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Biochimie - Introduction et Molécules du Vivant

La biochimie étudie les molécules de la vie et leurs interactions.

Définition de la Vie et Unicité Biochimique

• La vie est caractérisée par la reproduction,le métabolisme et la réaction aux stimuli externes.

• Objectifs : durée d'existence et préservation de l'information génétique.

• Unicité biochimique : tous les êtres vivants partagent des composants similaires.

• Les cellules contiennent :

  • 60 à90% d'eau : le solvant de la vie.

  • Macromolécules : Protéines, Lipides, Polysaccharides.

  • Métabolites : petites molécules issues du métabolisme.

  • ADN : code génétique universel.

  • Réactions catalysées par des enzymes.

Origine des Molécules du Vivant

Théorie d'Oparine et Haldane

• Conditions primitives de la Terre : atmosphère réductrice (méthane, ammoniac, hydrogène, vapeur d'eau).

• Sources d'énergie : électricité, chaleur, rayons UV.

• Expérience de Stanley Miller (1953) a démontré la synthèse abiotique de molécules organiques.

Résultats de l'expérience de Miller

• Production d'acides aminés(alanine, glycine, acide aspartique, etc.).

• Synthèse de bases pyrimidiques et sucres.

• Formulation de la "soupe prébiotique".

Complexification de la Vie

• Évolution chimique versdes molécules plus stables et fonctionnelles.

• Passage à un système héréditaire basé sur l'ADN double brin pour une meilleure stabilité et compartimentation des processus.

• Apparition du LUCA (Last Universal Common Ancestor), l'ancêtre commun universel.

Molécules Essentielles du Vivant

• L'eau : solvant essentiel pour les réactions biologiques.

• Glucides : source d'énergie et éléments structuraux.

• Acides gras et lipides : stockage d'énergie et composants des membranes.

• Acides aminés et protéines : rôles multiples (structure, catalyse, transport, etc.).

• Acides nucléiques : stockage et transfert de l'informationgénétique.

• Composition élémentaire : C, H, N, O constituent 96,6% de la matière vivante.

L'Eau, Solvant de la Vie

• Molécule extrêmement polaire grâce à l'électronégativité de l'oxygène.

• Forme des liaisons hydrogène (4 par molécule d'eau à l'état solide).

• Densité de la glace inférieure à celle de l'eauliquide (0.916 kg/L), permettant la protection des écosystèmes aquatiques.

• Excellent solvant pour les substances ionisables (sels) et polaires (oses, alcools).

• Ne dissout pas les composés nonpolaires (interactions hydrophobes).

Interactions à Faible Énergie

• Énergiquement faibles mais effet cumulatif.

• Confèrent souplesse et dynamique conformationnelle aux molécules.

• Permettent la reconnaissance entre macromolécules.

• Exemples :

  • Liaisons hydrogène dans l'appariement des bases de l'ADN.

  • Interactions stabilisant la structure des protéines.

Glucides

Les glucides, ou sucres, sont des molécules organiques essentielles à la vie, servant principalement de source d'énergie et de composants structuraux.

Classification des glucides

• Oses (monosaccharides) : sucres simples (ex: glucose, fructose). Constituants de base.

• Osides (oligosaccharides et polysaccharides) : formés par l'assemblage de plusieurs oses.

  • Oligosides : 2 à 10 oses.

  • Polysaccharides : plus de 10 oses.

    • Homopolyosides : Formés d'un seul type d'ose (ex: amidon, glycogène).

    • Hétéropolyosides : Formés de plusieurs types d'oses (ex: acide hyaluronique).

• Hétérosides : glucides liés à une partie non-glucidique (ex: glycoprotéines).

Structure des Oses

• Présentent une forme linéaire (aldoses ou cétoses) et une forme cyclique (furane ou pyrane).

• La cyclisation crée un nouveau carbone asymétrique :le carbone anomérique.

• Anomérie α ou β : détermine la position du groupement hydroxyle sur le carbone anomérique.

• Représentations : Haworth (planepour le cycle), chaise ou bateau (spatiale pour les hexoses cyclisés).

Monosaccharides courants

• D-Ribose (5C) : compose les nucléotides (ADN, ARN, ATP).

• D-Glucose (6C) : principal carburant de l'organisme.

• D-Mannose (6C) : composants de glycoprotéines humaines.

• D-Galactose (6C) : constituant du lactose et de glycolipides cérébraux.

