Introduction Générale à la Biochimie

Introduction à la Biochimie Générale

La biochimie est la science qui étudie les réactions chimiques se déroulant au sein de la matière vivante. Anciennement appelée « CHIMIE BIOLOGIQUE », son champ d'application comprend plusieurs domaines :

• Biologie moléculaire

• Biochimie structurale et métabolique

• Biochimie clinique

• Biochimie de la communication cellulaire

La biochimie peut être divisée en deux grandes branches d'étude :

• Biochimie Structurale : Étude de la structure et des propriétés chimiques des molécules constituant la matière vivante.

• Biochimie Métabolique : Étude des réactions chimiques qui permettent la transformation et l'utilisation de la matière et de l'énergie prélevées dans l'environnement pour assurer la conservation de la structure vivante au niveau phénotypique.

Objectifs du Cours

Ce cours de Biochimie Structurale, dispensé par le Pr. Laila Benchekroun à la Faculté de Médecine et de Pharmacie de Rabat (UM5) pour l'année universitaire 2025/2026, couvre les points suivants :

• Structure des glucides

• Structure des lipides

• Structure des acides aminés, peptides et protéines

• Enzymologie

• Métabolisme des glucides

• Métabolisme des lipides

• Métabolisme des acides aminés

I. Les Acides Aminés : Structure et Propriétés

1. Définition des Acides Aminés

Les Acides Aminés (AA) sont des substances organiques caractérisées par la présence d'une fonction acide carboxylique (-COOH) et d'une fonction amine primaire (-NH₂). Dans les acides α-aminés, ces deux fonctions sont portées par le même atome de carbone, appelé le carbone α (ou C2, car C1 est le carbone carboxylique). Ils possèdent également une chaîne latérale ou un radical (R) qui est variable et qui différencie les AA entre eux.

undefinedR_f = \frac{h}{H} \quad \text{avec:} - h : \text{la distance parcourue par l'AA} - H : \text{la distance parcourue par le solvant}" data-type="inline-math">$
Un exemple d'application permet de déterminer la composition d'un mélange d'AA.

II. Les Peptides

1. Généralités

1.1. Définition et Nomenclature

Un peptide est une molécule formée d'un enchaînement d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques (liaison amide).

• Deux AA = Dipeptide

• Trois AA = Tripeptide

• Quatre AA = Tétrapeptide

• Moins de 10 AA = Oligopeptide

• Entre 50 et 100 AA = Polypeptide

• Plus de 100 AA = Protéine

Un peptide commence toujours par l'AA dont le groupe NH₂ est libre (AA N-terminal, placé à gauche) et se termine par l'AA dont le COOH est libre (AA C-terminal, placé à droite).

Les peptides ont un intérêt biologique important :

• Certains sont des hormones (ex: insuline, glucagon, LH, FSH).

• D'autres sont des antibiotiques ou des neurotransmetteurs.

1.2. Propriétés de la liaison peptidique

• La liaison peptidique est hydrolysable en milieu acide concentré et à chaud.

• Un peptide possède de nombreux groupements ionisables libres (extrémités N et C terminales, groupements ionisables des radicaux R), ce qui lui confère un pHi et la capacité d'exister sous différentes formes ioniques.

• Les peptides (sauf les di- et tripeptides) peuvent être mis en évidence par la réaction du biuret (complexe violet avec les ions cuivriques en milieu alcalin), utilisée pour caractériser la liaison peptidique.

• La chaîne peptidique n'est pas plane mais adopte une structure spatiale en zigzag due à l'angle des liaisons autour des atomes. Les groupements R sont rejetés vers l'extérieur.

2. Détermination de la Séquence d'un Peptide

Pour déterminer la structure d'un peptide, il est nécessaire de connaître sa composition en AA et l'ordre de leur enchaînement.

2.1. Détermination de la composition en AA

• Hydrolyse acide : Utilisation de HCl (6 mol.L^-1, 24-72h, 110°C) pour couper les liaisons peptidiques.
  

  L'hydrolyse acide détruit le tryptophane.

