les sciences sociales soulignent :

  1. Les facteurs sociaux externes influençant le développement scientifique.

  2. Le caractère incertain des sciences.

  3. Les divisions entre chercheurs.

• La science façonne la société, et la société façonne la science.

IV. Chimie : La Constitution des Molécules Organiques

La chimie organique est l'étude du carbone et de ses composés, qui sont l'essence de la vie.

A. Introduction

• La chimie décrit la structure des molécules et les règles de leurs interactions.

• La chimie organique est la chimie du carbone et de ses composés.

• Omniprésente (plastique, textile, biomolécules comme lipides, glucides, protéines, acides nucléiques).

• Les molécules organiques peuvent être d'origine naturelle ou synthétique.

• Objectif : Comprendre les propriétés et le comportement des molécules organiques.

B. Modélisation des Molécules (Modèle Ondulatoire)

1. Rappel Historique

• Einstein : matière et énergie rayonnante sont analogues.

• De Broglie : Dualité Onde-Particule (les électrons peuvent avoir des propriétés ondulatoires).

• Longueur d'onde () d'une particule en mouvement : (h : constante de Planck, m : masse, v : vitesse).

2. Fonction d'onde et Orbitales Atomiques

• Schrödinger : l'électron est une onde stationnaire décrite par une fonction d'onde ().

• La probabilité de présence de l'électron est déterminée par .

• Les orbitales atomiques (OA) ont différentes formes : sphérique (type s), lobes orientés (type p).

3. La Liaison Covalente Sigma ()

• Selon Pauling, les liaisons chimiques résultent du recouvrement en phase des orbitales atomiques.

• Recouvrement axial de deux OA forme une liaison covalente.

• Le recouvrement de 2 OA forme 2 orbitales moléculaires (OM) :

  • OM liante () : stabilisée.

  • OM anti-liante () : déstabilisée.

• La théorie VSEPR complète cette vision.

C. Hybridation du Carbone

• L'hybridation est une opération mathématique permettant de décrire l'atome entrant en combinaison. Ne modifie pas l'énergie totale ou le nombre d'orbitales.

1. Hybridation sp3

• Configuration électronique du carbone (Z=6) : . Ne comprend pas la tétravalence (4 liaisons) du C (ex: méthane CH₄).

• Pauling : hybridation des orbitales 2s et 2p (énergie proche) pour former 4 orbitales hybrides sp3.

• Ces 4 orbitales sp3 contiennent chacune un électron et se positionnent en tétraèdre (angles de ) pour minimiser les répulsions électroniques.

• Forme 4 OM de type (recouvrement axial des sp3 avec les 1s des H).

• Ex: Éthane (C₂H₆) : liaison C-C est une issue du recouvrement de deux sp3.

2. Hybridation sp2

• Ex: Éthylène (C₂H₄). .

• Hybridation de en 3 orbitales hybrides sp2. Chaque sp2 contient 1 électron.

• Arrangement plan trigonal (angles de ).

• Une orbitale non hybridée (perpendiculaire au plan) contient 1 électron.

• Formation de double liaison :

  • 1 liaison (recouvrement axial de 2 sp2 des 2 C).

  • 1 liaison (recouvrement latéral de 2 des 2 C).

  • Une liaison est toujours associée à une liaison .

3. Hybridation sp

• Ex: Éthyne. .

• Hybridation de en 2 orbitales hybrides sp. Chaque sp contient 1 électron.

• Arrangement linéaire (angle de ).

• Deux orbitales et non hybridées (perpendiculaires entre elles et à l'axe sp) contiennent chacune 1 électron.

• Formation de triple liaison :

  • 1 liaison (recouvrement axial de 2 sp des 2 C).

  • 2 liaisons (recouvrements latéraux des et des des 2 C).

4. Conséquences de l'hybridation

• Pas de rotation possible entre les 2 carbones d'une liaison multiple (alcènes, alcynes).

• Rotation possible avec les C hybridés sp3 : formation de conformères.

• La VSEPR est en accord avec l'hybridation (ex: CH₄ est tétraédrique, éthylène est plan, éthyne est linéaire).

D. Écriture et Nomenclature des Composés Organiques

1. Représentation des molécules

• Éléments constitutifs : C, H, O, N (majoritaires), puis Cl, Br, I, S, P, As, Na, Li, Mg, Zn, Cd, Pb, Sn.