• D-Fructose (6C) : sucre des fruits et principal sucre du liquide spermatique.

Liaison Glycosidique et Osides

• Les oses selient par une liaison O-glycosidique entre le carbone anomérique d'un ose et une fonction alcool d'un autre ose.

• La liaison est caractérisée par :

  • La nature des oses et leur forme cyclique.

  • La configuration anomérique (α ou β).

  • Les numéros des atomes de carbone impliqués.

Diholosides courants

• Maltose : 2 molécules de glucose liées en α1-4 (produit d'hydrolyse de l'amidon).

• Lactose : 1 galactose et 1 glucose liés en β1-4 (sucre du lait).

• Saccharose : 1 glucose et 1 fructose liés en α1-2 (sucre de table).

Polyosides

• Macromolécules de glucides.

• Amidon :réserve glucidique des végétaux. Composé d'amylose (α1-4 linéaire) et d'amylopectine (α1-4 et α1-6 ramifiée).

• Glycogène : réserve glucidique animale. Structure similaire à l'amylopectine mais plus ramifiée.

Dérivés des Oses et Hétérosides

• Oxydation du glucose : formes des acides uroniques (ex: acideglucuronique).

• Osamines : fonction amine remplace une fonction alcool (ex: D-glucosamine). Appartenant souvent aux glycoprotéines.

• Glycoaminoglycanes : composants de la matrice extracellulaire (tissus conjonctifs). Ex: acide hyaluronique (motif acide glucuronique-N-Acétylglucosamine répété), important pour l'hydratation et l'élasticité.

Lipides

Les lipides sontun groupe hétérogène de molécules caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques apolaires. Ils jouent des rôles cruciaux comme réserve d'énergie, composants structuraux et molécules fonctionnelles.

Définition et Rôles Biologiques

• Insolubles dans l'eau (hydrophobes), solubles dans les solvants organiques (benzène, chloroforme, éther).

• Rôles (20% du poids corporel) :

  • Source énergétique majeure (9 kcal/g), réserves très caloriques.

  • Importance structurale : constituants fondamentaux des membranes (bicouches).

  • Importance fonctionnelle : rôle informationnel (hormones stéroïdes), protecteur, transport (lipoprotéines), vitaminique (vitamines A, K, E, D).

Classification des Lipides

• Acides gras : unités de base.

• Lipides simples : esters d'acides gras et d'alcools (ex: glycérides).

• Lipides complexes : contiennent d'autres groupements (phosphates, glucides).

  • Phospholipides : bases desmembranes.

  • Sphingolipides.

• Lipides isopréniques : (ex: stérols, vitamines liposolubles).

Les Acides Gras

• Acides carboxyliques (-COOH) avec de longues chaînes hydrocarbonées (R).

• Chaînes linéaires, généralement à nombre pair de carbones.

• Peuvent être saturés (pas de C=C) ou insaturés (une ou plusieurs C=C).

• Rarement libres, souvent estérifiés au glycérol.

Nomenclature

• Nom usuel (ex: acide palmitique).

• Nom chimique (ex: acide hexadécanoïque pour C16:0).

• Nom biochimique : Cx:y où x = nombre de carbones, y = nombre de doubles liaisons.

• Acides gras insaturés : (n = carbones, ± = doubles liaisons, a,b,c = positions).

• Nomenclature nutritionnelle : ω indique la position du premier C=C à partir du méthyl terminal. (ex: ω3, ω6, ω9).

Conséquences de l'insaturation

• Les doubles liaisons peuvent exister sous forme cis (courbure de la chaîne) ou trans(chaîne linéaire).

• Les formes cis prédominent dans la nature, influençant la fluidité des membranes.

Les Triglycérides (Triacylglycerols)

• Esters de trois acides graset d'une molécule de glycérol.

• Peuvent être homogènes (3 AG identiques) ou hétérogènes (AG différents).

• Lipides apolaire et non chargés (graisses neutres).

• Réserve énergétique majeure chez l'homme (adipocytes, 40 jours d'énergie).

• Digestion par les lipases pancréatiques en mono- et diglycérides + acides gras.

• Aliments riches en bonne graisse : ceux avec des AGpolyinsaturés et un bon ratio ω6/ω3.

Les Glycérophospholipides

• Base commune : acide phosphatidylique (glycérol estérifié par un phosphate et deux acides gras).

• Le phosphateest souvent lié à une autre molécule (éthanolamine, sérine, choline).

• Exemple : glycérophosphocholine (lécithine), très répandu dans les membranes.