• Hydrolyse alcaline : Utilisation de NaOH (4N, 100°C, 4-8h) pour détecter le tryptophane.

• Identification et dosage : Par chromatographie échangeuse d'ions, les AA séparés sont dosés par réaction à la ninhydrine.

2.2. Détermination de la séquence des AA

Plusieurs opérations sont indispensables :

1. Détermination de l'AA N-terminal :

2. Il existe des méthodes chimiques et enzymatiques.

   • Méthode récurrente d'Edman : Utilise le Phénylisothiocyanate (PITC). Le PITC se lie au NH₂ de l'AA N-terminal, formant un phénylthiocarbamyl-peptide (PTC-peptide). Une hydrolyse en milieu acide faible forme la phénylthiohydantoïne de l'AA1 (PTH-AA1) et un peptide raccourci. Le procédé est automatisable et permet de séquencer jusqu'à 50 AA.

   • Méthode enzymatique aux aminopeptidases : Les aminopeptidases sont des exopeptidases qui hydrolysent les liaisons peptidiques en commençant par l'extrémité N-terminale, détachant les AA un par un. Leur action doit être contrôlée pour éviter une dégradation excessive. L'AA libéré est identifié par chromatographie.

3. Détermination de l'AA C-terminal :

   • Méthodes enzymatiques aux carboxypeptidases : Les carboxypeptidases A et B sont des exopeptidases qui libèrent l'AA C-terminal.

     • La carboxypeptidase A coupe l'AA C-terminal, sauf si c'est la Gly, l'Arg ou la Lys.

     • La carboxypeptidase B libère les AA C-terminaux basiques (Arg et Lys).

     Leur action est répétitive et doit être très courte. L'AA libéré est identifié par chromatographie.

4. Fragmentation des peptides intrachaînes :

5. Ces méthodes visent à découper le peptide en fragments plus petits dont les séquences peuvent être déterminées plus facilement. Puis les fragments sont réassemblés pour obtenir la séquence complète.

   • Méthode enzymatique aux endopeptidases : Les endopeptidases hydrolysent spécifiquement les liaisons peptidiques à l'intérieur des chaînes.

     ENDOPEPTIDASE	SITE DE COUPURE
     La trypsine pancréatique	Hydrolyse les liaisons peptidiques où un acide aminé basique (Lys, Arg) engage sa fonction acide (après Lys, Arg)
     La chymotrypsine pancréatique	Hydrolyse les liaisons peptidiques où un acide aminé aromatique (Tyr, Trp, Phe) ou Met engage sa fonction acide (après Tyr, Trp, Phe, Met)
     La pepsine gastrique	Hydrolyse les liaisons peptidiques où un acide aminé aromatique (Tyr, Trp, Phe) engage sa fonction amine (avant Tyr, Trp, Phe)
     La thermolysine	Hydrolyse les liaisons peptidiques où les AA : Tyr, Leu, Ile engagent leur fonction amine (avant Leu, Ile, Tyr)

   • Méthode chimique :

     • Bromure de cyanogène (BrCN) : Coupure spécifique du côté carboxylique de la Méthionine.

     • Rupture des ponts disulfures (-S-S-) : Par oxydation à l'acide performique ou par réduction au β-mercaptoéthanol.

   Les peptides obtenus par hydrolyse partielle sont ensuite analysés par la méthode d'Edman pour déterminer leur séquence complète.

   2.3. Exercice : Détermination de la séquence d'un petit peptide

   Soit un peptide négatif au Biuret contenant un AA à groupement thiol. L'aminopeptidase libère une base héxonique diaminée. La carboxypeptidase libère un acide bêta dicarboxylique.

   • AA à groupement thiol : Cystéine (Cys).

   • Base héxonique diaminée (libérée par aminopeptidase, donc N-terminale) : Lysine (Lys).

   • Acide bêta dicarboxylique (libéré par carboxypeptidase, donc C-terminale) : Acide Aspartique (Asp).

   La structure du peptide est donc : NH₂-Lys-Cys-Asp-COOH.