• Formule brute : Donne la nature et la proportion relative des éléments, permet le calcul de la masse moléculaire (ex: urée CH₄N₂O, M=60 g.mol^-1). Aucune information sur la disposition des atomes ou les liaisons multiples.

• Formule semi-développée et condensée : Montre toutes les liaisons sauf C-H. Tous les atomes en 2D, sans stéréochimie (ex: éthanol CH₃CH₂OH).

• Formule plane ou développée (Kékulé) : Chaque liaison covalente par un trait plein. Lourde pour les grandes molécules, ne décrit pas la 3D.

• Formule topographique (topologique) : La plus rapide. Atomes de C non mentionnés explicitement (extrémités et jonctions des zigzags linéaires). Les H non mentionnés (sauf sur hétéroatomes OH, SH, NH, NH₂, ou fonctions terminales comme aldéhydes). Liaisons multiples C=C et C≡C sont figées. Les cycles aromatiques (benzène) sont représentés avec des liaisons multiples alternées.

2. Classe du carbone

Définie par le nombre d'autres carbones auxquels il est lié :

• Primaire : lié à un seul autre carbone.

• Secondaire : lié à deux autres carbones.

• Tertiaire : lié à trois autres carbones.

• Quaternaire : lié à quatre autres carbones.

3. Classification des composés organiques

• Composés acycliques : linéaires ou ramifiés.

• Composés carbocycliques : cycles ne contenant que du carbone (ex: benzène).

• Composés hétérocycliques : cycles contenant un ou plusieurs hétéroatomes (O, N, S...).

4. Noms des chaînes carbonées linéaires et ramifiées

• La longueur de la chaîne est donnée par analogie aux alcanes.

• Préfixes ordonnés, sauf les 4 premiers : Méthane (1C), Éthane (2C), Propane (3C), Butane (4C). Puis préfixes grecs numériques (pent-, hex-, etc.).

• Cycles : ajout du préfixe cyclo- (ex: cyclohexane).

• Noms des ramifications (radicaux alkyles) :

  • Suffixe commun -yl.

  • Ex: Méthyl (Me), Éthyl (Et), Propyl (Pr), Isopropyl (iPr), Butyl (Bu), Isobutyl (iBu), Tert-butyl (tBu).

  • Les radicaux sont symbolisés par R.

  • Préfixes tert- ou sec- sont en italique et ne comptent pas dans l'ordre alphabétique.

  • Le préfixe Iso s'écrit en lettres droites et compte dans l'ordre alphabétique.

  • Préfixes cycliques et aromatiques : Phényl (C₆H₅-), Benzyl (C₆H₅CH₂-).

5. Composés Insaturés

• Une molécule est saturée si elle comporte le maximum d'hydrogènes (liaisons simples).

• Insaturée : si elle comporte des liaisons doubles, triples ou des cycles.

• Une insaturation correspond à une double liaison ou un cycle. C'est un nombre entier positif.

• Calcul des insaturations :

  • 1 double liaison : 1 insaturation (C=C, C=O, C=N).

  • 1 triple liaison : 2 insaturations (C≡C, C≡N).

  • 1 cycle : 1 insaturation.

  • Ex: benzène = 3 doubles liaisons + 1 cycle = 4 insaturations.

E. Les Groupes Fonctionnels

Les groupes fonctionnels (fonctions chimiques) confèrent leurs propriétés physiques et chimiques caractéristiques aux molécules.

1. Hydrocarbures : composés uniquement de C et H.

• Alcanes (C-C) : Liaisons simples, suffixe "-ane" (méthane). Peu polaires, peu réactifs.

• Alcènes (C=C) : Au moins une double liaison, suffixe "-ène" (butène). Caractère nucléophile.

• Alcynes (C≡C) : Au moins une triple liaison, suffixe "-yne" (éthyne). Caractère nucléophile.

• Arènes : Cycles avec liaisons conjuguées (alternance de doubles/simples liaisons), aussi appelés noyaux aromatiques (benzène). Réactivité spécifique.

2. Fonctions Monovalentes : un carbone lié à un hétéroatome (O, F, N, S).

• Halogénure (halogénoalcane) : C lié à un halogène (Cl, Br, I, F). Ex: Chlorure de Benzyle.

• Alcool : C lié à un groupe hydroxyle (-OH).

  • Primaire : OH sur C primaire.

  • Secondaire : OH sur C secondaire.