• Caractère amphipathique : tête polaire (phosphate) et queue apolaire (acides gras).

• S'assemblent en bicouches lipidiques dans l'eau, formant la base structurelle des membranes cellulaires.

Les Lipides Isopréniques : Stérols (Cholestérol)

• Molécules caractérisées par un noyau cyclopentanoperhydrophénanthrène.

• Familles : stérols, acides biliaires, stéroïdes hormonaux, vitamines D.

• Cholestérol : chef de file des stérols.

  • Présent dans les membranes (rôle fondamental pour la structure et la fluidité).

  • Précurseur d'hormones stéroïdes(sexuelles), d'acides biliaires et de vitamine D.

Chimie Organique - Introduction

La chimie organique est l'étude des composés du carbone et de leurs propriétés, jouant un rôle central dans la compréhension des phénomènes biologiques et ledéveloppement de nouvelles molécules.

Introduction à la Chimie Organique

Bref historique

• Initialement, la chimie organique était l'étude des substances issues des êtres vivants.

• 1828 : Friedrich Wöhler synthétise l'urée (composé organique) à partir de matières inorganiques, brisant la barrière entre chimie organique et inorganique.

• Actuellement : la chimie organique est la chimie des composés du carbone, qu'ils soient d'origine naturelle ou synthétique.

Domaines d'application

La chimie organique est omniprésente dans notre quotidien :

• Médicaments (conception, synthèse de principes actifs).

• Matériaux (plastiques, polymères, textiles).

• Agroalimentaire (arômes, conservateurs).

• Cosmétiques (parfums, crèmes).

• Carburants.

Objectifs fondamentaux

• Établir des relations structure-propriétés des molécules.

• Comprendre les mécanismes des réactions pour prévoir la réactivité.

• Développer des méthodes de synthèse denouvelles molécules.

Pourquoi étudier la Chimie Organique ?

Les biomolécules

• Les molécules du vivant (protéines, glucides, lipides, acides nucléiques) sont toutes des molécules organiques.

• Comprendre leur structure etréactivité est essentiel pour la biologie et la médecine.

Les interactions ligands-récepteurs

• Un ligand est une substance qui se lie à une biomolécule (récepteur) pour former un complexe.

• Ces interactions sont basées sur la complémentarité structurale et électronique (modèle clé-serrure).

• Elles peuvent être réversibles (via liaisons intermoléculaires faibles, déterminant l'affinité) ou irréversibles (liaisons covalentes).

• Ligands naturels vs. ligands synthétiques (médicaments) : agonistes/antagonistes, activateurs/inhibiteurs.

• Importance de la pharmacomodulation et des études structure-activité (RSA) en chimie thérapeutique.

Passage des barrières physiologiques

• Les propriétés des molécules (hydro- ou liposolubilité, pH) influencent leur capacité à traverser les membranes.

• Comprendre les propriétés acido-basiques des molécules organiques est essentiel.

Isomérie

L'isomérie décrit des molécules ayant la même formule brute mais des arrangements d'atomes différents, menant à diverses propriétés physiques et chimiques.

Isomérie Plane (ou de Constitution)

• Définition : Deux composés sont isomères si ils ont la même formule brute mais diffèrent par leur formule développée.

• Types d'isomérie plane :

  • Isomérie de chaîne : squelette carboné différent (ex: butane vs méthylpropane).

  • Isomérie de position d'insaturation : position des doubles/triples liaisons varie (ex: hex-1-ène vs hex-2-ène).

  • Isomérie de position de fonction : position du groupe fonctionnel varie (ex: pentan-2-one vs pentan-3-one).

  • Isomérie de fonction : groupes fonctionnels différents (ex:propanal vs propanone).

Chiralité et Stéréoisomérie de Configuration

• Stéréoisomères : même formule développée, mais arrangements spatiaux différents. Nécessite de casser des liaisons pour passer d'un isomère à l'autre.

La Chiralité

• Une molécule est chirale si elle n'est pas superposable à son image dans un miroir plan.

• Souvent due à la présenced'un carbone asymétrique (C*) portant 4 substituants différents.

• Notations de chiralité :

  • R, S (Cahn-Ingold-Prelog) : caractérisation duC*.

  • L, D (Fischer) : caractérisation de la molécule (souvent pour sucres et acides aminés).

  • (+), (-) : pouvoir rotatoire (dextrogyre ou lévogyre, mesure expérimentale).