   3. Étude de Peptides d'Intérêt Biologique : Le Glutathion

   Le Glutathion (GSH) est un tripeptide : γ-glutamyl-cystéinyl-glycocolle.

   • Il est présent dans toutes les cellules de l'organisme.

   • Il participe à l'élimination des radicaux libres grâce à sa fonction thiol (-SH), agissant comme un puissant antioxydant.

   • Il existe sous deux formes :

     • Forme réduite : GSH

     • Forme oxydée : GSSG, où deux molécules de glutathion sont liées par un pont disulfure.

   • Les deux molécules de GSH s'oxydent et cèdent leurs hydrogènes aux peroxydes (toxiques), qui sont réduits et neutralisés.

   • La glutathion réductase régénère la forme réduite (GSH) en utilisant le NADPH (voie des pentoses phosphates). Cela assure la continuité du processus de détoxication cellulaire.

   III. Les Protéines

   1. Définition des Protéines

   Les protéines sont des macromolécules complexes, polymères d'acides aminés (> 100 AA) réunis entre eux par des liaisons peptidiques. L'ordre d'enchaînement des AA est appelé séquence et est génétiquement déterminé. Les protéines adoptent une structure spatiale spécifique appelée conformation, indispensable à leur activité biologique.

   Les protéines jouent un rôle prédominant dans le monde vivant, étant présentes dans toutes les cellules et représentant plus de la moitié du poids sec cellulaire. Elles participent à toutes les fonctions cellulaires :

   • Structure (collagène)

   • Transport (hémoglobine)

   • Protection (anticorps)

   • Mouvement (actine et myosine)

   • Régulation (récepteurs hormonaux, facteurs de transcription)

   • Catalyse (enzymes)

   2. Structure des Protéines

   Les protéines ont une structure bien définie dans l'espace, avec 4 niveaux de complexité croissante :

   1. La Structure Primaire ou Structure Covalente :

   2. Correspond à l'ordre d'enchaînement des acides aminés, reliés par des liaisons peptidiques (covalentes). La séquence commence par l'AA N-terminal et se termine par l'AA C-terminal. La structure primaire inclut également les ponts disulfures.

      • C'est la seule structure génétiquement codée.

      • Toutes les protéines passent par ce stade. Certaines sont fonctionnelles à ce stade, d'autres subissent des modifications post-traductionnelles pour atteindre des formes plus compliquées.

   3. Structure Secondaire :

   4. Résulte du repliement local de segments contigus du polypeptide (3 à 30 résidus) en unités géométriquement ordonnées. Elle est stabilisée par des liaisons hydrogènes entre le -C=O d'un AA et le -NH d'un autre AA.

      • Structure en hélice α : La chaîne polypeptidique s'enroule en une hélice stabilisée par des liaisons hydrogènes intramoléculaires.

      • Structure en feuillet plissé β : Liaisons hydrogènes s'établissent entre des segments différents de la chaîne (parallèles ou antiparallèles), pouvant appartenir à la même chaîne ou à des chaînes différentes. Donne une structure en zigzag étirée.

   5. Structure Tertiaire :

   6. C'est l'agencement tridimensionnel des éléments de structure secondaire, où la chaîne se replie sur elle-même pour former une structure globulaire stable. Elle met en relation des résidus éloignés dans la structure primaire.

      Les interactions qui maintiennent cette forme sont :

      • Liaisons covalentes : Ponts disulfures.

      • Liaisons ioniques : Entre groupements chargés de signe opposé.

      • Interactions électrostatiques : Liaisons hydrogènes.

      • Interactions hydrophobes ou forces de Van der Waals : Entre groupes apolaires.

      Dans cette structure, les chaînes latérales polaires s'orientent vers la surface de la protéine, tandis que les chaînes latérales apolaires sont dirigées vers l'intérieur (hydrophobes) pour fuir l'eau.

      La structure tertiaire détermine et assure la fonction biologique d'une protéine. Toute déstabilisation de cette structure (appelée dénaturation) entraîne la perte de l'activité biologique.