  • Tertiaire : OH sur C tertiaire.

• Éther : Oxygène lié à deux carbones (R-O-R').

• Amine : C lié à un atome d'azote (-N).

  • Primaire : N lié à un C.

  • Secondaire : N lié à deux C.

  • Tertiaire : N lié à trois C.

• Thiol : C lié à un groupement thiol (-SH). Ex: HS-CH₃.

• Nitrés : C lié à un groupement nitro (-NO₂).

3. Fonctions Divalentes : un carbone lié à deux hétéroatomes.

• Aldéhyde : C=O-H

• Cétone : C=O (entouré de deux C)

• Acétal : RO-C-OR'

4. Fonctions Trivalentes : un carbone lié à trois hétéroatomes.

• Acide carboxylique : -COOH (OH-C=O).

• Ester : R-COO-R' (O-C=O).

• Nitrile : -C≡N.

• Amide : R-CO-NH₂ (N-C=O).

  • Primaire : N lié à un C.

  • Secondaire : N lié à deux C.

  • Tertiaire : N lié à trois C.

F. Les Règles de Nomenclature (IUPAC)

1. Définition

Langage pour désigner les corps composés, système universel.

2. Règles IUPAC

1. Déterminer la fonction principale (suffixe) selon l'ordre de priorité :

   Acide > Ester > Amide > Nitrile > Aldéhyde > Cétone > Alcool > Amine > Éther > Halogènes / Nitrés (toujours substituants)

   Astuce mnémotechnique : Acide (acide carboxylique) Et (ester) Amidon (amide) neutralisent (nitrile) les allergies (aldéhyde) comme (cétone) l'alcool tue les ambitieuses (amine) infections.

2. Déterminer la chaîne carbonée la plus longue contenant :

   • La fonction principale.

   • Le maximum d'insaturations.

   • Le maximum de substituants.

3. Nommer la chaîne carbonée, la fonction principale, les insaturations et les substituants. Les fonctions non principales deviennent des substituants (préfixe).

4. Numéroter les constituants. Préfixes di-, tri-, tétra- en cas de multiplicité.

3. Noms et Numérotations

• Chaîne carbonée : Analogie avec les alcanes (méth-, éth-, prop-...). Si cyclique, ajouter "cyclo".

• Insaturations :

  • Pas d'insaturation : suffixe "-ane".

  • Double liaison (alcène) : "-ène".

  • Triple liaison (alcyne) : "-yne".

  • Cycle : "cyclo".

  • Numéroter le premier C de la double/triple liaison (ex: But-2-ène).

• Substituants :

  • Placés par ordre alphabétique. Les préfixes di-, tri-, tétra- n'entrent pas dans l'ordre alphabétique.

  • Tert-/sec- ne comptent pas dans l'ordre alphabétique. Iso- compte.

  • Numéroter pour donner le plus petit numéro possible.

  • Ex: Fluoro-, Chloro-, Hydroxy-, Amino-, Nitro-, Méthyl-, Éthyl-, Méthoxy-, Éthoxy-, Isopropyl-, Tert-butyl-.

• Fonction principale : Le suffixe. Si un composé a plusieurs fonctions, une seule est principale.

  • Acides carboxyliques, aldéhydes, nitriles sont en bout de chaîne (numéro 1).

  • Esters et amides peuvent ne pas être en bout de chaîne, mais sont numéro 1 si fonctions principales.

  • Pour les cétones, on numérote le C du C=O.

  • Pas de suffixes pour halogènes et nitro.

  • Pour alcools et amines, on numérote le C le plus petit portant la fonction.

• Tableau des groupes fonctionnels IUPAC : (à connaître pour l'examen)

  Groupe Fonctionnel	Suffixe	Préfixe
  Acide Carboxylique	Acide alcanoïque	-
  Ester	Alcanoate d’alkyle	Alkoxycarbonyle
  Chlorure d’Acyle	-	-
  Amide	Alcanamide	Amido
  Nitrile	Alcanenitrile	Cyano
  Aldéhyde	Alcanal	Oxo
  Cétone	Alcanone	Oxo
  Alcool	Alcanol	Hydroxy
  Amine	Alcanamine	Amino
  Éther	Alkoxyalcane	Alkoxy
  Halogène	-	Fluoro, Chloro, Bromo, Iodo
  Nitro	-	Nitro

• Exemple : 2-amino-3-oxopentanal (fonction principale : aldéhyde).