• Mélange racémique : mélange 50-50 de deux énantiomères (pouvoir rotatoire nul).

Énantiomères et Diastéréoisomères

• Énantiomères : deux molécules images l'une de l'autre dans un miroir et non superposables.

  • Propriétés physiques identiques, sauf le sens du pouvoir rotatoire.

  • Interactions biologiques différentes (activitémédicamenteuse).

• Diastéréoisomères : stéréoisomères qui ne sont pas des énantiomères.

  • Propriétés physiques différentes (points de fusion/ébullition, densité), donc séparables.

Stéréoisomérie de Configuration (Z/E et cis/trans)

Diastéréoisomérie Z/E

• Concerne les molécules avec une double liaison (pas de rotationlibre).

• Z (zusammen) : les groupes prioritaires sont du même côté de la double liaison.

• E (entgegen) : les groupes prioritaires sont de côtés opposés de la double liaison.

• Pour passer de Zà E, il faut casser la double liaison.

Diastéréoisomérie cis/trans

• Utilisée pour les cycles et parfois les doubles liaisons.

• Cis : substituants sont du même côté du cycle/plan de la double liaison.

• Trans : substituants sont de côtés opposés du cycle/plan de la double liaison.

Stéréoisomérie de Conformation

• Résulte de la libre rotation autour des liaisons simples C-C.

• Les différentes formes obtenues sont appelées conformères.

• Les conformères ont des énergies différentes dues aux répulsions électroniques et à l'encombrement stérique.

• Ne nécessite pas de casser des liaisons pour passer d'un conformère à l'autre (énergie faible).

• Exemple : La forme chaise est la conformation la plus stable du cyclohexane.

Composés et Fonctions Organiques

La chimie organique utilise diverses représentations pour décrire les molécules et les classe selon leur structure hydrocarbonée et la présence de groupes fonctionnels porteurs d'hétéroatomes.

Structures et Formules des Molécules Organiques

Écriture des molécules organiques

• Formule brute : indique les atomes et leur nombre (ex: ).

• Formule développée : montre toutes les liaisons.

• Formule semi-développée : montre les liaisons C-C et C-X, mais masque les liaisons C-H.

• Formule compacte : regroupe les atomes par groupes (ex: ).

• Formule topologique : omet lescarbones (représentés par des jonctions ou extrémités de traits) et les hydrogènes liés aux carbones. Utilisation majeure.

Ces formules spécifient l'enchaînement des atomes, mais pas toujours leur aspect géométrique.

Représentation plane des structures spatiales

• Représentation de Cram : utilise des traits pleins (plan), gras (avant) et pointillés (arrière) pour montrer la géométrie 3D des liaisons.

• Projection de Newman : visualise la molécule en regardant selon un axe C-C pour étudier les effets stériques.

• Représentation de Fischer : utilisée pour les acides aminés et les sucres pour définir les configurations D ou L.

Les Hydrocarbures

Composés de carbone et d'hydrogène uniquement.

Alcanes, alcènes (oléfines) et alcynes

• Alcanes : liaisons simples C-C (saturés).

• Alcènes : au moins une double liaison C=C (insaturés).

• Alcynes : au moins une triple liaison C≡C (insaturés).

• Cycloalcane : alcane cyclique.

• Insaturations : une double liaison ou un cycle compte pour une insaturation; une triple liaison pour deux.

• Les cycloalcanes et les alcènes peuvent avoir la même formule brute.

Composés aromatiques

• Contiennent des cycles avec des systèmes d'électrons π délocalisés, conférant une grande stabilité.

• Principal exemple : le benzène (4 insaturations: 1 cycle + 3 liaisons π).

• Position des substituants sur le benzène :

  • Ortho (1,2-disubstitué).

  • Méta (1,3-disubstitué).

  • Para(1,4-disubstitué).

• Autres composés aromatiques : pyridine, quinoléine, etc. (hétérocycles aromatiques).

Les Fonctions Organiques

Groupements atomiques spécifiques (avec des hétéroatomes) qui confèrent des propriétés chimiques particulières à la molécule.

Fonctions organiques oxygénées

• Liaison simple C-O :

  • Alcools (-OH) : propriétésacides (phénols plus acides que les alcools).

  • Éthers-oxydes (R-O-R').

  • Hémiacétals et acétals.

• Liaison double C=O (carbonyles) :

  • Cétones (R-CO-R').

  • Aldéhydes (R-CHO).