   7. Structure Quaternaire :

   8. Fait référence à l'assemblage de plusieurs sous-unités polypeptidiques (protomères ou monomères) pour former une protéine entière (oligomère ou polymère). Ces sous-unités sont unies par des liaisons faibles (interactions hydrophobes, liaisons hydrogènes, liaisons ioniques) et présentent souvent une symétrie.

      • Exemple : L'hémoglobine humaine adulte est formée de 4 sous-unités (2 chaînes α et 2 chaînes β). Une modification structurale de l'une des sous-unités peut affecter la structure tertiaire de toute la protéine, entraînant des anémies.

      Processus de Dénaturation

      C'est la perte de la conformation des protéines par rupture des liaisons faibles (secondaires). La dénaturation est souvent irréversible et entraîne la perte de l'activité biologique. Elle peut être causée par la chaleur, les pH extrêmes, les détergents (SDS), l'urée et les sels de guanidine.

      3. Propriétés des Protéines

      3.1. Propriétés physiques

      • Solubilité : La plupart des protéines sont solubles dans l'eau.

      • Cristallisation : Il est possible de cristalliser les protéines en ajustant le pH, la concentration saline et les solvants organiques.

      • Propriétés optiques :

        • Les protéines sont optiquement actives.

        • La plupart absorbent la lumière UV à 280 nm (grâce aux résidus aromatiques).

        • Elles donnent un complexe violet avec les ions cuivriques en milieu alcalin (réaction du Biuret), avec un maximum d'absorption à 540 nm (utilisé pour le dosage des protéines).

      • Masse moléculaire (MM) : Chaque protéine a une MM caractéristique (de 10 000 à plusieurs millions de Daltons).

        • Méthode par ultracentrifugation : Les protéines sédimentent en fonction de leur MM, permettant de déterminer la constante de sédimentation et de calculer la MM.

        • Méthode par chromatographie par gel-filtration : Les protéines sont séparées selon leur MM sur un gel de dextranes. Les grosses molécules passent rapidement, les plus petites sont retardées. La colonne est étalonnée avec des protéines de MM connues.

      3.2. Propriétés chimiques

      • Les protéines sont composées de C, H, O, N et souvent S. Les 20 AA sont généralement représentés. La présence d'hydroxyproline et d'hydroxylysine est due à l'hydroxylation post-traductionnelle de la proline et lysine.

      • La réactivité d'une protéine dépend de ses AA constitutifs : si elle a plusieurs AA basiques, elle est basique ; si elle a plusieurs AA acides, elle est acide.

      • Caractère amphotère : L'ionisation des protéines est due aux groupes -COOH et -NH₂ terminaux et aux groupements ionisables des radicaux R (-COOH, -NH₂, -OH, -SH).

        • Le pHi d'une protéine est le pH où les charges positives et négatives sont équilibrées.

        • Si pH < pHi, la protéine est chargée positivement et migre vers le pôle négatif.

        • Si pH > pHi, la protéine est chargée négativement et migre vers le pôle positif.

        Ce caractère amphotère est utilisé pour la séparation des protéines par électrophorèse (ex: électrophorèse des protéines sériques, EPS, séparant 6 fractions).

      3.3. Propriétés biologiques

      • Propriétés antigéniques : Les protéines peuvent être des antigènes et induire la synthèse d'anticorps.

      • Activités biologiques spécifiques :

        • Activité enzymatique (liée à l'intégrité de la structure).

        • Hormones (agissent à faibles doses).

        • Toxines (ex: exotoxines bactériennes).

        • Activité antibiotique.

      4. Classification des Protéines

      • Holoprotéines : Formées uniquement d'acides aminés.

        • Solubles globulaires : Albumines, globulines.

        • Solubles fibrillaires : Actine et myosine, fibrine.

        • Insolubles fibrillaires : Collagène, kératines.

      • Hétéroprotéines : Constituées d'une partie protéique et d'une partie non protéique. Ex: Phosphoprotéines, hémoglobine.