  • Acides carboxyliques (R-COOH).

  • Esters (R-COO-R').

  • Amides (R-CO-NR'R'').

Fonctions organiques azotées

• Liaison simple C-N :

  • Amines (R-NH₂, R₂NH, R₃N) : basiques grâce au doublet libre de l'azote.

• Liaison double C=N :

  • Imines (R-C=N-R') : les bases de Schiff sont des imines stables.

Autres hétéroatomes

• Halogènes (F, Cl, Br, I) : Halogénoalcanes (liaison C-X polarisée).

• Soufre :

  • Thiols (R-SH, mercaptans).

  • Disulfures (R-S-S-R').

• Phosphore :

  • Phosphoesters, phosphodiesters, phosphotriesters, acylphosphates. Importants dans les molécules énergétiques comme l'ATP et l'ADP.

Introduction à la Réactivité

La réactivité des molécules organiques est gouvernée par leurs effets électroniques intramoléculaires, la nature des solvants, et les concepts d'électrophilie et de nucléophilie, conduisant à divers types de réactions.

Effets Électroniques Intramoléculaires

Ces effets expliquent la réactivité des composés organiques.

Effets électroniques et propriétés des molécules

• Cruciaux pour l'interaction avec une cible biologique (ex: médicaments).

• Influencesur la toxicité (ex: accepteurs de Michael).

Effets inductifs

• Déformation d'un nuage électronique σ (ou π) due à une différence d'électronégativité.

• Effet -I (attracteur) : l'atome ou groupe est plus électronégatif que l'hydrogène (ex: halogènes, C=O).

• Effet +I (donneur) : l'atome ou groupe est moins électronégatif quel'hydrogène (ex: groupes alkyles).

• L'effet s'atténue avec la distance.

• Influence la polarisation des liaisons et l'acidité/basicité (ex: acidité des acides carboxyliques).

Effets mésomères

• Concerne les électrons π et doublets libres (délocalisation).

• Intervient si des enchaînements spécifiques sont présents (double liaison conjuguée, charge/doublet libre à côté d'une double liaison, etc.).

• Effet mésomère > effet inductif.

• Influence la polarisation des liaisons et la réactivité (ex: phénol plus acide que les alcools grâce à la mésomérie).

Propriétés et Rôle des Solvants

Solubilité en système aqueux / lipidique : diffusion passive

• Un composé est soluble si il a de l'affinité pour le solvant (établissement de liaisons non covalentes).

• Détermine la capacité des molécules à diffuser à travers les membranes biologiques.

Solvatation

• Association entre le soluté et les molécules de solvant.

• Assurée par :

  • Interactions électrostatiques (dipôle-dipôle pour molécules polaires, ion-dipôle pour espèces ioniques).

  • Liaisons hydrogène (impliquant des solvants protiques comme l'eau, les alcools).

• Solvant protique : capable de former des liaisons H (ex: méthanol, ).

• Solvant aprotique : incapable de former des liaisons H (ex: acétonitrile).

Électrophilie et Nucléophilie

Exemples de réactions en milieu biologique

• Inhibiteurs irréversibles : ciblent des zones déficientes en électrons (ex: aspirine inhibant la cyclooxygénase).

• Alkylants de l'ADN: agents électrophiles réagissant avec les sites nucléophiles de l'ADN (ex: moutardes azotées).

Définitions

• Électrophile (« qui aime les électrons ») : composé ou site déficienten électrons, capable d'accepter une paire d'électrons.

• Nucléophile (« qui aime les noyaux ») : composé ou site riche en électrons, capable de donner une paire d'électrons.

• Ces termes qualifient une molécule entière ou un atome/groupement spécifique.

Différentes Réactions Organiques

Rupture et formation de liaisons

• Étape initiale de rupture de liaison → formation d'intermédiaire réactionnel (espèce très réactive).

• Rupture homolytique : chaque atome de la liaison rompue conserve un électron unique (réactions radicalaires). Demi-flèches.

• Rupture hétérolytique : unatome conserve les deux électrons de la liaison (réactions ioniques, carbocations, carbanions). Flèches pleines.

Classement des réactions selon l'équation bilan

• Addition : A + B → C (ex: sur C=C).

• Élimination : A → C + B.

• Substitution : A + B → C + D (sur carbone tétraédrique).

• Réarrangement,transposition : A → B.

• Condensation : A + B → C + D (sur carbone trigonal).

• Cyclisation : A → B.

• Oxydation,réduction.